JP2009235874A - 掘削工具用継手 - Google Patents

Abstract

【課題】堆積したグリース等を排除して、内面側と外面側との２箇所における確実な接触を実現することができる掘削工具用継手を提供する。
【解決手段】掘削工具用継手１００は、外面肩部（外面ショルダー）１１、雄ネジ１２および内面突当部１３が形成された第１管端と、外面突当部２１、雌ネジ２２および内面肩部（内面ショルダー）２３が形成された第２管体２とを接合するものであって、第１管体１の内面突当部１３に断面略円弧状の内面突起１４が形成されている。雄ネジ１２と雌ネジ２２との螺合の進行にともなって、内面突起１４の最大突出位置が、内面肩部２３の内径と外径との半径方向で略中央に当接し、その後、内面突起１４は弾性変形（または一部に塑性変形）して高さを低くしながら、最大突出位置が内面肩部２３に潜り込むような状態で、外面肩部１１に外面突当部２１が当接する。
【選択図】図１

Description

本発明は掘削工具用継手、特に、管状に形成された掘削工具をネジ接合するのに好適な掘削工具用継手に関する。

従来、油井やガス井などの掘削に使用されるドリルパイプのネジ継手は、米国石油協会（ＡＰＩ）によって規格化され、「ＡＰＩツールジョイント」として広く使用されてきた。ＡＰＩツールジョイントは、管端部に雄ネジが設けられた第１管体と、管端部に雌ネジが設けられた第２管体とを接合するものであって、雄ネジと雌ネジとが螺合した際、第１管体の外面に形成された外面肩部（外面ショルダー）に、第２管体の先端が当接するものである。
このため、油井等の掘削中に過大なトルクが発生した場合、外面肩部が降伏し第２管体の端部がベル形に膨れて、変形したり、雌ネジ部が破損したりすることがあった。
そこで、過大トルクに耐え、ＡＰＩツールジョイントとも互換性をもった、高トルクツールジョイントが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−１３３４９０号公報（第３頁、図１）

特許文献１に開示された発明は、第２管体の内面にも内面肩部（内面ショルダー）を形成し、雄ネジと雌ネジとが螺合した際、第１管体の外面肩部に第２管体の先端が平面接触し、第２管体の内面肩部に第１管体の先端が平面接触するようにしたものである。
すなわち、ネジ部が２箇所の平面接触によって挟み付けられるため、ネジ部に作用する引張応力が低減し、高い締め付けトルクが得られるものの、以下の問題があった。
（あ）外面肩部および内面肩部の２箇所を同時に平面接触させることが困難であった。すなわち、油井等の掘削の際、第２管体（雌ネジが形成されている）を下にして縦の状態で使用するため、第２管体に形成された内面肩部に多量のネジグリース（ツールジョイントに用いられるグリースには金属粉末が含まれている）や異物が堆積するため、かかる金属粉末や異物を内面段差部と第１管体の端面とが挟みつけるためである。
（い）また、外面肩部や内面肩部の加工にバラツキがある場合、前記２箇所同時の平面接触が困難であった。
（う）そして、前記２箇所同時の平面接触が実現しない状態で、強い捩りトルクが加わった場合、急激に螺合が進み、先に突き当たった端部が塑性変形を起こすため、継手の強度が低下していた。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、堆積したグリース等を排除して、内面側と外面側との２箇所における確実な接触を実現することができる掘削工具用継手を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る管体の掘削工具用継手は、管端部に雄ネジが設けられた第１管体と、管端部に雌ネジが設けられた第２管体とを接合するものであって、
前記第１管体には、前記雄ネジより管体端部側に、管軸方向に突出する内面突当部が形成され、且つ、前記雄ネジより管体中央側に、管軸方向に垂直な外面肩部が形成され、
前記第２管体には、前記雌ネジより管体端部側に、管軸方向に突出する外面突当部が形成され、且つ、前記雌ネジより管体中央側に、管軸方向に垂直な内面肩部が形成され、
前記内面突当部の端面に、円環状の内面突起が形成され、
前記雄ネジと前記雌ネジとが螺合する際、前記内面突起が最初に前記内面肩部に当接し、引き続き、前記内面突起が弾性変形した状態で、前記外面突当部が前記外面肩部に当接することを特徴とする。

（２）また、前記雄ネジと前記雌ネジとが螺合する際、前記弾性変形に加え、前記内面突起の一部または略全部が塑性変形した状態で、前記外面突当部が前記外面肩部に当接することを特徴とする。

（３）さらに、前記内面突起の断面が、略円弧状であって、
前記雄ネジと前記雌ネジとが螺合する際、前記内面突起の最大突出位置が、前記内面肩部の外径と内径との半径方向略中央に、最初に当接することを特徴とする。

本発明に係る掘削工具用継手は、以上であるから、下記の効果を奏する。
（ｉ）雄ネジと雌ネジとが螺合する際、内面肩部から当接が始まり、しかも、内面突当部に形成された内面突起が弾性変形した状態で、外面突当部が外面肩部に当接するから、内面肩部と外面肩部との２箇所を同時に当接することができる。
よって、受圧面積が増大するから、高いトルクを付与することが可能になる。また、強い捩りトルクが加わった場合でも、急激に螺合が進むことがないから、略衝撃的な力が作用することがなく、突当部や雌ネジ部が大きな塑性変形を起こすことがない。すなわち、継手の捩り強度を維持することができる。
そうすると、第１管体および第２管体の肉厚をより薄くすること、すなわち、内径をより拡大することが可能になるから、掘削時における掘削泥水（Ｍｕｄ、以下「マッド」と称す）の流通が容易になり、マッドの所望量（多量）の供給によって、掘削作業の適正化を図ることが可能になる。

（ｉｉ）また、雄ネジと雌ネジとが螺合する際、弾性変形に加え、内面突起の一部または略全部が塑性変形するから、軸方向の挟圧によって雄ネジおよび雌ネジに作用する軸方向引っ張り応力の減少が促進されるため、結果としてより高いトルクを付与することが可能になる。すなわち、トルク強度がさらに向上する。

（ｉｉｉ）また、内面突起の断面が略円弧状であって、螺合する際、内面突起の最大突出位置が、内面肩部の外径と内径との半径方向略中央に最初に当接するから、かかる当接範囲は、当該半径方向略中央から内径側および外径側に除々に拡大する。このため、内面肩部に堆積したグリースや異物は内径側および外径側に除々に押し出されるから、グリースに含まれた金属粉末や異物が当接範囲に挟み込まれることがない。
よって、内面肩部と内面突当部（内面突起に同じ）との当接が確実になり、強い捩りトルクが加わった場合でも、急激に螺合が進むことがないから、略衝撃的な力が作用することがなく、突当部や雌ネジ部が大きな塑性変形を起こすことがない。すなわち、継手の強度を維持することができる。

（ｉｖ）また、螺合に際し、内面突起の最大突出位置が内面肩部に埋まり込むから、内面突当部の拡径（円周上の点が半径方向に移動することに同じ）が拘束されるるため、第１管体および第２管体の管端部の変形が抑えられる。
（ｖ）さらに、第１管体および第２管体には、それぞれＡＰＩツールジョイントの雄ネジおよび雌ネジを設けることができるから、本発明に係る掘削工具用継手はＡＰＩツールジョイントとの間に互換性を有する。

［実施形態］
図１〜図４は本発明の実施形態に係る掘削工具用継手を説明するものであって、図１は全体を、図２および図３は分離した一方を、それぞれ模式的に示す側面図（一点鎖線を境に上半分）および側面視の断面図（一点鎖線を境に下半分）、図４は図１に示す断面図の一部を拡大して示す拡大断面図である。なお、各図において同じ部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略する。

（第１管体、第２管体）
図２において、第１管体１は断面円形の管体（例えば、鋼管）であって、第１本体部１０の管端部に雄ネジ１２が設けられ、雄ネジ１２より管体端部側（図２において左側）に管軸方向に突出する内面突当部１３が形成され、且つ、雄ネジ１２より管体中央側（図２において右側）に、管軸方向に垂直な外面肩部１１が形成されている。
図３において、第２管体２は断面円形の管体（例えば、鋼管）であって、第２本体部２０の管端部に雌ネジ２２が設けられ、雌ネジ２２より管体端部側（図３において右側）に、管軸方向に突出する外面突当部２１が形成され、且つ、雌ネジ２２より管体中央側（図３において左側）に、管軸方向に垂直な内面肩部２３が形成されている。

（内面突起）
図４において、第１管体１の内面突当部１３には、断面略円弧状の回転体である内面突起１４が形成されている。内面突起１４は平面である内面突当部１３に形成された外輪山を呈し、その裾野は内面突当部１３の一部または全域に及んでいる。なお、本発明は内面突起１４の断面形状を限定するものではなく、例えば、三角形状、台形状、あるいは正弦曲線の一部等であってもよい。
そして、第１管体１における内面突当部１３（正確には、内面突起１４）の最大突出部（図４参照）と外面肩部１１との距離Ｌｍが、第２管体２における外面突当部２１と内面肩部２３との距離Ｌｆより大きく（Ｌｍ＞Ｌｆ）なっている。

（接合形態）
図１において、掘削工具用継手１００は、第１管体１の雄ネジ１２と第２管体の雌ネジ２２とが螺合し、第１管体１と第２管体２とが接合するものである。そして、内面側では前者の内面突当部１３が後者の内面肩部２３に当接し、外面側では後者の外面突当部２１が前者の外面肩部１１に当接している。
このとき、前記螺合の進行にともなって、内面肩部２３から当接が始まり、その後に、外面突当部２１が外面肩部１１に当接する。すなわち、最初に、内面突起１４の最大突出位置が内面肩部２３の内径と外径との半径方向で略中央に当接し、その後、内面突起１４は弾性変形して高さを低くしながら（扁平になりながら）、最大突出位置が内面肩部２３に潜り込むことになる。なお、弾性変形に加えて、内面突起１４の一部または略全部が塑性変形してもよい。

（作用、効果）
（イ）掘削工具用継手１００は、内面突起１４が最初に当接して弾性変形するから、内面肩部２３と外面肩部１１との２箇所で当接するため、受圧面積の増大によって、高いトルクを付与することが可能になる。
（ロ）また、当接が確実であるから、強い捩りトルクが加わった場合でも、急激に螺合が進むことがないため、略衝撃的な力が作用することがなく、突当部や雌ネジ部が大きな塑性変形を起こすことがない。すなわち、継手の捩り強度を維持することができる。

（ハ）また、雄ネジ１２と雌ネジ２２とが螺合する際、弾性変形に加え、内面突起１４の一部または略全部を塑性変形させることができるから、軸方向の挟圧によって雄ネジ１２および雌ネジ２２に作用する軸方向の引張応力の減少が促進されるため、結果としてより高いトルクを付与することが可能になる。すなわち、トルク強度がさらに向上する。

（ニ）また、内面突起１４の当接範囲が、内面肩部２３の半径方向略中央から内径側および外径側に除々に拡大するため、内面肩部に堆積したグリースや異物は内径側および外径側に除々に押し出されるから、グリースに含まれた金属粉末や異物が当接範囲に挟み込まれることがない。よって、内面肩部２３と内面突当部１３（内面突起１４に同じ）との当接が確実になり、強い捩りトルクが加わった場合でも、急激に螺合が進むことがないから、略衝撃的な力が作用することがなく、突当部や雌ネジ部が大きな塑性変形を起こすことがない。すなわち、継手の強度を維持することができる。

（ホ）また、螺合に際し、内面突起１４の最大突出位置が内面肩部２３に埋まり込むから、内面突当部１３の拡径（円周状の点が半径方向に移動することに同じ）が拘束されるるため、第２管体２の管端部の変形が抑えられる。
（ヘ）そうすると、第１管体および第２管体の肉厚をより薄くすること、すなわち、内径をより拡大することが可能になるから、掘削時におけるマッドの流通が容易になり、マッドの所望量（多量）の供給によって、掘削作業の適正化を図ることが可能になる。
（ト）さらに、第１管体１および第２管体２には、それぞれＡＰＩツールジョイントの雄ネジおよび雌ネジを設けることができるから、ＡＰＩツールジョイントとの間に互換性を有する。

（実施例）
表１は本発明の実施形態に係る掘削工具用継手と、ＡＰＩツールジョイントとの強度比較を示すものであって、捩り強度の計算結果である。すなわち、ＡＰＩ規格の外径１２７ｍｍで肉厚９．１９ｍｍのドリルパイプに対して、Ｓ１３５グレードについは実施例１〜４と比較のためのＡＰＩ規格品とについて、Ｇ１０５グレードについは実施例５と比較のためのＡＰＩ規格品とについて、それぞれ計算している。
表１において、それぞれの第１管体１および第２管体２の外径は同径の１６８．３ｍｍであって、Ｓ１３５グレードについは、ＡＰＩ規格品と実施例１の内径が同径の６９．９ｍｍで、実施例２、３、４の順に内径が大きくなり、Ｇ１０５グレードについは、ＡＰＩ規格品と実施例５の内径が同径の８２．６ｍｍである。
なお、第１管体１の管端部を「ＰＩＮ」と、第２管体２の管端部を「ＢＯＸ」と、第１管体１および第２管体２にそれぞれ接合された管を「ＰＩＰＥ」と記載している。

（ＰＩＰＥとの比較）
ＡＰＩ規格品については、ＰＩＰＥに対するＰＩＮの捩り強度の比率（ＰＩＮ／ＰＩＰＥ強度比）が、Ｓ１３５グレードでは８５％、Ｇ１０５グレードでは８９％、と１００％以下であるため、高トルクが加わると変形し、破損することになる。
一方、実施例１および実施例５については、ＰＩＰＥに対するＰＩＮの捩り強度の比率（ＰＩＮ／ＰＩＰＥ強度比）が、Ｓ１３５グレードおよびＧ１０５グレード共１２３％、と１００％以上に強化されているから、ＡＰＩ規格品のＰＩＮ／ＰＩＰＥ強度比と比較すると、約１．４倍（＝１２３／８５、＝１２３＊８９）強化されている。

また、実施例１〜実施例４になるに従って内径が大きくなるため、ＰＩＮ／ＰＩＰＥ強度比は除々に低下するものの、ＡＰＩ規格品よりは高い値になっている。
なお、ＢＯＸに対するＰＩＮの捩り強度の比率（ＢＯＸ／ＰＩＰＥ強度比）についても、同様の強化が認められる。

（ＡＰＩ規格品との比較）
Ｓ１３５グレードにおいて、ＡＰＩ規格品の捩り強度に対する実施例１の捩り強度の比率は、ＢＯＸおよびＰＩＮにおいて１４５％である。Ｇ１０５グレードにおいて、ＡＰＩ規格品の捩り強度に対する実施例５の捩り強度の比率は、ＢＯＸでは１３１％、ＰＩＮでは１３９％である。すなわち、両グレード共、実施品１、５の捩り強度が大幅に高くなっている。
また、実施例１〜実施例４になるに従って内径が大きくなるため、前記捩り強度の比率は除々に低下し、たとえば、実施例４において、ＢＯＸでは１１３％に、ＰＩＮでは９６％に、それぞれ低下しているものの、何れにおいてもＡＰＩ規格品の８５％よりは高い値になっている。

（作用、効果）
すなわち、実施例１〜５において、ＡＰＩ規格品よりも高いトルクを付与することができることが確認される。
よって、本発明に係る管体の掘削工具用継手によれば、ＡＰＩ規格品よりも大きな内径にして、ＡＰＩ規格品のＰＩＰＥと同等の捩り強度と、ＡＰＩ規格品のＢＯＸおよびＰＩＮと同程度の捩り強度を維持することができることになる。したがって、掘削作業においてはマッドの流量増加により掘削環境の適正化を図ることが可能になる。

本発明は、簡素な構成であって、確実な接合を実現することができるから、掘削工具を接続する掘削工具用継手に限定されることなく、各種管体を互いに接合する管体継手として広く利用することができる。

本発明の実施形態に係る掘削工具用継手を示す側面図と側面視の断面図。 図１に示す掘削工具用継手を分離した一方を示す側面図と側面視の断面図。 図１に示す掘削工具用継手を分離した他方を示す側面図と側面視の断面図。 図１に示す断面図の一部を拡大して示す拡大断面図。

符号の説明

１ 第１管体
２ 第２管体
１０ 本体部
１１ 外面肩部
１２ 雄ネジ
１３ 内面突当部
１４ 内面突起
２０ 本体部
２１ 外面突当部
２２ 雌ネジ
２３ 内面肩部
１００ 掘削工具用継手

Claims (3)

1. 管端部に雄ネジが設けられた第１管体と、管端部に雌ネジが設けられた第２管体とを接合する掘削工具用継手であって、
   前記第１管体には、前記雄ネジより管体端部側に、管軸方向に突出する内面突当部が形成され、且つ、前記雄ネジより管体中央側に、管軸方向に垂直な外面肩部が形成され、
   前記第２管体には、前記雌ネジより管体端部側に、管軸方向に突出する外面突当部が形成され、且つ、前記雌ネジより管体中央側に、管軸方向に垂直な内面肩部が形成され、
   前記内面突当部の端面に、円環状の内面突起が形成され、
   前記雄ネジと前記雌ネジとが螺合する際、前記内面突起が最初に前記内面肩部に当接し、引き続き、前記内面突起が弾性変形した状態で、前記外面突当部が前記外面肩部に当接することを特徴とする掘削工具用継手。
2. 前記雄ネジと前記雌ネジとが螺合する際、前記弾性変形に加え、前記内面突起の一部または略全部が塑性変形した状態で、前記外面突当部が前記外面肩部に当接することを特徴とする請求項１記載の掘削工具用継手。
3. 前記内面突起の断面が、略円弧状であって、
   前記雄ネジと前記雌ネジとが螺合する際、前記内面突起の最大突出位置が、前記内面肩部の外径と内径との半径方向略中央に、最初に当接することを特徴とする請求項１または２記載の掘削工具用継手。

Images