JP2013527384A

JP2013527384A - ねじ式工具接続継手

Info

Publication number: JP2013527384A
Application number: JP2012520700A
Authority: JP
Inventors: パチェコ，カイン
Original assignee: Ptech Drilling Tubulars LLC
Current assignee: Ptech Drilling Tubulars LLC
Priority date: 2009-07-14
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2013-06-27
Also published as: CA2768455A1; CA2768455C; US20110012347A1; RU2012103461A; WO2011008690A1; MX2012000594A

Abstract

ピン外側ショルダとピン内側ショルダとの間に形成された外側ねじを有し、内側ショルダと外側ショルダとの間にノーズ部を有するピンと；ボックス外側ショルダとボックス内側ショルダとの間に形成された内側ねじを有するボックスと；を具える二重ショルダねじ式工具接続継手。内側ねじと外側ねじが、１フィートあたり０．６６６インチ乃至１フィート当たり１．０インチのテーパねじを有し、約３３°のスタブフランク角と荷重フランク角を有する。
【選択図】図１

Description

関連出願とのクロスリファレンス
なし

連邦支援の研究又は開発に関する記載
なし

コンパクトディスクで提出した別表に記載の配列表、表、又はコンピュータプログラム、及び当該コンパクトディスクの文献参照による組み込み
なし

（１）発明の属する技術分野
本発明は、ねじ式工具接続継手に関する。

（２）関連技術の説明
米国特許第５，８１０，４０１号（Ｍｏｓｉｎｇ特許）は、二重接合ショルダとピンアンドボックス部材のノーズフェィスを開示している（図５、第６欄、第２６乃至６４行）。しかし、Ｍｏｓｉｎｇ特許は、（ａ）二重ショルダを伴って高いトルク能力を達成する手段、（ｂ）ねじ接続による曲げ疲労に対する抵抗手段、（ｃ）結合ルートにおける応力集中を低減する手段、（ｄ）単一の大きなルート半径、（ｅ）正の負荷又はスタブフランク角、及び（ｆ）９０°正方形の接合ショルダは開示していない。

米国特許第６，０３０，００４号（Ｓｃｈｏｃｋ特許）は、二重ショルダ付高トルク抵抗ねじ式結合を開示している。この工具継手は、ねじ付きフランク管の角度を含む７５°のねじと、一般的な楕円形ルート面が設けられている（図１、第４欄、第１乃至２３行、及び第５欄、第１５乃至４９行、図７及び９）。Ｓｃｈｏｃｋ特許は、（ａ）単一のルート半径のみの産物である大ルート面を用いて疲労抵抗を強化する手段、（ｂ）浅いテーパねじで高いトルク力を達成する手段、（ｃ）高トルク、曲げ、及び引張荷重抵抗を維持しながら最小の液圧損失と最大のホール洗浄能力を達成する手段、（ｄ）大ルート面を有しながら、高引張荷重を最適化する技術、（ｅ）曲げ強度率を強化する連結剛性の低減、及び（ｆ）ボックスの外径を大きくすることなく、Ａｂｃｓ／Ａｐｃｓ臨界断面間のつり合い比率を維持する技術は、開示していない。

米国特許第７，２１０，７１０号（Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ特許）は、二重ショルダドリルステム結合を開示している（図２及び３、及び、第９欄第４１行乃至第１０欄第１８行）。Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ特許は、二重ショルダ工具継手を開示し、論じている。Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ特許は、本明細書に引用によって組み込まれている。この特許の図２について述べると、Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ特許は、好ましくは１及び１／８インチ／フィートのボックスとピンのテーパねじを教示している。このような急なテーパでは、スタブ深さが増えるのでターンズツーメークアップ（ｔｕｒｎｓ−ｔｏ−ｍａｋｅ−ｕｐ）が低減する。しかしながら、このような急なテーパは、二次（内部）ショルダにおける面積が大幅に小さくなり、トルク能が低くなる。更に、このような急なテーパでは、内部ショルダを有するための十分なスチールを維持することと矛盾が生じるため、連結部のＩＤを浅いテーパ連結部と同様に大きくすることができない。最終的に、このような急なテーパでは、「スリムホール」、すなわち、ＯＤが小さく、ＩＤが大きい設計にすることができない。

Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ特許は、異なる負荷フランクの使用を教示している。この非類似性のために、Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎのデバイスは、２つの負荷フランクに亘る２又はそれ以上の半径を使用しなければならず、したがって、請求項７に記載されているように、内側及び外側ねじのルートが楕円の一部の形状に形成されている。
Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ特許は、また、図２を参照すると、「ピンノーズＬ．ｓｕｂ．ＰＮの長さが約１：１で、カウンターボアの長さＬ．ｓｕｂ．ＢＣの１．５倍である」と主張している。しかし、出願人は、ピンノーズは、ピン結合とボックス内部ショルダ間の負荷を配分するブリッジとして作用するため、ピンノーズの長さはなるべく短くあるべき旨を発見した。すなわち、ピンノーズの長さが短いほど、ピンノーズがより大きな応力を圧縮することができ、これによって、より強力な結合ができる。

Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ特許は、（ａ）単一のルート半径のみの産物である大ルート面を用いて疲労抵抗を強化する手段、（ｂ）均等な負荷と、負荷フランクに最適な面接触領域を提供する３３°のスタブフランク角を有するねじを形成する手段、を開示していない。最適条件は、トルク、張力、及び、極度の軸上負荷又は曲げ張力負荷のもとクロススレッドしない結合能力に基づいている。Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ特許も、（ａ）ピンノーズ部にかかる圧縮応力を低減するボックスカウンターボア部の長さの少なくとも６０％の長さであるピンノーズ部、（ｂ）１．０以下の応力集中要因を維持する改良、（ｃ）剛性部材を低減するための結合の臨界断面における慣性の結合モーメントの低減、及び（ｄ）結合トルク性能を失うことなく迅速な結合を作る方法は、開示していない。

従って、公知の従来技術には、少なくとも２つの主な欠陥がある。従来技術には：（１）単一のルート半径のみの産物である大ルート面を用いて曲げ疲労抵抗を強化する手段と、（２）高トルクと曲げ抵抗及び引張荷重抵抗を維持したままで、最小流圧ロスと最大ホール洗浄能力を達成する手段、がない。

上述した点を考慮すると、小さな外径と大きな内径で連結を維持しつつ、高いねじれ強さ、長い疲労寿命、高い引張荷重を達成し、その材料の降伏強さ内で連結応力を維持できるねじ式工具接続継手が求められている。特に、（ａ）性能を失うことなく迅速なメークアップを達成する手段と、（ｂ）連結の引張能力を低減する下をカットしたねじ型を使用することなく、高い繰り返し曲げ応力に耐える手段と、（ｃ）曲げ応力が、パイプ本体自体が耐えられる応力に等しい、ねじの臨界断面における曲げ応力に耐える手段、を有する、高トルクのねじ式工具接続継手も、求められている。

ドリルステムアッセンブリに使用するねじ式工具接続継手は：（ａ）ピン外部ショルダとピン内部ショルダとの間の機械加工した外側ねじを有するピンと；（ｂ）ボックス外部ショルダとボックス内部ショルダとの間の機械加工した内側ねじを有するボックスと；（ｃ）高トルク、高繰り返し疲労及び引張荷重抵抗で設計されたテーパ付きねじと；（ｄ）負荷とスタブフランクとの間の単一半径の結果である大きなルート面を有するねじ型構造と；を具える。

本発明のもう一つの特徴は、ねじ型接続が、ねじれ強さ、引張能力、接続せん断強さ、及び接続曲げ強さを犠牲にすることなく、細いホールプロファイルを有することである。

本発明の更なる特徴は、ねじ式工具接続継手が：（ａ）ねじのせん断力が、長いねじ長を要することなく、最大で、外側ショルダと内側ショルダにおける力の合計の７０％であるようなトルクに耐える能力を有するねじ型；（ｂ）１．０以下の応力集中計数を維持できるねじ型；（ｃ）取り付けたパイプ本体の曲げ応力の９２％乃至９７％の曲げ応力に耐えるねじ型；（ｄ）ＡＰＩ接続に比べてピンとボックスの臨界断面周りの工具接続継手の慣性モーメントの１３％乃至４１％の低減；及び（ｅ）ＡＰＩ接続と同等の「ターンズツーメークアップ」比を有する接続；を具えることである。

図１は、本発明に係る工具接続継手によって端部と端部を接続した２本のドリルパイプ部分の断面図である。図２は、図１に示す工具継手の拡大した断面図であり、本発明に係る、組み上げたピンとボックス、テーパ付きねじ、及びねじ型を示す。図３は、本発明のねじ式工具接続継手のピンの軸上断面の側部プロファイルを示す図である。図４は、図３のピンのねじ部を拡大して示す図である。図５は、本発明のねじ式工具接続継手のボックスの軸上断面の側部プロファイルを示す図である。図６は、図５のボックスのねじ部を拡大して示す図である。

図１において、上側ドリルパイプ１２は、本発明に係る工具継手１６の手段によって下側ドリルパイプ１４に接続している。ドリルパイプ１２、１４は、ドリルパイプ１２、１４の端部から工具継手１６の端部において、溶接２２、２４用に壁厚が厚い据え込み部１８、２０を有する。接続継手１６の外径２３は、ドリルパイプ１２、１４の外径２５より大きい。ドリルパイプ１２、１４の内径２６は、据え込み部１８、２０の内径２８より大きい。内径２８は、工具継手１６の溶接端部近傍の内径３０とほぼ同じである。工具継手の内径３０は、ピン４０とボックス４２のねじ近傍の工具継手部分の内径３２より大きい。ピン４０とボックス４２は、１フィートあたり７乃至８分の１インチのテーパが付いており、同じセンターライン４１を有する。１フィートあたり１インチより小さいテーパを使用することで、本発明は、大きなピンノーズ径となり、これによって、二次ショルダにおいて大きな接触面積を取ることができる。この結果、この接続部は、互いにねじ込まれるときに、より高い回転／ねじれトルクに耐えることができる。

図２を参照すると、スタブフランク４４とロードフランク４６は、２つの同じ角度からなる角度を形成している。スタブフランク角４８は３３°であり、ロードフランク角５０も３３°である。センターライン５１は、角度４８と５０を分けている。ピンノーズ長５２は、材料の降伏力の８０％がピンノーズにおける圧縮応力になるように用いることで決まる。より正確に言うと、ノーズ長５２は、以下の式で計算される。

ここで、Ｄ_ｔｏｔｍはピンベースとボックスカウンターボア部分の偏差の合計であり、Ａｎは、ノーズの断面積であり、Ｆｎは、ノーズにかかる力であり、ＳＭＹＳは、特定の材料の降伏力である。

両ショルダにかかる力の合計は、ねじせん断力の０．７０倍に等しい。この安全係数１．３によって、Ｌｐｃ（ピン接続長）のせん断を、両方のショルダを足してできた軸方向の力より強くすることができる。ねじせん断力（Ｔｈｄ_ｓｆ）の式は以下のとおりである。

ここで、

であり、ここで、Ｐ．Ｄ．は、ねじピッチ径である。

図３を参照すると、ピン４０はねじ６０を有し、このねじは１インチあたり３つのねじピッチを有する。ピン４０は、主ショルダ（外側ショルダ）６２を有する。主ショルダ６２は、工具継手１６の主組み付け面として機能する。ピン４０は、また、副ショルダ（内側ショルダ）６４を有する。副ショルダ６４は、機械的ストップと共に、追加の表面積を提供する。この追加の表面積により、より大きい接続のねじり強度を提供している。

図４を参照すると、ピン４０のねじ６０は、０．０６３インチの単一のルート半径６６を有する。（より大きな接続サイズには、０．０７０インチや、０．１０５インチといった、より大きなルート半径を使用する。）大きなルート半径６６によって、ねじ６０のルートが、工具継手の臨界断面におけるより大きな曲げ応力に耐えることになり、これによって、金属疲労に対する耐性が増す。大きなルート半径６６も、工具継手１６により優れた引張荷重機能を提供する。ルート半径６６のセンターライン５１は、センターライン４１に直交している。

ねじ６０のねじ山の頂７４は、ピッチ径ライン７２に平行に整列している。ピッチ径ラインは、仮想線であり、ねじの長さに沿って延びており、ねじ山の頂とねじルートとの間でねじを半分に分けている。ねじ山の頂７４の半径を用いて、ねじ型の鋭いコーナーエッジを取り除き、接続を摩耗から防ぐ。

図５を参照すると、ボックス４２はねじ８０を有しており、このねじは１インチあたり３つのねじピッチを有する。ボックス４２は主ショルダ（外側ショルダ）８２を有する。主ショルダ８２は、工具継手１６の主組み付け面として機能する。ボックス４２は、副ショルダ（内側ショルダ）８４も有する。副ショルダ８４は、機械的ストップと共に、追加の表面積を提供する。この追加の表面積により、より大きい接続のねじり強度を提供している。

図６を参照すると、ボックス４２のねじ８０は、０．０６３インチの単一のルート半径６６を有する。（より大きな接続サイズには、０．０７０インチや、０．１０５インチといった、より大きなルート半径を使用する。）大きなルート半径６６によって、ねじ６０のルートが、工具継手の臨界断面におけるより大きな曲げ応力に耐えることになり、これによって、金属疲労に対する耐性が増す。大きなルート半径６６も、工具継手１６により高い引張荷重機能を提供する。ルート半径６６のセンターライン５１は、センターライン４１に直交している。

ねじ８０のねじ山の頂９４は、ピッチ径ライン９２に平行に整列している。ピッチ径ラインは、仮想線であり、ねじの長さに沿って延びており、ねじ山の頂とねじルートとの間でねじを半分に分けている。ねじ山の頂９４の半径を用いて、ねじ型の鋭いコーナーエッジを取り除き、接続を摩耗から守る。

図１を参照すると、ピン４０とボックス４２は、ボックス外側ショルダ８２に対して押圧されたピン外側ショルダ６２によって形成された主シールと、ボックス内側ショルダ８４に対して押圧されたピン内側ショルダ６４によって形成された副シールに接続している。

Claims

ドリルステム用の二重ショルダねじ式工具接続継手（１６）において：
ａ．ピン外側ショルダ（６２）とピン内側ショルダ（６４）との間に形成された外側ねじ（６０）を有するピン（４０）であって、前記内側ショルダ（６４）と前記外側ショルダ（６０）との間にノーズ部（５２）を有するピン（４０）と；
ｂ．ボックス外側ショルダ（８２）とボックス内側ショルダ（８４）との間に形成された内側ねじ（８０）を有するボックス（４２）と；
を具え、
前記ボックス（４２）と前記ピン（４０）が共通のセンターラインと、及び前記ボックス外側ショルダ（８２）に対して押圧されている前記ピン外側ショルダ（６２）によって形成される主シールと、前記ボックス内側ショルダ（８４）に対して押圧されている前記ピン内側ショルダ（６４）によって形成される副シールと接続するように、前記内側ねじ（８０）と前記外側ねじ（６０）が互いに接続して構成されており、前記接続継手（１６）が：
ａ．１フィートあたり０．６６６インチ乃至１フィート当たり１．０インチのテーパねじを有し；
ｂ．約３３°に等しいスタブフランク角と荷重フランク角を有し；
ｃ．円の一部の形状に形成されたルートを有する；
前記外側ねじ（６０）と前記内側ねじ（８０）とによって特徴づけられる：
ことを特徴とする接続継手。
請求項１に記載の接続継手において、前記外側ねじ（６０）と前記内側ねじ（８０）が１フィート当たり約０．８７５インチのテーパねじを有することを特徴とする接続継手。
請求項１に記載の接続継手において、前記ノーズ部分（５２）の長さが、以下の式：

ここで、Ｄ_ｔｏｔｍはピンベースとボックスカウンターボア部分の偏差の合計であり、Ａｎは、ノーズの断面積であり、Ｆｎは、ノーズにかかる力であり、ＳＭＹＳは、特定の材料の降伏力である、
によって計算されることを特徴とする接続継手。
請求項１に記載の接続継手において、ねじせん断力（Ｔｈｄ_ｓｆ）が以下の式：

ここで、

であり、
ここで、ＳＭＹＳは、特定の材料の降伏力であり、Ｐ．Ｄ．は、ねじピッチ径である、
によって計算されることを特徴とする接続継手。
ドリルステム用の二重ショルダねじ式工具接続継手（１６）において：
ａ．ピン外側ショルダ（６２）とピン内側ショルダ（６４）との間に形成された外側ねじ（６０）を有するピン（４０）であって、前記内側ショルダ（６４）と前記外側ショルダ（６０）との間にノーズ部（５２）を有するピン（４０）と；
ｂ．ボックス外側ショルダ（８２）とボックス内側ショルダ（８４）との間に形成された内側ねじ（８０）を有するボックス（４２）と；
を具え、
前記ボックス（４２）と前記ピン（４０）が共通のセンターラインと、及び前記ボックス外側ショルダ（８２）に対して押圧されている前記ピン外側ショルダ（６２）によって形成される主シールと、前記ボックス内側ショルダ（８４）に対して押圧されている前記ピン内側ショルダ（６４）によって形成される副シールと接続するように、前記内側ねじ（８０）と前記外側ねじ（６０）が互いに接続して構成されており、前記接続継手（１６）が：
ａ．１フィートあたり０．７５インチ乃至１フィート当たり０．９５インチのテーパねじを有し；
ｂ．約３３°に等しいスタブフランク角と荷重フランク角を有し；
ｃ．円の一部の形状に形成されたルートを有する；
前記外側ねじ（６０）と前記内側ねじ（８０）とによって特徴づけられる：
ことを特徴とする接続継手。
請求項５に記載の接続継手において、前記外側ねじ（６０）と前記内側ねじ（８０）が１フィート当たり約０．８７５インチのテーパねじを有することを特徴とする接続継手。
請求項５に記載の接続継手において、前記ノーズ部分（５２）の長さが、以下の式：

ここで、Ｄ_ｔｏｔｍはピンベースとボックスカウンターボア部分の偏差の合計であり、Ａｎは、ノーズの断面積であり、Ｆｎは、ノーズにかかる力であり、ＳＭＹＳは、特定の材料の降伏力である、
によって計算されることを特徴とする接続継手。
請求項５に記載の接続継手において、ねじせん断力（Ｔｈｄ_ｓｆ）が以下の式：

ここで、

であり、
ここで、ＳＭＹＳは、特定の材料の降伏力であり、Ｐ．Ｄ．は、ねじピッチ径である、
によって計算されることを特徴とする接続継手。
ドリルステム用の二重ショルダねじ式工具接続継手（１６）において：
ａ．ピン外側ショルダ（６２）とピン内側ショルダ（６４）との間に形成された外側ねじ（６０）を有するピン（４０）であって、前記内側ショルダ（６４）と前記外側ショルダ（６０）との間にノーズ部（５２）を有するピン（４０）と；
ｂ．ボックス外側ショルダ（８２）とボックス内側ショルダ（８４）との間に形成された内側ねじ（８０）を有するボックス（４２）と；
を具え、
前記内側ねじ（８０）と前記外側ねじ（６０）が：
ａ．前記ボックス（４２）と前記ピン（４０）が共通のセンターラインと、及び前記ボックス外側ショルダ（８２）に対して押圧されている前記ピン外側ショルダ（６２）によって形成される主シールと、前記ボックス内側ショルダ（８４）に対して押圧されている前記ピン内側ショルダ（６４）によって形成される副シールと接続するように、互いに接続して構成されており、
ｂ．１フィートあたり０．８７５インチのテーパねじを有し；
ｃ．約３３°に等しいスタブフランク角と荷重フランク角を有し；
ｄ．円の一部の形状に形成されたルートを有し；
前記ノーズ部分（５２）の長さが、以下の式：

ここで、Ｄ_ｔｏｔｍはピンベースとボックスカウンターボア部分の偏差の合計であり、Ａｎは、ノーズの断面積であり、Ｆｎは、ノーズにかかる力であり、ＳＭＹＳは、特定の材料の降伏力である、
によって計算され、
ねじせん断力（Ｔｈｄ_ｓｆ）が以下の式：

ここで、

であり、
ここで、ＳＭＹＳは、特定の材料の降伏力であり、Ｐ．Ｄ．は、ねじピッチ径である、
によって計算されることを特徴とする接続継手。