JP6496310B2 - ドリルパイプの据え込み鍛造プロセス - Google Patents

Description

本発明は、全般的には、ドリルパイプを形成するために金属管の両端の内側及び外側を据え込み加工するプロセス、特に、金属管が据え込み加工された水平方向掘削ドリルパイプ部分を形成するのに使用される、プロセスに関する。

対象となるタイプのドリルパイプを形成するのに使用される金属管は、目的の用途に応じて、外側据え込み、内側据え込み、または外側内側の両側の据え込み加工がなされた金属管両端を有する場合がある。従来の油田ドリルパイプと、いわゆる「水平方向掘削（ＨＤＤ）」ドリルパイプとの間には根本的な違いがある。今日では、大半の油田ドリルパイプは、例えば、工具継手に溶着させるためにできる限り最も厚い壁にするために、内側および外側の両側の据え込み加工がなされる。水平方向掘削（ＨＤＤ）ドリルパイプは、一般に、油田ドリルパイプに比べて短く、直径が小さい。また、ＨＤＤドリルパイプの場合、両端は、工具継手に溶着されずに、直接機械加工される場合がある。そのため、ＨＤＤドリルパイプの据え込み領域は、油田ドリルパイプの据え込み領域に比べて、比較的長くなる傾向がある。例えば、典型的な従来のＨＤＤドリルパイプの部分は、パイプ部分の全長に比べて比較長い（例えば、９インチの長さ）ピン状端部を有する約１０フィートの長さとしてよい。

一般には、２つの主な金属管の据え込み鍛造プロセス、つまり、機械的衝撃プロセスと油圧据え込み鍛造プロセスとがある。衝撃プロセスは、金属管の端部を加熱することによって行われ、パイプ端部の据え込み部を形成するのに衝撃パンチが使用される。ドリルパイプの場合、据え込み領域は、その後、最終製品にするためにねじ切りされる。この衝撃プロセスは、長年にわたって、油田およびＨＤＤの業界で使用されてきた。しかし、ＨＤＤ製品を製造するための衝撃プロセスの主な欠点は、据え込み部を形成するのに使用されるプロセスが衝撃を加える性質を有することから、この方法は比較的大きな内径の管に限定されるという点である。管の直径が小さくなるほど、衝撃パンチを破損させやすくなり、他の問題を発生させる傾向がある。これらの欠点により、ＨＤＤドリルパイプの製造業者は、特定の比較的小さい内径のＯＥＭねじ設計（例えば、Ｄｉｔｃｈ Ｗｉｔｃｈ（商標）ねじ、または一般的なＩＦ（商標）ねじ）のねじ切り加工を行うことができない。

他の金属管据え込み鍛造プロセスには、据え込み部を形成するのに低速で均一な油圧を使用するプロセスがある。金型を開閉して鍛造力を付与するのに油圧式に作動する、いわゆる「密閉金型」鍛造機が知られている。一般に、金型は閉位置と開位置（最終部品が取り出され、次の作業のために次のブランクが挿入される位置）との間で十分な距離を移動する必要があるので、大きな油圧ポンピング能力が必要である。密閉金型鍛造方法は、金属部品鍛造のいくつかの業界で使用されているが、この方法は、本出願人の知る限りでは、ＨＤＤ用パイプ業界ではこれまで使用されていない。

本発明の目的は、据え込み端部を有するＨＤＤドリルパイプを形成する際に衝撃鍛造方法を使用することに関して上述した特定の欠点を克服することである。

本発明の別の目的は、従来衝撃鍛造方法を使用して実現されていた場合に比べて、ねじ切り据え込み領域が比較的小さい内径であるＨＤＤ製品の製造に密閉金型鍛造方法を適応させることである。

本発明の方法では、内側及び外側が据え込み加工されたパイプ端部を有するＨＤＤドリルパイプを製造するのに密閉金型鍛造方法が使用される。据え込み外径および据え込み内径（据え込み内径の一部は後で内側ねじ穴を形成するのにねじ切りされる）を有するパイプ端部を形成するのに、油圧鍛造プレスを使用して油圧が加えられる。内側ねじ穴の領域の内径に対する外径の比率は、約３．０より大きく、好ましくは、約３．５以上である。鍛造は、未加工の管端部を加熱し、油圧プレスの均一および低速の油圧を使用することにより行われ、据え込み部が形成される。一般的な操作では、鋼管の一端は、据え込みおよびプレスすることによって加工されて、据え込み鍛造によって成形された外側テーパ面を有する外側据え込み部が形成される。次に、外側据え込み部は、内側テーパ面を有する内側据え込み部に向かって外側テーパ面を移動させるように内側据え込み金型によってプレスされる。その後、内側据え込み金型によって内側据え込み鍛造が施され、そのことにより所望の長さの内側テーパ面、および内側テーパ面を有する部分の始点となる屈曲部が形成される。

密閉金型鍛造方法を使用することにより、パイプ端部の据え込み領域内の内径が非常に小さいＨＤＤ製品を形成することができ、製造業者は当業界で一般的に見られる全てのタイプのねじ接続部をねじ切りすることができる。新規なＨＤＤドリルパイプ製品は、従来の製造技術を使用して製造することができない寸法を有する。例えば、パイプのピン状端部の外側据え込み領域は、先行技術のパイプの据え込み部が９インチにあるのに対して、約４．７インチの長さである場合がある。内径は、先行技術の衝撃鍛造パイプ端部の内径が１．２５インチであるのに対して、約わずか０．８７５インチである場合がある。本発明のプロセスにより、製造業者は比較的厚い据え込み部を形成することができ、この場合、内径に対する外径の比率は、約３．５以上である。

本発明のさらに別の目的、特徴、および利点は、以下の説明に中で明らかになるであろう。

本発明を実施するのに使用されるタイプの密閉金型鍛造機の概略斜視図である。 単純な密閉金型鍛造操作で使用されるステップの簡略図である。 単純な密閉金型鍛造操作で使用されるステップの簡略図である。 単純な密閉金型鍛造操作で使用されるステップの簡略図である。 単純な密閉金型鍛造操作で使用されるステップの簡略図である。 典型的な外側内側据え込み加工のパイプ端部を形成するのに使用されるステップの４分の１の断面図である。 典型的な外側内側据え込み加工のパイプ端部を形成するのに使用されるステップの４分の１の断面図である。 典型的な外側内側据え込み加工のパイプ端部を形成するのに使用されるステップの４分の１の断面図である。 典型的な外側内側据え込み加工のパイプ端部を形成するのに使用されるステップの４分の１の断面図である。 本発明の方法で使用される未加工管の図である。 本発明の密閉金型鍛造プロセスに関わる第１のステップを示した図である。 本発明を実施するのに使用される密閉金型鍛造プロセスにおける次の製造ステップを示した図である。 本発明の方法を使用して製造されたＨＤＤドリルパイプの部分側断面図であり、その新規な特徴を示した図である。

以下の説明で示されている本発明の好適な形態、さらに本発明のさまざまな特徴および利点は、非限定的な例を参照して、以下の説明で詳述されるように、さらに十分に説明されている。周知の構成部品およびプロセスおよび製造技術の説明は、本明細書で説明されている本発明の主な特徴を不必要に不明瞭にすることがないように省略されている。後述する説明の中で使用される例は、単に、本発明を実施する方法を理解しやすくして、さらに当業者が本発明を実施することができるようにするためのものである。したがって、以下の例は、本発明の請求の範囲を制限するものと解釈すべきでない。

本明細書の背景技術の部分で簡単に説明されているように、水平方向掘削（ＨＤＤ）ドリルパイプは、いくつかの点で、油田（石油およびガス）ドリルパイプと異なる。Ｗｉｋｉｐｅｄｉａ（登録商標）は、傾斜掘削（非垂直坑井または孔の掘削作業）の定義を、（１）油田用傾斜掘削、（２）公共設備用傾斜掘削（ＨＤＤ）、（３）一般に、石油製品を抽出するための垂直坑井ターゲットを横断する傾斜ボーリングの３つの主なグループに分けている。「非開削技術」とは、一般に、ほとんど開削する必要がなく、または連続開削する必要がなく、建設業および土木工事業の成長部門である地下建設作業に関連した一種のＨＤＤ技術のことである。「非開削技術」は、地表の交通、ビジネス、および他の活動の大きな混乱を伴わずに既存の地下インフラを新たに設置または交換または修理するのに使用することができる一群の方法、材料、および設備として定義することができる。非開削建設は、トンネル掘削、マイクロトンネル掘削（ＭＴＭ）、水平方向ボーリングとしても知られている水平方向掘削（ＨＤＤ）、パイプラミング（ＰＲ）、パイプジャッキング（ＰＪ）、モーリング（ｍｏｌｉｎｇ）、水平方向オーガーボーリング（ＨＡＢ）、および最小限の掘削で地下にパイプラインおよびケーブルを設置するための他の方法などの工法を含む。

背景技術のセクションで簡単に説明したように、非開削水平方向掘削作業と従来の油田掘削作業とは異なるので、ＨＤＤドリルパイプは、油田ドリルパイプより短く、直径が小さくなる傾向がある。一般に、油田ドリルパイプが工具継手に溶着させるために内側外側の両方が据え込み加工されるのに対して、ＨＤＤドリルパイプ端部は、一般に、工具継手に溶着させずに、直接機械加工が施される。したがって、ＨＤＤパイプの据え込み領域は、油田ドリルパイプの据え込み領域に比べて、比較的長くなる傾向がある。上述したように、典型的なＨＤＤパイプ部分は、例えば、パイプ部分の全長に比べて比較的長い（例えば、約９インチの長さ）ピン状端部を有する約１０フィートの長さである。

本発明の主な目的は、据え込み端部を有するＨＤＤドリルパイプを形成する際に衝撃鍛造方法を使用することに関して上述した特定の欠点を克服することである。衝撃鍛造方法は、工具継手が溶着される油田ドリルパイプの場合は満足のいく結果が得られる場合があるが、非開削作業（特に、小さい内径のパイプが関係する）で使用されるタイプのＨＤＤドリルパイプを製造する際に、さまざまな不利益を生じる。したがって、本発明は、従来の衝撃鍛造方法で実現されていた場合に比べて、ねじ切りされた据え込み領域が比較的小さい内径を有するＨＤＤ製品を製造するために、衝撃鍛造方法ではなく密閉金型鍛造方法を使用した改良製造プロセスを提供することに関する。

図１を参照すると、図１には、本発明を実施するのに使用されるタイプの油圧式密閉金型鍛造プレスが簡略化した形で示されている。図１は、密閉金型鍛造方法を実施するのに使用される主要な部品を簡略化した形で示したに過ぎない。該プレスの構造および動作は、例えば、米国特許第４８４５９７２号明細書（Ｔａｋｅｕｃｈｉら）、米国特許第５１８４４９５号明細書（Ｃｈｕｎｎら）、および国際公開第２０１２／１５０５６４号パンフレット（Ｃａｍａｇｎｉ）に記載されており、いくつかの例が示されている。従来の油圧プレスは、長手方向軸を画定する支持構造体を備え、据え込み加工される「未加工パイプ」もしくは「管」は長手方向軸に沿って配置される。未加工管は、据え込み加工される端部が室温から一定の温度（例えば、１２００℃）まで数分間加熱された後に、プレスに挿入される。パイプは、プレスに挿入された後、長手方向軸に沿った所定位置でパイプを維持する係止手段によって固定される。

据え込み加工される端部は、据え込み材料のための完全な金型セットを形成する一対となる半金型間で密閉される。この点に関して、据え込みは、パイプの据え込み加工される端部に軸方向に入り込むパンチまたはマンドレルの動作によって行われる。特に、パンチは、第１のテーパ部を有し、その大きい方の直径はパイプの内部空洞の直径にほぼ等しい、またはパイプの内部空洞の直径より小さく、またパンチは、第２のテーパ部を有し、第２の直径部分はパイプの内径より大きく、据え込み加工されるパイプの外径にほぼ等しい。第２の円筒状部が端部に貫通することにより、金型の形状に合わせて再配置された加熱済み金属材料が局部的に圧縮される。半金型の係止手段は、パンチ貫通の間、半金型を正確な位置で維持できるようにする。パンチの動作は、通常、機械加工されるパイプが挿入され引き抜かれる側と反対側のプレスの第２の側で動作するピストンによって作動される。

実際の据え込み操作は、１つまたは複数のステップから成る場合がある。１ステップ操作の場合、据え込みは、１つの金型と、加熱後の１つのパンチの１回の貫通とによって完成される。２ステップ操作の場合、据え込みプロセスは、第１の金型と第１のパンチとを使用して行われる第１の据え込み、および第１の据え込みの直後に第１の金型と異なる第２の金型と第１のパンチと異なる第２のパンチとを使用して行われる第２の据え込みを含む。用途に応じて、未加工パイプは、同じ端部の第３の据え込み、すなわち、３つのステップが必要になる場合があり、通常、１つまたは複数のステップは、２回目に据え込み加工される端部を加熱した後に行われる。

従来の油圧据え込みプレスでは、金型は、プレスの支持構造体に剛性接続された適切な金型保持手段によって支持される。これらの金型保持手段は、据え込み加工される端部の周囲にある密閉位置と、半金型が分離される開放位置との間で半金型を移動させることにより冷却および潤滑が可能になる。この半金型の開放状態で、パイプはプレスに出入りすることができる。ほとんど全ての場合において、半金型はさらに開放位置でもプレスの支持構造体の実質的に内側の位置を維持する。

図１は、上述の国際公開第２０１２／１５０５６４号パンフレットに記載されている既知のタイプの典型的な２ステップ式据え込みプレス１１を示した図である。プレス１１は、プレスの長手方向軸１９に平行な縦梁１７によって接続される一対の横材１３、１５によって形成される支持構造体を備える。プレス１１は、第１のアーム２３によってそれぞれ支持される一対となる上部半金型２１を備え、第１のアーム２３は、上部半金型２１を密閉状態と開放状態との間で移動させるために、プレスの長手方向軸１９上の定位置で接続された回転軸を中心として回転する。該プレス１１はさらに、第２のアーム２７によって支持される一対となる下部半金型２５を備え、第２のアーム２７は、下部半金型２５を密閉位置と開放位置との間で移動させるために、プレス１１の長手方向軸１９上の定位置で接続された回転軸を中心として回転する。

図１Ｂ〜図１Ｅは、プレス部品の動作を概略的に示した図である。図１Ｂは、未加工パイプ２９の端部、上部半金型２１、下部半金型２５、クロスヘッド部品、および管の内径を形成するのに使用されるマンドレルもしくはパンチ３５を示している。図１Ｃでは、未加工管２９は、加熱されており、上部半金型２１および下部半金型２５によって係合されている。図１Ｄは、クロスヘッド部品３３が係合した状態を示している。図１Ｅでは、管２９の内径を形成するためにパンチ３５が使用されている。

本発明を実施するのに適した実際の機械は、ＳＭＳ Ｍｅｅｒ Ｇｒｏｕｐ（２１０ Ｗｅｓｔ Ｋｅｎｓｉｎｇｅｒ Ｄｒｉｖｅ，Ｓｕｉｔｅ ３００，Ｃｒａｎｂｅｒｒｙ Ｔｏｗｎｓｈｉｐ，ＰＡ １６０６６）からＳＭＳ Ｍｅｅｒ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｕｐｓｅｔｔｅｒ（商標）として市販されている。この機械は、誘導加熱ユニットおよび把持装置を含む完全な据え込み鍛造機パッケージとして提供されている。この機械は、８００ＫＷの加熱ユニットを使用して、およそ１時間当たり５０本の管端部（１つの部品につき３回の据え込み作業をするとして）を製造することができる。機械は、中央に配置された管締め付け装置および可変ストローク部を有し、これらは共に、機械的据え込み鍛造機に比べると、耐衝撃性の改善に寄与する。さらに、半径方向フィンが形成されず、したがって、追加の研削が必要でなくなる。

さらに図１Ａ〜図１Ｅを参照すると、典型的な密閉金型鍛造操作では、未加工管は、パイプ把持装置によって、例えば、機械の右手側に配置され、例えば、３つの誘導加熱コイルを通過する。その後、未加工管は、トングによって集められ、機械の中心線へと移動される。トングは、その後、パイプを油圧据え込み鍛造機の金型の中に入れる。鍛造が行われた後、トングはパイプを金型から取り外す。部品が完成した場合、部品は冷却コンベヤへと移送される。さらに鍛造加工が必要である場合には、トングはパイプを再加熱するためにパイプを加熱コイルに戻し、それと同時に、機械は最終の鍛造加工のために別の組の工具の向きをラインに向ける。部品は、その後、最終鍛造加工されて、コンベヤに載せられる。

図２Ａ〜図２Ｄは、上記の米国特許第５１８４４９５号明細書に示されているような内側外側据え込み加工によってパイプ端部を形成するのに使用される実際のステップを示した図である。図２Ａは、方法の第１のステップを示しており、第１のステップでは、管３０の端部が金型３２およびマンドレル３４を使用して外側据え込み加工される。この第１のステップでは、管端部に隣接する管壁の円筒状部分３６の厚さは増加し、大きい直径の円筒状部分３６と管との間の移行部分を形成するように円錐状部分３８が形成される。図２Ｂに示されている第２のステップでは、金型４０がマンドレル４２と結合して、円筒状部分３６の厚さを増加させ、さらに円錐状部分３８のテーパ角を増加させる。

第２のステップの後、管の端部は、元の鍛造温度（約華氏２２００度）まで再加熱され、その後、プロセスの第３のステップを受ける。図２Ｃに示されているように、この第３のステップでは、金型３２（第１のステップで使用されたのと同じ金型）のみを使用して、ステップ１およびステップ２で外側に動いた金属を内側にプレスする。しかし、金型が密閉される前に、管は円筒状部分３６および円錐状部分３８を金型の円筒状部分に位置決めするために軸方向右側に移動される。このことにより、円筒状部分３６の内径および外径より小さい内径および外径を有する円筒状部分４４と、円筒状部分４４の内側壁と据え込み加工されていない管壁との間に伸びる長い内側テーパ面を有する円錐状部分４６とが形成される。

図２Ｄに示されている最後の第４のステップでは、マンドレル４８が第４のステップの金型４８と結合して円筒状部分４４を短くして、円筒状部分４４より厚い壁および円筒状部分４４より小さい内径を有する円筒状部分５０および円錐状部分４６より長い内側テーパ面を有する円錐状部分５２を形成する。

上記説明は、油田パイプの外側内側据え込み端部を有する部分に関して説明したものである。しかし、油田パイプ用に示されている据え込み領域の寸法は、ＨＤＤの用途には適していない。図３Ａ〜図３Ｃは、比較的小さい直径のＨＤＤドリルパイプを製造するために油圧密閉金型鍛造方法を使用して得られた結果を示した図である。「比較的小さい直径」とは、約１．５インチ未満の内径を意味する。

図３Ａは、加熱前の未加工管を示した図である。図３Ｂは、第１の据え込み部を形成するために管が加熱され、その後、第１の組の金型の中に配置された結果を示した図である。第１の組の金型によって形成された面は、番号５４、５６でそれぞれ示されている。第１のマンドレルによって形成された面は、番号５８で示されている。図３Ｃは、第２の据え込み部を形成する第２の組の金型によって形成された面を番号６０、６２でそれぞれ示した図である。第２のマンドレルによって形成された内側面は、番号６４で示されている。

図３Ｃを参照すると、比率Φ_Ａ／Φ_Ｂは、パイプの内側ねじ穴の領域の内径に対する外径の比率である。比較的長い据え込み部の典型的な機械的パンチ鍛造操作では、Φ_Ａ／Φ_Ｂの比率が約３．５未満、例えば、場合によって、２．４である場合に、満足のいく結果が得られることは理解されるであろう。本発明の密閉金型鍛造方法は、Φ_Ａ／Φ_Ｂの比率が２．５より大きい、好ましくは、３．０より大きい、最も好ましくは、約３．５であり、場合によっては、さらにそれ以上である場合に、比較的長い据え込み部を製造することができる。比較的「長い」据え込み部とは、図３Ｃ内の長さＤが長さＥの３０％を超える長さのことである。

図４は、本発明の方法に従って形成されたＨＤＤドリルパイプの実際の鍛造部の断面図である。後でねじ切りされる内径の領域は、図４では、Φ_Ｂで示された領域である。例示的な寸法は、以下の表Ｉに示されている。

上述の例のΦ_Ａ／Φ_Ｂの比率は、「約」もしくはおよそ３．５である、すなわち、３．４３であることに留意されたい。これが、「約３．５」の記述から本出願人が意図することである。いずれにせよ、本発明の方法によって実現される比率は、上述の例で示されているように、約２．４である先行技術の比率よりも大きくなる。この例は、特定のＨＤＤドリルパイプに適用した場合の本発明の方法の原理を説明するための例に過ぎないことは理解できるであろう。しかし、特定の寸法は、製造される特定のＨＤＤドリルパイプに応じて変化することになる。

本発明は、複数の利点を有する。本発明の密閉金型鍛造方法は、ＨＤＤドリルパイプ、特に、比較的小さい内径を有するパイプを形成する改良方法を提供する。３／４インチ未満の内径は、製造設備を解体および損傷することなく実現可能である。製造の自動化により、およそ１時間当たり５０本のパイプ端部（１つの部品につき３回の据え込み作業をするとして）を製造することができる。密閉金型鍛造機は、中央に配置された管締め付け装置および可変ストローク部を有し、これらは共に、機械的据え込み鍛造機に比べると、耐衝撃性の改善に寄与する。さらに、半径方向フィンが形成されず、したがって、追加の研削が必要でなくなる。本発明の改良プロセスは、より厚い据え込み部を製造することができ、内径に対する外径の比率は約３．５、またはそれ以上とすることができる。据え込み部内側をより小さい直径にすることができるので、ＨＤＤドリルパイプ製造業者は、現在、従来の機械的衝撃鍛造作業では実現不可能な継手を含む全てのタイプの必要な継手をねじ切りすることができる。

本発明は、１つの形態のみ示されているが、本発明はこの形態に限定されず、本発明の精神から逸脱せずに種々の変更および修正が可能である。

Claims (3)

1. 内側及び外側が据え込み加工されたパイプ端部を有する非開削水平方向掘削ドリルパイプ部分を鍛造パイプとして形成する形成方法であって、
   未加工パイプの対向するパイプ端部を有する部分を提供し、前記パイプ端部のうちの少なくとも選択された一方を所定の鍛造温度まで加熱するステップ、
   外側テーパ面を有する外側据え込み部を形成するために、前記選択されたパイプ端部を据え込み加工してプレスするステップ、
   前記外側テーパ面を移動させて内側テーパ面を有する内側据え込み部を形成するために、内側据え込み金型を使用して前記外側据え込み部をプレスするステップ、および
   最終部品を製造するために、内側据え込み金型を使用して前記据え込み部を内側に据え込み鍛造するステップを含み、
   前記プレスするステップは、据え込み外径および据え込み内径を有するパイプ端部を形成するために、油圧鍛造プレスを使用して油圧を加えることによって行われ、前記据え込み内径の一部は、内側ねじ穴を形成するために実質的にねじ切りされ、前記内側ねじ穴の領域の前記内径に対する前記外径の比率が約３．５以上であるとともに、
   据え込みパイプの端部は、略均一な内径の第１の内径と、第２の広がった内径と、外側据え込み長さとを有し、前記第１の内径の長さは、前記外側据え込み長さの３０％より長い、
   形成方法。
2. 前記据え込みパイプの端部の前記第１の内径は、１．２５インチ未満である、請求項１に記載の形成方法。
3. 前記据え込みパイプの端部の前記第１の内径は、約０．８７５インチである、請求項２に記載の形成方法。