JP3788252B2

JP3788252B2 - 拡管加工用鋼管

Info

Publication number: JP3788252B2
Application number: JP2001065418A
Authority: JP
Inventors: 勇次荒井; 邦夫近藤
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-03-08
Filing date: 2001-03-08
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2021-03-08
Also published as: JP2002266582A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油井戸またはガス井戸に挿入された状態で拡管加工を行われ、このままで使用される鋼管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、油井戸またはガス井戸（以下、単に井戸という）の従来の施工を模式的に示す垂直断面図である。同図に示すように、従来は、まず第１の管１を井戸の土中に埋設し、その内側に第２の管２を埋設し、以下順次、第３の管３および第４の管を埋設し、最後に、油井またはガス井に到達する第５の管５を埋設することによって、井戸１０を施工していた。その為、より深い井戸を構築するためには、その深さに応じて使用する鋼管の量が増えると共に堀削面積も拡大するため、相当な施工コストを要していた。
【０００３】
これまで、井戸に使用される鋼管については、材料自体の高強度化により薄肉化を図り、材料使用量の低減により施工コストの削減が図られてきたものの、材料使用量の低減による施工コストの削減は限界に達した感があった。そこで、より一層、施工コストを削減するために、既に埋設された鋼管の内部に他の鋼管を挿入し、この鋼管に拡管加工を行うことによって、鋼管使用量を削減するという新しい施工方法が開発され、実用化に向けて検討されている。
【０００４】
図２は、この新しい施工方法による井戸１０の施工要領を模式的に示す説明図である。同図に示すように、この施工方法は、先に土中に埋設された管７の外径よりも小さな外径の管８を井戸内に挿入し、この管にマンドレル９などの拡管加工用工具を用いて拡管加工を施し、これにより、管８を管７に勘合させた状態で使用し、以下井戸の深さに応じて係る作業を適当な回数繰り返していくものである。この施工方法によれば、同一外径の管を使用する深さを、従来よりも大幅に増加することが可能となる。
【０００５】
図３は、この施工方法により施工された井戸１０の一例を示す説明図である。同図に示すように、この新しい施工方法によれば、従来の施工方法に比較して、最も外側の管１１の径を小さくすることができ、井戸当たりの管１１〜１４の総使用量と掘削面積を減らすことができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、地中に埋設された鋼管は、地中の圧力を受けるため、耐コラプス性、すなわち耐圧潰性が要求される。一般的に、拡管加工を施された鋼管は、耐コラプス性が低下することが知られている。この新しい施工方法に供される鋼管を対象としたものでないが、耐コラプス性を高める技術として、例えば、特開平９−３１６５３９号公報には、焼き入れ焼き戻しを行った鋼管を温間矯正し、このとき鋼管内面に生じた周方向圧縮残留応力を、次工程の水冷により鋼管内面に発生する周方向引張残留応力で相殺して、製品の周方向残留応力を低減し、耐コラプス性を高める技術が開示されている。
【０００７】
新しい施工方法に供される鋼管は、井戸内で拡管加工してそのままの状態で使用されるため、拡管加工後に熱処理を行うことができず、拡管加工後の品質も殆ど確認できない。拡管加工後、品質を確認することができたとしても、既に拡管加工された鋼管を地中から引き上げることは現実には不可能である。このため、この新しい施工方法に供される鋼管には、拡管加工に伴う耐コラプス性の低下の小さい鋼管が要求される。
【０００８】
本発明は、井戸内に挿入された状態で拡管加工を行われて使用される鋼管であって、拡管加工による耐コラプス性の低下の小さい鋼管を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、耐コラプス性の低下の小さい鋼管について鋭意検討を重ね、以下ａ〜ｅの知見を得た。以下、鋼管を単に管ともいう。
【００１０】
ａ．拡管加工により、管肉厚が減少して耐コラプス性が低下する。管肉厚の減少量は、拡管加工用工具と管内面との間の摩擦力が大きいほど顕著になる。従って、拡管加工用工具と管内面との間の摩擦係数を小さくすることにより、管肉厚の減少が抑制される。
【００１１】
ｂ．拡管加工により、管内面の周方向に引張残留応力または圧縮残留応力が発生する。拡管加工用工具と管内面との間の摩擦力が小さいと、引張残留応力が発生し、摩擦力が大きいと、圧縮残留応力が発生する。特に、圧縮残留応力が発生すると、耐コラプス性は著しく低下する。
【００１２】
ｃ．拡管加工用鋼管として、予め内面に潤滑被膜を形成した鋼管を用いることにより、管肉厚の減少が抑制され、かつ、残留応力が適正化され、耐コラプス性の低下が抑制される。
【００１３】
ｄ．潤滑被膜として、例えば、黒鉛や二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤を樹脂に分散した樹脂被膜などを用いることができる。樹脂被膜中の樹脂と固体潤滑剤との質量比（固体潤滑剤の質量／樹脂質量）は０．０１〜０．５０とするのがよい。
【００１４】
ｅ．潤滑被膜の動摩擦係数が０．４を超えると、圧縮残留応力が発生し、耐コラプス性が著しく低下することがある。また、動摩擦係数が０．１未満では、引張残留応力が大きくなり、耐コラプス性の低下が大きくなることがある。
【００１５】
ｆ．潤滑被膜の動摩擦係数が０．４を超えると、管肉厚の減少が大きくなり、耐コラプス性が著しく低下することがある。
ｇ．従って、潤滑被膜の動摩擦係数は０．１以上、０．４以下とするのがよい。
【００１６】
なお、潤滑被膜の動摩擦係数は、以下に示すバウデン試験にて測定されたものとして規定される。
図４は、バウデン型試験装置で潤滑被膜の動摩擦係数を測定する方法を模式的に示す概要図である。同図で、符号２１は試験片、２２は半球状押圧子、２３はばねを示す。図４に示すように、バウデン型試験装置は、半球状押圧子２２とばね２３とを備え、表面に潤滑被膜が形成され図面の左右方向（矢印方向）に摺動する試験片２１に、半球状押圧子２２を所定の押圧加重Ｐで押圧し、その際のばね２３の変位を測定し、このばねの変位とばね剛性とから試験片と半球状押圧子との摩擦力Ｆを求めることにより、潤滑被膜の動摩擦係数μが、μ＝Ｆ／Ｐで演算される。ただし、試験片と半球状押圧子との相対速度：４０ｍｍ／秒、押圧加重：３０ＭＰａ、試験温度：常温、半球状押圧子は材質が高炭素軸受け鋼（ＳＵＪ２）で、ロックウェル硬さ６３以上、半球状押圧子の表面粗さはＲｍａｘで０．１μｍ以下である。
【００１７】
本発明は、上記知見に基づいて完成されたもので、その要旨は、以下の通りである。
（１）油井戸またはガス井戸内に挿入された状態で拡管加工を行われて使用される鋼管であって、該鋼管の実質的に内面の全長に亘り潤滑被膜を備え、且つ潤滑被膜の動摩擦係数が０．１以上、０．４以下であることを特徴とする拡管加工用鋼管。
【００１８】
（２）上記潤滑被膜が固体潤滑剤を含有する樹脂被膜であることを特徴とする上記（１）項に記載の拡管加工用鋼管。
（３）樹脂被膜中の樹脂と固体潤滑剤との質量比（固体潤滑剤の質量／樹脂質量）が０．０１〜０．５０であることを特徴とする上記（２）項に記載の拡管加工用鋼管。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の鋼管の実施の形態について、その特徴毎に詳細に説明する。
（１）潤滑被膜：
潤滑被膜を形成された鋼管は拡管加工が実施される井戸まで搬送されるので、搬送中も脱落しない高い密着性と、高い潤滑性の確保が要求される。このような潤滑被膜としては、例えば、固体潤滑剤を樹脂に分散させた樹脂被膜やコンパウンドグリスなどの半固体状潤滑被膜などが挙げられる。また、潤滑被膜として、二硫化モリブデンや二硫化タングステンなどをイオンプレーティングで積層した固体被膜を用いてもよい。特に、樹脂被膜は、高い密着性と、高い潤滑性を備えており、また被膜の形成が容易であり実用性が高い。したがって、潤滑被膜としては、樹脂被膜が望ましい。
【００２１】
固体潤滑剤としては、黒鉛、二硫化モリブデンあるいは二硫化タングステンを単体で、またはこれらの２種以上を混合して用いることが望ましい。なお、固体潤滑剤として、金属石鹸、例えば、リン酸エステル系、硫酸エステル系、あるいは脂肪酸エステル系のＣａ塩やＺｎ塩などを用いてもよい。
【００２２】
樹脂としては、固体潤滑剤のバインダとしての機能と適度な硬さを有する材料を用いる。このような材料にはエポキシ系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、ポリイミド系樹脂などを挙げることができる。
【００２３】
潤滑被膜の厚さが過小では潤滑性の向上効果が小さく、厚さが過大では剥離しやすい。したがって、潤滑被膜の厚さは１μｍ以上、５０μｍ以下とするのが望ましい。潤滑被膜の厚さの下限値は１０μｍとするのがより望ましい。
【００２４】
本実施の形態の鋼管は、このような潤滑被膜を実質的に内面の全長に亘り備える。実質的に内面の全長に亘り備えるとは、少なくとも拡管加工が施される内面全長に潤滑被膜が形成されていることを意味する。
【００２５】
（２）樹脂被膜中の樹脂と固体潤滑剤との質量比：
固体潤滑剤は、樹脂被膜の潤滑性を高める作用をなす。しかしながら、樹脂被膜中の固体潤滑剤の割合が高くなると、樹脂被膜の密着性が低下する。樹脂被膜中の固体潤滑剤の割合が低くなると、樹脂被膜の潤滑性が低下する。したがって、樹脂被膜中の樹脂と固体潤滑剤との質量比（固体潤滑剤の質量／樹脂の質量）は、０．０１以上、０．５０以下とするのが望ましい。更に好ましくは、０．０１以上、０．１５以下である。
【００２６】
（３）潤滑被膜の動摩擦係数：
管内面と潤滑被膜との間の動摩擦係数が大きくなると、拡管加工の際の管軸方向の引張力が増大し、耐コラプス性の低下の原因となる管肉厚の減少量が増加する。また、動摩擦係数が過大となると、残留応力が圧縮となり、耐コラプス性が著しく低下することがある。一方、管内面と潤滑被膜との間の動摩擦係数が過小となると、引張残留応力が大きくなり、耐コラプス性の低下が大きくなることがある。したがって、潤滑被膜の動摩擦係数は、前述したバウデン試験で規定される値で、０．１以上、０．４以下とするのが望ましい。更に望ましくは、０．１以上、０．３以下であり、なお、更に望ましくは、０．２以上、０．３以下である。
【００２７】
次に、本発明に係る潤滑被膜の形成方法を樹脂被膜を例に説明する。
例えば圧延により製造された鋼管の内面をデスケーリング処理した後、前述した固体潤滑剤と樹脂とにトルエンやイソプロピルアルコールなどの分散剤を加えて混合した液中にデスケーリング処理した鋼管を浸漬し、その後、１００〜２００℃で加熱処理することにより鋼管内面に樹脂被膜を形成することができる。
【００２８】
Ｃｒ含有量が１０質量％を超える成分を有する高Ｃｒ鋼管では、被膜の付着性を向上させるために、デスケーリング後、管内面に窒化処理や鉄合金めっきなどの下地処理を行い、その上に樹脂被膜を形成するのがよい。
【００２９】
コンパウンドグリスなどの半固体状潤滑被膜を形成する場合は、デスケーリング処理した鋼管内面にグリスを直接塗布することにより形成することができる。
この本実施の形態の鋼管は、前述したように、井戸内に挿入された状態で拡管加工を行われて使用されるため、素材鋼管自体の製法は特に限定されるものでなない。例えば、鋼板の突き合わせ部分を溶接した溶接鋼管や鋼片から継ぎ目無く製造された継目無鋼管などを適用することができる。
【００３０】
また、同様に、鋼管の材質も特に限定されるものではない。例えば、炭素鋼、低合金鋼、高合金鋼などを適用することができる。但し、高Ｃｒ鋼管に樹脂被膜を形成する場合には、内面に下地処理を施した鋼管を用いるのが望ましい。
【００３１】
この本実施の形態の鋼管は、前述したように、井戸内に挿入された状態で拡管加工を行われて使用されるものであり、拡管加工方法自体については特に限定されるものではない。例えば、拡管加工方法としては、管内部に挿入したテーパ付きマンドレルを液圧で引き上げる方法や、テーパ付きマンドレルに芯金を装着し、この心金を機械的に引き抜く方法などが挙げられる。テーパ付きマンドレルのテーパ角が小さすぎるとマンドレルと鋼管内面との摩擦力が増加し、管の変形状態が不安定になり易いという問題があり、また、テーパ角が大きすぎるとマンドレルと鋼管との接触部の面圧が著しく大きくなり、焼き付き等の問題を引き起こしやすい。従って、テーパ角は、５〜４５度が望ましい。より好ましくは１０〜３０度である。
【００３２】
【実施例】
マンネスマン−マンドレル製管法にて熱間圧延後、オーステナイト域に再加熱し均熱した後、水焼き入れ、焼き戻し処理を施し、外径１３９．７ｍｍ、肉厚１０．５ｍｍの低合金製（Ｃ：０．２４質量％、Ｍｎ：１．３質量％、Ｃｒ：０．２質量％、Ｖ：０．０１質量％）の継目無鋼管を製造した。この管の強度グレードは、ＡＰＩ−Ｌ８０グレード相当品（引張強度：５７０ＭＰａ）とした。
【００３３】
上記管の内面をショットで脱スケール処理した後、二硫化モリブデンと黒鉛との混合粉末とエポキシ系樹脂とに分散媒としてトルエンとイソプロピルアルコールとの混合液を加えて混合した液中に浸漬し、その後、１５０℃の加熱処理を施して、内面の全長に亘り樹脂被膜を形成する方法で、固体潤滑剤である混合粉末と樹脂との質量比が異なる潤滑被膜を有する６種類の管（Ｐ１〜Ｐ６）を製作した。なお、上記液中、質量％で、混合粉末とエポキシ系樹脂との合計を３５％、分散媒の混合液を６５％とした。
【００３４】
潤滑被膜を施した管からサンプルを切り出し、このサンプルを用いて、潤滑被膜の動摩擦係数を測定した。動摩擦係数の測定は、図４に示すバウデン型試験装置を用い、前述した試験方法、試験条件で行った。なお、脱スケールしたままの状態の管（Ｐ７）からサンプルを切り出し、この管の動摩擦係数も調査した。表１に固体潤滑剤と樹脂との質量比と動摩擦係数の測定結果を示す。
【００３５】
【表１】

【００３６】
表１に示すように、質量比の増加と共に動摩擦係数は小さくなり、質量比が０．０１（１％）以上で、動摩擦係数が０．３以下となった。
次に、内面に潤滑被膜を形成した管と脱スケール処理したままの状態の管とを対象に、拡管加工試験を実施した。
【００３７】
図５は、拡管加工試験の要領を示す概要図である。同図で、符号２５は管、２６は拡管加工用工具であるプラグを示す。図５に示すように、管２５の一端を固定し、管２５の内部に挿入したテーパ角αが１０度または２０度のプラグ２６を引き抜く方法にて、管内径の拡大率（管内径の拡大量（ｄ１−ｄ０）／管内径ｄ０×１００％）が２０％または３０％の拡管加工を行い、仕上管を得た。ここでｄ１は仕上管（拡管加工後の管）内径、ｄ０は拡管加工前の管内径である。
【００３８】
拡管加工で得られた仕上管の肉厚を測定し、肉厚の減少率（肉厚減少量／素管肉厚×１００％）を算出するとともに、仕上管の内面の残留応力と、圧潰圧力（コラプス強度）を測定した。なお、肉厚の減少率を減肉率ともいう。
【００３９】
管内面の残留応力は、歪ゲージ法により測定した。すなわち、拡管加工後の管の内面周方向に歪みゲージを貼付した後、管を小片に切断し、その際、小片に発生する歪みを測定し、この歪みから残留応力を求めた。
【００４０】
図６は、圧潰圧力の測定方法を示す模式図である。同図で、符号３１は容器、３２は管、３３は水を示す。図６に示すように、容器３１内に管３２を設置し、管の外側から静水圧（図中矢印で示す）を負荷し、管が潰れ始めたときの静水圧を測定し、圧潰圧力とした。
【００４１】
表２に、試験条件Ａ（テーパ角α：１０度、拡大率：２０％）、試験条件Ｂ（テーパ角α：２０度、拡大率：２０％）および試験条件Ｃ（テーパ角α：２０度、拡大率：３０％）での減肉率、残留応力および圧潰圧力の比（拡管後管の圧潰圧力／拡管前管の圧潰圧力）を示す。
【００４２】
【表２】

【００４３】
図７は、本例における動摩擦係数と減肉率との関係を示すグラフである。
図８は、本例における動摩擦係数と残留応力との関係を示すグラフである。
図９は、本例における動摩擦係数と圧潰圧力の比との関係を示すグラフである。
【００４４】
表２および図７に示すように、動摩擦係数が０．３以下の潤滑被膜を形成した管を用いると、潤滑被膜を形成しない管に比べ、減肉率が大幅に抑制された。
また、表２および図８に示すように、動摩擦係数が０．３以下での潤滑被膜を形成した管を用いると、管内面の周方向残留応力は引張応力となることが判った。
【００４５】
表２および図９に示すように、動摩擦係数が０．３以下の潤滑被膜を形成した管は、潤滑被膜を形成しない管に比べ、圧潰圧力の低下が著しく抑制された。特に、動摩擦係数が０．２〜０．３の潤滑被膜を形成した管が良好であった。
【００４６】
【発明の効果】
本発明により、拡管加工による耐コラプス性の低下の小さい管を提供すること、より具体的には、井戸に挿入された状態で拡管加工を行われ、このままで使用される管を提供することができる。したがって、本発明により、井戸当たりの鋼管の総使用量と掘削面積を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】井戸の従来の施工を模式的に示す垂直断面図である。
【図２】新しい施工方法による井戸の施工要領を模式的に示す説明図である。
【図３】新しい施工方法により施工された井戸の一例を示す説明図である。
【図４】バウデン型試験装置で潤滑被膜の動摩擦係数を測定する方法を模式的に示す概要図である。
【図５】拡管加工試験の要領を示す概要図である。
【図６】圧潰圧力の測定方法を示す模式図である。
【図７】本例における動摩擦係数と肉厚減少率との関係を示すグラフである。
【図８】本例における動摩擦係数と残留応力との関係を示すグラフである。
【図９】本例における動摩擦係数と圧潰応力の比との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１〜５、７、８、１１〜１４、２５、３２：管、
１０：井戸、９：マンドレル、
２１：試験片、２２：半球状押圧子、２３：ばね、
２６：プラグ、３１：容器、
３３：水。

Claims

油井戸またはガス井戸内に挿入された状態で拡管加工を行われて使用される鋼管であって、該鋼管の実質的に内面の全長に亘り潤滑被膜を備え、且つ潤滑被膜の動摩擦係数が０．１以上、０．４以下であることを特徴とする拡管加工用鋼管。
上記潤滑被膜が固体潤滑剤を含有する樹脂被膜であることを特徴とする請求項１に記載の拡管加工用鋼管。
樹脂被膜中の樹脂と固体潤滑剤との質量比（固体潤滑剤の質量／樹脂質量）が０．０１〜０．５０であることを特徴とする請求項２に記載の拡管加工用鋼管。