JP2015515596A - 可撓接続部 - Google Patents

Abstract

二重ショルダネジ山付き工具継手接続部が、ピン外部ショルダとピン内部ショルダとの間に形成される外ネジ山を備え、ピン内部ショルダと外ネジ山との間にノーズ区画を備えるピンと、ボックス外部ショルダとボックス内部ショルダとの間に形成される内ネジ山を備えるボックスとを含み、内ネジ山及び外ネジ山は、ボックス及びピンが共通の中心線を備えて並びにボックス外部ショルダに対して押し付けられるピン外部ショルダによって形成される一次シールを備えて接続されるよう、互いとの接続のために配置され且つ設計される。

Description

（関連出願の参照）
この出願は、２０１２年４月２７日出願の米国仮特許出願第６１／６３９，４４８号からの優先権の利益に基づき且つそれを主張し、その全文をここに参照として援用する。

本発明はネジ山付き工具継手接続部に関する。より具体的には、特定の実施態様において、本発明は多表面荷重フランクを含むネジ山付き工具継手接続部に関する。

貯留層(reservoirs)にアクセスするために高度に偏向した穿孔プログラム及び水平な井戸(well)が広く用いられるようになってきている。これらの偏向した井戸の険しい角度の故に、高い曲げ応力が池の湾曲部分内で回転するドリルパイプ内に誘発される。これらの高い曲げ応力の故に、ドリルパイプ接続部はそれらのネジ山谷底に疲労亀裂を発達させ得る。これらの疲労亀裂はウォッシュアウト(washouts)を引き起こし得るし、破損さえも引き起こし得る。ネジ山形態の谷底半径を増大させる従来的な「Ｖ」ネジ山が接続部のピーク応力の減少を助けることが以前に確証された。殆どのドリルパイプ製造業者は、この方法を適用することによって、接続部疲労亀裂応力の減少に役立つ接続部を今や設計している。

上述の方法によってこれらの新しい接続部を開発するに際して、設計者は、ネジ山形態設計によって大いに影響を受け得る接続部の幾何学的構成の故に、トルクの減少及び／又は接続部の引張能力を妥協しなければならない。一部の場合において、設計者は、より大きな谷底半径をもたらすよう、ネジ山の下を切り取らなければならない。これらのアンダーカットは、トルク及び引張能力における接続部の性能を更に減少させる。

既存市場におけるドリルパイプ接続部の上述の設計現状を考慮に入れて、曲げ応力に対する高レベルの疲労抵抗を達成するのみならず、所与の設計領域においてより高いトルク及び引張要件を達成するためにも、従来的な「Ｖ」ネジ山から発展する幾何学的構成の変化を開発する必要がある。加えて、井戸内の圧力損失を最小限化し且つ井戸からの切屑及び破片の除去を助けるために、細穴プロファイル設計を形成するネジ山接続部を開発することも望ましい。

１つの実施態様において、本発明は、ピン外部ショルダとピン内部ショルダとの間に形成される外ネジ山を備え、ピン内部ショルダとピン外ネジ山との間にノーズ区画を有するピンと、ボックス外部ショルダとボックス内部ショルダとの間に形成される内ネジ山を備えるボックスとを含み、内ネジ山及び外ネジ山は、ボックス及びピンが共通の中心線を備えた状態で並びにボックス外部ショルダに対して押し付けられるピン外部ショルダによって形成される一次シールとボックス内部ショルダに対して押し付けられるピン内部ショルダの間に形成される二次シールとを備えた状態で接続されよう、互いの接続のために配置され且つ設計され、内ネジ山及び外ネジ山は、ネジ山軸から測定される３０°のスタブフランク角を有するスタブフランク(stab flanks)と、ネジ山軸から測定される７０°の第１の荷重フランク角とネジ山軸から測定される１１０°の第２の荷重フランク角とを有する荷重フランク(load flanks)とを含む、二重ショルダネジ山工具継手接続部を提供する。

本発明の機能及び利点は当業者に容易に明らかであろう。当業者は数多くの偏向を行い得るが、そのような偏向は本発明の精神の範囲内にある。

添付の図面と共に行われる以下の記載を参照することによって、本発明及び本発明の利点のより完全で網羅的な理解を得ることができる。

本開示の特定の実施態様に従った内部整合ショルダ内の外部整合ショルダを含むドリルパイプを示す概略図である。 本開示の特定の実施態様に従った２つの継手のネジ山接続部を部分的に示す概略図である。 ここに開示する可撓工具継手接続部の１つの実施態様の属性を幾つかの従来的な工具継手接続部と比較する表である。 本開示の特定の実施態様に従ったネジ山設計を含むドリルパイプを示す概略図である。 本開示の特定の実施態様に従ったネジ山設計を含む２つのドリルパイプを示す概略図である。 本開示の特定の実施態様に従ったネジ山設計を示す概略図である。

本発明はネジ山付き工具継手接続部に関する。より具体的には、特定の実施態様において、本発明は多表面荷重フランクを含むネジ山付き工具継手接続部に関する。

本開示は従来的な「Ｖ」ネジ山から発展させることに向けられ、そして、より大きな谷底表面を可能にし且つ曲げモーメントが工具継手接続部に適用される間に接続部の雄部材及び雌部材をそれらの重要な荷重支持接触領域で係合させられた状態に維持することを可能にする、より「台形」のネジ山形態に進歩させることに向けられている。この設計は、全て細穴幾何学的構成を維持しながら、高い捻り及び引張り能力も包含し、台形のネジ山形態の幾何学的構成の故に高レベルの疲労サイクルに達する。その設計は接続部の重要な設計領域で最小の断面積を維持し得る。ここで議論するネジ山付き接続部は、テーパ上にあり且つ多数の、好ましくは２つの、リード(leads)／条(starts)を有する、ネジ山を有し得る。

ここに開示するネジ山形態及びネジ山付き接続部を使用する幾つかの潜在的な利点があり得る。ここに開示するネジ山形態の多くの潜在的な利点の１つは、それらが多表面接触荷重フランクをもたらし得ることである。特定の実施態様において、ここに開示するネジ山形態を含むネジ山付き工具継手は、ネジ山形態の負の角の故に、連結荷重フランクを有し得る。これは、スタブフランク上の半径と共に、荷重フランクに向かうスタブフランク半径干渉でのプッシュオフ(push-off)の故に、連結部自体への接続を可能にする。

ここに開示するネジ山形態の他の潜在的な利点は、それらが大きな谷底半径をもたらし得ることである。これは、ネジ山形態の負の角、スタブフランクでの２°の角度及び荷重フランクでの２０°の角度に基づき達成され、これはネジ山形態を広げ、それは極めて大きな谷底半径が使用されるのを可能にする。

大きな谷底半径は、ネジ山谷底でそのようなアンダーカットを有さないことによって、接続部の重要な断面積を増大させ得る。特定の実施態様において、ここに開示するネジ山形態は、雌の工具継手の外径及び内径の断面の７０％未満である接続部断面積を可能にし得る。設計のピッチ線からネジ山の谷底までの距離を殆どの「Ｖ」ネジ山に比べてかなり小さく維持することができ、それは接続部外径と内径との間のより多くの金属を可能にする。ここに議論する接続部は厚い接続部を有し得るが、設計の剛性比は減少させられ、接続部を本設計よりも可撓にする。

ここに開示するネジ山形態の他の潜在的な利点は、それらが大きなフランク角をもたらし得ることである。これは垂直軸から負の度を有する荷重フランク角及びスタブフランク角の故に達成可能である。例えば、スタブフランクは、垂直軸から６０°の角度と接続部の垂直軸から２０°の角度を有するスタブフランク角とを有し得る。これは４０°のネジ山の角度をもたらす。

ここに開示するネジ山形態の他の潜在的な利点は、それらが２〜３回転接続をもたらし得ることである。これは二重リードネジ山設計、１インチ当たり多数のネジ山、又は０．７５０〜１．１２５インチに及ぶテーパの組み合わせを有することによって達成され得る。特定の実施態様において、ここに議論するネジ山付き接続部は、２．０９〜３．２２回転に及び得る。

ここに開示するネジ山形態の他の潜在的な利点は、それらがトルク能力の増大をもたらし得ることである。ここに記載するネジ山形態は、接続部に依存して、１０〜１５０％のトルク増大をもたらし得る。台形のネジ山形態は、より多くの荷重及びスタブフランク係合を可能にし、それはトルクのためにより多くの表面積を得ることに役立つ。ひいては、これはトルクに起因する如何なる剪断にも耐えるよう同じ剪断強度を備えるより短い接続部を可能にし、接続部が過酷な曲げモーメント又はドッグレッグ過酷性(dogleg severities)の下で係合させられたままであることも可能にする。

特定の実施態様において、本開示は二重ショルダ工具継手接続部を提供し、接続部は外部整合ショルダ及び内部整合ショルダを有し、これはより高いトルク要求のために追加的な表面積を生成するのに役立つ。図１は、本開示の特定の実施態様に従ったネジ山形態を備える内部整合ショルダ１０３と外部整合ショルダ１０２とを含むドリルパイプ１０１を例示している。

図２は、本開示の特定の実施態様に従った２つの継手のネジ山付き接続部の部分図を例示している。

特定の実施態様において、本開示のネジ山形態は、ネジ山軸から約２０°〜約４０°のスタブフランク角を有する外部又は雄のネジ山形態２０１を含み得る。図２に示すような特定の実施態様において、外部又は雄のネジ山形態２０１は、ネジ山軸から３０°の角度を有するスタブフランクを有し得る。特定の実施態様において、外部又は雄のネジ山形態２０１は、ネジ山軸から約６０°〜約８０°の荷重フランク角を有し得る。図２に示すような特定の実施態様において、外部又は雄のネジ山形態２０１は、ネジ山軸から７０°の角度を有する荷重フランクを有し得る。加えて、特定の実施態様において、荷重フランクは、第１のフランク角の方向と反対ではあるが第１のフランク角と等しい追加的な正のフランク角を有することによって、より多くの表面積を包み込み得る。

特定の実施態様において、本開示のネジ山形態は、ネジ山軸から約２０°〜約４０°のスタブフランクを有する内部又は雌のネジ山形態２０２を含み得る。図２に示すような特定の実施態様において、内部又は雌のネジ山形態２０２は、ネジ山軸から３０°の角度を有するスタブフランクを有し得る。特定の実施態様において、内部又は雌のネジ山形態２０２は、ネジ山軸から約６０°〜約８０°の荷重フランク角を有し得る。図２に示すような特定の実施態様において、内部又は雌のネジ山形態２０２は、ネジ山軸から７０°の角度を有する荷重フランクを有し得る。加えて、特定の実施態様において、荷重フランクは、第１のフランク角の方向と反対であるが第１のフランク角と等しい追加的な正のフランク角を有することによって、より多くの表面積を包み込み得る。

特定の実施態様において、ネジ山形態は、曲げ荷重の故に生じ得る如何なる応力増大をも減少させるよう、全ての隅で補足的な丸み(radii)を有し得る。

図２に示すように、工具継手が組み立てられるとき、ネジ山谷底２０３及びネジ山の頂２０４は係合しない。谷底表面は、ネジ山のピッチ線と平行な小さい平坦領域を依然として有する。ネジ山は、谷底表面を増大させるのに役立つアンダーカット領域を有するが、ネジ山付き接続部からの性能を減少させない。

図３を次に参照すると、図３は、ここに開示する可撓工具継手接続部の１つの実施態様の属性を幾つかの従来的な工具継手接続部と比較する表を例示している。

図４を次に参照すると、図４は、本開示の特定の実施態様に従った外部又は雄のネジ山形態４０３を備える外部整合ショルダ４０２を含むドリルパイプ４０１を例示している。

図５を次に参照すると、図５は、本開示の特定の実施態様に従った外部又は雄のネジ山形態５０２を含むドリルパイプ５０１を例示している。図５は、更に、ドリルパイプ５０３の外表面によって部分的に見えなくされた内部又は雌のネジ山形態５０４を含むドリルパイプ５０３を例示している。

図６を次に参照すると、図６は、本開示の特定の実施態様に従った外部又は雄のネジ山形態６０１を例示している。

ここで議論するネジ山設計を多数の用途において用い得る。例えば、ここで議論するネジ山設計を、ドリルパイプ工具継手接続部、製造ケーシング接続部、穿孔ライザ接続部、製造ライザケーシング接続部、及び拡張可能なケーシング接続部において用い得る。

特定の実施態様において、本開示は、急速立上げ速度と共に、トルク、張力、及び疲労性能における二重ショルダ工具継手接続部の性能の限界を広げるよう設計される改良されたトルク接続部を提供するネジ山の形を備える、二重ショルダドリルパイプ接続部を提供する。特定の実施態様において、多表面接触荷重フランク、台形のネジ山の形、及び二重ショルダ設計は、流線形の幾何学的設計を依然として維持しながら、トルクの増大に達する接続部を可能にする。特定の実施態様において、トルク能力は、ＡＰＩ接続部よりも平均で１０％〜１５０％大きく、同じ寸法の最も独占的な二重ショルダの独占的な接続部よりも１０％〜７１％大きい。

特定の実施態様において、ここで議論するネジ山設計は、重要な断面積を拡張し、追加的な荷重フランク面積をもたらし、且つ他のネジ山設計に対して機械的特性接続部を増大するショルダ接触面積をもたらし得る。特定の実施態様において、ここで議論するネジ山設計は、接続部の性能を更に増大させるよう、１３５ｋｓｉの規定材料降伏強度（ＳＭＹＳ）を活用し得る。特定の実施態様において、ここで議論するネジ山設計は、大きな谷底表面積を可能にすることができ、それは接続部内のピーク応力を減少させ、接続剛性を減少させ、且つ疲労抵抗を増大させる。

特定の実施態様において、ここで議論するネジ山設計は、その推奨立上げトルクまで接続部を立ち上げるのに必要とされる回転の量を減少させるよう、それらの設計内の多数のネジ山の条を活用し得る。設計を通じて立ち上げるこの回転は、接続部の大きさに依存して２．１回転から３．２回転まで異なり得る。

特定の実施態様において、ここで議論するネジ山設計は、接続剛性及びピーク応力を減少させ得る。特定の実施態様において、多数の条、大きいリード、及びネジ山形態の組み合わせは、接続部がより小さい外法寸法及びより大きい内法寸法を保持することを可能にして、従来的な工具継手接続部からの２３％〜５１％からの工具継手及び接続部剛性の減少を生み出す。加えて、ネジ山谷底での大きな半径は、接続部剛性を減少させることに役立ち、曲げ荷重と関連する接続部内のピーク応力を減少させ、よって、長い疲労寿命を可能にする。

特定の実施態様において、ここで議論するネジ山設計は、接続部の摩耗寿命を増大させ得る。接続部は１．２の増大された工具継手／ドリルパイプ捩れ比を有することができ、８０％残留本体壁でパイプ本体捩れ強度と等しいプレミアムＯＤに達する前に、それは接続部にＯＤ（外径）摩耗の有意な削減を可能にする。これは接続部の新しい外法寸法からの１／２〜１インチの外法寸法の摩耗削減であり得る。

特定の実施態様において、ここで議論するネジ山設計は性能のために設計され、トルク能力を増大させ、急速立上げトルクを可能にし、摩耗寿命の増大を可能にし、疲労性能を拡張し、接続部剛性及びピーク応力を減少させ、且つ水力学の改良のためにより大きなＩＤ（内径）を可能にする。

本発明及びその利点を詳述したが、以下の請求項が定めるような本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、様々の変更、置換、及び交替をここにおいて行い得る。

Claims (20)

1. ピン外部ショルダとピン内部ショルダとの間に形成される外ネジ山を備え、前記ピン内部ショルダと前記外ネジ山との間にノーズ区画を備えるピンと、
   ボックス外部ショルダとボックス内部ショルダとの間に形成される内ネジ山を備えるボックスとを含み、
   前記ボックス及び前記ピンが共通の中心線を備えて並びに前記ボックス外部ショルダに対して押し付けられる前記ピン外部ショルダによって形成される一次シールと前記ボックス内部ショルダに対して押し付けられる前記ピン内部ショルダの間に形成される二次シールとを備えて接続されるよう、前記内ネジ山及び前記外ネジ山は、互いとの接続のために配置され且つ設計され、
   前記内ネジ山及び前記外ネジ山は、
   ネジ山軸から測定される２０°〜４０°の間のスタブフランク角を有するスタブフランクと、
   前記ネジ山軸から測定される６０°〜８０°の間の第１の荷重フランク角と前記ネジ山軸から測定される１００°〜１２０°の間の第２の荷重フランク角とを有する荷重フランクとを含む、
   二重ショルダネジ山付き工具継手接続部。
2. 前記内ネジ山及び前記外ネジ山は、前記共通の中心線と平行な谷底表面を更に含む、請求項１に記載の二重ショルダネジ山付き工具継手接続部。
3. 前記スタブフランクは、前記ネジ山軸から測定される３０°のスタブフランク角を有する、請求項１に記載の二重ショルダネジ山付き工具継手接続部。
4. 前記荷重フランクは、前記ネジ山軸から測定される７０°の第１の荷重フランク角と、前記ネジ山軸から測定される１１０°の第２の荷重フランク角とを有する、請求項１に記載の二重ショルダネジ山付き工具継手接続部。
5. 前記内ネジ山及び前記外ネジ山は、アンダーカット領域を更に含む、請求項１に記載の二重ショルダネジ山付き工具継手接続部。
6. 前記内ネジ山及び前記外ネジ山は、係合しないネジ山谷底とネジ山の頂とを更に含む、請求項１に記載の二重ショルダネジ山付き工具継手接続部。
7. 全ての隅に補足的な丸みを更に含む、請求項１に記載の二重ショルダネジ山付き工具継手接続部。
8. 外ネジ山形態を有する外部整合ショルダを含み、
   前記外ネジ山形態は、
   ネジ山軸から測定される２０°〜４０°の間の外部スタブフランク角を有する外部スタブフランクと、
   前記ネジ山軸から測定される６０°〜８０°の間の第１の外部荷重フランク角を有する第１の外部荷重フランクと、
   前記ネジ山軸から測定される１００°〜１２０°の間の第２の外部荷重フランク角度を有する第２の外部荷重フランクとを含む、
   ネジ山付きドリルパイプ。
9. 前記外ネジ山形態は、前記ネジ山軸と平行な谷底表面を更に含む、請求項８に記載のネジ山付きドリルパイプ。
10. 前記外部スタブフランクは、前記ネジ山軸から測定される３０°の外部スタブフランク角を有する、請求項８に記載のネジ山付きドリルパイプ。
11. 前記外部荷重フランクは、前記ネジ山軸から測定される７０°の第１の外部荷重フランク角と、前記ネジ山軸から測定される１１０°の第２の外部荷重フランク角とを有する、請求項８に記載のネジ山付きドリルパイプ。
12. 前記外ネジ山形態は、アンダーカット領域を更に含む、請求項８に記載のネジ山付きドリルパイプ。
13. 全ての隅に補足的な丸みを更に含む、請求項８に記載のネジ山付きドリルパイプ。
14. 内ネジ山形態を有する内部整合ショルダを更に含み、
    前記内ネジ山形態は、
    前記ネジ山軸から測定される２０°〜４０°の間の内部スタブフランク角を有する内部スタブフランクと、
    前記ネジ山軸から測定される６０°〜８０°の間の第１の内部荷重フランク角を有する第１の内部荷重フランクと、
    前記ネジ山軸から測定される１００°〜１２０°の間の第２の内部荷重フランク角を有する第２の内部荷重フランクとを含む、
    請求項８に記載のネジ山付きドリルパイプ。
15. 前記内部スタブフランクは、前記ネジ山軸から測定される３０°の内部スタブフランク角を有する、請求項１４に記載のネジ山付きドリルパイプ。
16. 前記内部荷重フランクは、前記ネジ山軸から測定される７０°の第１の内部荷重フランク角と、前記ネジ山軸から測定される１１０°の第２の内部荷重フランク角とを有する、請求項１４に記載のネジ山付きドリルパイプ。
17. 前記内ネジ山形態及び前記外ネジ山形態は、係合しないネジ山谷底とネジ山の頂とを更に含む、請求項１４に記載のネジ山付きドリルパイプ。
18. ネジ山軸と、
    ネジ山軸から測定される２０°〜４０°の間のスタブフランク角を有するスタブフランクと、
    前記ネジ山軸から測定される６０°〜８０°の間の第１の荷重フランク角を有する第１の荷重フランクと、
    前記ネジ山軸から測定される１００°〜１２０°の間の第２の荷重フランク角を有する第２の荷重フランクと、
    谷底表面とを含み、
    該谷底表面は、当該ネジ山のピッチ線と平行な平坦領域を有する、
    ネジ山形態。
19. アンダーカット領域を更に含む、請求項１８に記載のネジ山形態。
20. 全ての隅に補足的な丸みを更に含む、請求項１８に記載のネジ山形態。

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