EP0035091A1

EP0035091A1 - Process for producing tension-crack corrosion-resistant non magnetizable drill collars of austenitic steels, and apparatus for carrying out this process

Info

Publication number: EP0035091A1
Application number: EP80890152A
Authority: EP
Inventors: Richard Reiterer; Heinz Dr. Kohl; Josef Dipl.-Ing. Riedl; Hans Dr. Enöckl
Original assignee: Vereinigte Edelstahlwerke AG; Schoeller Bleckmann GmbH
Current assignee: Schoeller Bleckmann GmbH
Priority date: 1980-01-25
Filing date: 1980-12-19
Publication date: 1981-09-09
Also published as: ATA40580A; AT364592B; DE3070489D1; EP0035091B1

Abstract

1. A method of manufacturing stress-corrosion-resistant non-magnetizable drill-stems made of austentic steels, characterized in that in the surface region of the drill-stems residual compressive stresses are produced by the effect of mechanically, electrically, or chemically released impact or compression energy.

Description

Bei den für Tiefbohrungen notwendigen Bohrgestängen werden für Richtbohrungen nichtmagnetisierbare Schwerstangen und Gestängeteile benötigt, um eine Beeinflussung der Meßgeräte zu vermeiden, die in die Bohrung der Gestänge eingeführt werden.In the case of the drill rods required for deep drilling, non-magnetizable drill rods and rod parts are required for directional bores in order to avoid influencing the measuring devices which are inserted into the bore of the rod.

Für solche Schwerstangen wurden früher ausschließlich Monel K - Legierungen mit mindestens 63 % Nickel, mindestens 25 % Kupfer und maximal 5 % Aluminium verwendet, die sich als verläßlich unmagnetisch erwiesen haben und dabei gleichzeitig die erforderlichen Festigkeitseigenschaften besitzen.In the past, only Monel K alloys with at least 63% nickel, at least 25% copper and a maximum of 5% aluminum were used for such collars, which have proven to be reliably non-magnetic and at the same time have the required strength properties.

Neben diesen kostspieligen Legierungen wurde versucht, zur Herstellung nichtmagnetisierbarer Schwerstangen austenitische Stähle zu verwenden. Dabei sind bei Schwerstangen aus den üblichen 18/8 Chrom-Nickel-Stählen oft Schwierigkeiten infolge deren ungünstigen unmagnetischen Verhaltens eingetreten. Überdies waren die Festigkeitseigenschaften dieser Werkstoffe unzureichend.In addition to these costly alloys, attempts have been made to use austenitic steels to manufacture non-magnetizable drill collars. Difficulties due to their unfavorable non-magnetic behavior have often arisen in the case of collars made from the usual 18/8 chrome-nickel steels. Furthermore, the strength properties of these materials were inadequate.

Zur Beseitigung dieser Nachteile sind für nichtmagnetisierbare Schwerstangen austenitische Stähle auf der Basis Mangan-Chrom vorgeschlagen worden, die sehr stabil austenitisch sind und sich darüber hinaus besonders gut verfestigen lassen (AT-PS 214.466). Bei der Herstellung von homogenen, aus einem Stück bestehenden Schwerstangen aus diesen Stählen wird üblicherweise so vorgegangen, daß durch ein Kaltverformen höhere Festigkeiten erzielt werden. Bei diesem Vorgang werden die Schwerstangen zuerst über die ganze Länge kaltverformt und abschließend die Enden, welche die Verbindungsgewinde enthalten, noch zusätzlich einer Ver - formung unterzogen, um diesen höher beanspruchten Teilen der Schwerstange die notwendigen Festigkeitseigenschaften zu geben. Der Guß wird also warmgeschmiedet, dann erfolgt eine Wärmebehandlung, der eine Kaltverformung folgt, wobei eine Querschnittsreduktion im Ausmaß von etwa 10 % stattfindet, wonach das Schmiedestück überdreht und die Bohrung vorgenommen wird. Dieser Hohlzylinder wird dann mit den erforderlichen Gewinden u. dgl. versehen.In order to eliminate these disadvantages, austenitic steels based on manganese-chromium have been proposed for non-magnetizable drill collars, which are very stable austenitic and, moreover, can be hardened particularly well (AT-PS 214.466). In the manufacture of homogeneous, one-piece drill collars from these steels, the usual procedure is to achieve higher strengths by cold working. In this process, the drill collars are first cold-formed over the entire length and then the ends, which contain the connecting threads, are additionally additionally subjected to shaping in order to give these parts of the drill collar that are subject to greater stress the necessary strength properties. The casting is thus hot forged, followed by heat treatment, followed by cold working, with a cross-sectional reduction of around 10% taking place, after which the forging is turned and the hole is drilled. This hollow cylinder is then u. Like. provided.

Die so hergestellten Schwerstangen entsprechen in ihren Eigenschaften durchaus den üblichen Anforderungen im Ölfeld. Sie haben aber den Nachteil, daß sie gegen die Korrosionsangriffe beispielsweise von aggressiven Chloridlösungen, die in Bohrlöchern z.B. in Salzstöcken öfters auftreten, nicht genügend beständig sind und zu Spannungsrißkorrosion neigen. Es können dadurch Brüche eintreten, die dann unangenehme und kostspielige Ausfälle verursachen.The properties of the drill collars manufactured in this way correspond entirely to the usual requirements in the oil field. However, they have the disadvantage that they counteract the corrosive attacks of, for example, aggressive chloride solutions which are found in boreholes e.g. occur frequently in salt domes, are not sufficiently stable and tend to stress corrosion cracking. This can lead to breaks, which then cause unpleasant and costly failures.

Zur Vermeidung dieser Art von Korrosion wurde versucht,beständigere Legierungen für Schwerstangen heranzuziehen, welche, wie die AT-PS 308 793 zeigt, die Zusammensetzung: max. 0,07 % Kohlenstoff, bis 1,00 %Silizium, 0,50 - 2,00 % Mangan, 20,00 - 25,00 % Chrom, 10,00 - 15,00 % Nickel, 0,05 - 0,50 % Stickstoff, Rest Eisen und übliche Begleitelemente aufweisen. Schwerstangen aus diesen Legierungen neigen auch bei Einsatz aggressiver Spülmittel viel weniger zu Spannungsrißkorrosion, haben aber den Nachteil, verhältnismäßig kostspielig zu sein.To avoid this type of corrosion, attempts have been made to use more resistant alloys for drill collars which, as shown in AT-PS 308 793, have the composition: max. 0.07% carbon, up to 1.00% silicon, 0.50 - 2.00% manganese, 20.00 - 25.00% chromium, 10.00 - 15.00% nickel, 0.05 - 0.50 % Nitrogen, remainder iron and usual accompanying elements. Collars made of these alloys are much less prone to stress corrosion cracking when using aggressive detergents, but have the disadvantage of being relatively expensive.

Wie sich im praktischen Bohrbetrieb ergeben hat, sind aber alle diese verschiedenartigen Vorschläge nicht immer in ausreichendem Maße geeignet, ein Auftreten von Spannungsrißkorrosion gänzlich auszuschalten.As has emerged in practical drilling operations, However, all of these different proposals are not always sufficiently suitable to completely eliminate the occurrence of stress corrosion cracking.

Eingehende Untersuchungen haben nun gezeigt, daß sich die Spannungsrißkorrosion bei Schwerstangen aus austenitischen Stählen auch bei den kostengünstigeren Mangan-Chrom-Stählen sicher vermeiden läßt, wenn man im Oberflächenbereich insbesondere des Hohls Druckeigenspannungen aufbringt.In-depth investigations have now shown that stress corrosion cracking in austenitic steel collars can also be reliably avoided with the less expensive manganese-chromium steels, if compressive residual stresses are applied in the surface area, in particular of the hollow.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von spannungsrißkorrosionsbeständigen, nichtmagnetisierbaren Schwerstangen aus austenitischen Stählen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß im Oberflächenbereich insbesondere des Hohls der Schwerstangen Druckeigenspannungen durch Einwirkung mechanisch, elektrisch oder chemisch ausgelöster Stoß- bzw. Druckenergie hervorgerufen werden.The invention thus relates to a method for producing stress corrosion cracking-resistant, non-magnetizable collars made of austenitic steels, which is characterized in that compressive stresses are caused in the surface area, in particular of the hollow of the collars, by the action of mechanically, electrically or chemically triggered impact or pressure energy.

Dieses Aufbringen von Druckeigenspannungen wird bevorzugt durch mechanisches Kaltverdichten der Oberflächen mittels Hämmern, Kugelstrahlen oder Rollieren erreicht.This application of residual compressive stress is preferably achieved by mechanical cold compression of the surfaces by means of hammering, shot peening or roller burnishing.

Die Druckeigenspannungen können aber auch vorteilhaft durch Unterwasser-Funkenentladung oder durch Auslösung von Detonationswellen hervorgerufen werden.The residual compressive stresses can, however, also advantageously be caused by underwater spark discharge or by triggering detonation waves.

Mit dem erfindungsgemäßen Aufbringen von Druckeigenspannungen können die von der vorhergehenden Bearbeitung herrührenden Zugeigenspannungen, die für das Auftreten der Spannungsrißkorrosion primär verantwortlich sind, im für den Korrosionsangriff entscheidenden Oberflächenbereich beseitigt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Erfolg auf alle austenitischen Stahllegierungen angewendet werden.With the application of residual compressive stresses according to the invention, the residual tensile stresses resulting from the previous processing, which are primarily responsible for the occurrence of stress corrosion cracking, can be eliminated in the surface area which is decisive for the corrosion attack. The inventive method can with Success can be applied to all austenitic steel alloys.

Es hat sich gezeigt, daß Bearbeitungsmethoden, bei welchen das Verdichten der Oberfläche der Bohrung durch mechanische Einwirkung in Richtung etwa senkrecht zur Oberfläche erfolgt, für den angestrebten Abbau der Zugeigenspannungen und den Aufbau von Druckeigenspannungen am vorteilhaftesten sind. Dementsprechend sind-Kugelstrahlen, ein Vorgang, bei welchem ähnlich dem Sandstrahlen ein Strahl von Stahlkugeln gegen die Oberfläche gerichtet wird, und Hämmern für die Behandlung der Schwerstangen besonders bevorzugt.It has been shown that machining methods in which the surface of the bore is compressed by mechanical action in the direction approximately perpendicular to the surface are most advantageous for the desired reduction in the residual tensile stresses and the build-up of residual compressive stresses. Accordingly, shot peening, a process in which a shot of steel balls is directed against the surface, similar to sandblasting, and hammers are particularly preferred for the treatment of the drill collars.

Am günstigsten ist es, wenn das Werkzeug, welches die Druckeigenspannungen aufbringt, in der Bohrung der Schwerstange vorgeschoben, die Stange jedoch gedreht wird. Auf diese Weise wird ein besonders gleichmäßiges Verdichten der zu bearbeitenden Hohloberfläche erreicht.It is best if the tool that applies the residual compressive stress is advanced in the drill hole of the drill collar, but the rod is turned. In this way, a particularly uniform compaction of the hollow surface to be machined is achieved.

Da die Bohrungen der Schwerstangen im Durchmesser verhältnismäßig klein sind, die Stangenlängen jedoch mindestens 9,15 m betragen, wurde für das erfindungsgemäße Verdichten der Oberfläche durch Hämmern eine spezielle Vorrichtung entwickelt, welche nach dem Prinzip eines Preßluft-Schlagwerkzeuges arbeitet. Diese Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen in einem Gehäuse angeordneten, vorzugsweise preßgasbetriebenen, Schlaghammer, dessen Kopfteil zur Übertragung der axialen Schlagbewegung einen Schlagbolzen trägt, welcher an mindestens zwei, vorzugsweise drei oder vier, in Führungsrippen des Gehäuses beweglich gelagerten, mit radial nach außen gerichteten Schlagmeißeln versehene, die axiale in eine im wesentlichen radiale Schlagbewegung umwandelnde, Gelenkplatten anschlägt. Besonderer Vorteil dieser erfindungsgemäß einzusetzenden Vorrichtung ist ihr konstruktiv einfacher Aufbau, der ein Auswechseln von Lagern, Meißeln und anderen Verschleißteilen völlig unproblematisch macht; darüber hinaus zeichnet sich die Vorrichtung durch große Robustheit aus. Schließlich kann das Werkzeug schmal gebaut sein und so leicht zur Bearbeitung von Bohrungen verschiedener, insbesondere auch kleiner Bohrweiten eingesetzt werden. Vorteilhaft ist bei dem Werkzeug das Gehäuse mit einem in das Hohl einführbaren Rohr, vorzugsweise dem zur Herstellung des Hohls dienenden Bohrrohr, durch eine lösbare Verbindung verbunden.Since the drill holes of the drill collars are relatively small in diameter, but the rod lengths are at least 9.15 m, a special device was developed for the inventive compaction of the surface by hammering, which works on the principle of a compressed air percussion tool. This device for carrying out the method according to the invention is characterized by a hammer, arranged in a housing, preferably operated by compressed gas, the head part of which carries a firing pin for transmitting the axial impact movement, which has at least two, preferably three or four, movably mounted in guide ribs of the housing provided radially outward impact chisels, which strikes the articulation plates which convert axially into an essentially radial impact movement. A particular advantage of this device to be used according to the invention is its simple construction, which makes replacing bearings, chisels and other wear parts completely unproblematic; in addition, the device is characterized by great robustness. Finally, the tool can be of narrow construction and can thus be used easily for machining bores of different, in particular also small, drilling widths. In the case of the tool, the housing is advantageously connected to a pipe which can be inserted into the hollow, preferably the drill pipe used to produce the hollow, by a releasable connection.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, daß die Führungsrippen des Gehäuses symmetrisch angeordnet und daß die Gelenkplatten mittels zwischen je zwei einander zugeordneten Führungsrippen angeordneten Lagerbolzen gelenkig gelagert sind. Durch diese Ausbildungsform läßt sich ein einfacher Aufbau bei gleichzeitig hoher Arbeitspräzision erreichen.According to a preferred embodiment of the device it is provided that the guide ribs of the housing are arranged symmetrically and that the hinge plates are articulated by means of bearing bolts arranged between two mutually associated guide ribs. This type of training enables a simple structure to be achieved with a high level of work precision.

Im allgemeinen haben die Gelenkplatten etwa Rechteckform. Insbesondere um deren Gewicht ohne wesentliche Festigkeitseinbuße zu verringern, wird es bevorzugt, die Gelenkplatten im wesentlichen rechteckförmig und die dem Schlagmeißel abgekehrte Seite der Platten vorzugsweise.abgeschrägt auszubilden.In general, the hinge plates are approximately rectangular in shape. In particular in order to reduce their weight without any significant loss of strength, it is preferred to design the joint plates to be essentially rectangular and the side of the plates facing away from the chisel preferably beveled.

Zur Verminderung des Verschleißes ist es vorteilhaft, wenn der Schlagmeißel aus Hartmetall gefertigt ist.To reduce wear, it is advantageous if the impact chisel is made of hard metal.

Anhand der Zeichnung wird die erfindungsgemäße Vorrichtung im folgenden näher erläutert:The device according to the invention is explained in more detail below with reference to the drawing:

Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung, welche sich im Hohl einer Schwerstange befindet; Fig. 2 eine Vorderansicht eines dreistrahlig und Fig. 3 eine Vorderansicht eines vierstrahlig ausgebildeten Werkzeuges.1 shows a longitudinal section through the device, which is located in the hollow of a drill collar; FIG. 2 shows a front view of a three-beam tool, and FIG. 3 shows a front view of a four-beam tool.

In Fig. 1 ist der mit Preßluft betriebene Schlaghammer dargestellt. Dieser ist im Gehäuse 2 fix eingebaut, dessen eines Ende mittels Gewinde 3 und Führungshülse 4 mit einem Bohrrohr 5 verbunden ist. Durch dieses führt die Leitung 6 für die Preßluftzufuhr. In den Kopfteil 7 des Schlaghammers 1 ist ein Schlagbolzen 8 mit entsprechendem Einsteckende 9 eingegeführt. Dieser Schlagbolzen 8 wird zusätzlich in der Führung 10 des Gehäuses 2 geführt und überträgt die axiale Schlagbewegung des Schlaghammers 1 auf die Gelenkplatten 11. Diese sind um Lagerbolzen 12 beweglich in den symmetrisch angeordneten Führungsrippen 13 des Gehäuses 2 angeordnet. Die Bolzen 12 sind mit Sicherungsscheiben 14 gesichert. Die Gelenkplatten 11, deren Anzahl, wie Fig. 2 zeigt, 3 Stück, aber je nach Größe des Gehäuses, wie Fig. 3 zeigt, auch 4 Stück (dies ist von der zu bearbeitenden Bohrungsgröße abhängig) betragen kann, übertragen die Axialbewegung des Schlagbolzens 8 in eine Radialbewegung. Die in den Gelenkplatten 11 eingebauten Schlagmeißel 15 z.B. aus Hartmetallhämmern mit der hohen Schlagfrequenz des Schlaghammers 1 auf die Oberfläche 16 der Bohrung der Schwerstange und bewirken so die gewünschte Kaltverdichtung der Oberfläche. Bezüglich der Größenordnung der Schlagfrequenz kann angegeben werden, daß sich für die Ausführung mit 3 Schlagmeißeln eine solche von 6000 - 8000 Schlägen/min und für diejenige mit 4 Schlagmeißeln eine solche von 4000 - 5000 Schlägen/min gut bewährt hat.In Fig. 1 the hammer operated with compressed air is shown. This is permanently installed in the housing 2, one end of which is connected to a drill pipe 5 by means of a thread 3 and a guide sleeve 4. Through this leads the line 6 for the compressed air supply. In the head part 7 of the hammer 1, a firing pin 8 is inserted with a corresponding insertion end 9. This firing pin 8 is additionally guided in the guide 10 of the housing 2 and transmits the axial impact movement of the hammer 1 to the articulated plates 11. These are arranged so that they can move about bearing bolts 12 in the symmetrically arranged guide ribs 13 of the housing 2. The bolts 12 are secured with lock washers 14. The hinge plates 11, the number of which, as shown in FIG. 2, can be 3 pieces, but depending on the size of the housing, as shown in FIG. 3, can also be 4 pieces (this depends on the size of the bore to be machined) transmit the axial movement of the firing pin 8 in a radial movement. The chisel 15 built into the hinge plates 11 e.g. from hard metal hammers with the high impact frequency of the impact hammer 1 on the surface 16 of the drill hole of the drill collar and thus bring about the desired cold compression of the surface. Regarding the order of magnitude of the stroke frequency, it can be stated that for the version with 3 impact chisels, that of 6000-8000 impacts / min and for the one with 4 impact chisels, that of 4000-5000 impacts / min has proven successful.

Claims

1. A process for the production of stress corrosion cracking-resistant, non-magnetisable collars made of austenitic steels, characterized in that residual compressive stresses are caused in the surface area, in particular of the hollow of the collars, by the action of mechanically, electrically or chemically triggered impact or pressure energy.

2. The method according to claim 1, characterized in that the residual compressive stresses are caused by hammering, shot peening or roller burnishing.

3. The method according to claim 1, characterized in that the residual compressive stresses are caused by underwater spark discharge.

4. The method according to claim 1, characterized in that the residual compressive stresses are caused by triggering detonation waves.

5. Device for performing the method according to claims 1 and 2, characterized by a in a housing (2) arranged, preferably pressurized gas hammer (1), the head part (7) for transmitting the axial impact movement carries a firing pin (8), which on at least two, preferably three or four, movably mounted in guide ribs (13) of the housing (2), provided with radially outwardly directed chisels (15), which strikes axial joint plates (11) which convert into an essentially radial impact movement.

6. The device according to claim 5, characterized in that the housing (2) with a in the hollow (16) insertable tube, preferably the drill pipe (5), is detachably connected.

7. The device according to claim 5 or 6, characterized in that the guide ribs (1-3) of the housing (2) are arranged symmetrically.

8. Device according to one of claims 5 to 7, characterized in that the hinge plates (11) are articulated by means of bearing pins (12) arranged between two mutually associated guide ribs (13).

9. Device according to one of claims 5 to 8, characterized in that the articulated plates (11) are substantially rectangular, the side of the plates (11) facing away from the chisel (15) being preferably beveled.

10. Device according to one of claims 5 to 9, characterized in that the impact chisel (15) is made of hard metal.