JP5665653B2 - ダブルショルダ型ツールジョイント - Google Patents

Description

本発明は、ダブルショルダ型ツールジョイントに関し、特に、繰り返し締め付け・締め戻しが行われても水密性に優れるダブルショルダ型ツールジョイントに関する。

大水深掘削や水平井戸の掘削に使用されるドリルパイプは、従来からツールジョイントにより接続されている。ツールジョイントの詳細はＡＰＩ（米国石油協会）規格５ＤＰに規定されている。掘削時に必要な高いトルクを伝達するため、ツールジョイントの外径は管体部の外径より大きな径で形成され、内径は管体部の内径よりも小さな径で形成されるが限度があり、ツールジョイントのトルク性能は、管体部のトルク性能に比べて、一般的に低いものになっている。従って、このような場合、高トルク性能を有するツールジョイントとして、ダブルショルダ型のツールジョイントが提案されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載されたツールジョイントは、ダブルショルダ型のツールジョイントであって、ドリルパイプの一端に形成され雌ネジ部を備えたボックスと、他のドリルパイプの一端に形成され、雄ネジ部を備えたピンとを螺合する管継手である。ドリルパイプは、ボックスとピンとを備えるツールジョイントにより順次ドリルパイプを接続するように構成されている。

ボックスは、その先端に平行で形成されたボックス入口スリーブと、ボックス入口スリーブと所定のテーパで形成された雌ネジ部と、再度形成された平行なボックス端部スリーブと、ボックス端部スリーブの端部から延び管軸に対し直角に形成された内面肩部と、管軸に沿って中空部を提供する管内径部と、ボックスの外周面を形成するボックス外径部とを備える。また、ピンは、管軸と平行な外周面を有するピンノーズと、ピンノーズに続いて形成され、ボックスと同じテーパを有する雄ネジ部と、雄ネジ部に続き、管軸に平行な外周面を有するピンベースと、ピン外径部から管軸に対し直角に形成された外面肩部と、ピンの外周面を形成するピン外径部とを備える。

このような構成とされたダブルショルダ型のツールジョイントは、ボックス入口スリーブの内周面とピンベースの外周面を管軸と平行に形成し、ボックス端部スリーブの内周面とピンノーズの外周面を管軸と平行に形成したため、ピンノーズの肉厚及びボックス入口スリーブの肉厚を従来のものに比べて厚くすることができる。これにより、ボックス入口スリーブ先端部と外面肩部との接触面積及びピンノーズ先端部と内面肩部との接触面積を増加させることができ、耐トルク性能を向上させ、ツールジョイントの寿命を延ばすことができるとされている。

特表２００７−５３０８７５号公報

しかし、ツールジョイントショルダは、締付トルクの受圧面となっている為、繰り返して使用されることで何度も締め付けられることで面粗度の維持管理は難しく、水密性を期待しない。また、ツールジョイント又はそれが複数本繋がれた状態でリグ上の床面に立てかけられる場合があり、ピン側のピンノーズ先端部が受圧面となってこの内面受圧面が損傷を受ける場合もあり、十分な水密性を発揮しない場合もあるという問題があった。

従って、本発明の目的は、ツールジョイントのシール面（ピンノーズ先端部）が損傷を受けにくく、連結して使用した場合の水密性に優れたダブルショルダ型のツールジョイントを提供することにある。

［１］本発明は、上記目的を達成するために、所定の外径のボックス外径部、所定の内径の管内径部、管軸と直交する第１の接触面と内周面を有するボックス入口スリーブ、前記管軸に対して所定のテーパを有する雌ネジ部、前記管軸と直交する第２の接触面と内周面を有するボックス端部スリーブを有し、このボックス端部スリーブにおいて、前記第２の接触面から前進した部位に前記管軸に直交する第３の接触面を備えたボックスと、所定の外径のピン外径部、所定の内径の管内径部、前記第１の接触面に弾性範囲内で接触する第４の接触面と前記ボックス入口スリーブの前記内周面に対応する外周面を有するピンベース、前記雌ネジ部にねじ係合する雄ネジ部、前記第２の接触面に弾性範囲内で接触する前記管軸と直交する第５の接触面と前記ボックス端部スリーブの前記内周面に対応した外周面を有するピンノーズを有し、このピンノーズにおいて、前記第５の接触面から後退した部位に前記第３の接触面に弾性範囲内で接触する前記管軸に直交する第６の接触面を備えたピンと、を有することを特徴とするダブルショルダ型ツールジョイントを提供する。

［２］前記ピンと前記ボックスは、前記雄ネジ部と前記雌ネジ部によりねじ係合され、前記ねじ係合により締め付けた際、前記第１の接触面と前記第４の接触面、前記第３の接触面と前記第６の接触面、前記第２の接触面と前記第５の接触面が順次接触するようそれぞれの接触面の寸法が設定されていることを特徴とする上記［１］に記載のダブルショルダ型ツールジョイントであってもよい。

［３］また、前記第６の接触面と前記第３の接触面とのシール幅は、１ｍｍから２ｍｍに形成されていることを特徴とする上記［１］又は［２］に記載のダブルショルダ型ツールジョイントであってもよい。

［４］また、前記第６の接触面は、前記ピンノーズの前記第２の接触面（ピンノーズ端面）から２ｍｍから５ｍｍの位置に形成されていることを特徴とする上記［１］又は［２］に記載のダブルショルダ型ツールジョイントであってもよい。

［５］また、前記第６の接触面と前記第３の接触面は、それぞれ表面粗さ３２Ｓ以下に形成されていることを特徴とする上記［１］又は［２］に記載のダブルショルダ型ツールジョイントであってもよい。

本発明によれば、ツールジョイントのシール面（ピンノーズ先端部）が損傷を受けにくく、連結して使用した場合の水密性に優れたダブルショルダ型のツールジョイントを提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るダブルショルダ型のツールジョイント、及び、ドリルパイプの全体を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態に係るダブルショルダ型のツールジョイントの図１の管軸に沿う断面図である。 図３（ａ）は、ピンノーズの部分詳細断面図、図３（ｂ）は、ボックス端部スリーブの部分詳細断面図、図３（ｃ）は、ツールジョイントが締結された状態におけるピンノーズとボックス端部スリーブの接触状態を示す部分詳細断面図である。 図４（ａ）は、本発明の実施の形態に係るダブルショルダ型のツールジョイント（ドリルパイプ）の外観図、図４（ｂ）は、比較する従来のダブルショルダ型のツールジョイント（ドリルパイプ）の外観図である。 図５は、横軸を荷重、縦軸を圧力として荷重条件を示すＶＭＥカーブである。

（本発明の実施の形態）
（ツールジョイント、ドリルパイプの全体構成）
図１は、本発明の実施の形態に係るダブルショルダ型のツールジョイント、及び、ドリルパイプの全体を示す図である。このダブルショルダ型のツールジョイント１は、ドリルパイプ４の一端に形成され雌ネジ部２３を備えたボックス２と、他のドリルパイプ４の一端に形成され、雄ネジ部３３を備えたピン３とを螺合する管継手である。ドリルパイプ４は、ボックス２とピン３とを備えるツールジョイント１により順次ドリルパイプ４を接続するように構成されている。

（ツールジョイントの構成）
図２は、本発明の実施の形態に係るダブルショルダ型のツールジョイントの図１の管軸に沿う断面図である。このツールジョイント１は、雌ネジ部２３を有するボックス２と、雄ネジ部３３を有するピン３とから構成される。

ボックス２は、管軸５０と直交する第１の接触面であるボックス入口スリーブ端面２１と内周面２２ａを有するボックス入口スリーブ２２、管軸５０に対して１／６のテーパを有する雌ネジ部２３、管軸５０と直交する第２の接触面である内面肩部端面２５と内周面２４ａを有するボックス端部スリーブ２４を有し、このボックス端部スリーブ２４において、内面肩部端面２５から前進した（内面肩部端面２５からボックス入口スリーブ２２へ進む方向の）部位に管軸５０に直交する第３の接触面であるボックスシール面２８を備えている。また、管軸５０に沿って中空部を提供する管内径部４１と、ボックス２の外周面を形成するボックス外径部２６とを備える。

ボックス外径部２６は、管外径部４０からボックス側テーパショルダ２７を介して徐々に大径になるように形成される。なお、図２においては、雌ネジ部２３及び雄ネジ部３３のネジ部分は、テーパを明瞭に示すために簡略化されている。ここで、ボックス入口スリーブ２２及びボックス端部スリーブ２４は、管軸５０と平行な内周面を有して図示されているが、これに限られない。ボックス入口スリーブ２２及びボックス端部スリーブ２４は、雌ネジ部２３あるいは雄ネジ部３３のテーパよりも小さいテーパであれば良く、特に、管軸５０に対し１／１２以下のテーパであればよい。また、本発明において平行とは、このような小さなテーパを有した実質的に平行なものも含むものとする。また、管軸に対して直角とは、直角のみならず、ほぼ直角なものをも含む意味である。

ピン３は、ボックス入口スリーブ端面２１に接触する第４の接触面である外面肩部端面３５とボックス入口スリーブ２２の内周面２２ａに対応する外周面３４ａを有するピンベース３４、雌ネジ部２３にねじ係合する雄ネジ部３３、内面肩部端面２５に接触する管軸５０と直交する第５の接触面であるピンノーズ端面３１とボックス端部スリーブ２４の内周面２４ａに対応した外周面３２ａを有するピンノーズ３２を有し、このピンノーズ３２において、ピンノーズ端面３１から後退した（ピンノーズ端面３１からピンベース３４へ戻る方向の）部位に管軸５０に直交する第６の接触面であるピンシール面３８を備えている。また、管軸５０に沿って中空部を提供する管内径部４１と、ピン３の外周面を形成するピン外径部３６とを備える。

ピン外径部３６は、管外径部４０からピン側テーパショルダ３７を介して徐々に大径になるように形成される。ここで、ピンノーズ３２及びピンベース３４は、管軸５０と平行な外周面を有して図示されているが、これに限られない。ピンノーズ３２及びピンベース３４は、雌ネジ部２３あるいは雄ネジ部３３のテーパよりも小さいテーパであれば良く、特に、管軸５０に対し１／１２以下のテーパであればよい。

図３（ａ）は、ピンノーズ３２の部分詳細断面図、図３（ｂ）は、ボックス端部スリーブ２４の部分詳細断面図、図３（ｃ）は、ツールジョイントが締結された状態におけるピンノーズ３２とボックス端部スリーブ２４の接触状態を示す部分詳細断面図である。

図１、図２、及び、図３（ａ）に示すように、ピンノーズ３２の先端部分は、最も突出したピンノーズ端面３１と、ピンノーズ端面３１からピンベース３４の方向へ後退した部位にピンシール面３８が形成されている。このピンノーズ端面３１とピンシール面３８は、共に、管軸５０に直交する平面である。ここで、ピンシール面３８は、ドリルパイプ４がボックス２の雌ネジ部２３とピン３の雄ネジ部３３との螺合により接続された状態では、締め付けトルクにより面圧がかかった状態で接触しており、ドリルパイプ４の内部と外部の水密性を保つためのシール機能を確保するために、表面粗さ３２Ｓ以下に形成されていることが好ましい。

一方、図３（ｂ）に示すように、ボックス端部スリーブ２４は、最も奥まった内面肩部端面２５と、内面肩部端面２５からボックス入口スリーブ２２の方向へ前進した部位にボックスシール面２８が形成されている。この内面肩部端面２５とボックスシール面２８は、共に、管軸５０に直交する平面である。ここで、ボックスシール面２８は、ドリルパイプ４がボックス２の雌ネジ部２３とピン３の雄ネジ部３３との螺合により接続された状態では、締め付けトルクにより面圧がかかった状態で接触しており、ドリルパイプ４の内部と外部の水密性を保つためのシール機能を確保するために、表面粗さ３２Ｓ以下に形成されていることが好ましい。

ピンシール面３８とピンノーズ端面３１の間の寸法を図３（ａ）に示すように、Ｌ１とし、ボックスシール面２８と内面肩部端面２５の間の寸法を図３（ｂ）に示すように、Ｌ２とする。ドリルパイプ４を接続する際、雄ネジ部３３を雌ネジ部２３にねじ込むに従い、まず外面肩部端面３５とボックス入口スリーブ端面２１が接触し、次に、ピンシール面３８とボックスシール面２８が接触し、さらにねじ込むことにより、ピンノーズ端面３１と内面肩部端面２５が接触する。このように順次接触するよう、Ｌ１＜Ｌ２と設定されている。ここで、上記の寸法Ｌ１、Ｌ２は、２ｍｍから５ｍｍの範囲に設定されている。ドリルパイプ４をリグ上の床面に立てかけても、ピンシール面３８が変形、打痕等の損傷を受けにくくするためである。尚、Ｌ１、Ｌ２の公差を共に±０．０１ｍｍとすれば、Ｌ１＜Ｌ２とするために、Ｌ２＞Ｌ１＋０．０２ｍｍの寸法で形成される。

ピンシール面３８とボックスシール面２８が接触する幅、すなわち、図３（ｃ）に示すシール幅Ｗは、１ｍｍから２ｍｍに設定されるのが好ましい。水密性を確保すると共に、片当たり等の接触不良を防止するためである。ここで、シール幅Ｗは、隅部に形成されたＲ部や角部に形成されたＣ面取部を除いた寸法である。

また、図３（ｃ）に示すように、ピンノーズ３２の外周面３２ａとボックス端部スリーブ２４の内周面２４ａとのすき間（ピンノーズすき間）の幅を０．５ｍｍ以上となるように構成する。また、同様に、ピンベース３４の外周面３４ａとボックス入口スリーブ２２の内周面２２ａとのすき間（ピンベースすき間）の幅も０．５ｍｍ以上となるように構成する。ドリルパイプ４をボックス２とピン３とにより順次接続する際に構造物の強度の最大化を図りながら、構造物に損傷を与えることのない適性な寸法である。

（寸法例）
上記示した各部の寸法例は、例えば、ドリルパイプ４の全長〜１３５００ｍｍ、パイプ外径６０．２ｍｍ〜１６８．３ｍｍ、内径３８．１ｍｍ〜１２７．０ｍｍ、ピンノーズ長１２．７ｍｍ〜３８．１ｍｍのドリルパイプに適用することができる。

ボックス２及びピン３の材質は、特に限定するものではないが、ＡＰＩ規格５ＤＰの規定に適合する強度を有するものであればよい。

（ツールジョイントの接続）
ボックス２とピン３は、雌ネジ部２３と雄ネジ部３３によりねじ係合され、ねじ係合により締め付けた際、ボックス入口スリーブ端面２１と外面肩部端面３５、ボックスシール面２８とピンシール面３８、内面肩部端面２５とピンノーズ端面３１が順次接触するようそれぞれの接触面の寸法が設定されている。このような寸法が設定がされたツールジョイント１を用いて複数のドリルパイプ４を接続するには、まず、ボックス２とピン３とを相対向させ、ボックス２の開口の中にピン３の先端を入れ、ボックス２とピン３の両方あるいは一方を回転させ、ボックス入口スリーブ端面２１と外面肩部端面３５が接触し、次に、ボックスシール面２８とピンシール面３８が接触し、さらに、内面肩部端面２５とピンノーズ端面３１が順次接触するまで締結する。

ここで、管内径部４１に最も近い内面肩部端面２５とピンノーズ端面３１の接触する面は、内面受圧面として機能する。上記の内面肩部端面２５とピンノーズ端面３１の接触面の近くに平行に位置するピンシール面３８とボックスシール面２８の接触面は、シール面として機能する。また、管外径部４０に最も近いボックス入口スリーブ端面２１と外面肩部端面３５の接触する面は、外面受圧面として機能する。

（締付／締戻し試験）
本発明の実施の形態に係るツールジョイント１、すなわちシールありタイプのダブルショルダ型のドリルパイプの性能評価を、ピンシール面とボックスシール面を有さないシールなしタイプのダブルショルダ型のドリルパイプと比較しながら行なった。

図４（ａ）は、本発明の実施の形態に係るダブルショルダ型のツールジョイント（ドリルパイプ）の外観図、図４（ｂ）は、比較する従来のダブルショルダ型のツールジョイント（ドリルパイプ）の外観図である。図４（ａ）に示すように、本発明の実施の形態に係るダブルショルダ型のツールジョイントは、ピンノーズ３２の先端部分にピンノーズ端面３１から後退した部位にピンシール面３８が形成されている。一方、比較例とするダブルショルダ型のツールジョイントは、ピンノーズ３２の先端部分はすべてピンノーズ端面となっており、ピンシール面に相当する部分はない。

性能評価のための試験結果を以下に示すが、圧力試験の前に水密、気密面であるピンシール面、ボックスシール面、ピンノーズ端面、内面肩部端面に実作業相当の磨耗を与えるために５０回の締付け、締戻しを予め行っている。５０回の締付／締戻し試験を完了し、ベーキング（Baking）を行なった。締付／締戻し時に使用した潤滑剤のシール性への影響を除くためである。ここまで終えた上記図４（ａ）、（ｂ）に示す２体の試験体で、曲げ荷重を含めた内圧・引張複合荷重試験を実施した。これにより、ボックスシール面２８とピンシール面３８の接触によるシール効果による、内圧耐性の優位性を確認する。

図５は、横軸を荷重（Axial Load）、縦軸を圧力(Pressure)として荷重条件を示すＶＭＥカーブである。

（試験条件）
試験条件としては、図５に示すＶＭＥカーブに沿って、ＬＰ（Load Point）１からＬＰ１３まで内圧を上昇させた際の継手からのリーク発生ポイントを調査する。なお、ＬＰ２→ＬＰ２Ｂへ荷重をかける際、曲げ荷重（７．５°／１００ｆｔ）のみでＬＰ２Ｂまで負荷をかける。以降、内圧を２０００ｐｓｉ／ｓｔｅｐで上昇させる。

（試験結果）
[試験体Ｎｏ．１（シール有り）]
図４（ａ）に示す試験体Ｎｏ．１（本発明に係るダブルショルダ型のツールジョイント）はリーク発生せず。
最終ＬＰ１３：Total axial load ２８９．０ｋｉｐｓ（１３１ｔｏｎｆ）、引張荷重 １５０．１ｋｉｐｓ（６８ｔｏｎｆ）、内圧 ２７０００ｐｓｉ（１８６．２ＭＰａ）
試験設備ＦＳＴの限界により、試験を終了した。

[試験体Ｎｏ．２（シールなし）]
図４（ｂ）に示す試験体Ｎｏ．２（従来のダブルショルダ型のツールジョイント）は、ＬＰ６にてリークが発生した。
ＬＰ６ ：Total axial load ４７４．５ｋｉｐｓ（２１５ｔｏｎｆ）、引張荷重 ３９７．３ｋｉｐｓ（１８０ｔｏｎｆ）、内圧 １５０００ｐｓｉ（１０３．４ＭＰａ）
実際には一歩手前のＬＰ５（引張荷重：４８３．５ｋｉｐｓ、内圧：１３０００ｐｓｉ）にて、圧力降下がみられた。

（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態によれば、以下のような効果を有する。
（１）シール面であるピンシール面３８をピンノーズ端面３１から後退した部位（別の面）に設ける構成としたので、ピンシール面３８はパイプの端面受圧面に連続していないためにパイプをリグ上の床面に立て掛けても、シール面がぶつかって損傷することはなく、また、側面からの損傷を受けにくくなっている。
（２）内面受圧面として機能する内面肩部端面２５とピンノーズ端面３１の接触面とは別に、ピンシール面３８とボックスシール面２８が確実に接触する構成とされているので、半径方向の締め代管理の為の厳しい寸法管理等の必要性がない。さらに、シール面が管軸に直角となっている為、球形あるいは斜形のシール面ではなく製造時の寸法測定が容易で特殊な測定器具を準備する必要がない。
（３）ＤＳＴＪ（ダブルショルダ型ツールジョイント）技術において、従来同様の締め付けトルクにより、まず外面の受圧面（ボックス入口スリーブ端面２１と外面肩部端面３５の接触する外面受圧面）があたり、続いて内面の受圧面（内面肩部端面２５とピンノーズ端面３１の接触する内面受圧面）が当たる。このとき、本発明のピンシール面３８とボックスシール面２８の接触面であるシール面は、限りなく内面受圧面に近い部位に位置する。これにより、ピン先端の強度を保ちつつ損傷を受けにくい構造とし、かつ、内圧の上昇によるリークを確実に抑制できる。これにより、ツールジョイントのシール面（ピンノーズ先端部）が損傷を受けにくく、連結して使用した場合の水密性に優れたダブルショルダ型のツールジョイントを提供することができる。
（４）シール幅：１ｍｍから２ｍｍ、内面受圧面からシール面までの段差：２ｍｍから５ｍｍ、シール面の粗さ：３２Ｓ以内とすることにより、平均掘削ドリリングマッド圧７０００ｐｓｉの内圧に耐えうるツールジョイント、ドリルパイプが可能となる。
（５）水孔は隙間や疲労き裂などの貫通疵を漏洩ルートとし水圧圧力により侵食を繰り返し大きな開口部になり、圧力損失によるドリルパイプ先端ビットの掘削効率の低減、あるいは水孔部の破断につながり大きな操業トラブル及び時間ロスになる。しかし、内面受圧面と別に、ピンシール面３８とボックスシール面２８によるシール面を有する構成であるので、シール性能によって水孔発生を抑制でき、リグの大きな操業トラブル防止、休止時間の短縮及びドリルパイプ自身の寿命向上を図ることが可能となる。

尚、本発明は、上記した実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々の変形が可能である。

１…ツールジョイント
２…ボックス
３…ピン
４…ドリルパイプ
２１…ボックス入口スリーブ端面
２２…ボックス入口スリーブ
２２ａ…内周面
２３…雌ネジ部
２４…ボックス端部スリーブ
２４ａ…内周面
２５…内面肩部端面
２６…ボックス外径部
２７…ボックス側テーパショルダ
２８…ボックスシール面
３１…ピンノーズ端面
３２…ピンノーズ
３２ａ…外周面
３３…雄ネジ部
３４…ピンベース
３４ａ…外周面
３５…外面肩部端面
３６…ピン外径部
３７…ピン側テーパショルダ
３８…ピンシール面
４１…管内径部
５０…管軸

Claims (5)

1. 所定の外径のボックス外径部、所定の内径の管内径部、管軸と直交する第１の接触面と内周面を有するボックス入口スリーブ、前記管軸に対して所定のテーパを有する雌ネジ部、前記管軸と直交する第２の接触面と内周面を有するボックス端部スリーブを有し、このボックス端部スリーブにおいて、前記第２の接触面から前進した部位に前記管軸に直交する第３の接触面を備えたボックスと、
   所定の外径のピン外径部、所定の内径の管内径部、前記第１の接触面に弾性範囲内で接触する第４の接触面と前記ボックス入口スリーブの前記内周面に対応する外周面を有するピンベース、前記雌ネジ部にねじ係合する雄ネジ部、前記第２の接触面に弾性範囲内で接触する前記管軸と直交する第５の接触面と前記ボックス端部スリーブの前記内周面に対応した外周面を有するピンノーズを有し、このピンノーズにおいて、前記第５の接触面から後退した部位に前記第３の接触面に弾性範囲内で接触する前記管軸に直交する第６の接触面を備えたピンと、
   を有することを特徴とするダブルショルダ型ツールジョイント。
2. 前記ピンと前記ボックスは、前記雄ネジ部と前記雌ネジ部によりねじ係合され、前記ねじ係合により締め付けた際、前記第１の接触面と前記第４の接触面、前記第３の接触面と前記第６の接触面、前記第２の接触面と前記第５の接触面が順次接触するようそれぞれの接触面の寸法が設定されていることを特徴とする請求項１に記載のダブルショルダ型ツールジョイント。
3. 前記第６の接触面と前記第３の接触面とのシール幅は、１ｍｍから２ｍｍに形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のダブルショルダ型ツールジョイント。
4. 前記第６の接触面は、前記ピンノーズの前記第２の接触面（ピンノーズ端面）から２ｍｍから５ｍｍの位置に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のダブルショルダ型ツールジョイント。
5. 前記第６の接触面と前記第３の接触面は、それぞれ表面粗さ３２Ｓ以下に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のダブルショルダ型ツールジョイント。