JP5725094B2 - 耐久性に優れた油井管用ねじ継手 - Google Patents

Description

本発明は、耐久性に優れた油井管用ねじ継手に関し、詳しくは一般に油井やガス井の探査や生産に使用されるチュービングおよびケーシングを包含する油井管、すなわちOCTG(oil country tubular goods)、ライザー管、ならびにラインパイプなどの鋼管の接続に用いるのに好適な、耐久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、テーパねじ、シール部（詳しくはメタルタッチシール部）、ショルダ部（詳しくはトルクショルダ部）の夫々を備える、管端部に形成した雄ねじ部材（以下、ピンと呼ぶ）と、該ピン同士を連結する雌ねじ部材（以下、ボックスと呼ぶ）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り、シール部はボックスとピンとがこの部分でメタル接触することで気密性を確保する役目を担い、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になる。

図４は、油井管用プレミアムジョイントの従来例を示す模式的説明図であり、これらは、円管のねじ継手の縦断面図（管軸が断面内で延在する断面図）である。ねじ継手は、ピン3とこれに対応するボックス1とを備えており、ピン3は、その外面に雄ねじ部7と、ピン3の先端側に雄ねじ部7に隣接して設けられたねじの無い長さ部分であるノーズ部（ピンノーズとも云う）8を有する。ノーズ部8は、その外周面にシール部（詳しくは、メタルタッチシール部）11を、その端面にはショルダ部12を有する。対応するボックス1は、その内面に、それぞれピン3の雄ねじ部7、シール部11、およびショルダ部12と夫々、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5、シール部13、および、ショルダ部14を有している。ここで、AXISは管軸であり、tp0はピン素管厚である。

図４の従来例では、ピン3先端部にシール部11を有する型のものであって、適正な締め付けトルクを与えることにより所望のシール性能を実現できるのであるが、締付けトルクは潤滑条件、表面性状等に影響されるので、これらに大きくは依存しない設計として、シール接触圧力の半径方向成分を相対的に強くした半径方向シール方式（ラジアルシール型とも云う）がある。

尤も、前記ラジアルシール型も、ショルダ部とは異なる部位にシール部を有すると云う点では、ピン先端部にシール部を有する型のねじ継手と同様である。
ところで、シール性の他に油井管用ねじ継手が備えなければならない機能として、隙間腐食に対する耐食性が挙げられる。隙間腐食は腐食性流体がピン/ボックス間の微小な隙間に浸透し、滞留して濃縮されることにより発生するものであり、ねじ継手においては特にショルダ面間の隙間が隙間腐食の発生し易い箇所として問題視されている。

前記問題の解決策として、シール部の接触力によるピン先端の縮径変形に伴うショルダ角度差を考慮し、予めピン側のショルダ角をボックス側のそれよりも0.5〜4.0度小さく設計することにより、ショルダ部接触時に均一に接触するようにする従来技術が知られている（特許文献１参照）。該従来技術によると、不均一な接触による内面側での隙間発生或いは過大な塑性変形発生を防止することができ、数十回の使用に耐え、かつ、隙間腐食が発生しない油井管用ねじ継手が得られるとしている。又、ショルダ角度差は二つのパラメータ、即ちピン又はボックスの外径Dとピン又はボックスの肉厚tの比であるD/t及び、シール形成面の径方向の嵌合しろδsとねじ形成面の径方向の嵌合しろδtの差δr＝δs−δt、に応じて設定すると良いとしている。

特許第３２８７１９７号公報

然しながら、本発明者らの検討によると、従来技術では圧縮負荷時のピン先端全体の塑性変形に対してはこれを抑制することができず、圧縮負荷時のピン先端のショルダ部前面の過大な塑性変形に伴いショルダ面間に隙間が生じて隙間腐食が発生し易くなるという課題があった。

本発明者らは、前記課題を解決するために種々の検討を行った結果、ショルダ部の過大な変形を防止する為にはショルダ角度差を設定するだけでなく、圧縮負荷時のピン先端全体の塑性変形を抑制する為にピン先端厚みを規定する必要がある事を知見し、この知見に基づき更に検討を重ねて本発明を成した。

本発明は以下の通りである。
(1)油井管用鋼管の管端部を占有し、雄ねじ部、該雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部、及び該ノーズ部の先端面をなすショルダ部を有するピンと、
前記雄ねじ部とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部、及び前記ピンのショルダ部に当接するショルダ部を有するボックスとを有し、
前記ねじ結合により前記ピンと前記ボックスとが結合されて夫々のねじ部とショルダ部間の部位で互いに相手方とメタル‐メタル接触しその接触部が流体をシールするシール部となり、
前記ピンと前記ボックス夫々のショルダ部はねじ継手締め付け時に相手方と当接してショルダ面となる油井管用ねじ継手であって、
下記に定義されるピン側ショルダ角θ1、ボックス側ショルダ角θ2、シール干渉量δ、シールポイント距離xpが、
θ2−θ1＝α×δ/xp、α＝7〜14、
なる関係を満足し、かつ、ピン最先端部半径Reとピン先端部内半径Riの差Re−Riで定義されるピン先端厚みtp1がピン素管厚tp0の0.25倍以上である
ことを特徴とする耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手。
記
(i)ピン側ショルダ角θ1とは、管軸直交線とピン側ショルダ部との交角の鋭角側の角度[度]の値である。
(ii)ボックス側ショルダ角θ2とは、管軸直交線とボックス側ショルダ部との交角の鋭角側の角度[度]の値である。
(iii)シール干渉量δとは、ピンとボックス双方の同一縮尺の管軸方向断面図同士を、双方夫々の管軸同士が互いに一致し、かつ、双方夫々のショルダ部内の管軸からの最遠点の管軸方向位置が一致するように重ね合わせてなる重なり部の管半径方向長さの最大値である。
(iv)シールポイント距離xpとは、前記重なり部の管半径方向長さが最大になるピン外径面内位置であるシールポイントSPからピン最先端位置までの管軸方向距離である。

尚、前記長さ及び距離の単位は、複数種の単位(例えば[”]や[mm]など)のうちから選ばれる一種（例えば[”]）である。

本発明によれば、上記構成の採用により、ねじ継手締付け過程におけるシール部の接触力によるピン先端の縮径変形に起因するショルダ部での局所的な塑性変形のみならず圧縮負荷時のショルダ部全面の過大な塑性変形をも防止でき、以て耐久性に優れた油井管用ねじ継手が得られる。

本発明に係るピンとボックス双方の同一縮尺の図面同士を重ね合わせた状態を示す素管軸方向断面図である。 本発明に係るねじ継手締付け間のノーズ部の挙動を示す素管軸方向断面図である。 本発明の基礎とした知見を示すグラフである。 従来の特殊ねじ継手を例示する素管軸方向断面図である。

本発明に係るねじ継手は、ラジアルシール型プレミアムジョイントである事を前提とする。この前提は、図４をラジアルシール型に変形した場合において、油井管用鋼管2の管端部を占有し、雄ねじ部7と、該雄ねじ部7より管端側に延在するノーズ部（ピンノーズ）8と、該ノーズ部8の先端面をなすショルダ部12とを有するピン3と、前記雄ねじ部7とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部5と、前記ピン3のショルダ部12に当接するショルダ部14とを有するボックス1と、を有し、前記ねじ結合により前記ピン3と前記ボックス1とが結合されて夫々のねじ部とショルダ部間の部位で互いに相手方とメタル‐メタル接触しその接触部が流体をシールするシール部11、13となり、前記ピン3と前記ボックス1夫々のショルダ部12、14はねじ継手締め付け時に相手方と当接してショルダ面となると云う処にある。

本発明の特徴は、前記前提の下で、図１及び図２に例示され、前記(i)〜(iv)に定義される、ピン側ショルダ角θ１、ボックス側ショルダ角θ2、シール干渉量δ、シールポイント距離xpが、θ2−θ1＝α×δ/xp、α＝7〜14、なる関係を満足し、かつ、図２に例示されるピン最先端部半径Reとピン先端部内半径Riの差Re−Riで定義されるピン先端厚みtp1がピン素管厚tp0（tp0は図４参照）の0.25倍以上である処にある。尚、前記(i)〜(iv)の定義は図１、図２の部材符号を用いて下記のとおり記述される。
記
(i)ピン側ショルダ角θ1とは、管軸直交線10とピン側ショルダ部12との交角の鋭角側の角度[度]の値である。
(ii)ボックス側ショルダ角θ2とは、管軸直交線10とボックス側ショルダ部14との交角の鋭角側の角度[度]の値である。
(iii)シール干渉量δとは、ピン3とボックス1双方の同一縮尺の管軸方向断面図同士を、双方夫々の管軸AXIS同士が互いに一致し、かつ、双方夫々のショルダ部12、14内の管軸AXISからの最遠点20、25の管軸方向位置が一致するように重ね合わせてなる重なり部の管半径方向長さの最大値である。
(iv)シールポイント距離xpとは、前記重なり部の管半径方向長さが最大になるピン3外径面内位置であるシールポイントSPからピン最先端位置20までの管軸方向距離である。

図２は、本発明に係るねじ継手締付け（Make-upと称する）間のノーズ部8の挙動を示す管軸AXIS方向断面図である。図２に示される様に、Make-up間では、一般にピン3側のシール部11にする部分とボックス1側のシール部13にする部分との接触力Fの作用により、ノーズ部8のピン管端側が縮径変形するため、ピン3とボックス1双方のショルダ部12、14同士を突き合わせる際のピン側ショルダ角θ1’は図面上（Make-upする前）のピン側ショルダ角θ1よりも大きな値となる。

ラジアルシール型ではシールポイントSPがピン管端から離れた箇所に位置するよう設計されており、前記縮径変形に伴うピン側ショルダ角の変化δθP（＝θ1’−θ1）が大きい。通常は、θ2＝θ1となる様に設計されるが、δθPが大きいと、θ2とθ1’の差が過大となりショルダ部の内径側に隙間が生じる。腐食性流体の流れる内径側に隙間があると隙間腐食が発生する為に長期間の使用ができなくなる。そこで、種々のねじ継手について、FEA（有限要素解析）によるMake-upシミュレーション計算を行い、δθPに影響を及ぼす設計因子を探り当てる調査を行った。その結果、例えば図３に示す様に、δθPは、δ/xpにほぼ比例すること、即ち、δθP＝α×δ/xp、であることが分った。更に、比例定数αが7〜14のときに、θ1’はθ2にほぼ等しい値となって、隙間腐食が起り難くなることが分った。つまり、θ1’≒θ2とするには、θ1＝θ2−δθP＝θ2−α×δ/xp（但し、α＝7〜14） ⇒ θ2−θ1＝α×δ/xp（但し、α＝7〜14）とすれば良く、これにより、隙間腐食を効果的に抑制できる。

然し、ピン先端厚みtp1（＝Re−Ri）が0.25×tp0未満であると、Make-up後Running時の圧縮負荷によりピン先端全体の塑性変形が容易に発生するため繰り返しの使用ができなくなる。そこで、斯かる塑性変形を抑制する為に、tp1≧0.25×tp0、とする必要がある。尚、tp1は、大き過ぎるとピン先端部の剛性が過剰となりシール部の過大な接触力により焼き付き（ゴーリング）が発生しやすくなる点で不利であることに鑑み、好ましくは、tp1≦0.49×tp0、である。

API規格のL80相当の炭素鋼（降伏強度90ksi＝620MPa）の外径9-5/8”×肉厚0.545”の油井管用鋼管の管端部をねじ切削加工してなるピンと、これに対応するボックスとを用いて、Lowトルク（40000N・ｍ）にてMake-upしてなる、表１にシール条件及びショルダ角の諸元水準を示す処の、油井管用ねじ継手を用意した。当該ねじ継手を試験対象として、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圧縮力（1119klbf＝4978kN）を付加した後に、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（1119klbf＝4978kN）を付加した状態で内面のピン側とボックス側のショルダ部同士間の隙間発生の有（NG）無（OK）を調査する隙間発生試験を行った。

試験結果を表１に示す。表１に示されるとおり、本発明例は何れの水準もOKであり、隙間腐食防止に有効であることが明らかである。

1 ボックス
2 油井管用鋼管
3 ピン
5 雌ねじ部（ボックス側）
7 雄ねじ部（ピン側）
8 ノーズ部（ピンノーズ）
10 管軸直交線
11、13 シール部（メタルタッチシール部）
12 ショルダ部（ピン側）
14 ショルダ部（ボックス側）
20 ピン側ショルダ部内のピン管軸からの最遠点（ピン最先端位置）
25 ボックス側ショルダ部内のボックス管軸からの最遠点
AXIS 管軸
F 接触力
SP シールポイント

Claims (1)

1. 油井管用鋼管の管端部を占有し、雄ねじ部、該雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部、及び該ノーズ部の先端面をなすショルダ部を有するピンと、
   前記雄ねじ部とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部、及び前記ピンのショルダ部に当接するショルダ部を有するボックスとを有し、
   前記ねじ結合により前記ピンと前記ボックスとが結合されて夫々のねじ部とショルダ部間の部位で互いに相手方とメタル‐メタル接触しその接触部が流体をシールするシール部となり、
   前記ピンと前記ボックス夫々のショルダ部はねじ継手締め付け時に相手方と当接してショルダ面となる油井管用ねじ継手であって、
   下記に定義されるピン側ショルダ角θ1、ボックス側ショルダ角θ2、シール干渉量δ、シールポイント距離xpが、
   θ2−θ1＝α×δ/xp、α＝7〜14、
   なる関係を満足し、かつ、ピン最先端部半径Reとピン先端部内半径Riの差Re−Riで定義されるピン先端厚みtp1がピン素管厚tp0の0.25倍以上である
   ことを特徴とする耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手。
   記
   (i)ピン側ショルダ角θ1とは、管軸直交線とピン側ショルダ部との交角の鋭角側の角度[度]の値である。
   (ii)ボックス側ショルダ角θ2とは、管軸直交線とボックス側ショルダ部との交角の鋭角側の角度[度]の値である。
   (iii)シール干渉量δとは、ピンとボックス双方の同一縮尺の管軸方向断面図同士を、双方夫々の管軸同士が互いに一致し、かつ、双方夫々のショルダ部内の管軸からの最遠点の管軸方向位置が一致するように重ね合わせてなる重なり部の管半径方向長さの最大値である。
   (iv)シールポイント距離xpとは、前記重なり部の管半径方向長さが最大になるピン外径面内位置であるシールポイントSPからピン最先端位置までの管軸方向距離である。

Images