JP5487543B2

JP5487543B2 - 拡管性に優れた油井用鋼管

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Publication number: JP5487543B2
Application number: JP2008015105A
Authority: JP
Inventors: 光男木村; 全人田中
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2008-01-25
Filing date: 2008-01-25
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2028-01-25
Also published as: JP2009174658A

Description

本発明は、原油あるいは天然ガスの油井、ガス井（以下、これらを総称して単に油井という）内に埋設されて使用される油井用鋼管に係り、とくに拡管性の向上に関する。

地表から地下の油田まで油井管を敷設するには、まず地表から所定の深さまで掘削し、その中にケーシングと呼ばれる鋼管を埋設し壁の崩壊を防止する。その後、ケーシングの先端からさらに地下を掘削してより深い井戸とし、先に埋設したケーシング内を通して新たなケーシングを埋設する。この作業を繰り返して、最終的に油田に到達する油井管（チュービング）が敷設される。深度の深い井戸を掘削する場合には、直径の異なる多種類のケーシングを必要とする。原油やガスを通す油井管（チュービング）の径は定められているため、深度の深い井戸を掘削する場合には、径方向における掘削面積を広くする必要があり、掘削に要する費用は増大することになる。このため、油井の掘削費を低減することが強く要望されている。

このような要望に対し、例えば特許文献１、特許文献２には、井戸中でケーシング（鋼管）を、押拡げ加工等により拡管する方法が記載されている。特許文献１、特許文献２に記載された技術によれば、井戸中でケーシング（鋼管）を、半径方向に膨張させることにより、多段構造になったケーシング毎の直径を小さく抑えることができ、井戸上部のケーシングサイズを小さく抑えて、油井の掘削費を低減することが可能となるとしている。

また、例えば特許文献３には、質量％で、Ｃ：0.10〜0.45％、Si：0.1〜1.5％、Mn：0.10〜3.0％を含み、Ｐ、Ｓ、Al、Ｎを適正量に調整し、あるいはさらに適正量のCr，Mo，Ｖの１種または２種以上、および／または、Nb，Tiの１種または２種、および／または、Caの適正量を含有する組成を有し、拡管前の鋼管の強度（降伏強度ＹＳ（MPa））と結晶粒径（ｄ（μm））とが、次式
ｌｎ（ｄ）≦−0.0067ＹＳ＋8.09
の関係を満足する拡管加工後の耐食性に優れた拡管用油井鋼管が記載されている。しかし、特許文献３に記載された技術では、限界拡管率は高々30％以下であり、更なるコスト削減要求から、拡管率が30％を超える拡管性に優れた油井用鋼管が要求されている。

このような要求に対し、特許文献４には、質量％で、Ｃ：0.05〜0.30％、Si：0.2〜２％、Mn：0.7〜4.0％を含み、Ｐ、Ｓ、Ｎ、Ｏを適正量に調整し、あるいはさらに適正量のAl，Cr，Ni，Cu，Nb，Ｖ，Ti，Mo，Ｂ，Caの１種または２種以上の適正量を含有する組成を有し、組織中に５体積％以上の残留γ相を有する拡管性に優れる油井用継目無鋼管が記載されている。
特表平７−507610号公報国際公開WO98/00626号公報特開2002−266055号公報特開2006−9078号公報

しかし、特許文献４に記載された技術では、限界拡管率が30％を超える継目無鋼管が得られるとしているが、高強度であり、拡管に高エネルギーを要するため、拡管コストは高価となる。このため、さらに安価に拡管を行うことができる拡管性に優れた油井用鋼管が要求されている。
またさらに油井では、例えば特許文献４に記載されたような油井用鋼管同士をねじ継手で接続して使用している。このため、油井中で鋼管を拡管すると、ねじ継手部も拡管されることになる。しかし、高拡管性を有するねじ継手は、現状ではまだ開発されておらず、ねじ継手を含め高い拡管率で拡管した場合には、ねじ継手部からガスや原油が漏れ出すことが懸念されている。

このような従来技術の問題に鑑み、本発明は、拡管性に優れ、とくに拡管後のねじ継手部からのガス、原油等の漏れを防止できる、安価な、油井用鋼管を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記した目的を達成するために、まず、ねじ継手部からの漏れを防止する手段について鋭意研究した。その結果、ねじ継手部の拡管を不要とするか、あるいはねじ継手部以外の部位（母管部）に比べて、拡管量を少なくすることに思い至った。そして、ねじ継手部を母管部より少ない拡管量とするために、拡管性に優れた鋼管（母管）としたうえで、鋼管製造後に、予め、ねじが形成される鋼管の両端側を拡管し、その後、該拡管加工された部位側にねじを形成することに想到した。

さらに拡管性を向上した鋼管（母管）とするために、母管の拡管性に及ぼす各種要因の影響について鋭意研究した。その結果、材料因子として、所望の範囲内の降伏強さを有するとともに、所定値以上のｎ値を有することが重要であるという知見を得た。また、所望
の強度を確保するために、Ｃ，Si，Mn，Al，あるいはさらに，Cu、および／または、Ni、および／または、Ｖ，Ti，Zr，Ｂ，Ｗ、および／または、Caの、含有量を適正範囲内に調整し、熱処理を工夫することにより、所望の強度を有し、優れた拡管性を有する油井用鋼管とすることができることを知見した。

本発明は、かかる考えをもとに、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨はつぎの通りである。
（１）油井内に挿入された状態で拡管される油井用鋼管であって、該油井用鋼管が、質量％で、Ｃ：0.35％以下、Si：0.31％以下、Mn：0.10〜3.50％、Ｐ：0.07％以下、Ｓ：0.01％以下、Al：0.05％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、降伏強さ：350MPa以上520MPa以下、ｎ値：0.08以上を有し、かつｎ値と均一伸びu-Elとが次（２）式
ｎ＞0.007×（25−u-El）‥‥‥（２）
（ここで、ｎ：ｎ値、u-El：均一伸び（％））
を満足する鋼管であり、前記油井用鋼管の端面側が、次（１）式
拡管率＝［｛（プラグ外径）−（素管内径）｝／（素管内径）］×100（％）‥‥（１）
（ここで、プラグ外径：拡管用工具（プラグ）の外径（mm）、素管内径：鋼管端面側の加工前内径（mm））
で定義される拡管率で３％以上、拡管加工され、該拡管加工された部位にねじを形成してなることを特徴とする拡管性に優れた油井用鋼管。
（２）（１）において、前記組成に加えてさらに、質量％で、次Ａ群〜Ｄ群
Ａ群：Cu：3.5％以下、
Ｂ群：Ni：2.0％以下、
Ｃ群：Ｖ：0.20％以下、Ti：0.30％以下、Zr：0.20％以下、Ｂ：0.01％以下、Ｗ：1.0％以下のうちから選ばれた１種または２種以上、
Ｄ群：Ca：0.0005〜0.01％
のうちから選ばれた１群または２群以上を含有する組成とすることを特徴とする油井用鋼管。

本発明によれば、母管および継手部を含めて、油井内における厳しい拡管加工にも耐えうる、優れた拡管性を有する、安価な油井用鋼管を容易に製造でき、産業上格段の効果を奏する。

本発明の油井用鋼管は、両端面側が拡管加工され、該拡管加工された部位（拡管部）にねじを形成してなる、図１に示すような鋼管である。本発明では、鋼管（素管）の両端面側に素管内径より大きい各種外径を有するプラグをそれぞれ押し込み、所定の拡管率となるように予め拡管して拡管部を形成し、該拡管部にはさらにねじ加工を施し、ねじ加工部を形成する。これにより、ねじ継手部における油井内での拡管量を低減することができ、油井内での拡管作業を軽減することが可能となるうえ、油井内における拡管によるねじ継手部の特性劣化を防止、あるいは軽減でき、ねじ継手部からの漏れを防止できることになる。なお、拡管加工が施される領域は、鋼管の端面から管軸方向に所定の長さとする。ここでいう「所定の長さ」とは、鋼管の端部同士を適正にねじ接合するに必要なねじ加工部を、端面側に加工できる長さを意味する。

また、両端面側に形成するねじの形状はとくに限定する必要はないが、内容物（原油、ガス等）が漏れないような構造、例えばテーパーねじとすることが好ましい。
また、鋼管両端面側における拡管加工は、拡管率で３％以上とすることが好ましい。なお、拡管率は、下記（１）式
拡管率＝［｛（プラグ外径）−（素管内径）｝／（素管内径）］×100（％） ‥‥（１）
（ここで、プラグ外径：拡管用工具（プラグ）の外径（mm）、素管内径：鋼管端面側の加工前内径（mm））
で定義される。拡管率が３％未満では、油井内での高拡管に対応することができにくい。ここでいう「油井内での高拡管」とは、油井内での拡管率が10％以上の拡管をいうものとする。

また、本発明の油井用鋼管は、好ましくは降伏強さ：350MPa以上を有する鋼管である。油井用鋼管を油井内に挿入した状態で行う拡管は、通常、当該鋼管内に拡管用プラグを通して行うが、油井用鋼管の降伏強さが350MPa未満では、拡管用プラグを通す際に、座屈等の問題が生じ、適正な拡管を行うことができない場合がある。このため、十分な拡管性を確保するために、本発明では油井用鋼管の降伏強さを350MPa以上に限定することが好ましい。なお、より好ましくは550MPa以下である。さらに好ましくは350〜480MPaである。

また、本発明の油井用鋼管は、0.08以上のｎ値を有する鋼管とすることが、高拡管性を確保するうえで好ましい。ｎ値は、本発明者らの検討によれば、鋼管の拡管性に影響する重要な材料因子であり、更なる優れた拡管性を確保するために、本発明ではｎ値を0.08以上に限定することが好ましい。ｎ値が0.08未満では、所望の優れた拡管性を確保することが難しくなる。なお、より好ましくは0.10以上である。なお、ここでいう「ｎ値」は、管軸方向を引張方向とする引張試験片を用いてJIS Z 2253の規定に準拠して測定した値とする。

また、油井用鋼管の均一伸びu-Elが十分に大きければ、ｎ値が低くても、高い拡管率の拡管が可能であるが、しかし、均一伸びu-Elが小さいと、十分な拡管性を確保できなくなる。本発明者らの検討によれば、更なる優れた拡管性を安定して確保するためには、上記した範囲のｎ値を有するとともに、均一伸びu-Elに関連した所定値、すなわち次（２）式
ｎ＞0.007×（25−u-El）‥‥‥（２）
（ここで、ｎ：ｎ値、u-El：均一伸び（％））
を満足するｎ値を有することが好ましいという知見を得ている。ｎ値が（２）式を満足できない場合には、所望の更なる優れた拡管性を確保することが難しくなる。なお、均一伸びu-Elは、管軸方向を引張方向とする引張試験片を用いてJIS Z 2241の規定に準拠して測定した値を用いるものとする。

つぎに、本発明油井用鋼管の好ましい組成範囲およびその限定理由について、説明する。とくに断らない限り、質量％は、単に％で記す、
Ｃ：0.35％以下
Ｃは、鋼管強度に関係する重要な元素であり、所望の強度を確保するために、0.04％以上含有することが望ましいが、0.35％を超えて多量に含有すると、鋼管製造時に焼割れを発生する恐れが増大する。このため、Ｃは0.35％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.30％以下である。

Si：0.31％以下
Siは、通常の製鋼過程において脱酸剤として有用な元素である。このような効果を得るために0.05％以上含有することが望ましいが、0.31％を超える含有は、熱間加工性、さらには靭性を低下させる。このため、Siは0.31％以下に限定することが好ましい。

Mn：0.10〜3.50％
Mnは、固溶して鋼管強度を増加させる作用を有するとともに、ｎ値向上に有効に寄与する元素である。油井用鋼管として所望の強度を確保するために0.10％以上の含有することが望ましいが、3.50％を超える多量の含有は、靭性に悪影響を及ぼすとともに、鋼管製造時に焼割れを発生する恐れを増大させる。このため、Mnは0.10〜3.50％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.50％以上である。

Ｐ：0.07％以下
Ｐは、熱間加工性を低下させるとともに、耐硫化物応力腐食割れ性を劣化させる元素であり、本発明ではその含有量は可及的に少ないことが望ましいが、極端な低減は製造コストの高騰を招く。そのため、本発明ではＰは、工業的に比較的安価に実施可能でかつ、熱間加工性、耐硫化物応力腐食割れ性を低下させない範囲である、0.07％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.05％以下である。

Ｓ：0.01％以下
Ｓは、パイプ造管過程における熱間加工性を著しく劣化させる元素であり、本発明ではその含有量は可及的に少ないことが望ましいが、極端な低減は製造コストの高騰を招く。そのため、本発明ではＳは、通常の工程でのパイプ製造が可能な範囲である0.01％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.007％以下である。

Al：0.05％以下
Alは、強力な脱酸剤として作用するとともに、Ｎと結合し結晶粒を微細化する作用をも有する元素である。このような効果を安定して確保するために0.005％以上含有することが望ましいが、0.05％を超える含有は、靭性に悪影響を及ぼす。このため、Alは0.05％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.01〜0.03％である。

上記した成分が基本の成分であるが、本発明では上記した基本組成に加えて、さらに、Ａ群〜Ｄ群のうちから選ばれた１群または２群以上を含有できる。
Ａ群：Cu：3.5％以下、
Ａ群：Cuは、耐腐食性を向上させる元素であり、必要に応じて含有できる。

Cuは、保護皮膜を強固にして鋼中への水素の侵入を抑制し、耐硫化物応力腐食割れ性を向上させる作用を有する元素である。このような効果は0.2％以上の含有で顕著となるが、3.5％を超える含有は、高温で粒界にCuSが析出し、熱間加工性を低下させる。このため、Cuは3.5％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.2〜1.0％である。

Ｂ群：Ni：2.0％以下、
Ｂ群：Niは、靭性の向上に有効に寄与する元素である。また、Cuを含有する場合には圧延時の割れを防止するのに有効に寄与する。このような効果を得るためには0.1％以上含有することが望ましいが、2.0％を超えて含有しても、効果が飽和し含有量に見合う効果が期待できなくなる。このため、Niは2.0％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.1〜1.5％である。

Ｃ群：Ｖ：0.20％以下、Ti：0.30％以下、Zr：0.20％以下、Ｂ：0.01％以下、Ｗ：1.0％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｃ群：Ｖ、Ti、Zr、Ｂ、Ｗはいずれも、鋼管強度を増加させる作用を有する元素であり、必要に応じて選択して含有できる。

Ｖは、焼入れ性の向上を介して、鋼管強度の増加に寄与する元素であるが、耐硫化物応力腐食割れ性を向上させる元素でもある。このような効果を得るためには、0.02％以上含有することが望ましいが、0.20％を超える含有は、靭性を低下させる。このため、Ｖは0.20％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.03〜0.10％である。

Tiは、鋼管強度を増加させ、耐応力腐食割れ性を改善する作用を有する元素である。このような効果は、0.01％以上の含有で顕著となるが、0.30％を超える含有は、靱性を劣化させる。このため、Tiは0.30％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.02〜0.15％である。
Zrもまた、鋼管強度を増加させ、耐応力腐食割れ性を改善する作用を有する元素である。このような効果は、0.01％以上の含有で顕著となるが、一方、0.20％を超える含有は、靱性を劣化させる。このため、Zrは0.20％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.01〜0.10％である。

Ｂもまた、鋼管強度を増加させ、耐応力腐食割れ性を改善する作用を有する元素である。このような効果は、0.0003％以上の含有で顕著となるが、一方、0.01％を超える含有は、靱性を劣化させる。このため、Ｂは0.01％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.0003〜0.005％である。
Ｗもまた、鋼管強度を増加させ、耐応力腐食割れ性を改善する作用を有する元素である。このような効果は、0.2％以上の含有で顕著となるが、一方、Ｗ：1.0％を超える含有は、靱性を劣化させる。このため、Ｗは1.0％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.2〜0.8％である。

Ｄ群：Ca：0.0005〜0.01％
Ｄ群：Caは、ＳをCaSとして固定しＳ系介在物を球状化する作用により、介在物の周囲のマトリックスの格子歪を小さくして、水素のトラップ能を下げる作用を有する元素である。このような効果を得るためには0.0005％以上の含有が必要であるが、0.01％を超える含有は、CaOの増加を招き、耐CO₂腐食性、耐孔食性が低下する。このため、Caは0.0005〜0.01％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.001〜0.005％である。

上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。不可避的不純物としては、Ｏ：0.004％以下が許容できる。
つぎに、本発明油井用鋼管の好ましい製造方法を、素管とする鋼管を継目無鋼管とした場合を例にして説明する。なお、本発明では鋼管は、継目無鋼管に限定されるものではなく、溶接鋼管（電縫鋼管）としてもよいのは言うまでもない。

上記した組成を有する溶鋼を、転炉、電気炉、真空溶解炉等の通常の溶製方法で溶製し、連続鋳造法、造塊−分塊圧延法等の通常の方法でビレット等の鋼管素材とすることが好ましい。ついで、これら鋼管素材を加熱し、通常のマンネスマン−プラグミル方式、あるいはマンネスマン−マンドレルミル方式の製造工程を用いて熱間加工し造管して、所望の寸法の継目無鋼管とする。造管後、鋼管は、通常工程と同様に、空冷程度の冷却速度で室温程度の温度まで冷却することが好ましい。

本発明の鋼管は、造管まま鋼管を用いてもよいが、造管まま鋼管を素管とし、該素管に、さらに熱処理を施した鋼管とすることが好ましい。熱処理としては、焼入れ−焼戻処理、あるいは焼準−焼戻処理、あるいは焼戻処理とすることが好ましい。
なお、焼戻処理に代えて、Ａc₁変態点以上Ａc₃変態点以下の二相域の温度に加熱し冷却する、二相域処理としてもよい。また、焼戻処理、二相域処理は少なくとも２回繰り返す処理としてもよい。これにより、拡管性がさらに向上する。

上記したように、熱処理を施された鋼管（素管）は、ついで、両端面側に拡管加工を施される。拡管加工は、好ましくは通常、当該鋼管内に拡管用プラグを挿入して行う。本発明では、素管の両端面側に素管内径より大きい各種外径を有するプラグをそれぞれプレス等で押し込み、好ましくは３％以上の、所定の拡管率となるように予め拡管加工して拡管部を形成する。なお、拡管加工が施される領域（拡管部）は、素管の端面から管軸方向に、適正長さのねじが加工できる長さとする。ついで、該拡管部に、適正長さのねじを加工し、ねじ加工部を形成し、本発明の油井用鋼管を得る。

さらに、実施例に基づき本発明をさらに詳細に説明する。

表１に示す組成の溶鋼を、真空溶解炉で溶製し、十分に脱ガスした後、100キロ鋼塊とし、研究用モデルシームレス圧延機で熱間加工を施して造管し、継目無鋼管（外径5.5in.φ（139.7mmφ）×肉厚0.5in.（12.7mm））とした。なお、造管後、室温まで空冷とした。
次いで各鋼管に、表２に示す条件で、熱処理を施した。なお、一部の鋼管では熱間圧延まま（造管まま）とした。

また、上記した鋼管から、APIの規定に準拠して、管軸方向を引張方向とする引張試験片（弧状試験片：GL：25.4mm）を切り出し、APIの規定に準拠して、引張試験を実施し、引張特性（降伏強さYS、引張強さTS、均一伸びu-El）を求めた。また、同時に、JIS Z 2253の規定に準拠してｎ値を求めた。
また、上記した鋼管から、拡管試験片（鋼管：長さ300mm）を採取した。これら拡管試験片（鋼管）に、拡管試験片（鋼管）の内径より大きい各種外径を有するプラグを順次、プレスにより押し込み、亀裂が発生した時点のプラグ径を求め、次式
限界拡管率＝［｛（亀裂が発生したときのプラグ外径）−（試験材内径）｝／（試験材内径）］×100（％）
で限界拡管率を算出した。なお、使用したプラグの外径は、拡管率が５％刻みとなるように配慮した。

得られた結果を表２に示す。
ついで、表２に示す特性を有する鋼管（素管）の両端面側に、表３に示す拡管率となるように、各種外径を有するプラグをプレスで押し込み、拡管加工を施した。拡管加工は、鋼管同士をねじ接合可能なように、同一条件で少なくとも２本について行った。なお、拡管率は次（１）式
拡管率＝［｛（プラグ外径）−（素管内径）｝／（素管内径）］×100（％） ‥‥（１）
（ここで、プラグ外径：拡管用工具（プラグ）の外径（mm）、素管内径：鋼管端面部の加工前内径（mm））
を用いて算出した。

ついで拡管加工を施された拡管加工部に、ねじ加工を施した。加工されたねじは、テーパねじ（テーパ角：１／８、ピッチ：１／６in.長さ：4.715in.）とし、鋼管の一方の端面側を雄ねじ、他方を雌ねじとした。
得られた同一条件の鋼管同士をねじ接合したのち、さらに、所定の内径となるように、母管およびねじ継手部に接合後の拡管加工を施した。なお、拡管加工は、ねじ加工前の端面側拡管加工を含め、合計で25％の拡管率となるように施した。接合後の拡管加工を施された鋼管について水圧試験（圧力：８MPa）を実施し、ねじ継手部からの漏れの有無を確認した。

得られた結果を表３に示す。

本発明例はいずれも、ねじ継手部からの漏れは認められなかった。一方、本発明の範囲を外れる比較例は、ねじ継手部からの漏れが認められた。また、本発明の好適範囲を満足する本発明例は、限界拡管率が25％以上と、優れた拡管性を有する鋼管となっている。

本発明の油井用鋼管の概略形状を示す断面図である。

Claims

油井内に挿入された状態で拡管される油井用鋼管であって、
該油井用鋼管が、質量％で、
Ｃ：0.35％以下、 Si：0.31％以下、
Mn：0.10〜3.50％、Ｐ：0.07％以下、
Ｓ：0.01％以下、 Al：0.05％以下
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、降伏強さ：350MPa以上520MPa以下、ｎ値：0.08以上を有し、かつｎ値と均一伸びu-Elとが下記（２）式を満足する鋼管であり、
前記油井用鋼管の端面側が、下記（１）式で定義される拡管率で３％以上、拡管加工され、該拡管加工された部位にねじを形成してなることを特徴とする拡管性に優れた油井用鋼管。
記
拡管率＝［｛（プラグ外径）−（素管内径）｝／（素管内径）］×100（％）‥‥（１）
ここで、プラグ外径：拡管用工具（プラグ）の外径（mm）
素管内径：鋼管端面側の加工前内径（mm）
ｎ＞0.007×（25−u-El）‥‥‥（２）
（ここで、ｎ：ｎ値、u-El：均一伸び（％））
前記組成に加えてさらに、質量％で、下記Ａ群〜Ｄ群のうちから選ばれた１群または２群以上を含有する組成とすることを特徴とする請求項１に記載の油井用鋼管。
記
Ａ群：Cu：3.5％以下、
Ｂ群：Ni：2.0％以下、
Ｃ群：Ｖ：0.20％以下、Ti：0.30％以下、Zr：0.20％以下、Ｂ：0.01％以下、Ｗ：1.0％以下のうちから選ばれた１種または２種以上、
Ｄ群：Ca：0.0005〜0.01％