EP0207068B1 - Verfahren zur Herstellung von amagnetischen Bohrstrangteilen - Google Patents

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EP0207068B1
EP0207068B1 EP86890180A EP86890180A EP0207068B1 EP 0207068 B1 EP0207068 B1 EP 0207068B1 EP 86890180 A EP86890180 A EP 86890180A EP 86890180 A EP86890180 A EP 86890180A EP 0207068 B1 EP0207068 B1 EP 0207068B1
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Heinz Dr. Kohl
Helmut Dipl.-Ing. Pohl
Alois Püchl
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Schoeller Bleckmann GmbH
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Schoeller Bleckmann GmbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/38—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with more than 1.5% by weight of manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/005—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment of ferrous alloys

Definitions

  • the invention relates to a method for producing non-magnetic drill string parts.
  • Such drill string parts are, for example, drill collars for exploration drilling, e.g. for oil and / or natural gas deposits, such as directional drilling or the like.
  • the position and direction of the drilling is determined by magnetic measurement.
  • the very precise magnetic field measurement which is undisturbed if suitable material is used, is still preferred. Since such bores extend to ever greater depths, a particularly exact position determination is required.
  • the drill string parts in particular those drill string parts which are arranged in the immediate vicinity of the measuring device, for example a forester probe, may only have magnetic anomalies to the smallest extent. So it is known, for example, if drill collars have a greater maximum compass deviation than ⁇ 1/4 °, then they no longer meet the requirements or only in rare cases.
  • these drill string parts must have a high mechanical strength, etc. for both tensile and compressive loads, depending on whether a corresponding pressure is exerted on the drill head or whether the drill head is pulled out of the borehole. Furthermore, these drill string parts are subject to high torsional stress, since at least part of the rotary movement is carried out on the drill head. Furthermore, the alloys must be suitable for extruded parts for threaded connections, which also according to long mechanical stress without "seizing" must be releasable.
  • Another very important criterion is the corrosion resistance, in particular the resistance to stress corrosion cracking, since such drill string parts are often exposed to strongly corrosive media, for example multi-percent sodium chloride solutions and / or magnesium chloride solutions and hydrogen sulfide and the like.
  • This alloy is subjected to cold working at room temperature in order to obtain the required mechanical properties.
  • the present invention has set itself the goal of creating a process for the production of non-magnetic drill string parts which have a sufficiently high mechanical strength with little scatter, in particular by cold working, which at the same time ensures that no or only insignificant magnetizable islands remain in the drill string part , wherein the drill string parts should have no permanent magnetization even with high magnetic fields.
  • Remainder iron and possibly one or more of the following elements vanadium, boron and aluminum and production-related impurities are solidified, subjected to at least 2 times hot working, solution annealed at 1020 to 1070 ° C., then quenched and subjected to cold working, essentially in that the cold forming is carried out at a temperature above 100 ° C and below about 700 ° C and with at least 5% deformation.
  • Cold forging in particular stretch forging, has proven particularly useful as cold deformation, although different degrees of deformation can exist from the center to the edge region.
  • a mechanical, in particular machining, is carried out according to a further feature of the present invention after the cold working, without this resulting in significant processing obstructions.
  • the resistance to stress corrosion cracking it is preferably carried out in such a way that residual internal stresses are introduced in the near-surface areas by local cold deformation at a temperature above 100 ° C and below approx. 700 ° C Can prevent magnetizability even under unfavorable conditions.
  • the residual compressive stresses are preferably introduced by shot peening.
  • the preferred limits for cold forming are at a temperature above 100 ° C and below 550 ° C, whereby a particular resistance to intra- and intergranular stress corrosion cracking can be achieved.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von amagnetischen Bohrstrangteilen.
  • Derartige Bohrstrangteile sind beispielsweise Schwerstangen für Explorationsbohrungen, z.B. für Erdöl- und/oder Erdgas-Vorkommen, wie Richtbohrungen od.dgl.
  • Bei der Durchführung von Explorationsbohrungen, insbesondere Richtbohrungen, wird die Lage und Richtung der Bohrungen durch Magnetmessung festgelegt. Obwohl bereits auch Messungen mit Kreiselkompassen bekanntgeworden sind, wird der an sich sehr genauen und bei Vorliegen von geeignetem Material störungsfreien Magnetfeldmessung nach wie vor der Vorzug gegeben. Da derartige Bohrungen sich in immer größere Tiefen erstrecken, wird eine besonders exakte Lagebestimmung erforderlich. Das heißt, die Bohrstrangteile, insbesondere jene Bohrstrangteile, welche in unmittelbarer Nähe des Meßgerätes, beispielsweise einer Förstersonde angeordnet sind, dürfen nur magnetische Anomalien im geringsten Ausmaß aufweisen. So ist es beispielsweise bekannt, wenn Schwerstangen eine größere maximale Kompaßabweichung als ± 1/4° aufweisen, dann entsprechen sie nicht mehr oder nur in seltenen Fällen den Anforderungen.
  • Neben den, wie bereits oben ausführlich dargelegten amagnetischen Eigenschaften müssen diese Bohrstrangteile eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen, u.zw. sowohl für Zug- als auch für Druckbeanspruchung, je nachdem, ob ein entsprechender Druck auf dem Bohrkopf ausgeübt wird, oder ob der Bohrkopf aus dem Bohrloch gezogen wird. Weiters unterliegen diese Bohrstrangteile einer hohen Torsionsbeanspruchung, da zumindest teilweise über sie die Drehbewegung am Bohrkopf ausgeführt wird. Weiters müssen die Legierungen für Strangteile für Gewindeverbindungen geeignet sein, welche auch nach langer mechanischen Beanspruchung ohne "Festfressen" Lösbar sein müssen.
  • Ein weiteres sehr wesentliches Kriterium ist die Korrosionsbeständigkeit, insbesondere die Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion, da derartige Bohrstrangteile oft stark korrosiven Medien, beispielsweise mehrprozentigen Natriumchloridlösungen und/oder Magnesiumchloridlösungen sowie Schwefelwasserstoff u.dgl., ausgesetzt sind.
  • Neben den oben angeführten Kriterien ist eine weitere wesentliche Voraussetzung für den wirtschaftlichen Einsatz derartiger Bohrstrangteile, daß Legierungen zum Einsatz kommen, welche über einen langen Zeitraum eingesetzt werden können, die somit nicht dem Kriterium der Zusammensetzungsänderung auf Grund von Materialverknappungen od.dgl. unterworfen sind.
  • Aus der AT-PS 214 466 ist die Verwendung einer amagnetischen austenitischen Chrom-Mangan-Stahl-Legierung mit in Gew.-%
    • bis 0,025
    Kohlenstoff
    bis 1,0
    Silizium
    12 bis 25
    Mangan
    10 bis 20
    Chrom
    bis 5
    Nickel
    bis 1
    Molybdän
    0,05 bis 0,5
    Stickstoff
  • Rest Eisen mit den üblichen Begleitelementen für die Herstellung von amagnetischen Bohrstrangteilen bekannt, die bei der Stärke des Magnetfeldes der Erde auch nichtmagnetisierbar ist, bei stärkeren Feldern kann jedoch eine bleibende Remanenz auftreten. Diese Legierung wird bei Raumtemperatur einer Kaltverformung unterworfen, um die erforderlichen mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Schwerstangen, die nach diesem Verfahren hergestellt wurden, mußten jeweils einer besonders genauen Ausgangskontrolle unterworfen werden, wobei die Untersuchung gemäß europäischem Patent 14 195 durchgeführt wurde. Ferromagnetische Einschlüsse und Nester innerhalb der Stangen, welche durch Prüfung ermittelt wurden, führten zum Ausschuß gesamter Stangen, wobei bei hohen magnetischen Feldern eine bleibende Magnetisierung eintreten kann.
  • Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, ein Verfahren zur Herstellung von amagnetischen Bohrstrangteilen zu schaffen, welche eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit bei geringer Streuung, insbesondere durch Kaltverformung, aufweisen, welches gleichzeitig sicherstellt, daß keine bzw. nur unwesentliche magnetisierbare Inseln im Bohrstrangteil verbleiben, wobei die Bohrstrangteile auch bei hohen magnetischen Feldern keine bleibende Magnetisierung aufweisen sollen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von amagnetischen Bohrstrangteilen, wobei eine Legierung aus in Gew.-%
    • Kohlenstoff
    max. 0,15, vorzugsweise max. 0,08
    Silizium
    max. 1,0
    Mangan
    11,0 bis 25,0, vorzugsweise 12,0 bis 20,0
    Chrom
    10,0 bis 20,0, vorzugsweise 11,0 bis 16,0
    Molybdän
    bis 1,0, vorzugsweise 0,2 bis 0,8
    Nickel
    bis 6,0, vorzugsweise 1,0 bis 2,5
    Niob und/oder Tantal
    bis 2,0 vorzugsweise 0,4 bis 0,8
    Stickstoff
    0,05 bis 0,5, vorzugsweise 0,1 bis 0,35
  • Rest Eisen und gegebenenfalls einem oder mehreren der folgenden Elemente Vanadin, Bor und Aluminium und herstellungsbedingte Verunreinigungen erstarren gelassen wird, einer zumindest 2-fachen Warmverformung unterzogen, bei 1020 bis 1070°C lösungsgeglüht, anschließend abgeschreckt und einer Kaltverformung unterworfen wird, im wesentlichen darin, daß die Kaltverformung bei einer Temperatur über 100°C und unterhalb ca. 700°C und mit zumindest 5%-iger Verformung durchgeführt wird.
  • Es war nun durchaus überraschend, daß bei einer Kaltverformung, welche oberhalb der Martensitbildungstemperatur durchgeführt wird, wo Spuren von Verforungsmartensit entstehen können, wodurch Magnetisierbarkeit bedingt ist, welche dadurch vermeidbar wird, daß die Kaltverformung bei einer Temperatur durchgeführt wird, welche oberhalb 100°C und unterhalb ca. 700°C und somit unterhalb einer Warmverformungstemperatur liegt, hohe Festigkeit erreicht werden kann und auch bei hohen magetischen Außenfeldern keine bleibende Magnetisierbarkeit vorliegt. Es hat sich hiebei herausgestellt, daß zur Erlangung der mechanischen Festigkeit eine Verformung von zumindest 5% bzw. vorzugsweise von zumindest 12% erforderlich ist, wobei durchaus auch höhere Verformungen durchgeführt werden können, welche jedoch höhere Verformungszeiten bedingen. Vorzugsweise wird dabei die Kaltverformung unterhalb des Curiepunktes von Eisen vorgenommen.
  • Als Kaltverformung hat sich insbesondere eine Kaltschmiedung, insbesondere eine Streckschmiedung bewährt, obwohl unterschiedliche Verformungsgrade vom Mitten- zum Randbereich vorliegen können. Eine mechanische, insbesondere spanabhebende Bearbeitung wird gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung nach der Kaltverformung durchgeführt, ohne daß dadurch wesentliche Bearbeitungsbehinderungen auftreten.
  • Zur Erhöhung der Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit wird vorzugsweise so vorgegangen, daß in oberflächennahen Randbereichen durch örtliche Kaltverformung bei einer Temperatur über 100°C und unterhalb ca. 700°C Druckeigenspannungen eingebracht werden, wobei die Einhaltung dieser Temperaturen, und insbesondere unterhalb des Curiepunktes von Eisen, eine bleibende Magnetisierbarkeit auch unter ungünstigen Bedingungen verhindern kann. Bevorzugt werden die Druckeigenspannungen durch Kugelstrahlen eingebracht.
  • Die bevorzugten Grenzen für die Kaltverformung liegen bei einer Temperatur über 100°C und unterhalb 550°C, wodurch eine besondere Beständigkeit gegen intra- und interkristalline Spannungsrißkorrosion erreichbar ist.
  • Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Beispiele näher erläutert:
    • Beispiel 1:
  • Eine Legierung mit der Zusammensetzung 10986 gemäß Tabelle 1, wurde erschmolzen und - wie an sich bekannt - zu einem Block gegossen. Dieser Block wurde unter Streckschmiedung zwischen 1150 - 900°C auf 9 m Länge verformt, welches einer 6-fachen Warmverformung entspricht. Die so erhaltene Rundstange wurde 2 h bei 1050°C lösungsgeglüht und anschließend in Wasser abgeschreckt. Die 0,2 Dehnungsgrenze betrug 400 N/mm² ± 50. Die so vorbehandelte Stange wurde sodann auf 400°C erhitzt und unter 12%-iger Verformung auf einer Streckschmiedemaschine geschmiedet. Die 0,2-Dehngrenze betrug 830 ± 30 n/mm². Die Prüfung der Magnetisierbarkeit wurde nach dem Verfahren gemäß EU-P 14 195 durchgeführt, wobei vor der Prüfung die
  • Schwerstange einer Magnetisierung mit 120 KA/m unterworfen wurde. Es konnte kein einziger Meßpunkt ermittelt werden, der über 0,02 Mikrotesla lag.
  • Eine analoge Probe wurde einer entsprechenden Kaltschmiedung bei Raumtemperatur unterworfen, wobei die gesamte Stange einen Restmagnetismus von 10 Mikrotesla aufgewiesen hat.
    • Beispiele 2 bis 4:
  • Die weiteren Schmelzen gemäß Tabelle 1 wurden gemäß Tabelle 2 und 3 bearbeitet, mit der Ausnahme, daß Blöcke der Schmelze 56391 gereckt wurden.
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung von amagnetischen Bohrstrangteilen, wobei eine Legierung aus in Gew.-%
Kohlenstoff   max. 0,15,
Silizium   max. 1,0,
Mangan   11,0 bis 25,0,
Chrom   10,0 bis 20,0,
Molybdän   bis 1,0,
Nickel   bis 6,0,
Niob und/oder Tantal   bis 2,0,
Stickstoff   0,05 bis 0,5,

Rest Eisen und gegebenenfalls einem oder mehreren der folgenden Elemente Vanadin, Bor und Aluminium erstarren gelassen wird, einer zumindest 2-fachen Warmverformung unterzogen, bei 1020 bis 1070°C lösungsgeglüht, anschließend abgeschreckt und einer Kaltverformung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltverformung bei einer Temperatur über 100°C und unterhalb ca. 700°C mit zumindest 5%-iger Verformung durchgeführt wird.
2. Verfahren zur Herstellung von amagnetischen Bohrstrangteilen, wobei eine Legierung aus in Gew.-%
Kohlenstoff   max. 0,08
Silizium   max. 1,0
Margan   12,0 bis 20,0
Chrom   11,0 bis 16,0
Molybdän   0,2 bis 0,8
Nickel   1,0 bis 2,5
Niob und/oder Tantal   0,4 bis 0,8
Stickstoff   0,1 bis 0,35

Rest Eisen und gegebenenfalls einem oder mehreren der folgenden Elemente Vanadin, Bor und Aluminium erstarren gelassen wird, einer zumindest 2-fachen Warmverformung unterzogen, bei 1020 bis 1070°C lösungsgeglüht, anschließend abgeschreckt und einer Kaltverformung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltverformung bei einer Temperatur über 100°C und unterhalb ca. 700°C mit zumindest 5%-iger Verformung durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltverformung bei einer Temperatur unterhalb des Curiepunktes von Eisen vorgenommen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltverformung mit zumindest 12%-iger Verformung durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kaltverformung kaltgeschmiedet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Kaltverformung streckgeschmiedet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Kaltverformung eine mechanische Bearbeitung erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Kaltverformung eine spanabhebende Bearbeitung erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in oberflächennahen Randbereichen durch örtliche Kaltverformung bei einer Temperatur über 100°C und unterhalb ca. 700°C Druckeigenspannungen eingebracht werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in oberflächennahen Randbereichen durch örtliche Kaltverformung bei einer Temperatur unterhalb des Curiepunktes von Eisen Druckeigenspannungen eingebracht werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckeigenspannungen durch Kugelstrahlen eingebracht werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltverformung bei einer Temperatur über 100°C und unterhalb 550°C durchgeführt wird.
EP86890180A 1985-06-25 1986-06-19 Verfahren zur Herstellung von amagnetischen Bohrstrangteilen Expired - Lifetime EP0207068B1 (de)

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