JPH06281061A - 油井管用ねじ継手 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】管本体以上の優れた引張性能を有するととも
に、圧縮力負荷後も優れた気密性能を有する油井管用ね
じ継手の提供。 【構成】ねじの荷重面フランク角αが−20°以上で０°
未満、挿入面フランク角θが30°を超えて60°以下であ
り、かつ締結時に雄ねじと雌ねじの荷重面（１）と挿入
面（２）が相互に接触するとともに頂面（３）と底面
（４）に隙間を構成することを特徴とする油井管用ねじ
継手。 【効果】井戸の深さが深い場合や腐食性環境が厳しい場
合等の使用に適する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、地下から産出される天
然ガスや原油の探査・生産に使用される油井管のねじ継
手に関するものであり、特に井戸の深さが深い場合や腐
食性環境が厳しい場合等の使用に適した継手に関する。

【０００２】

【従来の技術】今日、深さ数千ｍにも及ぶ天然ガス田や
原油田等の探査・生産に使用される油井管を接続する技
術としてねじ継手が広く用いられている。油井管は高
圧、高荷重及び悪環境化で使用されるため、油井管用ね
じ継手には、(1) 接続された管の自重による軸方向の引
張力に耐え得ること、(2) 内部の流体による内圧に耐え
得ること、(3) 内部の流体による腐食がないこと、(4)
数十回の繰り返し使用ができること、などの性能が要求
されている。近年、井戸の深さが深くなる傾向にあり、
上記の要求性能は更に厳しくなっている。

【０００３】このような要求に対応して油井管用ねじ継
手に関して多くの提案がなされている。一般に油井管用
ねじ継手には、管の一端にピン部を、他端にボックス部
を設けて管同士を接続するインテグラル方式と、両端に
二つのボックス部を設けたカップリングを使用して両端
にピン部を設けた管を接続するカップリング方式があ
る。

【０００４】図７（ａ）はカップリング20を用いて、管
本体同士を接続した状態を示す断面図であり、同図
（ｂ）はその要部の拡大図である。即ち、管本体10の端
部に設けた雄ねじ12を有するピン部11の先端にあるテー
パ状のシール形成用ねじ無し部13と、カップリング20の
内部に設けた雌ねじ22を有するボックス部21の内方にあ
るテーパ状のシール形成用ねじ無し部23とを、接触させ
ることによりシール部を形成している。これは、この部
分でメタルシールを構成することにより、油井管内部の
流体による内圧負荷に対する気密性能を向上させるため
である。

【０００５】また、ピン部11のシール形成用ねじ無し部
13の更に先端にあるトルクショルダ形成用ねじ無し部14
と、ボックス部21のシール形成用ねじ無し部23の更に内
方にあるトルクショルダ形成用ねじ無し部24とを、突き
合わせることによりトルクショルダ部を形成している。
これは、両部を突き合わせることにより、過度な塑性変
形が生じるような高い接触面圧がシール部に発生しない
ようにねじ継手の締結トルクを適正な値に調整するため
である。

【０００６】一方、これらの継手に使用されるねじの形
状に関して多くの提案がなされており、例えば次のもの
がある。

【０００７】第一に、図２に示す台形ねじ(Buttress Th
read) がＡＰＩ(American Petroleum Institute)規格
（STD 5B) に規定されている。同図（ａ）はその台形ね
じの形状を表し、同図（ｂ）はこのねじの雄ねじと雌ね
じの締結時の接触状態を示す。

【０００８】締結時の噛合により、図中の雄ねじ荷重面
１ａと雌ねじ荷重面１ｂでねじ荷重面１が構成され、雄
ねじ挿入面２ａと雌ねじ挿入面２ｂでねじ挿入面２が構
成され、雄ねじ頂面３ａと雌ねじ底面３ｂでねじ頂面３
が構成され、そして雄ねじ底面４ａと雌ねじ頂面４ｂで
ねじ底面４が構成される。

【０００９】図１は本発明のねじ継手におけるねじ面の
接触状態を示す図であるが、ねじ継手の性能に影響を及
ぼす台形ねじにおける荷重面フランク角αおよび挿入面
フランク角θを定義している。フランク角は、図示しな
い管軸線と垂直な線Ｘ−Ｙ，Ｘ′−Ｙ′を基準に、正若
しくは負の値で表される。荷重面フランク角αは反時計
方向に進む角度を負の角度とし、挿入面フランク角θは
反時計方向に進む角度を正の角度とする。

【００１０】ＡＰＩ台形ねじは、３°の荷重面フランク
角、10°の挿入面フランク角より構成され、締結時のね
じ面の接触状態は、図２（ｂ）に示すように、荷重面１
で接触、挿入面２で非接触（隙間が存在）、頂面３およ
び底面４の少なくとも一方で接触となっている。

【００１１】第二に、図３（ａ）に示す改良型台形ねじ
(Improved Buttress) と呼ばれるねじ形状のものが使用
されている。このねじは０°の荷重面フランク角、45°
の挿入面フランク角を有しており、締結時のねじ面の接
触状態は図３（ｂ）示すように、荷重面１および挿入面
２で接触、頂面３及び底面４で隙間がある状態となって
いる。尚、図３（ｂ）において、図２（ｂ）と同じ部分
は同符号で示している。

【００１２】更に、改良型台形ねじの変形として、−３
°の荷重面フランク角、30°の挿入面フランク角を有す
る台形ねじが提案されているが、このねじの各面の接触
状態は図３（ｂ）に示す上記改良型台形ねじのそれと同
じである。

【００１３】前記のねじ形状を使用する油井管用ねじ継
手には、それぞれ次のような問題がある。

【００１４】頻度は高くないが、油井管の軸方向に圧縮
力が負荷される場合があるが、その後、管の自重による
引張力が負荷されると、図２のＡＰＩ台形ねじでは、シ
ール部およびトルクショルダ部で接触面圧が低下した
り、極端な場合には隙間が生じたりする。この現象は油
井管内部の流体による内圧負荷に対する気密性能を低下
させ、内部流体が容易に漏洩するという問題がおき、上
記の隙間に流体が浸透し顕著な隙間腐食を生じることが
ある。

【００１５】また、この現象が生じている状態で、何等
かの原因で継手を緩める方向に捻りトルクが作用すると
継手が容易に外れ、油井管が井戸の中に落ち込む危険性
がある。この時、井戸中での油井管の再接続が極めて困
難なことから、掘削開発中あるいは生産中の油井を廃坑
にしなければならないという最悪の事態を招くことがあ
る。このような問題は井戸の深さが深くなるに伴って、
管の自重による引張力が増加するため、より深刻な問題
となる。これらの現象が発生するのは、締結時の接触に
おいて、挿入面に隙間が存在するため、圧縮力が作用し
た場合、この隙間が無くなるまでねじ部で圧縮荷重を負
担することができず、シール部およびトルクショルダ部
に圧縮荷重が集中して、この部分に顕著な塑性変形が生
じること、また、その後に引張力が作用するとシール部
およびトルクショルダ部が塑性変形を起こしているの
で、この部分の接触面圧が低下し、そのため継手の保持
トルクが低下することによるためである。

【００１６】図３に示した第二の改良型台形ねじでは、
過大な引張力が作用したとき、管本体が引張破断する以
前に雄ねじが雌ねじから脱却する現象（ジャンプアウト
現象）が生じる。このジャンプアウト現象はねじの荷重
面において、雄ねじと雌ねじが相対的に半径方向の離脱
方向に滑ることにより生ずるもので、継手の引張性能は
管本体の引張性能より低下する事になる。このため、井
戸への適用にあたり、管本体の引張性能のみを考慮して
設計すると、ジャンプアウト現象により油井管が井戸の
中に落ち込み、上記と同様な問題を生じる。これを回避
するため、継手の引張性能（ジャンプアウト現象が生じ
る限界）を考慮して設計すると、管本体の性能にはまだ
余裕があり、その分材料効率の低い設計となり材料コス
トの増加を招く。

【００１７】更に、前記の改良型台形ねじの変形では、
締結時に荷重面、挿入面とも接触状態となるが、挿入面
のフランク角が小さいことから挿入面の接触面圧が高く
なるため、継手締結時にねじ面に焼き付きを生じ易く、
数十回の繰り返し使用に耐えられない。このため、再使
用するには機械加工によりねじを切り直す必要があり、
この分コストの増加を招く事になる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記の油井
管用ねじ継手が有する欠点に鑑み、管本体以上の優れた
引張性能を有するとともに、圧縮力負荷後も優れた気密
性能を有するねじ継手を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、下記の油井管
用ねじ継手を要旨とする。即ち、台形の雄ねじを有する
ピン部に設けたシール形成用ねじ無し部と、同じく台形
の雌ねじを有するボックス部に設けたシール形成用ねじ
無し部とでシール部を構成し、ピン部先端に設けたトル
クショルダ形成用ねじ無し部とボックス部に設けたトル
クショルダ形成用ねじ無し部とを突き合わせてトルクシ
ョルダ部を構成する油井管用ねじ継手において、図１に
示すように、ねじの荷重面フランク角αが−20°以上で
０°未満、挿入面フランク角θが30°を超えて60°以下
であり、かつ締結時に雄ねじと雌ねじの荷重面１と挿入
面２が相互に接触するとともに頂面３と底面４に隙間を
構成し、優れた耐引張強度及び耐気密性を有する油井管
用ねじ継手である。

【００２０】

【作用】本発明者は、引張力および圧縮力が作用した場
合のねじ継手の挙動について詳細な検討を行った結果、
以下の知見を得た。

【００２１】1) 螺合締結完了時において、ねじの挿入
面に隙間があると圧縮力が作用した場合、雄ねじと雌ね
じが互いに軸方向にずれ、この隙間がなくなるまで圧縮
荷重をねじ部で負担することができない。このため、圧
縮荷重の大部分がシール部およびトルクショルダ部に集
中し、この部分に顕著な塑性変形を生じさせる。その
後、管本体の自重による引張荷重が負荷されると、雄ね
じと雌ねじは上記と逆方向にずれ、ねじの挿入面に再び
隙間が生じる。この時、シール部およびトルクショルダ
部では塑性変形のため、接触面圧が低下したり、極端な
場合には隙間が生じたりする。

【００２２】2) これを防止するには、ねじの挿入面を
締結時に接触させることがよいが、このとき挿入面フラ
ンク角が小さいとねじ面の接触面圧が高くなり、焼き付
きを生じ易くなる。その為、挿入面フランク角はある程
度以上の角度を有する必要がある。

【００２３】3) ねじの荷重面フランク角は継手の引張
性能に影響を及ぼすが、過大な引張力が作用した場合で
もジャンプアウト現象が起きないようにするには、荷重
面フランク角を負の値とする必要がある。

【００２４】上記の知見に基づき、本発明においてはね
じ面フランク角の所定範囲及び諸条件を次のように定め
た。

【００２５】まず、ねじの荷重面フランク角は、継手の
引張性能を確保するため−20°以上で０°未満とした。

【００２６】図４は継手に作用する軸方向引張力のねじ
荷重面１の分担状況を示す。引張力の負荷により荷重面
１には面に垂直な力Ｐが生じるが、この力Ｐは継手の軸
方向成分Ｐ・cos αと半径方向成分Ｐ・sin αに分解さ
れる。半径方向成分Ｐ・sinαは、αが負の値のとき下
向きとなり、雌ねじを雄ねじ側へ押しつける作用をする
ため、ジャンプアウト現象の発生を抑制する。この時、
軸方向成分Ｐ・cos αも同時に作用するため、弾性変形
によるねじ山の倒れ現象が生じ、上記αは荷重面フラン
ク角よりねじ山倒れ分だけ大きな値となる。このため、
荷重面フランク角はねじ山倒れ分を考慮した負の値、す
なわち、０°未満とする必要がある。

【００２７】一方、荷重面フランク角が０°未満で負の
値を大きくすると、半径方向成分Ｐ・sin αは増加する
ため、ジャンプアウト抑制効果は増加するが、一方、−
20°を超えるとねじの根元に生じる応力集中が過大とな
り、ねじの根元部の破壊が早期に生じるようになるた
め、継手の引張性能が低下するという問題が生じる。こ
のため、荷重面フランク角は−20°以上で０°未満とす
る。

【００２８】尚、ジャンプアウト抑制と応力集中抑制の
両者の確保を図るためには、荷重面フランク角を−10°
以上で−３°以下とするのが好ましい。

【００２９】次に、ねじの挿入面フランク角は30°を超
えて60°以下の範囲とした。これは継手締結時のねじの
焼き付きを防止するとともに、継手の圧縮性能を確保す
るためである。

【００３０】図５は、継手の締結により発生するねじ面
（挿入面）の接触面圧と材料の降伏強度との比が、挿入
面フランク角の変化によってどう変わるかを示す図であ
る。

【００３１】本発明の継手のようにねじの荷重面と挿入
面の両方を接触させる場合、ねじの挿入面接触面圧／降
伏強度は挿入面フランク角が小さいなるほど高くなる。
フランク角が30°以下では、接触面圧が材料の降伏強度
を超えるため、ねじの焼き付きを生じる危険性が高い。

【００３２】図６は、継手に作用する軸方向圧縮力のね
じ挿入面での分担状況を示すが、圧縮力が作用すると、
ねじ挿入面２にその面に垂直な力Ｆが生じる。この力Ｆ
は継手の軸方向成分Ｆ・cos θと半径方向成分Ｆ・sin
θに分解でき、継手に作用した圧縮力は前者の軸方向成
分Ｆ・cos θだけねじ挿入面で分担される。このため、
フランク角の増加とともにねじの挿入面２で分担される
圧縮力は減少し、その分シール部およびトルクショルダ
部に圧縮力が作用するようになる。このことは、前述し
た従来のねじ継手の欠点と同様なシール部およびトルク
ショルダ部の塑性変形を生じることになるため、これを
防止する観点から、フランク角を60°以下とする。

【００３３】尚、焼き付き防止と圧縮性能の両者の確保
を図るためには、挿入面フランク角を40°から50°の範
囲とするのがより好ましい。

【００３４】更に、継手締結時に雄ねじと雌ねじの荷重
面１と挿入面２の両方を相互に接触させるのは、継手の
圧縮性能を確保するためである。即ち、継手に圧縮力が
作用しても、雄ねじと雌ねじが互いに軸方向にずれるこ
となく、圧縮力をねじ部で分担させるためである。これ
により、前述のように規定された挿入面フランク角の効
果を充分に発揮させることができる。

【００３５】本発明の継手はねじの頂面３と底面４に隙
間を設けることも特徴の一つとしている。これは、継手
締結時に用いられるグリス等の潤滑剤をこの隙間に浸透
させることにより、ねじの焼き付きを防止するととも
に、この隙間は螺旋状に外界と通じているから、ピン部
とボックス部のシール部が接触することにより閉じ込め
られた空気を隙間を通して外界に逃がすことができるか
らである。

【００３６】本発明のねじはいわゆる台形ねじに属する
ものである。この形状を採用したのは、三角形状のねじ
に比べ、ねじピッチに対するねじ高さの比を小さくする
ことができ、その分継手効率（継手の危険断面積を管本
体の断面積で除した値）を高く設定できるためである。
本発明の継手はカップリング方式の継手でもよく、ま
た、インテグラル方式の継手でもよい。上述の作用効果
はいずれの方式においても同様である。

【００３７】

【実施例】以下、本発明にかかるねじ継手の性能を実施
例に基づいて説明する。図７に示したカップリング方式
の基本的構成の継手で、ねじの諸元を表１のように種々
変更した継手を試作した。このとき、その他のねじ継手
の諸元は次の通りとした。

【００３８】管本体の外径：177.8mm 管本体の肉厚：10.36mm カップリングの外径：194.5mm 管およびカップリングの材料：22Crステンレス鋼 (降伏
強度 56.3kgf/mm²) ねじの形状：台形ねじ ねじピッチ：5.08mm ねじテーパ：１／16 ねじ山高さ：1.575mm シールテーパ：１／１０

【００３９】

【表１】

【００４０】これらのねじ継手を繰り返し締結試験、単
純引張試験及び複合荷重試験に供試し、その性能を評価
した。ここで繰り返し締結試験は潤滑用グリスをねじ部
に塗布し、継手の締結、離脱を行い、ねじ部に焼き付き
が生じるまでこれを繰り返した。なお、最大繰り返し回
数は１０回とした。又、単純引張試験は継手を締結した
後、軸方向の引張力を負荷し、破断部位および破断荷重
を記録した。更に、複合荷重試験は継手を締結した後、
管本体に降伏強度の50％に相当する応力が生じるような
軸方向の圧縮力を負荷した後、管本体に降伏強度の80％
に相当する応力が生じるような軸方向の引張力及び降伏
強度の80％の内圧（ＡＰＩ規格に規定）を同時に負荷
し、内圧の漏れを調査した。

【００４１】以上の試験結果を表２に示す。

【００４２】

【表２】

【００４３】表２から、比較例ではいずれかの試験で不
具合が生じているが、本発明の継手はいずれの試験にお
いても良好な結果となっていることがわかる。

【００４４】尚、ここにはカップリング方式の場合の実
施例を示したが、インテグラル方式の場合でも同様の効
果が得られた。

【００４５】

【発明の効果】本発明による油井管用ねじ継手は、管本
体以上の優れた引張性能を有するとともに、圧縮力負荷
後も優れた気密性能を有するため、今後ますます深くな
る井戸にも十分に使用し得るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のねじ継手のねじ形状および締結時のね
じ面接触状態を示す図である。

【図２】（ａ）はＡＰＩ規格に規定された台形ねじの形
状を示す軸方向断面図であり、（ｂ）は その締結時の
ねじ面接触状態を示す軸方向断面図である。

【図３】（ａ）は改良型台形ねじの形状を示す軸方向断
面図であり、（ｂ）はその締結時のねじ面接触状態を示
す軸方向断面図である。

【図４】軸方向引張力のねじ荷重面での分担状況を示す
図である。

【図５】ねじの挿入面接触面圧におよぼすフランク角の
影響を示す図である。

【図６】軸方向圧縮力のねじ挿入面での分担状況を示す
図である。

【図７】カップリング方式の油井管用ねじ継手の基本的
構成を示す軸方向断面図である。

【符号の説明】

１：ねじ荷重面 ２：ねじ挿入面 ３：ねじ頂面 ４：
ねじ底面 10：管本体 11：ピン部 12：雄ねじ 20：
カップリング 21：ボックス部 22：雌ねじ 13、23：シール形成
用ねじ無し部 14、24：トルクショルダ形成用ねじ無し部 α：荷重面フランク角 θ：挿入面フランク
角

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】台形の雄ねじを有するピン部に設けたシー
   ル形成用ねじ無し部と、同じく台形の雌ねじを有するボ
   ックス部に設けたシール形成用ねじ無し部とでシール部
   を構成し、ピン部先端に設けたトルクショルダ形成用ね
   じ無し部とボックス部に設けたトルクショルダ形成用ね
   じ無し部とを突き合わせてトルクショルダ部を構成する
   油井管用ねじ継手において、ねじの荷重面フランク角が
   −20°以上で０°未満、挿入面フランク角が30°を超え
   て60°以下であり、かつ締結時に雄ねじと雌ねじの荷重
   面と挿入面が相互に接触するとともに頂面と底面に隙間
   を構成することを特徴とする油井管用ねじ継手。