Durch Richtbohrungen (Directional Drilling) werden heute Erdölfelder erschlossen, die bis zu 5 km

Durch Richtbohrungen (Directional Drilling) werden heute Erdölfelder erschlossen, die bis zu 5 km tief und mehr als 10 km entfernt vom Bohrturm liegen. (Bild: iStockphoto)

Witten (rm). Solche Edelstähle müssen nicht nur hohem Druck, extremen Temperaturen und starker Korrosion standhalten, sondern auch magnetisch durchlässig sein, um die hochempfindlichen Instrumente, die zur Erdölsuche eingesetzt werden, nicht zu beeinflussen.

Durch Richtbohrungen (Directional Drilling) werden heute Erdölfelder erschlossen, die bis zu 5 km tief und mehr als 10 km entfernt vom Bohrturm liegen. In der Offshore-Förderung ist das Richtbohren die übliche Form der Erschließung, da so von wenigen Bohrinseln aus die oft weitläufigen Lagerstätten erreicht werden. An Land können damit Lagerstätten unter besiedeltem und unzugänglichem Gelände erreicht oder Naturschutzgebiete geschont werden.

Im Richtbohrstrang sitzen hinter dem Bohrmeißel auf etwa 50 m Länge Bauteile aus nichtrostendem Edelstahl. Zum einen finden sich hier Drill Collars, die kontinuierlich Spülflüssigkeit zuführen, um das durch den Bohrkopf zerkleinerte Gestein an die Erdoberfläche zu spülen. Zum anderen werden in den MWD/LWD (Messurement While Drilling / Logging While Drilling) genannten Strangsegmenten geometrische Instrumente gelagert.

Sie sammeln Daten über Gesteinsinformationen und führen Messungen am Erdmagnetfeld durch, um Lage und Richtung der Bohrung detailliert zu bestimmen. Daher müssen die Bohrstrangteile insbesondere in unmittelbarer Nähe der Messgeräte amagnetisch sein. Ihre magnetische Durchlässigkeit muss so hoch sein, dass keine Kompassabweichungen entstehen. Nur wenn das Erdmagnetfeld nicht durch den Stahl der Strangelemente abgelenkt wird, sind präzise Messungen möglich.

Ein wesentliches Kriterium für den wirtschaftlichen Einsatz von amagnetischen Edelstahllegierungen in diesem Bereich ist die Langlebigkeit der Legierungen. Um den starken mechanischen Beanspruchungen durch Zug- und Druckspannungen von bis zu 1500 MPa sowie der Torsion durch die Drehung des Bohrkopfs und des Stranges standzuhalten, müssen die Stähle eine hohe Festigkeit aufweisen. Ein ebenfalls zentraler Punkt ist die Korrosionsbeständigkeit, da die Spülflüssigkeit korrosive Inhaltsstoffe wie mehrprozentige Natriumchlorid-, Kaliumchlorid- oder Magnesiumchlorid-Lösungen enthält, die das noch nicht verrohrte Bohrloch stabilisieren sollen.

Die MWD werden im Vergleich zu den Drill Collars deutlich aufwändiger und teilweise auch dünnwandig angearbeitet, um die empfindlichen Messgeräte günstig im Bauteil platzieren zu können. Daher muss diese Legierung noch beständiger gegen Lochfraß und dennoch gut zu zerspanen sein.

Grundlage für die Stahlproduktion der Deutschen Edelstahlwerke, zur Schmolz + Bickenbach AG gehörend, ist Schrott. Um amagnetische Stähle herzustellen, muss eine spezielle, stabile austenische Kristallstruktur erzeugt werden. Diese wird durch eine Zugabe von etwa 20 % Mangan sowie Nickel und Stickstoff erreicht.

Die für die MWD benötigte Legierung des Magnadur 601 unterscheidet sich von dem Magnadur 501, aus dem die Drill Collar gefertigt werden, durch die höheren Zugaben von Chrom, Nickel, Stickstoff und Molybdän. Dadurch werden nach Herstellerangabe eine gesteigerte Lochfraßbeständigkeit und höhere Festigkeit nach der Kaltverfestigung erreicht. Anschließend werden beide Legierungen stickstofflegiert. Hierzu wird das Gas über eine sogenannte Lanze in die Schmelze gespült.

Im Anschluss wird der Stahl im Strangguss senkrecht vergossen. Das flüssige Metall läuft dabei abwärts durch wassergekühlte Kupferkokillen. Auf diese Weise lassen sich auch hochlegierte Stähle wie die Amagnite 501 und 601 senkrecht gießen, um eine Rissbildung zu vermeiden. Der geschliffene Strangguss wird anschließend vorgeschmiedet, im Wasserbad zu abgekühlt und schließlich auf einer Rotationsschmiedemaschine kaltverfestigt. Hierbei schiebt sich der Stahl mit einer kontinuierlichen Drehung durch ein mit vier Hämmern ausgestattetes Joch, um eine gleichmäßige Verformung des Stabes zu erreichen. Dieser aufwendige, mehrstufige Schmiedeprozess ist notwendig, um dem Gefüge eine größtmögliche Härte und Festigkeit zu verleihen.

Anschließend werden die Stäbe geschält, auf Länge gesägt und feingerichtet. Die Anarbeitung der MWD übernehmen in der Regel spezialisierte Zulieferer der Ölkonzerne, um die Bauteile an die verwendeten Instrumente anzupassen. Die mechanische Bearbeitung der Drill Collar hingegen erfolgt bei den Deutschen Edelstahlwerken mittels einer Tieflochbohrmaschine. Dabei handelt es sich um Bohrungen zwischen 50 und 80 mm auf einer Länge von 9,5 m.

In einem letzten Schritt führt man eine Verfestigung der Bohrungsinnenfläche der Drill Collar durch. Über das Rollieren der Rohrinnenwände wird eine Veränderung der Druckeigenspannung erzielt, Spannungsrisskorrosion vermieden und eine deutlich gesteigerte Haltbarkeit erreicht. Abschließend werden die Produkte auf Materialfehler und Fremdeinschlüsse geprüft, die die magnetische Permeabilität beeinflussen könnten.