JP4762313B2 - 拡張可能な接続部の中間シール - Google Patents

Description

本発明は、拡張可能な管接続部の中間シールに関する。

ケーシング・ジョイント、ライナー、および他の油田の管類は、油井の掘削、仕上げ、および形成のためにしばしば使用されている。例えば、ケーシング・ジョイントを掘削穴に配置し、地層を安定化させ、地層を損傷させ得る高い掘削穴の圧力（例えば、地層の圧力を超える掘削穴の圧力）に対して地層を保護することができる。ケーシング・ジョイントは、鋼管の一部分であり、ねじ接続、溶接接続、およびこの技術分野において公知の他の接続によって、端と端とを接続する様式で接続することができる。接続は、通常は、接続後のケーシング・ジョイントの内側と、ケーシング・ジョイントの外壁と掘削穴の壁との間に形成される環状の空間との間に、シールが形成されるように設計されている。シールは、例えば、弾性シール（例えば、Ｏリング・シール）、ねじシール、接続部に隣接して形成される金属同士のシール、またはこの技術分野において公知の同様のシールであってよい。

図１において、中間位置に金属同士のシールを有する接続部が示されている。このような接続部は、Noelらの特許文献１の実施形態として開示されている。この特許文献は、ここでの言及によってその全体が本明細書に取り入れられたものとする。接続部は、それぞれが単一のテーパねじ（それぞれ、１８および１９）を備えているピン部材（pin member）１０１およびボックス部材（box member）１０２を含んでいる。ピンねじ（pin thread）１８およびボックスねじ（box thread）１９は、中間位置で中断され、対応してシール面を形成し、両者の間に充分な接触圧が存在するときに金属同士のシール２０を形成する。図１に示した金属同士のシール２０は、ピン部材またはボックス部材の端部に位置する他の種類の金属同士のシールとは対照的に、中間位置に位置するがゆえに「中間シール」(mid-seal)と一般に称されている。金属同士のシール２０を形成するための所望の接触圧が存在するように保証するため、ピン部材１０１のピン先端２３およびボックス部材１０２のショルダー部２２によって、確実なストッパ(positive stop)がもたらされている。

ねじシールを形成するために広く使用されているねじの一つのタイプは、くさび状ねじ（wedge thread）である。図２に、くさび状ねじを有する接続部が示されている。「くさび状ねじ」は、ねじ山の特定の形態に関係なく、幅[すなわち、ロード・フランク（load
flank）２２５、２２６とスタブ・フランク（stab flank）２３２、２３１との間の軸方向の距離]がピン部材１０１およびボックス部材１０２において反対方向に増加するねじ山を特徴とする。接続部におけるねじの幅の変化の割合が、「くさび比」として広く知られる変数によって表わされる。本明細書において使用されるとき、「くさび比」は、技術的には「比」ではないけれども、接続部においてねじの幅の変化を生じさせるスタブ・フランク・リードとロード・フランク・リードとの間の差を指す。くさび比についての詳細な検討が、Mallisに与えられ、本発明の譲受人に譲渡された特許文献２に提示されている。この特許文献は、ここでの言及によってその全体が本明細書に取り入れられたものとする。

いずれも本発明の譲受人に譲渡された、ここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとされるBloseの特許文献３、Reevesの特許文献４、Ortloffの特許文献５、およびMottの特許文献６には、くさび状ねじが広く開示されている。さらに図２を参照すると、ピン部材１０１において、ピンねじの頂部２２２がピン部材１０１の遠位端に向かって狭くなる一方で、ボックスねじの頂部２９１は広くなっている。軸１０５に沿って（右方から左方へと）移動すると、ピンねじの頂点２２２が広くなる一方で、ボックスねじの頂部２９１は狭くなる。図１において、ねじ表面がテーパ状であり、すなわちピンねじ１０１の直径が、始点から終点へと増加する一方で、ボックスねじ１０２の直径は、相補的様式で減少する。ねじをテーパ状にすることで、ピン部材１０１をボックス部材１０２へと差し込む能力が向上し、接続部において応力が分散される。

通常、ねじシールは、広い頂部と谷底を有する非くさび状のねじにおいては実現が困難であるが、同じねじ山の形態が、くさび状ねじに使用される場合には、ねじシールをすることができる。くさび状ねじは、特定のねじ山の形態を有さない。適切なねじ山の形態の一例は、Klementichに発行され、ここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとされる特許文献７に開示のセミダブテールのねじ形態である。他のねじ形態として、Churchに与えられ、ここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとされる特許文献８に開示されているような多面(multi-faceted)のロード・フランクまたはスタブ・フランクが挙げられる。上記のねじの形態のそれぞれを、対応するロード・フランクおよび／または対応するスタブ・フランクの少なくとも一部分が軸方向に重なり合うという意味で、「トラップ式」のねじ形態であると考えることができる。おおむね矩形の形状を有する、開いた（すなわち、トラップ式でない）ねじ形態が、Wattsの特許文献９に開示されている。上記のねじ形態は、本発明の実施形態において使用することができるねじ形態の例である。一般に、バットレス（buttress）またはスタブアクメ(stub acme)などの開いたねじ形態は、ボックス部材に大きな半径方向の力を作用させるため、くさび状ねじには適していない。特許文献９に開示されているようなおおむね矩形のねじ形態、またはトラップ式のねじ形態は、ボックス部材に半径方向外向きの力を付与しない。当業者であれば、本明細書に含まれる開示が特定のねじ形態に限られないことを理解できるであろう。

くさび状ねじにおいては、接続がなされるときに生じる、ピン・ロード・フランク２２６とボックス・ロード・フランク２２５との間およびピン・スタブ・フランク２３２とボックス・スタブ・フランク２３１との間の接続の少なくとも１部分において、干渉によって引き起こされる接触圧によって、ねじシールが達成される。谷底２９２、２２１と頂部２２２、２９１との間の密な近接または干渉（close proximity or interference）が、少なくともフランクの干渉が生じる部位において生じるときにねじシールが完成する。一般に、ピン部材１０１およびボックス部材１０２の谷底と頂部との間の干渉（「谷底／頂部・干渉」）を増大させることによって、さらにはフランクの干渉を増大させることによって、より大きな圧力を閉じ込めることができる。さらに、この特定の接続は、ピン部材１０１およびボックス部材１０２にそれぞれ位置する対応するシール面１０３および１０４の間の接触圧によって達成される金属同士のシールを含んでいる。

くさび状ねじは、典型的には、接続部にポジテイブ・ストップ・トルク・ショルダー（positive stop torque shoulder）を有していない。ポジテイブ・ストップ・トルク・ショルダーを有していないくさび状ねじにおいては、メイクアップが不確定であり、結果としてピン部材およびボックス部材の相対位置が、ポジテイブ・ストップ・トルク・ショルダーを有している接続部に比べ、加えられる所定のトルク範囲において、メイクアップの際により大きくばらつく。本明細書において使用されるとき、「メイクアップ」とは、ピン部材およびボックス部材を一体にねじ込むことを指す。「所定のメイクアップ」とは、ピン部材およびボックス部材を、所望の大きさのトルクで、あるいはピン部材のボックス部材との相対位置（軸方向または円周方向）にもとづいて、一体にねじ込むことを指す。所定のメイクアップにおいてフランクの干渉および谷底／頂部の干渉の両方を有するように設計されたくさび状ねじにおいては、接続がメイクアップされるにつれてフランクの干渉および谷底／頂部の干渉の両方が増加する（すなわち、トルクの増大が、フランクの干渉および谷底／頂部の干渉を増加させる）。谷底／頂部にすき間(clearance)を有するように設計されたくさび状ねじにおいては、接続がメイクアップされるにつれてすき間が減少する。くさび状ねじの設計に関係なく、対応するフランクならびに対応する谷底および頂部が、メイクアップの際に互いに接近する（すなわち、すき間が減少し、あるいは干渉が大きくなる）。確定的でないメイクアップにおいては、接続部へのメイクアップ・トルクを増加させることによって、フランクの干渉および谷底／頂部の干渉を大きくすることが可能である。すなわち、接続部をより大きなフランクの干渉および／または谷底／頂部の干渉を有するように設計することによって、あるいは接続におけるメイクアップ・トルクを大きくすることによって、くさび状ねじは、気体および／または液体のより高い圧力をねじシール可能にすることができるが、これは、メイクアップの際の接続部への応力をも増加させ、使用時の破損につながる可能性がある。

いくつかの油井建設作業においては、掘削された（「開いた」）穴またはケーシングが入れられた掘削穴の内側において、ねじ接続されたパイプまたはケーシング・ジョイントを半径方向に塑性的に広げることが好都合である。本明細書において使用されるとき、パイプを半径方向に塑性的に広げるとは、パイプまたはケーシングの内径の恒久的な拡大または増加を意味している。ケーシングが入れられた掘削穴において、半径方向に拡大可能なケーシングを、例えば古いケーシングのバースト・レーティング（burst rating）を増加させて穴の早期放棄を防止するために、摩耗または損傷したケーシングを補強するために使用することができる。掘削穴の開放穴の部分において、半径方向に拡大可能なケーシングを使用することで、所望の最終のケーシング導入後の穴の直径のために必要とされる掘削穴の直径を小さくすることができ、さらにはケーシングを掘削穴に固定するために必要とされるセメントの必要量を少なくすることができる。

掘削穴の内側に配置された一続きのケーシングまたは管（a string of casing or tubing）を、初期状態（例えば、初期の直径）から拡径状態（例えば、より大きい直径を有している）へと半径方向に塑性的に広げるために、典型的には、拡径工具が使用される。図３に示されている１つの一般的な従来技術の拡径プロセスは、掘削穴内のケーシングを拡大するために、円錐状に先細りである冷間成形拡径工具[一般に、「ピグ」（pig）と称される]を使用する。拡径工具は、通常は、掘削穴内へと延びるケーシング列の下端へと取り付けられる、ベル形部材であるピグ発射装置（pig launcher）の内側にシールされる。ピグ発射装置は、通常は、掘削穴にすでに設置された親ケーシングを通過しなければならないため、親ケーシングの「ドリフト直径」よりも小さい外径を有している。本明細書において使用されるとき、「ドリフト直径」は、油井に配置されたケーシングまたは管の列を通過することができる最大の外径である。通常は、ドリフト直径は、掘削穴が完璧には真っ直ぐでないため、あるいはケーシングまたは管の偏心または損傷のため、ケーシングまたは管の内径よりもいくらか小さい。このため、正確にケーシングまたは管の内径を有する工具は、ケーシングまたは管を通って自由に移動することが不可能であると考えられる。

ケーシング列(a casing string)は、通常は、ケーシング列をケーシング・ハンガーから吊り下げることによって、穴内の所定の位置に設定される。次いで、掘削パイプまたは管の作業ストリング（working string）が、掘削穴へと進められ、拡径工具に取り付けられる（例えば、作業ストリングが、通常は先導マンドレルに取り付けられる）。掘削パイプを接続した後、ケーシング列の重量は、拡径工具によって支持される。次いで、掘削パイプが、ケーシング列を掘削穴内の所定の位置へとさらに下げるために使用される。拡径工具は、通常は５度〜４５度の間のテーパ角を有する先細りの部位を含んでいる。拡径工具は、通常は、自身の長手軸を中心にして対称である。また、拡径工具は、ケーシング列（図示されていない）の所望の拡径後内径に相当する直径を有する円柱形の部位を備えており、この円柱形の部位に先細りの部位が続いている。さらに、拡径工具は、セメントおよび加圧流体（例えば、掘削液）を作業ストリングおよび拡径工具を通って掘削穴へと送り込むことができるよう、自身を貫く軸穴を有することができる。

セメントが、掘削パイプを通り、ピグのセメント・ポートから送り出される。セメントが、拡径対象のケーシング列（以下では、「拡径可能ケーシング列」）の外側と掘削穴の内側との間を流れる。所定の量のセメントが送られた後で、セメント・ポートが、典型的にはセメント・ポートに着座するように設計されたダーツ（dart）によって封じられる。ダーツは、通常は、掘削パイプを通って掘削液と一緒に送られる。掘削液を送り続けることで、ピグ発射装置が加圧され、作業ストリングに作用する上方への持ち上げ力との組み合わせにおいて、拡径工具３０１を前方へと（すなわち、表面に向かって上方へと）押し進める。拡径工具３０１が前進するときに、拡径可能ケーシング列が、所望の拡張された径へと半径方向外側に広げられる。拡径は、拡径可能ケーシング列の全体が拡径されるまで続けられる。多くの場合、拡径可能ケーシング列は、拡径後に親ケーシングの内側に残るケーシングの長さを含んでいる。このケーシングの余分な長さを、拡径後のケーシング列のためのライナー・ハンガー(liner hanger)として機能し、親ケーシングと拡張後のケーシング列との間を封じるように設計することができる。

拡径工具３０１は、工具の設計および用途に応じて、拡径可能ケーシング列の下部または上部から始められる。半径方向の拡大を、例えば毎分２５〜６０フィートの速度で実行することができる。局所的な静水圧のもとでの拡張、すなわち「ハイドロフォーミング」など、他の拡径プロセスもこの技術分野において知られているが、一般には、冷間成形拡径プロセスほどには使用されていない。ケーシングの冷間成形のために、他の拡径工具も存在する。冷間成形拡径プロセスにおいて使用するためのさまざまな工具が存在している。

種々の拡径方法、とくには先細りの拡径工具による方法が、拡径可能ケーシング列においてきわめて良好に機能することが明らかになっているが、メイクアップ済みのねじ接続部の拡径は、構造的なシールの問題を引き起こす可能性がある。半径方向の塑性的な拡大を受けたねじ接続部は、非一様な軸方向の延びを呈する傾向を有し、拡径後に残る残留のフープ応力に対して異なって反応する傾向を有する。具体的には、ピン部材およびボックス部材が、半径方向の拡大の際に異なって変形する。ボックス部材が、通常は、半径方向の拡大の際に、金属同士のシールのためのシール面など、メイクアップにおける高い接触応力の位置において、ピン部材から離れるように移動する。これは、部分的には、ボックス部材とピン部材とのメイクアップから存在する接続部の残留応力の塑性的な拡大の際の緩和のためである。この異なる変位現象が、軸方向に係合したシールの予荷重(preload)の喪失につながる可能性があり、塑性的に半径方向に拡大されるケーシングおよび管について、従来からの金属同士のシール（例えば、肩シールおよび中間シールなど）の使用を困難にしている。

拡径可能なケーシング用途のための、より上手くいくねじの１つは、くさび状ねじである。くさび状ねじが拡径可能なケーシングの用途に適する１つの理由は、それらが半径方向のトルク・ショルダー（すなわち、ポジテイブ・ストップ）に対してメイクアップされなくてもよく、典型的には、ねじのロード・フランクおよびスタブ・フランクのほぼ同時の接触によってメイクアップされる点にある。拡径のプロセスにおいて、接続部における軸方向の応力が、ショルダー部における圧縮応力がケーシング材料の圧縮降伏強度を超える場合に、半径方向のトルク・ショルダーを機能させなくすることがしばしばである。くさび状ねじの利点は、使用されるねじの形態とは別個独立である。くさび状ねじにおいてダブテール状または他の閉じたねじ形態が使用される場合、くさび状ねじは、ピン接続部をボックス接続部から分離させようとする傾向にある拡径時および拡径後の半径方向の力にも抵抗する。くさび状ねじにおいて、開いたねじの形態も使用することが可能である。

米国特許第6,543,816号公報 米国特許第6,206,436号公報 米国再発行特許第30,647号公報 米国再発行特許第34,467号公報 米国特許第4,703,954号公報 米国特許第5,454,605号公報 米国特許第5,360,239号公報 米国特許第6,722,706号公報 米国特許第6,578,880号公報

拡径可能な用途において、くさび状ねじがある程度の成功をしたにもかかわらず、半径方向拡大後の接続部のシールの信頼性を向上させることが、依然として必要とされている。半径方向に拡大されるという目的のために接続部のシールの配置構成を設計することで、従来技術のシールの構成配置を置き換え、あるいは冗長のシールの配置構成を設けることによって、より信頼できるシールを提供することができると考えられる。

本発明の第１の構成は、ピン部材とボックス部材とを含んでいる拡張可能な管の接続部に関する。ピン部材が、小ステップおよび大ステップに形成されたピンねじと、小ステップと大ステップとの間に形成された第１シール面とを有している。ボックス部材は、小ステップおよび大ステップに形成されたボックスねじと、小ステップと大ステップとの間に形成された第２シール面とを有している。ピンねじおよびボックスねじは、くさび状ねじである。ピン部材とボックス部材との所定のメイクアップにおいて、第１シール面と第２シール面との間に所定のすき間が存在している。このすき間は、所定の量だけ塑性的に拡径された場合に、第１シール面の少なくとも一部分と第２シール面との間にシールが形成されるように選択され、ピン部材とボックス部材との所定のメイクアップにおいてピンねじの頂部とボックスねじの谷底との間にはすき間が存在し、前記ピンねじの頂部と前記ボックスねじの谷底との間のすき間は、拡張可能な管状接続部の塑性的な拡径において所望の締まりばめが形成されるように構成されている。

本発明の第２の構成は、拡張可能な管の接続部を設計するための方法に関する。この方法は、くさび状ねじが形成された小ステップおよび大ステップをそれぞれが有しているピン部材およびボックス部材を選択するステップを含んでいる。さらにこの方法は、ピン部材の小ステップと大ステップとの間に形成される第１シール面を選択し、ボックス部材の小ステップと大ステップとの間に形成される第２シール面を選択するステップを含んでおり、ここで第１シール面および第２シール面は、所定の接触圧にてシールを形成するように構成されている。前記拡張可能な管の接続部について、拡径の量が選択される。さらにこの方法は、前記選択した拡径の量に少なくとも部分的に基づいて、所定のメイクアップにおける第１シール面と第２シール面との間のすき間を選択するステップを含んでおり、ここですき間は、前記拡張可能な管の接続部の拡径の後で、第１シール面と第２シール面との間に少なくとも前記所定の接触圧が存在するように選択され、拡径の選択された量に少なくとも部分的にもとづき、所定のメイクアップにおけるピンねじの頂部とボックスねじの谷底との間のすき間を選ぶにあたり、ピンネジの頂部とボックスねじの谷底との間のすき間が、拡張可能な管状接続部の塑性的な拡径により所望の締まりばめが形成されるように構成されている。

本発明の他の構成および利点は、以下の説明および特許請求の範囲の記載から明らかになるであろう。

第１の構成の本発明は、半径方向の拡大を受けた後にシールをもたらすシール構成を有する接続部を提供する。さらに具体的には、本発明の実施形態において、接続部が半径方向に拡大された後に対応するシール面の間にシールを形成するための所望の最小限の接触圧が存在するよう、所定のメイクアップにおいて間に所定のすき間を有する対応するシール面が提供される。

上述のように、メイクアップからもたらされる接続部の残留応力の多くが、半径方向の拡大の際に、ボックス部材の一部分がピン部材から離れるように移動することによって緩和される。この移動は、残留応力が最大である場所で大きくなる。残留応力の１つの発生源は、金属同士のシールの対応するシール面の間の接触圧である。金属同士のシールによってシールすることができる最大の圧力は、対応するシール面の間の接触圧に関係する。残念なことに、シールの信頼性については、残留応力の緩和が、対応するシール面がお互いから離れるように移動する形でもたらされ、接触圧が減少し、あるいは接触圧がなくなり、シールの能力が失われる結果となる。結果として、半径方向の拡大の後に金属同士のシールを有するという目標は、接続がメイクアップされるときに金属同士のシールを有するという目標と矛盾する。

ボックス部材の非支持の部分（すなわち、ピン部材に接触していない部分）は、半径方向の拡大の際に、高い接触応力の領域の挙動とは反対の挙動を有する。ボックス部材の非支持の部分が、支持されている部分に対してどのように広がるのかを、図８Ａおよび８Ｂが示している。図８Ａにおいて、内側の円管８０１（ピン部材を表わしている）が外側の円管８０２（ボックス部材を表わしている）内に配置されている。外側円管８０２の全体が半径方向に広がるが、非支持の部位８１０は、内側円管８０１および外側円管８０２において隣に位置している支持されている部位８２０および８３０と比べ、あまり広がらない。これは、内側管８０１が、半径方向の拡大の際に外側管８０２の非支持の部位８１０を半径方向外側へと押すことがないために生じる。代わりに、外側管８０２の非支持の部位８１０は、外側管において隣に位置している支持されている部位８２０および８３０が内側から半径方向に広げられる内側管８０１によって半径方向外側へと押されるため、これらの部位８２０および８３０によって半径方向外側に引張られ、結果としてボックス部材の非支持の部位８１０が、図８Ｂに示されているように支持されている部位８２０および８３０に対して「垂れ」下がる。結果として、それまでは内側管８０１に接していなかった外側管８０２の非支持の部位８１０が、半径方向の拡大の際に内側管８０１に接触することができる。充分な接触圧で内側管８０１に接触すると、外側管８０２の非支持の部位８１０は、内側管８０１とほぼ同じ速度でさらなる半径方向の拡大を続ける。

本発明の発明者らは、ねじによる管の接続部（以下では、「接続部」）において金属同士のシールを形成するために、支持される部位と非支持の部位との間の拡径の差を使用することを提案する。これを達成するために、２つの対応するシール面（一方はピン部材に位置し、他方はボックス部材に位置する）の間のすき間が、接続部の拡径の際に対応するシール面の間に接触が生じるように選択される。接触は、拡径の際に、拡径の完了後に対応するシール面の間に金属同士のシールをもたらすための所望の接触圧が存在するように生じる。所望の接触圧は、接続部においてシールされる必要がある予想の圧力にもとづいて決定できる。くさび状ねじを使用し、対応するシール面を中間位置に配置することによって、金属同士のシール（以下では、「中間シール」）をさまざまな拡径量および拡径技法に合わせて設計することができる。本明細書において、「中間位置」とは、ピン部材またはボックス部材に関して使用されるとき、接続部のねじ部分を両側に有する位置を指す。

図４Ａに、本発明の実施形態による接続部が示されている。接続部は、ピン部材１０１とボックス部材１０２を含む。ピン部材は、それぞれボックス部材１０２のねじ部１３２Ａおよび１３２Ｂにメイクアップする２つのねじ部１３１Ａおよび１３１Ｂを含んでいる。ねじ部は、好ましくは、くさび状ねじであり、これは、接続部にピン部材１０１とボックス部材１０２とのメイクアップのためのポジテイブ・ストップ・トルク・ショルダーを持たせなくてもよい。この特定の実施形態においては、それぞれの部材のねじ部が、中間シール１２０（図４Ｂに詳細に示されている）を形成するための中断部を有して、単一のテーパ上に形成されている。ねじ部の中断部のために、２ステップの接続部のための用語と同じ用語が、本発明の実施形態を説明する目的で使用される。「小ステップ」は、より小さい直径を有するねじ部を指し、「大ステップ」は、より大きな直径を有するねじ部を指す。本明細書において使用されるとき、「単一のテーパ」とは、小ステップおよび大ステップが同じ円錐面に位置する（すなわち、断面として見たときに実質的に同一直線状にある）ことを意味する。小ステップおよび大ステップは、おおよそねじの高さ未満だけわずかにずら（offset）されていてもよく（ずれの範囲が、図１０のねじ部１３１Ｂの上方および下方に破線で示されている）、あるいはテーパの角度がわずかに異なっていてもよく、これでも依然として、本発明を説明するために使用されるときの「単一のテーパ」の範疇である。テーパは、典型的にはそれぞれのねじピッチの谷底において測定されるが、接続部の任意の位置において測定してもよいことを、当業者であれば理解できるであろう。単一のテーパは、全体としてより薄い接続部が望まれる場合に好都合である。ねじ部１３１Ａ、１３２Ａおよび１３１Ｂ、１３２Ｂの長さがほぼ等しいが、これらの長さは、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、さまざまであってよい。

図４Ｂおよび４Ｃに目を向けると、本発明の一実施形態による図４Ａの中間シール１２０の詳細図が示されている。図４Ｂは、中間シール１２０を、拡径前の所定のメイクアップについて示している。所定のメイクアップにおいて、ピン部材１０１およびボックス部材１０２のそれぞれの対応するシール面１２１および１２２の間に、所定のすき間がもたらされている。この所定のすき間ゆえ、拡径されるまでは、中間シール１２０がシールとして機能することがない。この特定の実施形態においては、対応するシール面１２１および１２２が、円錐台形状であって、接続部の中心軸に対してほぼ同じ角度を有している。他の実施形態においては、対応するシール面１２１および１２２が、異なる角度を有してもよい。一般に、とくに単一テーパの実施形態においては、角度が接続部のテーパ角の約１０度の範囲内にあることが好ましい。拡径の後に、図４Ｃに示されているように所定のすき間は消え、所定の接触圧が、対応するシール面１２１および１２２の間に存在し、拡径後の接続部において圧力をシールすることができる中間シール１２０をもたらしている。

対応するシール面間のすき間の選択における目標は、接続部の拡径の完了後に所望の接触圧を達成することにある。大きすぎるすき間を選択すると、対応するシール面間の接触圧が不充分になり、中間シールによってシールすることができる圧力が、限定的になってしまう。小さすぎるすき間を選択すると、対応するシール面間の接触が早期に生じすぎ、その後の接続部の拡径によって、対応するシール面間の接触圧が、あたかも所定のメイクアップの時点で接触圧が存在していたかのように、応力が緩和される点まで増加してしまう。すき間は、対応するシール面の間の接触が、対応するシール面の間に所望の大きさの接触圧を立ち上げるための充分な拡径が残っている段階で生じるように選択されなければならない。

選択されるすき間について、最適な大きさは、接続部のいくつかの特性ならびに拡径量および拡径方法によって決まる。ボックス部材における２つのねじ部の間の非支持の部位（ここに、シール面が形成される）の肉厚および軸方向長さが、非支持の部位の可撓性を決定する。薄い壁および長い軸方向長さは、非支持の部位をボックス部材のねじ部（すなわち、支持される部位）に対して垂れさせる。可撓性が大きいと言うことは、より大きなすき間を選択する必要があることを意味する。非支持の部位の軸方向長さについては、接続部そのものに起因する制約が存在する。接続部が２ステップである場合には、接続部の全体の軸方向長さに関する制約を除き、軸方向の長さを所望のとおりに選択することができる。しかしながら、単一テーパにおいては、より制約が多い。なぜならば、単一テーパの場合には、シール面の軸方向長さが大きくなると、ボックス部材の外径の増加またはピン部材の内径の減少によって接続部の全体としての厚さが大きくなってしまうからである。掘削穴の直径の制約が、接続部の厚さをさらにより限られたものにする。当然ながら、接続部の厚さの増加は、テーパの角度に依存して決まる。

中間シール領域の可撓性を、隣接するねじ山の１つ以上を「クリップ」することによっても増すことができる。本明細書において使用されるとき、ねじ山を「クリップ」するとは、ねじ山をそのねじ山が属するねじ部の残りのねじ山に比べて短くすることを意味する。ねじ山を、始めからねじ部の他のねじ山よりも短くなるように製作することができ、あるいはねじ山の頂部の一部を事後に取り除いてもよい。ねじ山をクリップすることで、クリップされた頂部と相対する谷底との間にすき間がもたらされる。ピンねじまたはボックスねじのどちらをクリップしても、クリップされるねじ山が中間シールの領域に隣接している限り、効果は実質的に同じである。いくつかの接続部においては、テーパの角度ゆえ、接続部のメイクアップの際のシール領域との干渉を回避するために、１つまたはそれ以上のねじをクリップする必要があるかもしれない。干渉回避の目的のためにクリップすべきねじ山は、ピン部材のシール面を通過しなければならないボックス部材の大ステップのねじ山、およびボックス部材のシール面を通過しなければならないピン部材の小ステップのねじ山である。テーパ角がねじ山の高さに比べて急勾配であると、干渉回避のためにクリップしなければならないねじ山の量が増す。また、角度が急勾配であると、中間シールの領域の軸方向長さが制限され、これが中間シールの領域の可撓性を小さくする。結果として、急勾配の角度では、拡径の際にシール領域の充分なたわみを可能にするために、隣接の２つ以上のねじ山をクリップしなければならないかもしれない。一実施形態においては、テーパ角が、およそ１〜１５度である。他の実施形態においては、テーパ角が、およそ３〜１０度である。別の実施形態においては、テーパ角が、およそ５〜７度である。本発明の１つ以上の利点を、テーパ角にかかわらず得ることができることを、当業者であれば理解できるであろう。

ねじの種類およびねじの形態が、ピン部材に対するボックス部材の拡径に大きく影響する。すでに述べたように、応力の高い領域が、塑性的な拡径の際に緩和される傾向にある。例えば、使用時の接続部の後退を防止するために、高いメイクアップ・トルクがしばしば選択される。これにより、ねじがきわめて高い応力にさらされる。結果として、ボックス部材が、拡径の際にピン部材から離れようとする傾向になる。ダブテール、半ダブテール、およびフック状などといったトラップ式のねじの形態は、それらの噛み合い形状の結果として、ボックス部材のピン部材からの分離に抵抗する。トラップ式のねじの形態を有するくさび状ねじは、ロード・フランクおよびスタブ・フランクの両方が接触するため、ボックス部材のピン部材からの分離への抵抗にとくに成功しており、くさび状ねじを本発明の１つ以上の実施形態にとって好ましいものにしている。接続部の全体としての完全性のため、とくには拡径の後に中間シールが機能できるために、ボックス部材の分離に対する抵抗が好ましい。分離に対する抵抗を大きくすることで、対応するシール面の間に選択されるすき間のサイズを小さくすることができる。

接続部を半径方向に広げるために使用される拡径方法が、拡径方法からもたらされる余分な拡径ゆえに、選択されるすき間に影響を及ぼすと考えられる。余分な拡径は、拡径の際に接続部に加えられる余分な応力からもたらされる。ピグを用いた拡径においては、ピグのテーパおよび接続部を通じて引張られるピグの速度が、接続部に加わる余分な応力を左右する。急勾配なテーパおよび高い引張り速度が、余分な拡径を大きくする一方で、浅いテーパおよび低速な引張り速度は、余分な拡径を最小限にする。本明細書において使用されるとき、「余分な拡径」とは、拡径工具の外径と拡径後の管の内径との間の差によって定義される。一般に、余分な拡径が大きいとき、選択されるすき間のサイズは大きくされる。余分な拡径の量を左右しうる他の要因は、拡径工具と接続部の内径との間の摩擦係数である。拡径のためにピグを使用する場合、摩擦係数も、ボックス部材に対するピン部材の軸方向の変形の量に直接的な影響を及ぼす（ローラ式の拡径工具の場合も、程度こそ小さいが同じである）。摩擦係数は、ピン部材の内径面および拡径工具の接触面の表面仕上げ、掘削穴内の流体によってもたらされる潤滑、ならびに拡張工具および接続部に使用される材料の機械的特性に応じて変化する。拡径工具は、ピン部材にのみ接触するため、ピン部材を直接的に引き伸ばす。ボックス部材にも軸方向の変形が生じるが、この軸方向の変形は、主としてピン部材の軸方向の変形を受けてのものであり、程度がより小さい。結果として、いくつかの実施形態においては、選択されるすき間に、軸方向の成分を持たせることができる。当業者であれば、本発明の技術的範囲から離れることなく、接続部を半径方向に広げるために任意の適切な拡径方法を使用することができる。

すき間（特に、すき間の半径方向の成分）の選択における最も大きな要因は、拡径量である。拡径量は、典型的には、拡径後の管の内径の、未拡径の管の公称直径に対する比によって定量化される。この比から１を引き、１００を掛けることによって、拡径のパーセンテージが得られる。選択されるすき間と拡径との間の関係は、ほぼ比例的である。中間シール以外の金属同士のシールにおいて、対応するシール面の間に選択されるすき間は、Sivley, IVらに与えられ、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第6,554,287号（以下では、「Sivley」と略記）に開示されているように、拡径量の約３０〜５０パーセントであってよい。この特許は、その全体がここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとする。Sivleyの開示による金属同士のシールは、ボックス部材の遠位端の付近に位置し、対応するピン部材のシール面を覆うように軸方向に片持ちされたボックス部材のシール面を備えている。拡径の際、ボックス部材の片持ち梁状の遠位端がピン部材に対して撓む（すなわち、ピン部材よりも拡径が小さい）ことで、対応するシール面を接触させて、金属同士のシールを生み出している。

Sivleyの開示による金属同士のシールは、本発明の実施形態における中間シールよりも柔軟である。これは、中間シールがピン留めされた梁として機能するのに対し、Sivleyの開示による金属同士のシールは、片持ち梁であるためである。可撓性が減っているため、中間シールについて選択されるすき間の半径方向の成分は、通常はSivleyの開示による金属同士のシールよりも小さい。より堅い中間シールを達成するため、選択されるすき間の半径方向の成分を計算するために、以下の式を使用することができる。
Ｒ＝（Ｓ×ｅ）／Ｃ ＋Ｉ （式１）
ここで、Ｒは選択されるすき間の半径方向の成分に等しく、Ｓはシール係数に等しく、ｅは拡径量に等しく、Ｃは分離抵抗係数に等しく、Ｉはねじ部の谷底‐頂部の半径方向の締めしろの平均量に等しい。

シール係数Ｓの値は、約０．３〜０．５（すなわち、３０〜５０％）であってよい。０．３であるとき、対応するシール面が拡径の際に早期に接触し、相応に高い接触圧（これが、中間シール部のシール可能な圧力量を決定する）がもたらされる。０．３を大きく下回るシール係数Ｓにおいては、拡径において接触が早期に生じすぎ、結果としてボックス部材のシール面が、ピン部材のシール面から離れて広げられる可能性がある。また、シール係数Ｓが０．５よりもはるかに大きい場合、対応するシール面間に得られる接触圧が、シールの形成に不充分である可能性がある。シールするための圧力以外の他の要因は、対応するシール面間の接触面積である。対応するシール面が、大きな面積にわたって接触（細い線接触と対照的に）する場合、より小さなシール係数Ｓが望ましいと考えられる。

分離抵抗係数Ｃは、拡径の際の分離に対する接続部の抵抗に相当する。上記式によって示されているように、分離に対する抵抗がより大きいと、選択されるすき間の半径方向の成分がより小さくなる。この特性は、大きくは、特定の接続部の設計および使用される拡径方法によって決定される。ダブテール型のねじ形態を有するくさび状ねじは、ねじの分離にきわめて耐え、約１０〜２０の分離係数Ｃを有すると考えられる。フック状または半ダブテール状のねじ形態は、フランクの角度に応じて約５〜１０の分離係数Ｃを有すると考えられる。開いたねじ形態は、分離に対する抵抗が最も小さく、５から約１に近づく分離係数Ｃを有する。上述のように、拡径方法が、接続部に加わる余分な拡径の量を左右する。余分な拡径は、接続部を分離させようとするより強い傾向にも対応する。したがって、分離係数Ｃを、余分な拡径に応じて増減させることができる。当業者であれば、接続部の実験的な拡径を利用して分離係数Ｃを決定できることを理解できるであろう。一実施形態において、選択されるすき間は、約０．１〜約０．５インチであってよい。１つ以上の実施形態において、選択されるすき間は、半径方向の成分のみを有してよい。

図５Ａおよび５Ｂに目を向けると、本発明の一実施形態による中間シールが示されている。ボックス部材１０２のシール面が、２つの表面１２２Ａおよび１２２Ｂを含んでいる。シール面１２２Ａは、ほぼ円柱形であってよく、一方で、シール面１２２Ｂは、円錐台形状であって、シール面１２２Ａから外へとテーパ状である。ピン部材１０１は、円柱形であってよいシール面１２１を含んでいる。所定のすき間が、対応するシール面１２１および１２２Ａの間に示されている。対応するシール面１２１および１２２Ａが円柱形であるため、所定のすき間は、軸方向の成分を有していない。同じことが、対応するシール面１２１および１２２Ａのうちの一方のみが円柱形である場合にも当てはまる。また、対応するシール面が、図４Ｂなどのように同じ角度を有する円錐台である場合には、軸方向の成分は、拡径時に対応するシール面１２１および１２２が接触するときに影響を及ぼさない。図５Ｂは、拡径後の図５Ａの中間シールを示している。拡径後、対応するシール面１２１および１２２Ａが、油圧に対するシールのために充分な接触圧で接触している。

図６Ａおよび６Ｂに目を向けると、本発明の一実施形態による別の中間シールが示されている。図６Ａの中間シールは、シール線６０５で交差する２つのシール面１２１Ａおよび１２１Ｂを有するピン部材１０１を含んでいる。ボックス部材１０２は、円錐台形状であってよいシール面１２２を有している。この特定の実施形態においては、シールが、図６Ｂに示されているように、接続部が拡径されるときに、シール線６０５とシール面１２２との間でシールが生じるように設計されている。シール線６０５の利点は、中間シールに細い周状の接触線がもたらされる点にある。これは、接触面積を小さくし、接触圧を高めて、より高い圧力のシールをもたらす。高い接触圧がきわめて局所化されるため、シール面１２２がピン部材１０１から離れて半径方向に広げられる恐れを小さくできる。さらに、細い接触線は、比較的大きな接触面に比べ、シールに関して表面の仕上げに左右されにくい。当業者であれば、本発明の技術的範囲から離れることなくシール線６０５に丸みをつける、あるいは角取りすることできることを理解するであろう。さらに、いくつかの実施形態においては、中間シール１２０が、シール面１２２に対してシールを形成する２つ以上のシール線を含んでもよい。

図７Ａには、本発明の一実施形態による接続部が示されている。接続部は、ピン部材１０１およびボックス部材１０２を含んでいる。ボックス部材１０２が、中間シール１２０とほぼ同じ軸方向の位置に配置されたひずみ集中溝(strain focusing groove)７０１を備えている。ひずみ集中溝は、Sivley, IVに与えられ、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第6,607,220号（以下、「Sivley ‘220号」）に開示されている。この特許は、その全体がここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとする。Sivley ‘220号は、接続部の拡径によって生じるひずみの集中および／または制御のためにひずみ集中溝を形成することを開示している。すでに述べたように、中間シールの領域の可撓性を増すことで、選択されるすき間を大きくすることができる。ボックス部材１０２の外径にひずみ集中溝７０１を形成することで、肉厚が局所的に減少して中間シールの領域の可撓性が増し、中間シールの領域が残留フープ応力にあまり抗さないようになる。ひずみ集中溝７０１の結果として、中間シールの領域が、拡径の際にピン部材１０１およびボックス部材１０２の残りの部分に対してより大きく「垂れ」下がる。

図７Ｂに目を向けると、中間シール１２０の詳細図が示されている。この特定の実施形態においては、中間シール１２０が、ボックス部材１０２に形成された溝７０３に配置されたＯリングなどのシール部材７０２を備えている。一実施形態においては、溝７０３を、ピン部材１０１に形成することができる。シール部材７０２は、拡径の前に、接続部にシールをもたらすように設計されている。一実施形態においては、シール部材７０２が、拡径後もシールをもたらすことができる。図７Ｃは、拡径後の中間シール１２０を示している。シール部材７０２が、所定のすき間の閉鎖の結果として圧縮されている。シール部材７０２によってもたらされるシールの能力は、接触線６０５とシール面１２２との間の中間シール１２０によってもたらされるシールの能力に対して、冗長であると考えられる。

いくつかの実施形態においては、ねじシールを、所定のメイクアップにおいて設けることができる。一実施形態においては、くさび状ねじを、ねじシールをもたらすために使用することができる。他の実施形態においては、ねじシールを、接続部の拡径後にもたらすことも可能である。ねじシールを有する拡径可能な接続部が、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第10/973,937号（以下、「’937号出願」）[米国特許公開20060087119号公報][発明の名称：拡張可能なねじ状接続（Expandable Threaded Connection）]に開示されている。この出願は、その全体がここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとする。’937号出願に開示されているように、谷底と頂部との間に所定のすき間を備えたくさび状ねじを設けることができる。接続部が所定のパーセンテージにて塑性的に拡径されるとき、ピンねじの頂部とボックスねじの谷底との間に、接続部の一部分にねじシールを形成する所望の締めしろが存在するように、すき間が選択される。

図９は、本発明の他の実施形態による中間シールを示している。この実施形態において、シール面１２１が、テーパに沿って波打っている。シール面１２１が、接続部が拡径されたときにボックス部材１０２のシール面１２２との細い周状の接触ラインを与える３つのシールライン６０５を含むことができる。図９に示した実施形態は、冗長のシール機構をもたらす。これは、接続部の取り扱いの際に表面に損傷が生じた場合に好都合であると考えられる。

本発明を、限られたいくつかの実施形態を挙げて説明したが、本明細書の開示の恩恵を受けた当業者であれば、本明細書に開示した本発明の技術的範囲から逸脱することなく他の実施形態を考案できることを理解できるであろう。したがって、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によってのみ定められるべきものである。

中間シールを有する従来技術の接続部を示す図である。 くさび状ねじを有する従来技術の接続部を示す図である。 くさび状ねじを有する従来技術の接続部を示す部分拡大図である。 従来技術の拡径工具を示す図である。 本発明の一実施形態による拡径可能な中間シールを有している接続部を示す図である。 図４Ａに示した接続部の中間シールを、拡径前について示す図である。 図４Ａに示した接続部の中間シールを、拡径後について示す図である。 本発明の一実施形態による拡径前の中間シールを示す図である。 拡径後の図５Ａに示した中間シールを示す図である。 本発明の一実施形態による拡径前の中間シールを示す図である。 拡径後の図６Ａに示した中間シールを示す図である。 本発明の一実施形態による拡径可能な中間シールを有する接続部を示す図である。 図７Ａに示した接続部の中間シールを、拡径前について示す図である。 図７Ａに示した接続部の中間シールを、拡径後について示す図である。 未拡径の管の一部分を示す図である。 図８Ａの管の一部分を、拡径後について示す図である。 本発明の一実施形態による中間シールを、拡径前について示す図である。 本発明の一実施形態によるピン部材を示す図である。

Claims (17)

1. 小ステップおよび大ステップに形成されたピンねじと、小ステップと大ステップとの間に形成された第１シール面とを有しているピン部材、および
   小ステップおよび大ステップに形成されたボックスねじと、小ステップと大ステップとの間に形成された第２シール面とを有しているボックス部材を有しており、
   前記ピンねじおよび前記ボックスねじが、くさび状ねじであり、
   前記ピン部材と前記ボックス部材との所定のメイクアップにて、第１シール面と第２シール面との間に所定のすき間が位置し、
   前記所定のすき間ならびに前記第１および第２シール面が、拡張可能な管の接続部の塑性的な拡径にて、前記第１および第２シール面の間にシールが形成されるように構成され、
   ピン部材とボックス部材との所定のメイクアップにおいてピンねじの頂部とボックスねじの谷底との間にはすき間が存在し、前記ピンねじの頂部と前記ボックスねじの谷底との間のすき間は、拡張可能な管状接続部の塑性的な拡径において所望の締まりばめが形成されるように構成されている拡張可能な管の接続部。
2. 請求項１において、ピン部材およびボックス部材の両者の小ステップおよび大ステップが、単一のテーパ上に形成されている拡張可能な管の接続部。
3. 請求項２において、前記単一のテーパが、約１０度未満である拡張可能な管の接続部。
4. 請求項３において、前記単一のテーパが、約２度〜約５度の間である拡張可能な管の接続部。
5. 請求項１において、ピン部材およびボックス部材の一方の小ステップと大ステップとの間に配置されたシール部材をさらに有しており、
   この弾性シール部材が、前記所定のメイクアップにおいてシールをもたらしている拡張可能な管の接続部。
6. 請求項１において、ピンねじおよびボックスねじが、トラップ式のねじ形態を有している拡張可能な管の接続部。
7. 請求項１において、第１シール面および第２シール面のうちの一方が円錐台形状であり、他方がカーブしている拡張可能な管の接続部。
8. 請求項１において、第１シール面および第２シール面のうちの一方が、互いに交差してシール線を形成する２つの表面を含んでいる拡張可能な管の接続部。
9. 請求項１において、第１シール面および第２シール面の一方が、円柱形である拡張可能な管の接続部。
10. 請求項１において、第１シール面および第２シール面が、円錐台形の形状であって、当該接続部の中心軸に対して異なる角度を有している拡張可能な管の接続部。
11. 請求項１において、第２シール面とオーバラップする軸方向の位置においてボックス部材の外径部に形成されたひずみ集中溝をさらに有している拡張可能な管の接続部。
12. 拡張可能な管の接続部を設計するための方法であって、
    くさび状ねじが形成された小ステップおよび大ステップをそれぞれが有しているピン部材およびボックス部材を選択するステップ、
    ピン部材の小ステップと大ステップとの間に形成される第１シール面を選択するステップ、
    ボックス部材の小ステップと大ステップとの間に形成され、所定の接触圧において前記第１シール面とシールを形成するように構成された第２シール面を選択するステップ、
    前記拡張可能な管の接続部について、拡径の量を選択するステップ、
    前記選択した拡径の量に少なくとも部分的にもとづいて、所定のメイクアップにおける第１シール面と第２シール面との間のすき間を選択するにあたり、前記すき間が、前記拡張可能な管の接続部の拡径の後で、第１シール面と第２シール面との間に少なくとも前記所定の接触圧が存在するように選択されるステップ、および
    拡径の選択された量に少なくとも部分的にもとづき、所定のメイクアップにおけるピンねじの頂部とボックスねじの谷底との間のすき間を選ぶにあたり、ピンネジの頂部とボックスねじの谷底との間のすき間が、拡張可能な管状接続部の塑性的な拡径により所望の締まりばめが形成されるように構成されるステップとから構成される方法。
13. 請求項１２において、前記拡張可能な管の接続部を所定の割合の拡径によって拡径するための拡径方法を決定するステップをさらに含んでおり、
    前記すき間の選択が、拡径方法に少なくとも部分的に基づいている方法。
14. 請求項１２に記載の方法を使用して設計された拡張可能な管の接続部。
15. 小ステップおよび大ステップに形成された、ピンくさび状ねじを有しているピン部材、
    小ステップおよび大ステップに形成された、ボックスくさび状ねじを有しているボックス部材、
    ピンねじの小ステップと大ステップとの間に形成された第１シール面、
    ボックスねじの小ステップと大ステップとの間に形成された第２シール面、および
    所定のメイクアップにおいてピンねじの頂部とボックスねじの谷底との間のすき間を有しており、
    ピン部材とボックス部材との所定のメイクアップにおいて、第１シール面と第２シール面との間に所定のすき間が存在し、かつ
    ピンねじの頂部とボックスねじの谷底との間のすき間は、拡張可能な管の接続部の塑性的な拡径により所望の締まりばめが形成されるように構成されている拡張可能な管の接続部。
16. 請求項１５において、前記管の接続部の塑性的な拡径にて、第１および第２シール面がその間に接触シールを形成するように構成されている拡張可能な管の接続部。
17. 請求項１５において、前記ピン部材および前記ボックス部材の両方の小ステップおよび大ステップが、単一のテーパ上に形成されている拡張可能な管の接続部。

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