JP2012505981A - 炭化水素井戸の掘削用および運転用コンポーネント - Google Patents

Abstract

本発明は、炭化水素井戸を掘削や運転に使われ、炭化水素井戸の掘削や運転に使われる別のコンポーネントの第２の端部（１００；２００）に接続されるのに適した第１の端部（２００；１００）を有する実質的に管状をしたコンポーネントであって、第１の端部（２００；１００）は、第２の端部（１００；２００）の対応する接合面（１０１、１１１；２０１、２１１）と干渉して協働することができる第１の接合面（２１１、２０１；１１１、１０１）を有し、かつ、第２の端部（１００；２００）の対応するシール面（１０２；２１２）と干渉して協働することができるシール面（２１２；１０２）を有する終端部（２１０；１１０）を備え、終端部（２１０；１１０）の手前には、第２の端部（１００；２００）の対応するねじ領域（１２０；２２０）と締結されるのに適したねじ領域（２２０；１２０）が配置され、第１の終端部（２１０；１１０）厚みの中でシール面（２１２；１０２）の下面の一部に圧縮可能空間（２１４ａ、２１４ｂ）が備えられ、軸方向の剛性を少なくとも６０％保持しつつ、前記終端部の半径方向の剛性を少なくとも２０％低減するコンポーネント。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化水素井戸を掘削し運転するのに用いられるコンポーネントに関し、より詳細には、コンポーネントの端部は、炭化水素井戸を掘削し運転するのに用いられる別のコンポーネントの対応する端部に接続することができる雄型または雌型であるコンポーネントに関するものである。

用語「炭化水素井戸を掘削し運転するのに用いられるコンポーネント」は、実質的に管状の要素であって、同じタイプのあるいは別のタイプの要素、すなわち、炭化水素井戸を掘削するドリルストリングか、改修ライザのようなメンテナンス作業用ライザ管か、井戸を運転する際に含まれるケーシングストリングや肉厚チューブストリングに接続されるようになされたものである。本発明は、ドリルパイプ、大重量ドリルパイプおよびドリルカラーのようなドリルストリングおよびツールジョイントとして知られるドリルパイプや大重量ドリルパイプ用の接続部品で用いられるコンポーネントに特に有用である。

ドリルストリングで用いられる各コンポーネントは通常雄ねじ領域を有する端部と雌ねじ領域を有する端部を備え、それぞれが別のコンポーネントの対応する端部と締結されることにより組み立てられ、その組み立てが接続部を画定することが知られている。そのように構成されたストリングは、井戸の表面でドリリングの間回転させられ、そのために、これらのコンポーネントは、井戸内で破壊したり超過トルクを生ずることなしにドリリングするのに十分な回転トルクを伝達することができるように、大きなトルクで締結される。締結トルクは、締結されるコンポーネントのそれぞれに備えられた接合面とタイトに組み合わせることにより成し遂げられるのが普通である。

圧力のかかった泥が、ドリルビットの適切な動作を保証し、岩屑を地表に運ぶように、ドリリングストリング中を井戸の底に向かって移動することも知られている。

しかし、ある掘削状況あるいは接続部の使用状況では、圧力下でガスが存在する。接合面により今まで保証されたタイト性はもはや確かなものではなくなる。よって、２つのコンポーネント間の接続部での高圧に対応する高度なシール性を保証する必要がある。この目的のために、出願人のカタログ番号９４０に説明されるＶＡＭ（登録商標）ＴＯＰ接続部のような他のタイプの接続部が知られており、接続部の雌型端部に供されたシール面と半径方向に干渉することで協働するようになされたシール面を接続部の雄型端部にねじ領域を超えて有する。より詳細には、２つの表面の干渉による協働は、締結による接続部の組み立ての間、雌型端部のシール面に雄型端部のシール面を強制はめ込みすることで行われる。強制はめ込みを容易にするため、例えば、雄型端部および雌型端部のそれぞれにテーパ付きシール面を用いることが知られている。

しかし、超高圧に対応できるタイト性を要求する傾向にある現在の仕様変更のために、雄型要素と雌型要素間の干渉により生ずる、シール面で高い接触圧を与えることが必要である。用語「干渉」は、強制はめ込みの前の雄型端部のシール面を有する部分の平均直径の値と、雌型端部に挿入された雄型端部のシール面を有する部分の平均直径の値との間の差を意味する。

アメリカ石油協会（the American Petroleum Institute）でドリリングコンポーネント用に定められた規格であるＡＰＩ７規格で要求される寸法仕様により１２．７〜６３．５ｍｍ（すなわち、０．５〜２．５インチ）のオーダーである、ドリルストリングで用いられるコンポーネントの厚さのために、強制はめ込みの間に摩耗の問題が生じ、摩耗は接触圧の値の関数であり、よって、干渉とコンポーネントの厚さの関数である。同様の問題が、高圧修正ライザや肉厚ケーシングまたはチューブ用接続部で生ずる。

摩耗のリスクを低減するために、多くの解決策が考案されてきた。干渉を低減することからなる改良の第１のルートが、研究された。それは、見込まれる機械加工の公差と適合しないことが分かった。実際に、シール性を維持しながら雄型シール面を有する部分の平均直径の最大許容偏差と同心度不良は制限されなければならない。

改良の第２のルートは、シール面を延伸しつつ干渉を減少することからなる。しかし、試験の間に、２つのシール面の間の接触長さを延伸することはその接触を不安定にし、よってある運転状況下でタイト性の喪失を起こし得ることが分かった。

この理由のために、本発明は、軸方向の剛性をあまり低下することなく、雄型シール面を有する部分の半径方向の剛性を主に低減することにより、シール面の摩耗の問題を克服することを課題とする。

より詳細には、本発明は、炭化水素井戸を掘削し運転するのに用いられるコンポーネントであって、実質的にチューブ状の形状で、ドリリングストリングの別のコンポーネントの第２の端部に接続可能な第１の端部を有し、該第１の端部は前記第２の端部の対応する接合面と干渉することにより協働するのに適した第１の接合面を有して前記第２の端部の対応する接合面と干渉することにより協働するのに適したシール面を備える終端部を備え、該終端部には前記第２の端部の対応するねじ領域に締結されるのに適したねじ領域が手前に配置され、前記第１の終端部の厚みの中にシール面の下部の一部には圧縮可能空間を有し、前記終端部の軸方向の剛性を少なくとも６０％は保持しつつ半径方向の剛性を少なくとも２０％低減することを特徴とする、コンポーネントを提供する。

ある特徴によれば、圧縮可能空間は終端部の厚みに形成された少なくとも１つの窪みで構成される。

別の特徴によれば、前記少なくとも１つの窪みは、第１の接合面の少なくとも５０％を超えて入り込む。

別の特徴によれば、窪みは実質的に円環状の溝であり、コンポーネントの回転軸に軸対称である。

別の特徴によれば、窪みは、第１の接合面で開口した溝である。

別の特徴によれば、溝の長さは、シール面の少なくとも７５％の下面に延在する様に選定される。

別の特徴によれば、溝は、シール面を有する領域の最小厚さの１０％から４０％の範囲の厚みを有する。

別の特徴によれば、圧縮可能空間は、終端部の内側に開口した溝である。

別の特徴によれば、溝の長さは、シール面の少なくとも７５％の下面に延在する様に選定される。

別の特徴によれば、溝は、シール面を有する領域の最小厚さの１０％から４０％の範囲の深さを有する。

別の特徴によれば、圧縮可能空間は、終端部の内側に開口した円環窪みにより構成され、接合面で補強手段が部分的に埋められている。

別の特徴によれば、補強手段は、ドリルストリングを構成する材料のヤング率より大きな軸方向のヤング率を有する。

別の特徴によれば、補強手段は、ドリルストリングを構成する材料の摩擦係数より少なくとも２０％大きな摩擦係数を接合面で有する。

別の特徴によれば、終端部は、シール面を超え接合面まで延在する付属物を備える。

別の特徴によれば、コンポーネントの第１の端部は、第２の端部の対応する接合面と干渉して協働するのに適した第２の接合面を備える。

本発明のさらなる利点と特徴は、非限定的な例としての以下の詳細な説明から、および、本発明のよりよい理解を提供するためのみならず、必要なら本発明を画定するのに寄与する添付の図面から、明らかになるであろう。

図１Ａは、第１の実施の形態によるドリルストリングのコンポーネントの軸断面図を示す。 図１Ａは、第１の実施の形態によるコンポーネントの詳細図を示す。 図２Ａは、第２の実施の形態によるドリルストリングのコンポーネントの軸断面図を示す。 図２Ｂは、第２の実施の形態によるコンポーネントの詳細図を示す。 図３Ａは、第１の実施の形態の改良によるドリルストリングのコンポーネントの軸断面図を示す。 図３Ｂは、第１の実施の形態の改良によるコンポーネントの詳細図を示す。 図４Ａは、第１の実施の形態の改変によるドリルストリングのコンポーネントの軸断面図を示す。 図４Ｂは、第２の実施の形態の改変によるコンポーネントの詳細図を示す。 図５は、従来技術、本発明の第１の実施の形態およびその改良の間の比較結果を示す。

同じ参照番号を、各図で用いる。

本発明に従い、図１Ａ、２Ａ，３Ａに示すように、実質的に管状のドリルストリングのパイプ間の接続部を示す。接続部は、従来通りピンツールジョイントとして知られる雄型端部２００を有するコンポーネントと、ボックスツールジョイントとして知られる雌型端部１００を有するコンポーネントから成り、雄型端部２００は雌型端部１００に接続することができる。雄型端部２００は、雌型端部１００の対応する接合面１０１と協働するのに適した内接合面２１１に端部を有する終端部２１０を備える。終端部２１０は、雌型端部１００の対応するシール面１０２に干渉してはめ込むことにより協働するのに適したシール面２１２を備える。シール面２１２、１０２は、本技術分野では従来から用いられているシール面である。それらは、特許出願ＷＯ０３／０４８６２３またはＷＯ０４／１０９１７３で説明されるように、重錐体（cone-on-cone）シール面または円錐・錐体（toroid-on-cone）あるいは円錐・重錐体（toroid and cone-on-cone）シール面でもよい。雄型端部２００は、雌型端部１００の対応するねじ領域１２０に締結されるのに適した雄ねじ領域２２０を備え、雄ねじ領域２２０は終端部２１０の手前に配置される。ねじ領域２２０、１２０は、本技術分野で従来からあるねじ領域である。

本発明によれば、圧縮可能空間は終端部の厚みに、特にシール面の下に、その終端部の半径方向の剛性を少なくとも２０％低減し、軸方向の剛性は少なくとも６０％保持するように、生成される。

有利なことに、空間２１４ａ、２１４ｂはそれぞれ、終端部２１０の厚みに生成された窪みであり、その終端部２１０は、雄型端部の軸３００に垂直に力が作用したときにより柔軟性を持つ。

窪みはまた、接合面２１１の多くて５０％割り込むように設計される。したがって、雄型端部と雌型端部の締結の間に接合がその役割を果たすように、終端部の軸方向の剛性を維持する。

図１Ａと図１Ｂに詳細に説明した第１の実施の形態によると、窪みは、実質的に円環形状で雄型端部２００の回転軸３００に対称な溝２１４ａである。溝２１４ａは、内接合面２１１で開口している。当業者は、終端部２１０の半径方向の剛性を少なくとも２０％低減するような、溝２１４ａの寸法を、特に、長さＬ、厚みｅ_ｖおよびシール面２１２についての溝の半径方向距離に関して、決められるであろう。特に、シール面２１２についての溝の距離は、半径方向の剛性に影響するパラメータであるようである。

好ましくは、溝２１４ａの長さＬは、シール面２１２の少なくとも７５％の下面に延在する様に選定される。同様に、溝２１４ａは、シール面２１２を有する領域の最小厚さｅ_ｓの１０％から４０％の範囲の厚みｅ_ｖを有する。

例示として、仕上げた要素により作成されたモデルは、領域２１２の接触力Ｆを長さＬおよび厚みｅ_ｖの関数として関係させる表面の式という名の式を生成する。この例では、溝は端部２１０の内縁と外縁から等距離になるように端部の中央に生成される。

Ｆ＝ａ＋ｂｅ_ｖ＋ｃＬ＋ｄＬｅ_ｖ＋ｅｅ_ｖ ^２＋ｆＬ^２＋ｇＬｅ_ｖ ^２＋ｈｅ_ｖＬ^２＋ｉＬ^２ｅ_ｖ ^２
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈおよびｉは、仕上げた要素で決定される係数であり、ドリルストリングの寸法特性の関数である。

したがって、１２ｍｍに等しい端部２１０の厚みｅ_ｓ、４ｍｍの溝の厚みｅ_ｖおよび１２．５ｍｍに等しい長さＬに対し、１６０３４９８Ｎ（ニュートン）に等しい力Ｆが得られる。溝２１４ａなしだと、２１５８８４７Ｎに等しい力Ｆが得られることを知ると、このことは２５％以上の低減となる。

さらに、ｅ_ｖを４ｍｍ、すなわちｅ_ｓの３３％に制限すると、接合面２１１の減少が最小となるので、軸方向の剛性の低減が最小となる。

当然に、所与の形状で、決まった寸法の溝について、シール面２１２から近づけたり離したり動かすことにより、軸方向の剛性を変化させることなく、半径方向の剛性を増大したり低減したりすることができる。

図２Ａおよび図２Ｂに説明され詳細に示される第２の実施の形態では、窪みは、実質的に円環形状で雄型端部２００の回転軸３００に対称な溝２１４ｂである。溝２１４ｂは終端部２１０の内面に開口している。当業者は、終端部２１０の半径方向の剛性を少なくとも２０％低減するような、溝２１４ｂの寸法を、特に、長さＬ、厚みｅ_ｖについて、決められるであろう。

第１の実施の形態でそうであったように、溝２１４ｂの長さＬは、シール面２１２の少なくとも７５％の下面に延在するように有利に選択される。同様に、溝２１４ｂは、シール面２１２を有する領域の最小厚さｅ_ｓの１０％から４０％の範囲の厚みｅ_ｖ’を有する。仕上げた要素に基づく計算により、前述の実施の形態に対応する式に類似の式を作ることができる。すなわち、
Ｆ＝ａ’＋ｂ’ｅ_ｖ＋ｃ’Ｌ＋ｄ’Ｌｅ_ｖ’＋ｅ’ｅ_ｖ’ ^２＋ｆ’Ｌ^２＋ｇ’Ｌｅ_ｖ’ ^２
＋ｈ’ｅ_ｖ’Ｌ^２＋ｉ’Ｌ^２ｅ_ｖ’ ^２
ａ’、ｂ’、ｃ’、ｄ’、ｅ’、ｆ’、ｇ’、ｈ’およびｉ’は、仕上げた要素で決定される係数であり、ドリルストリングの寸法特性の関数である。

さらに、溝は接合面２１１に割り込まないから、軸方向の剛性はほとんど維持される。

図３Ａと図３Ｂに説明され詳細に示される第３の実施の形態では、円環状窪み２１４ａに補強手段２１５が埋められるが、補強手段と終端部２１０の内面との間に厚みｅ_ｖ’’の空間が確保されるように部分的に埋められる。補強手段と終端部２１０の内面との間に厚みｅ_ｖ’’の空間があるので、上述の実施の形態のように、シール面２１２を有する部分の剛性は低下する。さらに、内接合面２１１に延在する補強手段２１５のために、窪み２１４の影響を受けていた終端部２１０の軸方向の剛性は増大する。

補強手段は、ねじ止め、圧着、接着、溶接あるいはろう付けなど、いかなる方法で端部２００に固定してもよい。

有利なことに、補強手段は、接続部を構成する材料のヤング率より大きなヤング率を有する。よって、補強手段２１５は、実質的に内接合面を有する終端部２１０の軸方向の剛性を増大する。したがって、接合面２１１と対応する表面１０１の間に作用する締結トルクは増大する。例として、タングステンカーバイドやカーボン繊維に充満した樹脂を用いることができる。

有利なことに、補強手段２１５はドリルストリングが構成される材料の摩擦係数より少なくとも２０％大きな摩擦係数を接合面２１１に有しており、掘削中のドリルストリングのコンポーネントの破断防止（counter breakout）に適したブレーキとして動作する。例として、接合面２１１の処理は、摩擦係数を増大することを狙って行われてもよいし、白銅のような金属を積層してもよい。

本発明は、シール面２１２を有する部分が付属物２１３により延伸され、シール面２１２を超えて内接合面２１１まで延在する様な場合に有利な用途を有する。このタイプの配置は、特に接合面からシール面を離しておくのに用いられるが、端部２１０の軸方向の剛性を低減する特性がある。

他の実施の形態によれば、ドリルストリングコンポーネントは、雌型端部１００の対応する接合面１１１と干渉することにより協働するのに適する外接合面２０１を備える。その外接合面は、特に締結トルクを増大することを可能にする。

図４Ａおよび図４Ｂに示すようにシール面が外接合面とねじ領域１２０、２２０の間にある場合、上記の本発明の原理を適用することは容易に想到される。より詳細には、例えば、雌型端部１００の終端部１１０に実質的に円環形状で雌型端部１００の回転軸３００について対称な溝を備えるのが便利であろう。たとえば、溝は上述の実施の形態の一つに従うことで良い。

要約すると、本発明は内接合面２１１もしくは外接合面２０１を備えるコンポーネント、および、１つは内側でもう一つは外側の２つの接合面を備えるコンポーネントの双方に適用できる。後者のケースでは、補完的に接続されるコンポーネント間の接続部は、２つのシール領域を有し、それぞれのシール領域は協働する干渉接触における２つのシール面により作られる。よって本発明は、接合面２１１、１１１の軸方向の剛性を維持しつつ、場合に応じて終端部２１０、１１０での円周方向の剛性を低減することにより、シール領域に生ずる摩耗の問題を克服することができる。

コンポーネントは、内接合と外接合とがある場合に寸法が決められ、ショルダリングが内接合または外接合で最初に生ずるようにする。

図５は、許容半径方向干渉δ、すなわち、それを超えると摩耗を生ずるヘルツ圧力Ｐｍａｘ以下を維持しつつ得られる最大干渉の相対比較を示し、Ｄ０は従来技術の接続部に対応し、Ｄ１は本発明の第１の実施の形態による接続部に対応し、Ｄ３は図３Ａおよび図３Ｂで示した本発明の第１の実施の形態の改良による接続部に対応する。実施の形態Ｄ１およびＤ３は半径方向干渉δを顕著に増大することができることが明らかである。この理由により、シールは最適化される。

図５はまた、第１の実施の形態が、従来技術の結果と比較して許容締結トルクＣにあまり大きく影響しないことと、第３の実施の形態はそれをさらに増大できることを示す。

本発明の他の改変によれば、図では示されていないが、シール面の下に備えられる圧縮可能空間が、炭化水素井戸を掘削し運転するのに用いられるコンポーネントの一端の終端部に加工される複数の溝２１４ａまたは２１４ｂで形成されてもよい。当然にコンポーネントは、パイプや大重量パイプ用の接続部分、ツールジョイントとして知られる接続部分のような炭化水素井戸を掘削するのに適したドリルスリングのコンポーネントでよい。また、修正ライザのようなメンテナンス用パイプライザのコンポーネント、井戸の運転で用いられるケーシングコンポーネントまたは重量チューブコンポーネントでもよい。

Claims (16)

1. 炭化水素井戸の掘削や運転に使用され、炭化水素井戸の掘削や運転に使われる別のコンポーネントの第２の端部（１００；２００）に接続されるのに適した第１の端部（２００；１００）を有する実質的に管状をしたコンポーネントであって、
   前記第１の端部（２００；１００）は、前記第２の端部（１００；２００）の対応する接合面（１０１、１１１；２０１、２１１）と干渉して協働するのに適した第１の接合面（２１１、２０１；１１１、１０１）を有し、かつ、前記第２の端部（１００；２００）の対応するシール面（１０２；２１２）と干渉して協働するのに適したシール面（２１２；１０２）を有する終端部（２１０；１１０）を備え、
   前記終端部（２１０；１１０）の手前には、前記第２の端部（１００；２００）の対応するねじ領域（１２０；２２０）と締結されるのに適したねじ領域（２２０；１２０）が配置され、
   前記第１の終端部（２１０；１１０）厚みの中で前記シール面（２１２；１０２）の下面の一部に、軸方向の剛性を少なくとも６０％保持しつつ、前記終端部の半径方向の剛性を少なくとも２０％低減する圧縮可能空間（２１４ａ、２１４ｂ）を備えることを特徴とする；
   コンポーネント。
2. 前記圧縮可能空間（２１４ａ、２１４ｂ）は、前記終端部（２１０；１１０）の厚みに形成された少なくとも１つの窪みにより構成されることを特徴とする；
   請求項１のコンポーネント。
3. 前記少なくとも１つの窪み（２１４ａ、２１４ｂ）は、前記第１の接合面（２１１；１１１）の少なくとも５０％に入り込むことを特徴とする；
   請求項２のコンポーネント。
4. 前記窪みは、実質的に円環形状で、前記コンポーネントの回転軸（３００）について軸対称な溝（２１４ａ、２１４ｂ）であることを特徴とする；
   請求項２または請求項３のコンポーネント。
5. 前記窪みは、前記第１の接合面（２１１；１１１）で開口する溝（２１４ａ）であることを特徴とする；
   請求項４のコンポーネント。
6. 前記溝（２１４ａ）の長さ（Ｌ）は、前記溝が前記シール面（２１２；１０２）の少なくとも７５％の下面に延在するように選定されることを特徴とする；
   請求項５のコンポーネント。
7. 前記溝（２１４ａ）は、前記シール面（２１２；１０２）を有する領域の最小厚み（ｅ_ｓ）の１０％から４０％の範囲の厚み（ｅ_ｖ）を有することを特徴とする；
   請求項５または請求項６のコンポーネント。
8. 前記圧縮可能領域（２１４）は、前記終端部（２１０；１１０）の内面に開口した溝（２１４ｂ）であることを特徴とする；
   請求項４のコンポーネント。
9. 前記溝（２１４ｂ）の長さ（Ｌ）は、前記溝が前記シール面（２１２；１０２）の少なくとも７５％の下面に延在するように選定されることを特徴とする；
   請求項８のコンポーネント。
10. 前記溝（２１４ｂ）は、前記シール面（２１２；１０２）を有する領域の最小厚み（ｅ_ｓ）の１０％から４０％の範囲の厚み（ｅ_ｖ）を有することを特徴とする；
    請求項８または請求項９のコンポーネント。
11. 前記圧縮可能空間（２１４）は、前記終端部（２１０；１１０）の内部に開口する円環状の窪みで構成され、部分的に補強手段（２１５）で埋められることを特徴とする；
    請求項２または請求項３のコンポーネント。
12. 前記円環状の窪みは、前記窪みが前記シール面（２１２；１０２）の少なくとも７５％の下面に延在するように選定されることを特徴とする；
    請求項１１のコンポーネント。
13. 前記補強手段（２１５）は、ドリルストリングを構成する材料のヤング率より高い軸方向のヤング率を有することを特徴とする；
    請求項１１または請求項１２のコンポーネント。
14. 前記補強手段（２１５）は、ドリルストリングを構成する摩擦係数より少なくとも２０％大きな摩擦係数を前記接合面で有することを特徴とする；
    請求項１１ないし請求項１３のいずれか１項のコンポーネント。
15. 前記終端部（２１０；１１０）は、前記シール面（２１２；１０２）を超えて前記接合面（２１１；１１１）まで延在する付属物（２１３）を備えることを特徴とする；
    請求項１ないし請求項１４のいずれか１項のコンポーネント。
16. 前記第１の端部（２００；１００）は、別のコンポーネントの第２の端部（１００；２００）の対応する接合面（１１１、１０１；２１１、２０１）と干渉して協働するのに適した第２の接合面（２０１、２１１；１０１、１１１）を備えることを特徴とする；
    請求項１ないし請求項１５のいずれか１項のコンポーネント。

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