JP6596153B2 - 高強度、高衝撃靭性および優れた疲労寿命を有する泥水モータのシャフト用途のための合金鋼 - Google Patents

Description

本発明は、強度、靭性、および疲労寿命の固有の組み合わせを提供する合金鋼に関する。より詳細には、本発明は、上記合金鋼から製造された有用な物品、および上記物品の製造方法に関する。

油井の傾斜掘削には、しばしば泥水モータの使用を必要とする。泥水モータ（またはドリルモータ）は、掘削しながらビットに付加的な動力を提供するために、ドリルストリング内に配置された容積式一軸偏心ねじポンプ（ＰＣＰＤ）である。ＰＣＰＤポンプは、泥水モータ軸および等速軸継手を経由してドリルビットに同心動力として転送される上記モータの動力部に偏心運動を生じるために（一般に掘削泥水、または単に泥とも呼ばれる）掘削流体を使用する。ドリルビットは、掘削作業中に硬度と強度を変化させる堆積に遭遇するので、上記軸を通って同心動力としての偏心運動の伝達は、高い衝撃靭性並びに良好な回転曲げ疲労寿命を有する強い軸材料を必要とする。選択肢の現行材料は、室温で約１５０ｋｓｉ（１，０３４ＭＰａ）の降伏強度（ＹＳ）および約４０ｆｔ−ｌｂｓ（５４．２Ｊ）のＶ‐ノッチシャルピー衝撃エネルギー（ＣＶＮ ＩＥ）を提供することが知られている４３３０Ｖ合金である。

最近、上記４３３０Ｖ軸材料が許容されるまでは。現在、頁岩などの異なる堆積物中へのより深い井戸の掘削で、４３３０Ｖ合金によって提供されるよりも良好な靭性を有するより強い軸材料が要求されている。

前述の要求は、本発明による合金によって大幅に実現される。本発明の１つの態様によれば、以下の範囲の広いおよび好ましい重量％組成を有する高強度、高衝撃靭性の合金鋼が提供される。

残りに含まれるのは、同様の用途のために製造された市販グレードの合金鋼の中に含まれる通常の不純物並びに溶融時の脱酸素添加物および/または脱硫添加物から残る少量の他の元素である。

上記表を便利な概要として提供するが、互いと組み合わせて用いるための個々の元素の範囲の下限値および上限値を制限しようとするものではなく、また、単に互いと組み合わせて用いるための元素の範囲を制限しようとするものではない。従って、上記範囲の１つ以上を、残りの元素のための他の範囲の１つ以上と共に使用することができる。加えて、範囲の広いまたは好ましい組成の元素のための最小値または最大値は、別の好ましい組成または中間組成の同じ元素のための最小値または最大値と共に使用することができる。特に断らない限り、ここでおよび本明細書を通じて、用語「％」または記号「％」は、重量％または質量％を意味する。

本発明による合金は、少なくとも約２５ｆｔ−ｌｂｓの室温ＣＶＮ ＩＥと組み合わせて少なくとも約１８０ｋｓｉの室温Ｙ．Ｓ．を提供する。上記合金はまた、４３３０Ｖ合金に比べて、Ｙ．Ｓ．で２０％の増加およびＣＶＮ ＩＥで５０％の増加を表す、約６０ｆｔ−ｌｂｓ（８１．３Ｊ）以下の室温ＣＶＮ ＩＥを提供することができる。本発明の合金はまた、１千万サイクルで９０ｋｓｉの回転曲げ疲労振れ応力によって表されるような非常に優れた疲労寿命を提供する。

本発明の別の態様によれば、Ｙ．Ｓ．、ＣＶＮ ＩＥ、および疲労寿命の新規な組み合わせを有する焼き入れ合金鋼および焼き戻し合金鋼物品が提供される。好ましい実施形態では、上記物品は、泥水モータ用伝達駆動ユニットを含む。伝達駆動ユニットは、軸と等速軸継手を含む。上記物品を、上記の範囲の広い、中間の、または好ましい重量％組成のいずれかを有する合金から形成する。本発明のこの態様による物品は、焼き入れし、次いで約４００°Ｆ〜６００°Ｆの温度で焼き戻しすることによって、更に特徴付けられる。あるいは、上記物品は、少なくとも１８０ｋｓｉの降伏強度を必要としない用途のためにＹ．Ｓ．およびＣＶＮ ＩＥの他の組合せを提供するためにオーステンパ処理を行ってもよい。

本発明のさらなる態様によれば、容積式掘削泥水モータ用伝達駆動ユニットを製造する方法が提供される。

以下の詳細な説明は、図面と関連して読むと、よりよく理解される。
（Ｇｒａｂｅｒ，Ｋ．Ｋ．、Ｐｏｌｌａｒｄ，Ｅ．、Ｊｏｎａｓｓｏｎ，Ｂ．、およびＳｃｈｕｌｔｅ，Ｅ．（著者）の２００２年、「Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ Ｏｃｅａｎ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｐｒｏｇｒａｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｏｏｌｓ ａｎｄ Ｈａｒｄｗａｒｅ」、ＯＤＰ Ｔｅｃｈ．Ｎｏｔｅ、３１、ｄｏｉ：１０．２９７３／ｏｄｐ．ｔｎ．３１．２００２年からの）地下掘削ストリングで使用される泥水モータとドリルビットの概略図である。 表ＩＶに示されたデータのための試験温度の関数としてのＶ‐ノッチシャルピー衝撃エネルギーのグラフである。 表Ｖに示されたＲ．Ｒ．Ｍｏｏｒｅの回転曲げ疲労データに対する破壊までのサイクル数の関数としての負荷応力のＳ‐Ｎグラフである。

本発明による合金は、少なくとも約０．１５％、好ましくは少なくとも０．１８％、より好ましくは少なくとも約０．２１％の炭素を含有する。炭素は、合金によって提供される強度および硬度の能力に寄与する。炭素は、この合金の焼き戻し耐性に有用である。炭素が多過ぎると、合金によって提供される靭性に悪影響を与える。従って、炭素は０．３０％以下、好ましくは０．２７％以下に制限される。好ましくは、合金は、より高い強度およびより高い硬度レベルでの良好な靭性のために、約０．２４％以下の炭素を含有する。

少なくとも約１．７％、好ましくは少なくとも約１．８％、より好ましくは少なくとも約１．９５％のマンガンが、主として合金を脱酸するために、この合金中に存在する。マンガンはまた、合金によって提供される高強度および高靭性に有用であることが判明した。マンガンが多過ぎると、合金によって提供される高強度に悪影響を与えるように焼入れ時に望ましくない量の残留オーステナイトが結果として生じる。従って、上記合金は、約２．３％以下または２．２％のマンガンを含有してもよい。好ましくは、上記合金は、約２．０５％以下のマンガンを含む。

ケイ素は、この合金の焼入れ性と耐焼き戻し性に有用である。従って、上記合金は、少なくとも約０．７％のケイ素、好ましくは少なくとも約０．８％のケイ素、およびより好ましくは約０．８５％のケイ素を含有する。ケイ素が多過ぎると、合金の硬さ、強度、および延性に悪影響を与える。このような悪影響を避けるために、この合金中のケイ素を、１．１％以下、好ましくは約１．０％以下、より好ましくは約０．９５％以下に制限する。

クロムは、合金によって提供される良好な焼入れ性、高い強度、および耐焼き戻し性に寄与するため、本発明に係る合金は、少なくとも約１．８５％のクロムを含む。好ましくは、上記合金は少なくとも約１．９５％、好ましくは少なくとも約２．０５％のクロムを含む。合金中のクロムが約２．３５％より多いと、合金によって提供される衝撃靭性と延性に悪影響を与える。好ましくは、この合金中のクロムを約２．２５％以下に制限し、最良の結果を得るために、約２．１５％以下に制限する。

ニッケルは、本発明による合金によって提供される良好な靭性に有用である。従って、上記合金は、少なくとも約０．５％のニッケル、好ましくは少なくとも約０．６％のニッケルを含む。好ましくは、上記合金は、少なくとも約０．６５％のニッケルを含む。多量のニッケルによって提供される有用性により、大きな利点を提供することなく、合金のコストに悪影響を与える。上記合金の最高コストを制限するために、上記合金は、約０．９％以下、好ましくは約０．８％以下、より好ましくは約０．７５％以下のニッケルを含有する。

モリブデンは、この合金によって提供される耐焼き戻し性に有用である炭化物形成剤である。モリブデンの存在により、このような合金を約４５０°Ｆ〜６００°Ｆで焼き戻しされたときに二次焼き入れ効果が達成されるように、合金の焼き戻し温度を高める。モリブデンはまた、合金によって提供される強度および衝撃靭性に寄与する。上記合金が、少なくとも約０．１％のモリブデン、好ましくは少なくとも約０．１５％のモリブデン、より好ましくは少なくとも約０．１８％のモリブデンを含有する場合、モリブデンによって提供される利点が実現される。ニッケルと同様に、モリブデンは、多量のモリブデンの大幅な追加コストに対して、特性に優れる利点を提供していない。そのため、上記合金は、約０．３％以下のモリブデン、好ましくは約０．２５％以下のモリブデン、より好ましくは０．２２％以下のモリブデンを含有する。タングステンを、この合金中のモリブデンの一部または全てと置換してもよい。存在する場合、タングステンを、モリブデンと、２：１の基準で置換する。

この合金は、合金の焼き入れ性および衝撃靭性に寄与する少なくとも約０．３０％の銅を含む。上記合金は、少なくとも約０．４％の銅、好ましくは少なくとも約０．４５％の銅を含有してもよい。銅が多過ぎると、結果として、合金の靭性に悪影響を与える可能性のある合金マトリックス中の望ましくない量の遊離銅の沈殿を生じる。従って、約０．７％以下、好ましくは約０．６％以下、より好ましくは約０．５５％以下の銅が、この合金中に存在する。

バナジウムは、この合金によって提供される高強度および良好な焼き入れ性に寄与している。バナジウムはまた、炭化物形成剤であり、合金中で結晶微粒化を提供するのに役立つ炭化物の形成を促進する。炭化バナジウムはまた、合金の耐焼き戻し性および２次硬化性に有用である。これらの理由のために、合金は、好ましくは少なくとも約０．２０％のバナジウムを含有する。上記合金は、少なくとも約０．２５％のバナジウム、好ましくは少なくとも約０．３０％のバナジウムを含有してもよい。バナジウムが多過ぎると、合金マトリックス材料から炭素を激減させる合金中の多量の炭化物の形成のため、合金の強度に悪影響を与える。従って、合金は約０．５％以下のバナジウム、好ましくは約０．４５％以下のバナジウムを含有してもよい。好ましくは、合金は、約０．４０％以下のバナジウムを含む。バナジウムのように、ニオブは炭素と化合して、合金の耐焼き戻し性および焼き入れ性に有用であるＭ_４Ｃ_３炭化物を形成するため、ニオブをこの合金中のバナジウムの一部または全部と置換することができる。存在する場合、ニオブを、バナジウムと、１．８：１の基準で置換する。

この合金はまた、合金の溶解時に添加から保持されて、硫黄を除去するのに役立ち、それにより、合金によって提供される衝撃靭性に有用である、約０．０５％以下の、カルシウムの残量を含んでいてもよい。好ましくは、合金は、約０．０２％以下、または０．０１％のカルシウムを含有し、わずか０．００５％のカルシウムを含有してもよい。

溶融時の脱酸素付加物から約０．０５％以下の残留レベルで、少量のチタンを含んでもよい。しかし、この合金は、好ましくは、約０．０２５％以下または約０．０１％以下のチタンを含む。溶融時の脱酸素付加物からの約０．０５％以下のアルミニウムもまた、合金中に含んでもよい。好ましくは、合金は、約０．０２５％以下または約０．０１５％以下のアルミニウムを含有する。

上記合金の残りは、本質的に鉄と、同様の合金と鋼の市販グレード中に見られる通常の不純物である。この点において、上記合金は、約０．０２５％以下のリンを含有してもよい。好ましくは、上記合金は、約０．０１％以下、好ましくは約０．００５％以下のリンを含む。約０．０２５％以下の硫黄をまた、合金中に含んでもよい。好ましくは、上記合金は、約０．００１％以下、好ましくは０．０００５％以下の硫黄を含む。コバルトも、この合金中の不純物と考えられている。しかし、この合金は約０．２５％以下のコバルトを含有してもよい。好ましくは、上記合金は、約０．０５％以下または約０．０２％以下または０．０１％のコバルトを含有する。

本発明に係る合金は、焼き入れおよび焼き戻し条件で、高い降伏強度および高い衝撃靭性を提供するようにバランスをとっている。この点に関して、好ましい組成物は、室温で少なくとも約２５ｆｔ−ｌｂｓおよび約６０ｆｔ−ｌｂｓ以下のＶ‐ノッチシャルピー衝撃エネルギーによって示されるような良好な靭性と組み合わせて、少なくとも約１８０ｋｓｉの降伏強さを提供するようにバランスをとっている。

上記合金の一次溶融および鋳造は、好ましくは、真空誘導溶解（ＶＩＭ）によって達成される。所望の場合、重要な用途のためのように、合金を真空アーク再溶解（ＶＡＲ）を用いて精製してもよい。所望であれば、一次溶融をまた、空気中アーク溶解（ＡＲＣ）によって、または塩基性酸素転炉（ＢＯF）内で行ってもよい。溶融後、上記合金を、エレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）またはＶＡＲによって精製してもよい。また、上記合金を、粉末冶金技術を用いて製造してもよい。

本発明の合金を好ましくは、約２１００°Ｆ以下、好ましくは約１８００°Ｆで熱間加工して、中間製品形態、特にビレットやバーなどの細長い形を形成する。上記合金を、約１５８５°Ｆ〜約１７３５°Ｆ、好ましくは約１６３５〜１６６０°Ｆで、約１〜２時間オーステナイト化することによって、熱処理してもよい。上記合金を、次いで上記オーステナイト化温度から空冷または急冷する。所望であれば、上記合金を、真空加熱処理し、ガス焼き入れしてもよい。上記合金を、好ましくは、約４５０〜５５０°Ｆで約２〜３時間焼き戻しし、次いで空冷する。より低い強度を受け入れることができる場合、上記合金を６００°Ｆ以下で焼き戻してもよい。

本発明の合金は、広範囲の用途、主に地下掘削ストリングのための泥水モータに使用される伝達駆動シャフトおよび等速軸継手に有用である。泥水モータ装置１０の実施形態が図１に示されている。泥水モータ装置１０はＰＣＰＤポンプ部１２を含む。上記ＰＣＰＤポンプ部には、既知の方法において固定子１６内部で回転するよう配置されたロータ１４を含む。動力伝達部１８は、ＰＣＰＤポンプロータのドリルビット側に接続されている。上記動力伝達部には、一端でＰＣＰＤポンプに接続され、および、他方の端部でドリルビット２２に接続された駆動シャフト２０を含む。軸受アセンブリ２４を、駆動シャフト２０の周りに介在させてもよい。上記駆動シャフト２０を、既知の方法において、等速軸継手を用いてＰＣＰＤポンプロータ１４およびドリルビット２２に接続する。上記ドリルビットが掘削地形において非常に硬い堆積物に遭遇したときに、上記駆動シャフト２０および等速軸継手は大きな応力にさらされる。このような応力に耐え、変形に抵抗するために、上記駆動シャフトと等速軸継手は、前述の合金鋼から製造される。

本発明に係る泥水モータ駆動シャフトは、合金の中間製品の形、好ましくは丸棒またはロッドから形成されている。中間形態は、所望の直径の大きさに機械加工し、次いで、必要ならば、真っ直ぐにする。機械加工された形態は、次いで、泥水モータの伝達部の駆動シャフトのための適当な長さに切断される。上記シャフトを次いで、前述のように焼き入れおよび焼き戻しする。

なお、本発明の合金は、高い降伏強度と良好な衝撃靭性の組み合わせを必要とする屈曲シャフト、掘削ジャーマンドレル、衝撃ツール、および他のダウンホールツールを含む他の掘削部品に有用であり得ることが企図される。

本発明の合金によって提供される特性の組み合わせを説明するために、３５−ｌｂの本発明の合金２つをＶＩＭ熱により溶解し、鋳造した。上記熱により、０．６２５インチ角棒に鍛造し、次いで、標準縦方向引っ張り試験片、標準縦−横方向（ＬＴ）ＣＶＮ衝撃、標準縦方向疲労試験片、およびロックウェル硬度試験用の標準的立方体試験片に加工した。表Ｉには、２つの実験的加熱に対する重量％単位のＶＩＭ最終的化学分析結果を含む。

加熱番号２６４７から採取した試験サンプルに対して、熱処理研究を行った。全く同じ引っ張り試験片および全く同じＣＶＮ ＩＥ試験片を、合金インゴットから作製し、以下の表IIに示す９種の熱処理（ＨＴ）を行った。試験試料を、表示された温度で１．５時間、流動床炉でオーステナイト化した。上記試験片を、油中でオーステナイト化温度から室温まで焼き入れし、表示された温度で２時間焼き戻し、次いで焼き戻し温度から室温まで空冷した。表ＩＩに示した結果は、試験した各試料に対して、０．２％オフセット降伏強度（Ｙ．Ｓ．）、ｋｓｉ単位の極限引張強さ（Ｕ．Ｔ．Ｓ．）、伸び率（％Ｅｌ．）、％減少率は、面積率（％Ｒ．Ａ．）、ｆｔ−ｌｂｓ単位のＶ‐ノッチシャルピー衝撃エネルギー（ＣＶＮ）、そして平均ロックウェルＣスケール硬さ（ＨＲＣ）を含む。各熱処理に対する平均引張特性および平均ＣＶＮ特性も報告している。ＣＶＮ ＩＥ試験はＡＳＴＭ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ Ｅ２３−１２Ｃに従って行った。

任意の高強度鋼に対する重要な考慮は、延性‐脆性遷移温度（ＤＢＴＴ）を示すかどうかである。石油およびガスの掘削は、温度が大きく異なる地理的領域で行うことができるので、泥水モータ伝達シャフト用合金のＤＢＴＴは、特にその用途を有する。従って、加熱番号２６４７および２６４８からの追加のＣＶＮサンプルを−４０°Ｆから＋１５０°Ｆの範囲の温度で、ＣＶＮ衝撃エネルギーを評価するために試験した。結果は、各試験サンプル対する加熱番号、°Ｆ単位の試験温度（温度）、およびｆｔ−ｌｂｓ単位のＣＶＮ ＩＥ（ＣＶＮ）を含む以下の表ＩＩＩに示されている。結果を図２にグラフ化している。

表ＩＩＩおよび図２に示すデータは、本発明の合金は、試験した温度範囲にわたって本質的に延性‐脆性遷移温度を有していないことを示している。これは、本発明の合金によって提供される良好な靭性が広い温度範囲に亘って設けられていることを意味する。

本発明による合金によって提供される疲労寿命を説明するために、Ｒ．Ｒ． Ｍｏｏｒｅ回転曲げ試験を、疲労試験片で行った。試験前に、上記疲労試験片を前述の熱処理Ｃを用いて、使用焼入れおよび焼き戻しした。回転曲げ疲労試験の結果を、試験片が破断するまでの、ｋｓｉ単位の作用応力（応力）およびサイクル数を含む以下の表ＩＶに報告する。上記データを図３にグラフ化する。

本明細書中で用いられる用語および表現は、説明の用語および非限定の用語として使用される。示され、説明された特徴またはその一部の任意の相当するものを排除するような用語および表現の使用に意図するものではない。種々の変更が本明細書中および特許請求の範囲に記載される本発明の範囲内で可能であると認められる。

１０ … 泥水モータ装置
１２ … ＰＣＰＤポンプ部
１４ … ロータ
１６ … 固定子
１８ … 動力伝達部
２０ … 駆動シャフト
２２ … ドリルビット
２４ … 軸受アセンブリ

Claims (18)

1. Ｃ ０．１５〜０．３０重量％
   Ｍｎ １．７〜２．３重量％
   Ｓｉ ０．７〜１．１重量％
   Ｃｒ １．８５〜２．３５重量％
   Ｎｉ ０．５〜０．９重量％
   Ｍｏ＋１／２Ｗ ０．１〜０．３重量％
   Ｃｕ ０．３〜０．７重量％
   Ｖ＋５／９Ｎｂ ０．２〜０．５重量％
   それらの残りとしての、鉄、不純物、並びに合金を脱酸および／または脱硫するために溶融時に添加された他の元素の残量から成ることを特徴とする、合金鋼。
2. 少なくとも０．１８重量％の炭素を含有する請求項１記載の合金鋼。
3. 少なくとも１．８重量％のマンガンを含有する請求項１記載の合金鋼。
4. 少なくとも０．８重量％のケイ素を含有する請求項１記載の合金鋼。
5. 少なくとも１．９５重量％のクロムを含有する請求項１記載の合金鋼。
6. 少なくとも０．６重量％のニッケルを含有する請求項１記載の合金鋼。
7. 少なくとも０．１５重量％のＭｏ＋１／２Ｗを含有する請求項１記載の合金鋼。
8. 少なくとも０．２５重量％のＶ＋５／９Ｎｂを含有する請求項１記載の合金鋼。
9. Ｃ ０．１５〜０．２７重量％
   Ｍｎ １．８〜２．２重量％
   Ｓｉ ０．８〜１．０重量％
   Ｃｒ １．９５〜２．２５重量％
   Ｎｉ ０．６〜０．８重量％
   Ｍｏ＋１／２Ｗ ０．１５〜０．２５重量％
   Ｃｕ ０．４〜０．６重量％
   Ｖ＋５／９Ｎｂ ０．２５〜０．４５重量％
   それらの残りとしての、鉄、不純物、並びに合金を脱酸および／または脱硫するために溶融時に添加された他の元素の残量から成ることを特徴とする、合金鋼。
10. 少なくとも０．２１重量％の炭素を含有する請求項９記載の合金鋼。
11. 少なくとも１．９５重量％のマンガンを含有する請求項９記載の合金鋼。
12. 少なくとも０．８５重量％のケイ素を含有する請求項９記載の合金鋼。
13. 少なくとも２．０５重量％のクロムを含有する請求項９記載の合金鋼。
14. 少なくとも０．６５重量％のニッケルを含有する請求項９記載の合金鋼。
15. 少なくとも０．１８重量％のＭｏ＋１／２Ｗを含有する請求項９記載の合金鋼。
16. 少なくとも０．２５重量％のＶ＋５／９Ｎｂを含有する請求項９記載の合金鋼。
17. Ｃ ０．１５〜０．３０重量％
    Ｍｎ １．７〜２．３重量％
    Ｓｉ ０．７〜１．１重量％
    Ｃｒ １．８５〜２．３５重量％
    Ｎｉ ０．５〜０．９重量％
    Ｍｏ＋１／２Ｗ ０．１〜０．３重量％
    Ｃｕ ０．３〜０．７重量％
    Ｖ＋５／９Ｎｂ ０．２〜０．５重量％
    それらの残りとしての、鉄、不純物、並びに合金を脱酸および／または脱硫するために溶融時に添加された他の元素の残量から成る合金鋼から形成され、
    少なくとも１，２４１ＭＰａ（１８０ｋｓｉ）の降伏強さおよび少なくとも３３．９Ｊ（２５ｆｔ−ｌｂｓ）のＶ‐ノッチシャルピー衝撃エネルギーを提供する、焼き入れ鋼および焼き戻し鋼物品。
18. 掘削泥水モータの伝達駆動ユニット用のシャフトを含む、請求項１７記載の物品。

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