(57)【要約】      （修正有）【課題】油井管用ねじ継手の部材の省資源化に寄与しうる油井管ケーシング用ねじ継手を提供する。【解決手段】ボックスの内径Ｄｂｉｄをピンのノーズ内径Ｄｐｉｄよりも大きくし、ボックスのノーズ厚みｔｂがピンのノーズ厚みｔｐと０．７０＜ｔｂ/ｔｐ＜１．００なる関係を有する継手構造とすることにより、耐リーク性能及び耐ゴーリング性能を低下させることなくボックス部材の肉厚を減じることができて、ねじ継手材の薄肉化による省資源化に寄与できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
雄ねじ部と、該雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部と、該ノーズ部の先端に設けられたショルダ部とを備えたピンと、
前記雄ねじ部とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部と、前記ピンのノーズ部外周面に相対するシール面と、前記ピンのショルダ部に当接するショルダ部とを備えたボックスとを有し、前記ねじ結合により前記ピンとボックスとが結合されてピンの前記ノーズ部外周面とボックスの前記シール面とがメタル‐メタル接触してシール部をなす油井管ケーシング用ねじ継手であって、
前記ボックスの内径Ｄｂｉｄが前記ピンのノーズ内径Ｄｐｉｄよりも大であり、かつ、前記ピンのシールポイントにおけるノーズ外径Ｄｐと前記Ｄｂｉｄから定まる前記ボックスのノーズ厚みｔｂ＝（Ｄｐ−Ｄｂｉｄ）/２が、前記Ｄｐと前記Ｄｐｉｄから定まる前記ピンのノーズ厚みｔｐ＝（Ｄｐ−Ｄｐｉｄ）/２と、０．７０＜ｔｂ/ｔｐ＜１．００なる関係を有する構造としたことを特徴とする油井管ケーシング用ねじ継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油井管ケーシング用ねじ継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
管用ねじ継手は、油井管など産油産業設備に使用される鋼管の接続に広く使用されている。オイルやガスの探索や生産に使用される鋼管の接続には、従来ＡＰＩ（米国石油協会）規格に規定された標準的なねじ継手が典型的には使用されてきた。しかし、近年、原油や天然ガスの井戸は深井戸化が進み、垂直井から水平井や傾斜井等が増えていることから、掘削・生産環境は苛酷化している。また、海洋や極地など劣悪な環境での井戸の開発が増加していることなどから、耐圧縮性能、耐曲げ性能、外圧シール性能（耐外圧性能）など、ねじ継手への要求性能は多様化している。そのため、プレミアムジョイントと呼ばれる高性能の特殊ねじ継手を使用することが増加しており、その性能への要求もますます増加している。
【０００３】
プレミアムジョイントは、通常、テーパねじ、シール部（詳しくはメタルタッチシール部）、ショルダ部（詳しくはトルクショルダ部）をそれぞれ備える、管端部に形成した雄ねじ部材（以下、ピンと呼ぶ）と該ピン同士を連結する雌ねじ部材（以下、ボックスと呼ぶ）とを結合した継手であり、油井管の両端にピンを設け、接続用筒（カップリングと称される）の両端にボックスを設けたカップリング形式と、油井管の一端にピン、他端にボックスを設けたインテグラル形式とがある。テーパねじは管継手を強固に固定するために重要であり、シール部はボックスとピンとがこの部分でメタル接触することでシール性を確保する役目を担い、ショルダ部は継手の締付け中にストッパの役目を担うショルダ面となる。
【０００４】
図３は、従来の油井管用プレミアムジョイントの模式的説明図であり、これらは、円管のねじ継手の管軸方向断面図である。ねじ継手は、ピン３とこれに対応するボックス１とを備えており、ピン３は、その外面に雄ねじ部７と、ピン３の先端側に雄ねじ部７に隣接して設けられたねじの無い長さ部分であるノーズ部８（ピンノーズ８）を有する。ノーズ部８は、その外周面にシール部１１を、その端面にはトルクショルダ部１２を有する。相対するボックス１は、その内面に、それぞれピン３の雄ねじ部７、シール部１１、およびショルダ部１２と螺合するか、または接触することができる部分である、雌ねじ部５、シール部１３、および、ショルダ部１４を有している。
【０００５】
図３の従来例では、シール部はピンノーズ８の先端部にあり、適正な締付けトルクを与えることにより、所望のシール性能（耐リーク性能）を実現できる。
【０００６】
締付けトルクは潤滑条件、表面性状等に影響されるので、これに大きくは依存しない設計として、シール接触圧力の半径方向成分を相対的に強くした半径方向シール方式がある。例えば、特許文献１には、大きなピンシールＲ形状を持ち、シールテーパ角を小さくした半径方向シール方式の例が開示されている。しかし、このようにシールテーパ角を小さくした、半径方向シール方式の問題点は、締付け時にゴーリングが発生し易い点にあり、特に、シール性能の確保およびシールの安定性を目的として、シール干渉量を大きくとる場合には、ゴーリングの発生のし易さは格段に大きくなる。
【０００７】
ここで、シール干渉量とは、ピンとボックスのねじ結合（ねじ締付け）の際に、ボックス側のノーズ部内周面と最初に接触するピン側のノーズ部外周面上の部位であるシールポイントが、ボックスで縮径されたとしたときの縮径量のことである。このシール干渉量は、ピンとボックスの図面同士をねじ結合時の配置状態となるように重ね合わせた際に形成するピンノーズとボックス内周部との重なり合った領域の、管径方向寸法の管軸方向分布データの最大値（前記重なり合った領域のシールポイントにおける管径方向寸法）に相当する。
【０００８】
図３におけるシール部１１、１３或いは上記半径方向シール方式（以下、ラジアルシール型ともいう）のシール部には、必要十分な圧力が負荷されることで、リークやゴーリングの発生しない健全なシール部が形成される。なお、１８はねじの荷重面、１９はねじの挿入面である。ねじの荷重面１８が管軸直交面となす角であるロードフランク角は、ねじの荷重面１８のねじ底側がねじ頂側よりもねじの先端側に位置する場合を負、その逆の場合を正、前記ねじ底側とねじ頂側が同じねじ軸（管軸）方向位置にある場合を０とする。ねじの挿入面１９が管軸直交面となす角であるスタブフランク角は、ねじの挿入面１９のねじ底側がねじ頂側よりもねじの先端側に位置する場合を正、その逆の場合を負、前記ねじ底側とねじ頂側が同じねじ軸（管軸）方向位置にある場合を０とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】実公昭６１−４４０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記プレミアムジョイントは、油井管におけるチュービング（原油や天然ガス等の流体である生産流体を通す管）だけでなく、ケーシング（チュービングの設置空間を囲ってチュービングを保護する管）にも適用される。チュービング用のねじ継手は、管内の生産流体が乱流となるのを極力防止するために、ピンとボックスのショルダ部位における内径同士を一致させて、継手の内面に段差を生じさせないようにしてある。ケーシング用のねじ継手においても、通常は、チュービング用と同様、ピンとボックスのショルダ部位における内径同士を一致させている。
【００１１】
しかし、ケーシングとチュービングの間の空間内には生産流体が存在せず、生産流体の流れが発生することはないので、ケーシング用ねじ継手においては、耐リーク性能や耐ゴーリング性能に支障がない限り継手の内面に段差があっても問題はないと考えられる。それどころか、むしろ積極的に段差を設けることで、ボックス材の肉厚を減じ、省資源化に寄与する可能性も考えられる。
【００１２】
本発明は、上述の事情に鑑み、油井管用ねじ継手の部材の省資源化に寄与しうる油井管ケーシング用ねじ継手を提供することを課題とした。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、上記の課題を解決するために、ケーシング用ねじ継手の内面側の段差の許容範囲について検討し、その結果、ボックスの内径をピンの内径よりも大きくし、ボックスのノーズ厚みがピンのノーズ厚みと特定の関係を有する継手構造とすることにより、耐リーク性能及び耐ゴーリング性能を低下させることなくボックス部材の肉厚を減じることができて、ねじ継手材の薄肉化による省資源化に寄与できることを見出し、本発明をなした。
【００１４】
すなわち、本発明は、雄ねじ部と、該雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部と、該ノーズ部の先端に設けられたショルダ部とを備えたピンと、
前記雄ねじ部とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部と、前記ピンのノーズ部外周面に相対するシール面と、前記ピンのショルダ部に当接するショルダ部とを備えたボックスとを有し、前記ねじ結合により前記ピンとボックスとが結合されてピンの前記ノーズ部外周面とボックスの前記シール面とがメタル‐メタル接触してシール部をなす油井管ケーシング用ねじ継手であって、
前記ボックスの内径Ｄｂｉｄが前記ピンのノーズ内径Ｄｐｉｄよりも大であり、かつ、前記ピンのシールポイントにおけるノーズ外径Ｄｐと前記Ｄｂｉｄから定まる前記ボックスのノーズ厚みｔｂ＝（Ｄｐ−Ｄｂｉｄ）/２が、前記Ｄｐと前記Ｄｐｉｄから定まる前記ピンのノーズ厚みｔｐ＝（Ｄｐ−Ｄｐｉｄ）/２と、０．７０＜ｔｂ/ｔｐ＜１．００なる関係を有する構造としたことを特徴とする油井管ケーシング用ねじ継手である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、油井管ケーシング用ねじ継手の薄肉化が可能となって省資源化が実現する。また、油井管ケーシング用ねじ継手のボックスの加工能率が向上する効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態を示す油井管ケーシング用ねじ継手の管軸方向断面図である。
【図２】ＦＥＡ計算で求めた、シリーズＡテストの締付け完了時のノーズ部付近の相当ひずみ分布を示す等ひずみ線図の例であり、（ａ）は従来例、（ｂ）は本発明例を示す。
【図３】従来の管用ねじ継手を示す管軸方向断面図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）におけるねじ部の拡大図、（ｃ）は（ａ）におけるピンノーズ付近の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
例えば図１に示すとおり、本発明の油井管ケーシング用ねじ継手は、雄ねじ部７と、該雄ねじ部７より管端側に延在するノーズ部８と、該ノーズ部８の先端に設けられたショルダ部１２とを備えたピン３を有し、かつ、前記雄ねじ部７とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部５と、前記ピン３のノーズ部外周面に相対するシール面と、前記ピンのショルダ部１２に当接するショルダ部１４とを備えたボックス１を有し、前記ねじ結合により前記ピン３とボックス１とが結合されてピン３の前記ノーズ部外周面とボックス１の前記シール面とがメタル‐メタル接触してシール部１１、１３をなすことを前提としている。
【００１８】
前記前提の下で、前記ボックス１の内径Ｄｂｉｄが前記ピン３のノーズ内径Ｄｐｉｄよりも大であり、かつ、前記ピン３のシールポイントｓｐにおけるノーズ外径Ｄｐと前記Ｄｂｉｄから定まる前記ボックス１のノーズ厚みｔｂ＝（Ｄｐ−Ｄｂｉｄ）/２が、前記Ｄｐと前記Ｄｐｉｄから定まる前記ピン３のノーズ厚みｔｐ＝（Ｄｐ−Ｄｐｉｄ）/２と、０．７０＜ｔｂ/ｔｐ＜１．００なる関係を有する構造とした。ここで、シールポイントｓｐとは、ピン３のノーズ部外周面内の点のうちねじ締付け時にボックス１の内周面と最初に接触する点のことである。
【００１９】
これにより、耐リーク性能や耐ゴーリング性能を維持しながらケーシング用継手のボックスの薄肉化が可能となり、省資源化が実現し、かつ薄肉化に伴いボックスの加工能率が向上する。
【００２０】
ボックスの内径Ｄｂｉｄがピンのノーズ内径Ｄｐｉｄ以下では、ボックスの薄肉化ができないため、ＤｂｉｄはＤｐｉｄよりも大とした。また、ボックスのノーズ厚みｔｂとピンのノーズ厚みｔｐの比ｔｂ/ｔｐが１．００以上では、ボックスの薄肉化ができないため、ｔｂ/ｔｐは１．００未満とするが、ｔｂ/ｔｐを小さくしすぎると、耐リーク性能が低下するため、ｔｂ/ｔｐは０．７０超とする。なお、好ましくは、ｔｂ/ｔｐ＝０．８０〜１．００である。
【００２１】
なお、耐リーク性能および耐ゴーリング性能を高位に保つ観点から、ねじ継手はラジアルシール型が好ましい。また、上記ｔｂ/ｔｐおよびｔｐ以外の継手形状諸元の好適範囲として、ピンノーズ外周面のシール部はトロイド状（円錐曲線回転面形状）で、このトロイド状の面の管軸方向断面における曲線は半径２５〜１０５ｍｍの円弧とするのが好ましい。また、ボックスの内周面のシール部は管軸に対して１０°以内の角度（シールテーパ角度）をなすテーパ面とするのが好ましい。また、前記シール干渉量（δと記す）は、ピンのシールポイントｓｐにおけるノーズ外径Ｄｐとの比（δ/Ｄｐ）が０．００２〜０．０２となる設定とするのが好ましい。
【００２２】
また、ねじ部については、ねじテーパ角＝１．５〜５．０°、ロードフランク角＝−５〜４°、スタブフランク角＝０〜３０°とするのが好ましい。
【実施例】
【００２３】
油井管ケーシング用の外径２４４．５ｍｍ、肉１３．８ｍｍの鋼管を接続するねじ継手を作成した。鋼管の材質は、ＡＰＩにて規定された降伏強度１２５ｋｓｉ級の鋼種Ｑ１２５である。ねじ継手は、ボックスの内径Ｄｂｉｄ、ピンのノーズ内径Ｄｐｉｄ、ボックスのノーズ厚みｔｂ、およびピンのノーズ厚みｔｐを、表１に示す複数通りに相違させた。なお、ピンのシールポイントにおけるノーズ外径Ｄｐは表１に示すとおりとした。
【００２４】
表１に示した以外の形状諸元は複数のねじ継手全部に共通とした。主なものとしては、ピンのノーズ部外周面のシール部がトロイド状（円錐曲線回転面形状）で、このトロイド状の面の管軸方向断面における曲線が半径５０ｍｍの円弧であり、ボックスの内周面のシール部は管軸に対して３°の角度（シールテーパ角度）をなすテーパ面であるラジアルシール型のねじ継手とし、シール干渉量（δ/Ｄｐ）は０．００４とした。なお、ねじ部については、ねじテーパ角＝１．８°、ロードフランク角＝−３°、スタブフランク角＝２０°とした。
【００２５】
これらのねじ継手を対象に、ＩＳＯ１３６７９に規定されているＭ＆Ｂ（Ｍａｋｅ  ａｎｄ  Ｂｒｅａｋ）テスト、および、気密性（耐リーク性能）を評価するシリーズＡテストを実施した。
【００２６】
Ｍ＆Ｂテストは耐ゴーリング性（耐ゴーリング性能）を評価するものであり、予めシール部、ねじ部に潤滑剤を塗布し、２０回以上の締付け締戻しで焼付きが生じない場合を良好（◎）、１０回〜１９回の締付け締戻しで焼付きが生じた場合を可（○）、５回〜９回の締付け締戻しで焼付きが生じた場合を不可（△）、４回までの締付け締戻しで焼付きが生じた場合を悪（×）として評価した。
【００２７】
シリーズＡテストは、１回の締付けを行なった後に実施し、シール失効有のものを×、シール失効無のものを○として評価した。シール失効はＩＳＯ１３６７９で規定された流体漏洩の基準値を元に判定される。なお、このシリーズＡテストでは、ロードスケジュールはＶＭＥ９５％とＡＰＩ Ｃｏｌｌａｐｓｅ圧により定義される。ただし、最大圧縮率（降伏応力ＹＳに対する負荷圧縮応力の比率）は製造者が任意に設定することになっており、ねじ継手の性能と顧客要求に応じて定めるものである。本テストでは、試験の最大圧縮率は８０％とした。
【００２８】
表１に耐リーク性能および耐ゴーリング性能の評価ならびに薄肉化の効果の有(○)無（×）を併せて示す。
【００２９】
表１に示されたとおり、本発明例（Ｄｂｉｄ＜Ｄｐｉｄ、かつ、ｔｂ/ｔｐ＝０．７０超１．００未満）は、従来例（Ｄｂｉｄ＝Ｄｐｉｄ）と同等の高い耐リーク性能および耐ゴーリング性能を有しており、本発明によれば、耐リーク性能および耐ゴーリング性能を低下させずにボックスの薄肉化を達成できることが分かる。
【００３０】
また、図２は、ＦＥＡ（有限要素解析）計算で求めた、シリーズＡテストの締付け完了時のノーズ部付近の相当ひずみ分布を示す等ひずみ線図の例であり、（ａ）は従来例、（ｂ）は本発明例（Ｎｏ．３）を示す。図２より、本発明例は、従来例とほとんど同じ相当ひずみ分布を呈することが分かる。
【００３１】
【表１】
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【符号の説明】
【００３２】
１  ボックス
３  ピン
５  雌ねじ部
７  雄ねじ部
８  ノーズ部（ピンノーズ）
１１、１３  シール部
１２、１４  ショルダ部
１８  ねじの荷重面
１９  ねじの挿入面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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