Die Materialauswahl für Bohrlochwerkzeuge wird von mehreren Faktoren beeinflusst. Aus Sicht der Bohrlochwerkzeugtypen:
Bohrwerkzeuge, Protokollierungswerkzeuge undWorkover-WerkzeugeDiese Werkzeuge haben eine kurze Lebensdauer im Bohrloch, daher benötigen sie eine hohe Festigkeit, aber geringe Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit.
Fertigstellungswerkzeuge: Sie müssen mehrere Jahre im Bohrloch arbeiten, daher müssen die Temperatur im Bohrloch und die Korrosionsbeständigkeit berücksichtigt werden.
Aus der Perspektive der Bohrlochumgebung werden sie üblicherweise in vier Kategorien eingeteilt:
Standardumgebung (frei von Schwefelwasserstoff (H₂S), mit einem Kohlendioxidgehalt (CO₂) von weniger als 1 psi [ca. 0,0069 MPa]); H₂S-Korrosionsumgebung; CO₂-Korrosionsumgebung; Kombinierte Korrosionsumgebung von H₂S und CO₂.
Materialauswahl für Bohrlochwerkzeuge in Standardumgebungen
Für Bohrlochwerkzeuge, die in Standardumgebungen eingesetzt werden, werden üblicherweise legierte Stähle wie 4130, 4140 und 4145 (AISI-Sorten) gewählt. Die chemischen Zusammensetzungen und mechanischen Festigkeiten dieser Werkstoffe sind in den folgenden Tabellen dargestellt:
1. Vergleich der chemischen Zusammensetzungen (Massenanteil)
| Element | 4130 (AISI) | 4140 (AISI) | 4145 (AISI 4145H) |
| Kohlenstoff (C) | 0,28–0,33 % | 0,33–0,48 % | 0,43–0,48 % |
| Mangan (Mn) | 0,40–0,60 % | 0,75–1,00 % | 0,75–1,00 % |
| Chrom (Cr) | 0,80–1,10 % | 0,80–1,10 % | 0,80–1,10 % |
| Molybdän (Mo) | 0,15–0,25 % | 0,15–0,25 % | 0,15–0,25 % |
| Silizium (Si) | 0,15–0,35 % | 0,15–0,35 % | 0,15–0,35 % |
| Schwefel (S)/Phosphor (P) | ≤0,040 % (S), ≤0,035 % (P) | ≤0,030 % (S), ≤0,030 % (P) | ≤0,030 % (S), ≤0,030 % (P) |
2. Vergleich der mechanischen Festigkeiten
| Mechanische Eigenschaften | 4130 | 4140 | 4145 (Klasse H, typischer Wert) |
| Zugfestigkeit | 760-871 MPa | 795-1000 MPa | 950-1100 MPa |
| Streckgrenze | ≥635 MPa | ≥610-750 MPa | ≥750 MPa |
| Verlängerung | ≥17% | ≥22% | ≥10% |
| Härte (HRC) | 28-32 (nach dem Abschrecken und Anlassen) | 28-34 (nach dem Abschrecken und Anlassen) | 32-36 (nach dem Abschrecken und Anlassen) |
Wie aus den Tabellen ersichtlich ist:
Der Kohlenstoffgehalt dieser Materialien steigt in der Reihenfolge (4130 < 4140 < 4145), während die Gehalte der anderen Elemente ähnlich sind.
Mechanische Eigenschaften: Die Festigkeit korreliert positiv mit dem Kohlenstoffgehalt – 4145 weist die höchste Festigkeit auf –, während die Zähigkeit umgekehrt proportional abnimmt, wobei 4130 die höchste Zähigkeit aufweist.
4130, 4140 und 4145 sind internationale Werkstoffgüten, ihre entsprechenden Bezeichnungen in China lauten wie folgt:
- 4130 (AISI) ≡ Inländische Güte 30CrMoA;
- 4140 (AISI) ≡ Inländische Sorte 42CrMo;
- 4145H (AISI) ≡ Inländische Güte 45CrMo.
Die Werkstoffe 4130 und 4140 eignen sich für konventionelle Fertigungswerkzeuge, wobei der Schwerpunkt auf Wirtschaftlichkeit und Schweißbarkeit liegt.
4145H wird häufig in Tiefbohr-, Hochdruck- oder Hochlastwerkzeugen (wie Bohrwerkzeugen und Workover-Werkzeugen) eingesetzt, wobei der Schwerpunkt auf Festigkeit und Verschleißfestigkeit liegt.
Materialauswahl für Fertigstellungswerkzeuge in korrosiven Umgebungen
Bei der Auswahl von Fertigstellungswerkzeugen in korrosiven Umgebungen hängt die Entscheidung hauptsächlich vom Partialdruck der sauren Gase ab (unterteilt in zwei Typen: CO₂ und H₂S).
1. Brunnen mit hohem CO₂-Gehalt
Um CO₂-Korrosion zu widerstehen, muss der Chromgehalt (Cr) in den Materialien erhöht werden. Die folgenden Materialien (sortiert nach Cr-Gehalt) eignen sich grundsätzlich zur Abdichtung von Brunnen mit einem CO₂-Partialdruck von 0,5 MPa bis 14 MPa.：3Cr (Cr-Gehalt ≈ 3%), 9Cr1Mo (Cr-Gehalt ≈ 9%), 13Cr, S13Cr, 17Cr (Güte S17400), 22Cr (z. B. Duplex-Edelstahl S32205) und 25Cr-Stahl.
2. Brunnen mit hohem H₂S-Gehalt
Um die Sulfidspannungsrisskorrosion (SSC) zu reduzieren, muss der Nickelgehalt (Ni) in den Werkstoffen erhöht werden. Bei einem H₂S-Partialdruck über 1 MPa und gleichzeitig hohem CO₂-Partialdruck sollten Hochtemperaturlegierungen wie die folgenden verwendet werden:
Materialauswahl für Spezialbauteile
Hauptwerkstoffe der Bohrlochwerkzeuge (die mit Bohrlochflüssigkeit in Kontakt kommen und Lasten tragen): Auswahl gemäß den oben genannten Normen.
Scherkomponenten: Im Allgemeinen aus H62-Messing- oder S36600-Edelstahlstangen gefertigt.
Verankerungskomponenten: Ausgewählt aus 20CrMoTi oder 20CrMnTi. Zur Verbesserung der Oberflächenhärte ist eine Oberflächenaufkohlungsbehandlung (mit einer Aufkohlungsschichtdicke von 0,8–1,2 mm) erforderlich, wodurch die Oberflächenhärte auf HRC 58–62 erhöht wird.
Weitere Faktoren, die die Materialauswahl und die Referenznormen beeinflussen
Neben sauren Gasen hängt die Materialauswahl für Bohrlochverrohrungen und Bohrlochwerkzeuge auch von der Bohrlochtemperatur, dem Wasseranteil, dem Mineralisierungsgrad und dem pH-Wert ab. Genauere Auswahlkriterien finden sich in der Industrienorm Q/HS 14015 „Design Guidelines for Corrosion Prevention of Tubing and Casing in Offshore Oil and Gas Wells“.
Landrill liefert auch Stangenmaterial aus Stahl der Sorten 41430, 4140 und 4145.
Sie können gerne nachfragen.https://www.landrilloiltools.com/
Veröffentlichungsdatum: 03.09.2025
5-1203, Dahua Industriegebiet, Nr. 2 Yunshui Straße, Hightech-Entwicklungszone, Xi'an, 710065, China
86-13609153141
