WO2001075347A1 - Slim type oil well pipe fitting - Google Patents

Description

スリムタイプ油井管継手 技術分野

本発明は、 地下から天然ガスや原油を採取するだめに地中深く埋め込まれる油 井管あるいはガス井管用のねじ継手、 特に外径の小さいスリムタイプの油井管継 手に関する。 背景技術

今日、 天然ガスや原油の採取の井戸は深さ数千メ一トルにも及ぶ高深度のもの となってきており、 そのような油井、 ガス井に用いる油井管、 ガス井管（以下、 油井管と総称する） を締結する方法としてはねじ継手が広く用いられている。 一方、 近年、 天然ガスや原油の価格が低下しており、 新規に井戸を掘削する場 合には井戸の穴径を小さくして井戸開発の費用を低減することが行われている。 また、 老朽枯渴油井の再利用のためにケーシングパイプに穴を設け、 その穴にチ ユービングパイプをとおして、 油井層まで達せしめるというサイ ドトラック方式 を採用して費用を低減することも行われてきている。

このような場合に、 外径の小さい継手を用いることでねじ継手をスリムタイプ にすることは有効である。

特開平 10— 89554 号公報には、 かかるスリムタイプの油井管継手が開示されて おり、 これは、 ピン部とボックス部とを螺合締結するためのねじ部と、 気密性を 確保するためのメタルシール部と、 さらに締結トルクを管理するための.トルクシ ョルダ部を備えたインテグラル方式による油井管継手であって、 トルクショルダ 部の強度を継手の他の部位および油井管本体よりも高くすることで、 耐圧縮性能 の向上を図ろうとするものである。 なお、 同公報では、 トルクショルダ部をねじ 部の中央部に備える例が示されている。

また、 フランス特許第 7622543 号にも、 継手としてスリムタイプのねじ継手が 示されている。 この場合には、 油井管本体の管端部の一方を拡管 （expanded) し てボックス部にねじを加工し、 管端部の他方を縮管 （swaged) してピン部にねじ を加工し、 継手外径を小さくしている。 発明の開示

たしかに、 そのような従来技術によっても、 継手外径をスリム化することは可 能である。 しかしながら、 上述の従来の継手にはその効果に限界があり次のよう な問題点がある。

まず、 油井管本体の断面積に対する最も断面積の小さい継手危険断面の面積比 率が小さいため、 継手強度が低い。

また、 耐圧縮性能、 耐曲げ性能、 耐オーバートルク性能も十分ではない。 ここに、 本発明の課題は、 深井戸用の油井管継手として実用に耐え得る継手効 率を確保し、 かつ継手外径を小さく し、 さらに、 サイ ドトラックデザイン時に必 要な耐曲げ性能、 耐圧縮性能、 耐オーバ一トルク性能を向上させたねじ継手を提 供することである。

かかる課題を解決すべく、 本発明者らが種々検討の結果、 次のような構成を採 用することで、 その組合せによって初めて継手外径を油井管本体外径の 1. 08倍以 下とスリムにし、 かつ継手効率が 70%以上という高強度を確保でき、 しかも耐曲 げ性、 耐圧縮性、 そして耐オーバトルク性に優れたスリムタイプの油井管継手が 製作されることを知り、 本発明を完成した。

(0 ねじ形状は、 雌雄のねじについて、 荷重面フランク角 （ひ） は 0 " ^— 20度、 挿入面'フランク角 （Θ ) は 35〜50度で、 断面台形の形状とする。

(i i)油井管外面側には締結トルクを管理するためのトルクショルダ部を有する。 その形状は好ましくは管の軸方向に対して実質的に直角の形状とする。

(i i i) 油井管内面側には油井管の内圧もしくは外圧もしくはその両方の圧力に対 しての気密性を確保するためのシール部を有する。

好ましくは、 API 規格の EUE (External Upset End)素管に上記ねじ形状を加工 して継手を構成する。

よって、 本発明は次の通りである。

(1) ピン部とボックス部とを螺合締結するための雌雄のねじ部と、 油井管の内圧 もしくは外圧またはその雨方に対して気密性を確保す ための油井管内面側にお けるシール部を有し、 さらに締結トルクを管理するためのトルクショルダ部を油 井管外面側に有するィンテグラル方式による油井管継手であって、 継手効率が 70 %以上を有し、 継手外径が油井管本体外径より大きく、 かつ 1. 08倍以下であって、 ねじ部断面が、 ねじの荷重面フランク角が 0〜一 20度、 挿入面フランク角が 35〜 50度である台形形状であることを特徴とするスリムタイプ油井管継手。

(2) 前記トルクショルダ部の断面形状が管の軸方向に対して実質的に直角の形状 である上記（1) 記載のスリムタイプ油井管継手。

(3) API 規格の EUE 素管に上記（1) または（2) のねじを加工して得たスリムタイ プ油井管継手。

(4) ねじの荷重面フランク角 （c が 0〜一 15度である上記（1) ないし（3) のい ずれかに記載のスリムタイプ油井管継手。

(5) ねじの挿入面フランク角 （Θ ) が 40〜50度である上記（1) ないし（4) のいず れかに記載のスリムタイプ油井管継手。

ここで、 インテグラル方式による油井管継手とは、 管の一方の端部には管の外 面側にねじを加工されたピン部が 成され、 また他方の端部には、 管の内面側に ねじを加工されたボックス部が形成された油井管を互いに螺合締結する方式の油 井管継手をいう。 図面の簡単な説明.

図 1は、 ねじ継手の全体構成を説明する模式的部分断面図である。

図 2は、 ねじ形状を説明するための模式的部分断面図である。 発明を実施するための最良の形態

次に、 本発明の構成を添付図面を参照しながら説明する。

図 1は、 本発明にかかるねじ継手の全体構成を示す概略説明図である。

本発明にかかるねじ継手は、 油井管本体の管両端側にピン部およびボックス部 がそれぞれ構成されるィンテグラル方式による油井管継手であって、 それぞれに ねじ部が設けられている。 ピン部およびボックス部は雌雄ねじによって蝶合締結される。 図示例では、 油 井管本体の端部にねじ部 10を設けたピン部 12だけを示しており、 ボックス部につ いては本明細書の説明から当業者には自明であり割愛する。

本発明によれば、 さらに油井管継手は、 その油井管内面側には内圧もしくは外 圧またはその両方に対して気密性を確保するためのメタルシール部 14を有し、 さ らにその油井管外面側には、 締結トルクを管理するためのトルクショルダ部 16を 有する。

油井管の外面側にトルクショルダ部を設けることの利点は、 ねじ中間部や管内 面側にトルクショルダ部を設ける場合に比べて、 トルクショルダ部として広い面 積を確保することが容易であり、 したがって、 耐圧縮性能、 耐曲げ性能および耐 オーバ—トルク性能を高めることができることにある。 また、 油井管継手の締結 状況を管の外部から容易に確認できることも重要な点である。 このトルクショル ダ部はその断面形状が好ましくは管の軸方向に実質的に直角をなして延在してい る。

ここで、 トルクショルダ部の断面形状が好ましくは管の軸方向に対して実質的 に直角であることが良い理由は、 以下のとおりである。

トルクショルダ部の断面形状が実質的に直角でない場合には、 オーバ一トルク の状況下においてピン部のトルクショルダ部ゃボックス部のトルクショルダ部に 管半径方向の力が作用して変形しやすい。 これに対して、 トルクショルダ部の断 面形状が実質的に直角の場合は、 このような変形は起こりにく く、 したがって、 耐ォ一バートルク性能、 耐圧縮性能が向上するからである。

ここに、 継手外径は D , で示し、 油井管本体の断面積 Sと継手部の最も断面積 の小さい個所の断面積 S ' との比 （S ' / S ) をもって継手効率と定義する。 継手効率は、 その継手の管本体に対する強度を表している。 したがって、 継手 効率が 100 %とは、 強度が管本体と同等であることを意味する。

本発明の場合には、 管本体の肉厚によっても多少変化するが、 管本体に対して 7 0 %以上の継手効率、 つまり強度をもっている。 なお、 この継手効率は、 管本 体の断面積に対するその継手の最も危険な個所の断面積、 つまり例えばねじ切り 端部のねじの嚙み合いのはずれる部分のように最も断面積の少ない個所における 断面積の比でもって表すことができる。

継手効率はこれが小さい程、 継手の強度が低くなる。 したがって、 継手効率は 大きい程、 好ましいが、 それだけ継手外径が大きくなり、 スリムタイプの継手が 得られなくなる。 本発明の場合、 管の一端に雄ねじ、 管の他端に雌ねじを加工す るィンテグラル方式の継手では管本体に対して 70%程度の継手効率を有すること でスリム化を図ることができる。

本発明の好適実施態様によれば、 上述のようなねじを形成する素管としては、 API 規格の EUE (External Upset End)素管を用いる。 これは管端部を外面側のみ 増肉加工したものであって、 これによれば、 継手効率が 70%以上を有し、 継手外 径が油井管本体外径より大きく、 かつ 1. 08倍以下である油井管継手を容易に製作 できる。

図 2は、 ねじ継手の雄ねじの部分拡大図であり、 図中、 荷重面フランク角 ( α ) および挿入面フランク角 （Θ ) をもって断面が台形型のねじ部が構成され ている。 ねじの荷重面フランク角 （c は、 右周りに計測することから、 本発明 にあっては 0から一 20度の範囲に構成し、 一方、 揷入面フランク角 （Θ ) は、 左 周りに計測することから、 本発明にあっては、 +35度〜 + 50度の範囲に構成する。 それぞれ好ましくは α = 0度〜一 15度であり、 Θ = +40度〜 + 50度である。

荷重面フランク角が一 20度未満、 すなわち負の値の絶対値が大きくなると、 切 削加工時にこの部分の近辺でムシレ等の加工不良が生じやすくなるため、 一 20度 以上とする。 好ましくは、 一 15度以上である。

一方、 挿入面フランク角は、 挿入時の安定性を良くするため、 35〜50度とする。 その理由は、 35度未満もしくは 50度を超えると、 下記の点で不利となるからであ る。 すなわち、 揷入面フランク角が 35度未満の場合は、 揷入時にピン部とボック ス部のそれぞれの管軸が一致せずにある角度をなしてずれた状態となった時に、 管軸が一致した正しい挿入状態に戻りにくい。 また、 挿入面フランク角が 50度を 超えると、 ねじ山の断面が小さくなり、 ねじの強度が低下する。

次に、 継手外径が本体の外径の 1. 08倍を超えると、 管端部の増肉加工を行う場 合に、 増肉加工度が大きくなり、 加工作業が難しくなるとともに、 素管の製造費 が上昇する。 本発明において、 API の EUE 素管を用いて加工する場合には、 このアップセッ ト部外径を容易に 1. 08倍以下とすることができる。

EUE 素管を用いることが好ましい理由は、 アップセッ ト管を作る場合には、 管 端部外面の増肉加工の加工度が大きく、 管端部内面への増肉加工も行うへビ一ァ ップセッ 卜の素管を作るよりもコスト安となるからである。

次に、 実施例によって本発明の作用効果についてさらに具体的に説明する。 実施例

油井管本体の外径が 101. 6 mm. 肉厚が 6. 65mmである API 規格の EUE 素管を用意 し、 これに図 1および図 2に示す本発明のねじ加工を行って、 ピン部およびボッ クス部からなるインテグラル方式の油井管継手を作製した。

これについて下記の試験を行った。

なお、 比較例として、 外径 101. 6 mm、 肉厚 6. 65mmである通常の素管にねじ加工 を行ってインテグラル方式の油井管継手を作製し、 試験を行った。 試験は、 API に規定された試験方法に準じて行った。

〔引張破断試験〕

締付けられた継手を含む試験体全体に管の軸方向に引張荷重を負荷し、 破断時 の荷重により評価した。

〔耐圧縮性試験〕 ' 試験体にガスにより内圧を負荷した状態で、 管の軸方向に引張りおよび圧縮荷 重を繰り返し負荷し、 内圧による漏れが発生し始める時の圧縮荷重を検出した。 この圧縮荷重の値に基づき、 継手の降伏荷重に対する比率を求め、 これにより評 価した。

〔耐曲げ性試験〕

内圧および管の軸方向の引張荷重を負荷.した状態で、 試験体に機械的に曲げ力 を作用させ、 内圧による漏れが発生し始める時の曲げ角度を、 長さ 100 フィート (30. 48ra) 当たりの曲げ角度により評価した。

〔耐オーバ一トルク性試験〕

継手を締め付けて行き、 ピン部のトルクショルダ部とボックス部のトルクショ ルダ部が当接後、 トルクショルダ部が降伏する時のトルクの値により評価した。 試験結果をまとめて表 1に示す。

本発明例の引張破断は、 ピン部の不完全ねじ部で発生し、 このときの荷重は油 井管本体の引張破断荷重の 78%の荷重であった。 これは、 比較例における値 55% と比較して著しく向上した値である。 また、 本発明例の継手効率の値から期待さ れる値約 74 %をも上回る値であった。

耐圧縮性能については、 比較例では油井管本体の 40%の値であるのに対して、 本発明例では、 油井管本体の 80%との値が得られ、 比較例の 2倍という優れた性 能を示した。

耐曲げ性能については、 比較例では曲げ角度が 10度であるのに対して、 本発明 例では、 曲げ角度は 60度との値が得られ、 比較例の 6倍という極めて優れた性能 が得られた。

耐オーバ一トルク性能については、 比較例のトルク値を 1. 0 としたときに、 本 発明例では、 トルク値は 2. 0 との値が得られ、 比較例の 2倍という優れた性能が 得られた。 表 1

(注） a : 荷重面フランク角 .

Θ： 揷入面フランク角

耐曲げ性： 100ft当たりの曲げ角度

耐ォ一バトルク性：比較例のトルク値を 1.0 としたときの指数で示す。

D,/Do ：油井管本体夕 D。に対する継手夕 WS の比。

産業上の利用の可能性 ·

本発明によれば、 （i) API の EUE 素管にねじ加工を行うことで、 継手外径が小 さくかつ継手効率を高くすることができ、 （i i)ショルダ部の面積比率を高くする ことにより、 圧縮性能、 オーバトルク性能を向上させることができ、 そして（Π i) 荷重面フランク角をネガティブ角とする構成を採用することにより、 継手強 度を上げることができる。 それらの組合せの相乗効果により、 継手効率が高く、 かつ継手外径が小さく、 耐曲げ性能、 耐圧縮性能、 および耐オーバ一トルク性能 が良好なねじ継手を提供できる。

Claims

請求の範囲

1 . ピン部とボックス部とを螺合締結するための雌雄のねじ部と、 油井管の内圧 もしくは外圧またはその両方に対して気密性を確保するための油井管内面側のメ タルシール部を有し、 さらに締結トルクを管理するためのトルクショルダ部を油 井管外面側に有するインテグラル方式による油井管継手であって、 継手効率が 70 %以上を有し、 継手外径が油井管本体外径よりも大きく、 かつ 1. 08倍以下であつ て、 ねじ部断面が、 ねじの荷重面フランク角 （α; ) が 0〜一 20度、 挿入面フラン ク角 （Θ ) が 35〜50度である台形形状であることを特徴とするスリムタイプ油井 管継手。

2 . 前記トルクショルダ部の断面形状が管の軸方向に対して実質的に直角の形状 である請求の範囲第 1項記載のスリムタイプ油井管継手。

3 . API 規格の EUE (External Upset End)素管に請求の範囲第 1項または第 2項 記載のねじを加工して得たスリムタイプ油井管継手。

4 . ねじの荷重面フランク角 （ο が 0 ^· ^— 15度である請求の範囲第 1項ないし 第 3項のいずれかに記載のスリムタイプ油井管継手。

5 . ねじの揷入面フランク角 （Θ ) が 40〜50度である請求の範囲第 1項ないし第 4項のいずれかに記載のスリムタイプ油井管継手。