JP6528292B2 - ダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管 - Google Patents

Description

本発明は、ダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管に関し、特に、疲労特性向上のための応力緩和機能を備え、地中掘削用に使用されるドリルパイプ、ヘビーウェイトドリルパイプ、ランディングストリング等の掘削用鋼管に好適に適用される、ダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管に関する。

ドリルパイプの疲労に関しては幾つか制約や規定があるが、ＡＰＩ（米国石油協会、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）規格のｓｐｅｃ７ＧやＤＳ−１が一つのガイドラインとして使われている。例えば、疲労に関する負荷曲げ応力と可能回転数である許容繰り返し数との関係がＡＰＩｓｐｅｃ．７Ｇに記載されている。さらに、ＡＰＩｓｐｅｃ．７Ｇは、井戸の傾斜角度を３３ｍ達する毎の偏狭角度で表し、６度以下なら回転可能だがそれ以上の場合はビット先端部のみを回転して掘削するという掘削条件を提示している。

しかし、いずれの場合も、疲労が問題となるのは肉厚の薄いドリルパイプ管体で、両管端のツールジョイント部ではなかった。従って、高深度・傾斜掘りが進む中でのツールジョイント部への高負荷化への対応は、管体の静的なねじり耐力や引張耐力を考慮して使用されていれば、ＡＰＩ規格のツールジョイント（ねじ継ぎ手）、特にダブルショルダ型ツールジョイントにおいては大きな問題はなかった。しかし、ドリルカラーで代表される管体の肉厚がツールジョイントより肉厚の厚いものでは、ツールジョイント部が強度上ネックとなる。すなわち、ドリルパイプで最も脆弱な部分となる。このような場合は、雄ねじ部（外ねじ部）の首元平行部にグルーブ加工を施すことが推奨されている（ＡＰＩ ｓｐｅｃ． ７Ｇ）。

従来技術では、このＡＰＩｓｐｅｃ．７Ｇに適用されているような、ピンネック部の応力緩和溝（Ｓｔｒｅｓｓ Ｒｅｌｉｅｆ Ｇｒｏｏｖｅ、以下「ＳＲＧ」とする）加工やねじ山の形状を大幅に変更するもの、ねじ部の全長に亘ってねじ底の半径を大きくするものが一般的であった。

また、ねじ継ぎ手の疲労強度向上に関しては、以下の技術も開示されている。特許文献１は、ＡＰＩねじ継ぎ手のボックス内面側に円筒形のリング状の部品（環状部）を配することにより、ある程度のメークアップ（締付け）トルクを受け持つことができる、高トルク・高疲労強度の継ぎ手を開示している。特許文献２は、使用中にショルダ部の十分な接触を保持するために弾性変形能の高いリングをショルダ面に配する技術を開示している。特許文献３、特許文献４、特許文献５は、ねじ山の高さを徐々に変化させることにより、ショルダからの反力をより多くのねじ山に分散させる技術を開示している。さらに、反力の分散方法として、特許文献６は、ねじ山に切れ目を入れることによりねじ山の剛性を低下させる方法を開示し、特許文献７は、逆にねじ谷底に切れ込みを入れる方法を開示している。

特開平０６−２８１０６０号公報 特開平０７−２６００５４号公報 特開平０２−３５２０８号公報 特開平０１−４８９８８号公報 特開平０４−１５７２８３号公報 特開２００５−２２１０３８号公報 実開平０４−６６４８３号公報

従来技術では、ツールジョイントの雄ねじ部の首元平行部のＳＲＧ加工やねじ部の加工などが、各々単独で提案されていた。このような個別対応では、的確な応力集中緩和を目的とする設計が難しく、不要な加工による加工時間の延長及び加工費の増大、あるいは不要な加工による構造物の強度要素減少に起因する強度低下を招いていた。特に、ねじ部の形状の変更は、ツールジョイントの性能に由来する危険断面積を犠牲にすることになるため推奨できない。

上記以外の対策としては、全体の設計変更や材料自体の強度向上などが考えられる。前者の場合は、製品の汎用性が無くなるため検査器具を別途準備する必要があり、コスト増となる。また、複雑な品質管理が必要となるため販売推進を損ねる。後者の場合は、パイプとの接合に使用される摩擦圧接における強度バランスを考慮すれば、ツールジョイントの材料の強度を更に上げることは推奨できない。例えば、機械試験値に問題が生じる（高硬度及び低靭性は脆性をもたらす）と考えられる。従って、限られた強度見直しと限られた形状変更などの多くの制約を考慮しながら、ＡＰＩ規格の掘削用鋼管の本来の性能を落とすことなく疲労強度のみの向上を図る必要がある。その際には、最もネックとなる箇所の危険断面積を減らすことなく掘削用鋼管の設計を行うことが重要である。

特許文献１に記載された技術によれば、円筒形のリング状部品を配することにより、ＡＰＩねじ継ぎ手においてはトルクの向上及び疲労強度の向上を期待することができる。しかし、元々内面側にショルダを持つダブルショルダ型ツールジョイントにおいては上記の効果は期待できない。特許文献２に記載された弾性リングでは、ツールジョイントの材料と異種の材料を使用する必要があるため、異種金属接触腐食を発生させる可能性がある。特許文献３、４、５に記載された技術において、ねじ山の高さを変更するだけではショルダの反力を十分に分散することは難しく、結果的にねじ山側面の受圧面積を下げることとなり、疲労強度の向上を望むことはできない。特許文献６、７に記載された技術によれば、ねじ部の形状が非常に複雑となり、機械加工が非常に難しくなるとともに、加工時間の増加やコスト増を招くことになる。

従って、本発明の目的は、所定形状のねじ部形状を大幅に変更することなく、応力集中緩和が可能で、疲労特性に優れたダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管を提供することにある。

［１］本発明の一の特徴によれば、上記目的を達成するために、所定形状の雄ねじ部を有するピン部と、
前記雄ねじ部と螺合する雌ねじ部を有するボックス部と、を有し、
前記雄ねじ部の径大側の近位端の３以下の連続ねじ山及び／又は前記雌ねじ部の径小側の近位端の３以下の連続ねじ山のそれぞれのスタビングフランク面はＲ加工部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有する掘削用鋼管を提供する。
［２］［１］に記載のダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管において、前記ピン部は、前記ピン部の首元部に２つ以上のＲからなる他のＲ加工部を有してもよい。
［３］［１］又は［２］に記載のダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管において、前記Ｒ加工部のＲ加工底の最小断面積は、前記雄ねじ部又は前記雌ねじ部のねじ底の危険断面積と同じであってもよい。
［４］［１］から［３］のいずれか１つに記載のダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管において、前記所定形状は、ＡＰＩ規格に基づくねじ部形状であり、前記Ｒ加工は後加工により形成されたものであってもよい。
［５］本発明の他の特徴によれば、
所定形状の雄ねじ部を有するピン部と、
前記雄ねじ部と螺合する雌ねじ部を有するボックス部と、を有し、
前記雄ねじ部及び／又は雌ねじ部のそれぞれの１またはそれ以上の不完全ねじ部は前記雄ねじ部及び／又は雌ねじ部の他方側の１またはそれ以上の完全ねじ山と螺合するように構成され、
前記他方側の１またはそれ以上の完全ねじ山のスタビングフランク面はＲ加工部を有し、
前記他方側の前記１またはそれ以上の完全ねじ山のロードフランク面はＲ加工部を有しない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有する掘削用鋼管を提供する。
［６］［５］に記載のダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管において、前記ピン部は、前記ピン部の首元部に２つ以上のＲからなる他のＲ加工部を有してもよい。
［７］［５］又は［６］に記載のダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管において、前記Ｒ加工部の底の最小断面積は、前記雄ねじ部又は前記雌ねじ部のねじ底の危険断面積と同じであってもよい。
［８］［５］から［７］のいずれか１つに記載のダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管において、前記所定形状は、ＡＰＩ規格に基づくねじ部形状であり、前記Ｒ加工部は後加工により形成されたものであってもよい。
［９］［１］から［４］のいずれか１つに記載のダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管において、前記雄ねじ部の前記径大側の前記近位端の３以下の連続ねじ山及び前記雌ねじ部の前記径小側の前記近位端の３以下の連続ねじ山のそれぞれのロードフランク面はＲ加工部を有しない。
［１０］［１］から［４］及び［９］のいずれか１つに記載のダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管において、前記雄ねじ部の前記径大側の前記近位端の３以下の連続ねじ山及び／又は前記雌ねじ部の前記径小側の前記近位端の３以下の連続ねじ山は不完全ねじ山を含む。

本発明によれば、所定形状のねじ部形状を大幅に変更することなく、応力集中緩和が可能で、疲労特性に優れたダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管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ツールジョイントを有する掘削用鋼管の全体、及び、その掘削用鋼管を連結した状態を示す図である。 図２Ａは、本発明の第１の実施の形態に係るダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管の雄ねじ部の首元部における図１の管軸に沿う部分断面図である。 図２Ｂは、図２ＡのＡ部詳細断面図である。 図３は、図２Ａで示す雄ねじ部首元部におけるＲ加工（ＳＲＢ加工）の方法を説明するための、掘削用鋼管の雄ねじ部の首元部における図１の管軸に沿う部分断面図である。 図４は、本発明の第１の実施の形態に係るダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管の雌ねじ部の根元部における図１の管軸に沿う部分断面図である。 図５Ａは、ダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管の雄ねじ部の首元部におけるＡＰＩねじ部形状のままの有限要素解析（ＦＥＡ：Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ）による応力解析図である。 図５Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係るダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管の雄ねじ部の首元部においてＡＰＩねじ部形状にＳＲＢ加工を施した場合のＦＥＡによる応力解析図である。 図６は、本発明の第２の実施の形態に係るダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管の雄ねじ部の首元部における図１の管軸に沿う部分断面図である。 図７は、図６で示す雄ねじ部首元部におけるＲ加工（ＳＲＢ加工及びＳＲＧ加工）の方法を説明するための、掘削用鋼管の雄ねじ部の首元部における図１の管軸に沿う部分断面図である。 図８Ａは、ダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管の雄ねじ部の首元部におけるＡＰＩ形状のままのＦＥＡによる応力解析図である。 図８Ｂは、本発明の実施の形態に係るダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管の雄ねじ部の首元部においてＡＰＩ形状にＳＲＧ加工を施した場合のＦＥＡによる応力解析図である。 図９Ａは、本発明の実施の形態に係るダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管の継ぎ手の疲労試験機を示す図である。 図９Ｂは、比較材のダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管の継ぎ手の破断した試験体を示す図である。

（ツールジョイント、油掘削用鋼管の全体構成）
図１は、本発明の実施の形態に係るダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管１の全体、及び、その掘削用鋼管を連結した状態を示す図である。このダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管１（以下、「掘削用鋼管１」と言う。）は、ドリルパイプ管体４と、端部にそれぞれ形成された雌ねじ部（内ねじ部）２０を備えたボックス部２と雄ねじ部（外ねじ部）３０を備えたピン部３で構成されている。ボックス部２及びピン部３は、ダブルショルダ型ツールジョイントを構成する。掘削用鋼管１は、図１に示すように、一方の掘削用鋼管１のボックス部２と他方の掘削用鋼管１のピン部３とが、一方の掘削用鋼管１の雌ねじ部２０と他方の掘削用鋼管１の雄ねじ部３０の螺合により連結される。掘削用鋼管１の連結は、必要数だけ行なわれる。

なお、本明細書において、「ＳＲＧ加工」とは、応力緩和溝（ＳＲＧ：Ｓｔｒｅｓｓ Ｒｅｌｉｅｆ Ｇｒｏｏｖｅ）を雄ねじ部径大側の付け根（近位端）とピンショルダ面とのコーナー部分に設けるための加工、特にＲ加工をいうものとする。また、「ＳＲＢ加工」とは、応力緩和底（ＳＲＢ：Ｓｔｒｅｓｓ Ｒｅｌｉｅｆ Ｂｏｔｔｏｍ）を、ねじ底（ねじ底点はＰで示される）を起点にスタビングフランク面にかけて設けるための加工、特にＲ加工をいうものとする。ここで、Ｒ加工（Ｒｏｕｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）とは、円弧、所定の曲率、これらの組合せにより加工を施すことである。

（本発明の第１の実施の形態）
図２Ａは、本発明の第１の実施の形態に係るダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管１の雄ねじ部３０の首元部３３における図１の管軸ＣＬに沿う部分断面図である。また、図２Ｂは、図２ＡのＡ部詳細断面図である。

図２Ａ、図２Ｂに示す雌ねじ部２０、雄ねじ部３０は、ＡＰＩ規格に規定されたドリルパイプの標準的なねじ継手のねじ形状を有している。本実施の形態では、雄ねじ部３０において、首元部３３が径大側で（近位端で）ピンノーズ端面３２が径小側（遠位端）となるテーパねじ（例えば、ＡＰＩ Ｓｐｅｃ．７）を使用する。

図２Ａに示すように、ボックス部２の雌ねじ部２０とピン部３の雄ねじ部３０とは、螺合して噛合（ねじ嵌合）している。噛合により、ダブルショルダを構成するピン部３のピンショルダ面３１とボックス部２のボックス端面２２は接触（当接）している。また、後述する図４で示すピン部３のピンノーズ端面３２とボックス部２のボックスショルダ面２１も接触（当接）している。すなわち、ダブルショルダ型ツールジョイントの外ショルダ（ピンショルダ面３１とボックス端面２２の当接部）、内ショルダ（ボックスショルダ面２１とピンノーズ端面３２の当接部）は、雌ねじ部２０と雄ねじ部３０との噛合により当接し、シール機能を発揮すると共に、掘削用鋼管の回転トルクの伝達を行なう。

ここで、図２Ａ、図２Ｂに示すように、雌ねじ部２０と雄ねじ部３０の噛合状態では、雌ねじ部２０のねじ山の一方のフランク面（ロードフランク面）４０が雄ねじ部３０のねじ山の一方のフランク面と当接するが、雌ねじ部２０のねじ山の他方のフランク面（スタビングフランク面）４１は雄ねじ部３０の次のねじ山の片側斜面と当接しない。

ボックス部２の雌ねじ部２０とピン部３の雄ねじ部３０との噛合により、図２Ａに示すように、ピンショルダ面３１とボックス端面２２が当接する。後述する図４で示すピンノーズ端面３２とボックスショルダ面２１が当接する。ねじ部（雌ねじ部２０と雄ねじ部３０）では、ロードフランク面４０が、雌ねじ部２０のねじ山の一方のフランク面と雄ねじ部３０の次のねじ山の一方のフランク面が当接する際の荷重面となっている。

（雄ねじ部のＳＲＢ加工部）
ダブルショルダ型ツールジョイントでは、ツールジョイント同士のメークアップ（締め付け）により内ショルダ及び外ショルダに高い面圧が生じ、特に外ショルダではこの面圧により曲げ応力に対する高い疲労特性が発揮される。このショルダ部の面圧の反力を雄ねじ部３０の径大側の近位端の３連続ねじ山が受け持ち、３連続ねじ山までのねじ谷部や、雄ねじ首元および不完全ねじの谷部では集中応力が生じ、大きい引張応力が発生する。従ってこの部分が最も疲労破壊しやすい部分となる。そこで、この問題を解決するために、雄ねじ部３０の近位端の３以下の連続ねじ山までの谷部のスタビングフランク面４１に、元のねじ底半径よりも大きいＲとなるようにＳＲＢ加工を施す。すなわち、ＳＲＢ加工を施す近位端のねじ山の数は最大で３であり、１または２でもよい。

雄ねじ部３０のＳＲＢ加工部３７は、ピン部３の雄ねじ部３０の径大側の近位端の３以下の連続ねじ山のそれぞれのスタビングフランク面４１にＲ加工を施した部分である。ＳＲＢ加工部３７は、応力緩和のためのＲ加工部であり、ねじ谷部のスタビングフランク面４１側にのみ形成されている。

図２Ａ、図２Ｂに示すように、雄ねじ部３０のＳＲＢ加工部３７は、雄ねじ部３０の首元部（近位端）３３の径大側において、不完全ねじ部を含む３以下の連続ねじ山のスタビングフランク面４１に、ＳＲＢ加工を施すことにより形成される。換言すれば、雌ねじ部２０の不完全ねじ部と螺合する雄ねじ部３０の完全ねじ山のスタビングフランク面４１にＳＲＢ加工が施してある。上記した２つの表現により規定されたＲ加工部は実質的に同じであり、いずれの場合においても後述する効果が得られる。

ＳＲＢ加工部３７は、そのＲ加工底の最小断面積が雄ねじ部３０のねじ底の危険断面積と同じ又はそれ以上に設定されている。ここで、危険断面は雄ねじ部３０、雌ねじ部２０ともに、いずれもねじの噛合部から外れる各々の断面であって、雄ねじ危険断面積は、雄ねじ部３０のねじ噛合部の中で径大側最終噛合雄ねじ（最近位噛合雄ねじ）底の断面積、雌ねじ危険断面積は、雌ねじ部２０のねじ噛合部の中で径小側最終噛合雌ねじ（最遠位噛合雌ねじ）底の断面積である。ただし、ねじはスパイラルなので安全をみて最終噛合ねじの危険断面積を最終噛合部の危険断面積とする。

図２Ａ、図２Ｂに示されるダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管１においては、雄ねじ部３０のねじ底Ｐが雄ねじ危険断面積を規定する径Ｄとして用いられる。ＳＲＢ加工部３７は、この径Ｄを最小の加工径として、スタビングフランク面４１の側にＲ加工される。

図３は、図２Ａで示す雄ねじ部３０の首元部３３におけるＲ加工（ＳＲＢ加工）の方法を説明するための、掘削用鋼管１の雄ねじ部３０の首元部３３における図１の管軸ＣＬに沿う部分断面図である。図３において、掘削用鋼管１は、その管軸ＣＬを中心に旋回され、バイトＢＴ１によりＲ加工（ＳＲＢ加工）が施される。バイトＢＴ１は、既に加工されたＡＰＩ規格によるねじ底の半径Ｒよりも大きな半径であるＳＲＢ加工部の加工半径（Ｒ１）に等しくなるようにノーズ半径がＲ１に形成された総形バイトである。

図３に示すように、ＡＰＩねじ部形状に後加工（追加工）として、切削加工を施す。雄ねじ部３０の首元部３３の径大側において、不完全ねじ部を含む３以下の近位端の連続ねじ山のスタビングフランク面４１に対して切削加工する。あるいは、雌ねじ部２０の不完全ねじ部と螺合する雄ねじ部３０の完全ねじ山のスタビングフランク面４１に切削加工する。

バイトＢＴ１の送りは、ねじピッチに等しくされる。また、図３に示す雄ねじ部３０のねじ底Ｐが雄ねじ危険断面積を規定する径Ｄとすると、この径Ｄを最小の加工径として切込み量が設定される。

詳細な加工寸法は、後述するＦＥＡの結果等から応力緩和の期待できる範囲で加工時間ロスを最小とする条件で決定した。ねじ底についてはネジ底の表面粗さＲａ値自体は変更せず、各ショルダの反力を受ける面からの応力集中を下げるスタビングフランク面４１のみ、少し大きな１ｍｍから１．３ｍｍ程度の曲率半径のＲ加工でねじ底とスタビングフランク面４１を繋いで応力集中を防いでいる。

（雌ねじ部のＳＲＢ加工部）
雌ねじ部２０のＳＲＢ加工部２７は、ボックス部２の雌ねじ部２０の径小側で近位端の３以下の連続ねじ山のそれぞれのスタビングフランク面４１にＳＲＢ加工を施すことにより形成される。ＳＲＢ加工部２７は、応力緩和のためのＲ加工部であり、ねじ谷部のスタビングフランク面４１側にのみ形成されている。

図４に示すように、雌ねじ部２０のＳＲＢ加工部２７は、雌ねじ部２０の根元部２３の径小側において、不完全ねじ部を含む３以下の連続ねじ山のスタビングフランク面４１にＳＲＢ加工を施すことにより形成される。換言すれば、雄ねじ部３０の不完全ねじ部と螺合する雌ねじ部２０の完全ねじ山のスタビングフランク面４１にＳＲＢ加工が施される。

ＳＲＢ加工部２７は、そのＲ加工底の最小断面積は、雌ねじ部２０のねじ底の危険断面積と同じ又はそれ以上に設定されている。

雌ねじ部２０のＳＲＢ加工部２７は、雄ねじ部３０のＳＲＢ加工部３７と同様に、既に加工されたＡＰＩ規格によるねじ底の半径Ｒよりも大きな半径であるＳＲＢ加工部２７の加工半径Ｒ１に等しくなるようにノーズ半径が形成された総形バイトＢＴ１により、スタビングフランク面４１の側の雌ねじ部２０の谷部にＳＲＢ加工を施すことにより形成される。詳細な加工寸法についても、雄ねじ部３０のＳＲＢ加工部３７と同様である。

図５Ａは、ダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管におけるＡＰＩ規格のねじ部形状を備えた雄ねじ部３０の首元部３３の有限要素解析（ＦＥＡ、Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ）による応力解析図である。また、図５Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係るダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管１において、ＡＰＩ規格のねじ部形状を備えた雄ねじ部３０の首元部３３にＳＲＢ加工を施した場合のＦＥＡによる応力解析図である。

図５Ａ、図５Ｂは、各ねじ部の山部、谷部について、メッシュを細かく設定して、グレースケール表示により示した応力分布である。この分析結果によれば、図５Ａに示す元のＡＰＩねじ部形状のままでは、雄ねじ部３０の近位端の３つの連続ねじ山のねじ底（谷部）に応力の高い領域があり、応力集中があることがわかる。これに対して、図５Ｂに示す本発明の第１の実施の形態では、雄ねじ部３０の近位端の３つの連続ねじ山のねじ底（谷部）にＳＲＢ加工部３７を施している。図５Ａの応力値及び応力集中領域との比較から、雄ねじ部３０の近位端の３つの連続ねじ山のねじ底（谷部）の応力集中は緩和されていることがわかる。

（本発明の第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態で示したＳＲＢ加工に加えて、ピン部３の雄ねじ部３０の首元部３３にＲ加工としてＳＲＧ加工を施すものである。

（ＳＲＧ加工部）
図６は、本発明の第２の実施の形態に係るダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管１の雄ねじ部３０の首元部３３における図１の管軸ＣＬに沿う部分断面図である。ＳＲＧ加工部３５は、ピン部３の雄ねじ部３０の首元部３３に２つ以上のＲからなるＲ加工を施した部分である。ＳＲＧ加工部３５は、応力緩和のためのＲ加工部である。

雄ねじ部３０の首元部３３の不完全ねじを含む部分をＳＲＧ加工することにより、不必要なねじ谷が除去される。さらにこのＳＲＧ加工部３５をできるだけ深くすることにより、隣接する最初のねじ谷部の集中応力を低下させるという相乗的な効果が得られる。しかしながら、必要以上にＳＲＧ加工部３５の深さを増すことは、継ぎ手の静的な引張強さを低下させるため、最も効果的であるＳＲＧ加工部３５の底の最小断面積を継ぎ手の強さを決定するねじ底の危険断面積と同じになるようにした。

図６は、２つ以上のＲからなるＲ加工を施す例として、３つのＲからなるＳＲＧ加工部３５を有する場合の図である。ＳＲＧ加工部３５は、ＳＲＢ加工部３７と同様に、そのＲ加工底の最小断面積は、雄ねじ部３０のねじ底の危険断面積となる最終ねじ山底の径Ｄを割らない範囲で最大となるＲ２と、Ｒ２とピンショルダ面３１を滑らかに結ぶＲ３と、Ｒ２と最終ねじ山に繋がる部位とを滑らかに結ぶＲ４と、で構成される。なお、図６に示すように、上記で示した雄ねじ部３０のねじ底の危険断面積となる最終ねじ山底の径Ｄは、雄ねじ部３０のＳＲＢ加工部３７の危険断面積を規定する径Ｄと同じである。

図７は、図６で示す雄ねじ部３０の首元部３３におけるＲ加工（ＳＲＢ加工及びＳＲＧ加工）の方法を説明するための、掘削用鋼管１の雄ねじ部３０の首元部３３における図１の管軸ＣＬに沿う部分断面図である。ＳＲＢ加工は、第１の実施の形態と同様であるので、以下においては、ＳＲＧ加工について説明する。

図７に示すように、掘削用鋼管１は、その管軸ＣＬを中心に旋回され、バイトＢＴ２によりＲ加工（ＳＲＧ加工）が施される。３つのＲ（Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）の最小のＲであるＲ３のノーズ半径以下に形成された総形バイトＢＴ２を使用する。バイトＢＴ２の送り、切込み量を適宜設定することにより、Ｒ加工底の最小断面積が雄ねじ部３０のＳＲＧ加工部３５の危険断面積となる最終ねじ山底の径Ｄと同じ、又は、それ以上となるようにＲ加工（ＳＲＧ加工）する。

図８Ａは、ダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管のＡＰＩ規格のねじ部形状を備えた雄ねじ部３０の首元部３３のＦＥＡによる応力解析図である。また、図８Ｂは、本発明の実施の形態に係るダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管１においてＡＰＩ形状にＳＲＧ加工を施した場合の雄ねじ部３０の首元部３３のＦＥＡによる応力解析図である。

図８Ａ、図８Ｂにおける応力分布と応力数値を比較すると、雄ねじ部３０の首元部３３側の最終ねじ山のねじ底と雄ねじ部３０の近位端の３つの連続ねじ山のねじ底の応力集中が緩和されていることがわかる。

（比較例）
図９Ａは、本発明の実施の形態に係るダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管１の継ぎ手の疲労試験機１００を示す図である。また、図９Ｂは、比較材のダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管のツールジョイント部が破断した試験体１１０を示す図である。

疲労試験では、実管（ダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管）を用いた引張−引張疲労試験を、実施例及び比較例の各々２個の試験体（Ｎ＝２）で実施してその効果を確認した。
試験条件として、比較例として、従来の掘削用鋼管（エヌケーケーシームレス鋼管製 ＤＳＴＪ−ＮＣ３１）である２個の試験体を準備した。実施例として、従来の掘削用鋼管（エヌケーケーシームレス鋼管製 ＤＳＴＪ−ＮＣ３１）にＳＲＧ加工とＳＲＢ加工の両方を行った２個の試験体を準備した。
表１はその試験結果である。

注）破断個所はねじ部でなく試験体のチャック部（管体）であった。

表１の結果において、比較例のＳＲＧ加工部及びＳＲＢ加工部無しの試験体１−１及び１−２はいずれもねじ部で破断した。これに対して、実施例のＳＲＧ加工部とＳＲＢ加工部の両方を有する試験体２−１及び２−２は、注記したように、ねじ部では破断せず、チャック部（管体）において破断した。この結果から、ＳＲＧ加工及びＳＲＢ加工無しのダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管に比較して、本発明の実施の形態に係るＳＲＧ加工とＳＲＢ加工の両方を行ったダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管では、ねじ部において少なくとも倍の寿命であることが確認された。これは、ねじ部における応力集中が緩和されたことにより、疲労耐性が向上したものと考えられる。

（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）第１の実施の形態によれば、ピン部３の首元部３３の径大側において、不完全ねじ部を含む近位端の３以下の連続ねじ山のそれぞれのスタビングフランク面４１にＲ加工部（ＳＲＢ加工部３７）が設けられている。あるいは、雌ねじ部２０の不完全ねじ部と螺合する雄ねじ部３０の完全ねじ山のそれぞれのスタビングフランク面４１にＲ加工部（ＳＲＢ加工部２７）が設けられている。この構成により、ねじ底の部分への応力集中が緩和され、疲労耐性が向上する。
（２）不完全ねじ部を含む近位端の３以下の連続ねじ山のスタビングフランク面４１にＲ加工部を設けている。しかし、ロードフランク面４０にはＲ加工部を設けないので、ねじ山に加わる荷重に対する曲げ強度が低下することはなく、継ぎ手（ツールジョイント）の強度を低下させることがない。
（３）第２の実施の形態によれば、ピン部３の雄ねじ部３０の首元部３３に２つ以上のＲからなるＲ加工部であるＳＲＧ加工部３５が設けられている。この構成により、ねじ底の部分への応力集中が緩和され、疲労耐性が向上する。
（４）Ｒ加工部（ＳＲＢ加工部３７、ＳＲＢ加工部２７、ＳＲＧ加工部３５）は、そのＲ加工底の最大断面積が、雌ねじ部２０又は雄ねじ部３０のねじ底の危険断面積と同じ又はそれ以上に設定されている。この構成により、ツールジョイントで最も脆弱な箇所の危険断面積を減らすことなく、応力集中を緩和して疲労耐性を向上させることができる。
（５）Ｒ加工部（ＳＲＢ加工部３７、ＳＲＢ加工部２７、ＳＲＧ加工部３５）は、
所定形状、例えば、ＡＰＩ規格に基づくねじ部形状に後加工（追加工）として施すことができる。この構成により、従来のＡＰＩ規格に基づくダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管を利用することができる。
（６）雄ねじ部及び雌ねじ部の基本的なねじ形状はＡＰＩと同じとすることで、従来のＡＰＩ製品の検査に用いられる汎用的な検査工具を使用できる。さらに、ＡＰＩ製品の従来の検査方法をそのまま適用することでも十分な品質管理が可能となる。
（７）本実施の形態では、掘削用鋼管のダブルショルダ型ツールジョイントのネジ継ぎ手部にＲ加工を施しているので、繰り返し締め付け・締め戻しが行われる継ぎ手部のピン、ボックス噛合部において、回転掘削中の曲げによる応力の応力集中を的確に緩和することができる。また、上記のねじを持つツールジョイントは、特に厚肉で高い曲げ荷重が加わるヘビーウェイトドリルパイプやランディングストリング等にも有効に作用する。
（８）本発明の上記の構成によれば、ドリルパイプの高強度化あるいは厚肉化に伴うツールジョイントの相対的な強度低下への対応が出来るようになった。これに伴う疲労強度向上により、ヘビーウォールドリルパイプのドリリング使用の可能性が拡がり、より深い井戸の掘削が可能になる。

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。例えば、ピンショルダ面３１とボックス端面２２で構成する外ショルダのみを有するシングルショルダ型ツールジョイント及びそれを有する掘削用鋼管にも適用可能である。

本発明は、疲労特性向上のための応力緩和機能を備え、ダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管を提供する。さらに、本実施の形態に係るダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管は、種々の掘削、地中掘削用ドリルパイプ、ヘビーウェイトドリルパイプ、ランディングストリング等に好適に適用できるが、特に、石油掘削用鋼管として好適に適用可能である。

１…ダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管
２…ボックス部
３…ピン部
４…ドリルパイプ管体
２０…雌ねじ部
２１…ボックスショルダ面
２２…ボックス端面
２３…ボックス根元部
２７…ＳＲＢ加工部
３０…雄ねじ部
３１…ピンショルダ面
３２…ピンノーズ端面
３３…ピン首元部
３５…ＳＲＧ加工部
３７…ＳＲＢ加工部
４０…ロードフランク面
４１…スタビングフランク面
１００…疲労試験機
１１０…試験体

Claims (10)

1. 所定形状の雄ねじ部を有するピン部と、
   前記雄ねじ部と螺合する雌ねじ部を有するボックス部と、を有し、
   前記雄ねじ部の径大側の近位端の３以下の連続ねじ山及び／又は前記雌ねじ部の径小側の近位端の３以下の連続ねじ山のそれぞれのスタビングフランク面はＲ加工部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有する掘削用鋼管。
2. 前記ピン部は、前記ピン部の首元部に２つ以上のＲからなる他のＲ加工部を有する請求項１に記載のダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管。
3. 前記Ｒ加工部のＲ加工底の最小断面積は、前記雄ねじ部又は前記雌ねじ部のねじ底の危険断面積と同じである請求項１又は２に記載のダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管。
4. 前記所定形状は、ＡＰＩ規格に基づくねじ部形状であり、前記Ｒ加工は後加工により形成されたものである請求項１から３のいずれか１項に記載のダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管。
5. 所定形状の雄ねじ部を有するピン部と、
   前記雄ねじ部と螺合する雌ねじ部を有するボックス部と、を有し、
   前記雄ねじ部及び／又は雌ねじ部のそれぞれの１またはそれ以上の不完全ねじ部は前記雄ねじ部及び／又は雌ねじ部の他方側の１またはそれ以上の完全ねじ山と螺合するように構成され、
   前記他方側の１またはそれ以上の完全ねじ山のスタビングフランク面はＲ加工部を有し、
   前記他方側の前記１またはそれ以上の完全ねじ山のロードフランク面はＲ加工部を有しない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有する掘削用鋼管。
6. 前記ピン部は、前記ピン部の首元部に２つ以上のＲからなる他のＲ加工部を有する請求項５に記載のダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管。
7. 前記Ｒ加工部の底の最小断面積は、前記雄ねじ部又は前記雌ねじ部のねじ底の危険断面積と同じである請求項５又は６に記載のダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管。
8. 前記所定形状は、ＡＰＩ規格に基づくねじ部形状であり、前記Ｒ加工部は後加工により形成されたものである請求項５から７のいずれか１項に記載のダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管。
9. 前記雄ねじ部の前記径大側の前記近位端の３以下の連続ねじ山及び前記雌ねじ部の前記径小側の前記近位端の３以下の連続ねじ山のそれぞれのロードフランク面はＲ加工部を有しない請求項１から４のいずれか１項に記載のダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管。
10. 前記雄ねじ部の前記径大側の前記近位端の３以下の連続ねじ山及び／又は前記雌ねじ部の前記径小側の前記近位端の３以下の連続ねじ山は不完全ねじ山を含む請求項１から４及び９のいずれか１項に記載のダブルショルダ型ツールジョイントを有する掘削用鋼管。