JP2007530875A

JP2007530875A - ダブルショルダ型ツールジョイント

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Publication number: JP2007530875A
Application number: JP2006534490A
Authority: JP
Inventors: 順松島; 弘持佐倉; 岳志 ▲桑▼野
Original assignee: NKKTubes KK
Current assignee: NKKTubes KK
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2007-11-01
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: NO20064958L; CN102061893B; JP4750708B2; CN1934386A; NO334613B1; CN102061893A; WO2005095840A1; GB0617759D0; GB2425813B; GB2425813A

Abstract

石油やガス井戸の掘削に用いられるドリルパイプのためのダブルショルダ型ツールジョイント１である。ピン３は、外面肩部３５、管軸５０に平行な外周面を有するピンベース３４、管軸５０に対して所定のテーパを有する雄ネジ部３３、及び管軸５０に平行な外周面を有するピンノーズ３２を有する。ボックス２は、管軸５０に平行な内周面を有したボックス入口スリーブ２２、雄ネジ部３３にねじ係合する雌ネジ部２３、ピンノーズ３２の外周面に対応する内周面を有するボックス端部スリーブ２４、及び内面肩部２５を有する。外面肩部３５とボックス入口スリーブ先端部２１の衝接面及び内面肩部２５とピンノーズ先端部３１の衝接面の面積の総和を増大させることにより、作業能率を低下させることなく高トルク性能を得ている。

Description

本願は、２００４年３月３１日出願の特願２００４−１０６９７０に基づき、その内容を参照として包含するものである。

本発明は、石油やガス井戸の掘削に用いられるドリルパイプのダブルショルダ型のツールジョイントに関し、特に、作業能率を低下させることがなく、高トルク性能を有するダブルショルダ型のツールジョイントに関する。

高深度井戸掘削や水平井戸の掘削に使用されるドリルパイプは、従来からツールジョイントにより接続されている。ツールジョイントの詳細はＡＰＩ（米国石油協会）規格Ｓｐｅｃ．７に規定されている。掘削時に必要な高いトルクを伝達するため、ツールジョイントの外径は管体部の外径より大きな径で形成され、内径は管体部の内径よりも小さな径で形成される。ツールジョイントのトルク性能は、管体部のトルク性能に比べて、８０％以上のものが上記の規格において推奨されている。

しかし、特に管体部が高強度グレードである場合は、この規格の条件を満足できない場合が多い。そのため、掘削条件の制限による掘削能率の低下、ネジの損傷等の問題を生じていた。

そこで、上記の問題を解決するために、日本国特許第３０５７８５７号では、高トルク性能を有するダブルショルダ型のツールジョイントが提案されている（図１参照）。

図１は、従来のダブルショルダ型のツールジョイントの断面を示す。また、図２は、従来のダブルショルダ型のツールジョイントの拡大断面を示す。

このツールジョイント１０１は、雌ネジ部１２３を有するボックス１０２と、雄ネジ部１３３を有するピン１０３とから構成される。

ボックス１０２は、その先端に所定のテーパで形成されたボックス入口スリーブ１２２と、ボックス入口スリーブ１２２と同一テーパで形成された雌ネジ部１２３と、雌ネジ部１２３と同一テーパで形成されたボックス端部スリーブ１２４と、ボックス端部スリーブ１２４の端部から延び管軸１５０に対し直角に形成された内面肩部１２５と、管軸に沿って中空部を提供する管内径部１４１と、ボックス１０２の外周面を形成するボックス外径部１２６とを備える。ボックス外径部１２６は、管軸１５０に沿って管外径部１４０からボックス側テーパショルダ１２７を介して徐々に大径になるように形成される。

ピン１０３は、その先端に所定のテーパで形成されたピンノーズ１３２と、ピンノーズ１３２と同一テーパで形成された雄ネジ部１３３と、雄ネジ部１３３と同一テーパで形成されたピンベース１３４と、ピンベース１３４の基端部から管軸１５０に対し直角に形成された外面肩部１３５と、ピン１０３の外周面を形成するピン外径部１３６とを備える。ピン外径部１３６は、管軸１５０に沿って管外径部１４０からピン側テーパショルダ１３７を介して徐々に大径になるように形成される。なお、図１及び図２においては、雄ネジ部１３３及び雌ネジ部１２３のネジ部分は、テーパを明瞭に示すために簡略化されている。

ここで、ピンノーズ長さ１３２ａは、ＡＰＩ規格ネジとの互換性を持たせるために、約１０ｍｍと短く形成されている。また、ピンベース１３４の外周部とボックス入口スリーブ１２２の内周部は、ＡＰＩ規格ネジとの互換性を持たせるため、ピンベースすき間１３９の幅が２．１〜２．５ｍｍとなるように形成されていた。また、ピンノーズ１３２の外周部とボックス端部スリーブ１２４の内周部とで構成されるピンノーズすき間１３８の幅も、２．１〜２．５ｍｍとなるように形成されていた。

ボックス１０２とピン１０３は、ボックス入口スリーブ先端部１２１と外面肩部１３５の外周部に形成されたベベル１２１ａと１３５ａを備える。ここで、雄ネジ部１３３と雌ネジ部１２３のテーパは、２／１２である。

以上の構成を有する従来のツールジョイント１０１のボックス１０２とピン１０３は、以下のように接続する。まず、ボックス１０２とピン１０３とを相対向させ、ボックス１０２の開口の中にピン１０３の先端を挿入し、ボックス１０２とピン１０３の両方あるいは一方を回転させ外面肩部１３５とボックス入口スリーブ先端部１２１とが衝接するまで手締めを行う。手締め時、内面肩部１２５とピンノーズ先端部１３１のクリアランスの幅を０〜０．５ｍｍとする。次いで、締付工具を用いて所定の締め付け強度でピン１０３とボックス１０２を締め付ける。

従来のツールジョイント１０１によると、外面肩部１３５及び内面肩部１２５を形成したため、外面肩部１３５及び内面肩部１２５が対応するボックス入口スリーブ先端部１２１及びピンノーズ先端部１３１の衝接面と平面接触を行うことができる。また、手締め時の内面肩部１２５とピンノーズ先端部１３１のクリアランスの幅を０〜０．５ｍｍとしたため、高いトルク値が得られるとともに雄ネジ部１３３及び雌ネジ部１２３における引張り応力低減を図ることができる。

しかし、従来のダブルショルダ型のツールジョイントによると、近年のさらなる高トルク性能の要求に応じるには、必ずしも十分ではない場合があった。すなわち、ピンノーズ長さ１３２ａが短いために、ねじ込みの進行によるピンノーズ１３２の圧縮により、低いねじ込み角度においてもピンノーズ１３２の圧縮歪みが弾性限度を超え、ピンノーズ１３２の局部的な塑性変形を招く。その結果、ねじ込み角度を十分に取れず、従来のダブルショルダ型のツールジョイントの構成は、高いトルク性能の要求に応じるには、必ずしも十分でない場合があった。

近年、高深度の井戸や長さが１０ｋｍにも及ぶ水平井戸掘削が頻繁に行われるようになっている。従来のダブルショルダ型のツールジョイントには、１）井戸の穴壁からの摩擦が非常に大きくなるためにより高いトルク性能と、２）掘削時の泥水の圧力低下を防止するための大きな内径と、３）掘削屑の回収効率の改善のための管体部の外径部にできるだけ近い外径とが求められている。ここで、高いトルク性能を得るためには、ピンとボックスとの衝接面積を大きくすることが考えられ、そのために、外径を大きくし、内径を小さくすることが考えられる。

しかし、内径を小さくすることは、上述したように、掘削時の泥水の圧力低下が大きくなる。また、外径を大きくすることは、掘削屑の回収効率が低下する。また、ピン１０３とボックス１０２との衝接面積を大きくするために、雄ネジ部１３３及び雌ネジ部１２３のテーパを緩くすることが考えられるが、このようなツールジョイントでは、ねじ込み作業に時間がかかるために作業能率が低下する。

従って、本発明の目的は、作業能率を低下させることなく、従来の装置に比べて高トルク性能が得られるダブルショルダ型ツールジョイントを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、所定の外径のピン外径部、所定の内径の管内径部、管軸に直交する衝接面を有する外面肩部、前記管軸に平行な外周面を有するピンベース、前記管軸に対して所定のテーパを有する雄ネジ部、及び前記管軸に平行な外周面と前記管軸に直交する衝接面を有するピンノーズを有したピンと、所定の外径のボックス外径部、所定の内径の管内径部、前記外面肩部の前記衝接面に衝接する衝接面と前記ピンベースの前記外周面に対応する前記管軸に平行な内周面を有したボックス入口スリーブ、前記雄ネジ部にねじ係合する雌ネジ部、前記ピンノーズの前記外周面に対応し前記管軸に平行な内周面を有するボックス端部スリーブ、及び前記ピンノーズの前記衝接面に衝接し前記管軸に直交する衝接面を有する内面肩部を有したボックスより構成されることを特徴とするダブルショルダ型ツールジョイントを提供する。

前記ボックス外径部または前記ピン外径部が１１４．３〜１９０．５ｍｍの外径を有し、前記ボックスまたは前記ピンの前記管内径部が５０〜１１４．３ｍｍの内径を有するときに、前記ピンノーズの外周面と前記ボックス端部スリーブの内周面とのすき間の幅を０．５〜１．６ｍｍとすることが好ましい。

前記ボックス外径部または前記ピン外径部が１１４．３〜１９０．５ｍｍの外径を有し、前記ボックスまたは前記ピンの前記管内径部が５０〜１１４．３ｍｍの内径を有するときに、前記ピンベースの外周面と前記ボックス入口スリーブの内周面とのすき間の幅を０．５〜１．６ｍｍとすることが好ましい。

前記ボックス外径部または前記ピン外径部が１１４．３〜１９０．５ｍｍの外径を有し、前記ボックスまたは前記ピンの前記管内径部が５０〜１１４．３ｍｍの内径を有するときに、前記ピンノーズは、１２．７〜３８．１ｍｍの長さとすることを特徴とすることが好ましい。

本発明は、更に、所定の外径のピン外径部、所定の内径の管内径部、管軸に直交する衝接面を有する外面肩部、外周面を有するピンベース、前記管軸に対して所定のテーパを有する雄ネジ部、及び前記雄ネジ部のテーパより小さなテーパを有する外周面と前記管軸に直交する衝接面を有するピンノーズを有したピンと、
所定の外径のボックス外径部、所定の内径の管内径部、前記外面肩部の前記衝接面に衝接する衝接面と前記ピンベースの前記外周面に対応する内周面を有したボックス入口スリーブ、前記雄ネジ部にねじ係合する雌ネジ部、前記ピンノーズの前記外周面に対応する前記管軸に平行な内周面を有するボックス端部スリーブ、及び前記ピンノーズの前記衝接面に衝接し前記管軸に直交する衝接面を有する内面肩部を有したボックスより構成されることを特徴とするダブルショルダ型ツールジョイントを提供する。

本発明のダブルショルダ型ツールジョイントによれば、ピンベースの外周面及びボックス入口スリーブの内周面を管軸に対して平行に形成し、ピンノーズの外周面及びボックス端部スリーブの内周面を管軸に対して平行に形成したため、ボックス入口スリーブの先端部とピンの外面肩部との衝接面積及びピンノーズ先端部とボックスの内面肩部との衝接面積を、従来のものに比べて増加したので、外面肩部及び内面肩部に集中する応力を分散することができる。したがって、ツールジョイントの耐トルク性能が向上し、掘削効率を向上させることができる。ここで、平行とは、小さなテーパを有するものの実質的に平行なものも含むものとする。

本発明のダブルショルダ型ツールジョイントによれば、ピンノーズの外周面とボックス端部スリーブの内周面とのすき間を０．５〜１．６ｍｍの幅とするため、作業性を改善するとともに、内面肩部とピンノーズ先端部の衝接面積を大きくすることができる。

本発明のダブルショルダ型ツールジョイントによれば、ピンベースの外周面とボックス入口スリーブの内周面とのすき間を０．５〜１．６ｍｍの幅とするため、作業性を改善するとともに、外面肩部とボックス入口スリーブ先端部の衝接面積を大きくすることができる。

本発明のダブルショルダ型ツールジョイントによれば、前記ボックスまたはピンの外径部が１１４．３〜１９０．５ｍｍの外径を有し、前記ボックスまたはピンの管内径部が５０〜１１４．３ｍｍの内径を有するときに、前記ピンノーズを１２．７〜３８．１ｍｍの長さとするため、ねじ込みの進みによるピンノーズに与えられる歪量の弾性限度の増大が期待でき、耐トルク性能を向上させ、装置の寿命を延ばすことができる。

（ツールジョイントの全体構成）
図３は、本発明の実施の形態に係るダブルショルダ型のツールジョイントの全体を示す図である。このダブルショルダ型のツールジョイント１は、ドリルパイプ４の一端に形成され雌ネジ部２３を備えたボックス２と、他のドリルパイプ４の一端に形成され、雄ネジ部３３を備えたピン３とを螺合する管継手である。ドリルパイプ４は、ボックス２とピン３とを備える、ツールジョイント１により順次ドリルパイプ４を接続するように構成されている。

（ツールジョイントの構成）
図４は、本発明の実施の形態に係るダブルショルダ型のツールジョイントの図３の管軸に沿う断面図である。

図５は、本発明の実施の形態に係るダブルショルダ型のツールジョイントの詳細を示す拡大断面図である。

このツールジョイント１は、雌ネジ部２３を有するボックス２と、雄ネジ部３３を有するピン３とから構成される。

ボックス２は、管軸５０と平行な内周面を有するボックス入口スリーブ２２と、ボックス入口スリーブ２２に続いて形成され、２／１２のテーパを有する雌ネジ部２３と、管軸５０と平行な内周面を有するボックス端部スリーブ２４と、管軸５０と直角に形成された内面肩部２５と、管軸５０に沿って中空部を提供する管内径部４１と、ボックス２の外周面を形成するボックス外径部２６とを備える。ボックス外径部２６は、管外径部４０からボックス側テーパショルダ２７を介して徐々に大径になるように形成される。なお、図４及び図５においては、雄ネジ部３３及び雌ネジ部２３のネジ部分は、テーパを明瞭に示すために簡略化されている。

ここで、ボックス入口スリーブ２２及びボックス端部スリーブ２４は、管軸５０と平行な内周面を有することが好ましいが、これに限られない。ボックス入口スリーブ２２及びボックス端部スリーブ２４は、雌ネジ部２３あるいは雄ネジ部３３のテーパよりも小さいテーパであれば良く、特に、管軸５０に対し１／１２以下のテーパであればよい。

本発明において平行とは、このような小さなテーパを有した実質的に平行なものも含むものとする。また、管軸に対して直角とは、直角のみならず、ほぼ直角なものをも含む意味である。

ピン３は、管軸５０と平行な外周面を有するピンノーズ３２と、ピンノーズ３２に続いて形成され、２／１２のテーパを有する雄ネジ部３３と、雄ネジ部３３に続き、管軸５０に平行な外周面を有するピンベース３４と、ピン外径部３６から管軸５０に対し直角に形成された外面肩部３５と、ピン３の外周面を形成するピン外径部３６とを備える。ピン外径部３６は、管外径部４０からピン側テーパショルダ３７を介して徐々に大径になるように形成される。

ここで、ピンノーズ３２及びピンベース３４は、管軸５０と平行な外周面を有することが好ましいが、これに限られない。ピンノーズ３２及びピンベース３４は、雌ネジ部２３あるいは雄ネジ部３３のテーパよりも小さいテーパであれば良く、特に、管軸５０に対し１／１２以下のテーパであればよい。

本発明において平行とは、このように小さなテーパを有した、実質的に平行なものも含むものとする。また、管軸５０に対して直角とは、直角のみならず、ほぼ直角なものをも含む意味である。

本発明では、特にピンノーズ３２の外周面とボックス端部スリーブ２４の内周面を管軸５０と平行にすることが重要であり、製造の簡便性などを考慮した場合には、ピンベース３４の外周面とボックス入口スリーブ２２の内周面は、管軸５０とは平行とせずに従来通りのテーパとすることができる。

ピンノーズ３２の長さ３２ａは、ピン外径またはボックス外径が１１４．３〜１９０．３ｍｍ（管内径が５０〜１１４．３ｍｍ）の場合、１１〜４９ｍｍの長さに形成する。ただし、取り扱い性や製作の難易性を考慮すると、より好ましくは１２.７〜３８.１ｍｍの長さに形成することが好ましい。

ピンノーズ３２の外周面とボックス端部スリーブ２４の内周面とのすき間（ピンノーズすき間）３８の幅を０．５〜１．６ｍｍとなるように構成する。これは、０．５ｍｍ未満では作業性が悪くなり、１．６ｍｍを超えるとピンノーズ先端部３１とボックス２の内面肩部２５との衝接面積を大きくすることができなくなるためである。

ピンベース３４の外周面とボックス入口スリーブ２２の内周面とのすき間（ピンベースすき間）３９の幅を０．５〜１．６ｍｍとなるように構成する。これは、０．５ｍｍ未満では作業性が悪くなり、１．６ｍｍを超えるとボックス入口スリーブ２２とピン３の外面肩部３５との衝接面積を大きくすることができなくなるためである。

ボックス２及びピン３の材質は、特に限定するものではないが、ＡＰＩ規格Ｓｐｅｃ．７の規定に適合する強度を有するものであればよい。

（ツールジョイントの接続）
本発明の実施の形態に係るツールジョイント１を用いて複数のドリルパイプを接続するには、まず、ボックス２とピン３とを相対向させ、ボックス２の開口の中にピン３の先端を入れ、ボックス２とピン３の両方あるいは一方を回転させ、外面肩部３５とボックス入口スリーブ先端部２１とが衝接し、さらに、内面肩部２５とピンノーズ先端部３１とが衝接するまで締結する。

（本実施の形態の効果）
本発明の実施の形態によると、ボックス入口スリーブ２２の内周面とピンベース３４の外周面を管軸５０と平行に形成し、ボックス端部スリーブ２４の内周面とピンノーズ３２の外周面を管軸５０と平行に形成したため、ピンノーズ３２の肉厚及びボックス入口スリーブ２２の肉厚を従来のものに比べて厚くすることができる。このため、ボックス入口スリーブの内周面、ピンベースの外周面、ボックス端部スリーブの内周面、及びピンノーズの外周面が、雄ネジ部あるいは雌ネジ部と同じテーパを有する従来のツールジョイントよりも、ボックス入口スリーブ先端部２１と外面肩部３５との衝接面積及びピンノーズ先端部３１と内面肩部２５との衝接面積を増加させることができる。これによって、耐トルク性能を向上させ、ツールジョイントの寿命を延ばすことができる。

また、ピンノーズ長さ３２ａを長くとると、ねじ込みの進みによるピンノーズの変位によってもたらされる歪みが、従来の短いピンノーズ（１０ｍｍ）に比べて低減され、より大きなねじ込みが可能となる。よって、耐トルク性能が向上し、ツールジョイントの寿命を延ばすことができる。

しかし、ピンノーズ長さ３２ａを５０ｍｍ以上にするとピンノーズ３２の剛性の低下を招き、より大きな締付け角度を必要とするようになり、雌ネジ部２３及び雄ネジ部、及び内面肩部２５の磨耗が大きくなる。その結果、却って寿命が低下することとなる。

図６Ａは、本発明の実施の形態のダブルショルダ型のツールジョイントの外面肩部とボックス入口スリーブ先端部の衝接面を示す図４のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、図６Ｂは、従来のダブルショルダ型のツールジョイントの外面肩部とボックス入口スリーブ先端部の衝接面を示す図１のＡ’−Ａ’線に沿う断面図である。

図６Ａに示した本発明のダブルショルダ型のツールジョイントにおいて、外面肩部３５がボックス入口スリーブ先端部２１と衝接するときの衝接幅をａとする。

一方、図６Ｂに示した従来の外面肩部１３５がボックス入口スリーブ先端部１２１と衝接するときの衝接幅をｂとする。

図６Ａ及び図６Ｂに示されるように、ａ＞ｂとなり、本発明の衝接幅ａが従来の衝接幅ｂより大きくなる。すなわち、雌ネジ部２３のボックス入口スリーブ２２側の端部から管軸５０と平行に伸びるようにボックス入口スリーブ２２を形成しているため、雌ネジ部１２３と同一テーパを有するボックス入口スリーブ先端部１２１が外面肩部１３５に衝接する従来のツールジョイントとは、その衝接幅が異なる。

従って、本発明のボックス入口スリーブ先端部と外面肩部の衝接面積が従来のツールジョイントの衝接面積に比べて大きくなる。

図７Ａは、本発明の実施の形態のダブルショルダ型のツールジョイントの内面肩部とピンノーズ先端部の衝接面を示す図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図であり、図７Ｂは、従来のダブルショルダ型のツールジョイントの内面肩部とピンノーズ先端部の衝接面を示す図１のＢ’−Ｂ’線に沿う断面図である。

図７Ａに示した本発明のダブルショルダ型のツールジョイントにおいて、内面肩部２５がピンノーズ先端部３１と衝接するときの衝接幅をａ’とする。

一方、図７Ｂに示した従来の内面肩部１２５がピンノーズ先端部１３１と衝接するときの衝接幅をｂ’とする。

図７Ａ及び図７Ｂに示されるように、ａ’＞ｂ’となり、本発明の衝接幅ａ’が従来の衝接幅ｂ’より大きくなる。すなわち、雄ネジ部３３のピンノーズ３２側の端部から管軸５０と平行に伸びるようにピンノーズ３２を形成しているため、雄ネジ部１３３と同一テーパを有するピンノーズ先端部１３１が内面肩部１２５に衝接する従来のツールジョイントとは、その衝接幅が異なる。

従って、本発明のピンノーズ先端部と内面肩部の衝接面積が従来のツールジョイントの衝接面積に比べて大きくなる。

〔実施例１〕
本発明の実施例１について説明する。この実施例１は、ピン及びボックスをＡＩＳＩ規格のＳＡＥ４１３７Ｈ系の材料（焼入れ性を保証した構造用鋼材）により形成したものである。ＳＡＥ４１３７系の材料の代表的成分は、Ｃ：０．３７ｗｔ％，Ｓｉ：０．２ｗｔ％，Ｍｎ：１．０ｗｔ％，Ｃｒ：１．０ｗｔ％，及びＭｏ：０．２ｗｔ％である。強度は、ＡＰＩ規格Ｓｐｅｃ．７に従った。ピン及びボックスの外径は１７７．８ｍｍ、内径は１０８．０ｍｍのものを使用する。このピン及びボックスを互いにねじ込んで手で締め付ける。この手で締め付けた角度を手締め位置として、基準とする。次に、締付工具を用いて所定のトルクで締め付けたときのトルク及び締め付け角度をプロットして、捻り降伏強度を求めた。このとき、ピンノーズは、雄ネジ部の先端部から、管軸と平行に突出させられ、テーパを設けていない。ピンノーズの長さは、２１ｍｍとした。

図８及び表１は、その結果を示す。これより、実施例１のツールジョイントは、１０８，４８０Ｎ・ｍ（締め付け角度４３°）において、捻り降伏が開始していることがわかる。

〔実施例２〕
本発明の実施例２について説明する。この実施例２は、ピンノーズの長さを１１ｍｍに形成したほかは、実施例１と同様に形成し、捻り降伏強度を求めた。
図８及び表１は、その結果を示す。これより、実施例２のツールジョイントは、１０１，７００Ｎ・ｍ（締め付け角度２９°）において、捻り降伏が開始していることがわかる。

〔比較例〕
本発明の実施例に対する比較例は、ピンノーズのテーパを２／１２とし、ピンノーズの長さを１１ｍｍに形成したほかは、実施例１と同様に形成し、捻り降伏強度を求めた。

図８及び表１は、その結果を示す。これより、比較例のツールジョイントは、８２，７１６Ｎ・ｍ（締め付け角度２４°）において、捻り降伏が開始していることがわかる。

実施例１及び２によれば、外面肩部とボックス入口スリーブ先端部との衝接面積、及び内面肩部とピンノーズ先端部との衝接面積との総和は、比較例より約１０％増大していることが確認された（表１参照）。

実施例１によるツールジヨイントの捻り降伏強度は、図８及び表１から明らかなように、比較例の捻り降伏強度に比べて、約３１％増大しており、耐トルク性能の改善が確認された。このため、実施例１のツールジョイントは、外面肩部とボックス入口スリーブ先端部との衝接面積、及び内面肩部とピンノーズ先端部との衝接面積との総和を増大すること及びピンノーズの長さを長くすることにより、高いトルク性能を有することがわかる。

また、実施例１によるツールジョイントの捻り降伏強度は、管体の捻り降伏強度（１２３，８００Ｎ・ｍ）の８７．６％となっており、ＡＰＩの推奨値である８０％を超えている。

なお、実施例１の雄ネジ部及び雌ネジ部のテーパは、比較例と同じく２／１２としたことから、ねじ込み作業性は、比較例と同等であった。

また、実施例２によるツールジョイントは、図５及び表１から明らかなように比較例の捻り降伏強度に比べて、約２３％増大しており、耐トルク性能の改善が確認された。このため、実施例２のツールジョイントは、外面肩部とボックス入口スリーブ先端部との衝接面積、及び内面肩部とピンノーズ先端部との衝接面積との総和を増大することにより高いトルク性能を有することがわかる。

また、実施例２によるツールジョイントの捻り降伏強度は、管体の捻り降伏強度（１２３，８００Ｎ・ｍ）の８２．１％となっており、ＡＰＩの推奨値である８０％を超えている。

なお、実施例２の雄ネジ部及び雌ネジ部のテーパは、比較例と同じく２／１２としたことから、ねじ込み作業性は、比較例と同等であった。

（ＦＥＭ解析によるトルク性能の確認）
図９Ａは、有限要素法解析（ＦＥＭ解析）により得られた本発明の実施例１のツールジョイントの要部の応力分布を示し、図９Ｂは、有限要素法解析（ＦＥＭ解析）により得られた比較例のツールジョイントの要部の応力分布を示す。以下、応力が最も大なる領域、すなわち、９１．８〜１３３ｋｇｆ／ｍｍ^２の応力が生じている領域（網目状）の面積を比較して説明する。ここで、ピン３，１０３及びボックス２，１０２の降伏応力は、９１．４ｋｇｆ／ｍｍ^２である。

図９Ｂにおいて、比較例のピン１０３の応力分布を示す。内面肩部１２５から発生する圧縮応力とピン１０３の雄ネジ部１３３及びボックス１０２の雌ネジ部１２３の噛み合わせ部の内面肩部１２５側の先端にかかる縮径応力が相互に組合わさり、ピンノーズ１３２の断面図は、ピンノーズ１３２の全体にわたって降伏応力を超える応力が発生していることを示している。また、ボックス入口スリーブ１２２から雄ネジ部１３３及び雌ネジ部１２３の噛み合わせ部の外面肩部１３５側にかけて降伏応力を超える応力が発生している。

一方、図９Ａにおいて、実施例１のピンノーズ長さ３２ａを２１ｍｍとしたピン３の応力分布を示す。比較例と同一のトルクをかけたときであっても、ピンノーズ先端部３１に衝接している内面肩部２５から発生する圧縮応力は、雄ネジ部３３及び雌ネジ部２３の噛み合わせ部の内面肩部２５側の先端に発生する縮径応力と干渉しない。ピンノーズ３２の断面図は、降伏現象に至る応力がピンノーズ３２の全体では発生せず、部分的に抑えることができたことを示している。また、ボックス入口スリーブ２２から雄ネジ部３３及び雌ネジ部２３の噛み合わせ部の外面肩部３５側にかけては、降伏現象に至る応力がピンノーズ３２の断面全体では発生せず、部分的に抑えることができた。

図９Ａ及び図９Ｂにおいては、応力が８２．６〜９１．８ｋｇｆ／ｍｍ^２及び７３．４〜８２．６ｋｇｆ／ｍｍ^２の領域も参考までに示した。一方、それ以外の部分、例えば、雌ネジ部２３，１２３、雄ネジ部３３，１３３、その他の部分にも応力分布が生じているが、図示上省略した。

従って、実施例１のツールジョイントは、比較例と比べて、より大きな回転角度を与えられ、高いトルクに耐えられることがわかった。

以上のように、本発明にかかるダブルショルダ型ツールジョイントは、石油やガス井戸の掘削に用いられるドリルパイプのツールジョイントとして有用であり、特に、高深度の井戸や長さが１０ｋｍにも及ぶ水平井戸掘削を行う場合に適している。

以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図１は、従来のダブルショルダ型のツールジョイントの管軸に沿う断面図である。図２は、従来のダブルショルダ型のツールジョイントの拡大断面図である。図３は、本発明の実施の形態に係るダブルショルダ型のツールジョイントの全体を示す図である。図４は、本発明の実施の形態に係るダブルショルダ型のツールジョイントの図３の管軸に沿う断面図である。図５は、本発明の実施の形態に係るダブルショルダ型のツールジョイントの拡大断面図である。図６Ａは、本発明の実施の形態のダブルショルダ型のツールジョイントの外面肩部とボックス入口スリーブ先端部の衝接面を示す図４のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図６Ｂは、従来のダブルショルダ型のツールジョイントの外面肩部とボックス入口スリーブ先端部の衝接面を示す図１のＡ’−Ａ’線に沿う断面図である。図７Ａは、本発明の実施の形態のダブルショルダ型のツールジョイントの内面肩部とピンノーズ先端部の衝接面を示す図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図７Ｂは、従来のダブルショルダ型のツールジョイントの内面肩部とピンノーズ先端部の衝接面を示す図１のＢ’−Ｂ’線に沿う断面図である。図８は、本発明の実施例１,２及び比較例の締め付け試験による降伏強度を求めた図である。図９Ａは、有限要素法解析（ＦＥＭ解析）により得られた本発明の実施例１のツールジョイントの要部の応力分布を示す。図９Ｂは、有限要素法解析（ＦＥＭ解析）により得られた比較例のツールジョイントの要部の応力分布を示す。

Claims

所定の外径のピン外径部、所定の内径の管内径部、管軸に直交する衝接面を有する外面肩部、前記管軸に平行な外周面を有するピンベース、前記管軸に対して所定のテーパを有する雄ネジ部、及び先端部分を含むピンノーズの全長にわたって前記管軸に平行な外周面と前記管軸に直交する衝接面を有するピンノーズを有したピンと、
所定の外径のボックス外径部、所定の内径の管内径部、前記外面肩部の前記衝接面に衝接する衝接面と前記ピンベースの前記外周面に対応する前記管軸に平行な内周面を有したボックス入口スリーブ、前記雄ネジ部にねじ係合する雌ネジ部、前記ピンノーズの前記外周面に対応し前記管軸に平行な内周面を有するボックス端部スリーブ、及び前記ピンノーズの前記衝接面に衝接し前記管軸に直交する衝接面を有する内面肩部を有したボックスより構成されることを特徴とするダブルショルダ型ツールジョイント。
前記ボックス外径部または前記ピン外径部が１１４．３〜１９０．５ｍｍの外径を有し、前記ボックスまたは前記ピンの前記管内径部が５０〜１１４．３ｍｍの内径を有するときに、前記ピンノーズの外周面と前記ボックス端部スリーブの内周面とのすき間の幅を０．５〜１．６ｍｍとすることを特徴とする請求項１記載のダブルショルダ型ツールジョイント。
前記ボックス外径部または前記ピン外径部が１１４．３〜１９０．５ｍｍの外径を有し、前記ボックスまたは前記ピンの前記管内径部が５０〜１１４．３ｍｍの内径を有するときに、前記ピンベースの外周面と前記ボックス入口スリーブの内周面とのすき間の幅を０．５〜１．６ｍｍとすることを特徴とする請求項１記載のダブルショルダ型ツールジョイント。
前記ボックス外径部または前記ピン外径部が１１４．３〜１９０．５ｍｍの外径を有し、前記ボックスまたは前記ピンの前記管内径部が５０〜１１４．３ｍｍの内径を有するときに、前記ピンノーズは、１２．７〜３８．１ｍｍの長さとすることを特徴とする請求項１記載のダブルショルダ型ツールジョイント。
前記ボックス外径部または前記ピン外径部が１１４．３〜１９０．５ｍｍの外径を有し、前記ボックスまたは前記ピンの前記管内径部が５０〜１１４．３ｍｍの内径を有するときに、前記ピンノーズの外周面と前記ボックス端部スリーブの内周面とのすき間の幅を０．５〜１．６ｍｍとし、前記ピンノーズは、１２．７〜３８．１ｍｍの長さとすることを特徴とする請求項１記載のダブルショルダ型ツールジョイント。
前記ピンノーズの外周面と前記ボックス端部スリーブの内周面とのすき間の幅は、前記ピンベースの外周面と前記ボックス入口スリーブの内周面とのすき間の幅とほぼ同じであることを特徴とする請求項１記載のダブルショルダ型ツールジョイント。
所定の外径のピン外径部、所定の内径の管内径部、管軸に直交する衝接面を有する外面肩部、外周面を有するピンベース、前記管軸に対して所定のテーパを有する雄ネジ部、及び先端部分を含むピンノーズの全長にわたって前記管軸に平行な外周面と前記管軸に直交する衝接面を有するピンノーズを有したピンと、
所定の外径のボックス外径部、所定の内径の管内径部、前記外面肩部の前記衝接面に衝接する衝接面と前記ピンベースの前記外周面に対応する雌ネジ部のテーパより小さなテーパを有する内周面を有したボックス入口スリーブ、前記雄ネジ部にねじ係合する雌ネジ部、前記ピンノーズの前記外周面に対応し前記管軸に平行な内周面を有するボックス端部スリーブ、及び前記ピンノーズの前記衝接面に衝接し前記管軸に直交する衝接面を有する内面肩部を有したボックスより構成されることを特徴とするダブルショルダ型ツールジョイント。