JP2005526936A - ネジ式管継手 - Google Patents

Abstract

管用のネジ継手がそれぞれ外面及び内面に１０°＜β＜２５°であるような食付きフランク角度βを示しているネジ部分がそれぞれ設けられた雄要素（１）及び雌要素（２）より構成され、前記雄要素の端部には雌要素の対応する環状の当たり面（１０）と当たるための当たり面（９）がある。雄要素（１）と雌要素（２）の食付きフランクは、組付けの際、継手が無荷重の状態で、（継手の軸線（２１）と平行な方向で）１．０１から０．１２ｍｍの間で変動する間隙を持つ。前記雄要素の（雌部材との結合に含まれない部分の）内径Ｄ３と外径Ｄ４、及び雌要素の当たり面の内径Ｄ１と外径Ｄ２は、関係式（Ｄ２^２−Ｄ１^２）／（Ｄ４^２−Ｄ３^２）≧０．５により関連付けられる。

Description

本発明は、一般に管用のネジの切られた継手の監視、特にガス及び石油の開発産業において使用される管用の継手に関する。これらの管は、ガス又は石油の圧送用の管路として、また穿孔している坑井それ自体のケーシングとしての両者に使用することができる。

天然ガス及び石油分離産業においては、所定長さの管が使用され、これらは、通常、炭化水素区域のある大深度まで到達し得るように端部と端部とを互いに連結しなければならない。

最も普通に使用される穿孔技術は、ボーリングの手段により、地表又は海面の高さから出発してガス又は石油の貯留層に達するまで坑井を穿孔する技術である。これら坑井の深さは数百メートルに達することがある。坑井は、ボーリング中に、その全長に沿って金属管で覆われる。長さ約１０メートルの金属管セグメントがネジ継手の手段により一緒に連結される。従って、これらの管は、継手に対応した部分を除き長さに沿って一定直径を有する筒状のストリングを形成し、継手部分においては、外径は、ストリング自体の外径より２５．４ｍｍ（１インチ）以上も大きくなることがある。

坑井の全長を覆うために、機械的な抵抗及び累層の地質学的特性のため、テレスコープ形式の構造を形成するような方法で、ストリングの達する深さが深くなるほど、より小さい直径を有する異なったストリングが使用される。

今日では、油分離産業は、石油又はガスの貯留層に到達するために、垂直位置から極端に傾斜した位置、又は殆ど水平の位置で坑井を掘る必要に出会うことがより頻繁である。垂直な坑井のために普通に設計されたこれらの管によってでは満たすことのできない管使用の際の構造的な要求がある。水平又は急傾斜の坑井の場合も、できるだけ少ない費用で坑井を掘ることが必要である。穿孔が完了すると、このようにケーシングされた坑井の中に、別の筒状のストリングが導入され、これが、ガス又は石油を地下の貯留層から外部に向けて圧送するために使用される。坑井の深さ全部に沿って置かれ、従って数千メートルもの長さに達することのあるこのストリングも、上述の継手と同じ形式の継手を使用して１０メートルの管を連結することにより形成される。通常、この第２の形式のストリングも、前述の場合と同様に一般により大きい直径を持った継手の付近を除いて、その全長に沿って一定の直径を持つ。

上述の事例は両者とも、管は、一体形のものとなし得るネジ加工された管継手の手段により互いに連結され、この場合、管の一方の端部には雄ネジが切られ他方の端部には雌ネジが切られ、或いはスリーブ継手による場合は、管の両端に雄ネジが切られ、そして両端に雌ネジの切られたスリーブにより連結される。

種々の形式の継手間の選択は、筒状ストリングが支持しなければならない荷重、内部及び／又は外部で作用している圧力、管の長さ、及び坑井の直径に関する可能な最大直径に従って行われる。

継手の直径を小さくした場合は、その構造的な抵抗力が小さいことを補償するための解答を見いだす必要がある。事実、継手の領域においては、ネジ、シール、及びショルダーのような建設用の要素が管壁の厚さ内に作られ、これらが雄ネジ又は雌ネジの重要部位における断面を減少させるため、効率は管本体におけるより当然小さくなる。

管は、特に地下に設置された後は、このため、破損したかもしれない継手に作業者が直接介入することが殆ど不可能であり、採取設備に重大な経済的な結果をもたらす可能性があり、特に石油の貯留層が攻撃的な要素を収容している場合に大きな環境破壊を生ずるので、継手の破損原因を最小に減らすことが極めて重要である。

従って、従来は、管継手の改良及び管継手の最適な効率化の多くの努力がなされ、最小寸法、最大構造抵抗力、及び液体の漏洩及び／又は浸入に対するシールというときには互いに相反する種々の要求間の正確な平衡を得る試みがなされた。管は、外側及び／又は管自体の内部で循環している流体による圧力の存在下で、実際殆ど常に、圧縮、張力、曲げ及び捩りの荷重を受ける。

継手は、うまく作られかつ抵抗力を持たねばならない。流体の温度、流体の腐食性、又は掘削区域における実際の環境条件のため、構造的な問題及びシーリングの問題がしばしば悪化される。

現在の穿孔方法では、坑井が傾斜し、湾曲し、更に水平であっても、単一の設備で種々の深度及び貯留層位置に達することが可能である。これは、一方では大きい経済的な長所を示すが、坑井内へのストリングの降下作業中に、管自体と坑井の壁との間に発生する摩擦力のため、管及び継手に圧縮及び捩りによる極めて大きい構造的な応力が生ずる。特にネジ継手の領域における圧縮に対する管の所要の抵抗は必要性が大きく、そして継手の弱点がこの種の技術の弱点であることが多い。ストリングが蒸気の注入用として使用される場合も、大きい熱荷重のため、同様な不利な条件が生ずる。従って、継手が組み立てられたときに、管セグメントのネジの両フランクが他方の管セグメントの対応するネジのフランクと接触するような寸法のネジを使用することにより、これら継手の圧縮性能を改良する提案がなされている。ネジの両フランクの接触は、継手の引っ張りに対する挙動とできるだけ同じ圧縮挙動を達成するために非常に役に立つ。

特別な場合、例えば、管の軸線に直角な面に関して測定されたネジの食付きフランクの傾斜角度を変えることにより、ストリングの圧縮作用は、圧縮力がある限度を越えたとき、この形の解答は「ジャンプイン」として定義された現象の開始を助けるため不満足である。ジャンプインは、２個の管のネジにより与えれる抵抗に打ち勝って雄の管セグメントが雌のセグメント内に滑り込むことであり、これはネジの食付きフランクの角度の傾斜が大きくなるとより多く発生する。

この形式のねじの別の欠点は、支持の際に流体の気密を補償できないこと、継手のねじ込み作業を進めるときにトルクが大きく変動すること、及び多くの相互回転が含まれることにより、継手焼付きの大きな危険を被ることである。これは、継手製作における困難を導き、かつ正確な駆動トルクの適用を不明確にする可能性をもたらす。

管継手の抵抗特性を改良するために提案された別の解答は、雄の管セグメント及び雌の管セグメントの両者の厚さを大きくし、更に支持区域付近で雌の管により大きい寸法の環状ショルダーを取り得るようにすることを考える。これは、管の端部の処理を増加させることを含み、これはネジ切り処理以前の永久変形処理が必要であり、この永久変形処理は残留応力を無くすための応力除去処理を伴い、従って製造のための費用と時間とを増加させる。この永久変形作業は、特に壁の薄い管で抵抗性を改良するために必要である。しかし、この結果は、この場合も、継手点においてこの方法で得られた圧縮抵抗が、最良の場合で管セグメントのネジ無しの部分の抵抗の７０％を決して越さないため常に満足されない。

従って、継手自体の気密性能を維持すると同時に、大きい圧縮荷重下でも高い抵抗とシール性能とを有する継手に対する要求が残る。継手は、自動ボーリング設備を使用していても、現場で組み立てることができるように、中心合わせ及び組立が容易でなければならない。

継手は、ボーリング用のチュービング建設のために使用し得る種々の材料から作られた管において実行可能であることも適切である。かかる材料は、例えば炭素鋼、クロム鋼又は耐食合金鋼、例えば、マルテンサイト鋼又はデュプレックスステンレス鋼又はオーステナイト又はニッケル鉄合金のような、Ｎｉ及びＭｏがあり、９％を越す大量のＣｒを含んだものを含む。

上に提示された諸問題は、少なくも外面の一部分にネジの設けられた管よりなる雄要素及び少なくも内面にネジの設けられた管又はスリーブよりなる雌要素を備え、雄要素の端部は環状のショルダーを有しそして雌要素の内側には対応した環状の支持ショルダーが形成され、前記ネジは前記環状の支持面が接触するまで相互的かつ可逆的にネジ係合するようにされ、前記ネジは要素の軸線上にある平面に沿った次のような断面を有する。即ち、この上で、ネジは荷重フランクと食付きフランクとのある輪郭を有して作られ、前記食付きフランクはネジが形成される要素の軸線に直角な平面に関して１０から２５°の間で変動する角度を形成し、前記ネジは、前記環状の支持面間の接触がなされたときに、継手に荷重のない場合に、雄要素のネジの食付き（ｌｅａｄ−ｉｎ）フランクと雌要素のネジの対応した向かい合っている面との間にある間隙が設けられ、この間隙は、前記２個の要素の軸線と一致する継手の軸線と平行な方向に沿って計測して、これら要素が互いにネジ係合されたとき、０．０１から０．１２ｍｍの間で変動し、更に雌要素との結合に含まれない管部分における前記雄要素の内径Ｄ３と外径Ｄ４、及び雌要素に形成された支持面の内径Ｄ１と外径Ｄ２が、関係式（Ｄ２^２−Ｄ１^２）／（Ｄ４_２−Ｄ３^２）≧０．５により関連付けられる。

好ましくは、前記環状の支持面は円錐台の面であり、そして雄要素の端部に形成された支持面は要素の軸線に向かって回される。

本発明の更なる態様により、前述された諸問題は、請求項８及び９に従って定められた長さの管により解決される。

図面を参照し、本発明による継手が、本発明を限定することのない例示の方法により説明されるであろう。

図に示された継手は、２個の要素、即ち雄要素１と雌要素２とよりなる。この例においては、雄要素は、一般に、両端にネジの切られた管であり、雌要素は両端に雌ネジの切られたスリーブであり、そして説明されたように２個の継手の手段により２本の管が連結される。継手は、管セグメント１及び２の軸線２１を収容している内側部分２０及び外側部分２２を定め、内側部分は、その中を流体、例えば天然ガス、又は石油、或いはその他の同様な流体が流れ、外側部分には一般に圧力の高い種々の種類の流体があるとすることができる。雄要素と雌要素との間の継手に含まれない領域においては、管の外径Ｄ４は、雌要素の端部の外径Ｄ５よりも小さく、この差は、スリーブ継手の場合、一体の「同一直径」形の継手の場合の０％から約１５％まで変動する。雄要素１は、その外面にネジの切られた端部１３を持つ。図２に見られるように。ネジは、要素の軸線上にある面上において実質的にテーパーであるネジ輪郭１５を持つ。ネジ山は、食付きフランク６、荷重フランク４、及び山の頂７を持つ。

食付きフランク６は、軸線２１に直角な平面に関して１０°から２５°の間に含まれる角度βを形成する。食付きフランク及び荷重フランクの両者の角度は、図示事例におけるように、フランクの表面が、ネジにおいて継手の軸線２１から反対側のフランクに回された場合、即ち雌ネジにおいて外側に向かいかつ前記軸線の方に向かう場合、正であると定められる。

荷重フランク４の角度α、即ち軸線２１に直角な平面に関して形成された角度は、正又は負とすることができ、好ましくは−４から３°である。

雄要素１の端部１３は、例えば円錐台状のシール面１１、及び環状のショルダー部９を備え、このショルダー部は平面、或いは底面の角度が０°から２０°の間の円錐台である。端部１３は、好ましくは６から１０％の間のテーパーを有する図示のようなネジを切られた円錐台状の外面を持ち得ることが有利である。ネジのピッチは、好ましくは２５．４ｍｍ（１インチ）当たり巻回数が３から５で変動する。ネジは、完全なネジとすることができ、或いは不完全な部分を持つことができる。シール面１１を含む端部１３の外面の部分はネジが切られず、かつ、一般に、ネジ部分より大きいテーパーを持つ。面１１は、別の変更された実施例においては球状のものとすることもできるが、その他の形状も可能である。

雌要素２の端部１４は、雄要素１の端部１３上にネジ係合するようなものでなければならない。雌要素２の表面に形成された環状の面１０が、ネジの切られた端部１４の端部において対応する面９と接触したとき組付けが完了したと考えられる。組付け後、テーパー１１に対応する鋭いテーパー１２がテーパー１１に当たりこれと接触した状態の面を提供することができる。面１１と１２とが、気密な金属対金属のシールを形成する。雄要素のネジの食付きフランク５と荷重フランク６とは、上に示された符号を考慮して、雌要素のものと同じであることが好ましい。

端部１４のネジは、雄要素１の端部１３のネジに対応する。端部１３のネジは、組付け後、その荷重フランク３が雄要素の荷重フランク４と明確に接触するようなネジである。雄要素の食付きフランク６とフランク５との間は、継手荷重無しの場合、即ち要素１及び２に軸方向荷重又は曲げ荷重がない状態で、継手の軸線と平行な方向に沿って測定して０．０１から０．１２ｍｍの間で変動する隙間がある。２個の巻回間の区域において、一方の要素のネジ山の頂８から他方の要素の谷底７の間に０．０５から０．３０ｍｍの間に含まれる隙間がある。

雄要素１の、雌要素と結合していない部分の内径Ｄ３と外径Ｄ４、及び雌要素２に形成された支持面１０の内径Ｄ１と外径Ｄ２は、関係式（Ｄ２^２−Ｄ１^２）／（Ｄ４^２−Ｄ３^２）≧０．５により関係付けられる。

本発明の継手は、食付きフランク５と６とを接触させ、支持面９と１０とに近い区域を弾性変形状態に保ちつつ支持面９及び１０に平行な圧縮力の支持を開始させるようにして、管に加わる高い軸方向圧力を支持するに適している。更に、これは、摩耗及び焼付きに対する満足な抵抗を持つ。

雌要素は、上述のように、２個の管状の雄要素を連結するスリーブとすることができる。或いは、２個の要素が２本の管であって、継手を形成している両端の一方には雄ネジが切られ他方には雌ネジが切られる。この場合、別の管と別の一体の継手を形成するために、一方の端部の雄ネジを別の管の端部の雌ネジと（又はこの逆に）ネジ結合させることができる。かかる場合は、各管は、適切な抵抗を与えるために、雌ネジの付近、例えば同じ直径の継手部に、その外径の拡大部を持つことができる。管路に連続性を与えるために管の内径が同じであることが好ましい。スリーブ継手の場合は、管連結具の内径も、雄要素との連結部を含まない区域においては、図面に見られるように管の内径と等しいことが好ましいであろう。この内径は、支持面１０の内径Ｄ１と一致する。

本発明により作り上げられた継手の側方断面図である。 作り上げられた雄要素及び雌要素の全体を示している図１の部分の拡大図である。

Claims (9)

1. 軸線（２１）を定めている管のためのネジ継手において、少なくも一方の端部（１３）に近い外面の一部分にネジの設けられた管よりなる同軸の雄要素（１）及び少なくも一方の端部（１４）に近い内面の一部分にネジの設けられた管又はスリーブよりなる同軸の雌要素（２）を備え、雄要素（１）にはその端部間の一定厚さの壁を有する中間の円筒状部分が設けられ、雄要素には前記少なくも一方の端部（１４）に環状の当たり面（９）が設けられ、雌要素（２）の内側に対応した環状の当たり面（１０）が形成され、前記ネジが前記環状の当たり面（９、１０）間の接触を提供するために相互的かつ可逆的にネジ係合するようにされており、前記ネジが相補的であり、ネジの輪郭が、軸線（２１）を含んだ平面に沿った断面において、軸線（２１）に直角な平面に関して第１の角度（α）を形成する荷重フランク（３、４）を定めかつ軸線（２１）に直角な平面に関して第２の角度β）形成する食付きフランク（６、５）を定めているネジ継手において、前記第２の角度（β）が１０から２５°の間を含む値を有すること、及び継手が組み付けられかつ前記環状の当たり面（９、１０）間の接触が達成されたとき、軸方向荷重がないときに、雄要素上に形成されたネジの食付きフランク（６）と雌要素上に作られたネジの食付きフランク（５）との間に、継手の軸線（２１）に平行な方向に沿って測定された０．０１から０．１２ｍｍの間の寸法の背隙が提供されること、及び前記雄要素（１）の円筒状部分の内径Ｄ３と外径Ｄ４、雌要素の当たり面の内径Ｄ１と外径Ｄ２が、関係式
   （Ｄ２^２−Ｄ１^２）／（Ｄ４^２−Ｄ３^２）≧０．５により関連付けられることを特徴とするネジ継手。
2. 前記雌要素（２）が両端に雌ネジを有するスリーブである請求項１による連結具。
3. 荷重フランク（４、３）が、継手の軸線（２１）に直角な平面に関して−４から３°の間に含まれる角度（α）を形成する先行請求項のいずれかによる管継手。
4. ネジのある部分が６から１５％の間に含まれるテーパー値を有する先行請求項のいずれかによる継手。
5. 雄要素のネジ山の頂（８）と雌ネジの谷底（７）との間に０．０５から０．３０ｍｍの間の値の間隙が設けられ、更に雄要素の谷底と雌要素（２）のネジ山の頂とが、組み付けの際に接触する先行請求項のいずれかによる継手。
6. ネジが、２５．４ｍｍ（１インチ）当たり３から５の巻回数を有する先行請求項のいずれかによる管継手。
7. 環状の当たり面（９、１０）が相補的でかつ円錐台の形状であり、雄要素（１）の当たり面（９）が０から２０°の間の値の底面における角度と、雄要素の内側に向かって方向付けられた頂部とを有している先行請求項のいずれかによる管継手。
8. 少なくも一方の端末の雄ネジ部分が、請求項１から７の一つ以上の特徴を有する継手の雄要素（１）を形成するようにされた決められた長さの管。
9. 少なくも一方の端末の雌ネジ部分が、請求項１から７の一つ以上の特徴を有する継手の雌要素（２）を形成するようにされた決められた長さの管。

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