(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ネジ山断面形状が台形形状のテーパネジの雄ネジを有する油井管と、ネジ山断面形状が台形形状のテーパネジの雌ネジを有するカップリング部材とからなる油井管用ネジ継手において、
所望の締め代で嵌合せたとき、前記雄ネジと雌ネジ間における山と谷間に隙間を形成する形状を有し、前記隙間を０．２±０．０２ｍｍ以下とし、且つ、台形形状のテーパネジの両側斜面を同時に接触させて、極めて優れた耐ジャンプアウト性能を得、且つ優れたシール性能を確保するものであり、  このため、
前記油井管は、ｔ（管体肉体）／Ｄ（管体外径）≦９％であり、
前記台形形状のテーパネジのロードフランク角θ１は、０＜θ１≦３°であり、
前記継手を締め込んで前記雄雌ネジ間に油井管の外径の０．２５％以上で、且つ外径の０．８％以下の締め代Δｄを与えた時、前記ネジは、雄ネジの両側の斜面が同時に雌ネジの斜面に接触し、且つ前記台形形状のテーパネジのロードフランク角θ１、スタッビングフランク角θ２に対する、ネジ幅（Ｗｔ）およびネジ山高さ（Ｈｔ）の寸法公差が、（θ１＋θ２）の値を基準として、下記（１）または（２）の条件を満足することを特徴とする油井管用ネジ継手。
（１）（θ１＋θ２）≦２０°の場合、
ネジ幅（Ｗｔ）の寸法公差＝±０．０１５ｍｍ      および
ネジ山高さ（Ｈｔ）の寸法公差＝±０．０１５ｍｍ
（２）（θ１＋θ２）＞２０°の場合、
ネジ幅（Ｗｔ）の寸法公差＝±０．０２５ｍｍ      および
ネジ山高さ（Ｈｔ）の寸法公差＝±０．０２５ｍｍ
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は例えば油井に用いるケーシング、チュービングのシール性能に優れたネジ継手に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７は例えば油井管用ネジ継手としてＡＰＩで規定され、幅広く使用されているラウンドネジ（丸ネジ）で、それまで使用されていたラインパイプ用ネジ（三角ネジ）の山頂を丸く仕上げ、テーパを１／３２から１／１６に変更して、（１）ネジ切削仕上げ精度を高める。
（２）ネジにかかる集中応力を減少させる。
（３）気密性能を高める。
（４）ハンドリング、輸送、スタッビング作業中におけるネジ部損傷の危険性を低減する。
ことを図ったものである。
すなわち、ラウンドネジは山の両側面が同時に当たることで、ネジの締付力が強くなるにしたがってネジの側面の面圧が高くなり結果的に機密性が高くなるものである。ただし、このネジは管に長手方向の引張力がかかったときに、引張力を受ける面の角度が３０°と大きいため、油井が増々深くなることによりネジが外れる、いわゆるジャンプアウト（すっぽ抜け）の問題がある。
【０００３】
図８はバットレスネジ（台形ネジ）継手で、油井が増々深くなることにより生じるジャンプアウトを防止するために、引張力を受ける側面の角度（ロードフランク角）が３°でジョイントストレングスが強く、スタッビング作業などの効率もよいものとして開発されたものである。しかしながら、このネジの特徴として継手強度が高いが、内圧に対する機密性に難点がある。
【０００４】
すなわち、バットレスネジは雄ネジと雌ネジが嵌合したときにネジ間に生じた隙間に封入されたグリース、およびネジ側面と谷底面でネジの締め付けでロードフランクおよびピンルートの各接触面に生じた圧力（以下面圧という）が、管内面に生じた油やガスの圧力を封じる役割を果たすものである。したがって、基本的にはネジの締め付け力が強くなるほど上記の面圧が高くなり、機密性も上がるはずであるが、図９に示すように、引張力を受ける側面であるロードフランクでの面圧が高くなると、ネジの背面側（スタッビングフランク）に隙間Ｃがあるため、ネジが長手方向にずれてしまい結局ロードグフランクの面圧が十分に高くなれない。すなわち、バットレスネジ締付時の各ネジ要素に発生する面圧の発生状況を示す図１０のグラフで明らかなように、本来バットレスネジにおいては、全長にわたりロードフランク角に面圧が生じなければならないはずであるが、雄ネジの小径側では、むしろスタッビングフランクに面圧を生じている。これはネジが長手方向に移動することを意味している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来のＡＰＩの油井管用ネジはテーパネジであり、ネジを締め付けることにより、クサビ効果によりネジ側面の面圧を上げ機密性を高める一方、カップリングの円周方向の引張応力（たが応力）を発生する。また、バットレスネジの場合、締付位置の許容差が大きいため、最悪のケースではたが応力（フープストレス）が材料の降伏点を超えるという問題がある。さらに、前記バットレスネジのシール性能は、ネジの間に密封されたグリースに依存しているため、液体による圧力には耐えても、ガスは分子が小さいのでリークが発生し易いという問題もある。
【０００６】
このバットレスネジのシール機能の向上を図るべく、雄ネジ先端部に形成したテーパ状の外面および端面と、雌ネジ終端部に形成したテーパ状の内周面および段部とを圧接するメタルシール部を備えることによって極めてシール性能の優れたものが開発された。しかしながら、メタルシール部は寸法精度の高いものでなければならないことから、加工性に難があるという問題点がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る油井管用ネジ継手は、このようなＡＰＩ規格のバットレスネジ等の上記した問題点を改良するべくなされたものであり、
ネジ山断面形状が台形形状のテーパネジの雄ネジを有する油井管と、ネジ山断面形状が台形形状のテーパネジの雌ネジを有するカップリング部材とからなる油井管用ネジ継手において、前記油井管は、ｔ（管体肉厚）／Ｄ（管体外径）≦９％
のものであり、前記ネジ山断面形状が台形形状のテーパネジ（以下、台形テーパネジという）のロードフランク角θ１は０≦θ１≦３°であり、
前記継ぎ手を締込んで前記雄雌ネジ間に油井管の外径の２５％以上で、且つ外径の０．８％以下の締め代Δｄを与えたとき、前記台形テーパネジは、雄ネジの両側の斜面が同時に雌ネジの斜面に接触し、且つ山と谷とで形成される雄ネジと雌間に隙間が形成される形状を有し、さらに前記隙間を０．２±０．０２ｍｍ以下とするために、前記台形形状のテーパネジのロードフランク角θ、スタッピング角θ２、ネジ幅およびネジ山の寸法公差が、（θ１＋θ２）の値を基準として下記（１）または（２）の条件を満足する油井管用ネジ継手。
（１）（θ１＋θ２）≦２０°の場合、
ネジ幅（Ｗｔ）の寸法公差＝±０．０１５ｍｍ      および
ネジ山高さ（Ｈｔ）の寸法公差＝±０．０１５ｍｍ
（２）（θ１＋θ２）＞２０°の場合、
ネジ幅（Ｗｔ）の寸法公差＝±０．０２５ｍｍ      および
ネジ山高さ（Ｈｔ）の寸法公差＝±０．０２５ｍｍ
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態を示す部分拡大説明図であり、図２は本発明の実施の形態の嵌合状態を示す説明図である。
図において、Ｗｔはネジ幅、Ｈｔはネジ山高さ、Ｒはピッチライン、θ１はロードフランク角でネジ山の一方の斜面とピッチラインに垂直な線分とのなす角、θ２はスタッビングフランク角でネジ山の他方の斜面とピッチラインに垂直な線分とのなす角である。
ここで、θ１＜θ２で、θ１は引張力を受ける側面である。
また、前記ピッチラインＲは、Ｈｔ／２の位置にあり、Ｗｔは、ネジピッチＰの１／２である。
【０００９】
ネジ継手は、カップリング部材Ａの雌ネジに管体Ｂの雄ネジが接続される。このネジ継手のピッチラインＲは、テーパを有しており、その傾きが大きい場合は、ねじ込みに対しては管の回転数が少なくて済むという有利さがある反面、薄肉管においては、ネジ強度が十分でなくなる。傾きが小さい場合は、ねじ込みの際に管の回転数が多くなるというねじ込みの面での不利さがあるので、従来より採用されている１／１６が適当な傾きで、この実施の形態においても１／１６程度とするものである。
【００１０】
ロードフランク角θ１は、これが大きいと、ネジの締付時あるいは引張荷重下において大きなカップリング周方向応力を生じ、応力腐食割れが生じる原因となるのでこれを防止し、また、ジャンプアウトを防止するために、下記の条件を満足するように設定する。
（１）ｔ（管体肉厚）／Ｄ（管体外径）≦９％のとき、θ１≦３°とするが、−３°未満では加工の面で不都合となるので−３°を下限値とする。
（２）９％＜ｔ（管体肉厚）／Ｄ（管体外径）≦１４％のとき、θ１≦０°とするが、−３°未満では加工の面で不都合となるので−３°を下限値とする。
（３）１４％＜ｔ（管体肉厚）／Ｄ（管体外径）のとき、θ１＜０°とするが、−１０°未満では加工の面で不都合となるので−１０°を下限値とする。
【００１１】
また、雄ネジ基本径ｄ１  ＞雌ネジ基本径ｄ２  としてネジ部締め代Δｄ＝（ｄ１−ｄ２）を設け、該締め代Δｄに締め込んだとき、ネジの山頂と谷底との間にできる隙間が０．２±０．０２ｍｍを超えると、この部分に封じ込められたグリースが井戸の中の温度によって乾いた後での耐リーク性が極端に低下するので、図１（ｂ）に示すように、ネジ山頂と谷底との隙間が０．２±０．０２mm以下となるようにＨｔを決定し、その寸法公差を±０．０２mmに規制するものである。
【００１２】
さらに、所望の締め代Δｄに締め込んだとき、ネジ山と谷の斜面同士が密接して良好な接触状態を得るために、（θ１＋θ２）の値を基準として、（θ１＋θ２）≦２０°の場合、ネジ幅Ｗｔの寸法公差＝±０．０１５mmとし、ネジ山高さ（Ｈｔ）の寸法公差＝±０．０１５mmとするものであり、（θ１＋θ２）＞２０°の場合、ネジ幅Ｗｔの寸法公差＝±０．０２５mm、ネジ山高さ（Ｈｔ）の寸法公差＝±０．０２５mmとするものである。
【００１３】
上記のように構成された油井管用ネジ継手においては、ネジ部の締め代Δｄを下記（６）式によって算出される面圧Ｐｃが、管の内面に加わるガスや油の内圧（Ｐｉ）を超える値となるように最小締め代Δｄを外径の０．２５％以上となるようにすることによって、所望のリーク性能を得ることができる。
【００１４】
ただし、締め代Δｄを大きく取り過ぎるとウエッジ効果によって、カップリングが拡がって高い円周方向の応力（σθ）を発生する。前記σθは（７）式で求められ、外径の０．８％以上に締め付けるとフープストレスが高くなりすぎるので、これを上限とする。
【００１５】
【数１】
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【００１６】
図３は、本発明の他の実施の形態を示す説明図である。このネジ継手は、上記したネジ継手のカップリング中央に凸部Ａ１を形成したものである。この凸部Ａ１は、ＰＩＮネジ（雄ネジ：管体）が大きなトルクで回され、ねじ込み限界を超えるねじ込み力が加わっても、凸部Ａ１によってＢＯＸネジ（雌ネジ：カップリング）へＰＩＮネジが限度を超えて進入するのを阻止する。この結果、ガス井または油井に回転させながらケーシング、チュービングを降ろすことが行われる水平井において、ＢＯＸネジへＰＩＮネジが限度を超えて進入する、いわゆるジャンプインが生じるのを防止することができる。
【００１７】
図４は、本発明のさらに他の実施の形態を示す説明図である。このネジ継手は、上記したネジ継手のカップリング中央に、フッ素樹脂からなる断面形状がＴ字状のリングを、緩衝材として填め込んだものである。井戸から腐食性ガスが産出される場合には、エポキシ樹脂等の防食塗料を塗布して、防食用コーティング皮膜を形成したカップリングＡおよび管体Ｂが使用される。前記Ｔ字状のリングは防食用コーティング皮膜が剥がれるのを防止する。また、ガスまたは油が管内を乱流するのを防ぐこともできる。
【００１８】
【実施例】
本発明をチュービングに適用した１実施例のネジ形状と寸法諸元を、図５、図６および表１に示す。ネジ山形状は、図５に示す通りで、管外径の変化に関係なく一定なロードフランク角＝２°、スタッビングフランク角＝４５°、ネジ山高さ＝１．２７mm（４８／１０００インチ）、ネジピッチ＝８山／インチ、テーパ＝１／１６（管直径／長さ）である。呼称外径が２−３／８〜４−１／２インチの場合のネジ継手各部（図６）の寸法は表１の通りである。
上記実施例はケーシングにも適用できる。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
本発明の油井管用ネジ継手の性能を、ＡＰＩ−ＲＰ−５Ｃ５（Evaluation Procedure for Casing and Tubing Connections）のClass IVに準拠した耐圧性能テストを行って確認した。この試験での供試体は、ＡＰＩ−Ｌ８０グレード（降伏強度＝５６．２kg／mm２  ，降伏内圧＝７４１kg／mm２  ）、管寸法：外径８８．９mm、肉厚６．４５mmを用いた。
試験結果を表２に示す。
【００２１】
この試験では、計６本の供試体を用い、試験段階４までは、締付トルクを２５０kg・m 〜４５０kg・m の間に採り、管内に繰り返し内圧（水圧）を加えた場合（段階２）、この内圧以外に引張も加えた場合（段階３）、内圧にガス圧を加えると共に引張を加えた場合（段階４）の継手部の漏れの有無を確認したが、何れも漏れは発見されなかった。
また、試験段階５では、締付トルクを３００kg・m として締め付け・締め戻しを１０回繰り返し、そのときにかじり発生の有無を確認したが、何れもかじりの発生は認められなかった。
【００２２】
さらに試験段階６では、上記と同様締付トルクを各々２５０kg・m 〜４５０kg・m の間に採り、さらに過酷な条件（段階７）下でネジ継手部の漏れの有無を確認したが、ここでも漏れは発見されなかった。試験段階８では、これらの供試体のうちの３本について引張破壊を行ったところ、３本の供試体とも管体で破断し（何れも規格最小耐力の＋２０％程度の荷重にて管体部から破壊している）、継手強度１００％（管体強度と同等）を満足している。
以上の試験結果から明らかなように、内外圧に対する耐圧機能および締付・締め戻しに対する耐焼付け性能共に問題なく、本継手はＡＰＩ−ＲＰ−５Ｃ５  Class IV相当の継手性能を満足している。
【００２３】
【表２】
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【００２４】
【発明の効果】
以上のような本発明の油井管用ネジ継手は、所望の締め代で嵌合させたとき、ネジの両側斜面が接触し極めて優れた耐ジャンプアウト性能が得られ、かつ優れたシール性が確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の油井管用ネジ継手の実施の形態を示す部分拡大説明図である。
【図２】本発明の油井管用ネジ継手の実施の形態の嵌合状態を示す説明図である。
【図３】本発明の油井管用ネジ継手の他の実施の形態の嵌合状態を示す説明図である。
【図４】本発明の油井管用ネジ継手の他の実施の形態の嵌合状態を示す説明図である。
【図５】本発明の油井管用ネジ継手をチュービングに適用した１実施例のネジ形状を示す説明図である。
【図６】本発明の油井管用ネジ継手をチュービングに適用した１実施例のネジ継手形状を示す説明図である。
【図７】ＡＰＩ規格のラウンドネジの構造を示す説明図である。
【図８】ＡＰＩ規格のバットレスネジの構造を示す説明図である。
【図９】ＡＰＩ規格のバットレスネジの嵌合状態を示す説明図である。
【図１０】ＡＰＩ規格のバットレスネジの嵌合状態における各部の接触圧力の変化を示すグラフ図である。
【符号の説明】
Ｒ    ピッチライン
Ｗｔ  ネジ幅
Ｈｔ  ネジ山高さ
θ１  ロードフランク角
θ２  スタッビングフランク角
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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