JPH08247351A - 油井管用ねじ継手 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 気密性に優れ、繰り返し使用が可能であり、
焼付けの発生の恐れのない油井管用ねじ継手を開発す
る。 【構成】 シール部形成用ねじ無し部が２段のテーパ構
造を有し、ピン先端側のテーパを1/10以上1/4 未満に、
ピン付け根側のテーパを1/4 以上１以下とそれより大き
くする。

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、特に海洋における井戸への使用
に適した、また高圧の地下水や泥、ガス層などの地下の
埋蔵物を汲み上げる場合の使用に適した継手に関するも
のである。

【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。このような油
井管用ねじ継手には、管の一端にピン部を、他端にボッ
クス部を形成し、管同士を直接に接続するインテグラル
方式と、両側に二つのボックス部を形成したカップリン
グを用い、これと両端にピン部を形成した管とを接続す
るカップリング方式とがある。

【０００３】これらのねじ継手には、いずれの方式を採
用するものであっても、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)外部の流体あるいは土砂などによる
外圧に耐え得ること、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。

【０００４】近年、井戸の深さが深くなる傾向にあり、
かつ海洋上や極地などの特殊な環境下で使用される場合
が多くなり、上記要求性能は更に厳しくなっている。と
ころで、上述のようなねじ継手には、ねじ部とねじ無し
部とが設けられており、特にねじ無し部にはシール部と
トルクショルダ部が設けられ、相手側のそれぞれシール
部およびトルクショルダ部に当接してシール性、耐焼付
け性、締結力の確保を図っている。したがって、上述の
ような性能向上に対応して油井管継手のシール部および
トルクショルダ部の構造に関して従来より多くの提案が
なされている。

【０００５】その一例としてカップリング方式の油井管
継手の例を図１に示す。すなわち、図１(a) および同
(b) に示す例では、鋼管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。この接触領域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あるいは
管外部の流体による外圧負荷に対する気密性能を向上さ
せるためである。

【０００６】また、図１(b) からよく分かるように、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、この部分を突
き合わせることにより、過度な塑性変形が生じる程の高
い接触面圧がシール部に発生しないように、締結トルク
を適正な値にコントロールするためである。

【０００７】図１に示した例では、シール形成用ねじ無
し部13、23は１段のテーパ形状であり、従来技術では例
えば特公平２−27557 号公報に示されるようにそのテー
パ量は、ほぼ1/16から1/10の範囲で規定されているもの
が多い。

【０００８】また、直線的なテーパでなく、特公平２−
31271 号公報に示されているようにピン側のシール形成
用ねじ無し部13の形状を比較的大きな曲率半径の球面と
しているものや、特公昭59−44552 号公報に示されてい
るようにピン先端部のねじ無し部を、階段状に２ヶ所に
設けたショルダ部とその中間のシール形成用円錐面で構
成し、ピン付け根側のショルダ部にトルクショルダ性能
と高い気密性能を持たせたものもあるが、これらの場合
にもシール部の形状としては単一のものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の１段
のシール形状においては、1/16から1/10までのテーパを
設けたものが一般によく使用されているが、これらテー
パ量の小さい１段のテーパ付きシール部では管本体に軸
方向の引張力が作用した場合に、金属対金属の接触をし
ているシール部形成用ねじ無し部を引き離そうとする向
きの力が小さいために気密性能の低下が少ないという利
点がある。また内圧が作用した場合にも、作用内圧によ
ってピン側先端のシール部形成用ねじ無し部がボックス
側シール部形成用ねじ無し部に押しつけられるために気
密性能が良好に保たれるという利点を合わせ持ってい
る。

【００１０】しかしながら、外圧が作用した場合に、シ
ール部形成用ねじ無し部直前のドープ溜め部まで浸透し
てきた作用外圧によるシール形成用ねじ無し部を口開き
させる向きの力が大きいために気密性能が低下し、最悪
の場合漏れが発生するおそれがある。また、所定の気密
性能を確保するためにピン部を送り込む量が大きくなる
ので、シール形成用ねじ無し部を不必要に長くしないと
いけなくなり、この部分での焼き付きが発生し易くな
り、同時に材料コストの増加を招くという問題がある。

【００１１】また、特公昭59−44552 号公報に示されて
いるような２ヶ所のショルダ部とその中間にシール形成
部を有する形状のものについても、ピン先端のショルダ
部には隙間が存在しトルクショルダ部の役割を果してい
ないので、機能的には従来のショルダ部形成部分が１ヶ
所、シール部形成部分が１ヶ所の従来のシール部形状と
ほぼ同様である。それゆえこのようなシール部形状を有
する継手についても上記と同様の問題が発生する。

【００１２】一方、図２に示すようなピン側のシール部
形成用ねじ無し部13の形状を球面としているものは、接
触部において高い接触圧が得られるため良好な気密性能
が得られる。またボックス側のシール部形成用ねじ無し
部23のテーパを上記の１段のテーパを備えたシール部の
ように小さくすることにより、引張あるいは内圧が作用
した場合にも良好な気密性能が得られ、さらに外圧が作
用した場合にも接触部における接触圧が高いために気密
性能の低下が少ない。

【００１３】しかしながら、非常に狭い接触幅において
高い接触圧が発生するために接触部において過度の塑性
変形を生じるおそれがあり、十数回の繰り返し使用に耐
えられないという問題がある。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ここに、本発明の目的
は、上述のような従来技術の問題を解決し、気密性に優
れ、繰り返し使用が可能であり、焼付けの発生の恐れの
ない油井管用ねじ継手を開発することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ねじ継手
に見られるシール部の接触形態の改善によって上述の課
題は効果的に達成できるとの着想を得てから、種々研究
開発の結果、シール形成用ねじ無し部に２段のテーパを
設けることで上述の従来技術の問題が解消されることを
知り、本発明を完成した。

【００１６】すなわち、本発明の要旨とするところは、
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
およびトルクショルダ形成用ねじ無し部と、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および
トルクショルダ形成用ねじ無し部とをそれぞれ接触ある
いは突き合わせることにより、シール部およびトルクシ
ョルダ部を形成した油井管用ねじ継手において、シール
形成用ねじ無し部が２段のテーパ構造を有し、ピン先端
側のテーパがピン付け根側のテーパより小さいことを特
徴とする油井管用ねじ継手である。

【００１７】本発明の好適態様によれば、上記シール形
成用ねじ無し部の２段テーパ構造が、ピン先端側のテー
パが1/10以上1/4 未満でありピン付け根側のテーパが1/
4 以上１以下である。

【００１８】

【作用】次に、本発明の作用について、上述の各構成要
件の限定理由とともに、具体的に説明する。まず、本発
明において継手のシール形成部分を２段のテーパ構造と
し、ピン先端側のテーパをピン付け根側のテーパより小
さくするのは、継手に作用する引張力および内圧と外圧
の両方に対してシール形成部分の気密性能を良好にする
ためである。

【００１９】すなわち、図３に示すように、継手に軸方
向に引張力が作用するとピン側のシール形成用ねじ無し
部13にはピンを引き抜こうとする軸方向の力Ｆが生じる
が、この力Ｆはシール形成用ねじ無し部の表面に対して
垂直な成分Ｆ・sin α (αはねじ無し部の表面と軸線の
なす角度) と水平な成分Ｆ・cos αに分解される。

【００２０】このうちピン側シール形成用ねじ無し部13
をボックス側ねじ無し部23から離そうとする力Ｆ・sin
αは、角度αすなわちシール形成用ねじ無し部のテーパ
が小さい程少なくなる。

【００２１】また継手に内圧が負荷された場合、図４に
示すように、作用内圧によってピン側のシール形成用ね
じ無し部13に半径方向の力Ｐ₁ が生じる。この力Ｐ₁ は
シール形成用ねじ無し部13、23の表面に対して垂直方向
の力Ｐ₁ ・cos αと、水平方向の力Ｐ₁ ・sin αに分解
される。

【００２２】このうちピン側のシール形成用ねじ無し部
13を緩める方向に滑らせようとする水平方向の力Ｐ₁ ・
sin αは、αすなわちシール形成用ねじ無し部13、23の
テーパが小さい程少なくなる。

【００２３】また、図５のようにシール形成用ねじ無し
部13、23の直前のドープ溜め部27にまで浸透してきた外
圧は、ドープ溜め部27を膨らます方向に作用し、特に薄
肉部分である半径方向に押し広げようとする強い力Ｐ₀
が生じる。

【００２４】この力Ｐ₀ のうちシール形成用ねじ無し部
13、23を口開きさせようとする力は、ねじ無し部13、23
の表面に対して垂直な成分Ｐ₀ ・cos α’であり、ねじ
無し部の傾きα’が大きくなるほどこのＰ₀ ・cos α’
は小さくなる。

【００２５】以上の理由から、シール形成部分は、外圧
が侵入するピン付け根側のシール形成用ねじ無し部13、
23のテーパは大きく、ピン先端側のシール形成用ねじ無
し部13、23のテーパはそれよりも小さくする２段テーパ
構造とする。次に、本発明の好適態様におけるそれぞれ
のシール形成用ねじ無し部のテーパの範囲の限定理由に
ついて述べる。

【００２６】ピン先端側のシール形成用ねじ無し部13、
23のテーパの下限を1/10以上とするのは、焼き付きの防
止ならびに材料コストの低減のためである。すなわち、
この部分のテーパが小さ過ぎると、所定の接触圧を確保
するためにピン部を送り込む量が大きくなって焼き付き
が発生し易くなり、さらに、シール形成用ねじ無し部を
不必要に長くしないといけなくなり、材料コストの増加
を招くからである。

【００２７】一方、この部分のテーパの上限を1/4 未満
とするが、これはテーパが大き過ぎると内圧に対する気
密性能が低下するのと、ピン付け根側に設けるテーパと
区別するためである。

【００２８】次にピン付け根側のシール形成用ねじ無し
部13、23のテーパの上限を１とするのは、限られた肉厚
の範囲内で２段シール形成用ねじ無し部を設けなければ
ならないため、テーパの大きさにはおのずと限界がある
ためであり、さらに、このシール形成用ねじ無し部にお
いて所定の接触圧を生じさせるため、継手締結時に締め
付けトルクが大きくなり、ねじ面などで焼き付けが起こ
り易くなり数十回の繰り返し使用に耐えられなくなるた
めである。またこの部分のテーパの下限を1/4とするの
は前述のように、これが余り小さいと、外圧に対する気
密性能が低下するのと、ピン先端側のテーパと区別する
ためである。

【００２９】ここに、ピン先端側およびピン付け根側の
それぞれのテーパ領域は所定の接触圧を保持し、かつそ
れぞれ内圧、外圧に対する気密性能に影響がなければそ
の長さ、割合は制限ない。したがって、例えば各テーパ
領域の境界はシール形成用ねじ無し部13、23の中間点と
することもでき、また外圧、接触圧の大きさに応じて各
テーパ領域の長さの割合を変えてもよい。次に、実施例
によって本発明の作用効果をさらに具体的に説明する。

【００３０】

【実施例】図６に本発明によるシール部近傍形状の一例
を示す。本例は図１の形状の継手において、シール形成
用ねじ無し部13、23を図６に示すように２段のテーパ構
造に変更し、それぞれねじ無し部15、16、ねじ無し部2
5、26に区画し、ピン先端側のねじ無し部15、25のテー
パをピン付け根側のねじ無し部16、26のテーパより小さ
くしている。

【００３１】図６において、ねじ無し部16、26の領域は
外圧( 例えば地中からの圧力) に対する気密性能を高め
るためにテーパを大きくする。外圧はドープ溜め部27ま
で進入してきている。外圧はねじ無し部16、26の領域に
よって管内部への侵入を防止しなければならない。ま
た、ねじ無し部15、25の領域は、内圧 (例えば油圧、蒸
気圧) に対する気密性能を高めるためにテーパを小さく
する。管内部の油等はトルクショルダ形成用ねじ無し部
14等のすき間を通って漏れる。そのため、ねじ無し部1
5、25の領域をシールして漏れを防ぐのである。次に、
本発明の効果を実施例に基づいて示す。

【００３２】図１に示した構成のカップリング方式の継
手で、シール部の諸元を表１のように種々変更した継手
を試作した。このとき、以下の条件はすべての継手で等
しくした。 管本体の外径：177.8 mm、 管本体の肉厚：11.51 mm、 カップリングの外径：194.49mm、 管およびカップリングの材料：Ｌ80炭素鋼 (降伏強度5
6.2kgf/mm²) ねじの形状：台形ねじ、 ねじピッチ：5.08mm、 ねじテーパ：１／18、 ねじ山高さ：1.575 mm、 トルクショルダ角：15°、 シール長さ：10.3mm (１段目シール長さ6.5mm 、２段目
シール長さ3.8mm) ただし、１段のみのシールの場合は表１中にシール長さ
を示す。

【００３３】なお、１段目シール長さを6.5 mmとしてい
るが、通常管外径にかかわらずこの程度である。また２
段目シール長さを3.8 mmとしているが、これも通常管外
径によらずこの程度であり、余り長すぎると管と継手を
つなぐときに焼付けをおこすことがあるからである。

【００３４】

【表１】

【００３５】これらの継手を以下の試験に供試し、その
性能を評価した。 繰返し締結試験:潤滑用グリスをねじ部およびねじ無
し部に塗布し、継手の締結・着脱を行い、ねじ部に焼き
付きが生じるまでこれを繰り返した。なお、最大繰返し
回数は10回とした。

【００３６】単純外圧試験:継手を締結した後、外圧
を負荷し、破断あるいは外圧の漏れの発生した圧力を記
録した。

【００３７】複合荷重試験:継手を締結した後、管本
体に降伏強度の95％に相当する応力が生じるような軸方
向の引張力を負荷した後、管本体に降伏強度の80％に相
当する応力が生じるような内圧を負荷し、内圧の漏れを
調査した。以上の試験結果を表２にまとめて示す。

【００３８】

【表２】

【００３９】表２に示す結果より、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分か
る。ところで、上述の実施例では、カップリング方式の
場合を説明したが、本発明の技術によりインテグラル方
式の場合でも同様な効果が得られることは明らかであ
る。

【００４０】

【発明の効果】本発明による油井管用ねじ継手は、内圧
ならびに外圧の両方に対して優れた気密性能を有すると
共に引張負荷時もその気密性が低下しないため、今後ま
すます厳しくなる採掘環境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】カップリング方式の油井管用ねじ継手の構成例
を示す説明図であり、図１(a)はその全体図、図１(b)
はその部分拡大図である。

【図２】球状ねじ無し部を有するシール形成部分を示す
説明図である。

【図３】軸方向引張力Ｆのシール形成用ねじ無し部表面
での分担状況を示す説明図である。

【図４】半径方向の力Ｐ₁ のシール形成用ねじ無し部表
面での分担状況を示す説明図である。

【図５】外圧による力Ｐ₀ のシール形成用ねじ無し部端
での分担状況を示す説明図である。

【図６】シール形成用ねじ無し部の２段テーパ構造の形
状を示す説明図である。

【符号の説明】

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 15, 25：２段シール形成用ピン先端側ねじ無し部 16, 26：２段シール形成用ピン付け根側ねじ無し部 27：ドープ溜め部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 雄ねじを有するピン部に設けたシール形
   成用ねじ無し部およびトルクショルダ形成用ねじ無し部
   と、雌ねじを有するボックス部に設けたシール形成用ね
   じ無し部およびトルクショルダ形成用ねじ無し部とをそ
   れぞれ接触あるいは突き合わせることにより、シール部
   およびトルクショルダ部を形成した油井管用ねじ継手に
   おいて、シール形成用ねじ無し部が２段のテーパ構造を
   有し、ピン先端側のテーパがピン付け根側のテーパより
   小さいことを特徴とする油井管用ねじ継手。
2. 【請求項２】 ピン先端側のテーパが1/10以上1/4 未満
   でありピン付け根側のテーパが1/4 以上１以下であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の油井管用ねじ継手。