特許 6569355 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

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6569355

(24)【登録日】2019年8月16日

(45)【発行日】2019年9月4日

(54)【発明の名称】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

(51)【国際特許分類】

   E21B 17/00 20060101AFI20190826BHJP

【ＦＩ】

   E21B17/00

【請求項の数】3

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2015-147313(P2015-147313)

(22)【出願日】2015年7月27日

(65)【公開番号】特開2017-25643(P2017-25643A)

(43)【公開日】2017年2月2日

【審査請求日】2018年3月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001553

【氏名又は名称】アセンド特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】松本 圭司

【審査官】 亀谷 英樹

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１２／１１６０３６（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 特開昭５５−１５９０９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−２１５７９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００５／０９８３００（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０４６１０３２０（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特表２０１４−５０７５６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／０４５９７３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２００４−５０３３８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００３−５３５９７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第０１／０５９２４９（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 特開２００５−２４８３２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−０９０５３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５９０１７９８（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｅ２１Ｂ １／００−１９／２４

Ｅ２１Ｂ ４４／００−４４／１０

Ｃ２２Ｃ ３８／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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り、
前記ドリルパイプ及び／又は前記ツールジョイントは、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｚｎ及びＺｎ合金からなる群から選択される１種以上の金属被膜を外面に備え、
前記金属被膜の硬さは、前記ケーシングの硬さの０．８倍以下である、坑井の掘削方法。

【請求項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さらに、前記外面と前記金属被膜との間に硬化肉盛層を含む、坑井の掘削方法。

【請求項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、
前記金属被膜の厚さは、２〜２０ｍｍである、坑井の掘削方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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。

【0005】

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。

【0006】

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、傾斜掘削は、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、沿岸から海底にある石油を採取する場合等に実施される。

【0007】

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。この接触により、ケーシングに摩擦が発生する。

【0008】

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、ケーシングの摩擦が増大する。

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【特許文献1】国際公開第２００１／０５９２４９号

【特許文献2】国際公開第２０１２／１１６０３６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

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、硬質皮膜よりも軟質な、合金鋼からなるケーシングの摩耗は抑制されない。

【0015】

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

【課題を解決するための手段】

【0016】

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、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｚｎ及びＺｎ合金からなる群から選択される１種以上の金属被膜を外面に備える。

【発明の効果】

【0017】

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。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、本実施形態の掘削装置の全体図である。

【図2A】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】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】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】図２Ｄは、移着物の成長を示す図である。

【図3】図３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4A】図４Ａは、ケーシングの内面と金属被膜との接触を示す図である。

【図4B】図４Ｂは、ケーシングの内面の移着物を示す図である。

【図4C】図４Ｃは、移着物と金属被膜との接触を示す図である。

【図4D】図４Ｄは、移着物の成長の抑制を示す図である。

【図5】図５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。

【発明を実施するための形態】

【0019】

本実施形態の傾斜坑井の掘削方法は、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、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｚｎ及びＺｎ合金からなる群から選択される１種以上の金属被膜を外面に備える。

【0020】

傾斜掘削では、ドリルパイプ及び／又はツールジョイント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。ドリルパイプ及び／又はツールジョイントの外面にＡｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｚｎ及びＺｎ合金からなる群から選択される１種以上の金属被膜が形成されれば、ケーシングの凝着摩耗を抑制できる。詳細は後述する。

【0021】

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

【0022】

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

【0023】

好ましくは、金属被膜の硬さは、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金属被膜の硬さの比を、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。ツールジョイントの金属被膜がケーシングよりも軟質であるほど、摩耗形態は凝着摩耗ではなくアブレシブ摩耗となる。その結果、ケーシングの摩耗を抑制できる。より好ましい硬さ比は０．８以下である。

【0024】

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

【0025】

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。ケーシングが合金鋼である場合、ケーシングが炭素鋼である場合と比較して、ケーシングとツールジョイントとが摺動するとケーシングの移着物が成長し凝着摩耗が発生しやすい。しかしながら、ケーシングが合金鋼であっても、上述の坑井の掘削方法を適用すれば凝着摩耗を抑制できる。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

［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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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の方を平らに描き、相対的な凹凸として模式的に図示したものである。

【0037】

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を引き起こす。合金鋼は炭素鋼と比較して表層の熱伝導率が低い。そのため、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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

掘削作業の進行に伴うツールジョント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。

【0042】

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、種々の材料の組み合わせについて後述の実施例に示す摩耗試験（円筒−平面接触式摩耗試験）を実施した。その結果、次の知見を得た。

【0043】

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を形成するよりも、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｚｎ及びＺｎ合金（以下、これらの金属を特定金属ともいう）のいずれかからなる軟質の金属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。

【0044】

そこで、本実施形態では、図３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、特定金属からなる金属被膜１０を形成する。上記特定金属はケーシングよりも軟質である。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、金属被膜１０の一部が剥離してケーシング２に移着する。また、金属被膜１０は酸化されやすい。したがって、移着物も酸化されやすい。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。

【0045】

図４Ａ〜図４Ｄは、合金鋼からなるケーシング２と本実施形態の金属被膜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。この過程は、図４Ａ〜図４Ｄ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パイプ２の内面は粗さを有する。従って、本来は、図４Ａ〜図４Ｄにおいて、上側に描かれているケーシングパイプ２も下側に描かれている金属被膜１０と同様に凸部を有している。図４Ａ〜図４Ｄは、以下の説明を分かりやすくするために、ケーシングパイプ２の方を平らに描き、相対的な凹凸として模式的に図示したものである。

【0046】

傾斜掘削時に、ケーシング２が金属被膜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、金属被膜１０の一部が削られる。金属被膜１０のうち、削られた一部は、図４Ｂ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４Ｃに示すとおり、移着物１１が金属被膜１０と接触する。このとき、移着物１１により金属被膜１０がさらに削られ、図４Ｄに示すとおり、金属被膜１０の断片１２が新たに発生する。

【0047】

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。

【0048】

以上のとおり、本実施形態の金属被膜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。

【0049】

上述のとおり、金属被膜１０は、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｚｎ及びＺｎ合金からなる群から選択される１種以上である。これらの特定金属はいずれも、ケーシングの鋼（炭素鋼及び合金鋼）よりも軟質である。ここで、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎ等の金属は対応の元素と不純物からなる。Ａｌ合金は、Ａｌ含有量が質量％で５０％以上となる合金である。Ｃｕ合金は、Ｃｕ含有量が質量％で５０％以上となる合金であり、Ｚｎ合金は、Ｚｎ含有量が質量％で５０％以上となる合金である。各合金元素は、１又は複数の他の元素を含有する。たとえば、これらの合金は、チタン（Ｔｉ）、ケイ素（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リン（Ｐ）、スズ（Ｓｎ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）等である。

【0050】

好ましくは、金属被膜１０とツールジョイント７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、金属被膜１０がケーシング２との接触により摩滅した場合、硬化肉盛層によりツールジョイント７を保護できる。この場合、金属被膜１０は、硬化肉盛層の上に形成される。そのため、金属被膜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、金属被膜１０とケーシング２との接触により、金属被膜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。

【0051】

上述したように、凝着摩耗を抑制するためには、金属被膜１０が軟質である方が好ましい。具体的には、金属被膜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（金属被膜１０の硬さ／ケーシング２の硬さ）は０．８以下である。

【0052】

また、金属被膜１０の厚さは、２〜２０ｍｍであるのが好ましい。金属被膜１０の厚さが２ｍｍ未満の場合、ケーシング２との摩擦により、金属被膜１０が摩滅しやすい。金属被膜１０の厚さが２０ｍｍより大きい場合、金属被膜１０に亀裂が入りやすい。この亀裂を起点に、金属被膜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、金属被膜１０が部分的に摩滅することがある。さらに好ましくは、金属被膜１０の厚さは５〜１２ｍｍである。

【0053】

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の金属被膜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。

【0054】

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、金属被膜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金属被膜１０とを備える。

【0055】

ドリルパイプ４及びツールジョイント７に金属被膜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。金属被膜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。使用により金属被膜１０が損耗した場合、損耗した部分に直接新たな金属被膜１０を形成してもよい。また、機械的又は化学的に古い金属被膜１０を除去した後、新たな金属被膜を形成してもよい。

【0056】

［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。

【0057】

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。

【0058】

ケーシング２が挿入された後、ドリルパイプ４及び／又はツールジョイント７の外面に金属被膜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。本実施形態では、ドリルパイプ４及び／又はツールジョイント７が、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｚｎ及びＺｎ合金からなる群から選択される１種以上の金属被膜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。

【実施例】

【0059】

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。

【0060】

本試験では、図５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及び吐出装置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。

【0061】

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。具体的には、ディスク３２の材質（ＳＫＤ１１）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。側面３２Ａの表面粗さはＲａ０．０１μｍであった。側面３２Ａには、金属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１に示すとおりであった。なお、表１中の金属被膜の材質名の下の括弧内の記号はＪＩＳに規定される材料記号を示す。

【0062】

【表1】

【0063】

各ディスク３２の被膜の膜厚は、表１に示すとおりであった。なお、試験番号１３及び１４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１４では、側面３２Ａに、硬化肉盛層を形成した。試験番号１〜３、５〜９及び１２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１に示すとおりであった。

【0064】

表１中の各試験番号のディスク３２の側面３２Ａ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１〜５の被膜はそれぞれ、ＪＩＳ（日本工業規格）に規定されるＣ１０２０、Ｃ３６０４、Ｃ１２２０、Ｃ５２１０及びＣ６７８２に相当するＣｕ又はＣｕ合金であった。

【0065】

試験番号６〜９の被膜はそれぞれ、ＪＩＳに規定されるＡ１１００、Ａ５０５６、Ａ２０２４及びＡ７０７５に相当するＡｌ又はＡｌ合金であった。

【0066】

試験番号１０の被膜はＺｎであった。試験番号１１の被膜は、ＪＩＳに規定されるＺＤＣ２に相当するＺｎ合金であった。試験番号１２の被膜は質量％でＡｌ：４％、Ｃｕ：３％を含有し、残部はＺｎ及び不純物からなるＺｎ合金であった。

【0067】

試験番号１３は被膜を形成しなかった。なお、表１中、試験番号１３の「被膜硬さ」欄の括弧内数字は、ディスク（ＳＫＤ１１）の硬さを示し、「硬さ比」欄の括弧内数字は、ブロック（１３％Ｃｒ鋼）の硬さに対するディスク（ＳＫＤ１１）の硬さの比を示す。

【0068】

試験番号１４のディスクの表面は硬化肉盛層であった。硬化肉盛層は、炭化物粒子を分散させた硬質マルテンサイト鋼であった。炭化物粒子の材質は、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。硬化肉盛層厚さは１ｍｍとした。なお、表１中、試験番号１４の「被膜硬さ」欄の括弧内数字は、硬化肉盛層の硬さを示し、「硬さ比」欄の括弧内数字は、ブロック（１３％Ｃｒ鋼）の硬さに対する硬化肉盛層の硬さの比を示す。

【0069】

表１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、５、１０及び１１のブロック（低炭素１３％Ｃｒ鋼）は、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。

【0070】

試験番号２〜４、８、９、１２〜１４のブロック（１３％Ｃｒ鋼）は、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。

【0071】

試験番号６のブロック（炭素鋼）は、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。

【0072】

試験番号７のブロック（２５％Ｃｒ−３０％Ｎｉ合金）は、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。

【0073】

試験番号１〜１４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の量で吐出し続けた。試験開始時のブロック３１及びディスク３２の温度は、常温であった。

【0074】

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（ｍｍ）、及び、ディスク３２の摩耗深さ（ｍｍ）と定義した。

【0075】

［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。

【0076】

［試験結果］
試験結果を表１に示す。表１を参照して、試験番号１〜１２では、金属被膜はＡｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｚｎ又はＺｎ合金であった。そのため、ブロック３１の摩耗深さはいずれも１．０ｍｍ以下であった。また、ディスク３２の摩耗深さはいずれも３．０ｍｍ未満であった。

【0077】

さらに、試験番号１、３、４、６〜１２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５と比較して、ブロックの摩耗深さが小さかった。

【0078】

ブロックが同じ材質の試験番号２〜４、８、９、１２を比較して、試験番号２以外の被膜の膜厚は２ｍｍ以上であった。そのため、試験終了時に被膜は摩滅しなかった、一方、被膜の膜厚が２ｍｍ未満の試験番号２では、試験中に被膜が摩滅し、ディスク母材自体が摩耗した。また、試験番号１、５、１０、１１を比較して、試験番号１１以外は被膜の膜厚が２０ｍｍ以下であった。そのため、被膜の膜厚が２０ｍｍを超える試験番号１１では、被膜にクラックが形成されたのに対して、試験番号１、５、１０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。

【0079】

一方、試験番号１３及び１４では、金属被膜を形成しなかったため、ブロック３１の摩耗深さが２．０ｍｍを大きく超えた。

【0080】

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。

【符号の説明】

【0081】

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 金属被膜

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図5】