JP6919967B2 - 油井管用ねじ継手 - Google Patents

Description

本発明は、一般に油井やガス井の探査や生産に使用される油井管、すなわちＯＣＴＧ（oil country tubular goods）などの鋼管の接続に最適な、シール性に優れた油井管用ねじ継手に関する。

ねじ継手は、油井管など産油産業設備に使用される鋼管の接続に広く使用されている。オイルやガスの探索や生産に使用される鋼管の接続には、従来、ＡＰＩ（米国石油協会）規格に規定された標準的なねじ継手が典型的には使用されてきた。しかし、近年、原油や天然ガスの井戸は深井戸化が進み、垂直井から水平井や傾斜井等が増えていることから、掘削、生産環境は苛酷化している。また、海洋や極地など劣悪な環境での井戸の開発が増加していることなどから、耐圧縮性能、耐曲げ性能、外圧シール性能（耐外圧性能）など、ねじ継手への要求性能は多様化している。そのため、プレミアムジョイントと呼ばれる高性能の特殊ねじ継手を使用することが増加しており、その性能への要求もますます増加している。 プレミアムジョイントは、通常、各パイプに、テーパねじ、メタルタッチシール部（以下、シール部と称する場合もある）、トルクショルダ部（以下、ショルダ部と称する場合もある）を備える雄ねじ部材と雌ねじ部材とを結合したカップリング形式の継手である。テーパねじは管継手を強固に固定するために重要である。メタルタッチシール部は雌ねじ部材（以下、ボックスと称する）と雄ねじ部材（以下、ピンと称する）が接触することでシール性を確保する役目を担い、トルクショルダ部は継手の締め付け中にストッパの役目を担うショルダ面となる。

図３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、カップリング形式の油井管用プレミアムジョイントを模式的に説明する図であり、これらは円管のねじ継手の管軸方向の断面図である。ねじ継手は、ピン１と、これに対応するボックス２を備える。ピン１は、その外面に、雄ねじ部４と、ピン１の先端に雄ねじ部４に隣接して設けられたノーズ部５と呼ばれるねじ無し部とを有する。ノーズ部５は、その外周面にメタルタッチシール部７を有し、その端面にはトルクショルダ部９を有する。相対するボックス２は、その内面に、それぞれピン１の雄ねじ部４、メタルタッチシール部７、およびトルクショルダ部９と螺合するか、または接触することができる部分である、雌ねじ部３、メタルタッチシール部８、およびトルクショルダ部１０を有する。

シール性を改善したプレミアムジョイントに関する従来技術として、例えば、特許文献１には、ピン側のシール部の表面と、これに対応するボックス側のシール部の表面の曲率半径をほぼ同一にすることにより、ピンとボックスを完全にかみ合わせた時の応力集中を小さくし、内圧や外力が加わってもシールを破れ難くした管継手が記載されている。

特開昭６０−２６０７９２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ピン側およびボックス側のシール部の表面を３つの円弧に分け、ほぼ同一の曲率半径にしているが、円弧の位置を明確に規定しておらず、嵌合時のシール部の十分な接触状態を必ずしも担保できないため、シール性の確保に課題を有していた。

本発明は係る問題に鑑み、シール性に優れた油井管用ねじ継手を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題達成のため、鋭意研究を行った結果、次の知見を得た。

本発明では、ピンのシール部をなす環状外周面部の円弧の一部とボックスのシール部をなす環状内周面部の円弧の一部との曲率半径の差を所定の範囲にすること、かつ、ピンのシール部をなす環状外周面部の円弧の一部とボックスのシール部をなす環状内周面部の円弧の一部との中心位置を管軸方向距離の差で２ｍｍ以下に近接させることにより、シール性を大幅に向上できることがわかった。

本発明は前述の知見に基づいてなされたものであり、以下を要旨とするものである。
［１］鋼管の先端側に環状外周面部と、該環状外周面部から鋼管の軸方向に鋼管の中央に向けて雄ねじ部を設けたピンと、前記ピンを内部に収容する空洞を有し、該空洞に前記雄ねじ部に螺合する雌ねじ部と、前記環状外周面部に接触、衝合する環状内周面部を設けたボックスとを有し、前記雄ねじ部と前記雌ねじ部が螺合することにより前記ピンと前記ボックスが結合されて前記環状外周面部と前記環状内周面部が接触し、その接触部がシール部をなす油井管用ねじ継手であって、前記ピンの前記シール部をなす前記環状外周面部を凸円弧状に、前記ボックスの前記シール部をなす前記環状内周面部を凹円弧状に形成し、前記ピンの前記環状外周面部の円弧に対する前記ボックスの前記環状内周面部の円弧の曲率半径の差を±１０％以内とし、前記ピンの前記環状外周面部の円弧の中心位置と前記ボックスの前記環状内周面部の円弧の中心位置との管軸方向距離の差が２ｍｍ以下とする油井管用ねじ継手。
［２］前記ピンの前記環状外周面部の円弧の中心位置と前記ボックスの前記環状内周面部の円弧の中心位置との管軸方向距離の差が１ｍｍ以下とする［１］に記載の油井管用ねじ継手。
［３］前記ピンのシール部とショルダ部を前記環状外周面部の円弧よりも小さな円弧で接続し、かつ前記ボックスのシール部とショルダ部を前記環状内周面部の円弧よりも小さな円弧で接続する［１］または［２］に記載の油井管用ねじ継手。
なお、本発明において、シール性に優れたとは、ＩＳＯ１３６７９：２００２に準拠したシール性評価試験を行った場合に、８０％以上の圧縮応力を負荷してもリークが発生しないことをいう。

本発明によれば、シール性に優れた油井管用ねじ継手が得られる。

図１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、本発明の実施形態の一例を説明する結合された油井管用ねじ継手の断面図であり、それぞれ図１Ａは、管軸方向断面図、図１Ｂは、結合中のシール部近傍の一部拡大断面図、図１Ｃは、結合後のシール部近傍の一部拡大断面図である。 図２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、図１Ａにおけるシール部近傍の一部拡大断面図であり、それぞれ図２Ａは、ノーズ部付近を示す拡大断面図、図２Ｂは、シール部付近を示すボックスの拡大断面図、図２Ｃは、シール部付近を示すピンの拡大断面図である。 図３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、従来の鋼管用ねじ継手の一例を示す断面図であり、それぞれ図３Ａは、管軸方向断面図、図３Ｂは、結合後のシール付近を示す拡大断面図、図３Ｃは、結合後のねじ部分を示す拡大断面図である。

以下、本発明について詳細に説明する。図１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、本発明の実施形態の一例を説明する油井管用ねじ継手の断面図であり、それぞれ図１Ａは、管軸方向断面図、図１Ｂは、結合中のシール部近傍の一部拡大断面図、図１Ｃは、結合後のシール部近傍の一部拡大断面図である。

本発明の油井管用ねじ継手は、例えば、図１Ａ，１Ｂに示すように、ピン１とボックス２がねじ結合により結合された鋼管用ねじ継手である。ピン１は、雄ねじ部４と、雄ねじ部４より管端側に延在するノーズ部５を有し、ノーズ部５は先端に設けられたショルダ部９とショルダ部９に隣接するシール部７を有する。ボックス２は、ピンを内部に収容する空洞を有し、雄ねじ部４とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部３と、ピン１のシール部７に相対するシール部８と、ピン１のショルダ部９に当接するショルダ部１０とを有する。本発明では、ピン１は、鋼管の先端側に環状外周面部１２を設け、相対するボックス２は、管状外周面部に接触、衝合する環状内周面部１３を設ける。ねじ結合によりピン１とボックス２が結合され、ピン１のシール部７とボックス２のシール部８とがメタル‐メタル接触して、その接触部がシール部１１をなす。

本発明では、図１Ｃに示すように、ねじ継ぎ手における、ピン１の環状外周面部１２の円弧とボックス２の環状内周面部１３の円弧との曲率半径をほぼ等しくし、かつピン１のシール部１１をなす環状外周面部の円弧Ｐ_１（１４）（以下、ピンのシール部をなす円弧と称する場合もある）の中心位置（Ｃ_ｐ）とボックス２のシール部１１をなす環状内周面部の円弧Ｂ_１（１５）（以下、ボックスのシール部をなす円弧と称する場合もある）の中心位置（Ｃ_ｂ）との管軸方向距離ΔＬを近接させる。ここで、シール部をなす円弧とは、干渉量（図１Ｃ、図２Ａの斜線部の幅）のもっとも大きい部分の円弧をいう。

ピン１のシール部１１をなす環状外周面部１２を凸円弧状に、相対するボックス２のシール部１１をなす環状内周面部１３を凹円弧状に形成することにより、相補的な接触により接触長を長くすることが可能となる。この結果、シール性能の向上を実現できる。
上述のシール性向上の効果を得るためには、ピン１の環状外周面部の円弧Ｐ_１（１４）の曲率半径Ｒ_ｐ２に対するボックス２の環状内周面部の円弧Ｂ_１（１５）の曲率半径Ｒ_ｂ２の差（（Ｒ_ｐ２−Ｒ_ｂ２）/Ｒ_ｐ２×１００）は、±１０％以内とする。
一方、±１０％超では、シール部の接触長を十分に確保できないため、本発明で目的とするシール性を確保できない。

ピン１のシール部１１をなす環状外周面部の凸円弧Ｐ_１（１４）と、ボックス２のシール部１１をなす環状内周面部の凹円弧Ｂ_１（１５）とを十分な接触長をもって接触させるためには、上述の条件に加えて、シール部１１をなすピン１の円弧Ｐ_１（１４）およびシール部１１をなすボックス２の円弧Ｂ_１（１５）の各中心位置（Ｃ_ｐ，Ｃ_ｂ）を、管軸方向位置で近接させる必要がある。そこで、発明者らは、シール部１１をなすピン１の円弧Ｐ_１（１４）およびボックス２の円弧Ｂ_１（１５）の各中心位置（Ｃ_ｐ，Ｃ_ｂ）を管軸方向距離ΔＬで近接させるために、種々の検討を行った。この結果、ピンの円弧Ｐ_１およびボックスの円弧Ｂ_１の中心位置（Ｃ_ｐ，Ｃ_ｂ）を管軸方向距離ΔＬの差で２ｍｍ以下に近接することにより、シール性能を向上できることがわかった。好ましくは、ピンの円弧Ｐ_１およびボックスの円弧Ｂ_１の中心位置（Ｃ_ｐ，Ｃ_ｂ）の管軸方向距離ΔＬの差は、１ｍｍ以下とする。一方、ピンの円弧Ｐ_１およびボックスの円弧Ｂ_１の中心位置（Ｃ_ｐ，Ｃ_ｂ）の管軸方向距離ΔＬの差が２ｍｍ超えでは、円弧同士がきちんと接触せずに片当たりとなるために十分な接触長が確保できず、シール性を確保できない。

ここで、ピンのシール部をなす環状外周面部の円弧Ｐ_１の中心位置（Ｃ_ｐ）とボックスのシール部をなす環状内周面部の円弧Ｂ_１の中心位置（Ｃ_ｂ）について説明する。図２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、図１Ａにおけるシール部近傍の一部拡大断面図であり、シール部とショルダ部を１つの小さな円弧で接続した場合の設計例である。
図２Ａ，２Ｂ，２Ｃに示すように、ピンのシール部をなす環状外周面部の円弧Ｐ_１の中心位置（Ｃ_ｐ）は、ピン１の先端Ｐ_ｔから管状外周面部の円弧Ｐ_１（１４）の中心位置Ｃ_ｐまでの距離Ｌ_ｐで表せる。また、ボックスのシール部をなす環状内周面部の円弧Ｂ_１の中心位置（Ｃ_ｂ）は、ボックス２の先端Ｂ_ｔから管状内周面部の円弧Ｂ_１（１５）の中心位置Ｃ_ｂまでの距離Ｌ_ｂで表せる。

ねじ結合の際、ピンとボックスの位置はショルダ面９，１０が当たった位置にて軸方向位置がほぼ決定されるため、ピン１の先端Ｐ_ｔおよびボックス２の奥端Ｂ_ｔは、弾性変形の起点となる。そのため、ピン１の先端Ｐ_ｔおよびボックス２の奥端Ｂ_ｔから各円弧の中心位置Ｃ_ｐ、Ｃ_ｂまでの距離Ｌ_ｐ，Ｌ_ｂが重要となる。各円弧の中心位置Ｃ_ｂ、Ｃ_ｐは近接するほど、シール部は十分な接触長をもって接触できるため、本発明では重要な条件である。したがって、ピンおよびボックスのシール部をなす円弧の中心位置は、式（１）〜（３）を満たすように設計する。
Ｌ_ｂ＝Ｒ_ｂ１＋（Ｒ_ｂ２−Ｒ_ｂ１）×ＣＯＳθ_ｂ１ ・・・（１）
Ｌ_ｐ＝Ｒ_ｐ１＋（Ｒ_ｐ２−Ｒ_ｐ１）×ＣＯＳθ_ｐ１ ・・・（２）
ΔＬ＝｜Ｌ_ｂ−Ｌ_ｐ｜≦２ｍｍ ・・・（３）
ここで、
Ｌ_ｂ：ボックスのシール部をなす円弧の中心位置Ｃ_ｂとボックスの奥端Ｂ_ｔまでの管軸方向距離
Ｌ_ｐ：ピンのシール部をなす円弧の中心位置Ｃ_ｐとピンの先端Ｐ_ｔまでの管軸方向距離
ΔＬ＝｜Ｌ_ｂ−Ｌ_ｐ｜：ボックスおよびピンのシール部をなす円弧の中心位置Ｃ_ｂ、Ｃ_ｐにおける管軸方向距離の差
Ｒ_ｂ１：ボックスのシール部１５とショルダ部１０を接続する小さな円弧の半径
Ｒ_ｂ２：ボックスのシール部１５をなす円弧Ｂ_１の半径
Ｒ_ｐ１：ピンのシール部１４とショルダ部９を接続する小さな円弧の半径
Ｒ_ｐ２：ピンのシール部１４をなす円弧Ｐ_１の半径
θ_ｂ１：ボックスのシール部１５とショルダ部１０を接続する小さな円弧の中心角
θ_ｐ１：ピンのシール部１４とショルダ部９を接続する小さな円弧の中心角
とする。

シール部の円弧の半径Ｒ_ｂ２、Ｒ_ｐ２は４ｍｍ以上３０ｍｍ以下とするのが好ましい。半径の値が小さすぎるとシール部の接触長が不十分となりシール性能を確保できなくなる。一方で半径の値を大きくしすぎるとノーズ長を極端に長くしないと設計できなくなり、長すぎるノーズは剛性が低下するため十分な面圧が確保できなくなりシール性能を確保できなくなる。

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されない。

ＡＰＩ ５ＣＴの鋼種Ｑ１２５の外径９−５/８インチ×肉厚０．５４５インチ（外径２４４．４８ｍｍ×肉厚１３．８４ｍｍ）において、表１に示す各水準の諸元を有するピンと、これに対応（嵌合）するボックスとで構成されるねじ継手を設計し、製作した。なお、図２Ａ，２Ｂ，２Ｃに示すようにシール部とショルダ部を１つの小さな円弧で接続した設計を行った。

これらのねじ継手を対象に、ＩＳＯ１３６７９：２００２に準拠したシール性評価試験を行った。試験難易度はＣＡＬ IVで、試験サンプルは＃５の１サンプルとした。本発明では、ＡＰＩ ５ＣＴの鋼種Ｑ１２５の降伏強度に基づいて算出されるＶＭＥの９５％負荷曲面に対して８０％以上の圧縮応力を負荷してもリークが発生しない場合をシール性評価試験合格とした。以上により得られた結果を、表１に併せて示す。

表１に示す通り、本発明の油井管用ねじ継手（水準Ｎｏ．１〜４：本発明例）は、いずれの水準においても、ＡＰＩ ５ＣＴの鋼種Ｑ１２５の降伏強度に基づいて算出されるＶＭＥの９５％負荷曲面に対して８０％以上の圧縮応力を負荷してもリークが発生することなく、シール性評価試験は合格となった。特に、ボックスおよびピンのシール部をなす円弧の中心位置における管軸方向距離の差ΔＬを１ｍｍ以下とした場合（水準Ｎｏ．３、４）には、ＡＰＩ ５ＣＴの鋼種Ｑ１２５の降伏強度に基づいて算出されるＶＭＥの９５％負荷曲面に対して１００％の圧縮応力を負荷してもリークが発生することなくシール試験合格となり、最もシール性に優れていることがわかる。一方、本発明の範囲を外れる油井管用ねじ継手（水準Ｎｏ．５〜８：比較例）は、いずれもシール性に劣っている。

以上のことより、ピンの円弧Ｐ_１に対するボックス２の円弧Ｂ_１の曲率半径の差を±１０％以内とし、かつピンのシール部をなす円弧の中心位置とボックスのシール部をなす円弧の中心位置との管軸方向距離の差ΔＬを±２ｍｍ以内として設計することにより、シール性に優れた継手を実現可能なことがわかった。

１ ピン
２ ボックス
３ 雌ねじ部
４ 雄ねじ部
５ ノーズ部
７、８ メタルタッチシール部
９、１０ ショルダ部（トルクショルダ部）
１１ シール部
１２ 環状外周面部
１３ 環状内周面部
１４ シール部をなす環状外周面部の円弧Ｐ_１
１５ シール部をなす環状内周面部の円弧Ｂ_１

Claims (3)

1. 鋼管の先端側に環状外周面部と、該環状外周面部から鋼管の軸方向に鋼管の中央に向けて雄ねじ部を設けたピンと、
   前記ピンを内部に収容する空洞を有し、該空洞に前記雄ねじ部に螺合する雌ねじ部と、前記環状外周面部に接触、衝合する環状内周面部を設けたボックスとを有し、
   前記雄ねじ部と前記雌ねじ部が螺合することにより前記ピンと前記ボックスが結合されて前記環状外周面部と前記環状内周面部が接触し、その接触部がシール部をなす油井管用ねじ継手であって、
   前記ピンの前記シール部をなす前記環状外周面部を凸円弧状に、前記ボックスの前記シール部をなす前記環状内周面部を凹円弧状に形成し、
   前記ピンの前記環状外周面部の円弧に対する前記ボックスの前記環状内周面部の円弧の曲率半径の差を−１０〜＋１％とし、
   以下の式（１）、式（２）及び式（３）を満たす油井管用ねじ継手。
   Ｌ_ｂ＝Ｒ_ｂ１＋（Ｒ_ｂ２−Ｒ_ｂ１）×ＣＯＳθ_ｂ１ ・・・式（１）
   Ｌ_ｐ＝Ｒ_ｐ１＋（Ｒ_ｐ２−Ｒ_ｐ１）×ＣＯＳθ_ｐ１ ・・・式（２）
   ΔＬ＝｜Ｌ_ｂ−Ｌ_ｐ｜≦２ｍｍ ・・・式（３）
   ここで、
   Ｌ_ｂ：前記ボックスの前記シール部をなす円弧Ｂ_１の中心位置Ｃ_ｂと前記ボックスの奥端Ｂ_ｔとの管軸方向距離
   Ｌ_ｐ：前記ピンの前記シール部をなす円弧Ｐ_１の中心位置Ｃ_ｐと前記ピンの先端Ｐ_ｔとの管軸方向距離
   ΔＬ＝｜Ｌ_ｂ−Ｌ_ｐ｜：前記ボックスの前記シール部をなす円弧Ｂ_１の中心位置Ｃ_ｂから前記ボックスの奥端Ｂ_ｔまでの管軸方向距離と、前記ピンの前記シール部をなす円弧Ｐ_１の中心位置Ｃ_ｐから前記ピンの先端Ｐ_ｔまでの管軸方向距離との差である。
   θ _ｂ１ ：前記ボックスにおける前記シール部及びショルダ部を接続する円弧の中心角であり、５０°以上７０°以下である。
   θ _ｐ１ ：前記ピンにおける前記シール部及びショルダ部を接続する円弧の中心角であり、５８°以上７０°以下である。
   Ｒ_ｂ１：前記ボックスにおける前記シール部及び前記ショルダ部を接続する円弧の半径であり、０．８ｍｍ以上１．４ｍｍ以下である。
   Ｒ_ｂ２：前記ボックスの前記シール部をなし、且つ中心角θ _ｂ２ が（９０−θ _ｂ１ ）°未満である円弧Ｂ_１の半径であり、４ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。
   Ｒ_ｐ１：前記ピンにおける前記シール部及びショルダ部を接続する円弧の半径であり、１．１〜２．５ｍｍである。
   Ｒ_ｐ２：前記ピンの前記シール部をなし、且つ中心角θ _ｐ２ が（９０−θ _ｐ１ ）°である円弧Ｐ_１の半径であり、４ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。
2. 前記式（３）におけるΔＬを１ｍｍ以下とする請求項１に記載の油井管用ねじ継手。
3. 前記ピンの前記シール部と前記ショルダ部を前記環状外周面部の円弧よりも小さな１つの円弧で接続し、かつ前記ボックスの前記シール部と前記ショルダ部を前記環状内周面部の円弧よりも小さな１つの円弧で接続する請求項１または２に記載の油井管用ねじ継手。

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