JP5915608B2 - 耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手 - Google Patents

Description

本発明は、耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手に関し、特に、優れた耐オーバートルク性能（締めすぎてもシールが保てる性能）及び耐圧縮性能（管長手方向の圧縮に耐える性能）を兼備した、耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手に関する。

天然ガス田や油田等の探査・生産に使用される油井管を接続する技術として、雌雄のテーパねじの先端に連なる非ねじ部にメタル-メタルシールを有するねじ継手（プレミアムジョイントと呼ばれる）が広く用いられている。前記ねじ継手には、(ａ)油井管の一端部に雄ねじを設けてピンとし、他端部に雌ねじを設けてボックスとし、該ボックスの雌ねじと前記ピンの雄ねじが螺合するインテグラル方式のものと、（ｂ）油井管の両端部に雄ねじを設けてピンとし、別の管の両端部に雌ねじを設けてボックスとし、該ボックスの一端側の雌ねじと一の油井管のピン部の雄ねじが螺合し、同ボックスの他端側の雌ねじと他の油井管のピンの雄ねじが螺合するカップリング方式のものとの２種類がある。

ピンおよびボックスのねじ設置部分を夫々ねじ部、ピンの最先端部からねじ部の１番目のねじ山にかけての非ねじの部分、及びボックスの最奥端部（ピンの最先端部を当接させる部分）からねじ部の１番目のねじ谷にかけての非ねじの部分を夫々ノーズ部、ピンの最先端部とボックスの最奥端部を夫々ショルダ部（詳しくは、トルクショルダ部）という。ねじ継手を締付けると、ピンとボックスのノーズ部同士が局所的にメタル‐メタル接触し、該接触した箇所がシールの役割を担う。

前記ねじ継手に設けるねじ山の軸方向断面形状は、ＡＰＩ（米国石油協会）規格に規定されたロードフランク角３°、スタビングフランク角１０°の台形が一般的である。ロードフランク角とは、ねじ軸直交線に対するねじ荷重面の傾斜角であり、ねじ荷重面の基端からみてその先端がねじ軸の先端側にある場合を正（＋）、その逆側にある場合を負（−）とする。スタビングフランク角とは、ねじ軸直交線に対するねじ挿入面の傾斜角であり、ねじ挿入面の基端からみてその先端がねじ軸の先端側にある場合を負、その逆側にある場合を正とする。

尚、上記ねじ形状では、油井管の軸方向に圧縮力がかかったとき、ねじ山が浮いてシールが不完全となる問題に対して、ロードフランク角を負にする解決策が知られている（特許文献１、２）。
又、ロードフランク角を負にすると、油井管の接続作業時に雄ねじと雌ねじの荷重面が強接触し、過度の応力集中によりねじの角部が損傷してシールが不完全となる問題に対しては、ねじの荷重面を雄ねじの高さ方向で上下に二分し、上側のロードフランク角を下側よりも小さくする解決策が知られている（特許文献３）。

一方、ねじ継手では、シール干渉量を適正に設計・製作することによりシール性が確保される。シール干渉量とは、ピンとボックスの対応し合う管軸方向の各位置（原点はピン側ではピン最先端を通る管軸直交線と管軸との交点であり、ボックス側ではボックス最奥端を通る管軸直交線と管軸線との交点である。）における両者のノーズ部直径差（＝ピンノーズ部直径（外径）−ボックスノーズ部直径（内径））である。又、締付け状態を保持する為に適宜設定されるねじ干渉量とは、ピンとボックスの対応し合う管軸方向の各位置における両者のねじ部直径差（＝ピンねじ部直径(外径)−ボックスねじ部直径（内径））である。

特許文献１〜３に開示されるねじ継手では、ピンのノーズ部直径（外径）がボックスのノーズ部直径（内径）よりも大きく設計・製造されていた。即ちシール干渉量は正（＋）である。斯かるねじ継手を「従来ねじ継手Ｉ」と称する。
従来ねじ継手Ｉの締付け過程を図２に示す。締付けの進行に伴い、先ずねじ部３の干渉が開始し（図２（ａ））、次いで、シール干渉量が正であることがら、ノーズ部４の干渉が開始し（図２（ｂ））、この干渉によりピン１のノーズ部４は管内径側へ変形する。最後にショルダ部５の干渉が開始し、その後締付けが完了する（図２（ｃ））。

然し、最近の油井あるいはガス井では、その坑路が直線的でなく、途中で曲がったものもある。斯かる油井あるいはガス井においては、油井管を接続しているねじ継手に過大な締め付けトルク（オーバートルク）や、管軸方向の強い圧縮力がかかる場合がある。その場合、図３に示すように、ピン１のノーズ部４はさらに管内径側に変形する。
これに対しては、ショルダ部を管内面側へ厚くすることにより、ショルダ部の面積を増大させ、耐圧縮性能とオーバートルク性能を高めている。さらに大幅な性能向上のために、ノーズ部の内径をねじ部の内径よりも小さくする場合がある。しかし、このようなねじ継手では、オーバートルクや圧縮が加わったときに、ドリフトゲージ（パイプの内部を貫通させ、曲がりを含んだパイプ内径が規定値以上あることを検査するためのゲージ）が通過しない程度にまでシール部の内径が大幅に変形する。よって、管内にさらにケーシングやチュービングを挿入できないという問題が発生する。

斯かる問題の解決手段として、図４に示される処の、雌雄のテーパねじにてねじ結合される雄側のピン１と雌側のボックス２とからなり、これらの双方が互いに対応する部位に、ねじ部３と、該ねじ部３の先端側に順次連なるノーズ部４および該ノーズ部４端のショルダ部５とを有する油井管用ねじ継手において、前記ノーズ部４のシール干渉量を負とし、さらに前記ピン１のショルダ部５に凹部６を設けると共に、前記ボックス２のショルダ部５に、締付け時前記凹部６と干渉してこれを管外径側に摺動させる凸部７を設けた油井管用ねじ継手が知られている（特許文献４）。これを「従来ねじ継手ＩＩ」と称する。

従来ねじ継手ＩＩでは、凹部６と凸部７夫々の外径側の傾斜部がプレシール部８を成し、該プレシール部８からショルダ部５最外径端までがサブシール部９を成している。締付け時に凹部６が凸部７に沿って管外径側へ摺動すると、先ずプレシール部８同士が干渉し、次いでサブシール部９同士が干渉して、これらの干渉により締付け完了時に２つのシールが形成される。この２つのシールはノーズ部４、４間への流体の侵入を防止する。

これにより、図５に示されるように、オーバートルクおよび/または管軸方向の圧縮（オーバートルク・圧縮と略記）が加わっても、シール干渉量を負としているからピン１とボックス２のノーズ部４、４間には隙間が形成されており、この隙間がピン１のノーズ部４の管外径側への変位を容易化しているので、ピン１のノーズ部４の管内径側への変形が抑制される。

特開平６−２８１０５９号公報 特開平６−２８１０６１号公報 再公表特許ＷＯ００/０６９３７ 特開平２００５−２４０８８８号公報

然しながら、発明者らの更なる検討により、従来ねじ継手ＩＩでは、一般的な設計のねじ部（ねじ部の先端側からねじ部全長の１/２以上の長さ領域内のねじ干渉量が正とされる）と組合わせると、締付け過程でプレシール部８が相互接触する前にねじ部３の径方向の干渉が発生している場合があり、この状態のままプレシール部８が相互接触すると、プレシール部８更にはサブシール部９の相互摺動時の接触力が過大となって、焼付きが発生するリスクが高いことが分った。斯かる焼付きが発生すると、所定のシール性を保つのが困難である。

以上の様に、従来ねじ継手ＩＩでは、プレシール部８更にはサブシール部９に焼付きが発生し易く、所定のシール性を保ち難いと云う課題があった。

本発明者らは、前記課題を解決する手段について鋭意検討し、その結果、従来ねじ継手ＩＩにおいて、ノーズ部端からねじ部にかけての或る管軸方向長さ領域内でシール干渉量とねじ干渉量の関係を規定する事が前記課題の解決に繋がると云う知見を得るに至り、この知見に基づいて。以下の要旨構成になる本発明を成した。
（１） 雌雄のテーパねじにてねじ結合される雄側のピンと雌側のボックスとからなり、これらの双方が互いに対応する部位に、ねじ部と、該ねじ部の先端側に順次連なるノーズ部および該ノーズ部端のショルダ部とを有し、前記ノーズ部はシール干渉量δ１を負とし、更に、前記ピンのショルダ部には凹部を設け、且つ前記ボックスのショルダ部には、締付け時前記凹部と干渉してこれを管外径側に摺動させる凸部を設け、前記凸部及び前記凹部の形状を、締付け完了時には前記凹部に連なるピン外径側の端部が前記ボックスに密着する形状としてなる油井管用ねじ継手において、前記ボックスの最奥端からピン挿入口側への管軸方向長さＡが前記δ１に対し、Ａ≧５０×｜δ１｜になる長さ領域である特定長さ領域内で、ねじ干渉量δ０を負で且つ｜δ０｜＜｜δ１｜としたことを特徴とする耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手。

本発明によれば、前記構成を採用したから、優れた耐オーバートルク性能及び耐圧縮性能を兼備した、耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手が得られる。

本発明の実施形態の一例を示す管軸方向断面図である。 従来ねじ継手Ｉのオーバートルク・圧縮時のピン側シール部の変形を示す管軸方向断面図である。 従来ねじ継手Ｉのオーバートルク・圧縮時のピン側ノーズ部の変形を示す管軸方向断面図である。 従来ねじ継手ＩＩの一例とその締付け過程を示す管軸方向断面図である。 図４のねじ継手のオーバートルク・圧縮時のピン側ノーズ部の変形を示す管軸方向断面図である。

本発明は、図１に実施形態の一例を示す通り、雌雄のテーパねじにてねじ結合される雄側のピン１と雌側のボックス２とからなり、これらの双方が互いに対応する部位に、ねじ部３と、該ねじ部３の先端側に順次連なるノーズ部４および該ノーズ部４端のショルダ部５とを有し、前記ノーズ部４はシール干渉量δ１を負とされ、更に、前記ピン１のショルダ部５には凹部６を設け、且つ前記ボックス２のショルダ部５には、締付け時前記凹部６と干渉してこれを管外径側に摺動させる凸部７を設け、前記凸部７及び前記凹部６の形状を、締付け完了時には前記凹部６に連なるピン１外径側の端部が前記ボックス２に密着する（ピン１とボックス２のプレシール部８同士及びサブシール部９同士が互いに密着する）形状としてなる油井管用ねじ継手（これは従来ねじ継手ＩＩに該当する）である事を前提としている。

本発明は、前記前提の下で、前記ボックス２の最奥端からピン１挿入口側への管軸方向長さＡが前記δ１に対し、Ａ≧５０×｜δ１｜になる長さ領域である特定長さ領域１０内で、ねじ干渉量δ０を負（δ０＜０）で且つ｜δ０｜＜｜δ１｜としたことを特徴とする耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手である。
尚、特定長さ領域１０外の管軸方向長さ領域内ではねじ干渉量は正とする。

これにより、ねじ継手締付け時のピン１のノーズ部４の過度の縮径を防止でき、以て、プレシール部８及びサブシール部９に過大な接触力が生じるのを防止できる。
従来ねじ継手ＩＩを前提とするものであっても、特定長さ領域１０の長さＡが５０×｜δ１｜未満であると云う条件、及び特定長さ領域１０内でδ０≧０であると云う条件、及び特定長さ領域１０内で｜δ０｜≧｜δ１｜であると云う条件の何れか一つ以上が成り立つ場合は、ねじ継手締付け時のプレシール部８及びサブシール部９の接触力を有効に低減できず焼付き発生の防止効果に乏しい。

尚、特定長さ領域１０の長さＡを大きくとり過ぎると、ねじ干渉量δ０が正になる長さ領域が過小となって、締付け完了（締付けトルク解除）後にその締付け状態を保持するのが困難となる為、前記長さＡは、ねじ部３の全長の５０％以下とするのが好ましい。

ＡＰＩ−Ｌ８０相当鋼種の外径２４４．５ｍｍ×肉厚１１．９９ｍｍの油井管用鋼管の管端部をねじ切削加工してなるピンと、これに対応するボックスとからなるカップリング方式で、図１に例示した形態とされ、表１に設計条件の水準を示す処の、種々の油井管用ねじ継手を製作し、これらを供試材として、ＩＳＯ１３６７９に準拠した締付け試験において通常の締付け完了時の所定トルクの１．５倍のオーバートルクをかける締付け実験を行って、リーク発生の有無を調査すると共に、実験後のねじ継手を管軸方向に切断し、その断面を観察して、プレシール部及びサブシール部における焼付き発生の有無を調査した。

前記調査の結果を表１に示す。表１に示す通り、本発明例では、焼付き発生は無く、リーク発生も無い良好な継手性能が得られた。

１ ピン
２ ボックス
３ ねじ部
４ ノーズ部
５ ショルダ部
６ 凹部（ピンのショルダ部の凹部）
７ 凸部（ボックスのショルダ部の凸部）
８ プレシール部
９ サブシール部
１０ 特定長さ領域

Claims (1)

1. 雌雄のテーパねじにてねじ結合される雄側のピンと雌側のボックスとからなり、これらの双方が互いに対応する部位に、ねじ部と、該ねじ部の先端側に順次連なるノーズ部および該ノーズ部端のショルダ部とを有し、前記ノーズ部はシール干渉量δ１を負とし、更に、前記ピンのショルダ部には凹部を設け、且つ前記ボックスのショルダ部には、締付け時前記凹部と干渉してこれを管外径側に摺動させる凸部を設け、前記凸部及び前記凹部の形状を、締付け完了時には前記凹部に連なるピン外径側の端部が前記ボックスに密着する形状としてなる油井管用ねじ継手において、前記ボックスの最奥端からピン挿入口側への管軸方向長さＡが前記δ１に対し、Ａ≧５０×｜δ１｜になる長さ領域である特定長さ領域内で、ねじ干渉量δ０を負で且つ｜δ０｜＜｜δ１｜としたことを特徴とする耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手。

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