JP2002115028A - コラプス強度に優れた油井用鋼管およびその判断方法 - Google Patents

コラプス強度に優れた油井用鋼管およびその判断方法

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JP2002115028A
JP2002115028A JP2000310834A JP2000310834A JP2002115028A JP 2002115028 A JP2002115028 A JP 2002115028A JP 2000310834 A JP2000310834 A JP 2000310834A JP 2000310834 A JP2000310834 A JP 2000310834A JP 2002115028 A JP2002115028 A JP 2002115028A
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collapse
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Hiroaki Masatomo
弘明 政友
Toshiharu Abe
俊治 阿部
Shigeru Nakamura
茂 中村
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Nippon Steel Corp
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Sumitomo Metal Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】優れたコラプス強度の油井用鋼管を安定して提
供することができる。 【解決手段】(1) 降伏応力YSが552MPa(80ksi)以上で
ある油井用鋼管であって、0℃におけるL方向吸収エネ
ルギーE(J)が下記(a)式を満たすことを特徴とする
コラプス強度に優れた油井用鋼管である。 E ≧ −0.4169 × YS + 480 ・・・
(a) (2) 製造された鋼管の引張試験およびシャルピー衝撃試
験結果に基づいてコラプス強度に優れた油井用鋼管に合
致するか否かを判断する方法である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、石油或いは天然ガ
ス生産用井戸の掘削においてケーシングとして用いられ
る鋼管のように、外部からの圧力によって圧壊の恐れが
ある環境で使用されるコラプス強度(圧壊に耐える強
度)に優れた油井用鋼管、およびその鋼管に合致するか
否かを判断する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】最近では石油或いは天然ガス生産用井戸
(以下、単に「油井」という)は、その深さが数千メー
トルにも及ぶような高深層化とともに、その使用環境は
年々厳しくなっている。このような油井に埋設されて使
用される管材、すなわち油井管には、その用途に応じて
チュービング、ケーシング、ドリルパイプ等の管種が適
用されている。
【0003】なかでも、油井の崩壊を防止し、または地
層と油井とを遮断するために用いられるケーシングは、
通常、地中において外面から強い圧力が作用しているこ
とから、外圧に起因する圧壊に耐え得るコラプス強度を
有することが必要となる。
【0004】従来から、油井用鋼管のコラプス強度に影
響を及ぼす要素について多くの研究がなされており、管
の強度(降伏応力)や管寸法(外径/肉厚比等)がコラ
プス強度に相関を示すことが報告されている。
【0005】その後の研究として「圧力技術、第18巻第
5号23頁、1980」の平川他の論文、「Journal of Press
ure Vessel Technology,ASME,1986」の時政他の論文、
および「Journal of Energy Resources Technology,ASM
E,1983」の玉野他の論文では、鋼管寸法や降伏応力とコ
ラプス強度との一般的な相関に加え、偏肉、楕円度、残
留応力の影響を加味したコラプス強度の計算式が報告さ
れている。このような研究成果が、コラプス強度を有す
る油井用鋼管の開発素地となっている。
【0006】上述の通り、近年における油井での使用環
境が苛酷になるにともない、高コラプス強度を有する鋼
管の開発要請が著しく高まることになる。このような要
請に対応するため、従来から、高コラプス強度を有する
油井用鋼管に関する種々の提案がなされている。
【0007】例えば、特開平7−179941号公報では、一
定の成分組成のビレットを950〜850℃の間で圧下率20%
以上で圧下し、850〜900℃の温度範囲で圧延を終了後、
直ちに焼き入れして焼戻し、さらに450〜550℃で矯正す
る高コラプス強度を有する継目無鋼管の製造方法が提案
されている。この方法によって、エネルギーコストを低
減した条件で、高コラプス強度を有する鋼管を製造でき
るとしている。
【0008】また、特開平9−316539号公報では、鋼管
の耐食性とコラプス強度を安定して確保するために、焼
入れ焼戻しを行った鋼管を150℃以上の温度領域で温間
矯正し、この矯正によって発生した鋼管内面周方向の残
留応力を、予め定めた温間矯正条件から算出し、冷却水
量等の調整によって最終の鋼管内面周方向の残留応力を
調整する製造方法が開示されている。
【0009】上記公報で提案された製造方法によれば、
矯正中に鋼管材料の回復現象を防止し、鋼管の内外面近
傍の降伏強度の低下や残留応力の不均一化を回避するこ
とによって、所期のコラプス強度を確保することができ
る。しかし、これらの製造方法では、より高いコラプス
強度を確保しようとしても限界があり、達成できるコラ
プス強度はそれ程高くは望めない。
【0010】さらにコラプス強度を精度よく管理しよう
としても、鋼管寸法(外径/肉厚比、偏肉、楕円)や鋼
管の強度(降伏応力、残留応力)が同じ条件であって
も、得られるコラプス強度にバラツキが発生することか
ら、耐コラプス性能を適切に管理ができないという問題
がある。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】通常、油井用鋼管の諸
特性については、API(アメリカ石油協会; American
Petroleum Institute)が発行する規格によって規定され
ている。まず、油井用鋼管の降伏応力については、グレ
ード毎に許容範囲を規定している。次に、コラプス強度
についても、API発行の Bulletin 5C3では、降伏応
力YSと鋼管の外径/肉厚比D/tとの関係から、経験から
得られた係数を用いてAPIが基準とするコラプス圧力
を算出するようにしている。ここで基準値の算出式とし
て、下記(b)〜(d)式が規定されている(6版、October
1,1994、1〜3頁)。
【0012】 Pp(MPa)= YS[A/(D/t)−B]−C ・・・ (b) Pt(MPa)= YS[F/(D/t)−G] ・・・ (c) Pe(MPa)= 323.8/{(D/t)×[(D/t)−1]2} ・・・ (d) ただし、Pp、Pt、Peはそれぞれ塑性コラプス圧力、
遷移コラプス圧力、弾性コラプス圧力を示しており、
A、B、C、F、Gは経験から得られる定数を示してい
る。
【0013】さらに、前述の高コラプス強度を有する鋼
管の開発要請に対応するため、各鋼管メーカーからは、
上記の(b)〜(d)式で計算されるコラプス強度の基準値よ
りも30%乃至40%以上の性能を保証した鋼管が提供され
るようになっている。また、これを受けて、ユーザー側
も、API基準以上のコラプス強度を前提として、油井
の掘削設計を行っている。
【0014】ところが、前述の通り、同じ降伏応力で、
同じ寸法の鋼管を用いても、製造条件等のその他の要因
によってコラプス強度にバラツキが発生する場合があ
り、高強度のコラプス性能が保証できない事態が生じて
いる。そして、このようなコラプス強度のバラツキ原因
が必ずしも明確でないため、対象とする鋼管が所定の降
伏応力を具備するものの、優れたコラプス強度を備えた
油井用鋼管に合致するか否かを判断することが困難であ
った。
【0015】本発明は、上述した従来の高コラプス強度
を保証する鋼管が有する問題点に鑑みてなされたもので
あり、所定の降伏応力を具備する鋼管を対象として、鋼
管の強度(降伏応力)と靱性(シャルピー衝撃性能)と
の関係から耐コラプス性能を管理することを可能とし
て、コラプス強度に優れた油井用鋼管およびその判断方
法を提供することを目的としている。
【0016】
【課題を解決するための手段】前述の通り、耐コラプス
性能は、鋼管寸法(外径/肉厚比、偏肉、楕円)や強度
(降伏応力、残留応力)からだけでは明らかにすること
ができない。そこで、本発明者らは、上記の課題を解決
するため、新たにコラプス強度に影響する他の要素とし
て、素材の成分組成、圧延条件、鋼管の靱性等を選定し
て、これらの条件とコラプス強度との関係を詳細に検討
した。その結果、耐コラプス性能には、降伏応力と吸収
エネルギーが大きく影響することを知見した。
【0017】本発明は、上記の知見に基づいて完成され
たものであり、次の(1)のコラプス強度に優れた油井用
鋼管、および(2)のコラプス強度に優れた油井用鋼管に
合致するか否かを判断する方法を要旨としている。 (1) 降伏応力YSが552MPa(80ksi)以上である油井用鋼
管であって、0℃におけるL方向吸収エネルギーE
(J)が下記(a)式を満たすことを特徴とするコラプス
強度に優れた油井用鋼管である。
【0018】 E ≧ −0.4169 × YS + 480 ・・・ (a) (2) 降伏応力YSが552MPa(80ksi)以上である油井用鋼
管のコラプス強度を判断する方法であって、製造された
鋼管の引張試験およびシャルピー衝撃試験結果に基づい
てコラプス強度に優れた油井用鋼管に合致するか否かを
判断する方法である。
【0019】本発明における「優れたコラプス強度」と
は、単にAPIの Bulletin 5C3で規定するコラプス強
度の基準値を満足するだけでなく、それより30%乃至40
%以上の性能を具備することを意図している。
【0020】
【発明の実施の形態】本発明の油井用鋼管では、降伏応
力YSが552MPa(80ksi)以上の鋼管を対象として、鋼管
の引張試験による降伏応力YSと、シャルピー衝撃試験に
よる0℃におけるL方向吸収エネルギーEとの関係が、
前記(a)式の関係を満足することによって、優れたコラ
プス強度を確保することを特徴としている。したがっ
て、本発明では、鋼管の引張試験およびシャルピー衝撃
試験結果に基づいて、コラプス強度に優れた油井用鋼管
に合致するか否かを判断することが可能になる。
【0021】本発明において降伏応力YSが552MPa(80ks
i)以上の鋼管を対象としているのは、所定以上の降伏
応力が確保できなければ、コラプス強度の改善が望めな
いためである。したがって、対象となる鋼種は、API
の5CTで規定するグレードのうち、L-80、L80-9CR、L80-
13CR(いずれもYS:552〜655MPa)、N-80(YS:552〜75
8MPa)、C-95(YS:655〜758MPa)、P-110(YS:758〜9
65MPa)、Q-125(YS:862〜1034MPa)等が該当し、さら
にこれらに相当する独自グレードも対象となる。
【0022】本発明では、鋼管の化学組成を規定する必
要がなく、APIで規定する降伏応力YSおよび上記(a)
式の条件を満足する限りにおいて、通常、油井管用とし
て振り当てられている鋼種を採用すればよい。以下、本
発明の内容を具体的な実施例に基づいて説明する。
【0023】
【実施例】本発明に係る鋼管を製造するため、表1に示
す鋼種A〜Cの化学組成からなる素材ビレットを準備し
た。
【0024】
【表1】 これらの素材ビレットを加熱炉で1100〜1300℃に加熱
後、ピアサーで穿孔して中空素管とし、引き続き延伸圧
延して仕上げ圧延用素管を製造し、さらに、ストレッチ
レデューサを通して、外径/肉厚比(D/t)が15.5、22.
2および26.0の3サイズの継目無鋼管を製造した。
【0025】その後、製造された鋼管を850〜950℃に加
熱して、水焼入れを施した後、550〜750℃で焼戻しを行
った。これらの熱処理によって、上記の外径/肉厚比D/
t毎にL-80〜Q-125に相当する強度レベル(降伏応力)の
供試鋼管を得ることができた。
【0026】供試鋼管は、APIの5CTに規定する引張
試験とシャルピー衝撃(Vノッチ)試験を実施した。シ
ャルピー衝撃試験では、供試鋼管から試験片をL方向に
切り出し、V字型の切欠を設け、サイズを10mm×10mmと
して、シャルピー衝撃試験機で、試験温度0℃における
試験片を破断するのに要する吸収エネルギーEを測定し
た。供試鋼管に使用した鋼種、試験にて測定した降伏応
力YSおよび吸収エネルギーEを対象サイズ別に表2〜4
に示す。
【0027】次に、供試鋼管の外面から水圧を負荷して
コラプス圧力を比較した。コラプス圧力の測定には、鋼
管の両端を除き、その外面がシールされるようにセット
できる実管コラプス試験機を用い、シール部に水を導入
することで鋼管に圧力をかけ、水圧により鋼管が圧壊に
至る圧力値をコラプス圧力とした。
【0028】コラプス強度の評価は、前記の Bulletin
5C3 で規定する(b)〜(c)式で計算されるコラプス圧力を
基準値として、上記の実管コラプス試験機で実測された
コラプス圧力が基準値を30%乃至40%を超えるか否かで
合否判断を行った。具体的には、D/t=15.5サイズで
は、前記(b)式を用いて基準値を計算し、実測値が基準
値の30%を超えるか否かで判断し、合格と評価する場合
には表2に「○」を示した。一方、D/t=22.2および26.
0サイズでは、前記(c)式を用いて基準値を計算し、実測
値が基準値の40%を超えるか否かで判断し、合格と評価
する場合には表3、4に「○」を示した。
【0029】
【表2】
【表3】
【表4】 図1〜図3は、D/t=15.5、22.2または26.0とした場合
における降伏応力YSと吸収エネルギーE(0℃における
L方向、試験片サイズ:10mm×10mm)との関係を示す図
である。
【0030】表2〜4および図1〜図3の結果から明ら
かなように、いずれのD/tサイズであっても、下記(a)式
の条件を満足する場合には、実測したコラプス値がAP
Iの基準値を30%乃至40%を超えて、優れたコラプス強
度が確保できる。
【0031】 E ≧ −0.4169 × YS + 480 ・・・ (a) したがって、以上の実施例の結果から、鋼管の引張試験
およびシャルピー衝撃試験で測定された降伏応力YS(MP
a)と0℃におけるL方向吸収エネルギーE(J)との
関係を整理することによって、精度良く油井用鋼管のコ
ラプス強度が管理できることが分かる。
【0032】
【発明の効果】本発明の油井用鋼管によれば、鋼管の強
度(降伏応力)とシャルピー衝撃性能(0℃におけるL
方向吸収エネルギーE)との関係を管理することによっ
て、精度良く、優れたコラプス強度を確保することがで
きる。さらに、本発明の判断法では、製造された鋼管の
引張試験およびシャルピー衝撃試験結果に基づいてコラ
プス強度を簡易に判断することが可能となるので、有効
に高コラプス性能の油井用鋼管の材料設計並びに製造が
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】D/t=15.5とした場合における降伏応力YSと吸
収エネルギーE(0℃におけるL方向、試験片サイズ:
10mm×10mm)との関係を示す図である。
【図2】D/t=22.2とした場合における降伏応力YSと吸
収エネルギーE(0℃におけるL方向、試験片サイズ:
10mm×10mm)との関係を示す図である。
【図3】D/t=26.0とした場合における降伏応力YSと吸
収エネルギーE(0℃におけるL方向、試験片サイズ:
10mm×10mm)との関係を示す図である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】降伏応力YSが552MPa(80ksi)以上である
    油井用鋼管であって、0℃におけるL方向吸収エネルギ
    ーE(J)が下記(a)式を満たすことを特徴とするコラ
    プス強度に優れた油井用鋼管。 E ≧ −0.4169 × YS + 480 ・・・ (a)
  2. 【請求項2】降伏応力YSが552MPa(80ksi)以上である
    油井用鋼管のコラプス強度を判断する方法であって、製
    造された鋼管の引張試験およびシャルピー衝撃試験結果
    に基づいてコラプス強度に優れた油井用鋼管に合致する
    か否かを判断する方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP4696796A1 (en) 2023-04-13 2026-02-18 Nippon Steel Corporation Steel material

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Effective date: 20040309