BR0314519B1 - Cabeça de injeção de acionamento de topo - Google Patents
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Description
"CABEÇA DE INJEÇÃO DE ACIONAMENTO DE TOPO" Histórico da Invenção Em cavaletes de poço (top_drive rig), uma unidade de acionamento de topo (top_drive unit) é empregada para girar uma coluna de furação ou coluna de poço em um furo de poço. 0 cavalete de acionamento de topo pode incluir trilhos-guia espaçados e uma estrutura móvel ao longo de trilhos-guia que guiam a unidade de acionamento de topo. A caixa móvel suspende a unidade de acionamento e uma cabeça de injeção de acionamento de topo (top_drive swivel) com um gancho, e a caixa móvel sendo usada para erguer e baixar a estrutura móvel nos trilhos. Para girar a coluna de furação ou coluna de poço, a unidade de acionamento de topo inclui um motor conectado por engrenagens a um membro giratório, ambos suportados na estrutura móvel.
Durante operações de furação, quando se deseja introduzir a coluna de furação ou coluna de poço no furo de poço, ou ao invés tirá-la do furo de poço, a estrutura móvel pode ser erguida ou baixada. Adicionalmente, durante operação de manutenção, a coluna de furação pode se mover longitudinalmente para dentro ou para fora do furo de poço. A haste da cabeça de injeção se comunica com a extremidade superior do membro giratório da unidade de acionamento de uma maneira bem conhecida por aqueles habilitados na técnica de suprir fluido, tal como fluido ou lama de furação através da unidade de acionamento de topo para dentro do furo ou coluna de trabalho. A cabeça de injeção permite que um fluido de furação passe e seja suprido para a coluna de furação ou de poço conectada a extremidade inferior do membro giratório da unidade de acionamento de topo quando a coluna de furação é girada e/ou erguida e/ou baixada.
Cavaletes de unidade de acionamento de topo podem incluir elevadores presos e suspensos na estrutura. Elevadores são empregados quando se deseja baixar ou erguer juntas da coluna de furação no furo de poço.
Em vários momentos, a operação de acionamento além do fluido de furação requer que várias substâncias bombeáveis sejam bombeadas no interior do furo, tal como cimento, produtos químicos, resinas epóxi, etc..
Em muitos casos se deseja suprir tais substâncias ao mesmo tempo em que a unidade de acionamento de topo gira e/ou ergue ou baixa a coluna de furaçao ou coluna de poço, mas sem passar pela unidade guia, para não danificar a mesma. Ainda, se deseja suprir estas substâncias, sem afetar e/ou intermitentemente interromper o movimento longitudinal e/ou rotacional, provido pela unidade de acionamento de topo da coluna de furação ou coluna de poço.
Existe a necessidade de um dispositivo para facilitar a colocação de várias substâncias no interior do furo através da coluna de furação ou coluna de poço, sem passar pela unidade de acionamento de topo, permitindo que a unidade de acionamento de topo simultaneamente gire e/ou desça ou erga a coluna de furação ou coluna de poço.
Um exemplo inclui cimentar o revestimento de uma coluna de furação ou coluna de poço. Em algumas operações de revestimento se considera boa prática girar a coluna de revestimento quando esta estiver sendo cimentada no furo de poço. Acredita-se que a rotação deve prover uma melhor distribuição de cimento, espalhando o mesmo no espaço anular entre os lados interno e externo do revestimento do furo de poço. Na operação, a unidade de acionamento de topo pode ser usada para suportar e continuamente girar e/ou intermitentemente reciprocar a coluna de revestimento, enquanto o cimento é bombeado para o interior da coluna. Durante este tempo se deseja evitar que as substâncias passem pela unidade de acionamento de topo para não provocar danos a suas porções ou componentes. A patente U.S. Nos 4.722.389 está incorporada nesta por referência.
Embora certos novos componentes da presente invenção mostrados e descritos abaixo sejam mencionados nas reivindicações anexas, a presente invenção não se limita a detalhes específicos, como as pessoas habilitadas na técnica deverão entender, várias omissões, modificações, substituições, e mudanças nas formas e detalhes do dispositivo ilustrado em sua operação poderão ser feitas sem contudo sair do espírito da presente invenção.
No entanto, nenhum aspecto da invenção deve ser considerado critico ou essencial, a menos que expressamente declarado.
Sumário da Invenção 0 cavalete de acionamento de topo da presente invenção resolve o problema de maneira simples e direta. A presente invenção se refere a um cavalete tendo uma unidade de acionamento de topo para girar e/ou erguer ou baixar uma coluna de furação ou coluna de poço. Em uma configuração, a presente invenção inclui uma cabeça de injeção tendo mandril e luva, que é especialmente útil para uso em cavaletes de acionamento de topo. A luva pode ser rotacionalmente e selavelmente conectada ao mandril. A cabeça de injeção pode ser incorporada a uma coluna de furação ou coluna de poço e permitir que seções de coluna sob e sobre a luva sejam rotacionadas em relação à luva. Adicionalmente, a cabeça de injeção provê uma linha de fluxo entre o lado externo da luva e o lado interno do mandril, enquanto a coluna de furação se desloca longitudinalmente (para cima ou para baixo) e/ou é rotacionado/ reciprocado. O interior do mandril pode ser conectado fluidicamente ao furo longitudinal da coluna de revestimento ou coluna de furação provendo uma trajetória a partir da luva para o interior da coluna de furação ou coluna de poço.
Em uma configuração, o objetivo da presente invenção é prover um método e aparelho para servir um poço onde uma cabeça de injeção é conectada a uma unidade de acionamento de topo para introduzir substâncias bombeáveis a partir de uma fonte externa na coluna de poço, mas sem passar pela unidade de acionamento de topo.
Em uma outra configuração da presente invenção, provê-se um método para realizar operação de manutenção em um furo de poço, uma operação como cimentação, tendo as etapas de mover a unidade de acionamento de topo longitudinalmente e/ou rotacionalmente para prover um movimento longitudinal e/ou de rotação/ reciprocação no furo de poço de uma coluna de poço suspensa na unidade de acionamento de topo, girando a coluna de furação ou coluna de poço e suprindo uma substância bombeável para o furo de poço no qual uma coluna de furação ou coluna de poço é manuseada com a introdução da substância bombeável em um ponto sob a unidade de acionamento de topo na coluna de poço.
Em outras configurações da presente invenção, uma cabeça de injeção sob a unidade de acionamento de topo pode ser usada em operações como posicionar pastilhas, operação de compressão, operaçao de integridade de formação aberta, operação de pescar ferramentas com bombas de alta pressão, teste de empilhamento submarino, rotação do revestimento durante seguimento lateral, e vedação de cascalhos. Em ainda outras configurações, uma cabeça de injeção sob a unidade de acionamento de topo pode ser usada no método de bombear material de circulação perdida (LCM) em um poço para plugar/ selar áreas de perda de fluido no interior do furo em usinagem de alta velocidade usando uma ferramenta de corte para remover obstruções.
Em outras configurações, a cabeça de injeção sob unidade de acionamento de topo pode ser usada com indicadores de ponto livre de uma coluna ou cabo para soltar um tubo enroscado, onde substâncias bombeáveis são bombeadas para o interior do furo de poço ao mesmo tempo em que coluna/ tubo/ indicador de ponto livre gira e/ou vai e vem.
Em outras configurações, a cabeça de injeção é usada para instalar caixas de empaque (packers) e lavar areia.
Em ainda uma outra configuração, a cabeça de injeção pode ser usada para bombear substâncias bombeáveis para o interior do furo quando um trabalho de manutenção estiver sendo realizado na unidade de acionamento de topo e a rotação da coluna de furação no furo estiver sendo realizada pela mesa giratória. Através de rotação e bombeamento se impede o travamento da coluna de furação no furo. Nesta aplicação, válvulas de segurança, tal como válvulas TIW podem ser colocadas sob e sobre a cabeça de injeção para produzir um fluxo de fluido e garantir controle do poço.
Os desenhos constituem parte desta especificação e inclui configurações de exemplo para a presente invenção, que pode ser configurada de várias formas.
Descrição Resumida dos Desenhos Para um melhor entendimento da natureza, objetivos, e vantagens da presente invenção, faz-se referência à seguinte descrição detalhada em conexão com os seguintes desenhos, onde os mesmos números de referência se referem aos mesmos elementos, onde: a figura 1 é uma vista esquemática mostrando um cavalete de acionamento de topo em uma configuração tendo uma cabeça de injeção de acionamento de topo incorporada na coluna de furação; a figura 2 é uma vista esquemática de uma configuração de uma cabeça de injeção de acionamento de topo; a figura 3 é uma vista esquemática de um mandril que pode ser incorporado â cabeça de injeção de acionamento de topo da figura 2; a figura 4 é uma vista em corte transversal de uma luva que pode ser incorporada à cabeça de injeção de acionamento de topo da figura 2; a figura 5 é uma vista pelo lado direito da luva da figura 4; a figura 6 é uma vista em corte transversal da cabeça de injeção de acionamento de topo da figura 2; a figura 6A é uma vista em corte transversal da unidade de vedação mostrada na figura 6; a figura 6B é uma vista do anel de injeção de vedação mostrado nas figuras 6 e 6A; a figura 6C é uma vista lateral em corte do anel de injeção de vedação mostrado na figura 6B; a figura 7 é uma vista de topo de um grampo que pode ser incorporado na cabeça de injeção de acionamento de topo da figura 2; a figura 8 é uma vista lateral do grampo da figura 7; a figura 9 é uma vista em perspectiva e uma vista em corte parcial da cabeça de injeção de acionamento de topo mostrado na figura 2.
Descrição da Configuração Preferida Descrições detalhadas de uma ou mais configurações preferidas são providas nesta especificação. Deve ser entendido, no entanto, que a presente invenção podería ser configurada de várias outras maneiras. Portanto, detalhes específicos descritos não devem ser tomados como limitantes, mas ao invés, fundamentam as reivindicações para mostrar àqueles habilitados na técnica como empregar a presente invenção em qualquer sistema, estrutura, ou maneira apropriada. A figura 1 é uma vista esquemática mostrando um cavalete de acionamento de topo (top_drive rig) 1, tendo uma configuração de cabeça de injeção da de acionamento de topo (top_drive swivel) 30, incorporado na coluna de furação 20. A figura 1 mostra um cavalete 1 com unidade de acionamento de topo (top_drive unit) 10. O cavalete 5 compreende suportes 16, 17, caixa de polias fixa 2, caixa de polias móvel 4, e gancho 5. O mecanismo de içamento 11 usa um cabo 12 para erguer e baixar caixa de polias móvel 4, unidade de acionamento de topo 10, e coluna de furação 20. A caixa de polias móvel 4 suporta a unidade de acionamento de topo 10, que suporta a coluna de furação 20.
Durante furação, a unidade de acionamento de topo 10 pode ser usada para girar a coluna de furação 20 que entra no furo 14. A unidade de acionamento de topo 10 corre ao longo de guias 15 quando a unidade 10 é erguida ou baixada. As guias 15 também impedem que a unidade de acionamento de topo 10 gire enquanto ela gira a coluna de furação 20. Durante furação, fluidos de furação podem ser supridos para o interior do furo de poço pela linha de fluido 8 e pescoço de ganso 6.
Em vários momentos, operação de guiar, além de fluidos, requerem substâncias que devem ser bombeadas para o interior do furo, tal como cimento, produtos químicos, resinas epóxi, e similares. Em muitos casos, é desejável suprir tais substâncias bombeáveis, ao mesmo tempo em que a unidade de acionamento de topo 10 gira e/ou ergue ou baixa a coluna de furação ou poço 20, sem passar pela unidade de acionamento de topo 10 de modo que estas substâncias não danifiquem a unidade de acionamento de topo 10. Adicionalmente, é desejável suprir tais substâncias sem interferir e/ou intermitentemente interromper o movimento longitudinal e/ou rotacional da coluna de furação ou poço 20 que provida pela unidade de acionamento de topo 10. Isto é feito pela cabeça de injeção 30. A cabeça de poço 30 pode ser instalada entre a unidade de acionamento de topo 10 e a coluna de furação 20. Uma ou mais juntas 18 podem ser colocadas entre a unidade de acionamento de topo 10 e a cabeça de injeção 30. Ainda, uma válvula pode ser colocada entre a cabeça de injeção 30 e a unidade de acionamento de topo 10. Substâncias podem ser bombeadas através da mangueira 31, cabeça de injeção 30, e para o interior da coluna de furação 20, daí se desviando da unidade de acionamento de topo 10. A cabeça de injeção 30 é preferivelmente dimensionada de modo a ser conectada â coluna de furação 20, tal como um tubo de furação IF API de 4 1/2 polegadas ou do tamanho do tubo de furação ao qual a cabeça de poço 3 0 está conectada. No entanto, elementos intermediários também podem ser usados entre a cabeça de poço 3 0 e conexões na coluna de furação 20. A figura 2 é uma vista esquemática de uma configuração de uma cabeça de injeção 30. A cabeça de injeção 3 0 pode compreender mandril 40 e luva 150. A luva 150 é rotacionalmente e selavelmente conectada ao mandril 30.
Por conseguinte, quando o mandril 40 gira, a luva 150 permanece estacionária para um observador durante rotação. A ser discutido posteriormente, a entrada 200 da luva 150 está e permanece fluidicamente conectada à passagem longitudinal central 90 do mandril 40.
Por conseguinte, enquanto o mandril 4 0 gira ou sobe ou desce, substâncias bombeáveis podem entrar pela entrada 20 e deixar a passagem longitudinal central 90 pela extremidade inferior 60 do mandril 40. A figura 3 é uma vista em corte transversal do mandril 40 que pode ser incorporado à cabeça de injeção 30. 0 mandril 40 compreende extremidade superior 50 e extremidade inferior 60. A passagem longitudinal central 90 se estende da extremidade superior 50 através da extremidade inferior 60. A extremidade inferior 60 pode incluir conexão de pino ou uma outra conexão convencional. A extremidade superior 50 pode incluir conexão de caixa 70 ou qualquer outra conexão convencional. O mandril 40 pode se tornar parte da coluna de furação 20. A luva 150 se ajusta sobre o mandril 40 e se conecta rotacionalmente e selavelmente ao mandril 40. O mandril 40 pode incluir um ressalto 100 com respeito à luva superior 150. 0 mandril 40 pode incluir uma ou mais portas de entrada radial 140 conectando fluidicamente a passagem longitudinal central 90 à área rebaixada 130. A área rebaixada 130 preferivelmente forma um rebaixo circunferencial ao longo doO perímetro do mandril 40 e entre as áreas de suporte de vedação (packing) 131, 132.
Portanto, a área rebaixada permanece fluidicamente conectada à passagem radial e entrada 200 da luva 150 (figuras 4, 6).
Para reduzir a fricção entre o mandril 40 e as unidades de vedação (packing units) 305, 415 (figura 6) e para aumentar a expectativa de vida das unidades de vedação 305, 415, áreas de suporte de vedação 131, 132 podem ser revestidas com material de várias composições, tal como cromo-duro, níquel-cromo, ou níquel-alumínio (95% níquel/ 5% alumínio). Um material que pode ser para revestimento por solda é o arame ultraduro de liga cromo TAFA 95MX (Armacor M) fabricado pela TAFA Technologies, 146 Pembroke Road, Concord New Hampshire. TAFA 95MX é uma liga de composição: Cromo 30%; Boro 6%; Manganês 3%;
Silício 3%; e saldo de Ferro. 0 TAFA MX pode ser combinado com aço cromo. Um outro material que pode ser usado para revestimento por solda é TAFA BONDARC WIRE, 75B fabricado pela TAFA Technologies, Inc. TAFA BONDARC WIRE 75B é uma liga tendo a composição: Níquel 94%;
Alumínio 4,6%; Titânio 0,6%; Ferro 0,4%; Manganês 0,3%, Cobalto 0,2%; Molibdênio 0,1%; Cobre 0,1% e Cromo 0,1%.
Um outro material que pode ser usado para revestimento por solda é a liga Cromo-Níquel TAFALOY NÍQUEL CROMO
WIRE-71T fabricada pela TAFA Technologies Inc. A TAFALOY NÍQUEL CROMO WIRE-71T é uma liga tendo a composição: Níquel 61,2%; Cromo 22%; Ferro 3%; Molibdênio 9%; Tântalo 3%; e Cobalto 1%. Áreas de suporte 131, 132, também podem ser revestidas por galvanização. A superfície das áreas de suporte 131, 132 pode ser retificada, polida, para se chegar a um certo acabamento, de modo a reduzir fricção e desgaste entre áreas de suporte 131, 132 e unidades de vedação 305, 415. A figura 4 é uma vista em corte transversal da luva 150 incorporada à cabeça de injeção 30. A figura 5 é uma vista em corte transversal pelo lado direito da luva 150 tomada ao longo das linhas 4-4. A luva 150 pode incluir uma passagem longitudinal 180 que se estende da extremidade superior 160 à extremidade inferior 170. A luva 150 pode também incluir passagem radial 190 e entrada 200. A entrada 200 pode ser anexa por solda ou por qualquer outro meio convencional de fixação tal como por conexão roscada. Se soldada, a conexão é preferivelmente deve ser tratada termicamente para remover tensões residuais criadas no procedimento de solda. Também é mostrada a seção projetante 155, junto com ressaltos superior e inferior 156, 157. A porta de lubrificação 210 pode ser incluída para prover lubrificação para os mancais internos. As portas de vedação 220, 230 podem também ser incluídas para prover opção de injetar material de vedação nas unidades de vedação 3 05, 415 (ver figura 6) . Uma porta de proteção 240 pode ser colocada em torno da porta de vedação 230 para proteger o injetor de vedação 2 55 (ver figura 6) .
Opcionalmente, uma segunda tampa de proteção pode ser colocada em torno da porta de vedação 220, no entanto se prevê que a proteção será provida por grampo 60 0 e entrada 200. A luva 150 pode incluir uma ranhura periférica 205 para fixar o grampo 600. Adicionalmente, um rasgo de chaveta 206 pode ser provido para permitir a inserção de uma chaveta. A figura 5 ilustra como uma passagem longitudinal 180 está fluidicamente conectada à entrada 200 através da passagem radial 190. Prefere-se que a soldagem seja realizada usando o número T3 do Procedimento de Soldagem Preferido para Indústrias, 1550REV-A4140ht (285/311 bhn) a 4140HT (285/311 bhn (RMT) também as soldas devem ser submetidas a teste de Raio-X, Partícula Magnética, e a seguir a um processo de alivio de tensão. A figura 6 é uma vista em corte transversal da cabeça de injeção montada 30 da figura 2. Como pode ser visto, a luva 150 desliza sobre o mandril 40. Rolamentos 145, 146 conectam giratoriamente a luva 150 ao mandril 40.
Rolamentos 145, 146 são preferivelmente rolamentos axiais embora muitos rolamentos convencionais funcionem de modo adequado, incluindo rolamentos de esferas e cônicos.
Unidades de vedação 305, 415 selavelmente conectam a luva 150 ao mandril 40. A entrada 200 da luva se encontra e permanece fluidicamente conectado à passagem longitudinal central 90 do mandril 40. Portanto, embora o mandril 40 esteja sendo girado e/ou movimentado para cima e para baixo, substâncias bombeáveis podem entrar pela entrada 200 e deixar a passagem longitudinal central 90 pela extremidade inferior do mandril 40. A área rebaixada 130 e a seção projetante 155 formam um rebaixo periférico entre o mandril 40 e luva 150. A trajetória do fluido da entrada 200 para a saída inferior 60 da passagem longitudinal central 90 é a seguinte: entra pela entrada 200 (seta 201) ; passa através da passagem radial 190 (seta 202); passa através da área rebaixada 130 (seta 2 02) ; passa através de uma da pluralidade de portas de entrada radiais (seta 202); passa através da passagem longitudinal central 90 (seta 203); e deixa o mandril 40 através da extremidade inferior 60 nas conexões de pino 80 (setas 204, 205) . A figura 6A mostra uma vista esquemática explodida da unidade de vedação 305. A unidade de vedação 305 pode compreender extremidade de vedação 230; anel de vedação 330, anel de vedação 340; anel de lubrificação de vedação 3 50; extremidade de vedação 3 60; anel de vedação 3 70; anel de vedação 380; anel de vedação 390; anel de vedação 400; e extremidade de vedação 410. A unidade de vedação 305 selavelmente conecta mandril 40 e luva 150. A unidade de vedação 305 pode ser fixada por uma porca de retenção de vedação e ressalto da seção projetante 150. A porca de retenção 310 pode ser um anel que é roscado na luva 150 na área roscada 316. A porca de retenção de vedação 310 e o ressalto 156 comprimem a unidade de vedação 305 para obter uma boa selagem entre mandril 40 e luva 150. Um parafuso-trava é usado para travar a porca de retenção de vedação 310 no lugar e impedir que a porca 310 se afrouxe em operação. 0 parafuso-trava 315 pode ser roscado no furo 314 e ser travado na área de 317 da luva 150. A unidade de vedação 415 pode ser feita substancialmente similarmente à unidade de vedação 305. Os materiais para unidades de vedação 305 e 415 podem ser os mesmos. A extremidade de vedação 320 é preferivelmente uma extremidade de vedação fêmea de bronze. O anel de vedação 330 é um anel de vedação "Vee" de Teflon, por exemplo N 0500700-CS-720 Carbon Reflon da CDI (2% de carbono). O anel de vedação 340 é preferivelmente um anel de vedação "Vee" de borracha, por exemplo N° 00500700-VS- 850NBR. O anel de lubrificação de vedação 250 será descrito mais adiante com as figuras 6B e 6C. A extremidade de vedação 360 preferivelmente é uma extremidade de vedação fêmea de bronze. O anel de vedação é preferivelmente um anel de vedação "Vee" de teflon por exemplo N° 0500700-VS-720 de Carbon Reflon (2% de carbono) da CDI. O anel de vedação 380 é preferivelmente um anel de vedação "Vee" de borracha, por exemplo N 05000700-VS-850NBR Aramid da CDI. O anel de vedação 390 preferivelmente é um anel de vedação "Vee" de Teflon, por exemplo N° 0500700-VS-720 Carbon Reflon (2% carbono) da CDI. O anel de vedação 4 00 é preferivelmente um anel de vedação "Vee" de borracha, por exemplo N° 0500700- VS850NBR Aramid da CDI. A extremidade de vedação 410 é preferivelmente um anel de vedaçao fêmea de bronze. Vários materiais alternativos de anéis de vedação são possíveis, por exemplo anéis de vedação da Chevron de material de vedação padrão. Anéis de bronze preferivelmente atendem ou superam o padrão SAE 660.
Uma opção de injeção de vedaçao pode ser provida para a cabeça de injeção 30. Um arranjo de injeção 225 pode ser usado para injetar material adicional de vedação tal como teflon na unidade de vedação. A cabeça 22 6 do arranjo de injeção 225 pode ser removida e o material de vedação então inserido no arranjo de injeção 225. A cabeça pode então ser parafusada de volta no arranjo de injeção 225 que leva o material de vedação através do componente 225 e porta de vedação 220. O material então é introduzido no anel de vedação 350. O anel de vedação 350 compreende portas radial 352 e transversal 351. O material então avança pela porta radial 352 e sai através da porta transversal 351. 0 material então tende a comprimir anéis de vedação. 340, 330, 320, anéis de vedação 360, 370, 380, 390, 400 provendo uma melhor selagem entre unidade de vedação 305 e mandril 40 e luva 150. A interação entre o arranjo de injeção 235 e a unidade de vedação 415 pode ser substancialmente similar à interação entre arranjo de injeção 225 e a unidade de vedação 305. Um material convencional que pode ser usado no arranjo de injeção de vedação 225, 235 é o DESCOTM 625 N° 6242-12 em barra de 1 por 3/8 pol. da Chemola Division da South Coast Products Inc Houston Texas. Na figura 6, o arranjo de injeção 235 se encontra 90° fora de fase e preferivelmente localizado como mostrado na figura 9.
Os arranjos de injeção 225, 235 atendem dois propósitos: a) prover operador de indicação visual para informar ocorrência de vazamento nas unidades de vedação 305, 415; b) permitir que o operador facilmente injete material de vedação adicional e cesse vazamento sem remover a cabeça de injeção 30 da coluna de furação 20.
As figuras 6B e 6C mostram vistas laterais e de topo de um anel de injeção de vedação 350. O anel de injeção de vedação 350 inclui uma extremidade-macho 355 no topo e uma extremidade chata 356 na traseira. O anel 350 inclui uma ranhura periférica 353 no perímetro. Opcionalmente, o anel 350 pode incluir uma ranhura interna.
Uma pluralidade de portas transversais 351, 351', 351", 351"' etc. se estendem da extremidade-macho 3565 em direção à extremidade chata 356 pode ser incluída e pode ser igualmente espaçada na circunferência do anel 350. Uma pluralidade de portas radiais 352, 352', 352", 352'", etc. podem ser incluídas se estendendo da ranhura periférica 353 e respectivamente intersectando as portas transversais 351, 351', 351", 351"' etc. Preferivelmente, as portas radiais se estendem da ranhura periférica 353 através da ranhura interna 354. A porca de retenção 800 pode ser usada para fixar a luva 150 no mandril 40. A porca de retenção 800 pode ser roscada ao mandril 40 na área roscada 801. Um parafuso- trava 890 pode ser usado para travar no lugar a porca de retenção e impedir que a porca de retenção se afrouxe em operação. O parafuso-trava 890 pode ser roscado à porca de retenção 800 através do furo 900 e se encaixar em uma da pluralidade de porções de encaixe 910 no mandril 40. A porca de retenção 800 também pode incluir um arranjo de injeção de graxa 880 para lubrificar o rolamento 145. Um anel raspador 271 na área 270 impede a entrada de sujeira e de outros itens entre a luva 150 e o mandril 40. Anel de graxa 291 na área 290 provê lubrificante para os rolamentos 145. O rolamento 140 pode ser lubrificado por arranjo de injeção de graxa e porta de lubrificação 250, enquanto o rolamento 145 pode ser lubrifiçado por arranjo de injeção de graxa 881 e porta de lubrificação 880. A figura 7 é uma vista de topo do grampo 600 que pode ser incorporado à cabeça de injeção 30. A figura 8 é uma vista lateral do grampo 600. O grampo 600 compreende uma primeira porção 610 e uma segunda porção 620. A primeira porção 610 e a segunda porção 620 podem ser removívelmente fixadas com fixadores 670, 680. O grampo 600 se encaixa na ranhura 605 da luva 150 (figura 6) . A chaveta 700 pode ser montada no rasgo de chaveta 690.
Um correspondente rasgo de chaveta é incluído na luva 150 da cabeça de injeção 30. Rasgos de chaveta 690, 691, e chaveta 70 0 impedem que o grampo 60 0 gire em relação à luva 150. A segunda chaveta 720 pode ser instalada nos rasgos de chaveta 710, 711. Alças 650, 660 podem ser fixadas ao grampo 600 para facilitar o manuseio da cabeça de injeção 30 quando o grampo 600 lhe for anexado. Braços de torque 630, 640 podem ser incluídos para permitir ligação do grampo (e luva 150) a uma parte estacionária do anel da unidade de acionamento de topo e impedir que a luva 150 gire enquanto a coluna de furação estiver sendo girada pela unidade de acionamento de topo 10 (cabeça de injeção 30 está instalada na coluna de furação 20) .
Os braços de torque 630, 640 são providos com furos para fixar alças restritoras. Braços de torque restringidos 630, 640 impedem que a luva 150 gire, enquanto o mandril estiver girando. Por outro lado, forças de fricção entre as unidades de vedação 3 05, 415 e áreas de suporte de vedação 131, 135 para girar mandril 40 tendem também girar a luva 150. O grampo 600 preferivelmente é feito de aço 4140 tratado usinado para se ajustar à luva 150. A figura 9 é um vista em perspectiva geral (em corte parcial) da cabeça de injeção 30. A luva 150 é mostrada conectada giratoriamente ao mandril 40. Rolamentos 145, 14 6 permitem que a luva 150 gire em relação ao mandril 40. Unidades de vedação 305, 415 conectam selavelmente luva 150 ao mandril 40. Uma porca de retenção 800 trava a luva 150 no mandril 40. A entrada 200 da luva 150 é fluidicamente conectada à passagem longitudinal central 90 do mandril 40. Por conseguinte, enquanto o mandril 40 está sendo girado ou deslocado longitudinalmente para cima e para baixo, substâncias bombeáveis podem entrar pela entrada 200 e deixar a passagem longitudinal central 90 na extremidade inferior 60 do mandril 40. A área rebaixada 130 e a seção projetante 155 formam um rebaixo periférico entre mandril 40 e luva 150. A trajetória do fluido da entrada 200 para saída na extremidade inferior 60 da passagem 90 é a seguinte: entra pela entrada 2 00; passa através da passagem radial 190; passa através da área rebaixada 130; passa através de uma da pluralidade de portas radiais de entrada 40; passa através de passagem longitudinal central 90, e deixa o mandril 40 através da passagem longitudinal central 90 na extremidade inferior 60 e conexão de pino 80. Na figura 9, o arranjo de injeção 225 está mostrado 90° fora de fase e, para proteção, preferivelmente se localiza entre a entrada 200 e grampo 600. O mandril 40 absorve substancialmente toda a carga estrutural da coluna de furação 20. O comprimento global do mandril 40 é preferivelmente 52 e 5/16 polegadas. O mandril 40 pode ser usinado a partir de uma única peça contínua de barra de aço tratado. Ο N50 é preferivelmente a designação de junta de ferramenta API para conexão de caixa 70 e conexão de pino 80. Tal designação de junta é equivalente e intercambiável com 4 1/2 polegadas IF (Internamente Lisa), 5 polegadas XH (Furo Adicional) e 5 1/2 polegadas DSL (Dupla Linha de Fluxo).
Adicionalmente, é preferido que a conexão de caixa 70 e conexão de pino 80 atendam os requisitos da especificação API 7 e 7G para novas conexões de junta de ferramenta escalonada giratória tendo 6 5/8 polegadas de diâmetro externo e 23/4 de diâmetro interno. As fórmulas de projeto e resistência da API 7G apêndice A provêem a seguinte especificação de carregamento para mandril 40 da cabeça de injeção: a) 1,477 libras de carga de tensão como tensão de escoamento mínimo; b) 62000 libras.pé de carga de torção como tensão de escoamento torsional mínima; e c) 37200 libras pé de torque mínimo recomendado. 0 mandril 40 pode ser usinado a partir de uma barra d e aço 4340 tratado. A luva 150 é preferivelmente fabricada a partir de tubo mecânico 4140 tratado tendo as seguintes propriedades: (120.000 psi de resistência a tensão mínima, 100.000 psi de escoamento mínimo, e dureza Brinell na faixa 285/311. 0 diâmetro externo da luva 150 preferivelmente é cerca de 1 pol.. A luva 150 preferivelmente deve resistir a elevadas pressões internas do fluido que passa através da entrada 200. Preferivelmente a cabeça de injeção 30 com luva 150 suporta pressão de teste hidrostática de 12500 psi. Nesta pressão, a tensão induzida na luva 150 é preferivelmente somente cerca de 24,8% do escoamento do material. Na pressão de trabalho preferida de 7500 psi, preferivelmente hã um fator de segurança estrutural de 6.7:1 para a luva 150.
Para minimizar a restrição de fluxo na cabeça de injeção 30, preferem-se grandes áreas abertas. Preferivelmente, as áreas através da cabeça de injeção 30 são maiores que a área da porta de serviço de entrada 200. A entrada 200 preferivelmente é 3 pol. , tendo uma área de 4,19 pol2. A área de fluxo do espaço anular entre luva 150 e mandril 40 preferivelmente é 7,36 pol2. A área de fluxo através da pluralidade de portas de entrada radiais 140 preferivelmente é 7,48 pól2. A área de fluxo através do furo longitudinal central 90 é 5,94 pol2.
Abaixo é mostrada a lista de números de referência.
Todas as medições dadas são baseadas em temperatura e pressão padrão no nível do mar, a menos que indicado de outra forma.
Deve ser entendido que cada um dos elementos descritos acima, ou uma combinação de dois ou mais deles, podem também ser úteis em métodos diferentes dos descritos.
Sem uma análise adicional, o descrito acima revela inteiramente o objetivo da presente invenção que aqueles habilitados na técnica poderíam, através do conhecimento corrente, prontamente adaptar para várias aplicações sem omitir aspectos, que do ponto de vista da técnica anterior, constituem características essenciais de aspectos genéricos ou específicos da invenção definida nas reivindicações a seguir. A configuração ilustrada foi apresentada nesta somente com propósito de exemplo, o escopo da invenção é limitado somente pelas reivindicações.
Claims (32)
1- Cabeça de injeção de acionamento de topo, a ser inserida em uma coluna de furação ou coluna de trabalho compreendendo: (a) um mandril (40) tendo seções de extremidade superior (50) e inferior (60) conectáveis e giráveis com seções de coluna de furação ou trabalho superior e inferior, o mandril (40) incluindo uma passagem longitudinal (90) formando continuação de uma passagem nas seções de coluna de furação ou trabalho; (b) uma luva (150) tendo uma passagem de luva longitudinal (180), a luva (150) sendo conectada giratoriamente ao mandril (40) por um par de rolamentos longitudinalmente espaçados (145, 146); (c) um selo (305, 415) entre as porções de extremidade superior e inferior do mandril (40, 50, 60) e luva (150, 160, 170) , o selo (305, 415) impedindo o vazamento de fluido entre mandril (40) e luva (150); (d) a luva (150) compreendendo uma porta de entrada (200) entre os rolamentos espaçados (145, 146); e (e) o mandril (40) compreendendo pelo menos uma porta radial (140) em comunicação fluida com a porta de entrada (200) e uma passagem longitudinal (90) para suprir fluido pressurizado a partir da porta de entrada (200) para a passagem longitudinal (90) e a passagem nas seções de coluna de furação ou trabalho, a citada cabeça de injeção sendo caracterizada pelo fato de compreender: (f) um grampo (600) sendo destacavelmente conectado á luva (150), sendo que o grampo (600) compreende ainda pelo menos um braço de torque (630, 640).
2- Cabeça de injeção, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o selo (305, 415) adicionalmente compreender um par de unidades de vedação espaçadas (305, 415); a luva (150) ainda compreender uma seção projetante (155) na passagem de luva longitudinal (90), cada unidade de vedação (305, 415) sendo localizada no lado oposto à seção projetante (155).
3- Cabeça de injeção, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizada pelo fato de o mandril (40) adicionalmente compreender uma porca de retenção (800) roscadamente acoplada ao mandril (40), a porca de retenção (800) adicionalmente compreendendo uma porta de lubrificação (880), a porta de lubrificação (880) sendo localizada para lubrificar pelo menos um dos rolamentos espaçados (145, 146).
4- Cabeça de injeção, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de a luva (150) adicionalmente compreender uma ranhura periférica (205), o grampo (600) se ajustando à ranhura (205), e sendo que o grampo (600) compreende primeira (610) e segunda (620) porções, as primeira e segunda porções (610, 620) sendo destacavelmente conectadas uma à outra.
5- Cabeça de injeção, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de grampo (600) e luva (150) adicionalmente compreenderem uma chaveta (700), a chaveta (700) sendo colocada entre grampo (600) e luva (150) e restringindo o movimento rotacional relativo entre grampo (600) e luva (150).
6- Cabeça de injeção, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de grampo (600) e luva (150) adicionalmente compreenderem uma segunda chaveta (720), a segunda chaveta (720) sendo disposta entre o grampo (600) e a luva (150) .
7- Cabeça de injeção, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de o grampo (600) adicionalmente compreender uma pluralidade de alças (650, 660) conectada ao grampo (600).
8- Cabeça de injeção, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de o grampo (600) compreender dois braços de torque (630, 640).
9- Cabeça de injeção, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4, 5 ou 6, caracterizada pelo fato de as primeira e segunda porções (610, 620) do grampo (600) terem cada uma delas forma de meia-lua.
10- Cabeça de injeção, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizada pelo fato de compreender ainda: uma porta de vedação (220), a porta de vedação (220) estando em comunicação com o selo (305, 415) e permitindo a inserção de material de vedação adicional no selo (305, 415).
11- Cabeça de injeção, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de o selo (305, 415) adicionalmente compreender um par de unidades de vedação espaçadas (305, 415) , uma das quais se encontra em comunicação com a porta de vedação (220), e sendo que a cabeça de injeção (30) adicionalmente compreende uma segunda porta de vedação (230), a segunda porta de vedação (230) se encontra em comunicação com a unidade de vedação (305, 415) e não com a porta de vedação (220), a segunda porta de vedação (230) permitindo a inserção de um material de vedação adicional.
12- Cabeça de injeção, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de cada unidade de vedação (305, 415) adicionalmente compreender um anel de injeção de vedação (350), cada anel de injeção de vedação (350) estando em comunicação com a porta de vedação (220, 230).
13- Cabeça de injeção, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de cada anel de injeção de vedação (350) compreender uma pluralidade de portas radiais (352) circunferencialmente espaçadas em torno de cada anel de injeção de vedação (350), e uma pluralidade de portas transversais (351) , cada uma delas intersectando uma porta da pluralidade de portas radiais (352) .
14- Cabeça de injeção, de acordo com a reivindicação 13, caracterizada pelo fato de cada porta radial (352) terminar em sua interseção com a respectiva porta transversal (351).
15- Cabeça de injeção, de acordo com a reivindicação 13, caracterizada pelo fato de cada porta radial (352) se estender através do anel de injeção de vedação (350).
16- Cabeça de injeção, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de cada anel de injeção de vedação (350) compreender uma ranhura periférica (353).
17- Cabeça de injeção, de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de cada anel de injeção de vedação (350) compreender uma ranhura interna (354).
18- Cabeça de injeção, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12, 16 ou 17, caracterizada pelo fato de cada anel de injeção de vedação (350) compreender uma extremidade-macho (355) e uma extremidade chata, a extremidade-macho oposta à extremidade chata (356) , a extremidade-macho (355) sendo oposta à extremidade chata (356) e as portas transversais (351) correndo entre as extremidades macho (355) e chata (356).
19- Cabeça de injeção, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 18, caracterizada pelo fato de as oito portas radiais (352) e as oito portas transversais (351) serem igualmente espaçadas em torno de cada anel de injeção de vedação (350).
20- Cabeça de injeção, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de adicionalmente compreender um arranjo de injeção (225, 235) conectado à porta de injeção de vedação (220, 230).
21- Cabeça de injeção, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de adicionalmente compreender primeiro e segundo arranjos de injeção (225, 235) conectados às duas portas de injeção (220, 230).
22- Cabeça de injeção, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de adicionalmente compreender primeiro e segundo arranjos de alivio de pressão (225, 235) conectados às duas portas de injeção (220, 230).
23- Cabeça de injeção, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11, 20, 21 e 22, caracterizada pelo fato de adicionalmente compreender uma tampa (240), a tampa (240) sendo colocada em torno de uma das duas portas de injeção (220, 230).
24- Cabeça de injeção, de acordo com a reivindicação 23, caracterizada pelo fato de uma porta de injeção (220, 230) estar localizada entre o grampo (600) e a entrada da luva (200).
25- Cabeça de injeção, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 24, caracterizada pelo fato de cada unidade de vedação (305, 415) compreender uma pluralidade de anéis de vedação (330, 340, 370, 380, 390, 400), pelo menos um anel de vedação em cada unidade de vedação (305, 415) sendo compreendido por uma mistura de teflon e carbono e pelo menos um outro anel de vedação em cada unidade de vedação (305, 415) sendo compreendido por aramida.
26- Cabeça de injeção, de acordo com a reivindicação 25, caracterizada pelo fato de cada unidade de vedação (305, 415) compreender seis anéis de vedação (330, 340, 370, 380, 390, 400), três deles de uma mistura teflon e carbono, e três de aramida.
27- Cabeça de injeção, de acordo com qualquer uma das reivindicações 25 ou 26, caracterizada pelo fato de cada unidade de vedação (305, 415) adicionalmente compreender uma primeira extremidade de vedação fêmea (320), uma segunda extremidade de vedação fêmea (360), e uma extremidade-macho de vedação (410).
28- Cabeça de injeção, de acordo com qualquer uma das reivindicações 25 a 27, caracterizada pelo fato de anéis de composição similar não serem dispostos adjacentes.
29- Cabeça de injeção, de acordo com qualquer uma das reivindicações 25 a 28, caracterizada pelo fato de cada unidade de vedação (305, 415) adicionalmente compreender um anel de injeção de vedação (350).
30- Cabeça de injeção, de acordo com a reivindicação 29, caracterizada pelo fato de os anéis e as extremidades das unidades de vedação (305, 415) serem arranjados da seguinte forma: extremidade de vedação fêmea (320); anel (330) de uma mistura teflon e carbono; anel de aramidaa (340); anel de injeção de vedação (350); extremidade de vedação fêmea (360); anel (370) de mistura teflon e carbono, anel de aramida; anel (380) de mistura teflon e carbono; anel (400) de aramida; e extremidade-macho de injeção de vedação (410) .
31- Cabeça de injeção, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 30 caracterizada pelo fato o mandril (40) incluir um revestimento de solda sobre o mandril, pelo menos sobre a área que acopla as unidades de vedação (305, 415), o revestimento de solda compreendendo: Cromo; Manganês; Silicio; e Ferro.
32- Cabeça de injeção, de acordo com a reivindicação 31, caracterizada pelo fato de o revestimento de solda compreender: Cromo 30%; Boro 6%; Manganês 3%; Silicio 3%; e saldo de Ferro.
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