JPS6283586A - 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深さは、近年になって
地下１万ｍにも達する（噴量にある。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図はカン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、土圧による外問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ｂ１とボックスａの奥部記とは相互に対応す
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ｂｌの最小外径は、ボックスａにおける奥
部ａ１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とカップリングＡ（第５図参照）とを締
め付けると、ボックスａの奥部ａ１における切上部〜か
ら漸次小径化されたテーパー内周面ａ３に沿うようにピ
ンｂの先端部ｂｌ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ｂ３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（頃
斜して形成されているため、前記油井管Ｂとカップリン
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。尚該サブ
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（莫大なものであり、これに伴ってカップリン
グＡの個数も莫大となる。従って各管継手には、油井管
Ｂや力・７プリングＡの＠重が累積されることによる管
軸方向への強大な引張荷電が作用する。このため従来は
、管継手におけるねし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側のねじ部又はピン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との螺合時には、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大きく流動変形する
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１７ｊｍ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３
００℃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
形状復元性を調査した。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
／ｍｄからＯという楕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とを軸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　／　＊ｄ以下と極めて乏しいものである
ため、圧縮応力をそもそも３．５Ｋｇｆ　／　ｖａｔ　
シ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とカソプリング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ｍ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、ピンの先端外
周面とボックスの奥部内周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
も大きく管軸廻りの径方向へ拡大するようになされてい
ることである。

なお、本明細害において「形状記憶効果合金」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は外力により大き
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↑、９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、ビンの先端外周面とボックス
の奥部内周面との間に介設されていると共に、前記形状
回復による拡大変形の方向がビン及びボックスにおける
管軸廻りの径方向に沿うように設定されている。つまり
シールリングは、その内径を縮小する方向及び外径を拡
大する方向への双方に向かって拡大変形する。従って、
本発明油井管継手を油井深奥部へ竪て込んだ場合は、ビ
ンの先端外周面とボックスの奥部内周面とをシールリン
グが互いに相反して押圧するようになる。このため、前
記ピンの先端外周面とボックスの奥部内周面とで構成さ
れるシール部に、仮に、引張荷重の増加等によるテーパ
ー状の隙間が形成されても、ビ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、ソール性が
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
径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、前記ビンとボックスとの間のテーパー状
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。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、ビン２
とボックスｌとの螺合状態を示す部分断面図である。同
図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の先端外周面２３とボックス１の奥部内周面１
ａとで形成されるメインシール部に、形状記憶合金製の
シールリング３が介設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Ｎ１−Ｔ＋金合金用いた。

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Ｎ１Ｊｉ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有して
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）も大きく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２０Ｋｇ
ｆ／−からＯ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Ｎｉ−Ｔｉ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４０Ｋ
ｇｆ／−から３０Ｋｇ４／−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１疑弾性挙動を示
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ｌを形成する材料として一般に用いられ
る、例えばＩＣｒ−ＡＭ。

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／　ａｄから５
Ｋｇｆ／ｓ＋／の応力領域で僅かに０．４％しか示さな
い、また、このＮｉ−Ｔｉ合金は圧縮降伏応力が２０Ｋ
ｇｆ　／　Ｉａｄ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ｌを形成する前記ｌＣｒ−！４Ｍ
ｏ低合金鋼と略々近似な値である。従ってこのＮｉ−Ｔ
ｉ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ｌに対して熱膨張量の相違による全隙間
を発生させることはない。尚、〈表　２〉中に示すＮｉ
−Ｔｉ合金は、Ｔｉが原子パーセントで４９．８％のも
のを示す。

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。また該シールリング３の断面形状は
、前記第１図に示すように平行四辺形であって、その長
辺側がピン２における先端外周面２ａのテーパーと同じ
傾斜で形成されている。これに対してボックスｌの奥部
内周面１ａには、前記シールリング３が丁度嵌まり込む
大きさの嵌入段部１ｂが穿設されている。また該嵌入段
部１ｂは、ボックス１における奥部内周面１ａよりも−
回り外周方向へ窪むようにして形成された周面１ｃに設
けられている。従って該嵌入段部ｌｂ内にシールリング
３が装着されたボックスｌへ、ピン２を挿入して締め付
けると、シールリング３とピン２の先端外周面１ａとの
間にクリアランスが生じるようになっている。該クリア
ランスは、ピン２とボックス１との締付時においてメイ
ンシール部がゴーリング（焼付）を起こさないための措
置である。

ところで、前記シールリング３は、ボックス１における
前記嵌入溝１ｂへ嵌め入れる前に拡大後の形状を記憶さ
せておく必要がある。そこで本実施例においては、前述
した如＜　　Ｎｉ−Ｔｉ合金から切削加工又は粉末冶金
加工等によってシールリング３を製造する際に、該シー
ルリング３の外形状を拡大後の形状に設定した（これを
原形とする）。そして該原形のシールリング３を逆変態
点温度以下の温度雰囲気下において適宜の型等に装填し
、その内径寸法を拡大する方向及び外径寸法を縮小する
方向に圧縮加工し、前記ボックス１における嵌入ｄｌｂ
に丁度嵌まり込む形状に変形させた。尚、シールリング
３の原形を設定する場合に、ピン２の先端外周面１ａに
対するクリアランスを埋めることができ、しかも充分な
接触面圧を奏し得るように、その内径寸法を考慮してお
かなければならない、また、シールリング３の圧縮変形
後において適宜の熱処理等を加えておくことが好ましい
。

このようになされた本発明油井管継手の使用伏況を説明
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した
状態では、メタル対メタルのメインシール部及びサブシ
ール部によって従来と同様な完璧なシール作用が営まれ
ている。またこの状態では、ピン２の先端外周面２ａに
対してソールリング３が無接触のままにある。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とのメインシール
部にテーパー状の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
合金の逆変態点塩度（４９，８％Ｔｉ原子パーセントの
Ｎｉ　−Ｔｉ合金における逆変態温度は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、原形に形状回復しようとしてピン
２及びボックス１の径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１とによって阻まれる形となり、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（雰囲気温度が形状記↑、α合金の前記逆変態点温
度以上に曝された状態下では、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１に対するシールリング３の接触面圧が惣激
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即座に回復し、
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。〈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。また〈表　３〉にテフロンリングのみ
を装着した従来の油井管継手の気密性を試験した結果を
示す。〈表　２〉とく表　３〉とを比較することで明白
なように、本発明油井管継手では少なくとも７Ｋｇｆ／
ｍｊに近い内圧に耐えており、一般に油井管継手として
必要とされる６、２Ｋｇｆ／ヨＩの内圧は充分克服して
いる。これに対して従来の油井管継手では、テフロンリ
ングを装着する溝の内部面粗さによっては僅か３Ｋｇｆ
／−の内圧でも漏れが確認された。このことからも分か
るように、テフロンリングを装着するにあたっては、テ
フロンリング用溝の内部面を所定の粗さに仕上げなけれ
ばならず、それだけサンドブラストやローレット等の加
工に要する手間も必要となる。

（以下余白） 次頁へ続く く表２〉 く表３〉 （別態様の検討） シールリング３用の嵌入溝は、ピン２の先端外周面２ａ
側に設けておいてもよく、ピン２の先端外−周面２ａと
ボックス１の奥部内周面１ａとの双方に設けておいても
よい。また、該シールリング３の装着位置は、ピン２及
びボックスｌにおけるメインシール部内であればどこで
もよく、例えばメインシール部の中央部等にテフロンリ
ング用の嵌入溝を穿設したものであってもよい、勿論、
シールリングを形成する形状記憶合金は、Ｎｉ４ｉ合金
に限定されるものではない、また、テフロンリングも併
用すればなお一層のシール効果が期待できる。

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Ｊ 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径方向
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、しかもピンとボックスとの間のテーパー隙間は、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、ピンとボッ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昇に伴っ
て小さくなる一方である。尚、形状記す、９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段
部又は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図は本発明油井管継手におけるピンとボックスとの
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６ＴＩ！Ｊ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・・・奥部内周面２・・
・ピン　　　　　　２ａ・・・先端外周面３・・・シー
ルリング 特許出願人　　住友金厘工業株式会社 代　理　人　　弁理士　　内１）敏彦 第１図 第２図 第３図 歪回製竿（’／、） 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ピンの先端外周面とボックスの奥部内周面とでメタ
   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廻りの径方向へ拡大する
   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。