DE69932333T2

DE69932333T2 - Schweres bohrrohr

Info

Publication number: DE69932333T2
Application number: DE69932333T
Authority: DE
Inventors: E. Gerald Montgomery WILSON; Thomas R. Bryan MOORE; Wei College Station TANG
Original assignee: Grant Prideco LP
Current assignee: Grant Prideco LP
Priority date: 1998-05-01
Filing date: 1999-04-30
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2019-05-01
Also published as: WO1999057478A1; AU3781299A; AR015061A1; EP1078190A1; EP1078190A4; CN1126894C; CA2330963A1; CA2330963C; JP2002513904A; CN1308715A; DE69932333D1; US6012744A; EP1078190B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft in erster Linie speziell behandeltes schweres Bohrrohr, das zum Bohren von bei großem Winkel angelegten oder horizontalen Bohrlochbohrungen in einer korrodierenden Umgebung verwendet wird. Insbesondere betrifft die Erfindung wärmebehandeltes Bohrrohr mit einem Gewicht pro Fuß, das zwischen dem Gewicht pro Fuß von Schwerstangen und Bohrrohr liegt, wovon eines oder beide sich mit dem Rohr mit dazwischenliegendem Gewicht verbinden, um einen Bohrstrang zu bilden.
Allgemeiner Stand der Technik
Schwerstangen sind innerhalb einer Wanddicke von etwa 5,1 cm (2'') sehr steif, damit der größte Teil des Biegens in den Verbindungen stattfindet. Folglich entwickeln sich in den Schwerstangenverbindungen Ermüdungsrisse. Bohrrohr weist eine Röhre mit dünner Wand und eine Wanddicke von etwa 0,95 Cm (3/8'') auf, so dass der größte Teil oder alles Biegen in der Röhre und nicht in den Verbindungen stattfindet. Somit entwickeln sich Ermüdungsrisse in der Röhre nahe dem Schwächerwerden der Stauchung oder den Schutzeinrichtungen. Bohrstrangelemente mit dazwischenliegendem Gewicht werden normalerweise als "schweres" Bohrrohr bezeichnet, um zwischen dem normalen Bohrrohr und Schwerrohren zu unterscheiden, und weisen eine Wanddicke von etwa 2,54 cm (1'') auf, die zu einer Steifheit irgendwo zwischen der von Schwerrohren und Bohrrohr führt, was Eigenschaften erzeugt, die für Bohrrohr sowie Schwerrohr üblich sind, dadurch dass das Biegen in den Verbindungen stattfindet, was zu einigen Ermüdungsrissen führt, aber nicht in dem Maße, in dem sie bei Schwerrohrverbindungen zu finden sind.
In der Vergangenheit arbeitete das standardmäßige schwere (dickwandige) Bohrrohr in vertikalen oder nahezu vertikalen Bohrrohren in nicht-korrodierenden Umgebungen gut, war aber bei horizontalen Bohrlöchern, die in korrodierenden Umgebungen gebohrt wurden, weniger als erfolgreich.
Schweres Bohrrohr wird als Übergangsrohr zwischen den schweren Schwerrohren und dem relativ leichten Bohrrohr verwendet, um zu verhindern, dass Stoßbelastungen und Biegebeanspruchung das Bohrrohr erreichen. Wenn kein schweres Bohrrohr verwendet wird, kann das Bohrohr nahe dem oberen Teil der Schwerrohre schwere Ermüdungsschäden und Ausfall erleiden.
Beim horizontalen Bohren wird schweres Bohrrohr in Kompression gefahren, um Gewicht auf das Bohrwerkzeug zu geben. Wenn das Loch mehr oder weniger allmählich ausgeschlagen wurde, wurde das schwere Bohrrohr relativ geringen Biegebeanspruchungen ausgesetzt. Wenn nun jedoch das Loch mit 15 bis 25 Grad pro 30,5 m (100 ft.) anstatt 3 Grad pro 30,5 m (100 ft.) ausgeschlagen wird, wird dem schweren Bohrrohr bedeutende Biegebeanspruchung auferlegt.
Wenn sich das Bohrrohr in Kompression befindet, wird es auch gegen die Seite des Lochs gedrückt und einem Steckenbleiben durch Differenzialdruck unterworfen.
Außerdem nehmen Ausfälle durch Spannungsrisskorrosion bei schwerem Bohrrohr auf Grund von mehr korrodierenden Bohrfluiden, einschließlich vermehrter Verwendung von Sole mit geringem pH-Wert und wenig Feststoffen und Polymerschlämmen und dem vermehrten Vorhandensein von Hydrogensulfid und Kohlendioxid, zu.
Standardmäßige schwere Bohrrohrröhren bestehen aus normalisiertem Kohlenstoffstahl AISI 1340, der eine gemischte Mikrostruktur mit großen Körnern aufweist, was zu einer Mindestspannungsformänderungsfestigkeit von 379.211 kPa (55.000 psi) und einer geringen Kerbschlagzähigkeit von etwa 20 J (15 ft.-lbs) führt. Dies ist ein weiches Material, das in Hydrogensulfid gut ist, aber die Mikrostruktur ist wegen der großen Korngröße und der geringen Kerbschlagzähigkeit nicht sehr widerstandsfähig gegenüber Ermüdung. Folglich ist diese Mikrostruktur weniger widerstandsfähig gegenüber Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung.
Standardmäßige Werkzeugverbindungen für schweres Bohrrohr bestehen aus Schwerstangenmaterial, das Standard AISI 4145, modifiziert, ist, aber dann mit Flüssigkeit abgeschreckt und mit Hitze auf eine hohe Brinell-Härte zwischen 302 und 341 getempert wird. Die Mindestspannungsformänderungsfestigkeit bei Werkzeugverbindungen bei schwerem Bohrrohr beläuft sich auf etwa 758.423 kPa (110.000 psi) und seine Kerbschlagzähigkeit beträgt etwa 68 J (50 ft.-lbs). Obwohl die hohe Härte von Werkzeugverbindungen bei schwerem Bohrrohr für den Hydrogensulfiddienst nicht bevorzugt ist, sind Werkzeugverbindungen nicht so kritisch wie die Verrohrung, weil verglichen mit den Röhren in den Werkzeugverbindungen die Beanspruchungen gering sind. Erhöhte Biegebeanspruchungen in der Röhre hängen jedoch direkt mit der Steifheit zusammen, die in standardmäßigen Werkzeugverbindungen für schweres Bohrrohr angetroffen wird.
Obwohl herkömmliches schweres Bohrrohr die Verringerung von Ermüdung, Beanspruchung und Abnutzung an Bohrstrangelementen, die in herkömmlichen und abgelenkten Bohrlochbohrungen verwendet werden, durch Aufnahme bestimmter struktureller Merkmale angeht, sind diese Merkmale für eine Verwendung bei in großem Winkel angelegten oder horizontalen Bohrungen in einer korrodierenden Umgebung unzulänglich. Zum Beispiel verwendet der Stand der Technik, wie US-Patente Nr. 3,773,359 für Chance et al. und 4,811,800 für Hill et al. standardmäßiges schweres Bohrrohr mit Stauchungen oder Schutzeinrichtungen, wobei die Oberfläche der Stauchungen spiralförmig eingedreht ist und/oder die Außenfläche der Schutzeinrichtungen hart bandagiert ist, was kollektiv für eine Verwendung bei in großem Winkel angelegten oder horizontalen Bohrlochbohrungen, die eine korrodierende Umgebung aufweisen, unzulänglich ist.
Ebenso offenbart die US 4,226,645 A1 ein Bohrlochgehäuse aus Stahl mit einer ausgezeichneten Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungskorrosion unter Hydrogensulfid und einer Formänderungsfestigkeit, die nach oben von 620.528 kPa bis 999.740 kPa (90.000 bis 145.000 psi) reicht, das aus einem aluminiumfreien Stahl besteht, aber in vertikalen Bohrlochbohrungen verwendet wird. Daher gibt es einen speziellen Bedarf an schwerem Bohrrohr, das die Ermüdung bei in großem Winkel angesetzten und/oder horizontalen Bohrlochbohrungen, die eine korrodierende Umgebung aufweisen, verringern kann.
Kurzdarstellung der Erfindung
Daher ist es Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein schweres Bohrrohrelement zur Verwendung in einer in großem Winkel angesetzten oder horizontalen Bohrlochbohrung bereitzustellen, die eine korrodierende Umgebung aufweist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein schweres Bohrrohrelement bereitzustellen, das speziell behandelt ist, um eine einzigartige Kombination von Materialeigenschaften, einschließlich einer bevorzugten Brinell-Härte, Formänderungsfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Risskorrosion, Wasserstoffversprödung, Biegebeanspruchungen und Stoßbelastungen zu erreichen, die in abgelenkten Bohrlochbohrungen mit korrodierender Umgebung angetroffen werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein schweres Bohrrohrelement mit einem röhrenförmigen Körper bereitzustellen, bei dem wenigstens im Wesentlichen der gesamte röhrenförmige Körper eine Brinell-Härte von 217 bis 241 für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung, eine Formänderungsfestigkeit von 620.528 kPa (90.000 psi) bis 723.949 kPa (105.000 psi) für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Biegebeanspruchungen und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 136 J (100 ft.-lbs) für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßbelastungen aufweist.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein schweres Bohrrohrelement mit einer ersten und einer zweiten Werkzeugverbindung an einem ersten und einen zweiten Distalende des röhrenförmigen Körpers bereitzustellen, bei dem wenigstens im Wesentlichen die Gesamtheit jeder ersten und zweiten Werkzeugverbindung eines Brinell-Härte von 248 bis 269 für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung, eine Formänderungsfestigkeit von 689.476 kPa (100.000 psi) bis 792.897 kPa (115.000 psi) für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Biegebeanspruchungen und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 88 J (65 ft.-lbs) für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßbelastungen aufweist.
Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines schweren Bohrrohrelements durch Vorheizen eines länglichen röhrenförmigen Elements auf 885°C–913°C (1625°F–1675°F), dann Abschrecken des vorgeheizten röhrenförmigen Elements durch eine Flüssigkeit für 10 bis 20 Minuten und schließlich Tempern des abgeschreckten röhrenförmigen Elements für 20 bis 40 Minuten bei 738°C–766°C (1360°F–1410°F), um eine Brinell-Härte von 217 bis 241, eine Formänderungsfestigkeit von 620,528 kPa (90.000 psi) bis 723.949 kPa (105.000 psi) und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 136 J (100 ft.-lbs) über im Wesentlichen das gesamte röhrenförmige Element zu erreichen.
Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines schweren Bohrrohrelements mit einer ersten und zweiten Werkzeugverbindung, die mit einem entsprechenden ersten und zweiten Distalende des röhrenförmigen Elements verbunden ist, durch Vorheizen der ersten und zweiten Werkzeugverbindung auf 924°C–952°C (1695°F–1745°F), dann Abschrecken der ersten und zweiten Werkzeugverbindung durch eine Flüssigkeit für 10 bis 20 Minuten und schließlich Tempern der abgeschreckten ersten und zweiten Werkzeugverbindung für 30 bis 45 Minuten bei 688°C–723°C (1270°F–1333°F) bereitzustellen, um eine Brinell-Härte von 248 bis 269, eine Formänderungsfestigkeit von 689.476 kPa (100.000 psi) bis 792.897 kPa (115.000 psi) und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 88 J (65 ft.-lbs) über im Wesentlichen die Gesamtheit von jeweils erster und zweiter Werkzeugverbindung zu erreichen, die dann an ein entsprechendes erstes und zweites Distalende des röhrenförmigen Elements angebracht werden kann. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, ein schweres Bohrrohrelement mit einer ersten und zweiten Werkzeugverbindung, die an einem entsprechenden ersten und zweiten Distalende des röhrenförmigen Endes angebracht ist, bei dem die erste Werkzeugverbindung ein Stiftelement mit Außengewinde umfasst und die zweite Werkzeugverbindung ein Buchsenelement mit Innengewinde zur Schraubverbindung mit einem entsprechenden schweren Bohrrohrelement umfasst.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, ein schweres Bohrrohrelement mit einer ersten und zweiten Werkzeugverbindung, die an ein entsprechendes erstes und zweites Distalende des röhrenförmigen Elements angebracht ist, bereitzustellen, bei dem wenigstens eine der ersten und zweiten Werkzeugverbindungen eine mit Innengewinde versehene Buchse mit einer sich axial erstreckenden Bohrung mit Innendurchmesser umfasst, die zur Verringerung von Ermüdung und Steifheit entlang der Längsachse vom Innengewinde bis nahe dem wenigstens einen der ersten und zweiten Distalenden des röhrenförmigen Elements im Wesentlichen konstant ist.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, ein schweres Bohrrohrelement mit einer oder mehreren mit Abstand angeordneten Schutzeinrichtungen entlang der Längsachse des Bohrrohrs bereitzustellen, um an der Wand der Bohrlochbohrung anzugreifen und die Biegebeanspruchung im Bohrrohr zu begrenzen, indem der Grad begrenzt wird, in dem sich das Bohrrohr unter Kompression biegen kann.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, ein schweres Bohrrohrelement mit einer oder mehreren mit Abstand angeordneten Schutzeinrichtungen entlang der Längsachse des Bohrrohrs bereitzustellen, bei dem jede mit Abstand angeordnete Schutzeinrichtung eine Spiralnut an ihrer äußeren Umfangsfläche beinhaltet, um Differenzialdruck und Steckenbleiben des schweren Bohrrohrelements in der Bohrlochbohrung zu vermindern.
Ein noch weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, ein schweres Bohrrohrelement mit einer oder mehreren mit Abstand angeordneten Schutzeinrichtungen entlang der Längsachse des Bohrrohrs und einer ersten und zweiten Werkzeugverbindung an einem entsprechenden ersten und zweiten Distalende des Bohrrohrs bereitzustellen, bei dem eine oder mehrere der mit Abstand angeordneten Schutzeinrichtungen und die ersten und zweiten Werkzeugverbindungen zum Verringern des Verschleißes hart aufgeschweißt oder gebunden sind.
Die vorliegende Erfindung ist daher auf ein schweres Bohrrohrelement zur Verwendung in einer abgelenkten Bohrlochbohrung mit korrodierender Umgebung gerichtet. Das schwere Bohrrohrelement beinhaltet einen röhrenförmigen Körper mit einer hindurchgehenden Längsbohrung, einem ersten Distalende und einem zweiten Distalende. Der röhrenförmige Körper ist speziell behandelt, so dass wenigstens im Wesentlichen der gesamte röhrenförmige Körper eine Brinell-Härte von 217 bis 241 für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung, eine Formänderungsfestigkeit von 620.528 kPa (90.000 psi) bis 723.949 kPa (105.000 psi) für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Biegebeanspruchungen und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 136 J (100 ft.-lbs), wie durch einen Charpy-V-Schlagversuch bei Umgebungstemperaturen gemessen, für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßbelastungen aufweist. In einer weiteren Ausführungsform weist wenigstens im Wesentlichen der gesamte röhrenförmige Körper eine Brinell-Härte von 223 bis 235, eine Formänderungsfestigkeit von 655.002 kPa (95.000 psi) bis 689.476 kPa (100.000 psi) und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 136 J (100 ft.-lbs). auf. In einer bevorzugten Ausführungsform weist wenigstens im Wesentlichen der gesamte röhrenförmige Körper eine Brinell-Härte von 229, eine Formänderungsfestigkeit von 655.002 kPa (95.000 psi) und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 136 J (100 ft.-lbs). auf.
Eine erste Werkzeugverbindung und eine zweite Werkzeugverbindung sind mit einem entsprechenden ersten und zweiten Distalende des röhrenförmigen Körpers verbunden, bei dem wenigstens im Wesentlichen die Gesamtheit jeder ersten und zweiten Werkzeugverbindung speziell behandelt ist, um eine Brinell-Härte von 248 bis 269 für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung, eine Formänderungsfestigkeit von 689.476 kPa (100.000 psi) bis 792.897 kPa (115.000 psi) für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Biegebeanspruchungen und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 88 J (65 ft.-lbs), wie durch einen Charpy-V-Schlagversuch bei Umgebungstemperatur gemessen, für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßbelastungen zu erreichen. Jede der ersten und zweiten Werkzeugverbindungen weist ein offenes Distalende und eine hindurchgehende Längsbohrung in Verbindung mit der Längsbohrung des röhrenförmigen Körpers auf. In einer weiteren Ausführungsform weist wenigstens im Wesentlichen die Gesamtheit jeder ersten und zweiten Werkzeugverbindung eine Brinell-Härte von 254 bis 263, eine Formänderungsfestigkeit von 723.949 kPa (105.000 psi) bis 758.423 kPa (110.000 psi) und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 88 J (65 ft.-lbs). auf. In einer bevorzugten Ausführungsform weist wenigstens im Wesentlichen die Gesamtheit jeder ersten und zweiten Werkzeugverbindung eine Brinell-Härte von 258, eine Formänderungsfestigkeit von 723.949 kPa (105.000 psi) und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 88 J (65 ft.-lbs) auf.
Die erste Werkzeugverbindung beinhaltet vorzugsweise einen mit Außengewinde versehenen Stift nahe dem offenen Distalende zur Schraubverbindung mit einem weiteren schweren Bohrrohrelement. Die zweite Werkzeugverbindung beinhaltet vorzugsweise eine mit Innengewinde versehene Buchse nahe dem offenen Distalende zur Schraubverbindung mit einem weiteren schweren Bohrrohrelement. Somit können mehrfache schwere Bohrrohrelemente miteinander verbunden werden, um einen durchgängigen schweren Bohrrohrstrang mit gewünschter Länge zu bilden, der die vorhergehend beschriebenen Materialeigenschaften aufweist. Die mit Innengewinde versehene Buchse beinhaltet eine axial verlaufende Innenbohrung, die im Wesentlichen entlang der Längsachse von dem Innengewinde aus bis nahe dem zweiten Distalende des röhrenförmigen Körpers konstant ist, um Ermüdung im schweren Bohrrohrelement zu verringern.
Eine oder mehrere Stauchungen oder Schutzeinrichtungen sind entlang der Längsachse des röhrenförmigen Körpers angeordnet, wobei jede der Schutzeinrichtungen einen Außendurchmesser größer als ein Außendurchmesser des röhrenförmigen Körpers aber nicht größer als ein Außendurchmesser jeder ersten und zweiten Werkzeugverbindung zum Begrenzen der Biegebeanspruchungen im röhrenförmigen Körper aufweist, während das schwere Bohrrohr in der abgelenkten Bohrlochbohrung betrieben wird. Jede der einen oder mehreren Stauchungen oder Schutzeinrichtungen kann auch eine Spiralnut in einer Außenfläche aufweisen, um Differenzialdruck und Steckenbleiben des schweren Bohrrohrs zu verringern, wenn es in der abgelenkten Bohrlochbohrung betrieben wird. In einer Ausführungsform sind die erste und zweite Werkzeugverbindung und wenigstens eine der einen oder mehreren Stauchungen oder Schutzeinrichtungen im Wesentlichen um eine äußere Umfangsfläche herum hart gebunden, um Verschleiß an der Oberfläche des schweren Bohrrohrs zu verringern, wenn die Stauchungen und die erste und zweite Werkzeugverbindung die Wand der abgelenkten Bohrlochbohrung berühren.
In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das schwere Bohrrohrelement ein längliches röhrenförmiges Element mit einer hindurchgehenden Längsbohrung, einer ersten Werkzeugverbindung und einer zweiten Werkzeugverbindung, die an einem entsprechenden ersten Distalende und zweiten Distalende des röhrenförmigen Elementes angeordnet sind. Wenigstens im Wesentlichen der gesamte röhrenförmige Körper weist eine Brinell-Härte von 258 für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung, eine Formänderungsfestigkeit von 620.528 kPa (90.000 psi) bis 723.949 kPa (105.000 psi) für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Biegebeanspruchungen und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 136 J (100 ft.-lbs), wie durch einen Charpy-V-Schlagversuch bei Umgebungstemperaturen gemessen, für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßbelastungen auf.
Die erste Werkzeugverbindung beinhaltet einen mit Außengewinde versehenen Stift nahe einem Distalende zur Schraubverbindung mit einem weiteren schweren Bohrrohrelement, und die zweite Werkzeugverbindung beinhaltet eine mit Innengewinde versehene Buchse nahe dem Distalende zur Schraubverbindung mit einem weiteren Bohrrohrelement. Somit können mehrfache schwere Bohrrohrelemente miteinander verbunden werden, um einen durchgängigen schweren Bohrrohrstrang mit gewünschter Länge zu bilden, der die vorhergehend beschriebenen Materialeigenschaften aufweist. Die mit Innengewinde versehene Buchse beinhaltet eine axial verlaufende Innenbohrung, die im Wesentlichen entlang der Längsachse von dem Innengewinde aus bis nahe dem zweiten Distalende des röhrenförmigen Körpers konstant ist, um Ermüdung im schweren Bohrrohrelement zu verringern.
Eine oder mehrere Stauchungen oder Schutzeinrichtungen können entlang der Längsachse des röhrenförmigen Körpers angeordnet sein, wobei jede der Stauchungen oder Schutzeinrichtungen einen Außendurchmesser größer als ein Außendurchmesser des röhrenförmigen Körpers aber nicht größer als ein Außendurchmesser jeder ersten und zweiten Werkzeugverbindung aufweist, um die Biegebeanspruchungen im röhrenförmigen Körper zu begrenzen. Jede der Stauchungen oder Schutzeinrichtungen kann auch eine Spiralnut in einer Außenfläche aufweisen, um Differenzialdruck und Steckenbleiben des schweren Bohrrohrs zu verringern, wenn es in der abgelenkten Bohrlochbohrung betrieben wird. Die erste und zweite Werkzeugverbindung und wenigstens eine der einen oder mehreren Stauchungen oder Schutzeinrichtungen sind vorzugsweise im Wesentlichen um eine äußere Umfangsfläche hart gebunden, um Verschleiß am schweren Bohrrohr zu verringern, wenn die Stauchungen und die erste und zweite Verbindung die Wand der abgelenkten Bohrlochbohrung berühren.
Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung eines schweren Bohrrohrelements zur Verwendung in einer abgelenkten Bohrlochbohrung mit korrodierender Umgebung wird das längliche röhrenförmige Element mit einer hindurchgehenden Längsbohrung zuerst auf 885°C bis 913°C (1625°F bis 1675°F) vorgeheizt. Das vorgeheizte röhrenförmige Element wird dann durch eine Flüssigkeit für 10 bis 20 Minuten abgeschreckt und dann für 20 bis 40 Minuten bei 738°C bis 766°C (1360°F bis 1410°F) getempert, um eine Brinell-Härte von 217 bis 241, eine Formänderungsfestigkeit von 620.528 kPa (90.000 psi) bis 723.949 kPa (105.000 psi) und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 136 J (100 ft.-lbs) über im Wesentlichen das gesamte röhrenförmige Element zu erreichen.
Eine erste Werkzeugverbindung und eine zweite Werkzeugverbindung, die jeweils ein offenes Distalende und eine hindurchgehende Längsbohrung aufweisen, werden auf 924°C bis 952°C (1695°F bis 1745°F) vorgeheizt. Jede erste und zweite Werkzeugverbindung wird dann für 10 bis 20 Minuten durch eine Flüssigkeit abgeschreckt und dann für 30 bis 45 Minuten bei 688°C bis 723°C (1270°F bis 722,78°C) getempert, um eine Brinell-Härte von 248 bis 269, eine Formänderungsfestigkeit von 689.476 kPa (100.000 psi) bis 792.897 kPa (115.000 psi) und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 88 J (65 ft..-lbs) über im Wesentlichen die Gesamtheit jeder ersten und zweiten Werkzeugverbindung zu erreichen. Die ersten und zweiten Werkzeugverbindungen werden dann an ein entsprechendes erstes und zweites Distalende des röhrenförmigen Elements angebracht, so dass die Längsbohrung jeder ersten und zweiten Werkzeugverbindung mit der Längsbohrung des röhrenförmigen Elements ausgerichtet ist und in Verbindung steht.
Ein Außendurchmesser der ersten Werkzeugverbindung nahe dem offenen Distalende wird dann maschinell bearbeitet, um einen mit Außengewinde versehenen Stift zum Verbinden mit einem weiteren schweren Bohrrohrelement zu bilden. Der Innendurchmesser der zweiten Werkzeugverbindung nahe einem offenen Distalende wird dann maschinell bearbeitet, um eine mit Innengewinde versehene Buchse zum Verbinden mit einem weiteren schweren Bohrrohrelement zu bilden. Das schwere Bohrrohrelement kann somit mit mehrfachen weiteren speziell behandelten schweren Bohrrohrelementen verbunden werden, um einen durchgehenden schweren Bohrrohrstrang mit gewünschter Länge zur Verwendung in einer abgelenkten Bohrlochbohrung mit korrodierender Umgebung zu bilden.
Diese und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale dieser Erfindung werden Fachleuten auf dem Gebiet aus der Betrachtung der ausführlichen Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen deutlich, wobei auf die angehefteten Zeichnungen und beigefügten Ansprüche Bezug genommen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Aufrißansicht des schweren Bohrrohrs der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Querschnitt des schweren Bohrrohrs in 1 entlang Linie 2-2.
3 ist eine teilweise Querschnittsansicht des schweren Bohrrohrs in 1 entlang Linie 3-3.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 beinhaltet das schwere Bohrrohrelement der vorliegenden Erfindung ein längliches röhrenförmiges Element 10 mit einer hindurchgehenden Längsbohrung 29. Eine erste und zweite Werkzeugverbindung 20 und 22 sind an einem entsprechenden ersten Distalende 19 und zweiten Distalende 21 des röhrenförmigen Elements 10 angeordnet. Jede erste und zweite Werkzeugverbindung 20 und 22 beinahltet eine entsprechende röhrenförmige Bohrung 27 und 31, die mit der Längsbohrung 29 des röhrenförmigen Elements 10 in Verbindung steht. Die erste Werkzeugverbindung 20 beinhaltet einen mit Außengewinde versehenen Stift 23, und die zweite Werkzeugverbindung 22 beinhaltet eine mit Innengewinde versehene Buchse 25 (3) zum Verbinden eines weiteren schweren Bohrrohrelements mit einer entsprechenden ersten und zweiten Werkzeugverbindung 20 und 22.
Die ersten und zweiten Werkzeugverbindungen 20 und 22 werden vorzugsweise getrennt vom röhrenförmigen Element 10 maschinell bearbeitet und dann dauerhaft an ein entsprechendes erste und zweites Distalende 19 und 21 des röhrenförmigen Elements 10 angebracht. Das röhrenförmige Element 10 und die Stauchungen 12, 14 und 16 werden aus einem dickwandigen Wandverrohrungsausgangsmaterial aus Legierungsstahl, AISI (American Iron and Steel Institiute) 4130, modifiziert, durchbohrt, maschinell herausgearbeitet, das von der Timken Company im Handel erhältlich ist.
Die ersten und zweiten Werkzeugverbindungen 10 und 22 werden aus einem AISI 4145, modifiziert, maschinell herausgearbeitet, das ebenfalls von der Timken Company im Handel erhältlich ist. Alternativ können das röhrenförmige Element 10 und die ersten und zweiten Werkzeugverbindungen 20 und 22 aus einem einzigen röhrenförmigen Stück Ausgangsmaterial AISI 4130, modifiziert, maschinell herausgearbeitet werden.
In einer beovrzugten Ausführungsform sind eine Mehrzahl von Stauchungen 12, 14, und 16 axial entlang des Röhrenabschnittes 18 angeordnet, um Biegebeanspruchungen im röhrenförmigen Element 10 zu verringern, wobei jede der Mehrzahl von Stauchungen 12, 14 und 16 einen Außendurchmesser größer als der Außendurchmesser des röhrenförmigen Elements 10, aber nicht größer als der Außendurchmesser jeder ersten und zweiten Werkzeugverbindung 20 und 22 aufweist. Abhängig von der Länge des röhrenförmigen Elements 10 und dem relativen abgelenkten Winkel des Bohrlochbohrung kann eine einzige Stauchung oder Schutzeinrichtung 12, 14 oder 16 angemessen sein.
Nun unter Bezugnahme auf 3 kann Ermüdung, die durch Biegebeanspruchungen im röhrenförmigen Element 10 bewirkt wird, durch axiale Ausdehnung des Innendurchmessers der röhrenförmigen Bohrung 31 nahe der mit Innengewinde versehen Buchse 25 von einem ersten abschließbaren Punkt 33 zu einem zweiten abschließbaren Punkt 35 verringert werden, so dass die röhrenförmige Bohrung 31 im Wesentlichen entlang der Längsachse von der mit Innengewinde versehenen Buchse 25 aus bis nahe dem zweiten Distalende 21 des röhrenförmigen Elements 10 konstant ist. Obwohl der Innendurchmesser zwischen 33 und 35 geringfügig kleiner als der Innendurchmesser zwischen der mit Innengewinde versehenen Buchse 25 und 33 ist, ist dieses zusätzliche Material 37 zwischen 33 und 35 für die maschinelle Herausarbeitung zusätzlicher Gewinde nötig, wenn die mit Innengewinde versehen Buchse 25 abgenutzt oder rissig wird und erneut maschinell beartet werden muss.
Beanspruchung im röhrenförmigen Element 10 und entsprechende Steifheit in der mit Innengewinde versehenen Buchse 25 können somit um bis zu 6½ Prozent verringert werden, wenn mit den Standardabmessungen einer mit Innengewinde versehenen Buchse für ein röhrenförmiges Element eines schweren Bohrrohrs verglichen wird. Beispielsweise kann durch Vergleichen des Querschnittmodulus (z) für standardmäßiges schweres Bohrrohr mit 4½'' mit dem der vorliegenden Erfindung eine prozentualer Verringerungsfaktor für die Steifheit in der Buchsenwerkzeugverbindung ermittelt werden. Wenn:
Dann ist für standardmäßiges schweres Bohrrohr mit 11,4 cm (4 1/2 inch):
und für modifiziertes schweres Bohrrohr einschließlich eines Bohrungsrückens:
Die entsprechende Differenz beträgt 22,85 – 21,35 = 1,5 oder 1,5/22,85 = 6,56% Abnahme in der Steifheit, was Beanspruchungen im Rohr verringert und wiederum die Ermüdungslebensdauer verbessert.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 und 2 können die Stauchungen 12, 14 und 16 eine Spiralnut 25 in einer äußeren Umfangsfläche beinhalten, um Differenzialdruck und Steckenbleiben des schweren Bohrrohrs in der Bohrlochbohrung zu verringern. Wie in 2 gezeigt, beinhaltet jede Stauchung eine Sprialnut 24, die 120° spiralförmig auseinander liegt. Die Nut 24 ist relativ flach und im Wesentlichen eben, so dass weniger als 4% der Mitte jeder Stauchung entfernt ist, was zu einer vernachlässigbaren Wirkung auf das Gewicht des schweren Bohrrohrs führt. Zum Beispiel beträgt die Abmessung "D" in 2 etwa 0,56 cm (7/32 inch) für jeweils 12.7 cm (5 inch) des Außendurchmessers des röhrenförmigen Elements 10.
Hartes Binden kann ebenfalls bei den ersten und zweiten Werkzeugverbindungen 20 und 22 und den Stauchungen 12, 14 und 16 angewendet werden, um Verschleiß zu verringern. In 1 weist jede erste und zweite Werkzeugverbindung 20 und 22 eine entsprechende hart gebundene Oberfläche 26 und 28 auf. Außerdem beinhaltet die mittlere oder Mittelstauchung 14 hart gebundene Oberflächen 30 und 32.
Obwohl die strukturellen Merkmale, die somit für das schwere Bohrrohr beschrieben wurden, Verschleiß, Ermüdung und Differenzialdruck und Steckenbleiben verringern sollen, die vom schweren Bohrrohr in einer Bohrlochbohrung angetroffen werden, sind die Materialcharakteristiken und -eigenschaften des röhrenförmigen Elements 10 und der ersten und zweiten Werkzeugverbindungen 20 und 22 für die Dauerhaftigkeit und Langlebigkeit des schweren Bohrrohrs in abgelenkten oder großwinkligen Bohrlochbohrungen mit korrodierender Umgebung entscheidend. Die entscheidenden Materialcharakteristiken und -eigenschaften beinhalten typischerweise Härte, Formänderungsfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit. Die Materialhärte wird vorzugsweise entsprechend der Brinell-Härte (BNH) gemessen, die auf einer Außenflächenprüfung am röhrenförmigen Element 10 basiert, kann jedoch auch entsprechend einer auf Laborprüfungswerten basierenden Rockwellhärte C (HRC) gemessen werden, die die Härte im Wesentlichen über die gesamte röhrenförmige Wand darstellt. Die Formänderungsfestigkeit wird typischerweise in psi gemessen und die Kerbschlagzähigkeit wird vorzugsweise in ft.-lbs durch einen Charpy-V-Schlagversuch gemessen, der bei Umgebungstemperaturen im Bereich von 21°C–23°C (70°F–74°F) durchgeführt wird.
Folglich wird das röhrenförmige Element 10 behandelt, um wenigstens im Wesentlichen über das gesamte röhrenförmige Element 10 eine BHN von 217 bis 241 für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung, eine Formänderungsfestigkeit von 620.528 kPa (90.000 psi) bis 723.949 kPa (105.000 psi) für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Biegebeanspruchungen und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 136 J (100 ft.-lbs) bei Umgebungstemperaturen für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßbelastungen zu erreichen.
In einer weiteren Ausführungsform wird das röhrenförmige Element 10 behandelt, um wenigstens im Wesentlichen über den gesamten röhrenförmige Körper 10 eine BHN von 223 bis 235 für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung, eine Formänderungsfestigkeit von 655.002 kPa (95.000 psi) bis 689.476 kPa (100.000 psi) für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Biegebeanspruchungen und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 136 J (100 ft.-lbs) bei Umgebungstemperaturen für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßbelastungen zu erreichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das röhrenförmige Element 10 behandelt, um wenigstens im Wesentlichen über das gesamte röhrenförmige Element 10 eine BHN von 229 für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung, eine Formänderungsfestigkeit von 655.002 kPa (95.000 psi) für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Biegebeanspruchungen und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 136 J (100 ft.-lbs) bei Umgebungstemperaturen für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßbelastungen zu erreichen.
Die erste und zweite Werkzeugverbindung 20 und 22 werden getrennt aus AISI 4145, modifiziert, maschinell herausgearbeitet und speziell behandelt, so dass wenigstens im Wesentlichen die Gesamtheit jeder ersten und zweiten Werkzeugverbindung 20 uns 22 eine BNH von 248 bis 269 für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung, eine Formänderungsfestigkeit von 689.476 kPa (100.000 psi) bis 792.897 kPa (115.000 psi) für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Biegebeanspruchungen und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 88 J (65 ft.-lbs), wie durch einen Charpy-V-Schlagversuch bei Umgebungstemperatur gemessen, für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßbelastungen aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform wird jede erste und zweite Werkzeugverbindung 20 und 22 speziell behandelt, um wenigstens im Wesentlichen über die Gesamtheit jeder ersten und zweiten Werkzeugverbindung 20 uns 22 eine BNH von 254 bis 263 für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung, eine Formänderungsfestigkeit von 723.949 kPa (105.000 psi) bis 758.423 kPa (110.000 psi) für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Biegebeanspruchungen und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 88 J (65 ft.-lbs), wie durch einen Charpy-V-Schlagversuch bei Umgebungstemperatur gemessen, für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßbelastungen zu erreichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird jede erste und zweite Werkzeugverbindung 20 und 22 speziell behandelt, um wenigstens im Wesentlichen über die Gesamtheit jeder ersten und zweiten Werkzeugverbindung 20 uns 22 eine BNH von 258 für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung, eine Formänderungsfestigkeit von 723.949 kPa (105.000 psi) für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Biegebeanspruchungen und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 88 J (65 ft.-lbs), wie durch einen Charpy-V-Schlagversuch bei Umgebungstemperatur gemessen, für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßbelastungen zu erreichen.
Wenn das röhrenförmige Element 10 und die ersten und zweiten Werkzeugverbindungen 20 und 22 aus dem gleichen röhrenförmigen Ausgangsmaterial AISI 4130, modifiziert, bestehen, dann wird das schwere Bohrrohrelement behandelt, um wenigstens im Wesentlichen über die Gesamtheit aus röhrenförmigem Körper 10 und ersten und zweiten Werkzeugverbindungen 20 und 22 eine BHN von 217 bis 241 für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung, eine Formänderungsfestigkeit von 620.528 kPa (90.000 psi) bis 723.949 kPa (105.000 psi) und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 136 J (100 ft.-lbs), wie durch einen Charpy-V-Schlagversuch bei Umgebungstemperaturen gemessen, für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßbelastungen zu erreichen. Die bevorzugten Materialeigenschaften für das röhrenförmige Element 10 und die erste und zweite Werkzeugverbindung 20 und 22, die aus dem gleichen röhrenförmigen Ausgangsmaterial AISI 4130, modifiziert, hergestellt werden, sind im Wesentlichen äquivalent zu den bevorzugten Materialeigenschaften, die oben unter Bezugnahme auf die ersten und zweiten Werkzeugverbindungen beschreiben wurden, die aus röhrenförmigem Ausgangsmaterial AISI 4145, modifiziert, hergestellt werden.
Die bevorzugten Materialeigenschaften (Härte, Formänderungsfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit) stellen somit die Widerstandsfähigkeit und Stärke eines Materials dar und stehen in direktem Zusammenhang mit der Behandlung oder Verarbeitung des Materials, das das röhrenförmige Element 10 und die ersten und zweiten Werkzeugverbindungen 20 und 22 umfasst. Diese Materialcharakteristiken oder -eigenschaften stehen mit der Abkühlgeschwindigkeit des Materials in Zusammenhang, nachdem es vorgeheizt wurde. Somit besteht eine Korrelation zwischen der Stoßfestigkeit eines Materials und seiner Formänderungsfestigkeit, so dass je höher die Kerbschlagzähigkeit ist, um so geringer ist die Formänderungsfestigkeit und umgekehrt. Außerdem ist die Formänderungsfestigkeit um so höher, je härter das Material ist. Die Behandlung des röhrenförmigen Elements 10 und der ersten und zweiten Werkzeugverbindungen 20 und 22 bringt einzigartige Materialeigenschaften hervor, die gestatten, dass das schwere Bohrrohrelement in einer abgelenkten Bohrlochbohrung verwendet wird, das eine korrodierende Umgebung aufweist. Um diese einzigartigen Materialcharakteristiken oder -eigenschaften zu erreichen, wird ein besonderes Verfahren des Vorheizens, Abschreckens und Temperns des Materials eingesetzt, das das röhrenförmige Element 10 und die ersten und zweiten Werkzeugverbindungen 20 und 22 umfasst.
Um beispielsweise die Materialeigenschaften und -charakteristiken für ein röhrenförmiges Element 10 aus röhrenförmigem Ausgangsmaterial AISI 4130, modifiziert, wie allgemein oben beschrieben zu erreichen, muss das röhrenförmige Element 10 zuerst auf 885°C bis 913°C (1625°F bis 1675°F) vorgeheizt werden, wo es zu einer Phase transformiert wird, die gewöhnlich als Austenit bezeichnet wird. Wenn die Mikrostruktur des röhrenförmigen Elements 10 homogen wird und sich das röhrenförmige Element 10 in einem Mischkristallzustand befindet, beginnt der Austenit, Legierungselemente zu absorbieren und ist bald bereit, um unter Verwendung von Wasser oder irgendeines anderen geeigneten Fluids abhängig von der erforderlichen Abkühlgeschwindigkeit durch eine Flüssigkeit abgeschreckt zu werden.
Das Abschrecken des röhrenförmigen Elements 10 durch eine Flüssigkeit ist eine kritische Stufe zum Erreichen der oben beschreibenen einzigartigen Kombination von Materialeigenschaften, weil die Feinheit der Mikrostruktur des röhrenförmigen Elements 10 von der Geschwindigkeit abhängt, mit der Wärme entzogen wird. Wenn Wärme langsam entzogen wird, besteht die Mikrostruktur aus unerwünschtem Perlit und/oder Bainit. Wenn das röhrenförmige Element 10 zu schnell abgekühlt wird, kann das röhrenförmige Element 10 reißen oder sogar explodieren. Daher muss der Abschreckvorgang schnell genug sein, um die Mikrostruktur zu einer Phase zu transformieren, die gewöhnlich als Martensit bezeichnet wird, ohne das röhrenförmige Element 10 zu zerreißen. Diese kritische Abkühlgeschwindigkeit muss nicht nur an der Oberfläche des röhrenförmigen Elements 10 sondern auch konsistent über das ganze Material erreicht werden. Daher muss das röhrenförmige Element 10 eine angemessene Härtungstiefe aufweisen, die die Tiefe ist, bis zu welcher die Abkühlungsgeschwindigkeit groß genug ist, um Austenit zu Martensit zu transformieren.
Tempern ist eine weitere kritische Stufe, die zum Erreichen der oben beschriebenen einzigartigen Kombination von Materialeigenschaften benötigt wird. Nach dem Abkühlen des Materials besitzt das röhrenförmige Element 10 vorzugsweise eine sehr feine Mikrostruktur von wenigstens 90% Martensit, weist aber auch auf Grund der großen Abkühlgeschwindigkeit eine sehr hohe Härte und Restspannungswerte auf. Der Tempervorgang wird angewendet, um eine Phase zu erreichen, die gewöhnlich als getemperter Martensit bezeichnet wird. Der Tempervorgang verfeinert die Materialeigenschaften, um eine bevorzugte Kombination von Formänderungsfestigkeit, Zerreißfestigkeit, Härte und Kerbschlagzähigkeit zu erreichen. Der Tempervorgang hängt typischerweise von der Temperatur und der Haltezeit im Temperofen. Die Temperatur und Haltezeit steuern somit die Mikrostruktur und Formänderungsfestigkeit, Zerreißfestigkeit, Härte, Kerbschlagzähigkeit und Korrosionsbeständigkeit.
Folglich wird das röhrenförmige Element 10 für eine Dauer von 10 bis 20 Minuten durch eine Flüssigkeit abgeschreckt, um einen Mindestwert von 90% Martensit in der Mikrostruktur zu erhalten, und wird dann für 20 bis 40 Minuten bei 766°C (1360°F bis 1410°F) getempert. Die getemperte martensitische Mikrostruktur bringt ein sehr starkes, obwohl duktiles und elastisches Material hervor, das sowohl für Anwendungen mit hoher Belastung, die in abgelenkten Bohrlochbohrungen angetroffen werden, als auch korrodierende Umgebungen geeignet ist. Obwohl das Tempern bewirkt, dass das röhrenförmige Element 10 etwas von seiner Härte verliert, gewinnt es an Widerstandsfähigkeit und Elastitzität, was zu einem Material mit eng zusammengefügter, kleinkörniger martensitischer Mikrostruktur mit den oben beschriebenen allgemeinen Materialcharakteristiken oder -eigenschaften führt. Die oben allgemein beschriebene Härte, Formänderungsfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit des Materials sind ausreichend, um Industriestandards (NACE-Standards) zu erfüllen, indem ein Mindestwert von 85% der spezifizierten maximalen Formänderungsfestigkeit gemäß NACE-Standardprozeduren erreicht wird. Diese spezifizieren Materialeigenschaften verbessern die Leistung und Dauerhaftigkeit des schweren Bohrrohrelements während Anwendung mit hoher Belastung in einer abgelenkten Bohrlochbohrung wesentlich, die eine korrodierende Umgebung aufweist.
Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung des röhrenförmigen Elements 10 wird das röhrenförmige Element 10 zuerst auf etwa 899°C (1650°F) vorgeheizt. Das röhrenförmige Element 10 wird dann durch eine Flüssigkeit für wenigstens 10 Minuten abgeschreckt und dann für wenigstens 20 Minuten auf etwa 752°C (1385°F) getempert, um eine bevorzugte BHN von etwa 229, eine Formänderungsfestigkeit von etwa 655.002 kPa (95.000 psi) und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 136 J (100 ft.-lbs) bei Umgebungstemperaturen über im Wesentlichen das gesamte röhrenförmige Element 10 zu erreichen.
Um Materialeigenschaften für die ersten und zweiten Werkzeugverbindungen 20 und 22, die aus einem röhrenförmigen Ausgangsmaterial AISI 4145, modifiziert, bestehen, wie oben allgemein beschrieben zu erreichen, werden die erste und zweite Werkzeugverbindung 20 und 22 in ähnlicher Weise behandelt wie oben unter Bezugnahme auf das röhrenförmige Element 10 beschrieben. Beispielsweise wird jede erste und zweite Werkzeugverbindung 20 und 22 zuerst auf 924°C bis 952°C (1695°C bis 1745°F) vorgeheizt, um eine Austenit-Phase oder -Struktur zu erreichen. Die erste und zweite Werkzeugverbindung 20 und 22 werden dann unter Verwendung von Wasser oder irgendeines anderen geeigneten Fluids für eine Dauer von 10 bis 20 Minuten durch eine Flüssigkeit abgeschreckt und dann für 30 bis 45 Minuten auf 688°C bis 721°C (1270°F bis 1330°F) getempert.
Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung der ersten und zweiten Werkzeugverbindung 20 und 22 werden die erste und zweite Werkzeugverbindung 20 und 22 zuerst auf 938°C (1720°C) vorgeheizt. Die erste und zweite Werkzeugverbindung 20 und 22 werden dann für eine Dauer von wenigstens 10 Minuten durch eine Flüssigkeit abgeschreckt und dann auf etwa 704°C (1300°F) für wenigstens 30 Minuten getempert, um eine bevorzugte BHN von etwa 258, eine Formänderungsfestigkeit von etwa 723.949 kPa (105.000 psi) und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 88 J (65 ft.-lbs) bei Umgebungstemperaturen über im Wesentlichen die Gesamtheit jeder ersten und zweiten Werkzeugverbindung 20 und 22 zu erreichen.
Wenn jedoch das röhrenförmige Element 10 und die erste und zweite Werkzeugverbindung 20 und 22 aus dem gleichen röhrenförmigen Ausgangsmaterial AISI 4130, modifiziert, maschinell herausgearbeitet werden, dann wird das schwere Bohrrohrelement auf 885°C bis 913°C (1625°F bis 1675°F) vorgeheizt und dann für 10 bis 20 Minuten durch eine Flüssigkeit abgeschreckt. Das schwere Bohrrohrelement wird dann für 20 bis 45 Minuten auf 654°C bis 752°C (1210°F bis 1385°F) getempert. Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung des röhrenförmigen Elements 10 und der ersten und zweiten Werkzeugverbindung 20 und 22, die aus dem gleichen röhrenförmigen Ausgangsmaterial AISI 4130, modifiziert, hergestellt sind, wird das schwere Bohrrohrelement auf etwa 899°C (1650°F) vorgeheizt und dann für wenigstens 10 Minuten durch eine Flüssigkeit abgeschreckt. Das schwere Bohrrohrelement wird dann für wenigstens 20 Minuten auf 704°C (1300°F) getempert, um eine bevorzugten BHN von etwa 258, eine Formänderungsfestigkeit von etwa 723.949 kPa (105.000 psi) und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 88 J (65 ft.-lbs) bei Umgebungstemperatur über im Wesentlichen das gesamte röhrenförmige Element 10 und die erste und zweite Werkzeugverbindung 20 und 22 zu erreichen.
Der Vorgang oder die Behandlung aus Vorheizen, Abschrecken durch eine Flüssigkeit und Tempern kann entweder mit einem herkömmlichen Wärmebehandlungssystem vom Badtyp oder einen Wärmebehandlungsprozess (CLH) in kontinuierlicher Linie erreicht werden. Obwohl die oben allgemein beschriebenen bevorzugten Materialeigenschaften für das röhrenförmige Element 10 und die ersten und zweiten Werkzeugverbindungen durch jedes der beiden Verfahren erhalten werden kann, gibt es eine größere Sicherheit einheitlicher Eigenschaften über das gesamte Material unter Verwendung des CLH-Systems, das das Zuführen des röhrenförmigen Elements 10 und der ersten und zweiten Werkzeugverbindung 20 und 22 mit kontinuierlicher Geschwindigkeit durch einen Ofen bedeutet, während sich derselbe dreht, um eine einheitliche Behandlung des Materials zu erreichen. Wenn das röhrenförmige Element 10 und die erste und zweite Werkzeugverbindung 20 und 22 wie oben beschrieben behandelt werden, um die optimalen Materialeigenschaften zu erreichen, die für eine Verwendung in einer Bohrlochbohrung mit korrodierender Umgebung nötig sind, können die erste und zweite Werkzeugverbindung 20 und 22 an dem entsprechenden ersten und zweiten Distalende 19 und 21 des röhrenförmigen Elements dauerhaft angebracht und maschinell bearbeitet werden, um einen mit Außengewinde versehenen Stift 23 an der ersten Werkzeugverbindung 20 und eine mit Innengewinde versehene Buchse 25 an der zweiten Werkzeugverbindung 22 maschinell herausgearbeitet werden, um ein entsprechendes schweres Bohrrohrelement mit der ertsen und zweiten Werkzeugverbindung 20 und 22 zu verbinden.
Aus dem vorhergehenden ist zu sehen, dass diese Erfindung eine gut angepasste ist, um alle hier oben dargelegten Ziele und Aufgaben zusammen mit weiteren Vorteilen und Merkmalen zu erreichen, die offensichtlich und der Vorrichtung und Struktur eigen sind. Es ist selbstverständlich, dass einige Merkmale und Unterkombinationen von Nutzen sind und ohne Bezugnahme auf andere Merkmale und Unterkombinationen verwendet werden können. Dies wird durch und innerhalb des Umfangs der Ansprüche betrachtet. Weil viele mögliche Ausführungsformen der Erfindung hergestellt werden können, ohnen von ihrem Umfang abzuweichen, ist es selbstverständlich, dass der gesamte hier dargelegte oder in den beigefügten Zeichnungen gezeigte Inhalt im Einschränkungssinne als veranschaulichen interpretiert werden soll.

Claims

Schweres Bohrrohrelement zur Verwendung in einer abgelenkten Bohrlochbohrung mit korrodierender Umgebung, welches umfasst: einen röhrenförmigen Körper (10) mit einer hindurchgehenden Längsbohrung (29) und einem ersten (19) und einen zweiten (21) Distalende, wobei im Wesentlichen der gesamte röhrenförmige Körper eine Brinell-Härte von 217 bis 241 für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung, eine Kerbschlagzähigkeit von 620.528 kPa bis 723.949 kPa (90.000 psi bis 105.000 psi) für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Biegebelastungen und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 136 J (100 ft.-lbs), wie durch einen Charpy-V-Schlagversuch bei Umgebungstemperaturen gemessen, für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßbelastungen aufweist, wobei das schwere Bohrrohrelement herstellbar ist durch: – Vorheizen des röhrenförmigen Körpers (10) mit einer hindurchgehenden Längsbohrung (29) und einem ersten (19) und zweiten (21) Distalende auf 885°C bis 913°C (1625°F bis 1675°F); – Abschrecken des röhrenförmigen Körpers (10) durch eine Flüssigkeit für 10 bis 20 Minuten; und – Tempern des abgeschreckten röhrenförmigen Körpers für 20 bis 40 Minuten bei 738°C bis 766°C (1360°F bis 1410°F), um eine Brinell-Härte von 217 bis 241, eine Formänderungsfestigkeit von 620.528 kPa bis 723.949 kPa (90.000 psi bis 105.000 psi) und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 136 J (100 ft.-lbs) über im Wesentlichen das gesamte röhrenförmige Element zu erreichen.
Schweres Bohrrohrelement nach Anspruch 1, bei dem wenigstens im Wesentlichen der gesamte röhrenförmige Körper eine Brinell-Härte von 223 bis 235, eine Formänderungsfestigkeit von 655.002 kPa bis 689.476 kPa (95.000 psi bis 100.000 psi) und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 136 J (100 ft.-lbs) aufweist.
Schweres Bohrrohrelement nach Anspruch 1, bei dem wenigstens im Wesentlichen der gesamte röhrenförmige Körper eine Brinell-Härte von 229, eine Formänderungsfestigkeit von 655.001 kPa (95.000 psi) und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 136 J (100 ft.-lbs) aufweist.
Schweres Bohrrohrelement nach Anspruch 1, das ferner umfasst: eine erste Werkzeugverbindung (20) und eine zweite Werkzeugverbindung (22), wobei die erste und die zweite Werkzeugverbindung mit einem entsprechenden ersten (19) und zweiten (21) Distalende des röhrenförmigen Körpers (10) verbunden sind; wobei jede der ersten und zweiten Werkzeugverbindungen ein offenes Distalende und eine hindurchgehende Längsbohrung (27, 31) in Verbindung mit der Längsbohrung des röhrenförmigen Körpers aufweist; wobei wenigstens im Wesentlichen die Gesamtheit jeder ersten und zweiten Werkzeugverbindung eine Brinell-Härte von 248 bis 269 für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung, eine Formänderungsfestigkeit von 689.476 kPa bis 792.897 kPa (100.000 psi bis 115.000 psi) für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Biegebelastungen und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 88 J (65 ft.-lbs.), wie durch einen Charpy-V-Schlagversuch bei Umgebungstemperaturen gemessen, für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßbelastungen aufweist,
Schweres Bohrrohrelement nach Anspruch 4, bei dem wenigstens im Wesentlichen die Gesamtheit jeder ersten und zweiten Werkzeugverbindung eine Brinell-Härte von 254 bis 263, eine Formänderungsfestigkeit von 723.949 kPa bis 758.423 kPa (105.000 psi bis 110.000 psi) und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 88 J (65 ft.-lbs) aufweist.
Schweres Bohrrohrelement nach Anspruch 4, bei dem wenigstens im Wesentlichen die Gesamtheit jeder ersten und zweiten Werkzeugverbindung eine Brinell-Härte von etwa 258, eine Formänderungsfestigkeit von etwa 723.949 kPa (105.000 psi) und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 88 J (65 ft.-lbs) aufweist.
Schweres Bohrrohrelement nach Anspruch 4, bei dem die erste Werkzeugverbindung dem offenen Distalende benachbart einen mit Außengewinde versehenen Stift (23) zur Schraubverbindung mit einem weiteren schweren Bohrrohrelement aufweist.
Schweres Bohrrohrelement nach Anspruch 4, bei dem die zweite Werkzeugverbindung dem offenen Distalende benachbart eine mit Innengewinde versehenen Buchse (25) zur Schraubverbindung mit einem weiteren schweren Bohrrohrelement aufweist.
Schweres Bohrrohrelement nach Anspruch 8, bei dem die mit Innengewinde versehene Buchse (25) eine axial verlaufende Innenbohrung (31) beinhaltet, die im Wesentlichen entlang der Längsachse von dem Innengewinde aus bis nahe dem zweiten Distalende des röhrenförmigen Körpers konstant ist, um Ermüdung zu verringern.
Schweres Bohrrohrelement nach Anspruch 1, das ferner umfasst: eine oder mehrere Schutzeinrichtungen (12, 14, 16), die entlang der Längsachse des röhrenförmigen Körpers angeordnet sind, wobei jede der Schutzeinrichtungen einen Außendurchmesser größer als einen Außendurchmesser des röhrenförmigen Körpers aber nicht größer als ein Außendurchmesser jeder ersten und zweiten Werkzeugverbindung aufweist, um die Biegebelastungen im röhrenförmigen Körper zu begrenzen.
Schweres Bohrrohrelement nach Anspruch 10, bei dem jede der Schutzeinrichtungen eine Spiralnut (24) in einer äußeren Umfangsfläche aufweist, um Differenzialdruck und Steckenbleiben des schweren Bohrrohrs in der Bohrlochbohrung zu verringern.
Schweres Bohrrohrelement nach Anspruch 11, bei dem die erste und zweite Werkzeugverbindung und wenigstens eine der Schutzeinrichtungen im Wesentlichen um eine äußere Umfangsfläche (26, 28) hart gebunden sind, um Abnutzung zu verringern.
Verfahren zum Herstellen eines schweren Bohrrohrelements, das zur Verwendung in einer abgelenkten Bohrlochbohrung mit korrodierender Umgebung, welches umfasst: – Vorheizen eines länglichen röhrenförmigen Körpers (10) mit einer hindurchgehenden Längsbohrung (29) und einem ersten (19) und zweiten (21) Distalende auf 885°C bis 931°C (1625°F bis 1675°F); – Abschrecken des vorgeheizten röhrenförmigen Elements durch eine Flüssigkeit für 10 bis 20 Minuten; und – Tempern des abgeschreckten röhrenförmigen Elements für 20 bis 40 Minuten bei 738°C bis 766°C (1360°F bis 1410°F), um eine Brinell-Härte von 217 bis 241, eine Formänderungsfestigkeit von 620.528 kPa bis 723.949 kPa (90.000 psi bis 105.000 psi) und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 136 J (100 ft.-lbs) über im Wesentlichen das gesamte röhrenförmige Element zu erreichen.
Verfahren zur Herstellung eines schweren Bohrrohrelements nach Anspruch 13, das ferner umfasst: – Vorheizen einer ersten Werkzeugverbindung (20) und einer zweiten Werkzeugverbindung (22) auf 924°C bis 952°C (1695°F bis 1745°F), wobei jede erste und zweite Werkzeugverbindung ein offenes fernes Ende und eine hindurchgehende Längsbohrung (27, 31) aufweist; – Abschrecken der ersten und zweiten Werkzeugverbindung durch eine Flüssigkeit für 10 bis 20 Minuten; – Tempern der abgeschreckten ersten und zweiten Werkzeugverbindung für 30 bis 45 Minuten bei 688°C bis 721°C (1270°F bis 1330°F), um eine Brinell-Härte von 248 bis 269, eine Formänderungsfestigkeit von 689.476 kPa bis 792.897 kPa (100.000 psi bis 115.000 psi) und eine Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 88 J (65 ft..-lbs) über im Wesentlichen die Gesamtheit jeder ersten und zweiten Werkzeugverbindung zu erreichen; – Anbringen der ersten und zweiten Werkzeugverbindungen an einem jeweiligen ersten und zweiten Distalende des röhrenförmigen Elements.
Verfahren zur Herstellung des schweren Bohrrohrelements nach Anspruch 14, das ferner umfasst: maschinelles Einarbeiten von Gewinde (23) an einem Außendurchmesser der ersten Werkzeugverbindung einem offenen Distalende benachbart zum Verbinden mit einem weiteren schweren Bohrrohrelement.
Verfahren zur Herstellung des schweren Bohrrohrelements nach Anspruch 14, das ferner umfasst: maschinelles Einarbeiten von Gewinde (25) an einem Innendurchmesser der zweiten Werkzeugverbindung einem offenen Distalende benachbart zum Verbinden mit einem weiteren schweren Bohrrohrelement.