JP2747084B2 - 坑井用管要素の結合方法および結合装置 - Google Patents

坑井用管要素の結合方法および結合装置

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は坑井用管要素の結合方法および装置に係る。
石油や天然ガス産出用の坑井を完成する際、坑井用管
要素を長くつないだものを坑井に挿入して陥没を防止す
ると共に坑井による石油およびガスの産出の安全化を容
易にする必要がある。従来の坑井陥没防止方法として
は、ケーシング管をつなげたものを１本またはそれ以上
ねじり合わせて坑井の中に降ろし、定位置に固着するこ
とによってケーシングを構成する方法がとられた。石油
および天然ガスの産出を行なう１本またはそれ以上のス
トリングは複数の管をねじ付継手によって相互連結して
成り、ケーシング内部に懸吊される。
従来の方法によると、坑井を完成するために螺合作業
を何百回となく行なう必要があるが、螺合作業を掘削中
の地面で行なうのは時間のかかる作業である上、坑井用
管要素の機械加工も注意深く行なわねばならない。
掘削中の地面において坑井用管要素を溶接するという
提案も過去に成されているが、引火性流体が坑井から流
出した場合、爆発の危険性が伴うという点から見て十分
な方法とは言えない。従って周知の溶接装置、例えば英
国特許第1,505,832号から周知の摩擦溶接装置等は、掘
削地面上で使用するのに不適であると考えられる。
この先行技術から周知の摩擦溶接装置は、溶接リング
を使用し、これをパイプ部分の端部で回転させることに
よって摩擦溶接用の摩擦熱を発生させて半径方向に変形
しパイプライン各部を溶接するように構成したものであ
る。この周知装置の動作中、溶接リングは大気と直接接
触した状態であり、パイプ部分を水平方向に固定した固
定式支持フレームに関して溶接リングが回転される。
本発明の目的は坑井用管要素を摩擦溶接によって効率
的かつ安全に結合する方法および装置を提供することに
ある。このような装置は、掘削リグや改修リグに装着す
るために容易に移動できるものとする必要がある。
またその方法は、溶接分野に余り経験のない掘削作業
員が既存の巻場装置やリグ装置を使用しながら実施でき
るものでなければならない。
本発明による方法は、 ・第１管状要素をその上端部が坑井入口付近に実質的に
垂直の向きで配置されるまで坑井内に下降させる段階
と、 ・前記管状要素の頂部に溶接リングを配置する段階と、 ・第２管状要素を、溶接リング上方の実質的に垂直位置
まで巻上げる段階と、 ・前記両管状要素を摩擦溶接装置のクランプによって軸
方向に整列した状態で固定する段階と、 ・摩擦溶接装置によって摩擦リングを管状要素に関して
回転させると共に溶接リングが管要素と接触させて該溶
接リングを半径方向に変形させながら該摩擦リングと管
状要素間に摩擦溶接部を形成するのに十分な摩擦熱を発
生させる段階と、 ・こうして連結した管状要素を坑井内に下降させて坑井
内に入れる段階を含む。
また本発明による装置は、 ・第１管状要素の上端部を坑井入口付近に配置した状態
で坑井内に懸吊し、該第１管要素を実質的に垂直位置に
維持するための手段と、 ・前記懸吊した第１管要素および該要素頂部に配置した
溶接リングの上方で垂直位置をとるまで第２管要素を巻
上げるための手段と、 ・両管要素を軸方向に相互に整列した状態で固定するた
めのクランプと、 ・前記クランプ間に装着されており、溶接リングを前記
管要素に関して回転させると共に溶接リングが管要素と
接触させて該溶接リングを半径方向に変形させながら溶
接リングと管状要素との間に摩擦溶接部を形成するのに
十分な摩擦熱を発生させるように構成されている回転式
スリーブとを含んで成る。
本発明によると、摩擦溶接工程において管要素が実質
的に垂直位置をとるため、坑井内に懸吊されている第１
管要素の上端部を掘削地面付近に確実に固定することが
でき、その結果掘削リグのクラウンブロックを用いて第
２管要素を第１管要素の上方に巻上げることができるた
め、重量の大きい基礎フレームを必要としない比較的小
型の可動溶接装置を用いて溶接を行なえるという利点が
ある。
本発明による摩擦溶接を行なう際、溶接リング領域に
ある管要素の内部および外部をリングの回転中は封止し
ておき、坑井から引火性ガスが漏れるようなことがあっ
てもこれと高温ガスが接触することのないようにするの
が望ましい。溶接リング周囲の空間を密封するために、
このリングの周囲に部分的に開口した鐘形等の室を設
け、この中に不活性ガスを注入しておくと良い。但し、
一般には溶接リングを把持するつめ手段を支持している
管状中間部を介して溶接リングを管要素の周りで回転さ
せることによって溶接リングの周囲に密封室を形成する
一方、この管状中間部を軸受装置と密封リングによって
溶接装置の１対の管状端部に回転自在に密封連結し、こ
れらの管状端部をクランプの１つによって管要素の周り
に締付けるのが望ましい。
さらに望ましい方法としては、溶接中管要素の内部に
配置されるマンドレルの下端部付近に密封カップを配設
することによって第１管要素の内部にシールを構成す
る。
好適には、マンドレルに１対のクランプを、前記管状
端部のクランプと相対するように設け、溶接作業中管要
素の内外１対のクランプによって締付け保持することに
より、管要素を変形または破壊する危険を伴うことなく
高い接触圧を該クランプから管要素に対して加えられる
ようにする。
次に添付図面を参照しながら、本発明を例示的により
詳細な形で説明することにする。
第１図に示すのは、これから溶接リング５によって相
互に連結して坑井用管要素のストリングを構成しようと
している第１管要素３と第２管要素４の周りにそれぞれ
配設された、マンドレル１と外側部分２とから成る摩擦
溶接装置である。第１図の右側が非活動状態にある時の
装置外側部分を示しているのに対し、左側は該部分が管
要素3,4および溶接リング５に対して締付けられた活動
状態を示している。
装置の外側部分２は上部管状端部７と下部管状端部８
と管状中間部10とから成り、中間部10は２つの軸受装置
11によって端部7,8に回転自在に連結されている。
軸受装置11の領域では、中間部10と端部7,8の隣接面
間に幾つかの密封リング12が配設されており、これらの
密封リングと各端部7,8の可撓性密封リング13,13Aと
で、溶接リング５の領域の摩擦溶接装置の外側部分２の
内表面と管要素3,4の外表面との間に封止空間14を形成
している。
管状中間部10は相互に螺合されている１対のスリーブ
15と、内表面にテーパを付けた環状ピストン16と、外表
面にテーパを付けた一連のつめセグメント17とから成
り、つめセグメント17の外表面が伸縮リング18によって
ピストン16のテーパ付き内表面に押圧されている。
環状ピストン16はその一端部が環状シリンダ19の内部
に配設されており、環状シリンダ19は半径方向の穿孔お
よび環状溝21を介して流体供給部20と流体連通してい
る。
装置使用時には、流体供給部20からシリンダ19の中へ
油圧液を送入することによってピストン16をばね22の作
用に抗って第１図右側に示す位置から第１図左側に示す
位置まで上方へ移動させる。これによってつめセグメン
ト17が溶接リング５の周りに締付けられる。ピストン16
が上方へ移動する結果、つめセグメント17が溶接リング
５に対して押圧されるが、上部スリーブ15とつめセグメ
ント17とが相互に当接する半径方向端部面に半径方向の
溝24を設けているため、つめセグメント17が回転中間部
分10に関して回転することはない。
溶接装置の外側部分２の上部管状端部７と下部管状端
部８は相互に同じであるため、ここでは上部管状端部７
の構成と動作についてのみ詳細に説明することにする。
上部管状端部７は相互に螺合されている２つのスリー
ブ30,31と、キャップナット32と、案内リング33と、一
連の楔34と、アクチュエータリング35と、可撓性密封リ
ング13とから成る。
使用時、キャップナット32を第１図右側に示す位置か
ら第１図左側に示す位置までスリーブ30内にねじ込むこ
とによって、上部管状端部７は第２管要素４の周りに締
付けられる。キャップナット32の下降運動が案内リング
33を介して楔34に伝達され、楔34はスリーブ30のテーパ
付き内表面38に沿って滑動して第２管要素４の外表面に
対して押圧される。これによって楔34の下側先端39がア
クチュエータリング35を下方向へ押圧し、可撓性密封リ
ング13が第２管要素４の外表面に押圧される。これによ
って第２管要素４と溶接装置の上部管状端部７との間に
液密シールが生まれる。
下部管状端部８は相互に螺合されているスリーブ30A,
31Aと、キャップナット32Aと、案内リング33Aと、一連
の楔34Aと、アクチュエータリング35Aと、可撓性密封リ
グ13Aとから成る。
下部管状端部８の動作も上記の上部管状端部７の動作
と同じである。
必要に応じてキャップナット32,32Aの代わりに油圧ピ
ストンその他のアクチュエータ機構を用いて楔34,34Aを
作動しても良いことが理解されよう。
次に第2A図および第2B図を参照すると、摩擦溶接装置
のマンドレル１の構造が示されている。マンドレル１は
中央本体部50の下端部に密封カップ51を備え、その周り
に上部および下部楔アセンブリ52,53とスプリット形溶
接部支持スリーブ54が設けられている。
スプリット形溶接部支持スリーブ54は２つのスリーブ
部分を合くぎ55によって連結して成る。それぞれのスリ
ーブ部分に電気ヒータコイルを備え、中央本体部50に通
した電線管を介して給電するようにしても良い。
上部楔アセンブリ52は一連の楔から成り、上部アクチ
ュエータディスク58が中央本体部50に関して下方へ移動
することによって、これらの楔が第２管要素４の内表面
と中央本体部50のテーパ付き外表面との間に締付けられ
る。上部アクチュエータディスク58は固体ナット60によ
って中空アクチュエータロッド59に連結されている。
アクチュエータロッド59はその下端部付近にピストン
とパッキン箱から成るアセンブリ61を支持しており、ア
センブリ61は中央本体部50に形成した円筒室62の内部で
滑動自在に支持される。円筒室62はその上部をキャップ
63によって閉じられている。アクチュエータロッド59の
流体送入管64および穿孔65を介して室62内に流体を送入
することによってアクチュエータロッド59がばね66の作
用に抗して中央本体部50の上端部内に圧入され、それに
よって上部アクチュエータディクス58が上部楔アセンブ
リ52を第２管要素４の内表面に対して締付けるようにな
る。
下部楔アセンブリ53は、下部アクチュエータディスク
70が中央本体部50に関して上方へ運動することによって
第１管要素３の内表面に締付けられる。
下部アクチュエータディスク70がロッキングナット72
によって伸長形ロッド71に連結されている。ロッド71は
その上端部付近にピストンとパッキン箱から成るアセン
ブリ73を支持しており、アセンブリ73は中央本体部50の
下端部に形成された円筒室74の内部に滑動自在に配設さ
れている。室74はその下端部においてキャップ75によっ
て閉じられている。中央本体部50を通る流体送入管76お
よび穿孔77を介して流体を室74内に送入することによっ
て、ロッド71がばね78の作用に抗して中央本体部50の下
端部に圧入され、それによって下部アクチュエータディ
スク10が楔アセンブリ51を第１管要素３の内表面に対し
て締付けるようになる。
ロッド71はその下端部においてナット81により台形体
80と連結されている。ナット83によって一連のスペーサ
ロッド84に固定されている支持板82を介して、密封カッ
プ51が台形体80の真上に保持されている。スペーサロッ
ド84は下部アクチュエータディスク70の開口部を通って
中央本体部50の下端部に設けた凹所85の中にねじ込まれ
る。
台形体80および下部アクチュエータディスク70をロッ
ド71に連結することによって、密封カップ51と下部楔ア
クチュエータ53を同時に作動し易くなっている。穿孔77
を介して室内に流体注入することによって、ロッド71を
中央本体部50の下端部に圧入すると、楔アセンブリ53が
アクチュエータディスク70によって第１管要素３内表面
に対して締付けられる。これと同時に、台形体80が支持
板82に向かって運動することによって密封カップ51も管
要素３の内表面に締付けられる。
他方、室74内部の圧力を解放することによって、ばね
78がロッド71を中央本体部50から遠去ける方向に押すた
め、それによって楔アセンブリ53と密封カップ51を同時
に第１管要素３から解放させることになる。
第１図，第2A図および第2B図に示した装置を用いて坑
井用管要素を結合するのに好適な方法は以下の通りであ
る。
摩擦溶接装置の外側部分２を、坑井用管要素を挿入し
ようとする坑井の坑口（不図示）上方に実質的に垂直に
装着または懸吊し、例えばケーシングストリングや１本
またはそれ以上の産出用ストリングを形成する。
この１本またはそれ以上のストリングに使用する管要
素を坑口付近のパイプラックに斜めまたは垂直に配向し
て収納しておき、摩擦溶接装置を坑井（不図示）上方に
配置する。
次に第１管要素３をパイプラックから取出し、摩擦溶
接装置の外側部分２を通じて坑井内に降ろし、該要素の
上端部が摩擦溶接装置の外側部分２の上部締付ナット32
の真上に垂直に配置されるまで下降させる。その後溶接
リング５を第１管要素３の頂部に重ねる。
続いて摩擦溶接装置の内部マンドレル１を、例えば坑
井上方に装着された掘削リグのクラウンブロックによっ
て、巻上げケーブル６に懸吊した状態で、第２管要素４
の下端部から半分程度突出するところまで該要素内を下
降させる。
次に導管64を介して室62内に流体を注入して上部楔ア
センブリ52を作動することによって、第２管要素４の内
壁に対してマンドレル１を締付ける。それと同時にマン
ドレル１を、第２管要素４を取着したままでケーブル６
によって第１管要素３上方の垂直位置まで巻上げる。次
の段階として、第２管要素４の下端部が溶接リング５お
よび／または第１管要素３の上端部に当接するまで、マ
ンドレル１の下部を溶接リング５を介して第１管要素３
の上端部内に挿入する。
溶接リング５と管要素3,4の当接面とが同軸方向に正
しく配置されていることを確認した後、導管76を介して
室74内に流体注入することによって下部楔アセンブリ53
とマンドレル１の密封カップ51を第１管要素３の内壁に
対して締付ける。
続いて管状要素3,4を締付け保持した状態のマンドレ
ル１を下降させるか、あるいは装置の外側部分２を坑口
上方のより高い所で溶接リング５がつめセグメント７に
囲まれるまで上昇させることによって、装置の外側部分
２をマンドレル１に関して軸方向に移動させる。
次に装置外側部分２の下部管状端部８の可撓性密封リ
ング13Aと楔34Aが、キャップナット32Aを締めることに
よって第１管要素３の周りに締付けられる。これに対し
装置外側部分２の上部管状端部７の可撓性密封リング13
と楔34は、キャップナット32を締めることによって第２
管要素４の周りに締付けられる。楔34と34Aとの間の軸
方向の間隔がマンドレル１の楔アセンブリ52と53との間
の軸方向間隔と同じであるため、管要素3,4の変形や破
壊の危険を伴うことなく楔と管要素3,4の壁部との間に
大きな半径方向の力を加えることができる。
マンドレル１と装置の外側部分２とをこのように、す
なわち坑井から引火性ガスが漏れた場合でも密封カップ
51と密封リング12,13,13Aとによって溶接リング領域へ
の接近が防止されるように管要素3,4に対して締付けた
後、流体導入口21を介して環状シリンダ19内に流体を送
入して環状ピストン16を上方へ移動することによってつ
めセグメント17を溶接リング５の周りに締付ける。
続いて溶接リング５を取着した中間部10を、油圧モー
タまたは電気モータ、あるいは前記端部7,8に関する配
管トルク修正用のトング（不図示）によって回転する。
中間部10を回転する時に、つめセグメント17が溶接リ
ング５に所定の半径方向の力を加える。半径方向の力の
大きさは、リングに加えられる半径方向の圧縮力または
リングの半径方向の変形に関連して調整することができ
る。溶接リング５に加えられる半径方向の力の大きさ、
および管要素3,4の端部の円錐形外表面上での溶接リン
グ５の円錘形内表面の回転速度は、溶接リング５と管要
素3,4との間で摩擦溶接を行うのに十分な熱を発生する
程度とする。
溶接部形成後、該溶接部と管要素3,4の連結端部とを
マンドレル１のスプリット溶接部支持スリーブ54の加熱
コイルを用いて加熱することによって、前記溶接部およ
び連結端部の熱処理を行なう。外部加熱装置（不図示）
を用いて熱処理を行なっても良い。
次につめセグメント17と楔アセンブリ34,34A,52,53を
解放することによって、マンドレル１と装置の外側部分
２とを溶接リング５および管要素3,4から解放する。こ
の時に溶接部の点検を行なうことができる。
上記の摩擦溶接工程を反復して前記第２管要素４の上
に次の管要素を連結することができる。一連の坑井用管
要素が所要の長さになるまでこの手続を何回も反復す
る。
上述の方法では第１管要素を摩擦溶接装置の外側部分
を通じて下降させて坑井の中に入れたが、選択的方法と
して、第１管要素を坑井の中に下降させ、摩擦溶接装置
の外側部分を第１管要素の上に配設しても良い。
添付図面を参照しての以上の説明は本発明による方法
および装置の好適実施態様を対象としたものであるが、
本発明の概念から逸脱することなく、装置の構成および
動作方法について多くの変更、改変を行なうことができ
る。
従って添付図面に図示し以上に説明した装置と方法は
説明的なものにすぎず、本発明の範囲を限定するもので
はない。
【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による摩擦溶接装置の断面図であり、装
置のマンドレルを点線で示している図、第2A図および第
2B図はそれぞれ第１図の装置のマンドレルの上端部と下
端部の断面図である。 １……マンドレル、３……第１管要素、 ４……第２管要素、５……溶接リング、 7,8……管状端部、10……管状中間部、 15……スリーブ、16……環状ピストン。

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】坑井用管要素の結合方法であって、 第１管要素を、該管要の上端部が坑井入口付近に実質的
    に垂直の向きで配置されるまで坑井内に下降させる段階
    と、 溶接リングを前記管要素の頂部に配置する段階と、 第２管要素を、前記溶接リング上方の実質的に垂直位置
    まで巻上げる段階と、 摩擦溶接装置のクランプによって前記両管要素を軸方向
    に整列した状態で固定する段階と、 摩擦溶接装置によって前記溶接リングを管要素に関して
    回転させると共に、溶接リングが管要素と接触させて該
    溶接リングを半径方向に変形させながら溶接リングと管
    要素との間に摩擦溶接部を形成するのに十分な摩擦熱を
    発生させる段階と、 こうして相互連結した管要素を下降させて坑井内に入れ
    る段階とを含んで成る方法。
  2. 【請求項２】溶接リングを回転する段階において、該溶
    接リングの領域の管要素の内部と外部を封止する段階を
    さらに含んで成る請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】摩擦溶接装置の管状中間部を該装置の１対
    の管状端部に関して回転させることによって前記溶接リ
    ングを管要素の周りで回転し、前記管状中間部が溶接リ
    ングを握持するためのつめ手段を支持しており、前記管
    状端部の各々が一方の管要素を固定するように一方のク
    ランプを支持しており、前記管状中間部が軸受装置によ
    って前記管状端部の各々に連結されている請求項１また
    は２に記載の方法。
  4. 【請求項４】溶接リングを回転する段階において、前記
    管状中間部と管状端部とで溶接リングの周りに密閉室を
    形成する請求項２および３に記載の方法。
  5. 【請求項５】溶接リングを回転する前およびその段階に
    おいて、マンドレルが管要素の内部に配置され、且つ１
    対のクランプによって該管要素の内表面に対して締付け
    られ、摩擦溶接装置の管状端部のクランプが配置されて
    いる個所に対向する個所で該クランプを拡開して前記内
    表面に当接させる請求項３または４に記載の方法。
  6. 【請求項６】マンドレルを巻上げケーブルに固着した状
    態でマンドレルの約半分が第２管要素下端部から突出す
    るところまで該マンドレルを第２管要素内を下方向に移
    動させることによって、第２管要素を溶接リング上方の
    位置まで巻上げ、その後クランプの一方を拡開して管要
    素の内表面とマンドレルに当接させ、マンドレルを第２
    管部材を支持したままの状態で巻上げケーブルによって
    第１管要素上方の垂直位置まで上揚し、次にマンドレル
    の突出端を溶接リングを通して第１管要素内に挿入して
    マンドレルのもう一方のクランプを拡開することにより
    該管要素に固定する請求項５に記載の方法。
  7. 【請求項７】溶接リングを回転する段階の前に、マンド
    レルの下端部付近に装着されている密封カップを拡開し
    て第１管要素の内表面に当接させ、こうすることにより
    引火性流体が該第１管要素の内部を通って溶接リングの
    ある個所まで侵入するのを防止する請求項２または６に
    記載の方法。
  8. 【請求項８】坑井用管要素を結合するための装置であっ
    て、 第１管要素の上端部を坑井の入口付近に配置した状態で
    坑井内に懸吊し、該第１管要素を実質的に垂直位置に維
    持するための手段と、 前記懸吊した第１管要素および該要素頂部に配置した溶
    接リングの上方の垂直位置まで第２管要素を巻上げるた
    めの手段と、 前記両管要素を軸方向に相互に整列して固定するための
    クランプと、 前記クランプの間に装着されており、前記溶接リングを
    前記管要素に関して回転させると共に溶接リングが管要
    素と接触させて該溶接リングを半径方向に変形させなが
    ら溶接リングと管要素との間に摩擦溶接部を形成するの
    に十分な摩擦熱を発生するように構成されている回転式
    スリーブとを含んで成る装置。
  9. 【請求項９】溶接リングを回転させる段階において溶接
    リングの領域の前記管要素の内部と外部を封止するため
    の手段をさらに含んで成る請求項８に記載の装置。
  10. 【請求項１０】回転式スリーブがその両端部を軸受によ
    って管状端部に連結されており、該管状端部がそれぞれ
    その内表面に、一方の管要素の周囲に固着可能な前記ク
    ランプの１つを支持している請求項８に記載の装置。
  11. 【請求項１１】回転式スリーブが環状ピストンを含んで
    おり、前記環状ピストンが一連のつめセグメントのテー
    パ付外表面を取囲むテーパ付き内表面を有しており、使
    用時には前記ピストンをスリーブに関して軸方向に運動
    させることによって前記つめセグメントを溶接リングの
    周囲に締付けるように構成されている請求項８に記載の
    装置。
  12. 【請求項１２】回転式スリーブとエンドピースの間に密
    封リングが配設されており、使用時には溶接リングの周
    りに密閉室を形成するように構成されている請求項９ま
    たは11に記載の装置。
  13. 【請求項１３】各管状端部のクランプが該管状端部のテ
    ーパ付き内表面に含まれる一連の楔から成り、前記楔の
    各々がその一端部において、前記管状端部の終端にねじ
    込まれているナットによって該管状端部内を軸方向に可
    動であるアクチュエータリングに相対しており、また前
    記楔の各々がそのもう１つの端部においてテーパ付き側
    面を有するリングと相対しており、ナットの締付けによ
    って楔が内方向への運動をするのに応答して前記リング
    が作動し、管要素とそれを取囲む管状端部との間に形成
    される環状空間を密閉する請求項10または12に記載の装
    置。
  14. 【請求項１４】前記巻上げ手段がマンドレルを含んでお
    り、該マンドレルが、その間に回転式スリーブを配設し
    ている管状端部のクランプと同じ軸方向の間隔を有する
    １対のクランプによって管要素内部に固着できるように
    構成されている請求項10に記載の装置。
  15. 【請求項１５】前記マンドレルがその一端部において巻
    上げケーブルに連結可能であり、またその反対側の端部
    に密封カップを備えており、該密封カップが使用時に
    は、マンドレルを第１管要素に固定するクランプの作動
    に応答して第１管要素とマンドレルとの間に形成される
    環状空間を密閉するように構成されている請求項９また
    は14に記載の装置。
  16. 【請求項１６】マンドレル中間部が、管要素の内径より
    やや小さい外径を有するスプリット形溶接部支持スリー
    ブによって取囲まれている請求項14または15に記載の装
    置。
  17. 【請求項１７】溶接リングを回転させる段階およびその
    後において前記スプリット形溶接部支持スリーブと管要
    素の包囲部分とを所望の温度に維持するための加熱手段
    をマンドレルに設けている請求項16に記載の装置。
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