JP3210021B2 - 非ダブテール型かみ合いクサビ状ネジ山を有する管連結部 - Google Patents

非ダブテール型かみ合いクサビ状ネジ山を有する管連結部

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JP3210021B2
JP3210021B2 JP50219395A JP50219395A JP3210021B2 JP 3210021 B2 JP3210021 B2 JP 3210021B2 JP 50219395 A JP50219395 A JP 50219395A JP 50219395 A JP50219395 A JP 50219395A JP 3210021 B2 JP3210021 B2 JP 3210021B2
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シー． モット，キース
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ハイドリル、カンパニー
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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
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/02—Couplings; joints
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明はネジ山を有する管連結部に関するものであ
り、さらに詳しくは油井およびガス井戸の掘削に使用さ
れる管または継手を相互に接合するために使用されるこ
の種の管連結部に関するものである。
発明の背景 油田では、パイプ類を非常に悪い条件のもとに組立て
て使用しなければならない場合が多い。これは特に掘削
管（掘り管）に使用されるツール・ジョイントの場合で
ある。これは、通常の油井掘削作業においては、油井が
掘削されるに従って、ドリル・ストリングを成す複数の
管または継手が組立てられて掘削作業の種々の荷重と振
動を受け、またドリル・ストリングの下端のツールを交
換するためまたは途中で掘削された井戸をテストするた
めまたはその他の目的からドリル・ストリングを一時的
に引き上げる際にこのドリル・ストリングが分解され、
また再びドリル・ストリングを油井内に降下する際にド
リル・ストリングが組立てられるからである。
ツール・ジョイントは、その最適性能を達成しまた油
井中での作業中の追加的回転メイク・アップに抵抗する
ように、所定レベルに適当に締め付けられなければなら
ない。ドリル・ストリングに加えられる高作動トルクの
故に、ツール・ジョイントの組立てに際してはさらに高
いメイク・アップトルクを必要とする。先行技術のツー
ル・ジョイントは、高いメイク・アップトルクによって
生じる荷重に抵抗しまた圧力シールを形成するため、ネ
ジ山に隣接して大きなショルダを使用する。このような
大きなショルダはツール・ジョイントの大きな外径を必
要とする。
本特願と共に共通譲渡された米国特許RE第30,647号お
よび第４、917、409号において例示されたクサビ状ネジ
山は、連結されたピン部材とボックス部材の中の応力と
歪を許容レベルの範囲内に保持するように制御する異常
に強い連結である事が知られ、従ってこのクサビ状ネジ
山は多くのヘビーデューティ用途において使用される。
しかし、クサビ状ネジ山に組合わされていたネジ山の形
状はダブテール型であって、ネジ山の側面が反対方向に
傾斜されてネジ山の隣接基部よりはるかに広い頂部を成
す。このような形状がかみ合いネジ山の形状を成す。こ
れらのクサビ状ネジ山は、ねじりメイク・アップの生じ
る荷重に抵抗するためにショルダ上に正確に当接できな
い。先行技術のツール・ジョイントにおいては、ねじり
メイク・アップ、トルク荷重および密封面に抵抗する支
持応力がネジ山そのものと隣接の非ネジ山面との間に分
有されるように、ネジ山と隣接ショルダとから成る形状
が使用されていた。
ダブテール型ネジ山は、連結部を組立てるためにピン
部材とボックス部材とを組合わせる際に、ピン部材上の
ダブテール型ネジ山パタンのスタブ側面の傾斜面がボッ
クス部材中のネジ山の同様形状の鋭い縁に対して鋭い縁
を呈示するという問題点がある。従って継目が正確に整
列されていない限り、縁が相互に衝突し、縁が損傷し、
またピン部材がボックス部材の中に最大限進入できな
い。同様にドリル・ストリングの分解に際して、連結部
の一方の継手、通常はピン部材の継手を保持し操作する
掘削装置がピン部材をボックス部材に対して軸方向に完
全に整列させ保持できない限り、継手が引き離される際
にピン部材とボックス部材の負の荷重側面に鋭い縁が相
互に寄りかかる傾向がある。ドリル・ストリングの挿入
にせよ引き出しにせよ、完全な軸方向整列がなければ、
ネジ山相互の顕著な接触を生じ、これはいずれにせよス
タッビングまたは引き出し操作中にネジ山を損傷させ
る。
また前記49,917,409特許には、これらのネジ山が半ダ
ブテール型とし、一方のネジ山側面の角度を連結部の軸
線に対して90゜とする事が開示されている。また米国特
許第4,600,224号および第4,600,225号には、ネジ山の１
つの側面を山形紋状としまたはＶ切欠きを備える事が記
載されている。前記の'224特許においては、ピン部材上
のネジ山基部に最も近い山形紋状の荷重側面部分がスタ
ブ側面に対してダブテール形を成し、また前記の'225特
許においては、前記のピン部材上のネジ山基部に最も近
い山型紋状の荷重側面部分がスタブ側面に対して平行で
ある。これらの特許はいずれも本発明によるネジ山と類
似のネジ山を開示していない。また先行技術において使
用されたクサビ状ネジ山はいずれも本発明によるネジ山
のすべての特徴または利点を示していない。
従って本発明のフィーチャは、クサビ状ネジ山を使用
するがこれらのネジ山の側面がメイク・アップ中または
取り出し中のネジ山損傷を最小限にするように傾斜され
た掘削管用の改良型ネジ山付き管状連結部を提供するに
ある。
本発明の他のフィーチャは、新規なかみ合いネジ山を
使用し、ネジ山がねじりメイク・アップ、トルク荷重お
よび密封に抵抗する支持応力全部をその全長にわたって
分布するように全体的に係合するように成された特に掘
削管用の改良型ネジ山付き管状連結部を抵抗するにあ
る。
発明の概要 本発明のネジ山付き管状連結部は単数または複数のク
サビ状ネジ山セットを有するテーパネジ山に適用され
る。ピン部材上のネジ山セットは、ネジ山がピン部材の
ノーズに最も近いネジ山の末端から出発して螺旋状に巻
くに従ってネジ山のスタブ側面（前側側面）と荷重側面
（後側側面）が相互に離間する時に「クサビ状ネジ山」
を有し、またこれに対してボックス部材上のネジ山セッ
トは、ネジ山がボックス部材の入口に最も近いネジ山の
末端から出発して螺旋状に巻くに従ってネジ山のスタブ
側面（前側側面）と荷重側面（後側側面）が相互に離間
する時に「クサビ状ネジ山」を有する。従ってネジ山の
両方の側面がネジ山の隣接側面と接触する点までネジ山
付き管状連結部が回転メイク・アップされた時に、回転
が終止する。
本発明は、ネジ山を有するピン部材がネジ山を有する
ボックス部材に係合し、前記部材の前記ネジ山が螺旋状
に巻かれるに従って前記クサビ状ネジ山の荷重側面とス
タブ側面が相互に離間してクサビ状ネジ山断面形状を成
し、前記クサビ状ネジ山は負の荷重側面と正のスタブ側
面とを含み、前記クサビ状ネジ山は完全メイク・アップ
に際して、ねじりメイク・アップに抵抗する支持応力を
ネジ山の全長にわたって分布する事によってネジ山の全
長にわたってトルク荷重を分布しまたネジ山を密封し、
ピン部材がボックス部材に対して組立てられる際に、回
転メイク・アップ前に前記クサビ状ネジ山の前記正のス
タブ側面がピン部材をボックス部材に対して自己定心さ
せる事を特徴とする管連結部を提供する。
好ましい実施態様において、スタブ側面は連結部の軸
線に対して、荷重側面よりも大きい角度にある。すなわ
ち側面よりも放射方向にある。これらのネジ山は、長手
方断面においてその頂部が基部より広いので相互にかみ
合う。またこの実施態様においては、完全メイク・アッ
プ前にまたはネジ山のクサビ止めの前に、ある程度の締
まりばめが生じてネジ山の輪郭全体の回りにまたネジ山
の全長にそってかみ合い接触支持応力を生じるように、
ボックスネジ山に対してピンネジ山の放射方向サイズを
決定する。ネジ山に隣接したショルダによる密封は実施
されない。従って支持応力のみならず密封荷重およびト
ルク荷重もネジ山の全長にそってネジ山の中に分布さ
れ、ネジ山に組合わされた他の構造要素によって分有さ
れる事はない。ピン部材上のパイロットコーンは密封ま
たはその他の目的に必要とされないので、好ましくは第
１ネジ山から反対方向に急角度で傾斜させられ、ピン部
材をボックス部材中に定心させるのに役立ち、このよう
にしてネジ山の損傷を防止し、また回転メイク・アップ
前にピン部材をボックス部材の中に最大限に進入させる
事ができる。またネジ山上の正のスタブ側面がこの定心
進入を実施するのに役立つ。回転メイク・アップ前に、
ネジ山の少なくとも半分が係合する事が望ましい。
また、本発明は、ネジ山を有するピン部材がネジ山を
有するボックス部材に係合し、前記部材の前記ネジ山が
螺旋状に巻かれるに従って前記クサビ状ネジ山の荷重側
面とスタブ側面が相互に離間してクサビ状ネジ山断面形
状を成し、前記クサビ状ネジ山は正の荷重側面と負のス
タブ側面とを含み、前記クサビ状ネジ山は完全メイク・
アップに際して、ねじりメイク・アップ力に抵抗する支
持応力をネジ山の全長にわたって分布する事によってネ
ジ山の全長にわたってトルク荷重を分布しまたネジ山を
密封し、分解に際してピン部材がボックス部材から後退
させられる際に、前記クサビ状ネジ山の前記正の荷重側
面がピン部材をボックス部材に対して自己定心させる事
を特徴とする管連結部を提供する。
好ましい実施態様において、側面の角度は荷重側面が
連結部の軸線に対してスタブ側面よりも放射方向にあっ
て、各ネジ山が長手方断面においてその頂部が基部より
広いように成される。これは、ネジ山のスタブ側面がメ
イク・アップに際してピン部材を定心せずまたスタブ側
面の鋭い隅部を隣接のネジ山から防護しない事以外は、
各ネジ山が前記の実施態様と同様にメイク・アップ中に
かみ合い機能する事を意味する。しかしピン部材がボッ
クス部材から引き出される際には荷重側面の傾斜がネジ
山を防護し、またこの分解工程中にはピン部材の自己定
心を生じる。
図面の簡単な説明 以下、本発明を図面に示す実施例について詳細に説明
するが本発明はこれに限定されるものではない。
第１図はネジ山付き管状連結部の本発明による好まし
い実施態様においてボックス部材の中に係合するピン部
材の部分的断面図である。
第２図は第１図に図示のネジ山付き管状連結部のネジ
山構造の拡大断面図である。
第３図は本発明の第１実施態様のピン部材のネジ山セ
ットの一部の拡大断面図である。また 第４図は本発明の第２実施態様のピン部材のネジ山セ
ットの一部の拡大断面図である。
好ましい実施態様の説明 付図について述べれば、まず第１図において、本発明
の好ましい実施態様のピン部材10が収容ボックス12と共
に完全に組立てられた状態が示されている。連結部の一
方の側面のみを示し、この連結部の長手方中心軸線14は
図の左側にある、ネジ山が軽度のテーパを成す事が見ら
れる。この図においてネジ山は完全に係合しているが、
ピン部材10のショルダ16はボックス部材12の入口面18と
接触せず、またピン部材10のノーズ20がボックス部材12
のショルダ22に当接していない。
ピン部材10上のノーズ20に最も近い第１ネジ山24がピ
ン部材のネジ山の中で最も小さい断面幅を有し、また最
後の完全ネジ山26がピン部材上のネジ山の中で最大断面
幅を有し、他のネジ山の幅のサイズがその間において段
階を成すので、これらのネジ山がクサビネジ山である事
が分かる。実際に、ネジ山24と26とを含むネジ山セット
はネジ山24からネジ山26までピン部材の回りに巻き付け
られてネジ山の幅が段階的に増大するような螺旋体であ
る。
螺旋ネジ山がボックス部材12の入口末端からその最深
部まで巻くに従って、ボックス部材中の対応のネジ山グ
ループのサイズが同一方向に減少し、またはボックス部
材中の中間歯のサイズが段階的に増大する。第１図に図
示の連結部は完全係合状態であるので、歯の側面は対応
の歯グループの側面に接触し、ネジ山の全長にそって歯
がグループを完全に充填している。
ピン部材10は、ノーズ20と第１歯24との間にコーン28
を有し、このコーン28は軸線14に対して顕著な角度で傾
斜したテーパ面である。従って連結部の組立て中にピン
部材10をボックス部材12の中に下降させる際に、コーン
28のテーパ面は原則としてボックス部材12の歯と接触し
ない。もし組立て中にコーン28がボックス部材の歯に当
接するほどにピン部材10が中心線からずれていれば、コ
ーン28がボックス部材の歯から中心線にむかって滑り出
る。好ましくはコーンの角度は連結部の長手方軸線に対
して15゜乃至45゜の範囲内とする。
第２図に図示のように、また第３図について下記に説
明するように、ネジ山のスタブ側面と荷重側面がピン部
材のノーズから見た時に中心線からそれぞれ相異なる角
度で後退している。これはピン部材ネジ山のスタブ側面
または前側側面が隣接のネジ山グループから離れる角度
を有する「正」側面である事を意味する。ピン部材上の
ネジ山の荷重側面は軸線14に対して大体にスタブ側面と
同一方向の角度を有するが、隣接ネジ山グループの上に
傾斜する「負」側面である。
すなわち、ピン部材10上のネジ山セットの尖端部分を
拡大図示する第３図においては、ノーズ20に近くスタブ
側面30が配置され、その反対側に荷重側面32が配置され
る。スタブ側面30が放射方向面から荷重側面32より小角
度で延在する事を示すために放射方向線が引かれてい
る。その結果、ネジ頂部の断面幅がネジ基部の幅より広
い。従って、連結部が組立てられた時、ネジ山はボック
ス部材中の対応のグループとかみ合い係合する。
再び第１図について述べれば、ピン部材10の最後のネ
ジ山26に隣接した円筒形面ととボックス部材12の最初の
ネジ山に隣接した円筒形面との間にギャップ34aがあ
り、ピンのショルダ16とボックスの入口面18との間にギ
ャップ34bがあり、またピンのノーズ20とボックスのシ
ョルダ22との間にギャップ34cが見られる。従って図示
の連結部においては、連結が完全に組立てられた時にネ
ジ山そのものの内部以外に、面間の接触が存在しない。
また連結が完全にメイク・アップされた時、ネジ山の頂
部、谷底および側面は完全に係合している事が分かる。
実際に、完全メイク・アップの直前にネジ山の頂部と谷
底が放射方向に接触するので、連結部がその使用状態ま
でトルク締め付けられる際に、連結部中に応力を生じて
トルク荷重に抵抗する支持面は、ネジ山の頂部、谷底お
よび側面である。ネジ山、さらに詳しくはその谷底と頂
部の締まりばめと側面係合との相互関係は、連結部のネ
ジ山の全長にそって支持応力が均等に分布されるように
設計される。ネジ山の螺旋クサビ作用とスタブ側面およ
び荷重側面のそれぞれの放射方向成分の平衡との故に、
ピン部材とボックス部材のいずれにおいてもフープ応力
が制御される。さらに、連結が完全にメイク・アップさ
れた時に、一方の部材のネジ山の頂部と対応部材の谷底
との間にギャップが存在せずまたネジ山そのものの中に
その他のギャップが存在しないので、先行技術のクサビ
型ネジ山のようにネジ山の頂部と谷底の間に潤滑剤が捕
捉される事がない。
このような支持応力の均等分布と、応力の一部が近傍
のショルダによって担持されない事との故に、支持応力
荷重を少なくとも部分的に単数または複数のショルダに
よって担持する先行技術の連結部と比較して同一の荷重
を担持するために連結部の外側直径を小さくする事がで
きる。
また前記の構造は、ネジ山の全長にそって密封作用を
分布する事により圧力に対して完全密封を成す事が理解
されよう。同様に、使用中の連結部の全トルク荷重が完
全にネジ山の中に集中されネジ山の全長にそって分布さ
れる。
再び第３図について述べれば、最も前端のネジ山また
はノーズ20に最も近いネジ山として、ピン部材10上に部
分的ネジ山と完全ネジ山とが図示されている。この図に
おいて、これらのネジ山はコーン28に対して誇張された
サイズで示されているが、スタブ側面30の角度は全体と
してノーズ20から離れるように後退している。先にこの
スタブ側面の傾斜を「正」と述べた。正傾斜を有するス
タブ側面ネジ山は、ボックス部材のネジ山の縁をかすめ
る以上の力をもって不必要に衝突しないで、ボックス部
材中を前進するピン部材を定心させるのに役立つ。この
ようにして組立て中に、ピン部材またはボックス部材の
ネジ山が損傷する可能性が少なくなる。このようにし
て、ピン部材とボックス部材上のネジ山の一部が組立体
の回転に先だって係合整列する。ネジ山の少なくとも半
分がこのように係合する事が望ましい。また組立体の回
転前のこの初期段階において、コーンがピン部材をボッ
クス部材に対して自己定心させのに役立つ。
第４図は、第３図のネジ山に対する本発明の他の好ま
しい実施態様のネジ山を示す。この実施態様において、
ピン部材のネジ山は負のスタブ側面34と正の荷重側面36
とを有する。かみ合いネジ山を形成するため、負のスタ
ブ側面の放射方向面に対する角度は正の荷重側面の放射
方向面に対する角度より大である。言い替えれば、連結
部材の軸線に対する負のスタブ側面の角度は正の荷重側
面の角度より小である。いずれにせよ、ネジ山の長手方
断面における頂部の幅はそれぞれの基部の幅より大であ
る。これは第３図に図示の歯断面と同様にかみ合い歯形
を成すので、メイク・アップ中およびメイク・アップ後
の連結部は、組立て中のスタブ側面の接触によって生じ
る自己定心作用以外は前記の実施態様と同様の特性を示
す。
その代わりに、第４図の構造はピン部材が対応のボッ
クス部材から分解される際に同様の自己定心作用を示
す。これは、ピン部材がボックス部材から引き出される
際に、ピン部材の正の荷重側面がボックス部材のネジ山
に対して無害のかすめ作用で接触するにすぎないからで
ある。
本発明は前記の説明のみに限定されるものでなく、そ
の主旨の範囲内において任意に変更実施できる。例え
ば、ピン部材とボックス部材は必ずしも第１図に図示の
ような１本のネジ山に限定される事なく、多くの高級油
井管状部品に使用されているように、相異なる放射方向
位置に第２のピンネジ山セットを含む事ができよう。さ
らにこの連結部は掘削管の連結に限定される事なく、ケ
ーシング、チュービングおよびその他の管状連結にも使
用する事ができる。また好ましい実施態様においてはメ
イク・アップ支持応力、トルク荷重および密封応力がネ
ジ山の全長にわたる分布によって支持されているが、ネ
ジ山の実質的全長にわたって支持されている限りこの構
造は本発明の主旨の範囲内にある。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) E21B 17/042 F16L 15/04

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ネジ山の幅がボックス部入口（18）から離
    れるにしたがって漸増するテーパ付きのクサビ状のネジ
    山を有するボックス部材（12）と、 ネジ山の幅がノーズ（20）（18）から離れるにしたがっ
    て漸増するテーパ付きのクサビ状のネジ山を有し、この
    ネジ山がメイク・アップに際して前記ボックス部材（1
    2）のクサビ状ネジ山とギャップを残さずに噛み合うよ
    うになっているピン部材（10）とからなり、 前記ボックス部材（12）のネジ山とピン部材（10）のね
    じ山は、正の角度で傾斜するスタブ側面（30）と負の角
    度で傾斜する荷重側面（32）同士で互いに噛み合い、ボ
    ックス部材（12）とピン部材（10）の前記スタブ側面
    （32）がメイク・アップ前にピン部材（10）をボックス
    部材（12）に対して自己定心を補助するようになってい
    ることを特徴とする管連結部。
  2. 【請求項２】前記負の角度の荷重側面（32）は、連結部
    の軸線に対して前記正の角度のスタブ側面（30）よりも
    大きな角度で傾斜し、噛み合いネジ山をなすことを特徴
    とする請求項１に記載の管連結部。
  3. 【請求項３】ネジ山の幅がボックス部入口（18）から離
    れるにしたがって漸増するテーパ付きのクサビ状のネジ
    山を有するボックス部材（12）と、 ネジ山の幅がノーズ（20）（18）から離れるにしたがっ
    て漸増するテーパ付きのクサビ状のネジ山を有し、この
    ネジ山がメイク・アップに際して前記ボックス部材（1
    2）のクサビ状ネジ山とギャップを残さずに噛み合うよ
    うになっているピン部材（10）とからなり、 前記ボックス部材（12）のネジ山とピン部材（10）のね
    じ山は、正の角度で傾斜する荷重側面（36）と負の角度
    で傾斜するスタブ側面（34）同士で互いに噛み合い、ボ
    ックス部材（12）とピン部材（10）の前記荷重側面（3
    6）がメイク・アップ前にピン部材（10）をボックス部
    材（12）に対して自己定心を補助するようになっている
    ことを特徴とする管連結部。
  4. 【請求項４】前記負の角度のスタブ側面（34）は、連結
    部の軸線に対して前記正の角度の荷重側面（36）よりも
    大きな角度で傾斜し、噛み合いネジ山をなすことことを
    特徴とする請求項３に記載の管連結部。
  5. 【請求項５】ネジ締めの間、ピン部材（10）をボックス
    部材（12）に対して自己定心を補助する急角度パイロッ
    トコーン（28）をさらに有することを特徴とする請求項
    １乃至４のいずれかの項に記載の管連結部。
  6. 【請求項６】連結部材軸線に対する前記パイロットコー
    ンの角度範囲が15度乃至45度であることを特徴とする請
    求項５に記載の管連結部。
  7. 【請求項７】連結部の回転メイク・アップ前にヒンジ部
    材（10）とボックス部材（12）ねじ山の少なくとも半分
    が互いに噛み合うことを特徴とする請求項１乃至６のい
    ずれかの項に記載の管連結部。
  8. 【請求項８】連結部が完全に締結されてスタブ側面と荷
    重側面が噛み合う前に、前記ピン部材（10）とボックス
    部材（12）のそれぞれのネジ山の谷と頂部が回転メイク
    ・アップの間噛み合うことを特徴とする請求項１乃至７
    のいずれかの項に記載の管連結部。
JP50219395A 1993-06-15 1994-06-13 非ダブテール型かみ合いクサビ状ネジ山を有する管連結部 Expired - Lifetime JP3210021B2 (ja)

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US08/078,995 1993-06-15
US08/078,995 US5454605A (en) 1993-06-15 1993-06-15 Tool joint connection with interlocking wedge threads
US078,995 1993-06-15
PCT/US1994/006736 WO1994029627A1 (en) 1993-06-15 1994-06-13 Pipe connection with non-dovetail interlocking wedge threads

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JPH08511313A JPH08511313A (ja) 1996-11-26
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