JP2016169593A - 坑井の掘削方法、その掘削方法に用いられるドリルパイプ及びツールジョイント - Google Patents

Abstract

【課題】ケーシング内面の摩耗を抑制する坑井の掘削方法を提供する。【解決手段】本実施形態の掘削方法は、複数の鋼管を連結して形成されたケーシングを坑井に挿入する工程と、複数のドリルパイプと、ドリルパイプの端部同士を連結する管状のツールジョイント７とを備えるドリルストリングをケーシング内に挿入して傾斜掘削を実施する工程とを備える。ドリルパイプ及び／又はツールジョイント７は、Ｃｒ及びＮｉの総含有量が質量％で１％以下（０％を含む）である鋼被膜１０を表面に有する。【選択図】図４

Description

本発明は、坑井の掘削方法、その掘削方法に用いられるドリルパイプ及びツールジョイントに関する。

油井やガス井等に代表される坑井（炭化水素井）の掘削作業では、地下数千メートルに及ぶ垂直又は湾曲の円形坑道を形成する。坑井の掘削には、ドリルストリングが用いられる。ドリルストリングは、ドリルビットと、ツールジョイントにより連結された複数のドリルパイプとを備える。

掘削作業は次のとおり実施される。初めに、先端にドリルビットを備えたドリルパイプを回転させる。そして、ドリルパイプの自重を利用してドリルビットを坑底に押し付けながら掘り進み、坑道を形成する。このとき、坑道の坑壁保護と掘削屑の地表までの搬送とを目的として、泥水を地表からドリルパイプの内側を通って坑底まで搬送し、掘削屑とともに再び地表まで循環させる。

坑道が深くなれば、地層の圧力が増加したり、崩壊しやすい地層に遭遇したり、裸坑のまま掘削を進めることができなくなったりする。そこで、地層外圧又は崩壊から坑道を守るために、坑道の内径よりも小さいケーシングと呼ばれる鋼管を地表から坑底まで吊り下げる。ケーシングにより坑道を保護した後、掘削作業を再開する。この一連の工程を繰り返し、目的の位置まで掘り進む。

ケーシングは複数の鋼管を一列に連結して形成される。１０〜１３ｍｍの長さを有する各鋼管の両端はねじ加工されている。両端のうちの一方にツールジョイント（ねじ継手）を締込まれた鋼管を、ケーシングの最小単位とする。地下１０００ｍまでケーシングを吊り下げる場合、ケーシングを約１００本連結させる。最近では、腐食性の高い環境で掘削作業がされるため、ケーシングには、耐食性に優れた合金鋼が使用される。

従来、坑井は垂直方向に掘削されていた。しかしながら近年、生産効率の向上等のため、坑井を斜めに掘る「傾斜掘削」や、坑井を水平に掘る「水平掘削」が実施されている。このうち、傾斜掘りは、一地点から複数箇所を掘削する場合に実施されたり、障害物が存在するために垂直に掘削できない場合、又は、沿岸から海底の石油を採取する場合等に実施される。

傾斜掘削では、連結したケーシング及びドリルストリングが湾曲する部分が発生する。この湾曲部分では、ドリルストリングとケーシングの内面とが接触する場合がある。この場合、回転するドリルストリングと静止しているケーシングの内面との摩擦により、ケーシングの内面が摩耗する。

従来、垂直方向に対して傾斜した坑道を持つ坑井の湾曲部分の垂直方向に対する傾斜角は３〜６°／１００フィート程度と小さく、上記摩擦は発生しにくかった。しかしながら近年、石油又は天然ガスの回収効率を高めるために、湾曲部の傾斜角を大きくとった傾斜掘削を実施し、次いで、水平掘削を実施するケースが増加している。この場合、湾曲部の傾斜角は増大するため、ドリルストリングとケーシングの内面との摩擦が増大し、ケーシングの内面が摩耗しやすい。

ケーシングの摩擦は、回転するドリルストリングが静止しているケーシングの内面と摺動することにより発生する。一般に、ドリルストリングを構成するドリルパイプ及び／又はツールジョイント（以下、ツールジョイント等という）には硬質の被膜が形成され、耐摩耗性が高められる。硬質の被膜はたとえば、硬化肉盛層（ハードバンド）である。ハードバンドはたとえば、微細な炭化物が分散したマルテンサイト鋼からなる。

このような硬質な被膜を形成したツールジョイント等が、国際公開第２００１／０５９２４９号（特許文献１）、及び、国際公開第２０１２／１１６０３６号（特許文献２）に開示されている。

特許文献１に記載のドリルパイプは、ドリルパイプの外面に２層の被膜層を有する。２層の被膜層のうち、内側の被膜層はセラミックス等の硬質層であり、外側の被膜層はナイロン等の軟質層である。これにより、ドリルパイプとケーシングとの摩擦が低減され摩耗が抑制できる、と特許文献１には記載されている。

特許文献２に記載のツールジョイントは、ツールジョイントの外面にハードバンド層を有する。ツールジョイントは、ハードバンド層上にさらに黒鉛等の低摩擦層を有する。これにより、ツールジョイントとケーシングとの摩擦や浸食等が抑制できる、と特許文献２には記載されている。

国際公開第２００１／０５９２４９号 国際公開第２０１２／１１６０３６号

特許文献１及び２ではいずれも、ツールジョイント等の外面に、硬質被膜を形成する。この場合、ツールジョイント等は保護される。しかしながら、硬質被膜よりも軟質な、合金鋼からなるケーシングの内面では摩耗が発生してしまう。

本発明の目的は、ケーシング内面の摩耗を抑制する坑井の掘削方法を提供することである。

本発明の実施形態による坑井の掘削方法は、挿入工程と、掘削工程とを備える。挿入工程では、複数の鋼管を連結して形成されたケーシングを、坑井に挿入する。掘削工程では、複数のドリルパイプと、ドリルパイプの管端同士と連結するツールジョイントとを備えるドリルストリングをケーシング内に挿入して傾斜掘削を実施する。ドリルパイプ及び／又はツールジョイントは、Ｃｒ及びＮｉの総含有量が質量％で１％以下（０％を含む）である鋼被膜を外面に備える。

本発明による坑井の掘削方法は、ケーシング内面の摩耗を抑制する。

図１は、本実施形態の掘削装置の全体図である。 図２Ａは、ケーシングとツールジョイントとの接触を示す図である。 図２Ｂは、ケーシングがツールジョイントに凝着する状態を示す図である。 図２Ｃは、移着物とケーシングの内面との接触を示す図である。 図２Ｄは、移着物の成長を示す図である。 図３は、摩耗試験機を模式的に示す図である。 図４は、本実施形態のツールジョイントの外面の断面図である。 図５Ａは、ケーシングの内面と鋼被膜との接触を示す図である。 図５Ｂは、ケーシングの内面の移着物を示す図である。 図５Ｃは、移着物と鋼被膜との接触を示す図である。 図５Ｄは、移着物の成長の抑制を示す図である。 図６は、本実施例で用いた摩耗試験機を模式的に示す図である。

本実施形態の坑井の掘削方法は、挿入工程と、掘削工程とを備える。挿入工程では、複数の鋼管を連結して形成されたケーシングを、坑井に挿入する。掘削工程では、複数のドリルパイプとドリルパイプの端部同士を連結する管状のツールジョイントとを備えるドリルストリングをケーシング内に挿入して傾斜掘削を実施する。ドリルパイプ及び／又はツールジョイントは、外面にＣｒ及びＮｉの総含有量が質量％で１％以下（０％を含む）である鋼被膜を有する。

傾斜掘削では、ツールジョイント等がケーシングと接触する。このとき、ケーシングが凝着摩耗を引き起こす。ツールジョイント等の外面にＣｒ及びＮｉの総含有量が１質量％以下（０％を含む）である鋼被膜が形成されれば、鋼被膜が軟質で、酸化されやすいため、ケーシングの凝着摩耗を抑制できる。詳細は後述する。

ドリルパイプ及び／又はツールジョイントは、外面と鋼被膜との間に硬化肉盛層を含んでもよい。

この場合、長期の使用により鋼被膜が摩滅しても、ツールジョイント等は硬化肉盛層により保護される。

好ましくは、鋼被膜の硬さは、ケーシングの硬さの１．２倍以下である。ここでの硬さは、ＪＩＳ Ｚ ２２４４に規定されるビッカース硬さである。以下の説明では、ケーシングの硬さに対する鋼被膜の硬さの比を、硬さ比ともいう。硬さ比が１．２以下であれば、ケーシングの凝着摩耗がさらに抑制される。

好ましくは、鋼被膜の厚さは、２〜２０ｍｍである。鋼被膜の厚さが２ｍｍ未満の場合、鋼被膜が摩滅しやすい。また、鋼被膜の厚さが２０ｍｍより大きい場合、鋼被膜に亀裂が入りやすく、鋼被膜が部分的に摩滅しやすい。鋼被膜の厚さが２〜２０ｍｍの場合、さらに優れた耐久性が得られる。

上述の坑井の掘削方法は、ケーシングが１０質量％以上のＣｒを含有する合金鋼からなる場合に特に有効である。

好ましくは、鋼被膜は鋳鉄からなる。鋳鉄は球状黒鉛鋳鉄であるのがさらに好ましい。鋳鉄のマトリックス相（母相）には黒鉛の結晶が析出している。ケーシングとの接触によりツールジョイント等が摩耗すると、析出している黒鉛が摺動界面に露出する。摺動界面に露出した黒鉛は、潤滑剤の役割を果たす。これにより、ケーシングの凝着摩耗がさらに抑制される。

本実施形態のツールジョイント及びドリルパイプは、上述の坑井の掘削方法に利用される。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［掘削装置］
図１は、本実施形態の掘削方法を説明するための坑井の模式図である。図１を参照して、坑井Ｗを掘削する掘削装置１は、ケーシング２、ドリルストリング３及び駆動装置８を備える。

ケーシング２は、複数の鋼管を連結して形成される。連結方法はたとえば、連結する鋼管同士の端部にねじ部を設けて、鋼管端部同士を連結する。ケーシングはたとえば、合金鋼からなる。坑井Ｗ内のケーシング２の内面には、スラリー状のマッド等が存在する。マッドは、掘削泥水であり、電解質物質や固体粉末を含む。

ドリルストリング３は、ドリルパイプ４、ツールジョイント７、ドリルカラー５、ドリルビット６を含む。ツールジョイント７は、両端がねじ加工された鋼管であり、複数のドリルパイプ４の管端同士を連結する。ドリルカラー５は、最下流のドリルパイプ４の先端に取り付けられる。ドリルカラー５はドリルパイプ４より重い金属管であり、ドリルストリング３の下端に荷重を与える。ドリルビット６は、ドリルストリング３の最下流（先端）に配置される。ドリルストリング３の最上流は、駆動装置８に取り付けられる。ドリルストリング３は、駆動装置８により軸周りに回転可能である。これにより、ドリルストリング３は、坑井Ｗを掘削する。

掘削時、ドリルストリング３をケーシング２内に挿入し、ドリルストリング３を回転させながら坑井Ｗを掘削する。このとき、ドリルストリング３により傾斜掘削を実施することにより、坑井Ｗに湾曲部Ｐが形成される。湾曲部Ｐは垂直方向に対して傾斜した坑道を有する。湾曲部Ｐでは、掘削中のドリルパイプ４又はツールジョイント７がケーシング２と接触する。ツールジョイント７の外径は、ドリルパイプ４の外径よりも大きい。そのため、通常、ドリルパイプ４よりも、ツールジョイント７がケーシング２の内面と接触しやすい。

従来、ツールジョイント７の外面の摩耗を抑制するため、ツールジョイント７の鋼管外面に硬化肉盛層や硬質保護被膜が形成される。硬化肉盛層はたとえば、高硬度のマルテンサイト鋼等である。硬質保護被膜はたとえば、セラミックスやサーメット等である。

最近では高圧の炭酸ガス及び腐食性ガスを含む環境の深井戸の開発が進んでいる。このような深井戸では、より優れた耐食性が求められるため、耐食性に優れた合金鋼からなるケーシング２が利用される。しかしながら、合金鋼のケーシング２が上述の硬質被膜を有するツールジョイント７と接触すると、ケーシング２の内面が著しく摩耗してしまう。

ケーシング２の内面の摩耗は、回転しているツールジョイント７が静止しているケーシング２の内面と摺動することにより発生する。本発明者らは、合金鋼のケーシング２の摩耗について検討し、次の知見を得た。すなわち、合金鋼のケーシング２がツールジョイント７と摺動すると、ツールジョイント７の外面に移着物が凝着する。この移着物により、ケーシング２の摩耗形態が凝着摩耗となる。ここで移着物とは、摺動により削られた一方の部材が、他方の部材に凝着したものをいう。以下、凝着摩耗について説明する。

図２Ａ〜図２Ｄは、合金鋼のケーシング２とツールジョイント７との凝着摩耗の発生過程を示す図である。凝着摩耗の発生過程は、図２Ａ〜図２Ｄの順に進行する。

図２Ａに示すとおり、ケーシング２の内面は粗さを有する。そのため、傾斜掘削時において、ケーシング２の内面の凸部がツールジョイント７と接触する。なお、実際には、ツールジョイント７の外面もケーシング２の内面と同様に粗さを有する。従って、本来は、図２Ａ〜図２Ｄにおいて、上側に描かれているツールジョイント７も下側に描かれているケーシング２と同様に凸部を有している。図２Ａ〜図２Ｄは、以下の説明を分かりやすくするために、ツールジョイント７の外面を平坦に描き、相対的な凹凸として模式的に図示したものである。

ケーシング２が合金鋼からなる場合、ケーシング２の内面は硬い。そのため、ケーシング２の内面では、ツールジョイント７との摺動中に、局部的に面圧が高くなる。内面のうち面圧が高い部分は発熱する。合金鋼は炭素鋼と比較して表層の熱伝導率が低いため、摺動により発生した熱が内部に逃げにくい。そのため、発熱によりケーシング２の内面の一部が溶着したり、物理的接触により一部が剥離したりしやすくなる。この溶着や剥離により、図２Ｂに示すように、ケーシング２の内面の一部（移着物）９がツールジョイント７の外面に移着する。

凝着は、摺動する部材（ここではケーシング２及びツールジョイント７）の材料同士の相互溶解度が高いときに生じる。金属系の硬化肉盛層や硬質保護被膜（ツールジョイント）と合金鋼（ケーシング）とでは、同じ金属結合を有するため、相互溶解度が高い。また、セラミックス等の硬質保護被膜の硬さは合金鋼よりも硬いため、ケーシング２の内面が削られやすい。したがって、ツールジョイント７が外面に硬化肉盛層や硬質保護被膜を有する場合、凝着が特に生じやすい。

図２Ｃに示すとおり、ツールジョイント７に付いた移着物９は、掘削作業の進行に伴うツールジョイント７の回転により、ケーシング２の内面の新たな凸部と接触する。

図２Ｄに示すとおり、移着物９とケーシング２の内面の凸部が接触すると、ケーシング２の内面の一部が移着物９により削り取られ、新たな移着物９１が生じる。新たな移着物９１は、既存の移着物９に凝着する。

掘削作業の進行に伴うツールジョイント７の回転によって、図２Ｃ及び図２Ｄの動作が繰り返され、移着物９は徐々に成長する。移着物９の成長に伴い、ケーシング２の内面の摩耗も激しくなり、凝着摩耗が発生する。

本発明者らは、ケーシング２とツールジョイント７との摩擦を想定し、摩耗試験（ピンオンディスク試験）を行った。摩耗試験では、種々の材質のツールジョイント７の硬質被膜及びケーシング２を想定した。

図３は、摩耗試験機２０を模式的に示す図である。図３を参照して、摩耗試験機２０は容器２１、ピン２２及びディスク２３を備えた。ピン２２をツールジョイント７の被膜、ディスク２３をケーシング２と想定し、試験によるピン２２及びディスク２３の摩耗深さを調べた。

具体的には、容器２１には、環境水２４を入れた。環境水２４は、３質量％ＮａＣｌ水溶液とした。ピン２２は円柱状であり、その先端は球面であった。球面の直径は、６ｍｍであり、ピン２２の軸方向長さは、６ｍｍであった。ディスク２３は、円板形状の金属であり、中心軸周りに回転可能であった。ディスク２３の直径は２０ｍｍ、厚みは３ｍｍであった。ピン２２の先端及びディスク２３は、バフ研磨により鏡面仕上げにされた。

摩耗試験は次のとおり実施した。ピン２２の球面をディスク２３に荷重１０Ｎで押し当てた。ピン２２が押し当てられた位置は、ディスク２３中心から３ｍｍの位置であった。ピン２２を押し当てたまま、ディスク２３を回転して、ピン２２に対するディスク２３の周方向速度を１ｃｍ／ｓとし、２０分間ディスク２３を回転して試験を実施した。

ピン２２（ツールジョイント７の外面に形成される被膜を想定）として、純鉄（Ｆｅ）材、ＪＩＳ規格に準拠したＳ１０Ｃ材、Ｓ４５Ｃ材、Ｓ５５Ｃ材、ＳＫＤ１１材、ＳＵＪ２材、ＳＵＳ３０４材及びアルミナ材を準備した。Ｓ１０Ｃ材は、質量％で、Ｃ：０．１０％、Ｓｉ：０．２０％、及び、Ｍｎ：０．４５％を含有し、残部はＦｅ及び不純物であった。Ｓ４５Ｃ材は、質量％で、Ｃ：０．４５％、Ｓｉ：０．２３％、Ｍｎ：０．４５％を含有し、残部はＦｅ及び不純物であった。Ｓ５５Ｃ材は、質量％で、Ｃ：０．５５％、Ｓｉ：０．２３％、Ｍｎ：０．７５％を含有し、残部はＦｅ及び不純物であった。なお、上述したＳ１０Ｃ材、Ｓ４５Ｃ材、Ｓ５５Ｃ材におけるＣｒ及びＮｉの総含有量（Ｃｒ＋Ｎｉ）は、１％を大きく下回るものである。ＳＫＤ１１材は、質量％で、Ｃ：１．５０％、Ｓｉ：０．２０％、Ｍｎ：０．４５％、Ｃｒ：１２．０％、Ｍｏ：１．０％、Ｖ：０．３５％を含有し、残部はＦｅ及び不純物であった。ＳＵＪ２材は、質量％で、Ｃ：１．０％、Ｓｉ：０．２％、Ｍｎ：０．４％、Ｃｒ：１．５％を含有し、残部はＦｅ及び不純物であった。ＳＵＳ３０４材は、質量％で、Ｃ：０．５０％、Ｓｉ：０．５４％。Ｍｎ：１．５０％、Ｎｉ：９．５％、Ｃｒ：１８．５％を含有し、残部はＦｅ及び不純物であった。

ディスク２３（ケーシング２を想定）として、炭素鋼材、１３％Ｃｒ鋼材、低炭素１３％Ｃｒ鋼材及び２５％Ｃｒ−３０％Ｎｉ合金材を準備した。炭素鋼材は、質量％で、Ｃ：０．２２％、Ｓｉ：０．３４％、Ｍｎ：０．４８％、Ｃｒ０．５３％を含有し、残部はＦｅ及び不純物であった。１３％Ｃｒ鋼材は、質量％で、Ｃ：０．２０％、Ｓｉ：０．２１％、Ｍｎ：０．４１％、Ｎｉ：０．１０％、Ｃｒ：１２．６４％を含有し、残部はＦｅ及び不純物であった。低炭素１３％Ｃｒ鋼材は、質量％で、Ｃ：０．０４％、Ｓｉ：０．２１％、Ｍｎ：０．４１％、Ｎｉ：５．５３％、Ｃｒ：１２．０５％、Ｍｏ：２．０３％を含有し、残部はＦｅ及び不純物であった。２５％Ｃｒ−３０％Ｎｉ合金材は、質量％で、Ｃ：０．０２％、Ｓｉ：０．３２％、Ｍｎ：０．６４％、Ｎｉ：２９．７％、Ｃｒ：２５．２％、Ｍｏ：２．８５％を含有し、残部はＦｅ及び不純物であった。

ピンオンディスク試験前後のディスク２３の表面の凹凸のプロファイルを測定し、その最大深さをディスク２３の摩耗深さと定義した。

さらに、各ピン２２及びディスク２３の硬さを、ＪＩＳ Ｚ ２２４４に規定されるビッカース硬さ試験方法により測定した。ビッカース硬さ試験の試験力は０．９８Ｎとした。

表１に、ピンオンディスク試験で得られた、ディスク２３の摩耗量を示す。

表１中の各ピン材、ディスク材の括弧には、各材のビッカース硬さ（ＨＶ）が記載されている。表１中の各フィールドには、対応するピン材２２とディスク材２３との試験で得られた、ディスク材２３の摩耗量（μｍ）が記載されている。

表１を参照して、ツールジョイント７と想定したピン２２がＦｅ材、Ｓ１０Ｃ材、Ｓ４５Ｃ材及びＳ５５Ｃ材である場合、つまり、Ｃｒ及びＮｉの総含有量が１質量％以下（０％を含む）の金属である場合、ケーシング２と想定したディスク２３がいずれの材質であっても、ディスク２３の摩耗量は１８μｍ以下であった。一方、ピン２２がＳＫＤ１１材、ＳＵＪ２材、ＳＵＳ３０４材及びアルミナ材である場合、つまり、Ｃｒ及びＮｉの総含有量が１質量％を超える金属又は非金属（アルミナ）である場合、ディスク２３の材質がいずれであっても摩耗量が３０μｍ以上であった。

以上の結果より、従来のように、ツールジョイント７の外面にケーシング２よりも顕著に硬い硬質被膜（ＳＫＤ１１材、ＳＵＪ２材、ＳＵＳ３０４材及びアルミナ材）を形成するよりも、Ｃｒ及びＮｉの総含有量が１質量％以下（０％を含む）である軟質の鋼被膜を形成した方が、ケーシング２に凝着摩耗が生じにくい。その結果、ケーシングの摩耗を抑制できる。

表２は、ディスク２３の硬さに対するピン２２の硬さの比（硬さ比）を示す。

表１及び表２を参照して、硬さ比が１．２以下である場合、ディスク２３の材質のいずれにおいても、ディスク２３の摩耗量が１６μｍ以下となり、顕著に少なくなる。したがって、好ましくは、ツールジョイント７に形成する鋼被膜のケーシング２に対する比は１．２以下である。この場合、ケーシング２の材質にかかわらず、凝着摩耗を顕著に抑えることができる。

以上の知見に基づいて、本実施形態では、図４に示すとおり、ツールジョイント７を構成する鋼管の外面に、Ｃｒ及びＮｉの総含有量が質量％で１％以下（０％を含む）である鋼被膜１０を形成する。鋼被膜１０は、合金元素であるＣｒ及びＮｉの総含有量が低いため、軟質である。そのため、傾斜掘削を実施する場合、従来のように、ケーシング２の一部が剥離するのではなく、鋼被膜１０の一部が剥離してケーシング２に移着する。

また、鋼被膜１０は、Ｃｒ及びＮｉの総含有量が１質量％以下（０％を含む）であるため酸化されやすい。言い換えると、ケーシング２に移着した鋼被膜１０（移着物）は酸化されやすい。そのため、ケーシング２の内面の移着物が成長しにくく、その結果、凝着摩耗を抑制できる。以下、この点について詳述する。

図５Ａ〜図５Ｄは、合金鋼からなるケーシング２と本実施形態の鋼被膜１０を有するツールジョイント７との摩耗過程を示す図である。この摩耗過程は、図５Ａ〜図５Ｄの順に進行する。なお、実際には、図２Ａ〜図２Ｄに示すようにケーシング２の内面は粗さを有する。従って、本来は、図５Ａ〜図５Ｄにおいて、上側に描かれているケーシング２も下側に描かれている鋼被膜１０と同様に凸部を有している。図５Ａ〜図５Ｄは、以下の説明を分かりやすくするために、ケーシング２の外面を平坦に描き、相対的な凹凸として模式的に図示したものである。

傾斜掘削時に、ケーシング２が鋼被膜１０と接触すると、従来とは異なり、ケーシング２の内面ではなく、鋼被膜１０の一部が削られる。鋼被膜１０中のＣｒ及びＮｉの総含有量が１質量％以下（０％を含む）であり、鋼被膜１０はケーシング２よりも軟質なためである。

鋼被膜１０のうち、削られた一部は、図５Ｂに示すように、ケーシング２の内面に移着物１１として移着する。移着物１１は、ケーシング２の内面から突出している。そのため、傾斜掘削時に、ツールジョイント７がさらに回転すると、図５Ｃに示すとおり、移着物１１が鋼被膜１０と接触する。このとき、移着物１１により鋼被膜１０がさらに削られ、図５Ｄに示すとおり、鋼被膜１０の断片１２が新たに発生する。

しかしながら、移着物１１は酸化されやすいため、ケーシング２の内面に付着した時点で、酸化してしまう。そのため、断片１２は移着物１１に凝着せずに、移着物１１から脱落する。さらに、移着物１１自身が酸化しているため、ケーシング２の内面との凝着力が弱い。そのため、断片１２との接触による衝撃により、移着物１１もケーシング２の内面から剥離しやすい。

以上のとおり、鋼被膜１０から剥離した断片は酸化しやすい。そのため、凝着物が成長しにくい。その結果、ケーシング２の内面では、凝着摩耗ではなく研削摩耗（アブレシブ摩耗）となる。アブレシブ摩耗は凝着摩耗のように局所的に大きな摩耗が発生しにくい。そのため、アブレシブ摩耗は、凝着摩耗と比べて摩耗量が少ない。したがって、ケーシング２の内面の摩耗量が低減される。

好ましくは、鋼被膜１０は鋳鉄からなる。鋳鉄からなる鋼被膜（以下、鋳鉄被膜という）の化学組成は、質量％で、Ｃ：２．１４〜６．７％、Ｓｉ：１〜３％を含有し、残部はＦｅ及び不純物である。また、鋳鉄被膜の残部は、Ｆｅ、他の元素及び不純物であってもよい。鋳鉄被膜中のＣｒ及びＮｉの総含有量は質量％で１％を大きく下回るものである。鋳鉄被膜を用いた場合、上述のとおりアブレシブ摩耗による摩耗量の低減が得られるだけでなく、潤滑作用による摩耗量の低減も得られる。具体的には、鋳鉄は潤滑性が高い黒鉛（Ｃ）を多く含有する。鋳鉄のマトリックス相（Ｆｅ相）には黒鉛の結晶が析出している。鋳鉄被膜がケーシングの内面と摺動すると、マトリックス相に析出している黒鉛が摺動界面に露出する。黒鉛は層状構造を有する。そのため、ケーシングの内面との摺動により黒鉛の結晶がへき開して滑る。すなわち、摺動界面に露出した黒鉛は潤滑剤の役割を果たす。これにより、鋳鉄被膜及びケーシングの摩耗がさらに抑制される。さらに、へき開した黒鉛は摺動面を覆うため、摺動による鋳鉄被膜及びケーシングの焼付きや摩耗も抑制される。

鋳鉄被膜を形成する鋳鉄の種類は特に限定されない。鋳鉄はたとえば、ねずみ鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄等がある。ねずみ鋳鉄は、ＪＩＳ Ｇ ５５０１に規定される。球状黒鉛鋳鉄は、ＪＩＳ Ｇ ５５０２に規定される。その他の鋳鉄はたとえば、白鋳鉄、まだら鋳鉄、強靭鋳鉄、可鍛鋳鉄等がある。これらの鋳鉄では、成分、黒鉛の析出状態が異なる。黒鉛の析出状態は、鋳鉄の熱処理条件による。

鋳鉄被膜としては、特に、黒鉛が球状化した球状黒鉛鋳鉄が好ましい。球状黒鉛鋳鉄の潤滑性は、一般的な鋳鉄と比べて同程度である。しかしながら、球状黒鉛鋳鉄の靱性は、一般的な鋳鉄の靱性と比べて優れる。そのため、鋼被膜が球状黒鉛鋳鉄である場合、鋼被膜に摩擦が生じても鋼被膜が剥離しにくい。

鋳鉄被膜の靱性を保つため、炭素（Ｃ）含有量の好ましい上限は５質量％である。鋳鉄被膜の潤滑性を保つため、Ｃ含有量の好ましい下限は３質量％である。

好ましくは、ツールジョイント等は、鋼被膜１０とツールジョイント７等の外面との間に、硬化肉盛層を有する。硬化肉盛層の組成はたとえば、微細炭化物を分散させたマルテンサイト鋼である。これにより、鋼被膜１０がケーシング２との接触により摩滅した場合、硬化肉盛層がツールジョイント７を保護する。この場合、鋼被膜１０は、硬化肉盛層の上に形成される。そのため、鋼被膜１０は、硬化肉盛層との金属結合により密着性が高い。したがって、鋼被膜１０とケーシング２との接触により、鋼被膜１０が脱離しにくい。硬化肉盛層は、周知の肉盛溶接により形成される。

上述したように、凝着摩耗を抑制するためには、鋼被膜１０が軟質である方が好ましい。具体的には、鋼被膜１０の硬さは、ケーシング２の硬さの１．２倍以下である。さらに好ましい硬さ比（鋼被膜１０の硬さ／ケーシング２の硬さ）は０．７以下である。

また、鋼被膜１０の厚さは、２〜２０ｍｍであるのが好ましい。鋼被膜１０の厚さが２ｍｍ未満の場合、ケーシング２との摩擦により、鋼被膜１０が摩滅しやすい。鋼被膜１０の厚さが２０ｍｍより大きい場合、鋼被膜１０に亀裂が入りやすい。この亀裂を起点に、鋼被膜１０が部分的に脱離することがある。この場合、ケーシング２とツールジョイント７との長時間の接触により、鋼被膜１０が部分的に摩滅することがある。さらに好ましくは、鋼被膜１０の厚さは５〜１２ｍｍである。

本実施形態の坑井の掘削方法は、ケーシング２が、Ｃｒを１０質量％以上含有する合金鋼である場合に特に有効である。この場合、ツールジョイント７の鋼被膜１０はケーシング２よりも顕著に軟質であるため、凝着摩耗ではなくアブレシブ摩耗となる。

上述の実施形態では、ツールジョイント７とケーシング２の内面とが接触する場合について説明した。しかしながら実際には、坑井の傾斜角度やドリルパイプ４の長さ等により、ツールジョイント７よりも外径の小さいドリルパイプ４が、ケーシング２と接触する場合もある。したがって、鋼被膜１０は、ドリルパイプ４の外面に形成されてもよい。この場合、ドリルパイプ４は、母材となる鋼管と、鋼管の外面上に形成される鋼被膜１０とを備える。

ドリルパイプ４及びツールジョイント７に鋼被膜１０を設ける方法はたとえば、めっき処理、溶射、肉盛等である。鋼被膜１０は、既に使用したドリルパイプ４及びツールジョイント７の外面上に再度形成することができる。使用により鋼被膜１０が損耗した場合、損耗した部分に直接新たな鋼被膜１０を形成してもよい。また、機械的又は化学的に古い鋼被膜１０を除去した後、新たな鋼被膜を形成してもよい。

［掘削方法］
本実施形態の坑井の掘削方法について説明する。

図１を参照して、ドリルストリング３を用いて、所定の深度まで坑井を掘削した後、ドリルストリング３を一旦、坑井Ｗから引き揚げる。その後、掘削した坑井Ｗを保護するため、ケーシング２を坑井Ｗに挿入する。ケーシング２はたとえば、ケーシング２と坑井Ｗとの間に流し込まれたセメントによって固定される。

ケーシング２が挿入された後、ツールジョイント７等の外面に鋼被膜１０が形成されたドリルストリング３をケーシング２内に挿入する。そして、駆動装置８によりドリルストリング３を回転させ、坑井を傾斜掘削する。これにより、傾斜抗井が形成される。本実施形態では、ツールジョイント７等のＣｒ及びＮｉの総含有量が１質量％以下（０％を含む）である鋼被膜１０を有する。そのため、湾曲部Ｐにおいて、ツールジョイント７又はドリルパイプ４がケーシング２と接触、摺動しても、ケーシング２に凝着摩耗が発生しにくい。そのため、傾斜掘削時において、ケーシングの摩耗を抑制できる。

ケーシング２とツールジョイント７との摩擦を想定し、種々の材料の組み合わせについて摩耗試験（円筒−平面接触式摩耗試験）を実施した。

本試験では、図６に示す摩耗試験機３０を用いた。摩耗試験機３０は、ブロック３１、ディスク３２及び塗布装置３３を備えた。ブロック３１はケーシングを想定した。ディスク３２はツールジョイントを想定した。

ブロック３１は、１０ｍｍ×２０ｍｍ×高さ２０ｍｍの形状を有した。ディスク３２は、直径１１０ｍｍ、高さ３０ｍｍの円柱形状であった。ディスク３２の母材（ツールジョイントの母材鋼管に相当）は、ＪＩＳ規格のＳＫＤ１１に準拠した化学組成を有した。側面３２Ａの表面粗さはＲａ０．０１μｍであった。側面３２Ａには、鋼被膜を想定した種々の被膜を形成した。具体的には、各試験番号のブロック３１の材質及びディスク３２の被膜の材質は、表３に示すとおりであった。

各ディスク３２の被膜の膜厚は、表３に示すとおりであった。なお、試験番号１４及び１５では、ディスク３２の側面３２Ａに被膜を形成しなかった。ただし、試験番号１５では、側面３２Ａに、試験番号７及び１３と同様に、硬化肉盛層を形成した。試験番号７及び１３では、被膜と側面３２Ａとの間に硬化肉盛層を形成した。各被膜の形成方法は、表３に示すとおりであった。試験番号２〜７、９及び１０の被膜は、ＪＩＳ Ｇ ４０５１（２００９）に準拠した化学組成を有した。試験番号１１の被膜は、ＪＩＳ Ｇ ５５０１（１９９５）に準拠した鋳鉄であった。試験番号１２及び１３の被膜は、ＪＩＳ Ｇ ５５０２（２００１）に準拠した鋳鉄であった。

表３中の各試験番号のディスクに形成された被膜の材質は次のとおりであった。
試験番号１及び８の被膜はＦｅからなり、残部は不純物であった。試験番号２、４、５、７、９及び１０の被膜にはＳ１０Ｃ材を用いた。

試験番号３の被膜にはＳ４５Ｃ材を用いた。試験番号６の被膜にはＳ５５Ｃ材を用いた。なお、Ｓ１０Ｃ材、Ｓ４５Ｃ材、Ｓ５５Ｃ材のいずれもＣｒ及びＮｉの総含有量は１％を下回るものである。

試験番号１１の被膜は、ＦＣ１００材を用いた。試験番号１２及び１３の被膜は、ＦＣＤ３５０−２２材を用いた。ＦＣ１００材及びＦＣＤ３５０−２２材におけるＣｒ及びＮｉの総含有量は１％を大きく下回るものであった。

試験番号１４は被膜を形成しなかった。そのため、ディスク表面は母材であるＳＫＤ１１材であり、Ｃｒの含有量は１２％であった。

試験番号１５のディスクの表面は硬化肉盛層であった。表面の材質は、質量％で、Ｃ：０．６％、Ｓｉ：０．２％、Ｃｒ：５．０％、Ｔｉ：２．５％を含有し、残部はＦｅ及び不純物であった。

試験番号１６の被膜（サーメット）は、質量％で、ＴｉＣ：３０％、ＴｉＮ：２０％、ＷＣ：１５％、Ｍｏ₂Ｃ：１０％を含有し、残部はＮｉ及び不純物であった。

試験番号１７の被膜はＳＵＳ３０４材であり、Ｎｉの含有量は９．５０％、Ｃｒの含有量は１８．５％であった。試験番号１８の被膜はアクリル樹脂であった。

表３中の各試験番号のブロックの材質は次のとおりであった。
試験番号１及び９のブロック（低炭素１３％Ｃｒ鋼）は、質量％で、Ｃ：０．０４％、Ｓｉ：０．２１％、Ｍｎ：０．４１％、Ｎｉ：５．５３％、Ｃｒ：１２．０５％、Ｍｏ：２．０３％を含有し、残部はＦｅ及び不純物であった。

試験番号２〜７、１１〜１８のブロック（１３％Ｃｒ鋼）は、質量％で、Ｃ：０．２０％、Ｓｉ：０．２１％、Ｍｎ：０．４１％、Ｎｉ：０．１０％、Ｃｒ：１２．６４％を含有し、残部はＦｅ及び不純物であった。

試験番号８のブロック（炭素鋼）は、質量％で、Ｃ：０．２２％、Ｓｉ：０．３４％、Ｍｎ：０．４８％、Ｃｒ０．５３％を含有し、残部はＦｅ及び不純物であった。

試験番号１０のブロック（２５％Ｃｒ−３０％Ｎｉ合金）は、質量％で、Ｃ：０．０２％、Ｓｉ：０．３２％、Ｍｎ：０．６４％、Ｎｉ：２９．７％、Ｃｒ：２５．２％、Ｍｏ：２．８５％を含有し、残部はＦｅ及び不純物であった。

試験番号１〜１８のディスク３２及びブロック３１を用いて、円筒−平面接触式摩耗試験を次の方法で実施した。ブロック３１の１０ｍｍ×２０ｍｍ面をディスク３２の側面３２Ａに、荷重９８０Ｎで押し当てた。ブロック３１を押し当てながら、ディスク３２を１００ｒｐｍで３時間回転した。試験中、塩水系掘削泥水を環境水として側面３２Ａに１００ｃｃ／ｍｉｎの塗布量で塗布し続けた。試験時のブロック３１及びディスク３２の温度は、常温であった。

試験後のブロック３１及びディスク３２の摩耗深さを測定した。具体的には、試験後のブロック３１及びディスク３２の摩耗面のプロファイルを共焦点顕微鏡で測定し、最大の摩耗深さを測定した。最大摩耗深さを、ブロック３１の摩耗深さ（μｍ）、及び、ディスク３２の摩耗深さ（μｍ）と定義した。

［硬さ比測定］
上述の摩耗試験前に、ディスク３２の被膜及びブロック３１のビッカース硬さをＪＩＳ Ｚ２２４４に準拠して測定した。測定時の試験力は０．９８Ｎであった。求めた硬さに基づいて、硬さ比（ディスク３２の被膜の硬さ／ブロック３１の硬さ）を求めた。なお、ＳＫＤ１１のビッカース硬さは７００ＨＶ、硬化肉盛層のビッカース硬さは７１０ＨＶであった。

［試験結果］
試験結果を表３に示す。表３を参照して、試験番号１〜１３では、鋼被膜中のＣｒ及びＮｉの総含有量が１質量％以下であった。そのため、ブロックの摩耗深さは１．２ｍｍ以下であった。また、ディスクの摩耗深さはいずれも２．０ｍｍ以下であった。

試験番号１〜５、７〜１３の硬さ比は１．２以下であった。そのため、硬さ比が１．２を超えた試験番号６と比較して、ブロックの摩耗深さが小さかった。被膜及びブロックが同じ材質の試験番号２、４、５及び７を比較して、試験番号２及び７の被膜の膜厚は２〜２０ｍｍであった。そのため、被膜の膜厚が２ｍｍ未満の試験番号４では、ディスク母材自体が摩耗しており、被膜の膜厚が２０ｍｍを超える試験番号５では、被膜にクラックが形成されたのに対して、試験番号２及び７では、ディスク母材自体は摩耗せず、被膜にクラックも形成されなかった。

試験番号１１〜１３の被膜は、鋳鉄被膜であった。そのため、試験番号１１〜１３では、試験番号１〜１０と比較して、ブロック及びディスクの摩耗深さはいずれも０．５ｍｍ以下であった。

一方、試験番号１４では、ディスク表面のＣｒ含有量が１質量％を超えた。そのため、ブロック３１の摩耗深さが２．０ｍｍを大きく超えた。

試験番号１５では、ディスクの被膜が肉盛層であり、Ｃｒ及びＮｉの総含有量が１質量％を超えた。そのため、ブロック３１の摩耗深さが１．２ｍｍを大きく超えた。

試験番号１６では、ディスクの被膜がサーメットであり、Ｎｉ含有量が１質量％を超えた。そのため、ブロック３１の摩耗深さが１．２ｍｍを大きく超えた。

試験番号１７では、ディスクの被膜がＳＵＳ３０４であり、Ｃｒ及びＮｉの総含有量が１質量％を超えた。そのため、ブロック３１の摩耗深さが１．２ｍｍを大きく超えた。

試験番号１８では、ディスクの被膜が鋼ではなく、非金属のアクリル樹脂であった。そのため、ブロック３１の摩耗深さが２．０ｍｍを大きく超えた。

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

２ ケーシング
４ ドリルパイプ
７ ツールジョイント
９、１１ 移着物
１０ 鋼被膜

Claims (11)

1. 複数の鋼管を連結して形成されたケーシングを、坑井に挿入する工程と、
   複数のドリルパイプと、前記ドリルパイプの端部同士を連結する管状のツールジョイントとを備えるドリルストリングを前記ケーシング内に挿入して傾斜掘削を実施する工程とを備え、
   前記ドリルパイプ及び／又は前記ツールジョイントは、Ｃｒ及びＮｉの総含有量が質量％で１％以下（０％を含む）である鋼被膜を表面に有する、坑井の掘削方法。
2. 請求項１に記載の坑井の掘削方法であって、
   前記ドリルパイプ及び／又は前記ツールジョイントは、前記外面と前記鋼被膜との間に硬化肉盛層を含む、坑井の掘削方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の坑井の掘削方法であって、
   前記鋼被膜の硬さは、前記ケーシングの硬さの１．２倍以下である、坑井の掘削方法。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の坑井の掘削方法であって、
   前記鋼被膜の厚さは、２〜２０ｍｍである、坑井の掘削方法。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の坑井の掘削方法であって、
   前記ケーシングを構成する前記鋼管は、１０質量％以上のＣｒを含有する合金鋼からなる、坑井の掘削方法。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の坑井の掘削方法であって、
   前記鋼被膜は鋳鉄からなる、坑井の掘削方法。
7. 請求項６に記載の坑井の掘削方法であって、
   前記鋳鉄は球状黒鉛鋳鉄である、坑井の掘削方法。
8. 坑井掘削用のドリルストリングに用いられるツールジョイントであって、
   鋼管と、
   前記鋼管の外面に形成され、Ｃｒ及びＮｉの総含有量が質量％で１％以下（０％を含む）である鋼被膜とを備える、ツールジョイント。
9. 請求項８に記載のツールジョイントであって、
   前記鋼被膜は鋳鉄からなる、ツールジョイント。
10. 坑井掘削用のドリルストリングに用いられるドリルパイプであって、
    鋼管と、
    前記鋼管の外面に形成され、Ｃｒ及びＮｉの総含有量が質量％で１％以下（０％を含む）である鋼被膜とを備える、ドリルパイプ。
11. 請求項１０に記載のドリルパイプであって、
    前記鋼被膜は鋳鉄からなる、ドリルパイプ。
    
    

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