JP2016540884A - 金属複合析出物で覆われた管状コンポーネントの当接構造およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ニッケル−リン合金、銅−ニッケル合金およびニッケル−タングステン合金から選択される合金によって構成される主要層を含む被覆により覆われることを特徴とする、当接構造に関する。また、本発明は、この当接構造を含む環状コンポーネントと、そのような当接構造を生成する方法に関する。【選択図】図２

Description

本発明は、特定の金属複合被覆で覆われた管状コンポーネントの当接構造（abutment）に関する。

用語「管状コンポーネント」は、本発明において使用される場合、坑井を掘削または操作するために使用される要素または付属物を意味している。

管状コンポーネントは、別の管状コンポーネントとの管状ねじ接続を構成するために１つまたは複数の接続要素（具体的には、ねじ切り部、封止面および当接）を介して接続されることが意図されている。管状コンポーネントは、例えば、比較的長い管（具体的には長さがおよそ１０メートル）、長さが数十センチメートルの管状カップリング、そのような管のための付属物（懸架デバイスまたはハンガー、断面適合化のための部品、あるいはクロスオーバー、安全弁、ドリルパイプ継ぎ手またはツールジョイント、および代用品など）である。

炭化水素坑井または類似の坑井の中に降ろすために、またドリルステム、ケーシングストリングまたはライナーもしくはチュービングストリング、あるいは実際には操業用ストリングを構成するために、管状コンポーネントは一般的には互いに接続される。

米国石油協会（ＡＰＩ）によって発行されるＡＰＩ仕様５ＣＴ（これは国際標準化機構（ＩＳＯ）によって発行されるＩＳＯ規格１１９６０：２００４に相当）は、ケーシングおよびチュービングとして使用される管類のための仕様を規定しており、ＡＰＩ仕様５Ｂは、そのような管類のための標準的ねじ接続を定めている。ＡＰＩ仕様７は、回転ドリルパイプのためのショルダー付きねじ接続（threaded connection）を定めている。

過去２０年間にわたって、より遠方の石油を求めて探索する必要があるために、掘削条件や掘削環境はより複雑化している。ドリルステムは、ドリルステムが受ける負荷とともに長さが増大している：ドリルステムは、より大きなトルクを表面からドリルヘッドに伝達する必要があり、より良好な引張り性能と耐食性を必要としている。

そのような要求を満たすために、そのドリルステムを構成する夫々の管の両端にプレミアム接続として知られる新規なねじ接続が形成されている。そのような新規なねじ接続は主として、それらのねじり抵抗が従来のＡＰＩ接続と比較して増大し得ることを意味する二次的な内側当接を含んでいる。これは二重当接接続として知られている。

そのようなプレミアム接続の具体的な特徴の１つが、影響をより受けやすいことである。これは付加的当接（または内側当接）の外形が、掘削プラットフォームまたは基地で保管されているときのパイプの取り扱い期間中、あるいはねじ山のロードフランクを接触させるための操作期間中に生じる打撃および衝撃に曝されることを意味している。

単一の当接接続を使用する状況（ＡＰＩ接続）では、そのような接続を、この目的のために設計された表面補修デバイスを使用して現場で修復することが可能であるが、この装置と実務は二重当接接続に用いることができない。内側当接と外側当接との間での寸法公差および幾何学的公差が非常に厳しいので、修復は旋盤で行うことができるだけであり、したがって、修理店を除いて、もはや現場で行うことができない。修復と停止時間は大きいコスト（これはＡＰＩ接続を使用するときに生じる費用よりも大きい）を生じさせることになる。

したがって、衝撃に対するそのような当接構造の感受性を低下させるために硬度の面で十分に性能を発揮する当接構造を設けることが純粋に求められている。

また、当接構造は良好な耐腐食性を有することも必要である。

したがって、本発明は、ニッケル−リン合金、銅−ニッケル合金およびニッケル−タングステン合金から選択される合金によって構成される主要層を含む被覆により覆われることを特徴とする、管状コンポーネントのための当接構造に関する。

前記主要層の厚さは、好都合には５μｍ〜３５μｍの範囲にある。

第１の好ましい実施の形態によれば、前記主要層がニッケル−リン合金によって構成される。

リンは一般に、前記ニッケル−リン合金の総重量の５重量％〜１３重量％に相当し、好ましくは８重量％〜１３重量％に相当し、より好ましくは１０重量％〜１２重量％に相当する。

前記主要層がニッケル−リン合金によって構成されるとき、前記主要層の厚さは、好都合には１０μｍ〜６０μｍの範囲にあり、好ましくは２０μｍ〜３５μｍの範囲にあり、より好ましくは２５μｍ〜３０μｍの範囲にある。

厚さが３５μｍ〜６０μｍの被覆により覆われる管状要素の当接構造を用いて行われた試験では、かじりが構成部品の組立期間中には発生しなかった。

厚さが２０μｍ〜３５μｍの被覆により覆われる管状要素の当接構造を用いて行われた試験では、かじりが構成部品の組立期間中に発生せず、かつ耐腐食性にとって有害な微小亀裂も全く出現しなかった。

第２の好ましい実施の形態によれば、前記主要層がニッケル−タングステン合金によって構成される。

タングステンは一般に、前記ニッケル−タングステン合金の総重量の５重量％〜１５重量％に相当する。

前記主要層がニッケル−タングステン合金によって構成されるとき、この主要層の厚さは好ましくは５μｍ〜２０μｍの範囲にあり、より好ましくは５μｍ〜１５μｍの範囲にある。

そのようなニッケル−リン合金層が、ＭＡＣＤＥＲＭＩＤによってＮＩＫＬＡＤ ＸＤ７６４７という商品名で提案されている。

本発明の当接構造のための被覆は、前記主要層の延性よりも大きい延性を有する合金によって構成される下地物を含んでもよい。好ましくは下地物は、ニッケル−銅合金とニッケル−アルミニウム合金から選択される合金によって構成される。

好都合には、この下地物は、被覆の耐腐食機能を維持するために使用することができる。実際、主要層は延性が低いので、当接構造に負荷が加えられているとき、主要層に亀裂が生じるかもしれない。より大きい延性を有する下地物は、同じ程度に亀裂を生じさせることはなく、したがって、腐食性作用因に対する追加の障害物を構成することになる。

下地物の厚さは、好ましくは１μｍ〜３μｍの範囲にある。

本発明の当接構造の被覆は、主要層とは別個であり、１つまたは複数の固体潤滑剤化合物の粒子を含むニッケル−リン合金、ニッケル−タングステン合金から選択される合金によって構成される付加的な層をさらに含むんでもよい。ただし、この場合、前記付加的な層は前記主要層の上に配置される。

前記付加的な層は、好ましくは１つまたは複数の固体潤滑剤化合物の粒子を含むニッケル−リン合金から選択される合金によって構成される。

固体潤滑剤は、摩擦係数を低下させるために、また表面に対する摩耗および損傷を低減させるために、２つの摩擦面の間に置かれる固体かつ安定な物質である。

しかしながら、本発明では、摩擦と硬度の増大は、当接間で伝達可能なトルクを増大させることができるために所望される。したがって、付加的な潤滑剤を、当接から当接に伝達可能なトルクの値を低下させることによる調節に使用することができる。

このような様々な物質は、それらの機能的機構と構造によって定義される様々なカテゴリーに分類することができる。これらのカテゴリーが、例えばＥｃｏｌｅ Ｎａｔｉｏｎａｌｅ Ｓｕｐｅｒｉｅｕｒｅ ｄｅｓ Ｐｅｔｒｏｌｅｓ ｅｔ Ｍｏｔｅｕｒｓ（フランス）のＥｒｉｃ Ｇａｒｄ氏によって発行される「Ｌｅｓ ｌｕｂｒｉｆｉａｎｔｓ ｓｏｌｉｄｅｓ［固体潤滑剤］」と題される配付資料に記載される：
・ クラス１： 潤滑特性がその結晶構造に起因する固体物質、例えば黒鉛，窒化ホウ素ＢＮ，酸化亜鉛ＺｎＯ；
・ クラス２： 潤滑特性が一方で結晶構造に起因し、他方で組成における反応性化学元素に起因する固体物質、例えば二硫化モリブデンＭｏＳ_２，フッ化黒鉛，スズ硫化物，ビスマス硫化物；
・ クラス３： 潤滑特性が化学的反応性に起因する固体物質、例えばチオ硫酸塩タイプのある種の化学化合物（例えばＤｅｓｉｌｕｂｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｃ．によって販売されるＤｅｓｉｌｕｂｅ ８８）；
・ クラス４： 潤滑特性が摩擦負荷のもとでの可塑性挙動または粘塑性挙動に起因する固体物質、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）またはポリアミド。

炭化ケイ素および炭化タングステンもまた挙げてもよい。

１つまたは複数の固体潤滑剤化合物の粒子が好都合には、ポリテトラフルオロエチレン、タルク、雲母、窒化ホウ素、炭化ケイ素、炭化タングステン、硫化タングステンおよび硫化モリブデンの粒子ならびにそれらの混合物から選択される。

好ましくは、１つまたは複数の固体潤滑剤化合物の粒子がポリテトラフルオロエチレン粒子から選択される。

好都合には、１つまたは複数の固体潤滑剤化合物の粒子を含むニッケル−リン合金のリンは、１つまたは複数の固体潤滑剤化合物の粒子を含むニッケル−リン合金の総重量の５重量％〜１３重量％に相当し、好ましくは８重量％〜１３重量％に相当し、より好ましくは１０重量％〜１２重量％に相当する。

１つまたは複数の固体潤滑剤化合物の粒子は、好都合には１つまたは複数の固体潤滑剤化合物の粒子を含むニッケル−リン合金の総体積に対して２０体積％〜３５体積％に相当し、好ましくは２５体積％〜３０体積％に相当する。

ポリテトラフルオロエチレン粒子を含むこのタイプのニッケル−リン合金層が、ＭＡＣＤＥＲＭＩＤによって、ＮＩＫＬＡＤ ＩＣＥ Ｕｌｔｒａという商品名で提案されている。

前記付加的な層の厚さは、３μｍ〜１３μｍの範囲でもよく、好ましくは５μｍ〜１０μｍの範囲にでもよい。

また、被覆は、被覆が前記付加的な層を含むときには前記主要層または前記付加的な層の上に配置される潤滑剤層を含んでもよい。

潤滑剤層が、グリース、半固体潤滑剤層、あるいは１つまたは複数の固体潤滑剤の粒子を樹脂に含む固体の乾燥潤滑剤層から選択されてもよい。

半固体潤滑剤層は一般には、１つまたは複数の極圧添加剤、１つまたは複数の固体潤滑剤の粒子、１つまたは複数の金属石けん、および１つまたは複数の低融点ワックスを含んでいる。そのような半固体潤滑剤層が、例えば特許出願ＦＲ２９３７０４６に記載される。

固体の乾燥潤滑剤層は一般には、熱硬化性エポキシ；ポリウレタン；不飽和ポリエステル；ポリフェニルスルホン；ポリイミド樹脂およびシリコーン樹脂；熱可塑性ポリオレフィン樹脂、オレフィンコポリマー樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミド−イミド樹脂、ポリアリールエーテルケトン樹脂；ＳｉＯ_２／ＭｘＯ比が２を超えるアルカリ性ポリケイ酸塩（式中、Ｍ＝Ｎａ、ＫまたはＬｉ）；有機金属（例えば、アルコキシチタナートまたはケイ酸エチルなど）から選択される、有機ポリマーまたは無機ポリマーなどの樹脂バインダーにおける摩擦を低下させるために１つまたは複数の固体潤滑剤の粒子を含んでいる。

また、本発明は、本発明による当接構造を含む管状コンポーネントに関する。

より具体的には、本発明の管状コンポーネントはスチールから製造され、具体的には、ＡＰＩ ５ＣＴ規格に記載されたスチール（例えば、炭素を０．２５％未満の割合で含むスチール）、および／または好ましくはある等級のスチール、例えばＩＳＯ１１９６０およびＩＳＯ１３６８０の規格で規定されるスチール、および／またはＨ４０、Ｊ５５、Ｋ５５、Ｍ６５、Ｌ８０、Ｃ９０、Ｃ９５、Ｔ９５、Ｐ１１０、Ｑ１２５、Ｓ１３５、Ｖ１５０の各炭素鋼、または１３Ｃｒ，Ｓ１３Ｃｒ，Ｄｕｐｌｅｘ ２２Ｃｒ＋２５Ｃｒ，Ｓｕｐｅｒ−Ｄｕｐｌｅｘ ２５Ｃｒマルテンサイト鋼、またはＦｅ ２７Ｃｒオーステナイト鋼などのスチールから選択される。

また、本発明は、前記接続要素を製造するための方法であって、主要層と、必要に応じた付加的な層が自己触媒的析出によって析出させられる方法に関する。この方法は、当接構造またはねじ部の表面が覆われる表面の複雑な形状にもかかわらず、電解析出と比較して、厚さ、化学的特性および機械的特性がより均一な被覆を得ることが可能である。

本発明に従って使用される主要層が自己触媒的析出によって接続要素の表面に析出されてもよい。具体的には、ニッケル−リン合金の自己触媒的析出物がＮＦ規格のＥＮ ＩＳＯ４５２７に記載され、同様にＬｏｕｉｓ ＬＡＣＯＵＲＣＥＬＬＥによる文書（Ｎｉｃｋｅｌａｇｅ ｃｈｉｍｉｑｕｅ［化学的ニッケルメッキ］、Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｄｅ ｌ’Ｉｎｇｅｎｉｅｕｒ、Ｍｅｔａｌｌｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｅｓｓａｙ）に記載されている。

ニッケル−リン合金の自己触媒的析出物が、ＭＡＣＤＥＲＭＩＤによって、ＮＩＫＬＡＤ（商標）ＥＬＶという商品名で提案される。

ニッケル−タングステン合金の自己触媒的析出物が、ＳＩＦＣＯによって、Ｎｉｃｋｅｌ−Ｔｕｎｇｓｔｅｎコード５７１１という商品名で提案されている。

本発明に従って必要に応じて使用される付加的な層が自己触媒的析出によって得られてもよい。

具体的には、ポリテトラフルオロエチレンの粒子を含有するニッケル−リン合金の自己触媒的析出物が、ＭＡＣＤＥＲＭＩＤによって、ＮＩＫＬＡＤ（商標）ＩＣＥ ＵＬＴＲＡという商品名で提案されている。

本発明に従って使用される主要層の析出と、本発明に従って使用される何らかの随意的な下地物の析出と、発明に従って使用されるかもしれない何らかの付加的な層の析出が、下記の工程を含む自己触媒的方法を使用して行われてもよい：
・ 接続要素の表面を清浄化すること；アルカリ脱脂、次いですすぎ洗浄、次いで電解脱脂、次いですすぎ洗浄、次いで酸ストリッピング、次いですすぎ洗浄によって清浄化が行われてもよい；
・ 次いで必要な場合には下地物を析出させること；
・ 次いで主要層を析出させ、次いで表面を脱不動態化し、次いで必要に応じて付加的な層を析出させ、次いですすぎ洗浄すること；
・ 次いでオーブン乾燥を、例えば７０℃程度の温度で行うこと；
・ 次いで酸化性雰囲気中で典型的には２２０℃の温度で２時間の脱気処理を行う。

また、この方法は、好ましくは２５０℃〜５５０℃の範囲の温度、好ましくは３５０℃〜４００℃の範囲にある温度、より好ましくは４００℃程度で、例えば３時間〜５時間にわたる事後熱処理を含んでもよい。

この事後熱処理は、被覆の硬度を増大させるために使用することができる。

一方、本発明に従って使用される主要層の析出と、本発明に従って必要に応じて使用される付加的な層の析出が、電解法を使用して行われてもよい。そのような電解法が使用されるとき、前記下地物を析出させることが必要である。したがって、電解法は下記の工程を含んでいる：
・ 接続要素の表面を清浄化すること；アルカリ脱脂、次いですすぎ洗浄、次いで電解脱脂（好ましくは酸に基づく）、次いですすぎ洗浄によって清浄化が行われてもよい；
・ 次いで厚さが１μｍ〜３μｍの下地物を析出させること；
・ 次いで主要層を析出させ、次いで表面を脱不動態化し、次いで必要に応じて付加的な層を析出させ、次いですすぎ洗浄すること；
・ 次いで好ましくは２５０℃〜５５０℃の温度、好ましくは４００℃程度の温度で例えば１時間〜５時間の事後熱処理を行う。

この事後熱処理工程は、被覆の硬度を増大させるために使用することができる。

幾つかの特徴が添付図面を参照して以下の詳細な説明において詳しく開示される。

図１は、２つの管状コンポーネントを組立によって接続することから生じる接続部の概略図である。 図２は、図１の囲い枠Ａの範囲の拡大図である。

図１に示されたねじ接続は、雄型端部１を備え、回転軸９を有する第１の管状コンポーネントと、雌型端部２を備え、回転軸９を有する第２の管状コンポーネントとを備えている。これら２つの端部（１および２）は、夫々終端がねじ接続の軸９に関して半径方向の末端面にあり、これら２つの端部には、これら２つの構成部品の組立による相互接続のために協同するねじ部３，４が夫々設けられている。図２に示されたねじ接続において、消失する外形１０を有するねじ部の一部は、相補的なねじ部との協同が生じない。

図２からわかるように、２つのねじ構成部品を組立によって接続した後、一方を他方に対して干渉封止接触させる金属／金属の封止面（支え面）５，６が、ねじ部３，４に近い雄型端部と雌型端部に夫々設けられている。雄型端部１は、これら２つの端部の一方を他方に入れて組み立てられるとき、雌型端部２に設けられた対応面８に押しつけられて接する終端面７で終端する。面７，８を当接構造という。本発明によれば、これらの面が前記被覆（不図示）により覆われる。

Claims (20)

1. ニッケル−リン合金、銅−ニッケル合金およびニッケル−タングステン合金から選択される合金によって構成される主要層を含む被覆により覆われることを特徴とする、当接構造。
2. 前記主要層の厚さは５μｍ〜３５μｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載の当接構造。
3. 前記主要層がニッケル−リン合金によって構成されることを特徴とする、請求項１はたは請求項２の当接構造。
4. リンは、ニッケル−リン合金の総重量の５重量％〜１３重量％、好ましくは８重量％〜１３重量％、より好ましくは１０重量％〜１２重量％に相当することを特徴とする、請求項３に記載の当接構造。
5. 前記主要層の厚さが１０μｍ〜６０μｍの範囲、好ましくは２０μｍ〜３５μｍの範囲、より好ましくは２５μｍ〜３０μｍの範囲にあることを特徴とする、請求項３または請求項４に記載の当接構造。
6. 前記主要層がニッケル−タングステン合金によって構成されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の当接構造。
7. ニッケル−タングステン合金の総重量の５重量％〜１５重量％に相当することを特徴とする、請求項６に記載の当接構造。
8. 前記主要層の厚さは５μｍ〜２０μｍの範囲、好ましくは５μｍ〜１５μｍの範囲にあることを特徴とする、請求項６または請求項７に記載の当接構造。
9. 前記被覆は、ニッケル−銅合金またはニッケル−アルミニウム合金によって構成されることを特徴とする、先行する請求項の何れか１項に記載の当接構造。
10. 前記下地物の厚さは、１μｍ〜３μｍの範囲にあることを特徴とする、請求項９に記載の当接構造。
11. 前記被覆は、１つまたは複数の固体潤滑剤化合物の粒子を含むニッケル−リン合金、ニッケル−タングステン合金から選択される合金によって構成される付加的な層をさらに含むことを特徴とする、先行する請求項の何れか１項に記載の当接構造。
12. １つまたは複数の固体潤滑剤化合物の粒子が好都合には、ポリテトラフルオロエチレン、タルク、雲母、窒化ホウ素、炭化ケイ素、炭化タングステン、硫化タングステンおよび硫化モリブデンの粒子ならびにそれらの混合物から選択されることを特徴とする、先行する請求項の何れか１項に記載の当接構造。
13. 好都合には、１つまたは複数の固体潤滑剤化合物の粒子を含むニッケル−リン合金のリンは、１つまたは複数の固体潤滑剤化合物の粒子を含むニッケル−リン合金の総重量の５重量％〜１３重量％に相当し、好ましくは８重量％〜１３重量％に相当し、より好ましくは１０重量％〜１２重量％に相当することを特徴とする、先行する請求項の何れか１項に記載の当接構造。
14. １つまたは複数の固体潤滑剤化合物の粒子は、好都合には１つまたは複数の固体潤滑剤化合物の粒子を含むニッケル−リン合金の総体積に対して２０体積％〜３５体積％に相当し、好ましくは２５体積％〜３０体積％に相当することを特徴とする、先行する請求項の何れか１項に記載の当接構造。
15. 前記付加的な層の厚さは、３μｍ〜１３μｍの範囲でもよく、好ましくは５μｍ〜１０μｍの範囲にでもよいことを特徴とする、先行する請求項の何れか１項に記載の当接構造。
16. また、被覆は、被覆が前記付加的な層を含むときには前記主要層または前記付加的な層の上に配置される潤滑剤層を含むことを特徴とする、先行する請求項の何れか１項に記載の当接構造。
17. 潤滑剤層が、グリース、半固体潤滑剤層、あるいは１つまたは複数の固体潤滑剤の粒子を樹脂に含む固体の乾燥潤滑剤層から選択されることを特徴とする、先行する請求項の何れか１項に記載の当接構造。
18. 先行する請求項の何れか１項に記載の当接を含む管状コンポーネント。
19. 先行する請求項の何れか１項に記載の当接を得る方法であって、前記主要層と前記付加的な層が自己触媒的析出によって析出されることを特徴とする、先行する請求項の何れか１項に記載の方法。
20. ２５０℃〜５５０℃の範囲の温度での事後熱処理工程を含むことを特徴とする、請求項１９に記載の方法。

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