JP2746998B2 - 高気密性油井管継手 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高温下（例えば250〜370℃）での気密性を
向上させ得るピン先端部（金属密封部）を備えた油井管
継手に係る。

［従来の技術］ 地中1000〜10000mにも達する油井、ガス井に使用され
るケーシング、チュービング継手では、管内を流動する
油あるいはガスを完全に密封する必要がある。近年、掘
削環境の過酷化に伴い、特に気密性に対する信頼性の点
から、金属密封部を有する特殊ネジ継手の需要が急速に
高まってきた。一方、原油の回収効率向上を目的にケー
シング内に高温の飽和蒸気（280〜370℃）を封入する、
いわゆるスチームインジェクションウェルの開発が盛ん
になってきており、係る特殊な井戸にもシール性の観点
から金属密封部を有する特殊ネジ継手が使用される傾向
にある。

第１図に金属密封部を有する特殊ネジ継手の例を示
す。従来、特殊ネジ継手は第１図に示す如く、雄ネジす
なわちピン先端に刻設された金属密封部と、それぞれに
対応する雄ネジすなわちボックスからなり、ピン、ボッ
クスのそれぞれの金属密封部の加工公差を適正に設計す
ることにより、継手螺合時に金属密封部が締りばめ状態
になる。係る状態で金属接触面には第２図に示すような
面圧を生じ、この面圧が管内ガスをシールする、より大
きな面圧を生じさせるようになっており、より確実な気
密性を得るためには、より緊密な締りばめ状態に設計す
る必要がある。

しかし、前述のスチームインジェクションウェルにお
いては、ピン側金属密封部の応力状態が弾性域であって
も、300℃以上の高温にさらされると、応力弛緩（リラ
クゼーション）が顕著に起り、時間経過とともに面圧は
減少し、ついにはガス圧に耐えられず、気密性が破られ
る場合があることが研究の結果判明した。

従って、前述の如く特にスチームインジェクションウ
ェルに使用される油井管継手で金属密封部のシール性を
維持するためには、金属密封部のリラクゼーションを最
小化し、十分な面圧を維持する必要がある。

従来かかる目的のためには、例えば鋼管の材質を変え
てリラクゼーションを小さくする方法（特開昭62−2537
30号等）や、継手部の材質のみを変更する方法（特開昭
62−151692号等）の適用も考えられるが、前記目的のた
めには極めて大きな製造コストとなる。従って、一般的
には金属密封部の締りばめ代であるシール干渉代（径）
を大きくする設計がなされている。

然し、後者の方法もピン側金属密封部の相当応力も大
きくなるため、高温下でのリラクゼーション速度が加速
され、時間経過とともにシール面圧も急速に減少する不
利があることを確認している。

なお、金属密封部に予め残留応力を付与する継手とし
て特開昭60−26877号があるが、後述するように本発明
とは目的が異なるとともに、応力が圧縮であり全く本発
明とは逆である。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、前述の高温下での応力弛緩に伴う面圧減少
についての知見に基づいて、スチームインジェクション
ウェル等の高温環境での使用に際しても、金属密封部の
面圧減少を最小限に抑え、高い気密性を維持することが
可能な管継手を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するための本発明の管継手は、内面に
雌ネジをもつボックスと、外面に雄ネジをもち且つ先端
のネジなし部に形成した金属密封部をもつピンよりなる
ネジ継手において、前記ピン側ネジなし先端部に、あら
かじめ周方向引張残留応力を付与したことを特徴とす
る。

以下本発明を図面に示す一実施例に基づいて具体的に
説明する。

まず第１図は、本発明によるネジ継手であり、ボック
ス１とピン２からなり、３は事実上のシールを行う金属
密封部であり、５は適正嵌合量を制御する肩部であり、
４はボックス１とピン２を結合するネジ部である。な
お、６は金属密封部を形成するピンノーズ部である。

第３図は、シール干渉代を設ける従来形状の試験結果
であり、350℃での加熱時間と残留応力の関係、即ち残
留シール干渉代の経時的変化を示している。これから判
るように、常温でより大きなシール干渉代があっても、
時間経過とともに干渉代は減少し、ついには小さい干渉
代の継手の減少挙動と同じになる。このようなシール干
渉代減少挙動は、材料の材質にも依存するが、一般に25
0℃以上で起き始め、300℃以上で顕著となる。

従って、250℃以上の使用に際しては、従来の干渉代
を増加させる設計は、金属密封部の接触面圧を高位に維
持するには効果的ではない。高温下でかかるシール干渉
代が減少するメカニズムとして、シール干渉代によって
生じるピンノーズ部６の最大主応力である圧縮周方向応
力が、リラクゼーションにより減少することに起因す
る。かかるリラクゼーションは、シール面圧の低下を導
く。

このように、継手嵌合時のシール干渉代を増加させ、
初期面圧を保っても周方向最大主応力の増加を位置し、
リラクゼーション速度も増加することとなり、結局高い
面圧を維持できないのである。

そこで本発明は、メークアップ時の前記周方向圧縮応
力に対抗して、予め雄ネジ加工後のピンノーズ部６に周
方向引張残留応力を付与しておくことに想到したのであ
る。

即ち、継手嵌合前にかかる応力を付与しておくと、従
来継手と同じ初期面圧を発生させた場合でも、ピンノー
ズ部６の残留引張応力は、シール干渉代によって生じる
周方向圧縮応力によって相殺されるため、リラクゼーシ
ョン速度は鈍化することとなり、高温下でも高いシール
面圧を維持できる。

この事前の周方向引張残留応力は、前記目的からいっ
て継手嵌合時の締めつけによって発生する周方向圧縮応
力を考慮して決定することが必要であり、これらは、例
えば、雄ネジ加工前の管端を、冷間状態で縮径加工する
ことで容易に確保できる。

［実施例］ 第４図は、外径178mmの油井管継手で、従来継手で同
じ周方向引張残留応力（20kg/mm²）を付与し、且つ350
℃、24時間加熱時及び300℃、24時間加熱時の有効シー
ル干渉代の比較である。

これより、本発明による継手は、350℃で約25％のシ
ール干渉代の損失を防止できることが確認された。第６
図には、その時の嵌合前のネジ部と周方向引張残留応力
との関係が示してある。

［発明の効果］ 第５図は、有限要素法によって求めた従来継手と本発
明継手（20kg/mm²の周方向引張残留応力）の面圧挙動の
比較である。スチームインジェクションウェルでは、長
期にわたり使用できるため、本発明の継手が従来継手に
比較して、極めて高い気密性を維持できることが確認さ
れた。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般の継手構造を示し、第２図は継手嵌合時の
接触面圧の発生状態を説明する図、第３図は従来継手構
造における加熱時間と残留干渉代との関係を示すグラフ
である。第４図は、本発明継手と従来継手における加熱
温度と残留干渉代との関係を示すグラフ、第５図は本発
明継手と従来継手における接触面圧の経時的変化を示す
図、第６図は、嵌合前の管端における周方向引張残留応
力の状況を示すグラフである。 １……ボックス、２……ピン、３……金属密封部、４…
…ネジ部、５……肩部、６……ピンノーズ部

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内面に雌ネジをもつボックスと、外面に雄
   ネジをもち且つ先端のネジなし部に形成した金属密封部
   をもつピンよりなるネジ継手において、前記ピン側ネジ
   なし先端部に、あらかじめ周方向引張残留応力を付与し
   たことを特徴とする高気密性油井管継手。