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Verfahren zur Erhöhung der Bruchsicherheit von Bohr- oder Futterrohren
aus Stahl für Bohrlöcher Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Bruchsicherheit
von Bohr- oder Futterrohren aus Stahl für Bohrlöcher.
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Die Entwicklungsrichtung der Erdölindustrie geht dahin, die Tiefen
der Bohrlöcher zu vergrößern, um die tiefliegenden Ölquellen anzuzapfen. Beim Bohren
der Tiefbohrlöcher wird in Tiefbohrung mit einem aus Rohren bestehenden Gehäuse
ausgekleidet, um die Wände des Bohrloches abzustützen und den Eintritt von Wasser
oder änderen unerwünschten Stoffen in das Bohrloch zu verhindern. Die Bohrung des
Tiefbohrloches wird stufenweise verkleinert in dem Maße, wie die Tiefe vergrößert
wird, und wird mit Rohren von abnehmendem Durchmesser ausgekleidet, wobei das Rohr
mit dem kleinsten Durchmesser sich am weitesten in die Erde erstreckt.
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Da Tiefbohrlöcher für Öl sich jetzt bis 3700 m in die Erde
erstrecken und es erwünscht ist, sie noch weiter vorzutreiben, um die tieferliegenden
Ölablagerungen zu erreichen, ist das innere Rohr, das sich bis zur, vollen Tiefe
des Bohrloches erstreckt, außerordentlich starken äußeren Drücken, die auf ein Zusammenpressen
oder Flachdrücken hinwirken, ebenso wie großen Kräften unterworfen, die in der Längsrichtung
des Rohres wirken und auf eine bleibende Streckung oder seinen Bruch hinwirken.
Die in der Längsrichtung des Rohres wirkenden Kräfte sind sein Gewicht und der Zug,
der zuweilen an dem oberen Ende des Rohres angewandt wird, um es aus dem Bohrloch
herauszuziehen.
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Einer der Umstände, welcher zur Zeit die Tiefe begrenzt, auf die die
Bohrlöcher herabgebracht werden können, ist das Fehlen eines Bohr- oder Futterrohres,
das nicht unerschwinglich im Preise ist und gleichzeitig solche Eigenschaften besitzt,
daß es für die Verwendung in großen Tiefen geeignet ist. Der Zweck der Erfindung
ist die Schaffung eines solchen Bohr- oder Futterrohres.
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Die oberen Bohr- oder Futterrohre mit verhältnismäßig großem Durchmesser;
die in der Nähe des obereü Endes der Bohrung verwendet werden, sind verhältnismäßig
niedrigen äußeren Drücken ausgesetzt und verhältnismäßig dünnwandig. Die äußeren
Drücke, welchen diese dünnwandigen Rohre mit großem Durchmesser Widerstand leisten
können, ohne zusammengedrückt zu werden, hängen von dem Durchmesser und der Wandstärke
des Rohres sowie dem Elastizitätsmodal
des Werkstoffes ab, aus
dem es hergestellt ist: Die Drücke, bei denen das Zusammendrücken der Rohre eintritt,
sind von der Festigkeit des Werkstoffes; aus dem sie hergestellt sind, oder von
der Quetschgrenze des Werkstoffes im wesentlichen so lange unabhängig, wie diese
Grenze oberhalb eines Kleinstwertes liegt, der niedrig ist, wenn die Rohre einen
großen Durchmesser im Vergleich zur Wandstärke haben. Stahl von fast jeder Art hat
eine erheblich oberhalb dieses Kleinstwertes liegende Quetschgrenze, und ein hochbeanspruchtes
dünnwandiges Stahlrohr mit großem Durchmesser und einer hohen Quetschgrenze wird
daher bei im wesentlichen denn gleichen äußeren Druck zusammengedrückt wie ein anderes
Rohr, das die gleiche Abmessungen hat, aber aus Stahl niedrigerer Festigkeit mit
einer niedrigeren Quetschgrenze hergestellt ist.
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Die Bedingungen werden anders, wenn der Durchmesser des Rohres verringert
oder die Wandstärke vergrößert wird oder beides, so daß das Verhältnis des Durchmessers
zur Wandstärke kleiner ist als bei den eben betrachteten Rohren. Für Rohre mit geringeren
Verhältniszahlen der Durchmesser zur Wandstärke hängt der für den Bruch des Rohres
erforderliche äußere Druck von der Beanspruchung ah; bei der der Werkstoff des Rohres
beim Zusammendrücken nachzugeben beginnt, zuzüglich der anderen oben aufgezählten
Faktoren. Ein Rohr dieser Art, welches aus Stahl mit einer hohen Quetschgrenze hergestellt
ist, erfordert einen viel größeren äußeren Druck, um zu reißen, als ein Rohr mit
den gleichen Abmessungen, welches aus Stahl mit einer niedrigeren Quetschgrenze
hergestellt ist. Die in Bohrlöchern benutzten Rohre mit kleinerem Durchmesser haben
ein solches Verhältnis des Durchmessers zur Wandstärke, daß der zur Rohrbeschädigung
führende Druck in sehr großem Maße von der Quetschgrenze des Werkstoffes abhängt.
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Die Erfindung bezweckt nun, bei aus Stahl hergestellten Bohr- oder
Futterrohren der vorerwähnten Art, bei denen die Quetschgrenze infolge des Verhältnisses
des Außendurchmessers zur Wandstärke von etwa 3o : z oder kleiner hauptsächlich
die Bruchsicherheit bedingt, eine wesentliche Erhöhung der Bruchsicherheit zu erzielen.
Erfindungsgemäß wird dieser Zweck dadurch erreicht, daß die Quetschgrenze der Stahlrohre
durch mechanische Verformung unter Verkleinerung des ursprünglichen Verhältnisses
von Außendurchmesser zur Wandstärke der Rohre auf mindestens 42, kg/mm2; vorzugsweise
auf 52,5 kglmm2 oder mehr, erhöht wird: Es ist zwar bereits bekannt, durch Schweißung
hergestellte Rohre einer weiteren Behandlung durch Kaltziehen zu unterwerfen, sowie
Werkstücke anderer Art, wie Aluminiumkolben, einer nachträglichen Oberflächenbehandlung
durch Walzen; Ziehen o. dgl. zu unterziehen. Demgegenüber handelt es sich jedoch
bei dem Erfindungsgegenstand um eine wesentlich andere Aufgabe, nämlich darum; bei
Bohr- oder Futterrohren für Tiefbohrungen eine Erhöhung der Quetschgrenze zu erzielen,
um auf diese Weise die Möglichkeit zu schaffen, die Rohre für größere Bohrtiefen
verwenden zu können, als es bisher der Fall war: Durch die erfindungsgemäß zur Erhöhung
der Quetschgrenze vorgenommenen mechanische Verformung wird nebenbei auch die Streckgrenze
des Werkstoffes in der Längsrichtung des Rohres erhöht, so daß das Rohr stärkeren
Zugbeanspruchungen in dieserRichtung ohne bleibende Verlängerung unterworfen werden
kann. Vorzugsweise wird die Streckgrenze in der Längsrichtung des Rohres durch die
mechanische Verformung auf einen Wert erhöht, der geringer ist als die endgültige
Quetschgrenze in der Umfangsrichtung des Rohres.
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Die erfindungsgemäß zu behandelnden Rohre bestehen im allgemeinen
aus Kohlen-
stoffstahl von o,zo bis 0,50 °I0 Kohlenstoff; es kann aber
auch irgendein anderer geeigneter Stahl benutzt werden. Die Rohre können auf verschiedene
Weise hergestellt werden, z. B. durch elektrische Stumpfschweißung nach dem Abschmelzverfahren
oder elektrische Lichtbogenschweißung. Nach der Herstellung wird das Rohr radial
auf einen kleineren Durchmesser zusammengedrückt, und zwar durch Anwendung von Druckkräften
an der Außenseite des Rohres. Ein geeignetes Verfahren, das sehr einfach und leicht
anzuwenden und daher vorzuziehen ist, besteht darin, das Rohr zwischen zwei halbzylindrische
Gedenke zu bringen, die nach ihrem Zusammendrücken einen Zylinder -von geringerem
Durchmesser bilden als der äußere Durchmesser des zwischen die Gedenke gebrachten
Rohres. Die Gedenke werden dann zusammengedrückt und pressen das Rohr in radialer
Richtung und vermindern so den Durchmesser. Das Zusammendrücken oder -pressen wird
bewirkt, während das Rohr kalt ist, d. h. bei gewöhnlicher Raumtemperatur. Das Rohr
ist dann für die Verwendung fertig.
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Die Gedenke können sieh über die ganze Länge des zu verformenden Rohres
erstrecken, jedoch ist dies nicht unbedingt erforderlich, vielmehr kann das Rohr
auch in Abschnitten zusammengedrückt werden unter Verwen- i dang eines Gesenkes,
das kürzer als das Rohr ist. Die volle Verminderung im Durchmesser
kann
in einem Schritt öder in einer Reihe von Schritten vorgenommen werden. Während irgendein
geeigneter Stahl verwendet werden kann und für die Herstellung von Rohren zur Erreichung
außerordentlich großer Tiefen vorzugsweise Stahllegierungen verwendet werden, erlaubt
schon reiner Kohlenstoffstahl mit o,io bis 0,5o 01o Kohlenstoff die Herstellung
von Rohren, die für weit größere Tiefen verwendbar sind als die jetzt gebräuchlichen
nahtlosen Rohre, so daß die erfindungsgemäß behandelten unlegicrten Stähle wegen
ihrer niedrigeren Kosten anderen Stählen vorzuziehen sind.
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Für geglühte Kohlenstoffstähle mit o,io bis 0,50 % Kohlenstoff sind
die Quetschgrenze und die Streckgrenze annähernd gleich, und zwar betragen beide
etwa 31;5o kg/mm2 für einen Stahl mit 0,35 bis 0,45 % Kohlenstoff
und etwas weniger, wenn der Kohlenstoffgehalt geringer ist. Bei einer Kaltverformung
durch radiales Zusammendrücken der aus solchem Stähl hergestellten Rohre wird die
Quetschgrenze auf über 42,0o kg/mm2 erhöht. Bei dem Zusammendrücken eines Stahlrohres
mit o,35 bis 0,q.504 Kohlenstoff zur Erzielung einer Umfangsverminderung von etwa
4,75 wurde festgestellt, daß die Quetschgrenze in der Umfangsrichtung des Rohres
auf etwa 56,0o kg/mm2 erhöht wurde, während die Streckgrenze in der Längsrichtung
des Rohres auf etwa 42,0o kg/mm' erhöht wurde. Die Erhöhung der Streckgrenze ist
vorteilhaft, weil sie gestattet, eine vergrößerte Kraft in der Längsrichtung eines
Rohrstranges anzuwenden, z. B. beim Herausziehen aus dem Bohrloch, ohne daß eine
bleibende Längung eintritt. Der Unterschied zwischen der Quetschgrenze beim radialen
Zusammendrücken und der Streckgrenze beim Zug in der Längsrichtung kann sich etwas
mit dem relativen Fluß des Werkstoffs radial und in der Längsrichtung des Rohres
ändern.
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Eine Verminderung des Durchmessers der Rohre in der Größenordnung
von etwa 2 0/0 genügt gewöhnlich, um die Quetschgrenze auf etwa 42,0o
kg /mm2 zu erhöhen, wie oben angegeben, größerei Durchmesserverminderungen
ergeben höhere Quetsch- oder Streckgrenzen. Für Werte unter etwa 2 % Durchmesserverminderung
istmit keinerbemerkenswerten Erhöhung der Grenzen zu rechnen, weil mit Rücksicht
auf die Herstellungstoleranzen in diesem Falle die Ergebnisse unbeständig und unzuverlässig
werden. Für Werte über etwa 2.% Durchmesserverminderung, etwa von der Größenordnung
von 4,75 % oder mehr, wurden demgegenüber beständige und folgerichtige Ergebnisse
erzielt, und es ist eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung der neuen Eigenschaften
über den Umfang oder die Länge =des Rohres vorhanden.
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Die Verformung des Rohres unter Durchmesserverminderung zwischen Gesenken
oder auf andere Weise erfolgt zweckmäßig in der Weise, daß eine Quetschgrenze erzeugt
wird, die in Wechselbeziehung zu dem Durchmesser und der Wandstärke des Rohres steht.
Wenn das Verhältnis des Außendurchmessers des Rohres; zu, der Wandstärke geringer
als etwa 3o : i ist, ist es vorteilhaft, eine Quetschgrenze zu haben, die nicht
weniger als 42;0o kg/mm' beträgt; es. wird aber kein entsprechender Vorteil mit
Bezug auf den äußeren Druck, dem das Rohr, ohne zu reißen, widerstehen kann, oder
mit Bezug auf die Tiefe, in welche das Rohr eingesetzt werden kann, mit einer Grenze
von 42,00 kg/mm2 oder höher erreicht, wenn das Verhältnis: des Durchmessers zur
Wandstärke größer als 30 : i ist. Die Quetschgrenzen, die in ähnlicher Weise den
Verhältnissen des Durchmessers zur Wandstärke von etwa 26 : i und etwa 24 : i entsprechen,
sind 49,00 kg/min' bzw. 56,0o kg/mm2.
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Die erfindungsgemäß behandelten Rohre besitzen verschiedene physikalische
Eigenschaften in verschiedenen Richtungen. Anstatt eine Quetschgrenze zu besitzen,
die im wesentlichen die gleiche wie die Streckgrenze ist und die im wesentlichen
in allen Richtungen die gleiche ist, wie es für geglühten oder warm behandelten
Stahl der Fall sein würde, besitzen die erfindungsgemäß behandelten Stahlrohre eine
hohe Quetschgrenze beim Zusammendrücken, gemessen in der Umfangsrichtung des Rohres,
und eine Streckgrenze beim Zug, gemessen in - der Längsrichtung, die ebenfalls höher
ist als die Streckgrenze des geglühten Stahles, obwohl niedriger als die Quetschgrenze,
gemessen in der Umfangsrichturig.
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Diese verbesserten physikalischen Eigenschaften der erfindungsgemäß
behandelten Stahlrohre liegen in genau den Richtungen, die die Nützlichkeit -oder
Brauchbarkeit der Rohre für große Tiefen vergrößern. Weiterhin sind die verbesserten
Eigenschaften annähernd den Erfordernissen angemessen, die eine wirtschaftliche
Herstellung der Rohre ermöglichen, d. h. eine solche, daß die Rohre .nicht stärker
mit Bezug auf die eine Art der Beanspruchung als mit Bezug auf eine andere sind.
Es hat sich ergeben, daß für ein Rohr, welches eine hohe Quetschgrenze beim Zusammendrücken
in der Umfangsrichtung hat, eine niedrigere Streckgrenze beim Zug in der Längsrichtung
der Röhre genügt, um eine ausreichende Sicherheit in dieser Richtung vorzusehen,
so daß das Rohr in irgendeiner Einsatztiefe- benutzbar ist, die ohne Gefahr
eines
-Bruches infolge Zusammendrückung unter der Wirkung des äußeren Druckes erreicht
werden kann.
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Die erfindungsgemäß hergestellten Bohr-oder Futterrohre besitzen wesentliche
Vorteile im Vergleich zu nahtlosen Rohren, die jetzt im allgemeinen in tiefen Schächten
oder Bohrlöchern. in Gebrauch sind und aus einem Stahl mit verhältnismäßig hohem
Mangangehalt bestehen, der teurer als gewöhnlicher Kohlenstoffstahl ist. Wenn die
Rohre nach der Erfindung aus reinem Kohlenstoffstahl mit der gleichen Wandstärke
hergestellt sind wie die nahtlosen Rohre aus Stahl mit höherem Man gangehalt, können
sie in Tiefen eingesetzt werden, die etwa 30 °1a größer sind, als wie sie mit den
nahtlosen Rohren erreicht werden. Die folgende Tafel zeigt einen Vergleich zwischen
den Einsatztiefen erfindungsgemäß behandelter Rohre und denjenigen nahtloser Rohre
der Klasse D, d. h. der höchstwertigen Klasse von nahtlosen Rohren, mit denen die
grÖßtenEinsatztiefen erreichtwerden.
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Das nahtlose Rohr der Klasse D, für welches die Zahlen angegeben sind,
hat einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,4 °1o, einen Mangangehalt von etwa 1,4 010
und einen Siliziumgehalt von etwa o,16 91o, eine Quetschgrenze von etwa
38,50 kglmm2 und eine Dehnung von über 30 °1a, während das erfindungsgemäß
behandelte Rohr, mit dem es verglichen wird, einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,35
bis 0;q.5
010, einen Mangangehalt von etwa
0,35 bis 0,70 91Q, eine
Quetschgrenze von etwa 56;0o kglmm2 und eine Dehnung von etwa 30 °1o hat.
Die zulässigen Einsatztiefen der beiden zum Vergleich stehenden Rohre sind unter
Zugrundelegung einer äußeren Druckbeanspruchung von
0,035 kglcm2 für je
0,305 m Tiefe bei einem Sicherheitsfaktor von 2 errechnet. Die Zahlen in
der dritten Spalte für die Einsatztiefen der nahtlosen Rohre der Klasse D sind dem
American Petroleum Institute Supplement Nr. i zu den A. P. I. Standards Nr. 5 A
für die Überwachung und Verwendung von ölröhrenwaren des Landes ent-. nommen. Das
Supplement ist datiert vom Januar 1934.
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Es wird bemerkt, daß das erfindungsgemäß behandelte unlegierte Stahlrohr
Einsatztiefen ermöglicht, die für die in der Zahlentafel enthaltenen Wandstärken
bis 30 °1o größer als für das nahtlose Rohr der Klasse D sind, das aus Stahl mit
hohem Mangangehalt hergestellt ist. Wenn das erfindungsgemäß behandelte Rohr jedoch
aus der gleichen Stahllegierung wie das nahtlose Rohr oder aus anderem Sonderstahl
hergestellt ist, dann wird eine noch größere Zunahme der Einsatztiefe erzielt. Die
Bedeutung der vergrößerten Einsatztiefe, die mit dem neuen Rohr erreicht werden
kann, ist offenbar, denn dies bedeutet, daß auch sehr tiefliegende Ölablagerungen
angezapft und ausgebeutet werden können. Die Vorteile der Erfindung sind jedoch
nicht allein auf die Vergrößerung der möglichen Tiefen der Bohrlöcher für
Öl begrenzt; vielmehr können die Rohre auch mit Vorteil bei geringeren Tiefen
verwendet werden. Ein Blick auf die Zahlentafel zeigt, daß eine Einsatztiefe von
2r68 m bei einem Rohrdurchinesser von 16,83 cm ein nahtloses Rohr aus Manganstahl
reit einer Wandstärke von 1,057 cm erfordert, während eine Tiefe von 2215 m mit
dem neuen Rohr aus reinem Kohlenstoffstahl erreicht werden kann, wenn die Dicke
0,894 cm, d. h. 16 °1o weniger als die Dicke des nahtlosen Rohres, beträgt. Dies
bedeutet eine Gewichtsersparnis des verwendeten Werkstoffes und eine weitere Ersparnis
insofern, als das neue Rohr, für
welches die Zahlen angegeben sind,
aus reinem Kohlenstoffstahl hergestellt ist, der billiger ist als der für das nahtlose
Rohr verwendete Manganstahl.
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Es hat sich gezeigt, daß trotz der großen Änderungen, die in den physikalischen
Eigenschaften des Werkstoffes bei der Herstellung der Rohre hervorgerufen werden,
keine bemerkenswerte Änderung des Stahlgefüges oder der Dichte des Werkstoffes eingetreten
ist. Es ist auch bedeutsam, daß die Dehnung des Werkstoffes, wie sie in der prozentualen
Längung ausgedrückt wird, bei dem gewöhnlichen Kohlenstoffstahl nicht bemerkenswert
beeinflußt wird. Der Verlust an Dehnung ist noch so gering, daß auch die Rohre gemäß
Erfindung den allgemein in dem Handel für Bohr- bder Futterrohre gegebenen Forderungen
entsprechen. Wenn somit Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt für ein Rohr verwendet
wird, das eine Quetschgrenze beim Zusammendrücken in der Umfangsrichtung von 56,oo
kglmm2 hat, dann hat der Werkstoff eine Dehnung von etwa 30'/,. Dies bedeutet
eine viel größere Dehnung, als sie durch eine Wärmebehandlung des gleichen Stahles
unter den zur Erzielung -einer vergleichbaren Streckgrenze erforderlichen günstigsten
Bedingungen erreicht werden kann.