JP2005240888A - 油井管用ねじ継手 - Google Patents

Abstract

【課題】 オーバートルクや管軸方向圧縮が加わったときにシール部が管内径側に変形しにくい油井管用ねじ継手を提供する。
【解決手段】 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、該ねじ部の先端側に順次連なるシール部４および該シール部端のショルダー部５とを有する油井管用ねじ継手において、前記シール部のシール干渉量を負とし、さらに前記ピン側のショルダー部に凹部６を設けると共に、前記ボックス側のショルダー部に、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７を設けた。
【選択図】 図３

Description

本発明は、油井管用ねじ継手に関し、特に、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）および耐圧縮性能（管長手方向の圧縮に耐える性能）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、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）が広く用いられている。この種のねじ継手には、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、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がある。

ピンおよびボックスのねじ設置部分をねじ部、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部分、およびボックスの最奥端部からねじ部の１番目のねじ谷にかけての部分をシール部、ピンの最先端部とボックス最奥端部をショルダー部という。

これらの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°、スタッピングフランク角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とする。スタッピ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とする。

なお、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）。

また、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・製造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、ピンとボックスのシール部直径の差である。従来のねじ継手では、ピンのシール部直径（外径）がボックスのシール部直径（内径）よりも大きく設計・製造されていた。この場合のシール干渉量が正（＋）である。

従来のねじ継手の締付け過程を図１に示す。締付けの進行に伴い、まずねじ部３の干渉が開始し（図１（ａ））、次いで、シール干渉量が正であることがら、シール部４の干渉が開始し（図１（ｂ））、この干渉によりピン１のシール部４は管内径側へ変形する。最後にショルダー部５の干渉が開始し、その後締付けが完了する（図１（ｃ））。
特開平６−２８１０５９号公報 特開平６−２８１０６１号公報 再公表特許ＷＯ００/０６９３７

しかし、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。か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２に示すように、ピン１のシール部４はさらに管内径側に変形する。

これに対しては、ショルダー部を管内面側へ厚くすることにより、ショルダー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、シール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。

本発明は、この問題を解決し、オーバートルクや管軸方向圧縮が加わったときにシール部が管内径側に変形しにくい油井管用ねじ継手を提供することを目的とする。

本発明は、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シール部および該シール部端のショルダー部とを有する油井管用ねじ継手において、前記シール部のシール干渉量を負とし、さらに前記ピン側のショルダー部に凹部を設けると共に、前記ボックス側のショルダー部に、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たことを特徴とする油井管用ねじ継手である。

本発明では、前記凸部およ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することが好ましい。

本発明によれば、プレミアムジョイントの締付け、さらにはオーバートルク・圧縮によるピン側シール部の変形を管外径側に分散させ、管内径側の変形を抑制できるという優れた効果を奏する。

図３は、本発明の要件を満たすねじ継手の１例の締付け過程を示す断面図である。図３（ａ）に示すように、本発明のねじ継手は、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シール部４および該シール部４端のショルダー部５とを有する油井管用ねじ継手であり、プレミアムジョイントに相当する。

本発明の特徴は、シール部４のシール干渉量が従来では正とされていたのに対し、本発明ではこれを負とし、さらに、ショルダー部５が従来では平坦とされていた（図１参照）のに対し、本発明ではピン１側ショルダー部５に凹部６を設けると共に、ボックス２側ショルダー部５には、図３（ｂ）〜（ｃ）に示すように、締付け時に凹部６と干渉して凹部６を管外径側に摺動させる凸部７を設けたことにある。

この摺動に伴って、ピン１側シール部４は、シール干渉量を負としているのでボックス２側シール部５で押されることなく、管外径側へと移動するから、管内径側への変形が抑制される。なお、この摺動する部分は、締付け完了前のショルダー部５にシールを形成することから、図３中に、凹部６と凸部７との接触開始をプレシール干渉開始（図３（ｂ））、凹部６が凸部７に沿って摺動している途中をプレシール干渉途中（図３（ｃ））と記した。

締付け完了時には、図３（ｄ）に示すように、ピン１側ショルダー部５の外径側の端部がボックス２と接触してもう一つのシールが形成されるので、これをサブシール接触と記した。

もっとも、上記サブシール接触を十分なものとして、シール性能をさらに向上させるためには、凸部７および凹部６の形状を、締付け完了時には凹部６に連なるピン１外径側の端部がボックス２に密着する形状とすることが好ましい。

これにより、図４に示すように、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側とボックス２側のシール部４、４間には隙間が形成されており、この隙間がピン１側シール部４の管外径側への変位を容易化しているので、ピン１側シール部４の管内径側への変形が抑制される。

もっとも、凹部６の底よりも管内面側に位置する部分は、図４に示すように、オーバートルク・圧縮時に管内面側に張出しやすい傾向にあるから、これを緩和するために、凹部６と凸部７の形状は、凹部６の底よりも管内面側の部分が締付け完了時にボックス２と接触していないかあるいは軽度に接触している状態となるような形状に設定しておくことが好ましい。

図１に示した従来の断面形状のねじ継手（カップリング方式のもの）においてシール部４の管軸方向長さを１０ｍｍ、ピン１側シール部４の外径面のテーパ角度を１０°、肉厚を５．０ｍｍ、シール干渉量を０．３７ｍｍとしたものを比較例とした。これを用いて、通常の締付け完了時の所定トルクの１．２倍のオーバートルクをかける締付け実験を行った。実験後のねじ継手を管軸方向に切断し、その断面を観察した。その結果、ピン側ショルダー部の管内径側に許容範囲を超える変形が認められた。

次に、上記比較例においてシール干渉量を−０．３ｍｍとし、かつショルダー部５の管軸方向断面形状を図３に示した本発明の１例のように変更し、その際、凹部６、凸部７の曲率半径（アール）をそれぞれ５．０ｍｍ、５．５ｍｍとし、これらの変更点以外は比較例と同じにしたものを実施例とした。これを用いて比較例と同様に実験および観察したところ、ピン側ショルダー部の管内面側の変形はほとんど認められなかった。

本発明は、天然ガス・原油の採掘産業に利用することができる。

従来のねじ継手の締付け過程を示す管軸方向断面図である。 従来のねじ継手のオーバートルク・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。 本発明のねじ継手の１例とその締付け過程を示す管軸方向断面図である。 図３のねじ継手のオーバートルク・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。

符号の説明

１ ピン
２ ボックス
３ ねじ部
４ シール部
５ ショルダー部
６ 凹部（ピン側ショルダー部の凹部）
７ 凸部（ボックス側ショルダー部の凸部）

Claims (2)

1. 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シール部および該シール部端のショルダー部とを有する油井管用ねじ継手において、前記シール部のシール干渉量を負とし、さらに前記ピン側のショルダー部に凹部を設けると共に、前記ボックス側のショルダー部に、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たことを特徴とする油井管用ねじ継手。
2. 前記凸部およ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たことを特徴とする請求項１記載の油井管用ねじ継手。

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