WO2018037781A1 - 油井管用ねじ継手 - Google Patents

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山口　正男
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    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/02—Couplings; joints
    • E21B17/04—Couplings; joints between rod or the like and bit or between rod and rod or the like
    • E21B17/042—Threaded
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L15/00—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints
    • F16L15/001—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with conical threads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16L15/00—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints
    • F16L15/06—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints characterised by the shape of the screw-thread

Definitions

  • the present invention relates to a threaded joint for oil well pipes that is optimal for connecting steel pipes such as oil well tubulars generally used for exploration and production of oil wells and gas wells, that is, OCTG (oil country tubular goods).
  • Threaded joints are widely used to connect steel pipes used in oil industry equipment such as oil well pipes.
  • API American Petroleum Institute
  • standard threaded joints defined in API (American Petroleum Institute) standards have typically been used for connecting steel pipes used for oil and gas exploration and production.
  • the wells for crude oil and natural gas have been deepened, and the number of vertical wells, horizontal wells, inclined wells, etc. has increased, and the drilling and production environment has become severe.
  • the demand for screw joints such as compression resistance, bending resistance, and external pressure seal performance (external pressure resistance) has diversified due to the increased development of wells in poor environments such as the ocean and polar regions. ing.
  • a premium joint usually has a male screw member and a female screw member each having a taper screw, a metal touch seal portion (hereinafter also referred to as a seal portion), and a torque shoulder portion (hereinafter also referred to as a shoulder portion) in each pipe. Is a coupling type coupling.
  • the taper screw is important for firmly fixing the pipe joint.
  • the metal touch seal part plays a role of ensuring sealing performance by contacting a female screw member (hereinafter referred to as a box) and a male screw member (hereinafter referred to as a pin), and the torque shoulder part serves as a stopper during tightening of the joint. It becomes the shoulder side to bear.
  • 3A, 3B, and 3C are diagrams schematically illustrating a coupling-type premium joint for oil well pipes, and these are cross-sectional views in the pipe axis direction of a threaded joint of a circular pipe.
  • the threaded joint includes a pin 1 and a box 2 corresponding thereto.
  • the pin 1 has a male screw portion 4 on its outer surface and a screwless portion called a nose portion 5 provided adjacent to the male screw portion 4 at the tip of the pin 1.
  • the nose portion 5 has a metal touch seal portion 7 on its outer peripheral surface, and a torque shoulder portion 9 on its end surface.
  • the opposing box 2 is a part that can be screwed or contacted with the male thread part 4, the metal touch seal part 7, and the torque shoulder part 9 of the pin 1 on the inner surface thereof, respectively.
  • a touch seal portion 8 and a torque shoulder portion 10 are provided.
  • Patent Document 1 discloses that the curvature radius of the surface of the pin-side seal portion and the corresponding surface of the box-side seal portion is substantially the same.
  • a pipe joint is described in which the stress concentration when the pin and the box are completely engaged is reduced, and the seal is not easily broken even when internal pressure or external force is applied.
  • the present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a threaded joint for an oil well pipe having excellent sealing properties.
  • the present inventors obtained the following knowledge as a result of intensive studies to achieve the above-mentioned problems.
  • the difference in the radius of curvature between a part of the arc of the annular outer peripheral surface part forming the seal part of the pin and a part of the arc of the annular inner peripheral surface part forming the seal part of the box is set within a predetermined range, and By bringing the center position of a part of the arc of the annular outer peripheral surface part forming the seal part of the pin and a part of the arc of the annular inner peripheral surface part forming the seal part of the box close to 2 mm or less by the difference in the distance in the tube axis direction, It was found that the sealing performance can be greatly improved.
  • the box is coupled, the annular outer peripheral surface portion and the annular inner peripheral surface portion are in contact with each other, and the contact portion is a threaded joint for an oil well pipe that forms a seal portion, and the annular outer peripheral surface portion that forms the seal portion of the pin protrudes
  • the circular inner peripheral surface portion forming the seal portion of the box is formed in a concave arc shape in a circular arc shape, and a difference in the radius of curvature of the circular inner peripheral surface portion of the box with respect to the circular arc of the annular outer peripheral surface portion of the pin Within ⁇ 10% ,
  • the pin the annular outer peripheral surface of the center of the arc position and the box of the annular inner peripheral surface of the center of the arc position and the pipe axis direction between an oil well pipe threaded joint for a difference to 2mm below of.
  • FIG. 1A, 1B, and 1C are cross-sectional views of a threaded joint for oil well pipes illustrating an example of an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view in the axial direction of the pipe
  • FIG. 1C is a partially enlarged cross-sectional view of the vicinity of the seal part after being joined.
  • 2A, 2B, and 2C are partially enlarged sectional views in the vicinity of the seal portion in FIG. 1A.
  • FIG. 2A is an enlarged sectional view showing the vicinity of the nose portion
  • FIG. 2B is an enlarged sectional view of the box showing the vicinity of the seal portion.
  • FIG. 2C is an enlarged cross-sectional view of the pin showing the vicinity of the seal portion.
  • FIG. 3A, 3B, and 3C are cross-sectional views showing an example of a conventional threaded joint for steel pipes.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view in the tube axis direction
  • FIG. 3B is an enlarged cross-sectional view showing the vicinity of the seal after joining.
  • FIG. 3C is an enlarged cross-sectional view showing the threaded portion after being joined.
  • FIG. 1A, 1B, and 1C are cross-sectional views of an oil well pipe threaded joint for explaining an example of an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view in the axial direction of the pipe
  • FIG. 1C is a partially enlarged cross-sectional view of the vicinity of the seal portion after joining.
  • the threaded joint for oil country tubular goods of the present invention is a threaded joint for steel pipes in which a pin 1 and a box 2 are coupled by screw coupling as shown in FIGS. 1A and 1B, for example.
  • the pin 1 has a male screw part 4 and a nose part 5 extending from the male screw part 4 to the tube end side.
  • the nose part 5 includes a shoulder part 9 provided at the tip and a seal part 7 adjacent to the shoulder part 9.
  • the box 2 has a cavity for accommodating the pin therein, the female screw portion 3 screwed to the male screw portion 4 to form a screw portion, the seal portion 8 facing the seal portion 7 of the pin 1, and the shoulder of the pin 1 And a shoulder portion 10 in contact with the portion 9.
  • the pin 1 is provided with an annular outer peripheral surface portion 12 on the distal end side of the steel pipe, and the opposing box 2 is provided with an annular inner peripheral surface portion 13 that contacts and abuts the tubular outer peripheral surface portion.
  • the pin 1 and the box 2 are connected by screw connection, the seal portion 7 of the pin 1 and the seal portion 8 of the box 2 are in metal-metal contact, and the contact portion forms the seal portion 11.
  • the radius of curvature of the arc of the annular outer peripheral surface portion 12 of the pin 1 and the arc of the annular inner peripheral surface portion 13 of the box 2 in the screw joint is substantially equal, and the seal portion of the pin 1 11 is the center position (C p ) of the circular arc P 1 (14) (hereinafter also referred to as the circular arc forming the pin seal portion) of the annular outer peripheral surface portion forming 11 and the annular inner peripheral surface portion forming the seal portion 11 of the box 2.
  • the tube axis direction distance ⁇ L is brought close to the center position (C b ) of the arc B 1 (15) (hereinafter also referred to as an arc forming the seal portion of the box).
  • the arc forming the seal portion refers to the arc of the portion with the largest amount of interference (width of the hatched portion in FIGS. 1C and 2A).
  • the contact length is obtained by complementary contact. Can be lengthened. As a result, improvement in sealing performance can be realized.
  • the difference of b2 ((R p2 ⁇ R b2 ) / R p2 ⁇ 100) is within ⁇ 10%. On the other hand, if it exceeds ⁇ 10%, the contact length of the seal portion cannot be sufficiently ensured, so that the target sealability in the present invention cannot be ensured.
  • the convex arc P 1 (14) of the annular outer peripheral surface portion forming the seal portion 11 of the pin 1 and the concave arc B 1 (15) of the annular inner peripheral surface portion forming the seal portion 11 of the box 2 are brought into contact with each other with a sufficient contact length.
  • the center positions (C p , C b ) of the arc P 1 (14) of the pin 1 that forms the seal portion 11 and the arc B 1 (15) of the box 2 that forms the seal portion 11 ) Must be close at the position in the tube axis direction.
  • various studies were conducted. As a result, it was found that the sealing performance can be improved by bringing the center position (C p , C b ) of the pin arc P 1 and the box arc B 1 close to 2 mm or less by the difference in the tube axis direction distance ⁇ L.
  • the difference in the tube axis direction distance ⁇ L between the center position (C p , C b ) of the pin arc P 1 and the box arc B 1 is 1 mm or less.
  • the difference in the tube axis direction distance ⁇ L between the center position (C p , C b ) of the pin arc P 1 and the box arc B 1 exceeds 2 mm, the arcs do not come into contact with each other but come into contact with each other. Sufficient contact length cannot be ensured and sealability cannot be ensured.
  • FIGS. 1A, 2B, and 2C are partially enlarged sectional views in the vicinity of the seal portion in FIG. 1A, and are design examples in the case where the seal portion and the shoulder portion are connected by one small arc. As shown in FIGS.
  • the center position (C p ) of the circular arc P 1 of the annular outer peripheral surface portion forming the seal portion of the pin is from the tip P t of the pin 1 to the circular arc P 1 (14) of the tubular outer peripheral surface portion.
  • the center position (C b ) of the circular arc B 1 of the annular inner peripheral surface portion that forms the seal portion of the box is from the tip B t of the box 2 to the central position C b of the circular arc B 1 (15) of the tubular inner peripheral surface portion. It can be expressed by the distance L b.
  • the position of the pin and the box for the axial position is substantially determined by the position the shoulder surface 9 and 10 hit the tip P t and the rear end B t boxes 2 of pin 1, the elastic deformation The starting point. Therefore, the distances L p and L b from the tip P t of the pin 1 and the back end B t of the box 2 to the center positions C p and C b of each arc are important. This is an important condition in the present invention because the seal portion can be contacted with a sufficient contact length as the center positions C b and C p of the respective arcs become closer to each other. Accordingly, the center position of the arc that forms the seal portion of the pin and the box is designed so as to satisfy the expressions (1) to (3).
  • L b R b1 + (R b2 ⁇ R b1 ) ⁇ COS ⁇ b1 (1)
  • L p R p1 + (R p2 ⁇ R p1 ) ⁇ COS ⁇ p1 (2)
  • ⁇ L
  • L b Pipe axis direction distance from the center position C b of the arc forming the seal part of the box to the back end B t of the box
  • R b1 Seal portion 15 and shoulder portion of the box small arc that connects the 10 radius R b2: the radius R of the circular arc B 1
  • Radius R b2 arc of the seal portion, R p2 is preferably set to 4mm or 30mm or less. If the value of the radius is too small, the contact length of the seal portion becomes insufficient and the sealing performance cannot be ensured. On the other hand, if the value of the radius is too large, the design cannot be performed unless the nose length is made extremely long, and the rigidity of the nose that is too long cannot be ensured because sufficient surface pressure cannot be secured and the sealing performance cannot be secured.
  • FIG. 2A, 2B, 2C the design which connected the seal
  • a sealing property evaluation test based on ISO 13679: 2002 was performed on these threaded joints.
  • the test difficulty was CAL IV, and the test sample was one sample of # 5.
  • the sealability evaluation test is passed. did.
  • the results obtained as described above are also shown in Table 1.
  • the threaded joint for oil country tubular goods of the present invention (level Nos. 1 to 4: examples of the present invention) has a VME of 95 calculated based on the yield strength of API 5CT steel type Q125 at any level. Even when a compressive stress of 80% or more was applied to the% load curved surface, no leakage occurred, and the sealability evaluation test passed. In particular, when the difference ⁇ L in the tube axis direction distance at the center position of the arc forming the seal portion of the box and pin is 1 mm or less (level No.
  • the difference in the radius of curvature of the arc B 1 of the box 2 with respect to the arc P 1 of the pin is within ⁇ 10%, and the center position of the arc forming the seal part of the pin and the center of the arc forming the seal part of the box It was found that by designing the difference ⁇ L in the tube axis direction distance from the position within ⁇ 2 mm, it is possible to realize a joint with excellent sealing performance.

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Abstract

シール性に優れた油井管用ねじ継手を提供する。鋼管の先端側に環状外周面部と、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、ピンを内部に収容する空洞を有し、空洞に雄ねじ部に螺合する雌ねじ部と、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、雄ねじ部と雌ねじ部が螺合することによりピンとボックスが結合されて環状外周面部と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、ピンのシール部をなす環状外周面部を凸円弧状に、ボックスのシール部をなす環状内周面部を凹円弧状に形成し、ピンの環状外周面部の円弧に対するボックスの環状内周面部の円弧の曲率半径の差を±１０％以内とし、ピンの環状外周面部の円弧の中心位置とボックスの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。

Description

油井管用ねじ継手
　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Ｐ１（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（Ｃｐ）とボックス２のシール部１１をなす環状内周面部の円弧Ｂ１（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（Ｃｂ）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Ｐ１（１４）の曲率半径Ｒｐ２に対するボックス２の環状内周面部の円弧Ｂ１（１５）の曲率半径Ｒｂ２の差（（Ｒｐ２－Ｒｂ２）/Ｒｐ２×１００）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Ｐ１（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Ｂ１（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Ｐ１（１４）およびシール部１１をなすボックス２の円弧Ｂ１（１５）の各中心位置（Ｃｐ，Ｃｂ）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Ｐ１（１４）およびボックス２の円弧Ｂ１（１５）の各中心位置（Ｃｐ，Ｃｂ）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Ｐ１およびボックスの円弧Ｂ１の中心位置（Ｃｐ，Ｃｂ）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Ｐ１およびボックスの円弧Ｂ１の中心位置（Ｃｐ，Ｃｂ）の管軸方向距離ΔＬの差は、１ｍｍ以下とする。一方、ピンの円弧Ｐ１およびボックスの円弧Ｂ１の中心位置（Ｃｐ，Ｃｂ）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Ｐ１の中心位置（Ｃｐ）とボックスのシール部をなす環状内周面部の円弧Ｂ１の中心位置（Ｃｂ）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Ｐ１の中心位置（Ｃｐ）は、ピン１の先端Ｐｔから管状外周面部の円弧Ｐ１（１４）の中心位置Ｃｐまでの距離Ｌｐ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Ｂ１の中心位置（Ｃｂ）は、ボックス２の先端Ｂｔから管状内周面部の円弧Ｂ１（１５）の中心位置Ｃｂまでの距離Ｌｂ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Ｐｔおよびボックス２の奥端Ｂｔは、弾性変形の起点となる。そのため、ピン１の先端Ｐｔおよびボックス２の奥端Ｂｔから各円弧の中心位置Ｃｐ、Ｃｂまでの距離Ｌｐ，Ｌｂが重要となる。各円弧の中心位置Ｃｂ、Ｃｐ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。
Ｌｂ＝Ｒｂ１＋（Ｒｂ２－Ｒｂ１）×ＣＯＳθｂ１　　・・・（１）
Ｌｐ＝Ｒｐ１＋（Ｒｐ２－Ｒｐ１）×ＣＯＳθｐ１　　・・・（２）
ΔＬ＝｜Ｌｂ－Ｌｐ｜≦２ｍｍ　　・・・（３）
ここで、
　　　　Ｌｂ：ボックスのシール部をなす円弧の中心位置Ｃｂとボックスの奥端Ｂｔまでの管軸方向距離
　　　　Ｌｐ：ピンのシール部をなす円弧の中心位置Ｃｐとピンの先端Ｐｔまでの管軸方向距離
　　　　ΔＬ＝｜Ｌｂ－Ｌｐ｜：ボックスおよびピンのシール部をなす円弧の中心位置Ｃｂ、Ｃｐにおける管軸方向距離の差
　　　　Ｒｂ１：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
　　　　Ｒｂ２：ボックスのシール部１５をなす円弧Ｂ１の半径
　　　　Ｒｐ１：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
　　　　Ｒｐ２：ピンのシール部１４をなす円弧Ｐ１の半径
　　　　θｂ１：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
　　　　θｐ１：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Ｒｂ２、Ｒｐ２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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　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Ｐ１に対するボックス２の円弧Ｂ１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Ｐ１
１５　　　　　シール部をなす環状内周面部の円弧Ｂ１

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％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以下とする請求項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１つの円弧で接続し、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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