JP6187724B1 - 油井管用ねじ継手 - Google Patents

Abstract

肉厚が薄いチュービング用ねじ継手であっても、ISO13679：2002に基づく気密性試験において締め付け時にゴーリングが起こらず、かつ、ノーズ部の塑性変形を抑制することにより外圧負荷時に十分な気密性（十分な耐外圧シール性）を有する油井管用ねじ継手を提供する。シールポイントとショルダ部との位置におけるねじ継手寸法を含む下記パラメータが、以下の式１、式２を満たし、かつ、Ls/Ln：0.2〜0.6であるようにする。(Ds12−Ds02)/(D12−D02)≧0.30 ‥‥（式１）tanθ＞(ΔD+δ)/{2(Lt−Ls)} ‥‥（式２）

Description

本発明は、一般に油井やガス井の探査や生産に使用される油井管用ねじ継手に関し、とくにチュービングの用途に好適な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。近年、原油や天然ガスの井戸は高深度化が進み、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。従来、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、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いる。しかし、要求性能の多様化から、プレミアムジョイントと呼ばれる高性能な特殊ねじ継手を使用するケースが増加しており、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）の夫々を備える継手であり、管端部に形成された雄ねじ部材（以下、ピンと呼ぶ）と、１つのピンと接続して２つのピン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メタル接触することで形成され、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。

また、前述した井戸の高深度化に伴い、高温高圧環境に対応可能な油井管が必要とされるケースが増加している。井戸デザインにおいて生産流体（原油や天然ガスなど）を吸い上げるチュービングは外径が小さく、また、生産性向上のために流体が通過する内径の断面積を大きくするために薄肉化される傾向にある。

斯かる趨勢下で、ねじ継手自体の気密性能を維持すると同時に、大きい圧縮荷重下でも高い抵抗とシール性能とを有するねじ継手に対する要求に応じるための従来技術がある。例えば、ピン素管断面積（鋼管端部にピン加工した鋼管のピン未加工部の断面積）に対するボックス側のショルダ部当たり面の断面積（前記当たり面を管軸直交面へ正射影してなる領域の面積）の比を所定値（0.5）以上にする手段が知られている（特許文献１参照）。

特許第４２５７７０７号公報

ISO13679:2002にて要求されるねじ継手の気密性を評価する試験においては、外圧はAPI 5C3に規定される数式に基づいて算出された値を使用する。その試験では、例えば、外径が114.3mm（4.5インチ、4.5”）以下のピンからなるチュービングにおいては、肉厚（WT）と外径（OD）の比であるWT/ODが相対的に大きくなるために、外径が114.3mm超の場合よりも高い外圧での気密性が要求される。

一方で、チュービングでは、一般的に肉厚が薄いため、ノーズ部の肉厚が薄くなりショルダ部の断面積（前記当たり面を管軸直交面に正射影してなる領域の面積）も小さくなる傾向があり、ねじ継手締め付け時のノーズ部の塑性変形が問題となりやすい。このような問題は、特許文献１の技術では解決するのが困難である。また、従来技術では、ゴーリングと呼ばれる、締め付けまたは締め戻しに伴う焼付きの発生の改善という点でも、まだ十分とは言えなかった。

本発明は、上述の事情に鑑み、肉厚が薄いチュービング用ねじ継手であっても、ISO13679：2002に基づくねじ継手試験において締め付け時にゴーリングが起こらず、かつ気密性試験においてノーズ部の塑性変形を抑制し、外圧負荷時に十分な気密性（十分な耐外圧シール性）を有する油井管用ねじ継手を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために検討を重ね、以下の要旨構成になる本発明をなした。
［１］雄ねじ部の先端にノーズ部を有するピンと、
該ピンの雄ねじ部と嵌合する雌ねじ部および前記ノーズ部と相対する部位を有するボックスと、を備える油井管用ねじ継手であって、
前記ピンのノーズ部先端に位置するショルダ部が、相対する前記ボックスのショルダ部と軸方向に当接し、
前記ピンのノーズ部外面が凸曲面からなり、相対する前記ボックスの内面が軸方向に対して傾き角がθであるテーパ面からなり、
前記ピンのノーズ部外面と前記ボックスの内面の双方が、継手締め付け時に半径方向に金属接触して流体をシールする構造を有し、
前記ピンおよび前記ボックスの双方の軸方向の断面図を、前記ショルダ部同士が合わさるように重ね合わせたときにシール部同士の半径方向の重なり代が最大となる軸方向位置として、シールポイントが定義され、
前記シールポイントと前記ショルダ部との位置におけるねじ継手寸法を含む下記パラメータが、以下の式１、式２を満たし、Ls/Ln：0.2〜0.6である油井管用ねじ継手。
(Ds1²−Ds0²) / (D1²−D0²) ≧ 0.30 ‥‥（式１）
tanθ＞ (ΔD+δ) / {2(Lt−Ls)} ‥‥（式２）
Ds1；ショルダ当たり面の上端位置を表す直径（インチ）
Ds0；ショルダ当たり面の下端位置を表す直径（インチ）
D1 ；ピン未加工部の外径（インチ）
D0 ；ピン未加工部の内径（インチ）
θ ；ボックスのシール部のテーパ角(°)
ΔD；ノーズ部とねじ部との接続部位での外径Dn（インチ）とシールポイント位置での外径Dsp（インチ）との差（ΔD＝Dn−Dsp）（インチ）
δ ；シール干渉量（シールポイント位置における直径当たりのシール部重なり代）（インチ）
Lt ；ボックスのシールテーパ部の終了位置指標（ピン先端からの軸方向長さで表す）（インチ）
Ls ；シールポイント位置指標（ピン先端からの軸方向長さで表す）（インチ）
Ln ；ノーズ部長さ（インチ）
［２］前記ピンは外径114.3mm以下であり、前記Lnは5.08mm以上である前記［１］に記載の油井管用ねじ継手。

本発明によれば、肉厚が薄いチュービング用ねじ継手であっても、ISO13679：2002に基づくねじ継手試験において締め付け時にゴーリングが起こらず、かつ気密性試験においてノーズ部の塑性変形を抑制し、外圧負荷時に十分な気密性（十分な耐外圧シール性）を実現できる。

本発明の油井管用ねじ継手の関連技術の油井管用プレミアムジョイントを示す模式的説明図であり、ノーズ部の概略図である。 本発明の油井管用ねじ継手の関連技術の油井管用プレミアムジョイントを示す模式的説明図であり、ねじ部の概略図である。 本発明の油井管用ねじ継手の関連技術の油井管用プレミアムジョイントを示す模式的説明図であり、継手部全体の概略図である。 ラジアルシール型ねじ継手の模式図に本発明で用いるパラメータの一部を記入した図である。

以下、本発明について、まず図１〜３を参照しながら説明する。次いで、本発明の特徴となる点について、図４を参照しながらより詳細に説明する。

図１〜３は、本発明の油井管用ねじ継手の関連技術の油井管用プレミアムジョイント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100は、ピン3とこれに対応するボックス2とを備えている。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。ボックス2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。

関連技術では、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。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（以降、ラジアルシール型と云う）がある。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が、軸方向の引張荷重が作用した場合にシール接触圧力が低減しにくいという利点がある。

なお、αはロードフランク角であり、ねじ部のロードフランク面9が管軸直交面となす角度で定義される。ロードフランク角αは、図２のようにロードフランク面9のピン内径側の端がピン外径側の端よりもピン先端側に位置する場合、負の角度（例えば、α＝−5°など）で表し、逆の場合、正の角度（例えば、α＝5°）で表し、これらのいずれでもない場合、α＝0°と表す。ねじギャップ15は、ピンとボックスのロードフランク面同士が互いに接触し合ったときの、ねじ部のスタビングフランク面10のピン側とボックス側の面間隔（ねじ山高さ方向の中央位置での面間隔）で定義される。

図４は、ラジアルシール型ねじ継手の模式図に本発明で用いるパラメータの一部を記入した図である。図４において、図１〜３と同一又は相当部分には同じ符号を付し、説明を省略する。このラジアルシール型ねじ継手は、雄ねじ部の先端にノーズ部を連ねた外径（後述のD１）114.3mm以下のピン3と、該ピン3の雄ねじ部と嵌合する雌ねじ部および前記ノーズ部8と相対する部位を有するボックス2とを備える。前記ピン3のノーズ部8先端に位置するショルダ部12が、相対する前記ボックス2のショルダ部14と軸方向に当接する。前記ピン3のノーズ部8外面が凸曲面からなり、相対する前記ボックス2の内面が軸方向に対して傾き角（テーパ角）がθであるテーパ面からなる。前記ピン3のノーズ部8外面と前記ボックス2の内面の双方が、継手締め付け時に半径方向に金属接触して流体をシールする構造になる、ピン側のシール部11およびボックス側のシール部13を有する。

本発明は、ピン外径を114.3mm以下の継手に適用できる。API 5CTに記載のケーシングサイズであるピン外径が114.3mm超の継手にも適用可能であるが、ピン外径が114.3mmを超えると、後述の式１、式２を満たし、かつLs/Lnを本発明の範囲に収めるように設計しなくても、耐外圧シール性および耐ゴーリング性の両立を実現できる。一方で、ピン外径が114.3mm以下であっても、後述の式１、式２を満たし、かつLs/Lnを本発明の範囲に収めるように設計することで、耐外圧シール性および耐ゴーリング性の両立を実現できる。

図４において、Ds1はショルダ当たり面の上端（外径側の端）位置を示す直径（インチ）であり、Ds0はショルダ当たり面の下端（内径側の端）位置を示す直径（インチ）である。ピン3の未加工部の外径D1（インチ）および内径D0（インチ）は図４には図示していない。なお、ショルダ当たり面とは、ショルダ部12とショルダ14とが当接する面を指す。ピン3の未加工部とは、ピン3において、ショルダ部12を先端側とした際の後端側の雄ねじ部7が存在しない領域であって、管軸方向に外径および内径が一定となる素管領域のことを指す。

また、θはボックス2のシール部13のテーパ角(°)である。Dnはピン3のノーズ部外径（インチ）である。すなわち、Dn（インチ）は、ノーズ部8と雄ねじ部7との接続部位でのピン3の直径である。Dspはピン3のシールポイント位置での外径（インチ）である。ΔDは、ノーズ部外径Dnとシールポイント位置での外径Dspとの差（ΔD＝Dn−Dsp）（インチ）である。
δは、シール干渉量（インチ）である。このシール干渉量δは、ピン側のシール部11とボックス側のシール部13とが重なり合って形成される領域であるシール部20のシールポイント位置における直径当たりのシール部重なり代のことである。
Ltは、ボックス2のシールテーパ部の終了位置指標（ピン先端からの軸方向長さで表す）（インチ）である。Lsは、シールポイント位置指標（ピン先端からの軸方向長さで表す）（インチ）である。Lnは、ノーズ部長さ（インチ）である。

シールポイントとは、ピン3およびボックス2の双方の軸方向の断面図を、ショルダ部同士（ショルダ部12とショルダ部14）が合わさるように重ね合わせたときにシール部同士（シール部11とシール部13）の半径方向の重なり代が最大となる軸方向位置のことである。
気密性（特に耐外圧シール性）確保のためにはシールポイントを管端（ピン先端）から離した位置に置く必要がある。具体的には、シールポイント位置指標Lsをノーズ部長さLnで割ったLs/Lnは、Ls/Ln＝0.2〜0.6となるように設計する。好ましくは、Ls/Lnは0.3以上である。好ましくは、Ls/Lnは0.5以下である。また、ノーズ部長さLnは0.2”（0.2インチ、5.08mm）以上とすることが好ましい。
なお、ノーズ部長さLnは、長くしすぎると後述の式１の成立が困難となりノーズ部の塑性変形に伴うシール性低下の点で不利なため、1”（25.4mm）以下が好ましい。

ノーズ部の塑性変形を抑制するためにはショルダ部の断面積比を大きくすることが有効であり、シール部のテーパ角θが必然的に小さくなる。ここで、「ショルダ部の断面積比」とは、ピン未加工部の軸直交断面積に対するショルダ部の当たり面の軸直交面への正射影像の面積の比を意味し、以下の式１の左辺の数式で計算される。
(Ds1²−Ds0²) / (D1²−D0²) ≧ 0.30 ‥‥（式１）
式１中、
Ds1；ショルダ当たり面の上端位置を表す直径(インチ)、
Ds0；ショルダ当たり面の下端位置を表す直径（インチ）、
D1 ；ピン未加工部の外径（インチ）、
D0 ；ピン未加工部の内径（インチ）、である。

図４に示すように、シール部とねじ部を接続する部分である「シール部とねじ部の接続部」を有する設計となるのが通常である。極端な設計をしてシール部とねじ部の接続部の段差が大きくなった場合、締め付け過程初期においてシール部とねじ部の接続部での接触が発生し、大きな面圧が発生してゴーリングの原因となる。

このような問題の解決策として、本発明者らは、上記パラメータが前記式１および以下の式２を満たすように設計することにより、ノーズ部の塑性変形を抑制しつつ、かつ、シール部とねじ部の接続部への締め付け時の接触によるゴーリングを防止できることを見出した。
tanθ＞ (ΔD+δ) / {2(Lt−Ls)} ‥‥（式２）
式２中、
θ ；ボックスのシール部のテーパ角(°)、
ΔD；ピンのノーズ部外径Dn(インチ)とシールポイント位置での外径Dsp(インチ)の差（ΔD＝Dn−Dsp）（インチ）
δ ；シール干渉量（シールポイント位置における直径当たりのシール部重なり代）（インチ）、
Lt ；ボックスのシールテーパ部の終了位置指標（ピン先端からの軸方向長さで表す）（インチ）、
Ls ；シールポイント位置指標（ピン先端からの軸方向長さで表す）（インチ）、である。

式１の左辺の数式は「ショルダ部の断面積比」を意味する。この値を0.30以上とすることで、ノーズ部の塑性変形を効果的に抑制できる。なお、式１の左辺値が過大になると式２が成立しなくなるため、現実的な式１の左辺値の最大値は0.5となる。

一方、式２の数式は、ボックスのシールテーパ部の終了位置（位置指標がLtである位置）においてピンとボックスが干渉しないように、θが満たすべき条件を表した式を意味する。

ボックスのシール部のテーパ角θのタンジェントであるtanθが、式２の右辺値を上回るようにすることで、シール部とねじ部の接続部への締め付け時の接触によるゴーリングは起こらなくなる。なお、θが過大になると、式１が成立しなくなるため、現実的なθの最大値は15°（tanθは0.268以下）となる。

また、式１、式２を導出する過程で用いたパラメータの数値範囲は以下のとおりである。
Ds1：0.9”〜4.3”、Ds0：0.7”〜4.0”、D1：1.0”〜4.5”、D0：0.7”〜4.0”、
θ：3°〜15°、Dn：1.0”〜4.4”、Dsp：1.0”〜4.4”、δ：0.004”〜0.040”
Lt：0.1”〜0.9”、Ls:0.04”〜0.6”、Ln：0.2”〜1.0”。

また、式１、式２を導出する過程で用いたねじ部は、軸長さ1”当たりのねじ数が4山〜8山であり、ロードフランク角αおよびねじギャップ15（図２参照）の数値範囲が、α：−10°〜5°、ねじギャップ：0.025mm〜0.200mmであり、ピン未加工部肉厚（ピン素管肉厚）は、0.1”〜1.0”である。

よって、少なくとも上記式１、式２の導出過程で用いた数値範囲内のねじ継手を本発明の適用対象とすることで、本発明の効果が得られる。また、本発明に係るねじ継手を適用する油井管の鋼種としては、API 5CTに記載の各種鋼種が挙げられる。

実施例においては、API規格のL80相当の炭素鋼（降伏強度90ksi＝620MPa）の外径3-1/2”×肉厚0.254”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有する油井管用ねじ継手を複数用意した。各油井管用ねじ継手は、Lowトルク（3500ft・lb）にて締め付け（Make-up）たときに、表１および表２に示す諸元水準となる。各油井管用ねじ継手にISO13679：2002に基づく気密性試験に供した。なお、ピンねじ山は軸長さ1”あたり5山とし、ロードフランク角αは−5°とし、ねじギャップ15は0.10mmとした。

試験結果を表３に示す。表３に示されるとおり、本発明例は何れの水準もISO13679：2002に基づく気密性試験に合格しており、ゴーリングなく締め付けることができ、かつ、塑性変形を抑制し、十分な気密性を有することが明らかである。

1 継手部
2 ボックス
3 ピン
4 油井管用鋼管
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）
9 ねじ部のロードフランク面
10 ねじ部のスタビングフランク面
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）
15 ねじギャップ
20 シール部（シール部11及びシール部13が重なって形成される領域）
100 ねじ継手

Claims (1)

1. 雄ねじ部の先端にノーズ部を有するピンと、
   該ピンの雄ねじ部と嵌合する雌ねじ部および前記ノーズ部と相対する部位を有するボックスと、を備える油井管用ねじ継手であって、
   前記ピンのノーズ部先端に位置するショルダ部が、相対する前記ボックスのショルダ部と軸方向に当接し、
   前記ピンのノーズ部外面が凸曲面からなり、相対する前記ボックスの内面が軸方向に対して傾き角がθであるテーパ面からなり、
   前記ピンのノーズ部外面と前記ボックスの内面の双方が、継手締め付け時に半径方向に金属接触して流体をシールする構造を有し、
   前記ピンおよび前記ボックスの双方の軸方向の断面図を、前記ショルダ部同士が合わさるように重ね合わせたときにシール部同士の半径方向の重なり代が最大となる軸方向位置として、シールポイントが定義され、
   前記シールポイントと前記ショルダ部との位置におけるねじ継手寸法を含む下記パラメータが、以下の式１、式２を満たし、Ls/Ln：0.2〜0.6である油井管用ねじ継手。
   (Ds1²−Ds0²) / (D1²−D0²) ≧ 0.30 ‥‥（式１）
   tanθ＞ (ΔD+δ) / {2(Lt−Ls)} ‥‥（式２）
   Ds1；ショルダ当たり面の上端位置を表す直径（インチ）
   Ds0；ショルダ当たり面の下端位置を表す直径（インチ）
   D1 ；ピン未加工部の外径（インチ）
   D0 ；ピン未加工部の内径（インチ）
   θ ；ボックスのシール部のテーパ角(°)
   ΔD；ノーズ部とねじ部との接続部位での外径Dn（インチ）とシールポイント位置での外径Dsp（インチ）との差（ΔD＝Dn−Dsp）（インチ）
   δ ；シール干渉量（シールポイント位置における直径当たりのシール部重なり代）（インチ）
   Lt ；ボックスのシールテーパ部の終了位置指標（ピン先端からの軸方向長さで表す）（インチ）
   Ls ；シールポイント位置指標（ピン先端からの軸方向長さで表す）（インチ）
   Ln ；ノーズ部長さ（インチ）
   

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