JP7368610B2 - 中間ショルダを含むねじ接続部 - Google Patents

Description

本発明は、管状要素を接続するための装置および方法に関し、より詳細には、管状要素の長手方向端部に形成された雄ねじ部および雌ねじ部を介して接続された金属製管状要素に関する。

特定のタイプの管状ねじ接続部は、炭化水素の発見または輸送のために、油井などの一部として、ケーシングストリング、チュービングストリングまたはドリルパイプストリングを形成する管状要素を接続するために主に使用される。管状ねじ接続部は、ケーシングストリングに使用されて、掘削孔の安定性を提供し、および／またはより小さいケーシングストリング、チュービングまたはツールの通過を可能にするために滑らかな掘削孔を提供することができる。このような管状ねじ接続部は、強度も変動させる様々な応力の組み合わせを受ける。例えば、応力は、軸方向の張力、または軸方向の圧縮、または内部圧力、または外部流体圧力、曲げ力、ねじり力などのうちの１つまたはこれらの組み合わせである場合がある。管状接続部は、応力の組み合わせおよび困難な動作条件であっても、破断に耐え、且つ液密性またはガス密性を提供するように設計されている。応力は、坑井内にパイプを降ろす際や動作中に性質が変わることがある。例えば、引張応力が一時的に圧縮応力に変化することがある。

炭化水素を運ぶ管には、機械的特性および気密性の点で満足のいく結果が得られるものがある。その中には、１つの雄ねじ端部および１つの雌ねじ端部をそれぞれ有する管状要素を使用して、細い組立体を形成するものがある。これらの組立体は、カップリングまたはスリーブを使用した組立体またはＴ＆Ｃ接続部とは異なり、一般に一体型組立体または接続部と呼ばれる。

このような一体型組立体は、一般に、雌ねじ山に対応する端部の直径が拡大され、雄ねじ山に対応する端部の直径が縮小された管で作製される。これは、管を結合させる組立体の幾何学的強度および機械的強度を確保するために、管の厚さに十分な材料をもたせるために行われる。

一態様において、管状ねじ接続部は、第１の管状要素と、第２の管状要素と、を備える。第１の管状要素は、第１の管状要素の内面に画定された雌側部分を含む。雌側部分は、第１のショルダによって第１の管状要素の長手方向軸に対して半径方向にオフセットされた雌側内ねじ部および雌側外ねじ部を含む。雌側外ねじ部は、雌側内ねじ部よりも軸方向雌側自由端部に近い位置にある。第２の管状要素は、第２の管状要素の外面に画定された雄側部分を含む。雄側部分は、雌側部分に挿入されるようになっている。雄側部分は、第２のショルダによって第２の管状要素の長手方向軸に対して半径方向にオフセットされた雄側内ねじ部および雄側外ねじ部を含む。第２のショルダは、雄側部分が雌側部分に接続されたときに、第１のショルダに当接するようになっている。雌側部分は、雌側内端部を備える。雌側内端部は、円錐形部分を備える。雄側部分は、雄側内ねじ部と雄側自由端部との間に延在する雄側外端部を備える。雄側外端部は、ドーム状部分を備える。雄側部分が雌側部分に接続されたときに、ドーム状部分と円錐形部分とが接触して、内部液密シールが形成される。このような内部液密シールは、ドーム状部分の外径と円錐形部分の内径との間に、ねじ込み前に、半径方向に決定されるシール干渉量を定義することによって設置される。

ドーム状部分は、軸方向端部を有し、雄側自由端部から最も遠いそのドーム状部分の軸方向端部は、その雄側自由端部から１０ｍｍ未満の軸方向長さにある。このように軸方向長さが制限されることで、シールを提供するためのパイプ壁の幅を小さくすることができ、また、第１および第２の管状体のそれぞれの内径から半径方向に近い位置に雄側および雌側の内ねじ部および外ねじ部を設けることができる。

雌側部分の内端部は、雄側外端部を収容する末端ショルダを含む。雄側自由端部および末端ショルダは、雄側自由端部と末端ショルダとの間で０．３ｍｍ～３ｍｍの範囲の軸方向隙間が観察されるように、液密シールの下流側で互いに離間している。雌側内ねじ部の末端ショルダおよび雄側自由端部の表面は、接続部の軸に対して垂直である。この設計は、製造プロセスを容易にし、機械加工後の管理を容易にする。

雌側内端部は、雌側内端部の軸方向長さが１０ｍｍ超となるように、その末端ショルダから雌側内ねじ部まで延在する。雌側内端部の円錐形部分の軸方向長さは、好ましくは１０ｍｍ未満である。ドーム状部分と円錐形部分とが接触して、液密シールが形成される。これにより、雄側部分が雌側部分に接続されたときに、その液密シールの軸方向長さが８ｍｍ未満になる。シールは、半径方向の最大干渉が１ｍｍ、または直径方向の最大干渉が２ｍｍである半径方向の干渉によって得られる。

内部液密シールのテーパ角度が減少したことで、他の部分、特に接合部の内ねじ部および外ねじ部、ならびにショルダを機械加工するためのより多くの材料を利用することができる。本発明の内部液密シールを使用すれば、ＡＰＩ規格で許容されているよりも太いパイプを使用する必要がなくなる。内部液密シールが第１および第２の管状体のそれぞれの内径に近づくことで、臨界断面におけるパイプの幅が増大するか、またはパイプの幅に対する最大許容範囲内のパイプと少なくとも同等になる。ＡＰＩの許容範囲内であれば、すべてのパイプで同じ特性が得られる。臨界断面におけるパイプの残りの幅は、臨界断面の全体的な塑性変形を減少させ、実証された使用荷重エンベロープを増加させる。

例えば、雌側内端部の円錐形部分は、１５％～２５％の範囲のテーパを有してもよい。好ましくは、ドーム状部分は、１０ｍｍ～１００ｍｍの範囲、より好ましくは１０ｍｍ～４０ｍｍの範囲、さらにより好ましくは２０ｍｍ～３０ｍｍの範囲、そして例えば２５ｍｍに等しい単一の曲率半径によって画定されてもよい。このように半径を大きくすることで、使用中にピンが撓んでも、ピンの丸みを帯びた部分がピンの円錐形部分の表面との接触を維持することができる。特に、自由端部に最も近いドーム状部分の端部は、雄側円錐面（５１）と接線方向に接続される。これにより、雄側円錐面のテーパは、雌側内端部の円錐形部分のテーパよりも大きくなる。このように、丸みを帯びた部分が比較的大きい本発明のシール設計により、ピンが撓んでも、丸みを帯びた部分であることで接触が維持され、内部圧力または外部圧力、ならびに引張および圧縮サイクルでの性能レベルが維持される。より集中した圧力接触領域を可能にするために、あまり大きくない半径が選択される。雄側円錐面と雌側内端部の円錐形部分との間に半径方向の隙間を画定することで、ねじ込み時、および圧縮または引張時にドーム状部分以外の位置での接触を防止することができる。

雌側内端部は、雌側内ねじ部と雌側内端部の円錐形部分との間に溝を有してもよい。雄側部分が雌側部分に接続されたときに、雄側部分の内ねじ部の少なくとも一部が溝内に位置するようになっている。溝の位置で臨界断面が画定されてもよい。溝は、急勾配のテーパ部を介して雌側内端部の円錐形部分に接続された円筒状部分を備える。この急勾配のテーパ部は、ねじ接続部の軸（Ｘ）と５°～４５°の範囲、好ましくは２０°～３０°の範囲、例えば目標値を２５°とした２４°～２６°の範囲の角度をなす。

雌側部分は、雌側外ねじ部と雌側自由端部との間に雌側外テーパ部を備えてもよく、これに対応して、雄側部分は、雄側外ねじ部と第２の管状体のパイプ本体との間に画定された雄側外テーパ部を備えてもよく、雄側部分が雌側部分に接続されたときに、雄側部分および雌側部分の外テーパ部が接触して第２の液密シールが形成される。ここで、雄側部分および雌側部分の外テーパ部は、雌側部分の雌側内端部の円錐形部分よりも急勾配なテーパを有する。

雌側部分の内ねじ部および外ねじ部、ならびに雄側部分の内ねじ部および外ねじ部は、５．２６％～６．２５％の範囲、好ましくは６％以下、より好ましくは５．５％～５．６％の範囲の値でテーパ加工される。雌側部分の内ねじ部および外ねじ部、ならびに雄側部分の内ねじ部および外ねじ部は、山頂面と谷底面とを有する複数の歯を含み、好ましくは、ねじ山は、台形状の歯である。山頂面および谷底面は、平坦であり、それぞれの管状要素の長手方向軸に平行である。雌側部分の内ねじ部および外ねじ部、ならびに雄側部分の内ねじ部および外ねじ部は、複数の歯を含み、これらの歯の一部は、長手方向の各端部において短くなっている。

第２のショルダが第１のショルダに当接したときに、嵌合したショルダの接触面積が画定される。嵌合したショルダの接触面積は、第１のショルダおよび第２のショルダにおいて同一である。第１の管状要素の公称断面の面積に対する嵌合したショルダの接触面積の割合は、１５％超且つ２５％未満であり、第２の管状要素の公称断面の面積に対する嵌合したショルダの接触面積の割合は、１５％超且つ２５％未満である。

本発明とそれに付随する多くの利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することでより明確になり、それにつれて、本発明とそれに付随する多くの利点を容易に得ることができるであろう。
接続解除された状態にある、第１の管状要素の第１の端部の例示的な実施形態の片側半分および第２の管状要素の第２の端部の例示的な実施形態の片側半分を示す部分断面図である。 接続された状態にある、第１の管状要素の第１の端部の片側半分および第２の管状要素の第２の端部の片側半分を示す部分断面図である。 接続された状態にある、第１の管状要素の第１のショルダ部分および第２の管状要素の第２のショルダ部分を示す拡大部分断面図である。 接続解除された状態にある、第１の管状要素のねじ部の歯のセットおよび第２の管状要素のねじ部の歯のセットの例示的な実施形態を示す拡大部分断面図である。 所与のねじ部内の長手方向端部領域および中間領域の例示的な実施形態を示す模式図である。 接続された状態にある、雄側部分の自由端部および雌側部分の末端ショルダの例示的な実施形態を示す拡大部分断面図である。 第１の端部および第２の端部を含む管状要素の例示的な実施形態を示す側面図である。 図８の管状要素の長手方向軸に沿った、側面断面図である。 第１の端部が第２の端部にねじ込まれた状態にある、ＦＥＡに従った等価塑性ひずみを示す拡大部分断面図である。 第１の端部が第２の端部にねじ込まれた状態にある、ＦＥＡに従った等価塑性ひずみを示す拡大部分断面図である。

図面を参照すると、同様の参照符号は、複数の図において同一または対応する部分を示している。

本明細書に記載のねじ接続部は、大きな長さに達することができる管状構造体を形成するために接続される管状要素に関する。本明細書に記載の管状要素を使用して組み立てられた管状構造体は、油、ガス、水などの液体がその中を移動することができる内部チャネルを形成する。

図１を参照すると、第１の管状要素１２と第２の管状要素１４との間の管状ねじ接続部１０の例示的な実施形態が、接続解除された状態で示されている。第１の管状要素１２および第２の管状要素１４の各々が、第１の端部１０ａにおいて雌側部分１６を含み、且つ第２の端部１０ｂにおいて雄側部分１８を含むように、第１の管状要素１２および第２の管状要素１４は同一形状を有してもよい。具体的には、図１は、第１の管状要素１２の第１の端部１０ａの上半分を横断する断面図と、第２の管状要素１４の第２の端部１０ｂの上半分を横断する断面図とを示している。第１の管状要素１２の第１の端部１０ａおよび第２の管状要素１４の第２の端部１０ｂの断面の全体は、図を明確にするために示されていない。

図７は、管状要素の例示的な実施形態を全体的に示している。図７の管状要素は、第１の管状要素１２であってもよく、第２の管状要素１４であってもよい。また、第１の端部１０ａおよび第２の端部１０ｂは、組み立て後の管状要素１２および１４の想定される向きを鑑みて、上流側端部および下流側端部と呼ばれる場合がある。第１の管状要素１２は、第１の壁２２によって画定されてもよく、第２の管状要素１４は、第２の壁２４によって画定されてもよい。第１の壁２２および第２の壁２４は、それぞれの雄側部分および雌側部分から離れた位置において、同じ公称壁厚、および同じ外径を有する。

図８は、管状要素の長手方向軸に沿った管状要素の断面図である。第１の管状要素１２の第１の端部１０ａは、ここではボックスとも呼ばれる管状ねじ接続部１０の雌側部分１６から構成される。雌側部分１６は、第１の壁２２の厚さが雌側部分１６に沿って図１の左側に向けて公称壁厚から徐々に減少するように、第１の壁２２の内側または内面に形成される。第１の管状要素１２の第１の端部１０ａの外径は、第１の管状要素１２の長手方向に位置する他の部分と比較して、雌側部分１６に沿って拡大していてもよい。

第１の管状要素１２の第２の端部１０ｂは、ここではピンとも呼ばれる管状ねじ接続部１０の雄側部分１８から構成される。雄側部分１８は、第２の壁２４の厚さが雄側部分１８に沿って図１の右側に向けて公称壁厚から徐々に減少するように、第２の壁２４の外側または外面に形成される。雄側部分１８に沿った内径は、第２の管状要素１４の長手方向に位置する他の部分と同じであってもよい。図１および図２に示すように、雄側部分１８ｂに沿った内径は、管端矯正処理（end sizing process）によって減少されてもよい。図２に示すように、第１の管状要素１２の雄側部分１８は、第２の管状要素１４の雌側部分１６に挿入され、これと連結するように構成される。このように、雄側部分１８の長さと雌側部分１６の長さは、実質的に類似していてもよい。

雌側部分１６は、外端部１６ａと、外ねじ部１６ｂと、第１のショルダ部分１６ｃと、内ねじ部１６ｄと、内端部１６ｅと、を含んでいてもよい。外端部１６ａは、雄側部分１８が進入するための実質的に円錐台状の開口部を有してもよい。雌側部分１６の外ねじ部１６ｂおよび内ねじ部１６ｄは、雄側部分１８の対応する特徴とのねじ係合によって連結されるように構成される。外ねじ部１６ｂおよび内ねじ部１６ｄは、第１の壁２２が雌側部分１６に沿って図１の右側に向けて徐々に厚くなるように、テーパ加工されている。なお、ねじ部の歯については以下で詳述する。雌側部分１６の外ねじ部１６ｂおよび内ねじ部１６ｄは、第１の横面２６を含む場合がある第１のショルダ部分１６ｃを介して、管状要素１２の長手方向軸Ｘに対して半径方向に、且つ第１の壁２２に対して横方向にオフセットされてもよい。図１および図２に示す第１の横面２６は、管状要素１２の長手方向軸Ｘを中心に半径方向に向けられているが、第１の横面２６は異なる向きで実現されてもよい。

雄側部分１８は、外端部１８ａと、外ねじ部１８ｂと、第２のショルダ部分１８ｃと、内ねじ部１８ｄと、内端部１８ｅと、を含んでいてもよい。外端部１８ａは、雌側部分１６の外端部１６ａの円錐台状の開口部内に実質的に嵌合するように、円錐台状の形状を有してもよい。雄側部分１８の外ねじ部１８ｂおよび内ねじ部１８ｄは、雌側部分１６の外ねじ部１６ｂおよび内ねじ部１６ｄのそれぞれとのねじ係合および連結によって収容されるように構成されている。雄側部分１８の外ねじ部１８ｂおよび内ねじ部１８ｄは、第２の壁２４が雄側部分１８に沿って図１の右側に向けて徐々に薄くなるように、また、図４を参照して以下で詳述するように、テーパ加工されてもよい。雄側部分１８の内ねじ部１８ｄおよび外ねじ部１８ｂは、第２のショルダ部分１８ｃによって、管状要素１４の長手方向軸に対して半径方向に、且つ第２の壁２４に対して横方向にオフセットされてもよい。

図２に示すように、第２のショルダ部分１８ｃは、雄側部分１８が雌側部分１６にねじ接続されたとき、または嵌合したときに、第１の横面２６と接触する第２の横面２８を含んでいてもよい。第２の横面２８が第１の横面２６と同様に向けられている限り、第２の横面２８は、管状要素１４の長手方向軸に対して垂直に向けられる必要はない。雌側部分１６の内端部１６ｅは、雄側部分１８の内端部１８ｅを収容するように形成されてもよい。具体的には、以下で詳述するように、雌側部分１６の内端部１６ｅは、末端ショルダ３０を含んでいてもよく、雄側部分１８の内端部１８ｅは、軸方向雄側自由端部２０を含んでいてもよい。また、管状要素１２および１４のそれぞれの外径は、第１の端部１０ａおよび第２の端部１０ｂにおける部分を除いて一定であってもよい。管状要素１２および１４のそれぞれの外径は、第１の端部１０ａに沿った部分で最大であってもよく、第２の端部１０ｂに沿った部分で最小であってもよい。さらに、管状要素１２および１４のそれぞれの内径は、図２の接続された状態で示すように、第１の端部１０ａおよび第２の端部１０ｂに沿っている部分を除いて一定であってもよい。管状要素１２および１４の内径は、第１の端部１０ａに沿った部分で最大であってもよく、第２の端部１０ｂに沿った部分で最小であってもよい。

図２は、雄側部分１８が雌側部分１６に挿入されてねじ込まれて接続された状態になったときに、第１の端部１０ａの雌側部分１６と第２の端部１０ｂの雄側部分１８とがどのように連結するかを示している。接続された状態において、雌側部分１６の第１の横面２６および雄側部分１８の第２の横面２８は、互いに当接するように構成されている。このようにして、第１の横面２６および第２の横面２８の形状は、ねじ接続部の圧縮荷重能力に影響を与える。横面２６および２８は、環状に形成されてもよい。一実施形態において、第１のショルダ部分１６ｃの環状の第１の横面２６の嵌合したショルダの接触面積は、第１の管状要素１２の公称断面の面積の１５％超且つ２５％未満であってもよく、第２のショルダ部分１８ｃの環状の第２の横面２８の嵌合したショルダの接触面積は、第２の管状要素１４の公称断面の面積の１５％超且つ２５％未満であってもよい。

管状要素の公称断面は、管状要素が公称外径および公称内径を有する第１の端部１０ａまたは第２の端部１０ｂ以外の部分における、管状要素を横断する断面として定義されてもよい。別の実施形態において、第１のショルダ部分１６ｃの環状の第１の横面２６の嵌合したショルダの接触面積は、第１の管状要素１２の公称断面の面積の１７％超且つ２３％未満であってもよく、第２のショルダ部分１８ｃの環状の第２の横面２８の嵌合したショルダの接触面積は、第２の管状要素１４の公称断面の面積の１７％超且つ２３％未満であってもよい。第１のショルダ部分１６ｃおよび第２のショルダ部分１８ｃは、管状要素１２および１４の軸方向に作用する圧縮荷重に対する支持を提供するのに役立つ場合がある。

また、雌側部分１６および雄側部分１８の形状は、管状要素１２および１４の長手方向軸に沿った所定の領域において、雌側部分１６の内面と雄側部分１８の外面との間に隙間２９および３１が形成されるようになっている。隙間は、雌側部分１６および雄側部分１８のねじ込みを容易にして、それらの間の組み立てを容易にするために機能してもよい。例えば、図３に示すように、管状要素１２および１４の組み立てを容易にするために、第１のショルダ部分１６ｃおよび第２のショルダ部分１８ｃに隣接して隙間２９が設けられてもよい。

ねじ部は、内ねじ部１６ｄまたは１８ｂであるか、または外ねじ部１６ｂまたは１８ｄであるか、または雄側部分１８または雌側部分１６の一部であるかにかかわらず、様々な形状の歯を含んでいてもよい。図１に示すように、所与のねじ部は、２つの長手方向端部領域３６ａおよび３６ｂと、２つの長手方向端部領域３６ａと３６ｂの間に位置する中間領域３８と、に分けられてもよい。所与のねじ部内で、複数の歯３２は、同じ長さを有してもよい。この場合、ねじ部内のスタブフランク側のリードとロードフランク側のリードは、互いに等しくなる。所与のねじ部内で、複数の歯３２は、異なる高さを有してもよい。この場合、中間領域３８は、全体として完全に形成された複数の長い歯３２から構成され、長手方向端部領域３６ａおよび３６ｂは、複数の短い歯３４から構成される。低い歯３４は、同じ長さを有してもよいが、高さが互いに異なっていてもよく、形状が異なっていてもよい。また、短い歯３４は、台形であってもよい。短い歯３４と完全に形成された歯３２の両方は、台形状であってもよいが、短い歯３４は、異なる形状の台形であってもよい。また、ねじ部の長手方向端部領域３６ａおよび３６ｂの各々は、複数の短い歯３４を含んでいてもよい。さらに、短い歯３４は、中間領域３８に近づくにつれて高さが徐々に高くなり、中間領域３８から離れるにつれて高さが徐々に低くなってもよい。

図４は、雌側部分１６の外ねじ部１６ｂおよび内ねじ部１６ｄ、または雄側部分１８の外ねじ部１８ｂおよび内ねじ部１８ｄの一部を構成する場合がある複数の歯３２の拡大図である。図４において、雌側部分１６および雄側部分１８の歯は、接続解除された状態で示されている。

図４に示すように、台形状の構成を有する歯は、スタブフランク３２ａと、ロードフランク３２ｂと、山頂面３２ｃと、谷底面３２ｄと、を含んでいてもよい。完全に形成された台形状の歯３２の一実施形態において、山頂面３２ｃおよび谷底面３２ｄは、図４に示すように山頂面３２ｃおよび谷底面３２ｄが平坦であり、且つ長手方向の断面に沿って互いに平行であるように、円筒状であってもよい。山頂面３２ｃおよび谷底面３２ｄは、互いから離間して、グリースが滞留することができるポケット３１を形成する。このようなポケット３１は、グリースのための螺旋状の経路を形成する（図３）。また、山頂面３２ｃおよび谷底面３２ｄは、管状要素１２および１４の長手方向軸Ｘに平行であってもよい。しかしながら、中間領域３８の完全に形成された歯３２は、図４に示すようにテーパ軸Ｙが管状要素の長手方向軸Ｘと角度をなすように、中間領域３８に沿ってテーパが付けられるように形成されてもよい。

雌側部分１６の一実施形態において、テーパ軸Ｙは、外ねじ部１６ｂおよび内ねじ部１６ｄに沿って雌側部分１６の内径が、長さ１６インチ間隔ごとに約１インチから、長さ１９インチ間隔ごとに約１インチまでの範囲の値で、図４の右側に向けて減少するようになっていてもよい。同様に、雄側部分１８の一実施形態において、テーパ軸Ｙは、外ねじ部１８ｂおよび内ねじ部１８ｄに沿って雄側部分１８の外径が、長さ１６インチ間隔ごとに約１インチから、長さ１９インチ間隔ごとに約１インチまでの範囲の値で、図４の右側に向けて減少するようになっていてもよい。図４は、テーパ軸Ｙに平行な軸Ｙ’をさらに示している。軸Ｙ’は、山頂面３２ｃおよび谷底面３２ｄに対して接線方向に延在している。

図５に模式的に示すねじ部の実施形態において、中間領域３８の完全に形成された歯３２、ならびに両方の長手方向端部領域３６ａおよび３６ｂの低い歯３４は、長手方向軸Ｘに平行な山頂面３２ｃおよび谷底面３２ｄを含んでいてもよい。図５に示すように、長手方向端部領域３６ａおよび３６ｂは、一方の長手方向端部領域が他方の長手方向端部領域よりも多くの低い歯を含むように、長さが異なるねじ部の複数の部分を占めていてもよい。接続された状態において、山頂面３２ｃは、潤滑剤のための螺旋状の経路として形成されたポケット３１を設けるために、谷底面３２ｄから離間している（図３）。

さらに、雄側部分１８の歯３２および雌側部分１６の歯３２は、互いに密接に嵌合するように対応する形状を有してもよいが、雄側部分１８の歯の形状および雌側部分１６の歯の形状によって、１つまたは複数のポケットが形成されてもよい。例えば、図４に示す実施形態において、ロードフランク３２ｂと雄側部分１８の山頂面３２ｃとの間の角部は、面取り領域４２を含んでいてもよい。面取り領域４２は、この第１の領域において、雄側部分１８の歯３２と雌側部分１６の歯３２との間にいくらかの空間を提供する。また、スタブフランク３２ａと山頂面３２ｃとの間の角部は、面取り領域４４を含んでいてもよい。面取り領域４４は、図４に示すように、この第２の領域において、雄側部分１８の歯３２と雌側部分１６の歯３２との間にポケットを形成する。このようなポケットによって、雌側部分１６および雄側部分１８に塗布された潤滑剤をその中に集めることができ、または、管状要素１２と１４の間のねじ接続を容易にすることができる。また、このようなポケットは、雌側部分１６への雄側部分１８の滑動性能およびねじ込み性能の両方を向上させる。

さらに、上述したように、雄側部分１８は、その内端部１８ｅにおいて自由端部２０を含んでいてもよく、雌側部分１６の内端部１６ｅは、図６に示すように雄側部分１８の自由端部２０を収容するように形成された末端ショルダ３０を含んでいてもよい。内端部１６ｅは、末端ショルダ３０と内ねじ部１６ｄとの間に画定される。内端部１８ｅは、内ねじ部１８ｄと軸方向雄側自由端部２０との間に画定される。Ｘ軸に沿った内端部１８ｅの軸方向長さは、１０ｍｍ未満であってもよい。Ｘ軸に沿った内端部１８ｅの軸方向長さは、外ねじ部１８ｂの外部端部１８ｂ１と自由端部２０との間に画定された軸方向長さの１０％未満、より好ましくは８％未満である。外部端部１８ｂ１は、壁２４の厚さが最大幅である管状要素１４の部分から最も近い外ねじ部１８ｂの点である。この壁２４の最大幅は、管状要素１４の公称幅である。

内端部１６ｅは、内端部１８ｅを収容するように構成されているが、内端部１６ｅおよび内端部１８ｅは、限られた領域でのみ互いに接触して液密シールを形成してもよい。内端部１６ｅのボックス面５２は、内端部１８ｅのピン面５０と接触するように適合されてもよい。

ピン面５０は、比較的大きな曲率半径を有するドーム状構成に形成されており、ボックス面５２は、これらの面５０および５２に沿って液密シールが形成されるように、円錐状構成に形成されている。ここに設けられたシールは、金属対金属式のシールである。干渉嵌合（interference fit）は、特定の位置において所与の直径の差が決定されるように接続部が設計された場合に決定される。これにより、接続された状態において、ピン面５０は、ドーム状面５０に設けられたものよりも局所的に小さい直径を有するボックス面５２に対して半径方向に強制的に嵌合する。例えば、最大シール干渉は、半径方向の寸法において０．１ｍｍ～１ｍｍの範囲で決定される。これは、直径方向の寸法において０．２ｍｍ～２ｍｍに相当する。

表面５０と５２が互いに接触する位置において、最大シール干渉点が決定されてもよい。本発明で提供されるシールは、ガスおよび／または液体のためのシールである。

例えば、最大シール干渉点は、雄側自由端部２０からＸ軸に沿った軸方向距離ＳＰに位置していてもよい。最大シール干渉点は、ドーム状部分５０の端部５０ａおよび５０ｂから離間した位置にあってもよい。端部点とも呼ばれるドーム状部分５０の端部５０ａおよび５０ｂは、それぞれ自由端部２０からゼロではない距離にある。例えば、端部５０ｂは、自由端部２０に最も近い位置にあり、端部５０ａは、自由端部２０から最も遠い位置にある。自由端部から最も近い端部５０ｂは、その自由端部２０から２ｍｍ未満の軸方向距離、好ましくは１．８ｍｍ未満の軸方向距離にある。自由端部２０から最も遠い位置にある端部５０ａは、自由端部２０から１０ｍｍ未満の軸方向距離にある。Ｘ軸に沿った端部５０ａと５０ｂの間の距離は、好ましくは８ｍｍ未満であり、より好ましくは５ｍｍ未満である。ピン端部とボックス端部を表す技術的図面を重ね合わせると、ねじ込まれた位置において、ドーム状部分５０とボックス円錐面５２との間の重なりは、８ｍｍ未満となり、好ましくは５ｍｍ未満となる。雌側部分１６と雄側部分１８との実際のねじ込み位置における液密シールの軸方向長さは、雄側内端部１８ｅの撓みにより３ｍｍ未満となり、より良好には２ｍｍ未満となる。

ドーム状面５０は、好ましくは単一の曲率半径で形成されてもよく、例えば曲率半径は、１０ｍｍ～４０ｍｍの範囲、好ましくは２０ｍｍ～３０ｍｍの範囲、例えば２５ｍｍの値が選択される。ドーム状面５０は、端部５０ｂにおいて円錐面５１に接線方向に接続される。円錐面５１は、丸みを帯びた部分５３を介して自由端部２０の表面５４に接続される。表面５４は、好ましくはＸ軸に垂直である。任意選択で、表面５４は、Ｘ軸に垂直な方向に対して－１０°～０°の角度をなす逆円錐面であってもよい。円錐面５１は、軸Ｘに対して２０％～５０％の範囲の角度でテーパ加工されていてもよい。円錐面５１のテーパは、例えば３５％であってもよい。丸みを帯びた部分５３は、好ましくは３ｍｍ未満、より好ましくは２ｍｍ未満の半径で画定される。ドーム状面５０は、端部５０ａにおいて円筒面５５に接線方向に接続される。円筒面５５は、内ねじ部１８ｄに隣接する。

代替的に、ドーム状構成を有するドーム状面５０は、複数の曲率半径を有してもよい。ボックス面５２は、円錐状構成を有するように形成されて、１５％～２５％の範囲、例えば目標値を２０％とした１９．８％～２０．２％の範囲のテーパによって画定されてもよい。

好ましくは、ボックス内のボックス円錐面５２のテーパは、ピンの円錐面５１のテーパよりも小さい。例えば、それぞれのボックス円錐面５２および雄側円錐面５１の角度の差は、約５°である。

テーパ面５２は、凹状の丸みを帯びた部分５６を有する端部５２ｂにおいて、末端ショルダ３０の末端ショルダ面４８に接続される。凹状の丸みを帯びた部分５６は、好ましくは３ｍｍ未満、より好ましくは２ｍｍ未満の半径で画定される。丸みを帯びた部分５３および凹状の丸みを帯びた部分５６は、同じ曲率半径を有してもよい。好ましくは、凹状の丸みを帯びた部分５６は、ピンの丸みを帯びた部分５３よりも大きい曲率半径を有する。

図６に示すように、末端ショルダ面４８は、Ｘ軸に対して半径方向の平面に向けられる。また、ボックスの雄側自由端部２０および末端ショルダ３０は、雄側自由端部２０の表面５４とショルダ面４８とが平行で互いに離間した関係になるように構成されてもよい。ねじ込み時において、雄側自由端部２０の表面５４とショルダ面４８との間に距離がある。例えば、その間の距離は、０．３ｍｍ～３ｍｍの軸方向隙間であってもよい。

代替的に、末端ショルダ面４８は、雄側自由端部２０の表面５４から離間したまま、Ｘ軸に垂直でなくてもよい。組み立てを容易にし、シールを維持するために、半径方向の空間４６が丸みを帯びた部分５３と５６の間に画定される。これにより、半径方向の空間４６は、雄側円錐部５１と雌側円錐面５２との間にも画定される。

凹状の丸みを帯びた部分５６の反対側において、テーパ面５２は、第２の端部５２ａを備える。テーパ面５２は、端部５２ａにおいて、急勾配のテーパ部５７に接続される。このような急勾配のテーパ部５７は、Ｘ軸に対して５°～４５°の範囲、好ましくは２０°～３０°の範囲のテーパを示し、例えば２５°のテーパを示す。急勾配のテーパ部５７のテーパは、テーパ面５２のテーパよりも大きい。急勾配のテーパ部５７は、雌側内ねじ部１６ｄに隣接する円筒状部分５８と接続されて、内端部１６ｅの内面に溝が設けられる。

円筒状部分５８の下方に設けられた溝は、機械加工プロセスを補助し、機械加工の終わりにねじ切り工具を雌側内ねじ部１６ｄから取り外すための空間を提供する。本発明で選択されたねじプロファイルによれば、ねじ山またはシール面に接触していない雌側要素の支持されていない長さが長くなるのを避けるために、急勾配のテーパ部５７を小さすぎないようにする必要がある。一方、急勾配のテーパ部５７と円筒状部分５８との間の接合部にフープ応力が生じるのを避けるために、その急勾配のテーパ部５７を大きすぎないようにする必要がある。

雄側内ねじ部１８ｄの少なくとも１つのターンは、接続部がねじ込まれたときに、円筒状部分５８の下方、且つ円筒状部分５８から離間した位置にあり、例えば不完全なねじ山から形成された雄側内ねじ部のこのターンは、雌側内ねじ部１６ｄの対応するねじ山のターンに係合しないようになっている。円筒面５８と雄側内ねじ部１８ｄの不完全なねじ山との間の空間５９は、ポケットまたは溝の容量を画定する。これは、内部液密シールが作動し始め、ねじ込みが完全には完了していないときに、ねじ込み中のドープ圧を逃がすのに役立つ。

Ｘ軸に沿った雌側内端部１６ｅの軸方向長さは、１０ｍｍ超である。Ｘ軸に沿った雌側内端部１６ｅの軸方向長さは、軸方向雌側自由端部７０と末端ショルダ３０との間で画定された軸方向長さの７％～１０％の範囲、好ましくは８％～９％の範囲である。ボックスの軸方向自由端部７０は、ボックス面とも呼ばれる。Ｘ軸に沿ったテーパ面５２の端部５２ａと５２ｂの間の距離は、好ましくは１０ｍｍ未満、より好ましくは８ｍｍ未満である。接続部がねじ込まれた状態において、テーパ面５２は、ドーム状面５０の両側に延在する。テーパ面５２は、ドーム状面５０よりも長い軸方向長さを有する。

ドーム状面５０の端部５０ａと５０ｂの間に画定された仮想線は、軸Ｘに対して傾斜した角度をなす。傾斜した角度は、同じ軸Ｘをもつテーパ面５２の角度よりも小さい。

図９ａおよび図９ｂの拡大図に示すように、ねじ込み終了時の接続部におけるひずみのＦＥＡ分析では、末端ショルダ３０の上方にある第１の管状要素１２の外周部に、より少ない塑性ひずみが観察された。また、図９ａに示すように、末端ショルダ３０、凹状の丸みを帯びた部分５６およびボックステーパ面５２に塑性ひずみは観察されなかった。

さらに、雌側部分１６の外端部１６ａおよび雄側部分１８の外端部１８ａは、図１および図２に示すように、外部の第２の液密シールを形成するために接触する表面６６および表面６４をそれぞれ含んでいてもよい。両方の表面６６および６４は、シール効果を達成するために、円錐状構成を有するように形成されてもよい。表面６４および６６は、内部液密シールを実現するために必要な円錐面５２よりも急勾配の同じテーパ角度を有してもよい。例えば外部の第２の液密シールは、２５％～５５％の範囲、例えば約５０％、好ましくは４９．８％～５０．２％の範囲のテーパを有する。

また、雌側部分１６の表面および雄側部分１８の表面は、管状要素１２と１４の間の向上した気密性を提供するために処理されてもよい。例えば、互いに接触するように構成された雄側部分１８の内端部１８ｅおよび雌側部分の内端部１６ｅに、金属コーティングが施されてもよい。雄側部分１８の外端部１８ｅおよび雌側部分の内端部１６ｅのコーティング領域は、雄側部分１８が雌側部分１６に挿入されたときに互いに接触してもよい。これにより、シールが形成され、また、管状要素１２および１４の内部チャネルを移動する液体が雌側部分１６と雄側部分１８との間の接合部から漏出することを防止することができる。なお、接続部全体に同じコーティングが施されてもよい。

本明細書に記載の管状接続部は、軸方向の耐荷重の点で性能の向上をもたらす寸法を有するように構成される。具体的には、ねじ部のテーパによって、ショルダ部分１６ｃおよび１８ｃは、管状要素１２および１４の壁２２および２４の厚さの大部分を占めることができる。管状要素１２および１４の内径が減少すると、すべての掘削、または他のケーシング、またはチュービング、またはツール付属品のために画定されたドリフト径が悪化してしまう。また、管状要素１２および１４の外径が大きくなると、以前に使用された管状構造体を収容する目的で掘削された掘削孔に管状構造体が適さなくなり、または管状構造体が掘削孔内の他の用途を妨害する場合がある。しかしながら、壁２２および２４の厚さが増加せず、管状要素１２および１４の内径および外径が大きく影響を受けないため、管状構造体の液体搬送能力を低下させることなく、掘削孔とそこで使用される他の用途との適合性を維持しながら、軸方向の圧縮耐荷重を向上させることができる。

本発明は、７インチ（１７７．８ｍｍ）～１６インチ（４０６．４ｍｍ）、さらには２０インチ（５０８ｍｍ）までの範囲の外径を含む様々なサイズに適用され、他の例において、９と７／８インチ（２５０．８ｍｍ）～１４インチ（３５５．６ｍｍ）の範囲のサイズに適用される。パイプは、鋼から形成されてもよく、一例において、８０ｋｓｉ～１４０ｋｓｉの範囲の降伏強度を有する炭素マルテンサイトステンレス鋼から形成されてもよい。壁２２および２４の公称壁厚は、０．４５３インチ（１１．５ｍｍ）～０．８２０インチ（２０．８２ｍｍ）の範囲であってもよい。ドリフト径は、６インチ（１５２．４ｍｍ）～１４．７５０インチ（３７４．６５ｍｍ）の範囲であってもよく、他の例において、８．５インチ（２１５．９ｍｍ）～１２．２５０インチ（３１１．１５ｍｍ）の範囲であってもよい。

言うまでもなく、上述した教示に照らして、本発明の多数の修正および変形が可能である。したがって、添付の特許請求の範囲内で、本発明は、本明細書に具体的に記載されている以外の方法で実現することができることを理解されたい。

Claims (18)

1. 管状ねじ接続部であって、
   第１の管状要素（１２）と、第２の管状要素（１４）と、を備え、
   前記第１の管状要素（１２）は、前記第１の管状要素の内面に画定された雌側部分（１０）を含み、前記雌側部分は、第１のショルダ（２６）によって前記第１の管状要素の長手方向軸（Ｘ）に対して半径方向にオフセットされた雌側内ねじ部（１６ｄ）および雌側外ねじ部（１６ｂ）を含み、前記雌側外ねじ部は、前記雌側内ねじ部よりも雌側自由端部（７０）に近い位置にあり、
   前記第２の管状要素（１４）は、前記第２の管状要素の外面に画定された雄側部分（１８）を含み、前記雄側部分は、前記雌側部分に挿入されように構成され、前記雄側部分は、第２のショルダ（２８）によって前記第２の管状要素の長手方向軸（Ｘ）に対して半径方向にオフセットされた雄側内ねじ部および雄側外ねじ部を含み、前記雄側部分が前記雌側部分に接続されたときに、前記第２のショルダは、前記第１のショルダに当接し、
   前記雌側部分の雌側内端部（１６ｅ）は、円錐形部分（５２）を備え、前記雄側部分の雄側内端部（１８ｅ）は、前記雄側内ねじ部（１８ｄ）と雄側自由端部（２０）との間に延在する雄側外端部を備え、前記雄側外端部は、ドーム状部分（５０）を備え、前記雄側部分が前記雌側部分に接続されたときに、前記ドーム状部分と前記円錐形部分とが接触して、液密シールが形成され、
   雄側の前記ドーム状部分は、端部（５０ａ，５０ｂ）を有し、前記雄側自由端部（２０）から最も遠い前記ドーム状部分の端部（５０ａ）は、１０ｍｍ未満の軸方向長さにあり、かつ、前記雄側自由端部（２０）に最も近い前記ドーム状部分（５０）の端部（５０ｂ）は、２ｍｍ未満の軸方向長さにあり、
   前記雄側自由端部（２０）に最も近い前記ドーム状部分（５０）の端部（５０ｂ）は、雄側円錐面（５１）に接線方向に接続される、
   管状ねじ接続部。
2. 前記雌側部分の前記雌側内端部は、前記雄側外端部を収容する末端ショルダ（３０）を含み、前記雄側自由端部および前記末端ショルダは、前記液密シールの下流側で互いに軸方向に離間している、
   請求項１に記載の管状ねじ接続部。
3. 前記雌側内端部の前記末端ショルダおよび前記雄側自由端部の表面（５４）は、前記第１の管状要素および前記第２の管状要素の長手方向軸（Ｘ）に対して垂直である、
   請求項２に記載の管状ねじ接続部。
4. 前記雌側内端部の前記円錐形部分（５２）の軸方向長さは、１０ｍｍ未満である、
   請求項１に記載の管状ねじ接続部。
5. 前記ドーム状部分と前記円錐形部分とが接触して、液密シールが形成され、これにより、前記雄側部分が前記雌側部分に接続されたときに、前記液密シールの軸方向長さが８ｍｍ未満になる、
   請求項１に記載の管状ねじ接続部。
6. 前記液密シールは、半径方向の最大干渉が１ｍｍである半径方向の干渉によって得られる、
   請求項１に記載の管状ねじ接続部。
7. 前記ドーム状部分は、１０ｍｍ～４０ｍｍの範囲の曲率半径を１つまたは複数有する丸みを帯びた部分である、
   請求項１に記載の管状ねじ接続部。
8. 前記ドーム状部分は、１０ｍｍ～４０ｍｍの範囲の単一の曲率半径を有する丸みを帯びた部分である、
   請求項７に記載の管状ねじ接続部。
9. 前記雌側内端部の前記円錐形部分（５２）は、１５％～２５％の範囲のテーパを有する、
   請求項１に記載の管状ねじ接続部。
10. 前記雄側円錐面（５１）のテーパは、前記雌側内端部の前記円錐形部分（５２）のテーパよりも大きくなる、
    請求項９に記載の管状ねじ接続部。
11. 前記雄側円錐面と前記雌側内端部の前記円錐形部分との間に半径方向の隙間（４６）が画定される、
    請求項１０に記載の管状ねじ接続部。
12. 前記雌側内端部は、前記雌側内ねじ部と前記雌側内端部の前記円錐形部分との間に溝を有し、前記雄側部分が前記雌側部分に接続されたときに、前記雄側部分の前記雄側内ねじ部の少なくとも一部は、前記溝内に位置する、
    請求項１に記載の管状ねじ接続部。
13. 前記溝は、急勾配のテーパ部（５７）に接続される円筒状部分を備え、前記急勾配のテーパ部は、前記雌側内端部の前記円錐形部分に接続され、前記急勾配のテーパ部は、前記第１の管状要素および前記第２の管状要素の長手方向軸（Ｘ）と５°～４５°の範囲の角度をなす、
    請求項１２に記載の管状ねじ接続部。
14. 前記急勾配のテーパ部（５７）は、前記雌側内端部の前記円錐形部分のテーパよりも急勾配のテーパを有する、
    請求項１３に記載の管状ねじ接続部。
15. 前記雌側部分の前記雌側内ねじ部および前記雌側外ねじ部、ならびに前記雄側部分の前記雄側内ねじ部および前記雄側外ねじ部は、前記第１の管状要素および前記第２の管状要素の長手方向軸（Ｘ）に対して５．２６％～６．２５％の範囲の値でテーパ加工される、
    請求項１に記載の管状ねじ接続部。
16. 前記雌側部分の前記雌側内ねじ部および前記雌側外ねじ部、ならびに前記雄側部分の前記雄側内ねじ部および前記雄側外ねじ部は、複数の台形状の歯を含み、前記複数の台形状の歯の一部は、長手方向の各端部において短くなっている、
    請求項１に記載の管状ねじ接続部。
17. 前記歯は、山頂面および谷底面を含み、前記山頂面および前記谷底面は、前記管状要素の長手方向軸に平行である、
    請求項１６に記載の管状ねじ接続部。
18. 前記雌側部分は、前記雌側外ねじ部（１６ｂ）と前記雌側自由端部（７０）との間に雌側外テーパ部（６６）を備え、前記雄側部分は、前記雄側外ねじ部（１８ｂ）と前記第２の管状要素のパイプ本体との間に画定された雄側外テーパ部（６４）を備え、前記雄側部分が前記雌側部分に接続されたときに、前記雄側部分および前記雌側部分の前記雄側外テーパ部（６４）および前記雌側外テーパ部（６６）が接触して第２の液密シールが形成され、前記雄側部分および前記雌側部分の前記雄側外テーパ部（６４）および前記雌側外テーパ部（６６）は、前記雌側部分の前記雌側内端部の前記円錐形部分よりも急勾配なテーパを有し、前記雄側外テーパ部（６４）および前記雌側外テーパ部（６６）は、前記第１の管状要素および前記第２の管状要素の長手方向軸（Ｘ）に対して２５％～５５％の範囲のテーパを有する、
    請求項１に記載の管状ねじ接続部。

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