JPS6283585A - シ−ル性に優れた油井管継手 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「発明の目的」 （産業上の利用分野） 天然ガスや原油を産出する井戸のａさは、近年になって
地下１万ｍにも達する傾向にある。本発明は、このよう
な深井戸に竪で込まれる油井管用の管継手に関するもの
である。

（従来の油井管継手） 深井戸に竪で込まれる油井管は莫大な数にのぼり、これ
らの油井管はインテグラル式管継手やカップリング式管
継手によって一連に接続される。

第５図はカップリング式の管継手を横倒し、その一部を
切り欠いて示す正面図である。このような油井管継手に
は、土圧による外周からの圧縮力や内部流体による内周
面への押圧力等の影響に対してよく耐え、しかも内部流
体が決して漏洩しない確実な気密性を有することが厳し
く要請されている。そこで第６図に示す如き構成が採ら
れている。

第６図は前記第５図中に矢符で示す部分を拡大視し、カ
ップリングＡに設けられたボックスａと、油井管Ｂの管
端に設けられたピンｂとが連結のため締付けられつつあ
る一時点の状態を示す図である。同図に示すようにピン
ｂの先端部ｂｌとボックスａの奥部社とは相互に対応す
るテーパー状に形成されており、通常の場合、ピンｂに
おける先端部ｂ１の最小外径は、ボックスａにおける奥
部狙の最大内径よりも僅かに大きく形成されている。従
って油井管ＢとカンプリングＡ（第５図参照）とを締め
付けると、ボックスａの奥部記における切上部−から漸
次小径化されたテーパー内周面ゐに沿うようにピンｂの
先端部ｂ１が縮径されつつ挿入される。このためピンｂ
のテーパー外周面ｂｓとボックスａのテーパー内周面お
との間ではメタル対メタルによる高面圧接触のメインシ
ール部が形成される。またピンｂの先端環状面一は、恰
も軸先の如く管軸方向に対して約１００°に傾斜して形
成されているため、前記油井管ＢとカンプリングＡとの
締め付は完了時には、該ピンｂの先端環状面一とボック
スａの内環状面ａ４との間でメタル対メタルによる高面
圧接触のサブシール部が形成される。なお該サブシール
部は、ピンｂとボックスａとを増し締めするときに生ず
る斜交分力によりピンｂの先端環状面一がその外周方向
へ拡管されるようになり、前記メインシール部における
気密性を一層効果的なものに助勢するという作用をも営
む。

ところで、深井戸内に竪で込まれる油井管Ｂの個数は前
述した如く莫大なものであり、これに伴ってカンプリン
グＡの個数も莫大となる。従って各管継手には、油井管
ＢやカンプリングＡの荷重が累積されることによる管軸
方向への強大な引張荷重が作用する。このため従来は、
管継手におけるねじ部のピンチや基準山形を改良する等
していたが、それでもなお前記メインシール部及びサブ
シール部において微小隙間が発生し、該微小隙間から内
部流体が漏れることがあった。そこで第５図に示すよう
に管継手におけるボックスａ側のねじ部又はビンｂ側の
ねじ部にテフロンリングＣを嵌め込んでシール作用を補
助するようにしていた。

（発明が解決しようとする問題点） ピンｂとボックスａとの甥合時には、両者に対するテフ
ロンリングＣの接触面圧を全周にわたって均一に高くす
る必要がある。従ってその締付時においては、テフロン
リングＣが管継手のねじ部に沿って太き（流動変形する
ようにしていた。このためテフロンリングＣには、前記
変形に対する流動性及び締付時の破断を防ぐための靭性
が必要とされていた。しかし流動性又は靭性が大きすぎ
ると、ピンｂとボックスａとの間に局部的な隙間が存在
していた場合等に、該隙間へテフロンリングＣが偏って
流動してしまい、所定の接触面圧が得られないというこ
とがあった。このようにテフロンリングＣは、流動性及
び靭性について相反する要請を満たすものでなくてはな
らなかった。

一方、地下数千ｍ乃至１万ｍにも及ぶ深井戸では、その
深奥部の温度雰囲気が４００〜５００℃という極めて高
温度となる。しかし前記テフロンリングＣは融点が３０
０℃前後と低く、その使用可能な条件、換言すれば井戸
における使用可能な深さ領域が狭隘に限定されるもので
あった。また３００℃以下の使用可能領域内であったと
しても、テフロンリングＣの圧縮クリープ強度や圧縮降
伏応力は充分なものといえず、特にこれらの値は熱サイ
クルに対して影響され易く、シール材としての信頼性は
極めて乏しいものであった。なお、油井管継手に用いら
れるシール材には、引張荷重の増加又は雰囲気温度の上
昇等に伴う隙間拡大に対して、即座にこの隙間を埋める
機能が要求されている。

そしてこの機能は、シール材を形成する材料の形状復元
性によって支配されるものである。そこで前記テフロン
リングＣを形成するテフロンについて第４図に示す如く
形状復元性を開査した。まず、ピンｂとボックスａとの
接触面圧を想定してテフロンに所定の圧縮力を加えて応
力を生じさせ、該圧縮応力を徐々に除荷していったとき
の歪回復率を測定した。また測定は、テフロンを２０℃
に保持した状態で行った。その結果、約１５％という高
い値が測定されたが、この値は圧縮応力が３．５Ｋｇｆ
／、−から０という極めて低い応力領域のみに限られて
おり、ピンｂとボックスａとを螺合した場合等の高い接
触面圧が作用した時にはこの値は殆ど期待できないもの
であった。しかもテフロンは、前述した如く圧縮降伏応
力が５Ｋｇｆ／ｍ♂以下と）ｔめて乏しいものであるた
め、圧縮応力をそもそも３．５Ｋｇｆ／ｄＬ、か付加で
きなかったということも、見逃せない重要な欠点である
。なおかつ、これらの諸欠点に加え、テフロンリングＣ
は油井管ＢとカンブリングＡとの螺脱時ごとに新品のも
のに交換しなければならないという欠点をも有していた
。

本発明は、上記の如き事情に鑑みてなされたものであっ
て、強大な引張荷重や高温雰囲気に影響されることなく
、シール性に高い信頼性が得られ、しかも螺合や螺脱を
幾度となく繰り返すことのできるシール性に優れた新規
な油井管継手（以下、本発明油井管継手という）を提供
することを目的とする。

「発明の構成」 （問題点を解決するための手段） 本発明油井管継手の要旨とするところは、ピンの先端環
状面とボックスの奥部内環状面とでメタル対メタルのシ
ール部を構成する油井管継手であって、前記シール部に
形状記憶合金製のシールリングが介設されてなり、前記
形状記憶合金の逆変態点温度は油井深奥部環境下の温度
よりも低く、油井深奥部環境下の温度における前記シー
ルリングはその形状回復度が前記ピン及びボックスの変
形度よりも大きく　管軸方向へ拡大するようになされて
いることである。

なお、本明細書において「形状記憶合金」とは、熱弾性
型マルテンサイト変態を有する合金であって、その特性
として、逆変態点温度以下で原形に外力を加えると変形
し、その外力を除去しても略々その変形形状を維持する
と共に、該変形形状のものを前記逆変態点温度以上に加
熱すると前記原形に復元するという形状記憶効果を示す
。また一方、逆変態点温度以上で外力により大きく変形
させても該外力を除去すると前記原形に復元するという
擬弾性挙動を示す、そしてこのような形状記憶合金の代
表的なものとしてはＮｉ−Ｔｉ合金、Ａｕ−Ｃｄ合金、
Ｃｕ−Ｚｎ系合金等が挙げられる。

（作用） シールリングは形状記憶合金によって形成されており、
逆変態点温度以上の使用環境下に曝されることで、形状
回復によりピン及びボックスの変形度よりも大きく拡大
変形するようになっている。

そして該シールリングは、ピンの先端環状面とボックス
の奥部内環状面との間に介在されていると共に、前記形
状回復による拡大変形の方向がピン及びボックスの管軸
方向に沿うように設定されている。従って、本発明油井
管継手を油井深奥部へ竪で込んだ場合は、ピンの先端環
状面とボックスの奥部内環状面とをシールリングが互い
に相反して押圧するようになる。このため、前記ピンの
先端環状面とボックスの奥部内環状面とで構成されるシ
ール部に、仮に、引張荷重の増加等による隙間が形成さ
れても、ピン及びボックスに対してシールリングが互い
に密着した状態となり、シール性が害されることはない
、しかもシールリングを形成する形状記憶合金は、逆変
態点温度以上に曝されることで前記管軸方向に沿って形
状回復すると共に、擬弾性挙動を示すものであるから、
前記ピンとボックスとの間の隙間が徐々に拡大しようと
する際にも、この拡大変動に速やかに追従して常に所定
の押圧状態が緩まないようになっている。

なお、前記シールリングは、井戸から引き抜かれて逆変
態点温度以下の雰囲気に曝されても形状回復によ′る拡
大変形のままの状態にあり、ピン及びボックスに対して
高い接触面圧となっている。しかし、この面圧作用方向
は管軸方向に沿ったものであるから螺脱に障害となるこ
とはない。また本発明油井管継手は、ピンとボックスと
の螺合時においてシールリングに永久的な変形を起こさ
せるものではなく、螺合や螺脱を幾度となく繰り返して
も実質的に変形をきたすものでないことはいうまでもな
い。

（実施例） 以下本発明を、その実施例を示す図面に基づいて説明す
ると次のとおりである。

第１図は本発明油井管継手を示すものであって、同図（
イ）はボックス１にシールリング３を挿入した状態を示
す部分断面図、同図（ロ）はピン２とボックス１との螺
合状態を示す部分断面図である。同図（ロ）に示すよう
に本発明油井管継手の最も主要なところは、ピン２の先
端環状面２ａとボックス１の奥部内環状面１ａとで形成
されるサブシール部に、形状記憶合金製のシールリング
３が介在されている点にある。

本実施例においては、シールリング３を形成する形状記
憶合金にＮｉ−Ｔｉ合金を用いた。

Ｎｉ−Ｔｉ合金は前述した如く形状記憶合金の代表的な
ものとして公知であり、一般に、Ｔｉが原子パーセント
で４８〜５２％となされている。該Ｎｉ−Ｔｉ合金は加
熱することで記憶した形状に回復するという特性ををし
ており、その加熱温度が高くなる程、形状記憶効果（形
状回復力）も太き（なることが判明している。またＮｉ
−Ｔｉ合金の中でも特にＴｉが４９．８原子パーセント
のものは、逆変態点温度以下の温度領域、即ち約９２℃
以下の温度領域内において圧縮応力（仮想接触面圧）を
徐々に除荷してゆくと、その除荷過程中における２０Ｋ
ｇｆ　／−から０の応力領域で歪が７〜１０数％も回復
するようになっている。そのうえ、上記形状記憶効果に
伴う歪の回復率に加えて、前記加熱温度がこのＮｉ−Ｔ
ｉ合金における逆変態点温度以上の温度領域であるとき
には、第３図に示すように圧縮応力の除荷過程中におけ
る４０Ｋｇｆ　／−から３０Ｋｇｆ　／−までの高い応
力領域内で、速やかに５％もの歪を回復するという擬弾
性挙動を示すようになっている。尚、参考までに付記す
ると、ピン２及びボックス１を形成する材料として一般
に用いられるｌＣｒ−％Ｍｏ低合金鋼は、形状記憶効果
や擬弾性挙動を有していないことはいうまでもないが、
弾性による歪の回復率も、圧縮応力の除荷過程中におけ
る７０Ｋｇｆ／ｄから５Ｋｇｆ　／−の応力領域で僅か
に０．４％しか示さない、また更に、このＮｉ−Ｔｉ合
金は圧縮降伏応力が２０Ｋｇｆ　／−を越えるものであ
り、この値はシール材の強度としては充分にしてなお余
りがある。

尚、く表　１〉は、このＮｉ−Ｔｉ合金における機械的
性質をテフロン及びガラス繊維入テフロンにおけるそれ
と対比させたものである。〈表　１〉からも分かるよう
にこのＮｉ−Ｔｉ合金は、引張強さ。

伸び、圧縮降伏応力、ヤング率、融点のいずれもが油井
管継手用のシール材として通しており、テフロンやガラ
ス繊維入テフロン等とは比較にならない。またこのＮｉ
−Ｔｉ合金における熱膨張係数は僅かな値であり、同時
にピン２及びボックス１を形成する前記ｌＣｒ−’Ａ　
Ｍｏ低合金鋼と略々近似な値である。従ってこのＮｉ−
Ｔｉ合金が過激な熱サイクルを受けたとしても、前記ピ
ン２又はボックス１に対して熱膨張量の相違による歪隙
間を発生させることはない、尚、〈表　１〉中に示すＮ
ｉ−Ｔｉ合金は、Ｔｉが原子パーセントで４９．８％の
ものを示す。

く以下余白〉 次頁へ続く 第２図に示すように、シールリング３はＮｉ−Ｔｉ合金
を切削加工又は粉末冶金加工等することによって円環状
に形成されている。また前記第１図（イ）に示すように
、ボックス１の奥部内環状面１ａには環状の嵌入溝１ｂ
が穿設されており、前記シールリング３が嵌め込まれる
ようになっている。該シールリング３における原形の大
きさは、その外径φ工がボックス１における嵌入溝１ｂ
の外側縁径央よりも小さく、且つその長方形状断面の長
辺長さ２１がボックスｌにおける嵌入ｉ１ｂの深さｅ２
よりも大きくなっている。従ってボックス１の嵌入溝ｌ
ｂ内へシールリング３を嵌入した場合には、該シールリ
ング３の一部が前記嵌入？ｔｉｌｂから突出するように
なる。また、シールリング３におけるピン２側の環状面
３ａは、ピン２における先端環状面２ａの傾斜角度（約
１００”　’）と同じ角度で形成されている。

このようになされた本発明油井管継手の使用状況を説明
する。ピン２とボックス１とを形状記憶合金の逆変態点
温度以下の雰囲気下において所定トルクで機械締めする
と、ボックス１における奥部内環状面１ａの嵌入溝１ｂ
から突出したシールリング３（第１図（イ）参照）が、
ピン２及びボックス１への密着状態を保ちつつピン２の
先端環状面２ａによって圧縮変形され、第１図（ロ）に
示す如く、ピン２及びボックス１の両者に対して相互に
高い接触面圧を発生するようになっている。従ってこの
状態では、メタル対メタルのサブシール部。

シールリング３対ピン２及びシールリング３対ボツクス
１によって完璧なシール作用が営まれている。そして本
発明油井管継手が井戸内に竪で込まれ、引張荷重が増加
することによってピン２とボックスｌとのサブシール部
に隙間が発生したとする。そしてこの状態で本発明油井
管継手を取り巻く温度雰囲気が、形状記憶合金の逆変態
点温度（４９，８％Ｔ１原子パーセントのＮｉ−Ｔｉ合
金における逆変態点温度は約９２℃）以上に上昇すると
、この温度上昇に伴ってシールリング３が形状記憶効果
を発現し、前記第１図（イ）に示す如き原形に回復しよ
うとしピン２及びボックスｌの管軸方向へ拡大変形する
。従ってシールリング３は、形状を回復しようとする力
がピン２及びボックスｌとによって■まれる形となり、
内部歪を蓄積した状態となる。このため、シールリング
３はピン２及びボックスｌに対して相互に高接触面圧を
伴った密着状態を維持するようになる。また、本発明油
井管継手を取り巻く雰囲気温度が形状記憶合金の前記逆
変態点温度以上に曝された状況下では、シールリング３
は擬弾性挙動を発現するようになっている。つまり、前
記形状記憶効果によって高い接触面圧を保ちつつも、引
張荷重の増加や雰囲気温度の上昇等によって時として、
ピン２及びボックスｌに対するシールリング３の接触面
圧が急激に低下傾向を示すことがある。このようなとき
前記擬弾性挙動は、前記の如き接触面圧の低下を部座に
回復し、ピン２とボックスｌとの隙間の拡大変動に追従
するようになる。なお、シールリング３は井戸から引き
抜かれて逆変態点温度以下の雰囲気に曝されても原形の
ままの状態（第１図（イ）参照）にあり、ピン及びボッ
クスに対して高い接触面圧を保持したままとなっている
。しかし、この面圧の作用方向は管軸方向に沿ったもの
であるからピン２とボックス１との螺脱作業には何等障
害とならない。く表　２〉に本発明油井管継手の気密性
を試験した結果を示す。試験は、ピン２及びボックス１
が１ｃｒ−％Ｍｏ低合金鋼を素材として形成され、サブ
シール部及びメインシール部を備えた供試体（Ｘ）と、
該供試体（Ｘ）に更にテフロンリングを装着した供試体
（Ｙ）と、本発明油井管継手である供試体（Ｚ）とを各
１０本づつ用意し、夫々の平均値を比較する形で行った
。試験に用いた油井管は、管径が７３麿■、肉厚が７１
−２降伏圧が６．５ｈｆ／−であった。そして供試体（
Ｙ）におけるテフロンリングの外形寸法は、筒方向長さ
が７．６自魚、筒部肉厚が１．５ｍｍ’であり、ボック
ス１側のねじ部に周設されたテフロンリング用の嵌込溝
の内部面粗さが１２βｍであった。また供試体（Ｚ）に
おけるシールリングの外形寸法は、筒方向長さが２．５
１１、筒部肉厚が１．５龍であった。そしてピン２とボ
ックスｌとの締付トルクは３１０ｋｇ　−ｍとした。〈
表　２〉からもわかるように、テフロンリングを備えた
供試体（Ｙ）は、油井管内の圧力を僅か３Ｋｇ４　／　
ａｄにしただけで漏れが確認された。つまり、ピン２と
ボックス１とに相反する引張力が作用しない状態ではテ
フロンリングの効果を期待することはできず、装着条件
の困難さが却って厚き彫りにされた。また雰囲気温度を
３００℃と０℃とに交互に繰り返す熱サイクル試験では
、メタル対メタルのみの供試体（Ｘ）に比して倍以上の
効果が得られた。このように本発明油井管継手では、メ
タル対メタルの熱膨張又は収縮に対する影響をもシール
リング３が防止していることがわかる。

く以下余白〉 〈表２〉 （別態様の検討） 前記実施例においては、逆変態点温度以下の雰囲気下で
ピン２とボックス１とを締め付けてシールリング３を圧
縮変形しておき、該シールリングが逆変態点温度以上の
雰囲気に曝されることで変形前の形状に回復するように
拡大変形させた。しかし、第１図（イ）に示す原形のシ
ールリング３を、逆変態点温度以下の雰囲気下において
同図（ロ）に示す如き形状に事前に圧縮変形させておき
、これをボックス１の嵌入溝１ｂへ装着し、しかる後、
逆変態点温度以下の雰囲気下でピン２とボックス１とを
螺合締結するようにしてもよい、このような場合には咬
合締結時におけるピン２の先端環状面２ａとシールリン
グ３の環状面３ａとのゴーリング（焼付）を防止するこ
とができる。またシールリング３用の嵌入溝は、ピン２
の先端環状面２ａ側に設けておいてもよく、ピン２の先
端環状面２ａとボックス１の奥部内環状面１ａとの双方
に設けておいてもよい。勿論、シールリングを形成する
形状記憶合金は、Ｎｉ−Ｔｉ合金に限定されるものでは
ない。

このように本発明油井管継手の細部にわたる構成や形状
は、実施の態様に応じて適宜変更可能なものである。

「発明の効果」 以上の説明で明らかなように、本発明に係るシール性に
優れた油井管継手によれば、形状記憶合金によって形成
されたシールリングが雰囲気温度の上昇に応じて管軸方
向へ拡大変形するようになっているため、ピンとボック
スは常に高い接触面圧を保つようになされているもので
あり、しかもピンとポ・７クスとの間の隙間は、ある程
度、拡大範囲が限られているものであるから、前記接触
面圧は、雰囲気温度の上昇と共に高くなる傾向となって
いる。つまり本発明油井管継手は、雰囲気温度が高くな
る程シール作用も効果を増し、内部流体が漏洩すること
は決してない。これに対して従来の油井管継手では、ピ
ン又はボックスに対するテフロンリングの接触面圧は、
ピンとボ・７クスとの締付時に最大の値となり、その後
作用する引張荷重の増加及び雰囲気温度の上界に伴って
小さくなる一方である。尚、形状記憶合金は、一般に曲
げや引張等の外力に対してそれ程強靭とはいえず、油井
管継手自体の成形素材として使用するには不充分である
。またコスト的にも高騰化するおそれがある。そこで本
発明油井管継手においては、これらの不具合に対して、
形状記憶合金を適切な箇所に局部的に用い、且つシール
材としてのみ作用させ、油井管継手としての強度につい
ては従来と同じｌＣｒ−％Ｍｏ低合金鋼等の材料を使用
して対処させである。つまりこれを換言すれば、従来の
油井管継手においても、シールリング用の嵌入溝を設け
るだけの簡単な改良で本発明の効果が得られるというこ
とである。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）及び（ロ）は本発明油井管継手を示すもの
であって、同図（イ）はボックスにシールリングを挿入
した状態を示す部分断面図、同図（ロ）はビンとボック
スとの螺合状態を示す部分断面図、第２図はシールリン
グを示す斜視図、第３図はＮｉ−Ｔｉ合金における歪の
回復率を示す応力−歪曲線、第４図はテフロンリングに
おける歪の回復率を示す応力−歪曲線、第５図は従来の
油井管継手を一部切り欠いて示す正面図、第６図は前記
第５図における油井管継手の一部を拡大して示す断面図
である。 １・・・ボックス　　　　１ａ・・・奥部内環状面２・
・・ビン　　　　　　２ａ・・・先端環状面３・・・シ
ールリング 第２図 （イ） 第 （ロ） １図 進回復辛（’／、） 第３図 １回１千（０ム） 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ピンの先端環状面とボックスの奥部内環状面とでメ
   タル対メタルのシール部を構成する油井管継手であって
   、前記シール部に形状記憶合金製のシールリングが介設
   されてなり、前記形状記憶合金の逆変態点温度は油井深
   奥部環境下の温度よりも低く、油井深奥部環境下の温度
   における前記シールリングはその形状回復度が前記ピン
   及びボックスの変形度よりも大きく管軸方向へ拡大する
   ようになされていることを特徴とするシール性に優れた
   油井管継手。