JP5475896B2 - ねじ連結部群の評価方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、一般に、互いにほぼ同じ性質をもつ一群のねじ連結部の性能限界を評価する方法に関する。特に、本発明は、一群のねじ連結部の制限された物理的試験により固有の性能ファクタと関連した一群のねじ連結部に対してこの評価を実施する方法に関する。

〔関連出願の参照〕
本願は、２００６年１月２０日に出願された米国特許仮出願第６０／７６０，７３７号の優先権主張出願である。

炭化水素、例えば油やガスの産出は、長年にわたって行われている。これら炭化水素を産出するため、産出システムは、坑井内に配置される種々の装置、例えば管状部材を利用する場合がある。典型的には、管状部材は、構造的支持、ゾーン隔離を可能にすると共に地下地層と坑外施設との間の連絡を可能にするよう坑井内に配置される。即ち、管状部材は、坑井内の地層流体、例えば炭化水素を地面に設置された施設に運搬するための流路を提供することができる。これら管状部材は個々の１本１本のパイプなので、２本又は３本以上の管状部材は、坑井内でこの機能を果たすためにねじ連結部又は溶接部によって互いに接合される場合がある。

ねじ連結部（コネクションと呼ばれる場合がある）については、２つの別々の分類が利用され、かかる分類は、ＡＰＩ（アメリカ石油協会）コネクションとプレミアムコレクションである。ＡＰＩコネクションは、典型的には、密封性をもたらすよう螺旋ねじ経路中へのねじコンパウンドの取り込みを利用している。これについては、米国特許第５，４１１，３０１号明細書及び同第５，２１２，８８５号明細書を参照されたい。別法として、プレミアムコネクションは、典型的には、密封性をもたらすようねじ連結部により形成された金属間シールを利用する。これについては、米国特許第６，０４１，４８７号明細書を参照されたい。これら金属管シールは、管状部材のコネクタの設計にとって必要不可欠である。

分類とは無関係に、坑井内のねじ連結部は、一般に、種々の環境的理由及び安全上の理由で坑井の寿命を通じて性能としての構造的健全性及び密封性を維持するよう設計されている。例えば、密封性は、加圧リザーバ又は注入流体が管状部材内にどのように収容されるかを表すねじ連結部の一性能特性である。ねじ連結部の性能としての密封性は、とりわけ、運搬対象の流体、温度、圧力、引張り荷重、圧縮荷重、曲げ、表面仕上げ、ねじ山コンパウンド、母材の性質、連結部の幾何学的条件、組立てトルク及び他の要因の影響を受ける。また、ねじ連結部は、組立て中、坑井内への配置中並びに（或いは）産出及び注入繰り返し荷重がかかっている間に、種々の条件にさらされる。したがって、密封性性能は、互いに異なる管状部材により形成されるねじ連結部の評価の際に査定可能な性能の一尺度である。

ねじ連結部の性能を査定するために種々の方法が用いられる場合がある。ねじ連結部の性能を評価する一方法は、ねじ連結部をその耐用年数の間に予測される可能な条件下で物理的に試験することにある。この方法に関し、予想される現場での作業の理解は、ねじ連結部が受けやすい環境を正確に反映した性能結果をもたらすと考えられるべきである。複雑さのために、物理的試験は、費用及び時間がかかり、多くの場合、完了するのに数十万ドルの費用をかけて数ヶ月間かかる。

ねじ連結部の性能を評価する第２の方法は、有限要素解析（ＦＥＡ）を含む場合がある。ＦＥＡは、連結特徴部（即ち、金属間シール、ねじ山等）の接触特性並びに種々の荷重条件下におけるねじ連結部の応力−歪み応答を評価することができる。ＦＥＡ法は、一般に安価であり且つ時間がかからないが、コンピュータ処理上の基準だけを利用してねじ連結部の性能を評価することは、誤解を招きかねない場合がある。例えば、ＦＥＡ法は、組立て中におけるマイクロメカニズム、例えば表面相互作用についてデータ収集を行うことがない。或る評価では、コンピュータ処理基準が特定の荷重については満たされることを指示するフォールスポジティブが達成されるが、次に行われた物理的試験では、ねじ連結部が予想性能を達成していないことが分かる。別の評価では、物理的試験は適度の性能を示すが、ＦＥＡ法のコンピュータ処理基準は満たされていなかったという場合がある。最後に、ＦＥＡは、応力−歪み応答を評価するために利用できるが、これは、性能に対する或る特定のパラメータ、例えばねじ山コンパウンド及び表面仕上げの影響を明示的に評価するのには利用できない場合がある。したがって、ねじ連結部の性能を評価するためにＦＥＡ法だけを用いると、所与の用途に関して候補としてのねじ連結部を識別する上で時間及び費用が減少するが、十分な性能を保証するために個々のねじ連結部を各々物理的に試験するのが一般的である。

ねじ連結部の性能を評価する第３の方法は、ＦＥＡを限定された物理的試験と組み合わせて用いることである。これについては、ヒルベルト他（Hilbert et al.）著，「エバリュエーション・オブ・プレミアム・スレッデッド・コネクションズ・ユージング・ファイナイト−エレメント・アナリシス・アンド・フル−スケール・テスティング（Evaluation of Premium Threaded Connections Using Finite-Element Analysis and Full-Scale Testing）」，ＳＰＥ２３９０４，１９９２年を参照されたい。この方法は、ねじ連結部の健全性を立証する標準型試験プログラムを利用する。この種の評価から得られる結果は、典型的には、任意の用途に有効である（即ち、個々の坑井又は荷重条件に対して固有ではない）。しかしながら、連結部の１つの幾何学的条件（即ち、直径及び肉厚）の一試験プログラムからこれとは別の幾何学的条件の試験プログラムまで結果を補間するのは、難しく且つ問題となる。更に、幾何学的に互いに類似したねじ連結部の性能評価と関連した費用は、高くつく。

この方法の一例としては、２００４年代における米国において密封性を評価するＦＥＡ基準の商業的使用法が挙げられる。この使用法では、密封性基準は、物理的試験中に示された漏れ（リーク）に対するシールの挙動とＦＥＡにより予測される挙動の比較から作成された。次に、ＦＥＡ基準を次の連結部評価から得られたＦＥＡ結果に適用して十分な密封性が期待される荷重と圧力の組合せを評価した。次に、これらの結果をデータベースに入れてこれらを用いて機器購入に関する商業的決定を行った。

さらに、上述の方式は、典型的には、個々のねじ連結部の評価に用いられたが、この方式は、２００４年代では米国において連結部群の評価に適用された。この用途では、物理的試験を一群のうちの両極端の幾何学的条件でねじ連結部に対して行った。ＦＥＡ結果を商業目的で利用して他のねじ連結部に関するこれら両極端の幾何学的条件相互間の密封性の補間を助けた。次に、これらの結果をデータベースに入れ、これらを用いて機器購入に関する商業的決定を行った。

先行技術の評価方法の欠点としては、（１）個々のねじ連結部に関する適正なスケーラビリティが失われること及び（２）これらの方法により費やされる費用又は時間が多大なことが挙げられる。また、評価群に含まれるねじ連結部は、これらの個々の性能限界がこの群中の他のねじ連結部とほぼ同じであるようにする基準に基づいて選択されることはなかった。したがって、物理的試験の特異性、ＦＥＡ試験の単純性及び連結部性能を左右する種々の要因を見込んだ性能限界の明確さをもって一群のねじ連結部を評価する方法が要望されている。

他の技術的関連事項は、少なくとも、米国特許出願公開第２００３／０１７８８４７号明細書、米国特許第６，６０７，２２０号明細書、同第６，３６３，５９８号明細書、同第６，１７６，５２４号明細書、同第６，１２３，３６８号明細書、同第６，０４１，４８７号明細書、同第５，８９５，０７９号明細書、同第５，６８９，８７１号明細書、同第５，６６１，８８８号明細書、同第５，４１１，３０１号明細書、同第５，２１２，８８５号明細書、同第４，９６２，５７９号及び同第４，７０７，００１号明細書に見出される。

一実施形態では、ねじ連結部の性能限界の評価と関連した方法が開示される。この方法では、ねじ連結部の評価群の構成要素をモデル分析によって決定し、評価群は、第１の複数のねじ連結部及び第２の複数のねじ連結部を含む。次に、評価群中の第１の複数のねじ連結部に対する物理的試験を実施する。第１の複数のねじ連結部及び第２の複数のねじ連結部に対するモデル化分析を実施し、第２の複数のねじ連結部には物理的に試験が行われていない。いったんモデル化すると、物理的試験の結果とモデル化分析の結果を比較して第１の複数のねじ連結部に関する固有の性能ファクタを評価する。次に、固有性能ファクタを第２の複数のねじ連結部に適用し、固有性能ファクタに基づいて性能限界を特定する。

変形実施形態では、炭化水素の産出と関連した方法が開示される。この方法は、ねじ連結部の評価群を評価するステップを有し、評価群中の第１の複数のねじ連結部及び評価群中の第２の複数のねじ連結部は、モデル化分析により分析され、評価群中の第１の複数のねじ連結具だけが、物理的に試験され、この方法は、更に、ねじ連結部の評価に基づいて管状部材を得るステップと、管状部材を坑井内に設置するステップと、管状部材から地層流体を産出するステップとを有する。

第２の実施形態では、ねじ連結部の評価と関連した方法が開示される。この方法は、評価群に含まれる第１の複数のねじ連結部に対する物理的試験を実施するステップと、第１の複数のねじ連結部及び前記評価群に含まれる第２の複数のねじ連結部に対するモデル化分析を実施するステップとを有し、第２の複数のねじ連結部には物理的に試験が行われておらず、この方法は、物理的試験の結果とモデル化分析の結果を比較して第１の複数のねじ連結部に関する性能ファクタを評価するステップを更に有し、性能ファクタは、構造的健全性ファクタ、耐ゴーリング性ファクタ、耐環境性ファクタ、耐疲労性ファクタ、及びこれらの任意の組合せのうちの少なくとも１つであり、この方法は、更に、性能ファクタを第２の複数のねじ連結部に適用するステップと、この固有性能ファクタに基づいて性能限界を特定するステップとを有する。

本発明の上記利点及び他の利点は、以下の詳細な説明及び添付の図面を参照すると明らかになろう。

本発明によれば、物理的試験の特異性、ＦＥＡ試験の単純性及び連結部性能を左右する種々の要因を見込んだ性能限界の明確さをもって一群のねじ連結部を評価する方法が提供される。

本発明の或る特定の観点による例示の産出システムを示す図である。 金属間シールと一緒に結合される図１の産出システムに用いられる２つの管状部材の例示の図である。 金属間シールと一緒に結合された図１の産出システムに用いられる２つの管状部材の例示の図である。 本発明の観点による図１の産出システムのための管状部材の選択及び使用法の例示のフローチャートである。 本発明の観点による図３のフローチャートに用いられる評価方法の例示のフローチャートである。 本発明の或る特定の観点による図４の方法によって形成された種々のねじ連結部及びエンベロープのグラフ図である。

以下の詳細な説明において、本発明の特定の実施形態をその好ましい実施形態と関連して説明する。しかしながら、以下の説明が本発明の特定の実施形態又は特定の用途に特有な程度まで、かかる説明は、例示に過ぎず、例示の実施形態についての簡潔な説明を提供するに過ぎない。したがって、本発明は、以下に説明する特定の実施形態には限定されず、それどころか、本発明は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に属する全ての変形例、改造例及び均等例を含む。

本発明の方法は、ねじ連結部の評価を助ける固有の性能ファクタ、例えば密封性ファクタを用いる方法に関する。本発明において、モデル化、例えば有限要素解析をねじ連結部に対して行うと、評価群の構成要素を識別することができる。次に、追加の有限要素解析を評価群中の各ねじ連結部について利用し、他方、この群中の限られた数のねじ連結部だけを物理的に試験する。物理的試験及び有限要素解析からの結果又はデータを用いてモデル応答を確認し、評価群に関する固有の性能ファクタの値を調節する。このようにすると、単一の性能ファクタを互いにほぼ同じ特性を備えると共に互いにほぼ同じ性能を示すねじ連結部について、モデル化と制限された物理的試験の組合せに基づいて定めることができる。本発明は、ねじ連結部を評価する効率的な仕組みを提供する。

次に、図面に目を向け、最初に図１を参照すると、本発明の或る特定の観点による例示の産出システム１００が、示されている。例示の産出システム１００では、坑外施設１０２が、地面１０６上に設置されたツリー１０４に結合されている。このツリー１０４を介して、坑外施設１０２は、１つ又は２つ以上の地下地層、例えば地下地層１０８を評価し、かかる地下地層は、炭化水素、例えば油やガスを含む多数の産出区間又はゾーンを有する場合がある。有利には、地下地層１０８からの炭化水素の産出性を高めるために坑井１１４内で管状部材、例えば表層ケーシングストリング１２４、中間又は産出（プロダクション）ケーシングストリング１２６及び（又は）産出チュービングストリング１２８を利用するのが良い。しかしながら、注目されるべきこととして、産出システム１００は、例示目的で示されており、本発明は、海底プラットフォーム又は陸上の埋設場所から流体の産出又はこれらへの流体の注入に有用である。

坑外施設１０２は、地下地層１０８からの炭化水素をモニタしてこれを産出するよう構成されている。坑外施設１０２は、地層流体、例えば炭化水素の産出を取り扱うために利用される貯蔵タンク及び（又は）処理容器を有するのが良い。地下地層１０８の産出区間を評価するため、坑外施設１０２は、パイプライン１１０を介してツリー１０４に結合されている。パイプライン１１０は、溶接連結部又はねじ連結部を介して互いに結合される何本もの管状部材から成る場合がある。

地下地層１０８を評価するため、坑井１１４は、地下地層１０８の産出区間とインターフェイスを取る深さまで地面１０６に入り込む。ツリー１０４は、地面１０６のところで坑井１１４上に位置決めされており、このツリーは、坑井１１４内の装置と坑外施設１０２との間のインターフェイスとなる。したがって、ツリー１０４は、流体の流れ経路を提供するよう表層ケーシングストリング１２４、産出ケーシングストリング１２６及び（又は）産出チュービングストリング１２４に結合されるのが良い。坑井１１４内の装置は、地下安全弁１３２、パッカ１３４及び１つ又は２つ以上のツール１３６を含む場合がある。地下安全弁１３２は、地下安全弁１３２の上方で破裂又は破断が万一生じた場合に産出チュービングストリング１２８からの流体の流れを阻止するよう利用されるのが良い。さらに、パッカ１３４は、坑井環状域内の特定のゾーンを互いに隔離するために利用されるのが良い。また、ツール１３６は、地下地層１０８中の炭化水素のための流路を構成するよう利用される砂防装置又は他の流れ制御装置を含む場合がある。

安定性を提供すると共に坑井１１４内での漏れを阻止するために、別の管状部材又はパイプ、例えば表層ケーシングストリング１２４、産出ケーシングストリング１２６及び（又は）産出チュービングストリング１２８を更に有するのが良い。表層ケーシングストリング１２４を地面１０６から地面１０６の下の特定の深さのところの場所に設置するのが良い。表層ケーシングストリング１２４内において、中間又は産出ケーシングストリング１２６は、坑井１１４の壁の支持体となるよう利用されるのが良く、この中間又は産出ケーシングストリングは、地下地層１０８の近くの深さまで下方に延びるのが良い。表層ケーシングストリング１２４及び産出ケーシングストリング１２６は、坑井１１４を一段と安定化させるために坑井１１４内の一定の位置にセメントで結合されるのが良い。表層ケーシングストリング１２４及び産出ケーシングストリング１２６内において、産出チュービングストリング１２８を利用して坑井１１４を通る炭化水素及び他の流体のための流路を提供するのが良い。上述したように、表層ケーシングストリング１２４、産出ケーシングストリング１２６及び（又は）産出チュービングストリング１２８の各々の部分と部分をねじ連結部で接合し又は結合するのが良い。

ねじ連結部の一例として、図２Ａ及び図２Ｂは、図１の産出システムの２本の管状部材が互いに接合された状態を示す例示の図である。したがって、図２Ａ及び図２Ｂは、図１を同時に見ることにより最も良く理解できる。図２Ａ及び図２Ｂでは、２本の管状部材２００ａ，２００ｂは、それぞれ、分解組立て形態及び密封形態で示されている。しかしながら、注目されるべきこととして、管状部材２００ａ，２００ｂは、表層ケーシングストリング１２４、産出ケーシングストリング１２６及び（又は）産出チュービングストリング１２８の任意の２つ又は３つ以上の部分であって良い。

図２ａでは、第１の管状部材２００ａ及び第２の管状部材２００ｂは、それぞれ、本体部分２０１ａ，２０１ｂ、ネック部分２０３ａ，２０３ｂ及びノッチド部分２０８ａ，２０８ｂを有している。管状部材２００ａ，２００ｂは、鋼又は鋼合金で作られるのが良く、本体部分２０１ａ，２０１ｂは、特定の長さ２１２、例えば３０〜４０フィート（９．１４〜１２．１９ｍ）であり、特定の内径及び外径を有するように構成されている。ネック部分２０３ａ，２０３ｂは、雄ねじ２０４ａ，２４０ｂを有するのが良く、ノッチド部分２０８ａ，２０８ｂは、雌ねじ２０６ａ，２０６ｂを有する。また、ネック部分２０３ａ，２０３ｂは、金属間シール部分２０５ａ，２０５ｂを有するのが良く、ノッチド部分２０８ａ，２０８ｂは、金属間シール部分２０７ａ，２０７ｂを有するのが良い。これら金属間シール部分２０５ａ，２０５ｂ，２０７ａ，２０７ｂは、密封長さ２１０の少なくとも一部分のためのシールを形成することができる。雄ねじ２０４ａ，２０４ｂは、雌ねじ２０６ａ，２０６ｂと噛み合って図２Ｂに示すような管状部材２００ａ，２００ｂ相互間の緊密なシールを形成するよう構成されるのが良い。

図２Ｂでは、第１の管状部材２００ａのネック部分２０３ａは、第２の管状部材２００ｂのノッチド部分２０８ｂに結合されている。管状部材２００ａ，２００ｂは、ねじ連結部を形成するよう雄ねじ２０４ａと雌ねじ２０６ｂを噛み合わせることにより互いに結合されている。金属間シール部分２０５ａ，２０５ｂ，２０７ａ，２０７ｂ及びねじ山２０４ａ，２０４ｂ，２０６ａ，２０６ｂにより形成されたシールは、漏れを阻止することができる。したがって、ねじ連結部を利用することにより、管状部材２００ａ，２００ｂを互いに固定して坑井１１４内に連続した流路を形成することができ、かかる管状部材は、坑井１１４を安定化させるためにも利用できる。

ねじ連結部を通る漏れの許容誤差は、上述したように用途の相違によって様々な場合がある。例えば、過酷な環境における、例えば坑井１１４内のねじ連結部は、坑井がより深く入り込んで種々の環境の作用を受けるにつれて極端に高い圧力及び温度に関与する場合がある。この場合も又、ねじ連結部の性能は、運搬対象の流体、温度、圧力、引張り荷重、圧縮荷重、曲げ、表面仕上げ、ねじ山コンパウンド、母材の性質、連結部の幾何学的条件、組立てトルク、組立て中の条件、稼働中、産出中及び（又は）注入繰り返し荷重を受けている間における条件及び他の理由の影響を受ける。坑井１１４内の管状部材を保証する費用は高いので、表層ケーシングストリング１２４、産出ケーシングストリング１２６及び産出チュービングストリング１２８は、一般に、環境上の問題を解決し、産出量を維持し、安全性を維持するために坑井の寿命を通じて構造安定性及び密封性を維持するよう設計されている。したがって、ねじ連結部は、坑井の寿命にわたり働くことができる。

ねじ連結部の性能を評価するため、種々の固有の性能ファクタ、例えば密封性ファクタ、構造的健全性ファクタ、耐ゴーリング性ファクタ、耐環境性ファクタ、耐疲労性ファクタ又はこれらの任意の組合せが利用される場合がある。注目されるべきこととして、評価群に関して固有性能ファクタのうちの１つだけを利用することが好都合な場合がある。固有性能ファクタの一例として、密封性ファクタは、加圧リザーバ又は注入流体が２つの管状部材により形成されたねじ連結部内にどれほど良好に封入されるかを表すねじ連結部の特性である。ねじ連結部の密封性ファクタは、とりわけ、運搬対象の流体、温度、圧力、引張り荷重、圧縮荷重、曲げ、表面仕上げ、ねじ山コンパウンド、母材の性質、連結部の幾何学的条件、組立てトルク及び他のファクタの影響を受ける。また、密封性ファクタは、組立て中、坑井内への配置中及び（又は）産出及び注入繰り返し荷重を受けている間に受ける種々の条件によって影響を受ける。これらの条件に関し、製造上の条件は、母材の性質、表面仕上げ、特徴部の寸法、特徴部相互間の干渉のうちの少なくとも１つを含み、ねじ連結部の組立て及び設置中の条件は、組立てトルク、組立て速度及びねじ山コンパウンドのうちの少なくとも１つを含み、ねじ連結部の使用条件は、温度、圧力、引張り荷重、圧縮荷重、曲げ荷重及びねじり荷重のうちの少なくとも１つを含む。したがって、密封性ファクタは、互いに異なる管状部材により形成されるねじ連結部の評価の際に査定できる一性能尺度である。

構造的健全性ファクタは、加えられた荷重がねじ連結部特徴部間でどれほど良好に分布されるかで定められるかを表すねじ連結部の特徴である。構造的健全性ファクタは、とりわけ、運搬対象の流体、温度、圧力、引張り荷重、圧縮荷重、曲げ、表面仕上げ、ねじ山コンパウンド、母材の性質、連結部の幾何学的条件、組立てトルク及び他のファクタの影響を受ける。上述したことと同様、製造上の条件は、母材の性質、表面仕上げ、特徴部の寸法、特徴部相互間の干渉のうちの少なくとも１つを含み、ねじ連結部の組立て及び設置中の条件は、組立てトルク、組立て速度及びねじ山コンパウンドのうちの少なくとも１つを含み、ねじ連結部の使用条件は、温度、圧力、引張り荷重、圧縮荷重、曲げ荷重及びねじり荷重のうちの少なくとも１つを含む。また、構造的健全性ファクタは、組立て中、坑井内への配置中及び（又は）産出及び注入繰り返し荷重を受けている間に受ける種々の条件によって影響を受ける。

耐ゴーリング性ファクタは、摩擦摺動に起因する表面損傷がねじ連結部特徴部によりどれほど良好に持ち堪えられるかで定められるかを表すねじ連結部の特性である。耐ゴーリング性ファクタは、とりわけ、運搬対象の流体、温度、圧力、引張り荷重、圧縮荷重、曲げ、表面仕上げ、ねじ山コンパウンド、母材の性質、連結部の幾何学的条件、組立てトルク及び他のファクタの影響を受ける。これら条件に関し、製造上の条件は、母材の性質、表面仕上げ、特徴部の寸法、特徴部相互間の干渉のうちの少なくとも１つを含み、ねじ連結部の組立て及び設置中の条件は、組立てトルク、組立て速度及びねじ山コンパウンドのうちの少なくとも１つを含み、ねじ連結部の使用条件は、温度、圧力、引張り荷重、圧縮荷重、曲げ荷重及びねじり荷重のうちの少なくとも１つを含む。また、耐ゴーリング性ファクタは、組立て中、坑井内への配置中及び（又は）産出及び注入繰り返し荷重を受けている間に受ける種々の条件によって影響を受ける。

耐環境性ファクタは、加えられた荷重並びにその結果としての応力及び歪みが攻撃的な環境の存在下でねじ連結部の特徴部によりどれほど良好に取り扱われるかで定められるかを表すねじ連結部の特性である。攻撃的な環境は、例えば、高レベルの硫化水素（Ｈ₂Ｓ）を含む流体を貯留している地層である。耐環境性ファクタは、とりわけ、運搬対象の流体、温度、圧力、引張り荷重、圧縮荷重、曲げ、表面仕上げ、ねじ山コンパウンド、母材の性質、連結部の幾何学的条件、組立てトルク及び他のファクタの影響を受ける。この場合も又、これらの条件に関し、製造上の条件は、母材の性質、表面仕上げ、特徴部の寸法、特徴部相互間の干渉のうちの少なくとも１つを含み、ねじ連結部の組立て及び設置中の条件は、組立てトルク、組立て速度及びねじ山コンパウンドのうちの少なくとも１つを含み、ねじ連結部の使用条件は、温度、圧力、引張り荷重、圧縮荷重、曲げ荷重及びねじり荷重のうちの少なくとも１つを含む。また、耐環境性ファクタは、組立て中、坑井内への配置中及び（又は）産出及び注入繰り返し荷重を受けている間に受ける種々の条件によって影響を受ける。

耐疲労性ファクタは、繰り返し荷重がねじ連結部の特徴部によってどれほど良好に持ち堪えられるかで定められるかを表すねじ連結部の特性である。耐疲労性ファクタは、とりわけ、運搬対象の流体、温度、圧力、引張り荷重、圧縮荷重、曲げ、表面仕上げ、ねじ山コンパウンド、母材の性質、連結部の幾何学的条件、組立てトルク及び他のファクタの影響を受ける。また、耐疲労性ファクタは、組立て中、坑井内への配置中及び（又は）産出及び注入繰り返し荷重を受けている間に受ける種々の条件によって影響を受ける。これらの条件に関し、製造上の条件は、母材の性質、表面仕上げ、特徴部の寸法、特徴部相互間の干渉のうちの少なくとも１つを含み、ねじ連結部の組立て及び設置中の条件は、組立てトルク、組立て速度及びねじ山コンパウンドのうちの少なくとも１つを含み、ねじ連結部の使用条件は、温度、圧力、引張り荷重、圧縮荷重、曲げ荷重及びねじり荷重のうちの少なくとも１つを含む。産出システム内の管状部材のライフサイクルについて図３を参照して更に説明する。

図３は、本発明の観点による図１の産出システムのための管状部材の選択及び使用法の例示のフローチャートである。このフローチャートは、参照符号３００で示されており、図１及び図２を同時に見ることにより最も良く理解できる。このフローチャート３００では、ねじ連結部は、特定の用途に利用される前に評価されるのが良い。即ち、管状部材相互間のねじ連結部を評価して群を成すねじ連結部の特定の性能特性、例えば密封性、構造的健全性、耐ゴーリング性、耐環境性及び耐疲労性を判定するのが良い。

フローチャートは、ブロック３０２で始まる。ブロック３０４では、評価群中のねじ連結部を評価する。図４に詳細に記載されている評価プロセスは、種々のねじ連結部をモデル化するステップと、モデル化の結果に基づいて評価群の構成要素を識別するステップとを含むのが良い。次に、評価群中のねじ連結部に対して物理的試験及びＦＥＡを行うのが良い。物理的試験は、ねじ連結部のエンベロープ、複数のエンベロープ又は他の外に位置するねじ連結部を含むエンベロープを定めるねじ連結部のサブセットについて行われるのが良い。物理的試験及びＦＥＡの結果から、特定の特性を評価群内の他のねじ連結部に合わせてスケール変更するのが良く、この場合、これらねじ連結部について物理的試験を行う必要はない。ブロック３０６において、坑井用の管状部材を設計するのが良い。管状部材の設計は、坑井の存在場所、地球物理学的評価又は上述した他のプロセスに基づくのが良い。坑井用の管状部材は、坑井存在場所のところの条件及び予想される供用上の要件に基づいて設計されるのが良い。次に、ブロック３０８に示されているように、坑井用の管状部材をかかる設計及び先のねじ連結部の評価に基づいて得るのが良い。評価群を特定の用途又は油田を突き止める前か後かのいずれでも形成できることは注目されるべきである。

管状部材をいったん得ると、管状部材をブロック３１０に示すように、坑井内に設置するのが良い。坑井１１４を掘削するために行われる掘削作業の一部として管状部材を設置することができる。ブロック３１２では、管状部材を利用すると、管状部材を通して地層流体、例えば炭化水素を産出することができる。炭化水素の産出は、管状部材を互いに結合するステップと、管状部材をツリー１０４及びツール１３６に結合して坑井１１４を通る流体流路を形成するステップとを含むのが良い。これら流体流路により、炭化水素を坑外施設１０４にもたらすことができる。したがって、プロセスは、ブロック３１４で終了する。

炭化水素の産出と関連した危険性及び費用に鑑みて、ねじ連結部の特定の固有性能ファクタ、例えば密封性、構造的健全性、耐ゴーリング性、耐環境性又は耐疲労性を互いに異なる管状部材について評価して坑井内におけるねじ連結部の破損の危険を抑制するのが良い。しかしながら、上述した評価方法は、上述したように、費用及び時間がかかるか個々の用途に合わせた適正なスケール変更性を欠いているかのいずれかである。したがって、物理的試験の特異性及びＦＥＡ試験の単純性をもって一群のねじ連結部を評価する方法であって、図４において説明した連結性能を作用する種々の要因を考慮に入れた性能限度の規定を可能にする方法が要望されている。

図４は、本発明の観点による図３のフローチャートに用いられる評価方法の例示のフローチャートである。このフローチャートは、参照符号４００で示されており、図１〜図３を同時に見ると最も良く理解できる。このフローチャート４００では、物理的試験が行われなかった連結性能の物理的手段に基づく判定の方法が開示されている。この方法は、ねじ連結部の先に実施した物理的試験を評価の基礎として利用している。これら物理的試験及びモデル化分析から得られた結果を関連させて一群のねじ連結部を形成する。例えば、コンピュータ処理により決定された密封性走査ファクタ“ｋ”を用いてねじ連結部に関する物理的試験から得られた結果を密封性性能と比較するのが良い。この方法では、特定のねじ連結部を物理的に試験し、これらを利用して他のねじ連結部に関する特性ファクタを定める。エンベロープ又は規定された群内のねじ連結部は、一般的に各ねじ連結部を物理的に試験するのに利用される費用又は時間をかけないで、利用できる。

フローチャートは、ブロック４０２で始まる。ブロック４０４では、評価群の構成要素又はねじ連結部を決定する。評価群の構成要素は、一貫性のある（ばらつきの無い）特徴部、例えば、規定された範囲にわたりシール設計（球形又は円錐形）、ねじ山設計（１インチ当たりのねじ山数、幾何学的形状又は条件）、ショルダ（肩）配設場所等を有するねじ山連結部を含むのが良い。評価群の構成要素をそれぞれの管状部材に関して提供された製造業者の情報に基づきエンベロープ内に収まるよう形成するのが良い。変形例として、評価群の構成要素を管状部材に関する製造業者の情報のモデル化分析から識別しても良い。モデル化分析は、種々のサイズ、種々のねじ山設計又は種々のシール設計のねじ山連結部の中から類似点又は相違点を評価する有限要素解析（ＦＥＡ）を含むのが良い。

評価群の構成要素をいったん識別すると、ブロック４０６に示すように、或る特定の代表的なねじ山連結部について物理的試験を実施するのが良い。或る特定の代表的なねじ山連結部又は構成要素は、評価群からのサブセット又はサブグループであるのが良く、評価群からの別のサブセット又はサブグループには物理的試験を行わないのが良い。物理的試験を評価群の代表的な構成要素について実施して特定の性能特性、例えば連結部密封性、構造的健全性、耐ゴーリング性、耐環境性又は耐疲労性に対する幾何学的許容誤差、荷重条件（曲げ荷重を含む）温度、ねじ山コンパウンド、表面仕上げ等の影響を評価するのが良い。これら物理的試験は、特定の指針に適合した試験プログラムに基づいて実施されるのが良い。これについては、例えば、「コネクション・エバリュエーション・プログラム（Connection Evaluation Program）」，第１版，エクソンモービル（ExxonMobil），２００１年及び「ペトロレウム・アンド・ナチュラル・ガス・インダストリーズ−プロシージュアーズ・フォー・テスティング・ケーシング・アンド・チュービング・コネクションズ（Petroleum and natural gas industries-Procedures for testing casing and tubing connections）」，ＩＳＯ １３６７９，２００２年を参照されたい。次に、モデル化分析、例えばＦＥＡをブロック４０８に示すように、評価群中のねじ連結部の各々について実施する。モデル化分析は、ねじ連結部の設計の標準特性を評価してねじ連結部性能に影響を及ぼす傾向、例えば剛性、シール接触及びショルダ接触を判定することができる。例えば、ＦＥＡモデル化を用いると、適用された境界条件に対する特徴部の応力−歪み応答を計算し又は特徴部相互間の接触圧力を計算することができる。この種の評価は、密封性、構造的健全性、耐ゴーリング性ファクタ、耐環境性ファクタ又は耐疲労性を含む場合がある種々の性能特性について評価群中のねじ連結部相互間の一貫性を確認する際に有用な場合がある。

次に、評価群中のねじ連結部の固有の性能ファクタ、例えば密封性性能又は上述した他のファクタをブロック４１０〜４１６で判定する。ブロック４１０では、固有性能ファクタを評価するのが良い。この評価は、固有性能ファクタに関する値の推定を含むのが良い。例えば、固有性能ファクタが密封性ファクタである場合、連結部が密封を行うと仮定される下限であるが連結部が漏れを生じると仮定される上限の値を推定する。次に、ブロック４１２に示すように、評価群中の或る特定の代表的なねじ連結部に関し、物理的試験結果をモデル化（即ち、ＦＥＡ）結果と比較する。この比較は、種々の加えられた荷重条件下におけるねじ連結部の密封又は漏れ応答を判定するステップを含むのが良い。次に、ブロック４１４において結果がほぼ同じであれば判定を行う。この判定は、しきい範囲に対する考慮を含むのが良い。結果がほぼ同じではなく、結果が特定のしきい範囲から外れている場合、密封性ファクタをブロック４１０において再び評価する。結果がほぼ同じであり、結果が特定のしきい範囲内に収まっている場合、ブロック４１６に示すように、固有性能ファクタを物理的試験が行われなかったねじ連結部の各々に適用する。これは、追加のＦＥＡを実施し、種々の荷重の組合せに関して密封性ファクタを計算することによって行われるのが良い。ブロック４１０で求めた値よりも高い密封性ファクタとの荷重組合せに関し、ねじ連結部は、密封が行われていると見込まれる。ブロック４１０で求めた値よりも低い密封性ファクタとの荷重組合せに関し、ねじ連結部は、漏れを生じていると見込まれる。したがって、プロセスは、ブロック４１８で終わる。

有限要素解析（ＦＥＡ）が性能の判定のために各ねじ連結部について利用されるが、設計及び材料特性が互いにほぼ同じ限られた数のねじ連結部だけを物理的に評価して所与の評価群中のねじ連結部のより広い群分け又は範囲について性能を評価する。また、追加のモデル化を物理的に試験された連結部について行って評価及び試験プログラムの詳細、例えば固有の経路に依存する挙動を捕らえる。試験プログラムからのこのデータを用いると、モデル応答を確認し、先に識別された性能傾向を調節することができる。次に、かかる傾向を用いて評価群中のねじ連結部の各々の密封性性能を定める。このように、限られた物理的試験を行っても、幾何学的条件がほぼ同じねじ連結部及び（又は）ほぼ同じ性能特性を示すねじ連結部を含むねじ連結部群の性能限界を評価することができる。具体的に説明すると、密封性ファクタをＦＥＡと一緒に用いて試験を行った連結部と試験を行わなかった連結部の両方について密封性性能限界を評価する。有利には、固有性能ファクタの使用は、単一の量を評価群の構成要素の各々に適用することができるということにより評価を助ける。

図５は、本発明の或る特定の観点による図４の方法によって形成された種々のねじ連結部及びエンベロープのグラフ図である。図５では、外径（ＯＤ）５０４が２−３／８インチ〜７インチ（６．０３ｃｍ〜１７．７８ｃｍ）の管状部材のねじ連結部が、厚さ／ＯＤ５０２に対してグラフ５００の形態で示されている。このグラフ５００では、ねじ連結部の評価群は、５２個のねじ連結部を含み、これらねじ連結部は、各々、ほぼ同じ特徴部を有すると共にほぼ同じ炭素鋼（即ち、４つの等級を示すＣ７５〜Ｃ９５）で構成されている。これら個々のねじ連結部は各々、種々の点で示されている。これら点は、境界上の点５０８（三角形のマークで表されている）、外部に位置する点５１２（円形のマークで表されている）、内部に位置する点５１０（菱形のマークで表されている）を含む。境界点５０８は、それぞれの用途に関するしきい値を満足させるねじ連結部を規定するエンベロープ５０６を形成している。

本発明のもとで、物理的試験をねじ連結部群の代表的な構成要素に対して行って所与の材料特性範囲内でねじ連結部設計の密封性性能の範囲を捕捉する。この例に関しては、評価群を定め、物理的試験を境界点５０８により表されたねじ連結部に対して行う。次に、ＦＥＡをねじ連結部の各々について行って評価群と関連したシール接触傾向及びショルダ接触傾向を評価する。ＦＥＡ分析から、外部の点５１２である８つのねじ連結部を、これらが８つのねじ連結部試験によっては完全には説明された性能を有するものと判定する。したがって、外部の点５１２と関連したこれらねじ連結部は、評価群から排除され、その結果、４４個のねじ連結部が利用される。

ＦＥＡをいったん完了すると、単一の密封性ファクタを８つの物理的に試験されたねじ連結部のＦＥＡから求める。これらねじ連結部は、試験プログラムの固有の結果を捕捉するために追加のＦＥＡを受ける。密封性ファクタをねじ連結部の物理的試験中に集められたデータと相関させて実際の試験条件、干渉整合、組立てトルク又は他の特定の試験変数に基づいて調節するのが良い。例えば、歪み測定値を用いてショルダ干渉推定値がＦＥＡモデルと正しく組み合わされ、その結果、密封性ファクタの変更が行われているかどうかを確認することができる。

調節が密封性ファクタに対していったん行われると、かかる密封性ファクタを評価群中の残りの３６個のねじ連結部に適用する。即ち、物理的に試験されたねじ連結部の密封性ファクタを標準化されたＦＥＡと共に利用して評価群中の残りの試験されなかったねじ連結部について密封性性能限界を割り当てる。この分析結果として、密封性性能を備えた１７６個のねじ連結部が得られる。この結果を判定する際、物理的試験を８つのねじ連結部についてのみ行い、他方、残りの１６８個のねじ連結部の性能を密封性ファクタを用いてコンピュータ処理で判定した。

単一のエンベロープ５０６に加えて、評価群は、多数のエンベロープ内に収まる状態でねじ連結部又は個々のねじ連結部を含むのが良い。例えば、評価群は、第１の複数の（即ち、群をなす）ねじ連結部及び第２の複数のねじ連結部を含むのが良い。第１及び第２の群を連結部の幾何学的条件に基づいてエンベロープ内に収まるよう形成して評価群を定めるのが良い。変形例として、第１の群及び第２の群を連結部の幾何学的条件に基づいて複数のエンベロープ内に収まるよう形成して評価群を定めても良い。別の実施形態では、第１の複数のねじ連結部及び第２の複数のねじ連結部を、第２の複数のねじ連結部の一部分が第１の複数のねじ連結部により定められる幾何学的条件範囲から外れた状態でエンベロープ内に収まるよう形成する。最後の例として、第１の複数のねじ連結部及び第２の複数のねじ連結部を、第２の複数のねじ連結部の一部分が第１の複数のねじ連結部により定められる幾何学的条件範囲から外れた状態で複数のエンベロープ内に収まるよう形成する。

さらに、上述したように、固有性能ファクタの種々の組合せを利用することができる。例えば、密封性ファクタ及び耐ゴーリング性ファクタを同一の評価群で個々に利用することができる。この種の評価は、上述したのとほぼ同じ仕方で実施できる。次に、結果を組み合わせて両方のファクタを満足しない互いに異なるねじ連結部を排除するのが良い。したがって、この方式に基づいて、２つ、３つ、４つ又は５つ以上の要因を或る特定の評価が得られるよう一緒に利用することができる。

上記に加えて、管状部材は、図２Ａ及び図２Ｂに示された外観とは異なる外観を有しても良いことは注目されるべきである。これらの差は、連結特徴部、例えばシール、ショルダ、ねじ山等の配設場所及び幾何学的条件を含むのが良いが、これらには限定されない。更に、接合機構体が、カプラ又は他のねじ連結部を介して実現されても良い。したがって、これら種々の特徴部は、本発明の技術的範囲に含まれる場合がある。

本発明の技術について種々の改造例及び変形例が考えられるが、上述の例示の実施形態は、例示として示されている。しかしながら、この場合も又、本発明は、本明細書に開示した特定の実施形態には限定されないことは理解されるべきである。確かに、本発明の技術は、特許請求の範囲に記載された本発明の精神及び範囲に属する全ての改造例、均等例及び変形例を含むものである。

Claims (22)

1. ねじ連結部の性能限界の評価と関連した方法であって、
   ねじ連結部の評価群の構成要素を決定するステップを有し、前記評価群は第１の複数の前記ねじ連結部及び第２の複数の前記ねじ連結部を有し、
   前記第１の複数のねじ連結部のそれぞれに対して、所定のトルク範囲のトルクまでねじ連結部を組み立てるステップを有し、
   荷重及び圧力試験範囲内の、複数の荷重及び圧力試験条件で、前記組み立てた第１の複数のねじ連結部の各構成要素に物理的試験を行い、前記試験を行った複数の荷重及び圧力試験条件のそれぞれでの前記試験を行った構成要素の連結性能を試験し、第１の複数の試験を行った連結性能結果を生成するステップを有し、
   前記荷重及び圧力試験範囲内の複数の荷重及び圧力モデル条件で、前記第１の複数のねじ連結部のそれぞれの構成要素にモデル化分析を行い、モデル化された複数の荷重及び圧力モデル条件に対するモデル化連結性能ファクタを決定し、前記第１の複数のねじ連結部の各構成要素に対する第１のモデル化連結性能ファクタを生成するステップを有し、
   前記物理的試験及び前記モデル化分析の各構成要素の結果を比較し、第１の複数のねじ連結部に対する固有の性能ファクタ、前記第１の複数の試験を行った連結性能結果、及び第１の複数のモデル化連結性能ファクタを評価し、前記第１のねじ連結部の各構成要素に対する固有の性能ファクタ限界を決定するステップを有し、
   前記第１の複数のねじ連結部のそれぞれの構成要素に対して決定された各固有の性能ファクタを互いに比較し、試験を行った第１の複数のねじ連結部の構成要素の夫々に対する決定された操作性能を表す第１の複数の構成要素群固有性能ファクタ群限界を決定するステップを有し、
   前記荷重及び圧力試験範囲内の複数の荷重及び圧力モデル条件で、第２の複数のねじ連結部の各構成要素にモデル化分析を行い、前記モデル化された複数の荷重及び圧力モデル化条件に対する第２の複数のモデル化連結性能ファクタを決定し、前記第２の複数のねじ連結部に対して第２の複数のモデル化連結性能ファクタを生成するステップを有し、
   前記第１の複数構成要素固有性能ファクタ群限界を、第２の複数のねじ連結部構成要素に適用して、前記第２の複数のねじ連結部の少なくとも一つに対する性能限界の許容範囲を特定するステップと、を有する方法。
2. 前記評価群は、一貫性のある特徴部を有するねじ連結部を含む、請求項１記載の方法。
3. 前記一貫性のある特徴部は、規定された範囲にわたるシール設計、ねじ山設計、ショルダ配設場所及びこれらの任意の組合せのうちの少なくとも１つを含む、請求項２記載の方法。
4. 前記評価群は、一貫性のある性能特性を示すねじ連結部を含む、請求項１記載の方法。
5. 前記一貫性のある性能特性は、加えられた荷重に対する機械的応答、機械的荷重の変化に対する接触圧力の応答、及び種々の組立て条件に対する接触圧力の応答のうちの少なくとも１つを含む、請求項４記載の方法。
6. 前記第１の複数のねじ連結部及び前記第２の複数のねじ連結部を連結部の幾何学的条件に基づいて少なくとも一つのエンベロープ内に収まるよう形成して前記評価群を特定するステップを有する、請求項１記載の方法。
7. 前記第２の複数のねじ連結部の少なくとも一つに対する性能限界の許容範囲を特定するステップは、前記第１の複数のねじ連結部及び前記第２の複数のねじ連結部を、前記第２の複数のねじ連結部の一部分が前記第１の複数のねじ連結部により定められる幾何学的条件範囲から外れた状態で少なくとも一つのエンベロープ内に収まるよう形成するステップを含む、請求項１記載の方法。
8. 前記モデル化分析は、有限要素解析を含む、請求項１記載の方法。
9. 前記有限要素解析は、適用された境界条件に対する特徴部の応力−歪み応答を計算するプロセス、特徴部相互間の接触圧力を計算するプロセス、及び特徴部の表面のところの歪みを計算するプロセスのうちの少なくとも１つを含む、請求項８記載の方法。
10. 前記ねじ連結部の前記評価群は、炭化水素を産出する際に利用される管状部材相互間のねじ連結部を含む、請求項１記載の方法。
11. 前記物理的試験は、組立て及び始動試験、破損に至るまでの引張り又は圧縮試験、圧潰又は破裂試験、液体密封性又はガス密封性試験、疲労試験、曲げ試験、熱サイクル試験、及び熱的急冷試験のうちの少なくとも１つを含む、請求項１記載の方法。
12. 前記固有性能ファクタは、密封性ファクタ、構造的健全性ファクタ、耐ゴーリング性ファクタ、耐疲労性ファクタ、耐環境性ファクタ、又はこれらの任意の組合せを含む、請求項１記載の方法。
13. 前記密封性ファクタは、加圧リザーバ又は注入流体が２つの管状部材により形成された前記ねじ連結部内にどれほど良好に封入されるかによって定められる、請求項１２記載の方法。
14. 前記固有性能ファクタは、母材の性質、表面仕上げ、特徴部の寸法、及び特徴部相互間の干渉のうち少なくとも一つを含む製造条件に少なくとも部分的に基づいている、請求項１２記載の方法。
15. 前記固有性能ファクタは、前記ねじ連結部の組立て及び設置の際における組立てトルク、組立て速度、及びねじ山コンパウンドのうちの少なくとも１つを含む条件に少なくとも部分的に基づいている、請求項１２記載の方法。
16. 前記固有性能ファクタは、温度、圧力、引張り荷重、圧縮荷重、曲げ荷重、及びねじり荷重のうちの少なくとも１つを含む前記ねじ連結部の使用条件に少なくとも部分的に基づいている、請求項１２記載の方法。
17. 前記密封性ファクタは、前記管状部材を通って運搬される流体に少なくとも部分的に基づいている、請求項１２記載の方法。
18. 前記構造的健全性ファクタは、加えられた荷重がねじ連結部特徴部間でどれほど良好に分布されるかで定められる、請求項１２記載の方法。
19. 前記耐ゴーリング性ファクタは、摩擦摺動に起因する表面損傷がねじ連結部特徴部によりどれほど良好に持ち堪えられるかで定められる、請求項１２記載の方法。
20. 前記耐疲労性ファクタは、繰り返し荷重が前記ねじ連結部の特徴部によってどれほど良好に持ち堪えられるかで定められる、請求項１２記載の方法。
21. 前記耐環境性ファクタは、加えられた荷重並びにその結果としての応力及び歪みが攻撃的な環境の存在下で前記ねじ連結部の特徴部によりどれほど良好に取り扱われるかで定められる、請求項１２記載の方法。
22. 第１の複数の評価群の固有の性能ファクタを、第１の複数のねじ連結部構成要素に適用し、第１の複数の評価群の構成要素の夫々に対する性能限界を特定するステップをさらに有する、請求項１に記載の方法。

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