JP3858072B2 - ドリルパイプおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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（国際陸上掘削計画）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で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、制御圧延と直接焼入れー焼戻しを特徴とするため、製管後、両管端を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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ドリルパイプは、管体と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、厚肉鋼管に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に熱処理され、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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
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％を超え０．４０％以下、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％未満、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％を超え０．４０％以下、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％未満、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。
【００１４】
【発明の実施の形態】
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
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
Ｐは鋼の靭性を低下させ、また粒界に偏析して耐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
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
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０．０６〜０．０９％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
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％を超えて添加する。一方、Ｃ量が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
Ｐは、靭性を劣化させるため０．０１０％以下とする。
【００２９】
Ｓ
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
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％未満を添加する。
【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、焼入れ温度は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】
［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の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。ＡＳＴＭ Ｄ１１４１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】
【表１】

【００４８】
【表２】

【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】
【表３】

【００５６】
【表４】

【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】
【表５】

【００６０】
【表６】

【００６１】
【発明の効果】
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】
【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。
【符号の説明】
１ 管部体
２ 管部体
３ 雄螺条
４ 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

Claims (3)

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％を超え０．４０％以下、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％未満、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。
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。
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％を超え０．４０％以下、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％未満、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。

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