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図面 (4)

課題

本発明は、高強度で且つ耐SSC性耐遅れ破壊性に優れたドリルパイプ及びその製造方法を提供する。

解決手段

質量%で、C:0.20〜0.28%、Si:0.5%以下、Mn:0.7%以下、P:0.010%以下、S:0.002%以下、Cr:0.8〜1.2%,Mo:0.5〜0.8%、V:0.06〜0.09%、Nb:0.02〜0.04%、残部Fe及び不可避的不純物よりなる焼入れ焼戻し継目無鋼管と質量%で、C:0.30〜0.40%、Si:0.5%以下、Mn:0.6〜1.2%、P:0.010%以下、S:0.002%以下、Cr:0.8〜1.2%、Mo:0.15〜0.35%V:0.05%以下、Nb:0.04%以下、残部Fe及び不可避的不純物よりなる焼入れ焼戻し型ツールジョイントを備えたドリルパイプ。管体とツールジョイントを摩擦圧接し、圧接部は部分的に加熱により焼入れ焼戻しする。

概要

背景

深度掘削を行うためには、少なくとも耐力965MPa以上のドリルパイプの必要性が予測されているが、現在、石油生産の分野ではAPIS135(耐力931MPa以上)が最も強度が高く、科学探査を目的とした探査ではS140(耐力965MPa以上)がODP(国際深海掘削計画)で用いられ、U160(耐力1103MPa以上)がKTB(国際上掘削計画)で検討されたに過ぎない。

ドリルパイプを高強度化すると、破壊に対する抵抗力靭性)が低下し、特に使用環境中にH2Sが含まれる場合、硫化物応力腐食割れSSC)が懸念され、またH2Sが環境物質として存在しない場合であっても湿潤環境遅れ破壊を生じやすいとされている。

特開平11−61254号公報は耐SSC性に優れた降伏応力140〜155ksi(985〜1068MPa)級の高強度高耐食性継目無鋼管の製造方法に関するものであるが、制御圧延直接焼入れ焼戻しを特徴とするため、製管後、両管端アップセット加工するドリルパイプには適用し難い。

特開平6−320348号公報はチタン製ドリルパイプに関し、高価格のため、特殊な用途に限定される。

概要

本発明は、高強度で且つ耐SSC性、耐遅れ破壊性に優れたドリルパイプ及びその製造方法を提供する。

質量%で、C:0.20〜0.28%、Si:0.5%以下、Mn:0.7%以下、P:0.010%以下、S:0.002%以下、Cr:0.8〜1.2%,Mo:0.5〜0.8%、V:0.06〜0.09%、Nb:0.02〜0.04%、残部Fe及び不可避的不純物よりなる焼入れ焼戻し型継目無鋼管と質量%で、C:0.30〜0.40%、Si:0.5%以下、Mn:0.6〜1.2%、P:0.010%以下、S:0.002%以下、Cr:0.8〜1.2%、Mo:0.15〜0.35%V:0.05%以下、Nb:0.04%以下、残部Fe及び不可避的不純物よりなる焼入れ焼戻し型ツールジョイントを備えたドリルパイプ。管体とツールジョイントを摩擦圧接し、圧接部は部分的に加熱により焼入れ焼戻しする。

目的

本発明は、上述した特徴を有する管体とツールジョイントについて成分組成の観点から検討を行い、高強度(耐力965MPa以上)で且つSSC性や遅れ破壊など環境に起因する欠陥発生に優れた抵抗力を有し、大深度での掘削や地球深部探査に適したドリルパイプ及びその製造方法を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
0件

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請求項1

質量%で、C:0.20〜0.28%、Si:0.5%以下、Mn:0.7%以下、P:0.010%以下、S:0.002%以下、Cr:0.8〜1.2%,Mo:0.5〜0.8%、V:0.06〜0.09%、Nb:0.02〜0.04%、残部Fe及び不可避的不純物よりなる焼入れ焼戻し継目無鋼管と質量%で、C:0.30〜0.40%、Si:0.5%以下、Mn:0.6〜1.2%、P:0.010%以下、S:0.002%以下、Cr:0.8〜1.2%、Mo:0.15〜0.35%V:0.05%以下、Nb:0.04%以下、残部Fe及び不可避的不純物よりなる焼入れ焼戻し型ツールジョイントを備えたドリルパイプ

請求項2

請求項1記載のドリルパイプにおいて、ツールジョイントがダブルショルダーツールジョイントであることを特徴とする大深度掘削用ドリルパイプ。

請求項3

焼入れ焼戻し型継目無鋼管の両端に、焼入れ焼戻し型ツールジョイントを摩擦圧接し、その後該摩擦圧接部を焼入れ焼戻しするドリルパイプの製造において、前記ドリルパイプの鋼成分を質量%で、C:0.20〜0.28%、Si:0.5%以下、Mn:0.7%以下、P:0.010%以下、S:0.002%以下、Cr:0.8〜1.2%,Mo:0.5〜0.8%、V:0.06〜0.09%、Nb:0.02〜0.04%、残部Fe及び不可避的不純物とし、前記ツールジョイントの鋼成分を質量%で、C:0.30〜0.40%、Si:0.5%以下、Mn:0.6〜1.2%、P:0.010%以下、S:0.002%以下、Cr:0.8〜1.2%、Mo:0.15〜0.35%V:0.05%以下、Nb:0.04%以下、残部Fe及び不可避的不純物とすることを特徴とするドリルパイプの製造方法。

技術分野

0001

本発明は、ツールジョイントを備えたドリルパイプ及びその製造方法に関し、特に、大深度掘削による石油ガス採掘や、海洋掘削による地球探査に適したものに関する。

背景技術

0002

大深度の掘削を行うためには、少なくとも耐力965MPa以上のドリルパイプの必要性が予測されているが、現在、石油生産の分野ではAPIS135(耐力931MPa以上)が最も強度が高く、科学探査を目的とした探査ではS140(耐力965MPa以上)がODP(国際深海掘削計画)で用いられ、U160(耐力1103MPa以上)がKTB(国際上掘削計画)で検討されたに過ぎない。

0003

ドリルパイプを高強度化すると、破壊に対する抵抗力靭性)が低下し、特に使用環境中にH2Sが含まれる場合、硫化物応力腐食割れSSC)が懸念され、またH2Sが環境物質として存在しない場合であっても湿潤環境遅れ破壊を生じやすいとされている。

0004

特開平11−61254号公報は耐SSC性に優れた降伏応力140〜155ksi(985〜1068MPa)級の高強度高耐食性継目無鋼管の製造方法に関するものであるが、制御圧延直接焼入れ焼戻しを特徴とするため、製管後、両管端アップセット加工するドリルパイプには適用し難い。

0005

特開平6−320348号公報はチタン製ドリルパイプに関し、高価格のため、特殊な用途に限定される。

発明が解決しようとする課題

0006

ドリルパイプは、管体継手部品のツールジョイントで構成され、継目無管の両端部を増肉加工した管体の両端に、厚肉鋼管ネジ加工を施して製造されるツールジョイントを摩擦圧接して製造される。管体とツールジョイントはそれぞれ摩擦圧接前熱処理され、圧接後に圧接部を高周波加熱により部分的に熱処理する。

0007

ツールジョイントはドリルパイプの管体の両端部に摩擦圧接によって接合され、ドリルパイプのねじ継手用として厚肉のものを製造するためには、管体と同様に焼入れ焼戻しによる製造方法が適している。ただし、管体よりも厚肉で、ねじ形状を有する複雑な形状に加工するため水焼入れでは大きな歪を生じ、油焼入れが必要とされている。また、摩擦圧接部は高周波加熱炉を用いた焼入れ焼戻しを行い強度の調節を行うが、熱処理特性に管体との整合性が要求される。

0008

本発明は、上述した特徴を有する管体とツールジョイントについて成分組成の観点から検討を行い、高強度(耐力965MPa以上)で且つSSC性や遅れ破壊など環境に起因する欠陥発生に優れた抵抗力を有し、大深度での掘削や地球深部探査に適したドリルパイプ及びその製造方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0009

本発明者等は、耐力965MPa以上の高強度で耐SSC,耐遅れ破壊特性に優れたドリルパイプ管体及びツールジョイントに適した鋼成分について鋭意検討を行い、成分組成をCr−Mo−V−Nb複合添加系とし、均一マルテンサイト組織(APIに規定するマルテンサイト分率90%以上)を高温焼戻しして得られるミクロ組織とした場合、所望の特性が得られることを見出した。

0010

また、本発明に係るドリルパイプを地球深部探査船等の大深度掘削用ドリルパイプとして用いる場合、ツールジョイントとしてダブルショルダーツールジョイントが必要なことを新たに見出した。

0011

本発明は以上の知見を基に更に検討を加えてなされたもので、すなわち本発明は、
1. 質量%で、C:0.20〜0.28%、Si:0.5%以下、Mn:0.7%以下、P:0.010%以下、S:0.002%以下、Cr:0.8〜1.2%,Mo:0.5〜0.8%、V:0.06〜0.09%、Nb:0.02〜0.04%、残部Fe及び不可避的不純物よりなる焼入れ焼戻し型継目無鋼管と質量%で、C:0.30〜0.40%、Si:0.5%以下、Mn:0.6〜1.2%、P:0.010%以下、S:0.002%以下、Cr:0.8〜1.2%、Mo:0.15〜0.35%V:0.05%以下、Nb:0.04%以下、残部Fe及び不可避的不純物よりなる焼入れ焼戻し型ツールジョイントを備えたドリルパイプ。

0012

2. 1記載のドリルパイプにおいて、ツールジョイントがダブルショルダーツールジョイントであることを特徴とする大深度掘削用ドリルパイプ。

0013

3.焼入れ焼戻し型継目無鋼管の両端に、焼入れ焼戻し型ツールジョイントを摩擦圧接し、その後該摩擦圧接部を焼入れ焼戻しするドリルパイプの製造において、前記ドリルパイプの鋼成分を質量%で、C:0.20〜0.28%、Si:0.5%以下、Mn:0.7%以下、P:0.010%以下、S:0.002%以下、Cr:0.8〜1.2%,Mo:0.5〜0.8%、V:0.06〜0.09%、Nb:0.02〜0.04%、残部Fe及び不可避的不純物とし、前記ツールジョイントの鋼成分を質量%で、C:0.30〜0.40%、Si:0.5%以下、Mn:0.6〜1.2%、P:0.010%以下、S:0.002%以下、Cr:0.8〜1.2%、Mo:0.15〜0.35%V:0.05%以下、Nb:0.04%以下、残部Fe及び不可避的不純物とすることを特徴とするドリルパイプの製造方法。

発明を実施するための最良の形態

0014

ドリルパイプの管体及びツールジョイントの成分組成、製造条件について以下に詳細に説明する。

0015

1.管体

Cは強度、耐SSC及び耐遅れ破壊特性を確保するため、0.20%以上添加する。一方、ツールジョイントとの摩擦圧接部で焼戻し後適正な硬度が得られるように0.28%以下とし、0.20〜0.28%を添加する。

0016

Si
Siは脱酸のため、添加する。0.5%を超えると靭性が劣化するため0.5%以下とする。

0017

Mn
Mnは焼入れ性を高めるために添加するが0.7%を超えると耐SSC性が劣化するため0.7%以下とする。

0018


Pは鋼の靭性を低下させ、また粒界偏析して耐SSC性、耐遅れ破壊特性を劣化させるため0.010%以下とする。

0019


Sは鋼の靭性、特に圧接部の靭性を劣化させるため0.002%以下とする。

0020

Cr
Crは鋼の焼入れ性を高め、焼入れにより均一なマルテンサイト組織とするため添加するが、均一マルテンサイト組織を高温で焼戻した場合に優れた耐SSC性、耐遅れ破壊特性が得られるように0.8%以上添加する。

0021

一方、1.2%を超えると製造コストが増大し、靭性が劣化するため0.8〜1.2%(0.8%以上、1.2%以下)とする。

0022

Mo
Moは鋼の焼入れ性とともに、マルテンサイト組織の焼戻し軟化抵抗を高め、高温での焼戻しを可能とするため添加する。均一マルテンサイト組織を高温で焼戻した場合に優れた耐SSC性、耐遅れ破壊特性が得られるように0.5%以上添加する。一方、0.8%を超えると強度が過剰となるため、0.5〜0.8%とする。

0023


Vは焼戻し処理において炭化物微細析出し鋼の軟化抵抗を高めるため添加する。高温焼戻しで適正な強度が得られるように0.06〜0.09%を添加する。

0024

Nb
Nbは鋼の強度を高めると同時に結晶粒成長抑制により組織を微細化し靭性と耐SSC性、耐遅れ破壊特性を向上させるため0.02%以上添加する。一方、0.04%を超えるとその効果が飽和し、熱間加工疵を生じ易くなるため、0.02〜0.04%とする。

0025

2.ツールジョイント

Cは強度を高めるため添加し、油焼入れでも所望の強度が得られるように0.30%以上添加する。一方、0.400%を超えると、靭性が低下し、短時間加熱の焼戻し処理では圧接部の硬度制御が困難となるため、0.40%以下とする。

0026

Si
Siは脱酸のため添加する。一方、0.5%を超えて添加すると靭性が劣化するため0.5%以下とする。

0027

Mn
Mnは焼入れ性を高めるため添加する。厚肉材の油焼入れで所望する強度が得られるように0.6%以上とする。一方、1.2%を超えて添加すると靭性が劣化するため1.2%以下とする。

0028


Pは、靭性を劣化させるため0.010%以下とする。

0029


Sは靭性、特に圧接部の靭性を劣化させるため0.002%以下とする。

0030

Cr
Crは鋼の焼入れ性を高め、所望の強度を得るため0.8%以上添加する。一方、1.2%を超えると靭性が劣化するため0.8〜1.2%とする。

0031

Mo
Moは鋼の焼入れ性を高め、焼戻し後の強度を確保するため0.15%以上添加する。一方、0.35%を超えて添加すると、靭性が低下し、短時間加熱の焼戻し処理では圧接部の硬度制御が困難となるため、0.35%以下とする。

0032


Vは焼戻し処理において炭化物を微細析出し鋼の軟化抵抗を高めるため添加する。高温焼戻しで適正な強度が得られるように0.05%以下を添加する。

0033

Nb
Nbは鋼の強度を高めると同時に結晶粒の成長抑制により組織を微細化し、靭性と耐SSC性、耐遅れ破壊特性を向上させるため添加するが、0.04%を超えるとその効果が飽和し、熱間加工疵を生じ易くなるため、0.04%以下とする。

0034

製造条件
管体は焼入れ焼戻し型継目無鋼管を用いるが継目無鋼管の鋼管成形方法は特に規定しない。管体及びツールジョイントの熱処理は焼入れ焼戻しとする。

0035

焼入れは均一なマルテンサイト組織が得られるように熱処理条件を規定し、焼戻しは所望の強度が得られるように適宜条件を設定する。なお、焼入れ温度Ac1変態点以上でかつ結晶粒が粗大化しない950℃以下が好ましい。

0036

本発明によるドリルパイプは、ツールジョイントのねじ継手の形状によらず、優れた耐SSC性、耐遅れ破壊特性が得られ、特にねじ継手の形状は規定しないが、最大ドリルストリング長10、000mでの地層掘削と孔底からのコア採取を目的とする地球深部探査用途またはこういった石油ガス深部掘削用途には図1に示すダブルショルダージョイントの必要なことが見出された。

0037

[実施例1]本実施例ではドリルパイプ管体の耐遅れ破壊特性、耐SSC性、靭性及び圧接部の硬さについて説明する。表1に管体とした供試鋼化学成分および上記諸特性を示す。

0038

供試鋼PB1〜10は、真空溶解炉にて溶製後、熱間圧延により板厚20mmの鋼板とした後、2回焼入れ焼戻し(焼入れ温度940℃)により、耐力を1000〜1100MPaとした。

0039

PB11、PB12は外径127mm,肉厚9mmの鋼管とした後、焼入れ焼戻し処理を行ったものである。

0040

得られた鋼材について引張試験シャルピー衝撃試験(PB11,12は幅7.5mmその他は幅10mmの2mmVノッチ試験片)、遅れ破壊試験、SSC試験及び圧接部の硬さ試験を実施した。

0041

遅れ破壊試験は3.5%NaCl溶液中で疲労予き裂付き試験片(10×15×150mm)に曲げモーメントを加えて静置し、破断までの時間で評価した。曲げモーメントとき裂長さによって応力拡大係数KIssc)を求めた。

0042

耐SSC性は、NACETM0177−96による定荷重タイプの試験で試験環境のみを変更して評価した。ASTMD1141にしたがって作成した人工海水に7%H2S−N2balの混合ガスを試験中連続的に通気し、試験環境とした。

0043

試験は負荷応力を変え、720時間以内で破断しない最大の応力を求め、その応力と耐力との比(σth)を求めた。

0044

圧接部の硬さ試験は、各鋼材よりΦ14mm×100mmLの丸棒切り出し、摩擦圧接後、圧接部を高周波熱処理により940℃×2分で加熱後急冷の後、660℃×3分で加熱後急冷して断面において硬さ試験を行った。

0045

硬さは圧接線より10mmの位置での値を表示した。

0046

表より明らかなように本発明例(PB1〜PB5)はいずれの特性でも優れた値を示している。一方、比較例(PB6〜PB12)では比較例PB12を除いて−20℃のシャルピー吸収エネルギーは100J以下で、100J以上となるものもKIsscが100MPa√m以上およびσthが50%以上となるものはない。

0047

0048

0049

[実施例2]本実施例ではツールジョイントの強度、靭性及び圧接部の硬さについて説明する。表2に管体とした供試鋼の化学成分および上記諸特性を示す。

0050

供試鋼は、真空溶解炉で溶製後、熱間圧延により板厚20mmの鋼板とした。その後、焼入れ焼戻し(焼入れ温度920℃)により耐力1000〜1500MPaとなるように調整した。

0051

圧接部の硬さ試験は、各鋼材よりΦ14mm×100mmLの丸棒を切り出し、摩擦圧接後、圧接部を高周波熱処理により940℃×2分で加熱後急冷の後、660℃×3分で加熱後急冷して断面で硬さ試験を行った。

0052

硬さは圧接線より10mmの位置での値を表示した。

0053

表2より、比較例TJ2,3では、−20℃での吸収エネルギーは100J以下と低く、100J以上のもの(比較例TJ4)でも、圧接部硬さは40以上と高硬度であった。

0054

一方、本発明例(TJ1)では、高強度、高靭性且つ低硬度なことが確認された。

0055

0056

0057

[実施例3]本実施例では、表3に示す管体(外径140mm,肉厚13mm)とツールジョイントを組み合わせ、ドリルパイプとした。管体,ツールジョイントはいずれも本発明の実施例で、それらの組み合わせは、管体DPB1とツールジョイントDPT1,管体DPB2とツールジョイントDPT2とした
ドリルパイプの管体とツールジョイント圧接部の硬さ試験結果を図2、3に示す。圧接部に硬化は認められず、高強度ドリルパイプとして優れた特性が確認された。

0058

尚、表3中に示す強度、靭性などは、管体、ツールジョイント個々の特性を示すもので、各試験方法は実施例1に準拠して行った。いずれも優れた特性が得られている。

0059

0060

発明の効果

0061

本発明によれば、高強度(耐力965MPa以上)で且つ耐SSC性、耐H2S性に優れたドリルパイプが得られ、大深度での石油・ガスの掘削が安定して行えるとともに、そのツールジョイントをダブルショルダーツールジョイントとした場合、地球深部探査船等の大深度掘削用途に適用することが可能となり、産業上極めて有用である。

図面の簡単な説明

0062

図1ダブルショルダーツールジョイントの接続部構成の一例を示す部分断面図。
図2本発明の一実施例のドリルパイプの圧接部硬さ分布を示す図。
図3本発明の一実施例のドリルパイプの圧接部硬さ分布を示す図。

--

0063

1 管部体
2 管部体
3 雄螺条
雌螺条
5 外面肩部
6 管部体の端部
7 管部体先端部
8 管部体内面肩部

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