(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ドリルパイプ（２）のアプセット部分（３）に溶接された（６）ねじ付きボックス部のツールジョイント（１２）を有する第１ドリルパイプ（２）と、第２ドリルパイプ（２’）のアプセット部分（３’）に溶接された（６）ねじ付きピンツールジョイント（１０）を有する第２ドリルパイプ（２’）であって、ねじ付きピンツールジョイント（１０）は前記ボックス部のツールジョイント（１２）にねじ締めにより接続される第２ドリルパイプ（２’）とを備え；
前記第１ドリルパイプおよび第２ドリルパイプ（２、２’）は、パイプ外径（ＰＯＤ）およびパイプ内径（ＰＩＤ）と、パイプアプセット溶接部内径（ＰＵＩＤ）とを特徴とし、
前記ピンツールジョイント（１０）と前記ボックスツールジョイント（１２）は、ツールジョイントの外径（ＴＪＯＤ）と、それぞれの溶接端での第１ツールジョイントの内径（ＴＪＩＤ１）と、ボックス部のねじ部とピン部のねじ部に近接した領域でのツールジョイントの内径（ＴＪＩＤ２）とを特徴とし、
前記ツールジョイントの外径（ＴＪＯＤ）は前記パイプ外径（ＰＯＤ）より大きく、
前記パイプアプセット溶接部内径（ＰＵＩＤ）は前記パイプ内径（ＰＩＤ）より小さく、
前記パイプアプセット溶接部内径（ＰＵＩＤ）はツールジョイント内径（ＴＪＩＤ２）より大きく、
前記第１ツールジョイント内径（ＴＪＩＤ１）は実質的に前記パイプアプセット溶接部内径（ＰＵＩＤ）と等しくて前記ツールジョイント内径（ＴＪＩＤ２）は前記第１ツールジョイント内径（ＴＪＩＤ１）より小さく、前記ピン部とねじ部に近接した前記ツールジョイントの肉厚は、前記継手のトルク強度を向上するために厚くされ；
ツールジョイント内径（ＴＪＩＤ２）を特徴とするツールジョイントの長さはツールジョイントの全長（ＬＴＪ）の３分の２より大きくはない；
ドリルストリング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［１．発明の分野］
本発明は、一般的にドリルステムねじ継手に関する。詳細には、本発明はツールジョイントとその結果得られるドリルストリングに関するもので、ツールジョイントが地表からドリルビットまでドリルパイプの部分とドリルステムの他の要素とを一体に接続する。さらに詳細には、本発明は高トルク回転掘削用の内部および外部の締付けショルダーを有するツールジョイントに関する。
【背景技術】
【０００２】
［２．先行技術の説明］
石油・ガス用のような深い井戸は、ドリルステムにより回転する回転ドリルビットにより掘削され、ドリルステムは、ボトムホールアセンブリ、ドリルパイプのストリング、ケリーあるいは頂部駆動装置、および回転するパイプストリングからドリルビットまでの全関連機器により構成される。ドリルパイプストリングは、それぞれ約９ｍ（３０フィート）の長さの個々の部材で組み立てられる。ドリルパイプ部材は、ツールジョイントと呼ばれ、典型的には約４６ｃｍ（１．５フィート）の長さのねじ継ぎ手で固定される。ツールジョイントは掘削中に受ける通常のトルクに耐え、またドリルパイプ下方へ送り込まれる掘削液がツールジョイントから漏れるのを防止するようなシールを提供しなければならない。ツールジョイントからの漏洩は、掘削液の磨耗性のために磨耗を引き起こし、早期の破損に至ることもある。
【０００３】
従来のツールジョイント（しばしばＡＰＩ［Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ=米国石油協会＝］ツールジョイントと呼ばれる）は、ピン部材とボックス部材とで組み立てられる。ピン部材は雄ねじ（外ねじ）部と外部環状締付けショルダーとを有する。ボックス部材は雌ねじ（内ねじ）部と外部環状締付けショルダーと締付けられるリムすなわち面とを有する。従来のツールジョイントでは、ボックス部にピン部の端の突出部あるいは面と接触するための内部ショルダーがない。ツールジョイントが井戸の地表で締付けられると、通常、ねじが切られた断面に長手方向応力を生ずるトルクが発生し、その応力はピン部あるいはボックス部の弱い方の耐力の約２分の１となる。
【０００４】
水平井戸もしくは大偏拒井戸の掘削において、あるいはドリルストリングがボーリング穴で動きが取れなくなったときに、井戸の地表で作用する掘削トルクが締付けトルクより大きくなる可能性がある。掘削トルクが地表締付けトルクより大きくなると、付加的な継手締付けトルクが生ずる。この付加的な締付けトルクは、継手により高い応力を与え、その応力はピン部やボックス部の耐力を超え、ダウンホール（坑底）損傷を生ずることもある。損傷の可能性を防ぐため、地表締付けトルクは、掘削トルクより大きくすべきである。それ故に、ドリルパイプツールジョイント業界は、いわゆる「二重ショルダーツールジョイント（Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓｈｏｕｌｄｅｒ  Ｔｏｏｌ  Ｊｏｉｎｔｓ）」を開発してきており、それはＡＰＩツールジョイントより高トルク強度特性を有し、大きな地表締付けトルクを可能にする。二重ショルダーツールジョイントは、外部締付けショルダーだけではなく、内部ショルダーを有し、両ショルダーが高トルクの状況下で締付けられるような寸法である。
【０００５】
米国特許第２，５３２，６３２号に見られるように、二重ショルダーツールジョイントは、外部締付けショルダーだけではなく、内部ショルダーを有し、両ショルダーが高トルクの状況下で締付けられるような寸法である。二重ショルダーツールジョイントは、ピン部やボックス部の板厚を厚くせず、また、鋼材の耐力を高めることなしに、大幅に向上した捩れ耐力（ＡＰＩツールジョイントとの比較において）を有する。
【０００６】
従来技術では、二重ショルダーツールジョイントを特徴付ける要素の寸法を調整することによって、そのようなジョイントの操作特性をよりよくするための努力がなされてきた。そのような要素には、ボックス部材の座ぐり部、ピン基部、ピン突出部、およびねじ部の相対長さ；ボックス部材の座ぐり部およびピン突出部の相対断面厚さ；ならびに、ツールジョイントの内外径の相対寸法が含まれる。
【０００７】
二重ショルダー継手は、米国特許第４，５４８，４３１号でも説明されている。ボックス部は、ねじ部の下部に配置された内部ショルダーを備える。ピン部は、その突出部の端部に面を有し、その面はボックス部の内部ショルダーにぴったりと合う。ピン部とボックス部の寸法は、手で締められたときにボックス部の面がピン部の外部ショルダーに接触するように、選定される。ピン突出部の面とボックス部の内部ショルダーとの間には、隙間が存在する。二重ショルダーツールジョイントが通常の締付けトルクに達するまで十分に締付けられたときには、ボックス部の面は、通常の接触圧で外部締付けショルダーと係合する。手で締めたときの隙間は、通常の締付けトルクで、ピン部の面から内部ショルダーにほとんどあるいは全く圧力が作用しないように選定される。
【０００８】
上記の米国特許第４，５４８，４３１号は、ピン基部とボックス部の座ぐり部がはめ合いねじ部の長さの少なくとも３分の１の長さを有し、ピン突出部がはめ合いねじ部の長さの少なくとも６分の１の長さを有するように、明記している。米国特許第４，５４８，４３１号で説明された、１２７ｍｍ（５インチ）の外形と６８．３ｍｍ（２−１１／１６インチ）の内径を有する二重ショルダーツールジョイントでは、二重ショルダー継手のピン基部の部分あるいはボックス部の座ぐり部を降伏させるトルクは、同一の外径と内径を有するＡＰＩツールジョイントに対する２４，５４０Ｎｍ（１８，１００ポンド・フィート）に較べ、３４，６８６Ｎｍ（２５，５８３ポンド・フィート）である。座ぐり部が長いと変形に対する抵抗を低下させ、それにより手で締めるときの隙間に対し妥当な製造公差が与えられる。しかし、座ぐり部が長いと高トルク下では、外向きに座屈しやすい。
【０００９】
ドリルパイプツールジョイント業界の他社は、地表締付けトルクの設計値で内部ショルダーに実質的な荷重が作用するように、手で締めたときの隙間を選定している。このような構造とすると、内部ショルダーは、より大きな地表締付けトルクを許容し、よって、より大きな掘削トルクが要求される井戸で安全に使うことができる。ツールジョイントが初期の手で締める状況を超えて締められたときには、ボックス部の座ぐり部とピン基部とが変形する。この変形により、ピン部の面は手で締めたときの隙間を閉じ内部ショルダーと係合する。ボックス部の座ぐり部とピン基部とに生ずるいかなる永久変形よりも先に、ピン部の面と内部ショルダーとに荷重が生ずる。
【００１０】
地表締付けトルクで内部ショルダーに荷重を作用させる概念を拡張して、米国特許第６，５１３，８０４号は、ピン部の外部ショルダーからピン突出部までの長さがボックス部の面からボックス部の内部ショルダーまでの長さより長いために内部ショルダーが最初に締付けられるさらに別の二重ショルダーツールジョイントにつき記述している。ピン突出部は、ボックス部の座ぐり部の２倍の長さであると明記されている。外部ショルダーの前に内部ショルダーを接触させることは、シールを有効にするのに十分な荷重を外部ショルダーが受けないかも知れないという危険を生ずる。特別に長いピン突出部により、突出部の変形に対する抵抗を低下させて、このリスクを打開しようとしている。
【００１１】
米国特許第５，３９２，３７５号は、二重ショルダー継手の捩れ強度の最適化に重点を置いた二重ショルダーツールジョイントの別の構造を説明している。高トルク条件下で、ピン突出部およびボックス部の座ぐり部またはピン基部が降伏する前に、ピン部のねじ部が完全にはせん断破壊しないが、せん断破壊に非常に近づくようにすることで、最適化を達成している。米国特許第５，４９２，３７５号では、ねじ部のせん断面積を決定するピン部材のはめ合いねじ部分の長さが明記され、そのせん断面積は、ねじ部のせん断面積Ａｔが１．７３（ＡＬ＋ＡＮ）と等しいか僅かに大きくなるようにし、ここで、ＡＬはピン突出部あるいはボックス部の座ぐり部の断面積のいずれか小さい方で、ＡＮはピン突出部の断面積である。この手法による最適化は、継手のねじれ強度を僅かに高くするだけである。
【００１２】
米国特許第５，９０８，２１２号は、（１）ボックス部の座ぐり部の断面積とピン突出部の断面積の合計が、ボックス部の断面積の少なくとも７０％であり、（２）ねじ部のテーパが３０４．８ｍｍ（１フィート）当たり２５．４ｍｍ（１インチ）以下であり、（３）座ぐり部の軸方向長さが少なくとも３８．１ｍｍ（１．５インチ）であることを必要とする、別の二重ショルダーツールジョイントの構造を記述している。
【００１３】
浅いねじのテーパは、内部ショルダーの強度を著しく向上し、よって継手のねじれ強度を高くする。しかし、浅いねじのテーパが付いたドリルパイプジョイントでは、従来のＡＰＩツールジョイントと比較して、締付け中にピン部をボックス部に対しかなり多く回転する必要がある。これらの継手を締付けるのに必要な追加の組み立て時間は、とても高価となり、好ましくはない。継手はねじの噛み合いや磨耗を避けるために注意深く整列しなければならないので、浅いテーパのために、挿入し・分解することも難しくなる。さらに、浅いテーパでは、継手が磨耗し損傷した後に再加工すると、限られたツールジョイントの長さに大きなロスが生ずる。
【００１４】
先行技術のツールジョイントでは、従来のねじ形状の構造が用いられており、従来のねじ形状の構造では、一般的にパイプジョイントの、具体的には二重ショルダードリルパイプジョイントの、最適な降伏トルク特性が阻害される。
【００１５】
先行技術のツールジョイントはまた、ねじのテーパと符合するねじ山の頂のテーパが付いたねじ形状により特徴付けられる。添付図面の図５は、ねじ山の頂４１のテーパがねじ部全体のテーパＴｔｈと同じである従来技術のねじ形状を図示する。一般的にねじ形状は、ねじの谷底３９、荷重側フランク３５、山の頂４１、山の頂−荷重側フランクの半径４３、山の頂−挿入側フランクの半径４５、挿入側フランク３３により特徴付けられる。ドリルパイプジョイントの要素を挿入する（すなわち、ピン部をボックス部に挿入する）とき、一要素の山の頂は、他の要素のねじの山の頂に載るようになることがある。図６Ａ、６Ｂおよび６Ｃは、挿入されている先行技術のピン部５とボックス部５’とを示しており、図６Ｂと図６Ｃはピン部５とボックス部５’のねじ部の断面図を示している。図６Ｂは、ピン部５の山の頂４１が、ボックス部５’の山の頂４１’に載っているところを示す。図６Ｃで示すように、約半回転までの回転が、ピン部５をボックス部５’に対して軸方向に移動し、山の頂４１−４１’同士の接触から外れ、挿入側フランク３３−３３’同士が接触するのに必要である。山の頂同士が衝撃をもって接触すると、荷重側フランク３６、３６’、あるいは挿入側フランク３３、３３’、あるいはその両者が山の頂４１、４１’の近くで恒久的な損傷を受けることがあり、特に、従来のツールジョイントでは山の頂から荷重側フランクへのおよび山の頂から挿入側フランクへの半径が小さいので、損傷を受けることがある。挿入し始めに損傷を受けないとしても、ピン部のツールジョイントの山の頂は、ボックス部ツールジョイント５’に無理に入り込むことがある。このような無理な入り込みは、衝撃により悪影響を受ける。ねじ部のテーパが小さくなると、無理な入り込みは悪化する。摩擦係数が０．０８の場合、ねじ山の頂４１、４１’は、０．１６７ｍｍ／ｍｍ（２インチ／フィート）未満のねじ部のテーパについて自己保持（ｓｅｌｆ−ｈｏｌｄｉｎｇ）する。自己保持が生ずることは、ツールジョイントを無理やり分離しなければならないことを意味する。ねじ部がねじの山の頂を無理に入り込んで進むようにすると、最終的に磨耗や他の損傷を生ずる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
［３． 発明の目的の特定］
本発明の主たる目的は、ドリルステム継手を提供することにあり、具体的には降伏トルク特性が強化されたドリルパイプツールジョイントに関するものである。
【００１７】
本発明のもう一つの目的は、従来のＡＰＩツールジョイントの締付け回転数の特性を有しつつ、降伏トルク特性が強化されたドリルパイプツールジョイントを提供することにある。
【００１８】
本発明の具体的な目的は、同等なサイズの、従来の継手と同じ締付け回転数であり、かつ、従来の継手のねじり強度の少なくとも約５０％高いあるいはそれよりも高いねじり強度を有することが特徴であるドリルパイプツールジョイントを提供することにある。
【００１９】
本発明のもう一つの目的は、トルク特性が強化された結果となるように、最適なねじ部のテーパと共に改良されたねじ部形状を有する二重ショルダードリルパイプツールジョイントを提供することにある。
【００２０】
本発明のもう一つの目的は、組み立て中にピン部をボックス部に挿入し始めるときに向上した挿入特性を提供するねじ構造を有するツールジョイントを提供することにある。
【００２１】
本発明のもう一つの目的は、ボックス部の座屈を回避するために、ボックス部の座ぐり部の長さがピン突出部より短いか同じ長さであるツールジョイント構造を提供することにある。
【００２２】
本発明のもう一つの目的は、製作公差内で許容載荷荷重の最適化のために第１シール部の応力と第２シール部の応力とがそれぞれ互いに７０％の範囲内となることを特徴とするツールジョイント構造を提供することにある。
【００２３】
本発明のもう一つの目的は、挿入し始めるときの、ねじ部の山の頂同士の無理な入り込みを実質的に回避するツールジョイント用のねじ形状を提供することにある。
【００２４】
本発明のもう一つの目的は、荷重側フランクの接触面積を減少することなく、より狭い山の頂を有するより粗い形状を提供しつつ、ピン部のねじをボックス部のねじとより容易に心合わせできるツールジョイント用ねじ形状を提供することにある。
【００２５】
本発明のもう一つの目的は、（１）荷重側フランクの接触面積を最大化し、ねじ山の高さを最小化しつつ、ねじ谷底での応力集中を減少し、（２）二重ショルダーツールジョイントの第１ショルダー部と第２ショルダー部で臨界的な部位をより大きくすることにより、ジョイントのトルク容量を増大し、（３）継手が固まってしまう可能性を減少する、ねじ形状を提供することにある。
【００２６】
本発明のもう一つの詳細な目的は、ピン突出部の長さと座ぐり部の長さは、第１ショルダー部と第２ショルダー部の応力が継手のトルクが増大するのと同程度の割合で大きくなるような長さであることを特徴とする二重ショルダードリルパイプツールジョイントを提供することにある。
【００２７】
本発明のもう一つの目的は、継手強度を高めるために、ねじ部と相対する板厚を厚くしたツールジョイントを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
［発明の要旨］
上記の目的は、本発明の他の特徴や利点と共に、二重ショルダーツールジョイントに組み入れられるが、その二重ショルダーツールジョイントは、ボックス部の座ぐり部あるいはピン基部の小さい方の断面積の少なくとも５０％の大きさであるピン突出部の断面積を有し、また、おおよそ０．０８３３ｍｍ／ｍｍ（１．０インチ／フィート）と０．１ｍｍ／ｍｍ（１．２インチ／フィート）の間の範囲、好ましくは０．０９３８ｍｍ／ｍｍ（１．１２５インチ／フィート）のテーパが付けられたねじ部を有する。好ましいテーパは、挿入し始めから締め終わりまでの回転数が、通常ＡＰＩツールジョイントの回転数以上となる０．０８３３ｍｍ／ｍｍ（１．０インチ／フィート）を下限とする程度でよい。０．１ｍｍ／ｍｍ（１．２インチ／フィート）の上限は、それを超えると、ツールジョイントの降伏トルクが、同等のサイズの従来のＡＰＩ継手の捩りの降伏強さの約１５０％を下回るよう、著しく減少する限界である。好ましいテーパは、０．０９３８ｍｍ／ｍｍ（１−１／８インチ／フィート）程度である。ピン突出部の断面が上記した大きさであると、トルクの増大と同程度の割合で大きくなる第１ショルダー部および第２ショルダー部の応力が継手に作用するように、ピン突出部の長さは、座ぐり部の長さの１．０から１．５倍程度とされる。
【００２９】
二重ショルダーツールジョイントの雌ねじと雄ねじのねじ形状は、雄ねじ外半径ＤＭＪ／２と雌ねじ内半径ｄＭＩ／２の間として測定されるねじ高さｈが、ねじ部のとがり三角形の高さ（Ｈ）の約半分であるという特徴を有する。
【００３０】
また、雌ねじと雄ねじとは、挿入側フランク角が約３５°と約４２°の間で、荷重側フランク角が約２５°と約３４°の間であることに特徴がある。好ましい挿入側フランク角は約４０°であり、好ましい荷重側フランク角は約３０°である。４０°の挿入側フランク角により、挿入し始めた後に継手がより容易に心合わせされ（従来の３０°の挿入側フランク角と比較して）、また、荷重側フランクの接触面積を減じることなく、より粗い形状で、狭い山の頂とすることができる。好適なドリルパイプ組立体の山の頂−挿入側フランクの半径は、従来のねじ形状の山の頂−挿入側フランクの半径より大きくされる。
【００３１】
また、ねじ部は、ねじ部の谷底が楕円形の一部分の形状で形成されるという特徴がある。さらに、山の頂は、ねじのテーパ角と反対の角度で傾斜する山の頂のテーパを有する。ねじのテーパ角と反対の角度で山の頂のテーパが傾斜しているので、ピン部とボックス部のねじが互いに挿入されたときに、山の頂同士が無理に入り込むことがないようにされる。
【００３２】
ねじ形状の構成が、上記の目的の利点を生ずる。なぜならば、（１）荷重側フランクの接触面を最大に、ねじ山の高さを最小に保ちながら、ねじ谷底での応力集中を低減し、（２）二重ショルダーツールジョイントの第１ショルダー部および第２ショルダー部により臨界的な部位を大きくし、よってジョイントの許容トルクを増大し、（３）継手が固まってしまう可能性を低下する。
【００３３】
ねじ形状は、ピッチが約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）かそれより大きいという特徴がある。好ましいピッチは、約７．２６ｍｍ（０．２８６インチ）である。また、好ましいドリルパイプジョイントは、座ぐり部の長さが約２５．４ｍｍ（１インチ）でピン突出部の長さが約３１．７５ｍｍ（１．２５インチ）という特徴がある。ボックス部の座ぐり部の断面積、ピン部のピン突出部における断面積、ボックス部の座ぐり部と相対するピン部の断面積および螺合されるねじの長さは、トルクが作用するときの螺合されたねじ部の強度が、ピン突出部やボックス部の座ぐり部やボックス部の座ぐり部と相対するピン部の断面の強度より十分に高くなるように選定される。
【００３４】
また、本発明のツールジョイントは、ツールジョイントの長さの関数として変化する内径を有し、ツールジョイントのねじ部付近の肉厚が、ツールジョイント端部での肉厚より厚く、ねじ部の継手の強度がより高くなるという特徴がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下の説明では、添付図を参照していくつかの好ましい実施の形態について説明し、添付図では本発明のツールストリングとツールジョイントの部分へ参照番号を付す。参照番号とその部分の対応は、以下の通りである。
［参照番号］  ［説明］
ＰＯＤ      パイプ外径
ＰＩＤ      パイプ内径
Ｃ／Ｌ      接続したパイプとツールジョイントの中心線
ＰＵＩＤ    パイプアプセット溶接部内径
ＴＪＩＤ１  ツールジョイントの溶接端でのツールジョイント内径
ＴＪＩＤ２  ツールジョイントの中間部分でのツールジョイント内径
ＴＪＯＤ    ツールジョイント外径
ＬＴＪ      ツールジョイントの長さ
２      下方ドリルパイプ
２’    上方ドリルパイプ
３      下方ドリルパイプのアプセット部分
３’    上方ドリルパイプのアプセット部分
４      ツールジョイント
６      下方溶接部
６’    上方溶接部
１０    ピン部
１２    ボックス部
１４    ボックス部の座ぐり部
１６    ピン基部
１８    テーパ付きピン部の雄ねじ
２０    テーパ付きボックス部の雌ねじ
２２    ピン突出部
２４    ボックス部の内部ショルダー
２６    ピン部の面すなわち円形リム
２８    ボックス部の外部ショルダーすなわちボックス部の面あるいは円形リム
３０    ピン部の外部ショルダー
３２    ねじのピッチ線
３４    ねじの挿入側フランク
３６    ねじの圧力側フランクすなわち荷重側フランク
ΘＳ    挿入側フランク角
ΘＰ    圧力側フランク角すなわち荷重側フランク角
ＬＰＮ  ピン突出部の長さ
ＬＢＣ  ボックス部の座ぐり部の長さ
ＬＴＨ  はめ合いねじ長さ
ＰＳ    第１のショルダーおよびシール
ＳＳ    第２のショルダー
ＣＳＢＣ  ボックス部の座ぐり部の断面積
ＣＳＰＢ  ピン基部の断面積
ＣＳＰＮ  ピン突出部の断面積
４０    ねじ谷底
４２    ねじ山の頂
４４    荷重側フランクから山の頂への遷移形状
４６    山の頂から挿入側フランクへの遷移形状
４８    ねじ形状のとがり三角形
Ｈ      とがり三角形の高さ
ｈ      ねじ山の高さ
ＤＭＪ／２  雄ねじの外半径（１／２）
Ｄｐ／２    有効半径（１／２）
ｄＭＩ／２  雄ねじの谷の半径（１／２）
Ｅ      谷底形状の楕円
ＥＭＩ  楕円の短径
ＥＭＪ  楕円の長径
Ｔｔｈ  ねじ部のテーパ
ＴＣ    山の頂のテーパ
【００３６】
［ツールジョイント付きドリルパイプの説明］
図１に、本発明によるツールジョイント４を用いて接続された下方ドリルパイプ２と上方ドリルパイプ２’とを図示する。下方ドリルパイプ２と上方ドリルパイプ２’はアプセット部分３、３’を有し、アプセット部分３、３’はツールジョイント４の端部へ向けてドリルパイプの先端に溶接部６、６’用に厚い肉厚を有する。パイプのアプセット部３、３’の外径は、ＰＯＤとして示され、パイプ内径は、その７６２ｍｍ（３０インチ）の長さのほぼ全長について、ＰＩＤとして示される。アプセット部分におけるパイプ３、３’の端部の内径はＰＵＩＤで示され、ツールジョイントの溶接端の内径ＴＪＩＤにほぼ一致する。ツールジョイントの外径ＴＪＯＤはツールジョイントの長さＬＴＪにわたって実質的に一定であるが、ツールジョイントの内径は、そのジョイントの溶接端におけるＴＪＩＤ１から、ピン１０およびボックス１２のねじ部付近の部分におけるＴＪＩＤ２に狭まる。本発明によれば、ツールジョイント４のねじ部分の肉厚を厚くするために、ＴＪＩＤ２はＴＪＩＤ１より直径で３．１７５ｍｍ（１／８インチ）（あるいはそれより多く）小さくてもよい。ツールジョイントの内径を過度に減少すると掘削操作中の許容流体流速を低下させるが、短い長さでの３．１７５ｍｍ（１／８インチ）あるいは６．３５ｍｍ（１／４インチ）の僅かな減少は、そのジョイントのトルク強度を大幅に増大するものの、許される程度のものであることが知られている。ＴＪＩＤ２が適用されるツールジョイントの長さは、ツールジョイント全長の約２／３を超えないことが好ましい。
【００３７】
図２は、完全に締付けられた二重ショルダーツールジョイントを図示する。本発明の好ましい一実施の形態によれば、ピン突出部の断面積ＣＳＰＮは、ボックス部の座ぐり部の断面積ＣＳＢＣとピン基部の断面積ＣＳＰＢの小さい方の少なくとも５０％の大きさである。このようなピン突出部、ピン基部および座ぐり部の断面積の関係は、同等のサイズの従来のＡＰＩ継手と比較して、継手４のねじれ強度を少なくとも５０％向上することになる。さらに、以下に説明するように、ボックス部のねじ２０とピン部のねじ１８のねじのテーパは、約０．０８３３ｍｍ／ｍｍ（１インチ／フィート）と０．１ｍｍ／ｍｍ（１．２インチ／フィート）の範囲内、好ましくは約０．０９３８ｍｍ／ｍｍ（１−１／８インチ／フィート）であるのがよい。さらに、ピン基部の断面積ＣＳＰＢがボックス部の座ぐり部の断面積より５０％程度小さい場合、ピン突出部の長さＬＰＮが座ぐり部ＬＢＣの長さの１〜１．５倍程度であるのがよく、そうすることにより第１ショルダーＰＳの応力および第２ショルダーＳＳの応力は、トルクが継手に作用するのとほぼ同じ割合で増加することになる。
【００３８】
過大なトルクがツールジョイントに作用したとき、ボックス部の座ぐり部１４もしくはピンの突出部２２が降伏し、もしくは座屈するまで、または、ボックス部の座ぐり部に相対するピン基部１６の断面が降伏するまで、ねじ１８、２２はせん断で破壊しないことは、重要である。したがって、ピン突出部の断面積ＣＳＰＮと雄ねじ１８に螺合する雌ねじ２０の長さ、ならびに、ボックス部の座ぐり部の断面積ＣＳＢＣと座ぐり部の長さＬＢＣは、上記のように配置・構成され、よって螺合されたねじ部の強度がピン突出部２２あるいはボックス部の座ぐり部１４のトルク強度より高くなっている。ねじ部の破壊は、ピン部やボックス部の降伏より悪いので、継手のねじれ強度の正確な最適化が得られなくても、本発明の好ましい実施の形態では、ねじ部の強度に対してある安全率が与えられる。ねじ部の強度に対する好適な安全率は、ピン突出部の断面積ＣＳＰＮがボックス部の座ぐり部の断面積ＣＳＢＣの少なくとも５０％であることにより与えられる。
【００３９】
図９は、ピッチ７．２６ｍｍ（０．２８６インチ）（山数３．５）、ねじ山の高さ約２．５４ｍｍ（０．１インチ）で有効径約９６．５ｍｍ（３．８インチ）である、本発明の好ましい一実施の形態（すなわち、ＣＳＰＮ≧０．５ＣＳＢＣ、ＣＳＰＮ≧０．５ＣＳＰＢ、ＬＰＮ≒（１．０〜１．５）ＬＢＣ）でのパラメータ調査結果を図示し、ｍｍ／ｍｍ（インチ／フィート）でのねじ部テーパの関数としてプロットし、本発明のツールジョイントを特徴付ける２つのパラメータを示す。左側縦軸すなわちｙ軸は、図２および図３の継手の降伏トルクのＡＰＩ継手（たとえば、ＮＣ３８）の降伏トルクに対する比を表す。「本発明の降伏トルク／ＡＰＩ降伏トルク（％）」と記された曲線は、図２および図３の継手が、ねじ部テーパを０．１６７ｍｍ／ｍｍ（２インチ／フィート）から０．０４１７ｍｍ／ｍｍ（１／２インチ・フィート）に減少するにつれ、ＡＰＩ継手と比較して、降伏トルクが増加することを示している。降伏トルクの比は、０．０９３８ｍｍ／ｍｍ（１−１／８インチ／フィート）のねじ部テーパで約１５０％である。
【００４０】
右側縦軸は、継手の挿入し始めから締め終わりの状態に達するまで何回転まわすかを示すパラメータを表す。「１回転当たりの挿入し始めから締め終わり」と記された曲線は、０．０４１７ｍｍ／ｍｍ（１／２インチ・フィート）のテーパ付き継手にて、１回転で、ねじが締め終わり状態に達するのに必要な軸方向トラベルの約７％しか進まないことを示す。反対に、０．１６７ｍｍ／ｍｍ（２インチ／フィート）のテーパについては、１回転で、締め終わり状態に達するねじの軸方向トラベルの３５％近く進む。挿入し始めから締め終わりまでの曲線は、０．０９３８ｍｍ／ｍｍ（１−１／８インチ／フィート）のテーパについては、１回転当たりの挿入し始めから締め終わりが約１７％であることを示す。言い換えれば、０．０９３８ｍｍ／ｍｍ（１−１／８インチ／フィート）のテーパを有する継手では、挿入し始めから締め終わりに達するまでに約６回転の回りを要する。
【００４１】
上記のツールジョイントの好適な実施の形態においては、従来のＡＰＩ継手の約１５０％の大きなねじり強度を維持しながら、継手を締付ける際の許容スピードを達成する、好適なテーパの範囲が見出された。図９に図示するように、約０．０８３３ｍｍ／ｍｍ（１インチ／フィート）のテーパの下限と０．１ｍｍ／ｍｍ（１．２０インチ／フィート）のテーパの上限により、約６−１／２回転と５−１／２回転という、挿入し始めから締め終わりまでの回転数の許容限界を達成する。このような範囲は許容されるもので、ＡＰＩ継手と比較して約１５０％の最大の降伏トルクから顕著に減ずるという犠牲を払わない。約０．０９３８ｍｍ／ｍｍ（１−１／８インチ／フィート）のねじのテーパは、継手の高降伏トルク（たとえば、ＡＰＩ継手の１５０％）を維持し、同時に回転数（約６回転）を維持してできるだけ速く挿入し始めから締め終わりに達するので、好適である。
【００４２】
上述の通り、０．０８３３ｍｍ／ｍｍ（１インチ／フィート）〜０．１ｍｍ／ｍｍ（１−１／５インチ／フィート）のテーパの範囲により、上記の好適な実施の形態では、７．２６ｍｍ（０．２８６インチ）（山数３．５）のピッチで、６−１／２回転と５−１／２回転の範囲となる。もしねじ形状のパラメータの条件を緩めると、たとえばピッチが６．３５ｍｍ（０．２５インチ）（山数４）であると、０．０８３３ｍｍ／ｍｍ（１インチ／フィート）のテーパでは、挿入し始めから締め終わりまでに８回転必要で、従来のＡＰＩ継手と同じ値となる。
【００４３】
０．０８３３ｍｍ／ｍｍ（１インチ／フィート）〜０．１ｍｍ／ｍｍ（１−１／５インチ／フィート）のテーパの範囲内で、降伏トルクや締め終わりまでの回転数に影響する他のねじ形状の変数（ピッチ、有効径、外径、および谷径）を上記の実施の形態から少し変更してもよい。たとえば、他の変数を一定にしたままピッチを７．２６ｍｍ（０．２８６インチ）（山数３−１／２）から６．３５ｍｍ（０．２５インチ）（山数４）に減ずると、０．０８３３ｍｍ／ｍｍ（１インチ／フィート）のテーパについて挿入し始めから締め終わりまでに必要な回転数は８回転より少なくなるであろう。
【００４４】
図２は、完全に締付けられた二重ショルダーツールジョイントの好ましい一実施の形態を図示する。この実施の形態によると、ボックス部のねじ部２０およびピン部のねじ部１８のねじのテーパは、おおよそ０．０８３３ｍｍ／ｍｍ（１インチ／フィート）と０．１ｍｍ／ｍｍ（１．２インチ／フィート）の間の範囲内で、好ましくは約０．０９３８ｍｍ／ｍｍ（１−１／８インチ／フィート）である。
【００４５】
［ドリルパイプツールジョイントの好適なねじ形状の説明］
図２および図３は、図１の継手のボックス部のねじ部２０とピン部のねじ部１８のねじ形状を図示する。ねじ形状は、ＡＰＩねじで一般的な値である、山数４以下であることが好ましい。さらに、特に図３に図示するように、ねじ部は、ねじを画定するとがり三角形の高さの約２分の１である、雄ねじの外半径ＤＭＪ／２と雄ねじの谷の半径ｄＭＩ／２の間で測られた山の高さを有する。この組み合わせにより、第１ショルダー部と第２ショルダー部のより大きな臨界的部位を可能とし、最終的にジョイントの許容トルクをさらに増大する。さらに、雌ねじ部２０と雄ねじ部１８は、とがり三角形４８となす角ΘＳが約３５°〜約４２°である挿入側フランク３４と、約２５°〜約３４°間の荷重側フランク角ΘＰを有する。好ましくは、挿入側フランク角ΘＳは約４０°であり、荷重側フランク角は約３０°である。
【００４６】
図３のねじ形状には、山の頂４２が荷重側フランク３６と山の頂４２との間に遷移形状４４を有するという特徴もある。遷移形状４４は０．３０５ｍｍ（０．０１２インチ）以下である半径という特徴を有し、それによって大きな荷重側フランク３６となる。挿入側フランク３４と山の頂４２との間の遷移形状４６は、１．８５ｍｍ（０．０７３インチ）以上の半径であり、それによって、ねじ山の頂の幅を減少し、挿入し始めや締付け中のねじ合わせで徐々に挿入することが可能となる。本発明のねじ形状の谷底４０は、長径ＥＭＪと短径ＥＭＩとを有する楕円形状Ｅに形成される。谷底形状４０は、挿入側フランク３４と圧力側フランク３６とのスムースな移行ができるよう選定される。楕円形状Ｅにより０．９６５ｍｍ（０．０３８インチ）の谷底半径での応力集中係数より小さな応力集中係数となる。
【００４７】
図４のねじ山の頂４２の拡大図で分かるように、山の頂４２の上部は、ねじ部のテーパＴｔｈの角度と反対方向に、山の頂のテーパＴＣで傾斜している。好ましくは山の頂のテーパは約１°である。図５、図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃを参照すると、先行技術のねじ形状の前記の説明では、山の頂４１のテーパはねじ部のテーパＴｔｈとほぼ同じ角度であり、ねじ部の無理な入り込みを生じ得る。従来のねじ形状の部分は次のように符号付けされている。ねじ谷底３９、挿入側フランク３３、荷重側フランク３５、荷重側フランクから山の頂への遷移部分４３、山の頂から挿入側フランクへの遷移部分４５。ねじ部のテーパＴｔｈの角度と反対方向の角度の山の頂のテーパＴＣを有するねじ形状により、ピン部はより容易にボックス部へ挿入される。図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃはその利点を説明しており、図７Ａは、ツールジョイントのボックス部１２に挿入されるピン部１０の側面図であり、図７Ｂと図７Ｃはねじ部の山の頂の反対方向の角ＴＣの効果を示す。図７Ｃの拡大図で分かるように、山の頂４２、４２’の山の頂同士の無理な入り込みは、ねじ部のテーパと反対方向である山の頂の傾斜のために、挿入中に生ずることは考えにくい。図７Ａ〜図７Ｃは、図６Ａ〜図６Ｃの挿入している状態で示された従来の先行技術のねじ形状を参照して、この利点を図示する。
【００４８】
前記の通り、挿入側フランク角ΘＳは従来の３０°から好ましい４０°へと大きくされる。また本発明によるところの前記のように、山の頂から挿入側フランクへの遷移形状４２は、１．８５ｍｍ（０．０７３インチ）以上の半径へと大きくされる。ΘＳが大きく、山の頂から挿入側フランクへの遷移形状が大きいので、継手は、挿入後により容易に心合わせされる。図８Ａと図８Ｂは、その効果を示す。図８Ａのピン部は、ボックス部１２の中心軸からある角度でボックス部１２に挿入されるところを示している。大きな挿入側フランク角ΘＳと大きな山の頂から挿入側フランクへの遷移形状のために、ピン部１０はボックス部１２の中心線と心合わせするようにより容易に動く。さらに、障害になるものが少ないので、継手が固まってしまう可能性も減少する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
添付の図面は、本発明の好ましい一実施の形態を図示する。
【図１】図１は、本発明によるツールジョイントにて端部同士が接続された２つのドリルパイプ部分の断面図である。
【図２】図２は、締付けられたピン部とボックス部とを示し、また、本発明によるテーパ付きねじ部とねじ形状とを示す、ツールジョイントの拡大断面図である。
【図３】図３は、本発明による挿入側フランクと荷重側フランク、ねじの谷底と山の頂の形状およびテーパを示す、ピン部のねじ部とボックス部のねじ部のねじ形状の拡大断面図である。
【図４】図４は、ねじの山の頂がねじ部のテーパと逆の角度で傾斜していることを示すねじ形状の山の頂部分の拡大断面図である。
【図５】図５は、ねじ部のテーパと同じ角度でテーパがついている従来のねじの山の頂の構成での先行技術によるねじ形状を示す。
【図６】図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃは、従来のテーパ角度がねじ部のテーパ角度と一致する、先行技術での挿入されたツールジョイントで起こりうる山の頂の無理な入り込みを示す。
【図７】図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃは、図３のようにねじ部のテーパと逆に傾斜するねじの山の頂を有するねじ形状でのツールジョイントのピン部のねじとボックス部のねじの挿入を示す。
【図８】図８Ａおよび図８Ｂは、図３のねじ形状の増大した挿入側フランク角と大きな山の頂−挿入側フランク半径により、ピン部のねじを、従来のねじ形状によるよりも簡単にボックス部のねじに心合わせできることを示す。
【図９】図９は、本発明の二重ショルダーツールジョイントの好ましい一実施の形態での許容されるテーパの範囲を示すグラフで、過大なテーパは継手の降伏トルクを低下させるが、過小なテーパでは継手は継手の挿入し始めから締め終わりまでに過大な回転数が必要となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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