EP0277065A2 - Acier amagnétique au manganèse et au chrome et élément tubulaire d'une colonne de forage réalisé en acier - Google Patents
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Classifications
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C22C—ALLOYS
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- C22C38/38—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with more than 1.5% by weight of manganese
Definitions
- the invention relates to a non-magnetic manganese and chromium steel, resistant to stress corrosion in a chlorinated medium and a tubular element of a drill string made with this steel.
- Tubular elements of a drill string are known, such as drill collars, stabilizers or other measuring or control equipment which are made of non-magnetic steel. These elements must also resist stress corrosion in drilling muds which contain high proportions of chloride.
- nickel-chromium or chromium-nickel-manganese non-magnetic steels are commonly used for applications in the field of oil drilling.
- the elements produced in these steels which are stressed on the one hand in fatigue and on the other hand in corrosion by drilling muds do not have sufficient resistance to corrosion under stress, so that ruptures of these parts occur , after a use of more or less long duration in the well. These ruptures lead to downtime and require extremely expensive repairs.
- the sliding step having revealed a passivated zone is the starting point of a corrosion which spreads quickly, from close close by, to the entire surface. Corrosion is therefore no longer localized and the material is subjected to generalized corrosion.
- the repassivation speed of the exposed metal is very fast, and in particular higher than the active anodic dissolution speed, the passive layer is reformed immediately and no cracking can occur.
- sufficient repassivation speed can only be obtained by using alloys with very high nickel contents, at least equal to 35%. Such alloys are insensitive to stress corrosion, in most usual corrosive environments but cannot be used routinely, for elements of a drill string whose dimensions are generally large, because of their cost price. too high.
- the passivated zone remains localized and is thus stabilized.
- the crack that originated in this area can however spread and lead to rupture.
- the non-magnetic nickel-chromium and chromium-nickel-manganese steels used to produce the elements of a drill string are generally destroyed according to this process.
- chromium-nickel-manganese steel the composition of which is as follows (in mass%), is commonly used for certain elements of a drill string: carbon ⁇ 0.07, manganese ⁇ 18, chromium ⁇ 12 , nickel ⁇ 2, molybdenum ⁇ 0.5, nitrogen ⁇ 0.3, silicon ⁇ 0.6, sulfur ⁇ 0.005, phosphorus ⁇ 0.035.
- the object of the invention is therefore to propose a non-magnetic manganese and chromium steel resistant to stress corrosion under chlorinated medium which allows to produce tubular elements for drilling columns whose susceptibility to cracking and breakage is clearly limited.
- the steel according to the invention comprises (by mass): - at most 0.06% of carbon, from 19 to 26% of manganese, from 7 to 13% of chromium, approximately 0.3% of nitrogen and 0.6% of silicon and residual contents of nickel and molybdenum, less than 0.2% in the case of nickel and 0.1% in the case of molybdenum, the remainder, with the exception of unavoidable impurities, consisting of iron.
- the invention also relates to a tubular element of a drill string made of steel according to the invention.
- the single figure is a diagram giving the breaking stress in a chlorinated medium of steels according to the invention and of steel according to the prior art.
- a steel has been produced, the composition of which is as follows (in mass%): carbon ⁇ 0.06, manganese ⁇ 19.20, chromium ⁇ 12, nitrogen ⁇ 0.3, silicon ⁇ 0.6, sulfur ⁇ 0.005, phosphorus ⁇ 0.035 nickel ⁇ 0.2, molybdenum ⁇ 0.1, the balance for reaching 100% being made up, with the exception of unavoidable impurities, of iron.
- the magnetic permeability of the steel less than 1005, on the other hand satisfies the requirements with regard to its use for supports for measurement and control devices for drilling columns.
- the steel according to the invention quite surprisingly, has very good resistance to stress corrosion, as will be shown later, although it does not contain passivating elements such as nickel and molybdenum, in significant contents.
- the passivating elements nickel and molybdenum have been completely eliminated, and the passivating element chromium has been maintained at a value close to its usual value.
- a second steel was produced, the composition of which is as follows (in mass%): carbon ⁇ 0.06, manganese ⁇ 25, chromium ⁇ 8, nitrogen ⁇ 0.3, silicon ⁇ 0.70, sulfur ⁇ 0.005, phosphorus ⁇ 0.035.
- the corrosion tests were carried out in a solution whose composition approximates that of the most corrosive drilling mud encountered and used in drilling.
- the chloride contents of such drilling mud are as follows: Mgcl2 310 g / l Nacl 110 g / l. oxygenated by bubbling air so as not to block the cathodic process.
- test makes it possible to quantitatively determine the action of corrosion under stress, by comparison of the tensile strength in the corrosive medium and in air, this resistance in air being obtained by usual tensile test.
- the tensile strength in the corrosive environment can be considered as a completely representative parameter of the corrosion resistance.
- the test consists in subjecting a test piece to a rotary bending in the chloride solution mentioned above.
- the rotation speed is 120 revolutions per minute.
- a load equal to 75% of the elastic limit of the material is applied and, in a second series of tests, a load equal to 50% of this elastic limit. The number of cycles at break is noted each time.
- test results for each of the measurement series and for the grade according to the prior art and the two grades according to the invention are given in Tables II and III, respectively.
- the two grades according to the invention were used for the production of tubular parts for drill columns and in particular for the manufacture of drill collars. These tubular parts have a long length (9 to 10 meters) and have connecting threads at each of their ends.
- Mechanical characteristics of the steels according to the invention at least equivalent to the mechanical characteristics of the steels according to the prior art are obtained by hot work hardening at a temperature between 700 and 800 ° C, with a work hardening rate of 20 to 30% .
- the forging temperature of the tubular products is chosen so as to be situated, relative to the precipitation curve in the steel, in a zone corresponding to the "precipitation nose".
- drilling muds with a pH between 6 and 8, we did not observed this type of cracking.
- drilling muds are generally at pH values between 10 and 12.
- the conditions for forging the tubular parts as defined above correspond to a forging temperature of 680 to 650 ° C.
- An original forging technique has therefore been developed for tubular parts of long lengths of steel according to the invention.
- This technique consists in first forging the middle of the bar at a temperature corresponding to a point located above the precipitation zone; this temperature is higher than 830 ° C.
- the forging operation is therefore adjusted as a function of the steel's ambient air cooling curve, to avoid forging in the critical precipitation zone.
- the invention is not limited to the two grades which have been described above and, in particular, the manganese and chromium contents of the steel according to the invention may be different from the contents mentioned above.
- the manganese content must be greater than or equal to 19% and less than or equal to 26%; likewise, the chromium content must be greater than or equal to 7% and less than or equal to 13%.
- chromium contents situated towards the lower limit of the composition range localized corrosion, for example under the effect of alternating stresses, no longer appears and only generalized corrosion of the steel can be observed.
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Abstract
Description
- L'invention concerne un acier amagnétique au manganèse et au chrome, résistant à la corrosion sous contrainte en milieu chloruré et un élément tubulaire d'une colonne de forage réalisé avec cet acier.
- On connaît des éléments tubulaires d'une colonne de forage, tels que des drill-collars, des stabilisateurs ou d'autres équipements de mesure ou de commande qui sont réalisés en acier amagnétique. Ces éléments doivent d'autre part résister à la corrosion sous contrainte dans les boues de forage qui renferment de fortes proportions de chlorure.
- On utilise assez couramment, pour des applications dans le domaine du forage pétrolier, des aciers amagnétiques au nickel-chrome ou au chrome-nickel-manganèse. Cependant, les éléments réalisés en ces aciers qui sont sollicités d'une part en fatigue et d'autre part en corrosion par les boues de forage ne présentent pas une résistance suffisante à la corrosion sous contrainte, si bien que des ruptures de ces pièces interviennent, après une utilisation de plus ou moins longue durée dans le puits. Ces ruptures entraînent des arrêts d'exploitation et nécessitent des réparations extrêmement coûteuses.
- L'exploitation de matériels de mesure et de commande dans la colonne de forage nécessite d'autre part l'utilisation d'aciers amagnétiques dont la perméabilité ne doit pas excéder 1,005 pour les éléments tubulaires supportant ces matériels. Les aciers utilisés pour la réalisation des éléments de la colonne de forage mentionnés ci-dessus doivent donc présenter une structure austénitique.
- Lorsque de tels aciers austénitiques sont soumis à la corrosion sous tension, c'est-à-dire à des contraintes dans un milieu corrosif tel que la boue de forage fortement chargée en chlorure, leur résistance à cette forme de corrosion est principalement obtenue par le fait que ces aciers développent à leur surface une couche de passivation dont la composition résulte de l'interaction du milieu corrosif avec la surface de l'élément en acier dont la composition est choisie pour qu'on puisse obtenir une couche passive satisfaisante. Cependant, les microdéformations provoquées dans l'élément en acier par des contraintes mécaniques même relativement faibles, se traduisent par des glissements qui débouchent à la surface et entraînent une rupture mécanique de la couche passive, si bien qu'il apparaît des zones de la surface où le métal est mis à nu. La région ainsi dépassivée devient active et présente un potentiel anodique vis-à-vis du reste de la surface qui est restée passive.
- A la suite de cette dépassivation localisée, trois cas peuvent se présenter, en fonction de la nature du matériau consituant l'élément soumis à la corrosion sous contrainte.
- Si la vitesse de repassivation du matériau est très lente et en particulier beaucoup plus lente que la vitesse de dissolution anodique, la marche de glissement ayant fait apparaître une zone dépassivée est le point de départ d'une corrosion qui s'étend rapidement, de proche en proche, à toute la surface. La corrosion n'est donc plus localisée et le matériau est soumis à une corrosion généralisée.
- Si la vitesse de repassivation du métal mis à nu est très rapide, et en particulier supérieure à la vitesse de dissolution anodique active, la couche passive se reforme immédiatement et aucune fissuration ne peut se produire. Cependant, une vitesse de repassivation suffisante ne peut être obtenue qu'en utili sant des alliages à très fortes teneurs en nickel, au moins égales à 35 %. De tels alliages sont insensibles à la corrosion sous contrainte, dans la plupart des milieux corrosifs habituels mais ne peuvent être utilisés de façon courante, pour des éléments d'une colonne de forage dont les dimensions sont généralement importantes, à cause de leur prix de revient trop élevé.
- Enfin, si la vitesse de dissolution anodique et la vitesse de repassivation du matériau sont analogues, la zone dépassivée reste localisée et se trouve ainsi stabilisée. La fissure qui a pris naissance dans cette zone peut cependant se propager et conduire à une rupture. Les aciers amagnétiques au nickel-chrome et au chrome-nickel-manganèse utilisés pour la réalisation des éléments d'une colonne de forage sont généralement détruits suivant ce processus.
- En particulier, on utilise couramment, pour certains éléments d'une colonne de forage, un acier au chrome-nickel-manganèse dont la composition est la suivante (en masse %) : carbone < 0,07, manganèse ≃ 18, chrome ≃ 12, nickel ≃ 2, molybdène ≃ 0,5, azote ≃ 0,3, silicium ≃ 0,6, soufre < 0,005, phosphore < 0,035. La structure d'un tel acier est austénitique et ses caractéristiques mécaniques minimales obtenues après écrouissage à chaud aux environs de 700° sont les suivantes :
- limite élastique = 730 N/mm²,
- résitance à la rupture = 880 N/mm²,
- allongement à la rupture : 23 %,
- Striction à la rupture = 50 %
- KCV = 50 J. - Les éléments de colonnes de forage réalisés en cet acier, dont le comportement à la corrosion sous contrainte s'apparente au troisième type décrit ci-dessus, ont tendance à subir une fissuration pouvant aller jusqu'à la rupture complète, sous l'effet de la corrosion sous contrainte dans les conditions qui sont celles du forage en milieu chloruré.
- Le but de l'invention est donc de proposer un acier amagnétique au manganèse et au chrome résistant à la corrosion sous contrainte en milieu chloruré qui permette de réaliser des éléments tubulaires pour colonnes de forage dont la susceptibilité à la fissuration et à la rupture soit nettement limitée.
- Dans ce but, l'acier suivant l'invention comporte (en masse) :
- au plus 0,06 % de carbone, de 19 à 26 % de manganèse, de 7 à 13 % de chrome, environ 0,3 % d'azote et 0,6 % de silicium et des teneurs résiduelles en nickel et molybdène, inférieures à 0,2 % en ce qui concerne le nickel et à 0,1 % en ce qui concerne le molybdène, le reste, à l'exception des impuretés inévitables, étant constitué par du fer. - L'invention concerne également un élément tubulaire d'une colonne de forage réalisé en un acier suivant l'invention.
- Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemples non limitatifs, deux types d'alliages suivant l'invention ainsi que les essais réalisés sur des échantillons en ces aciers et un mode d'élaboration d'éléments pour colonne de forage réalisés en acier suivant l'invention.
- La figure unique est un diagramme donnant la contrainte à la rupture en milieu chloruré d'aciers suivant l'invention et de l'acier suivant l'art antérieur.
- On a élaboré un acier dont la composition est la suivante (en masse %) :
carbone < 0,06, manganèse ≃ 19,20, chrome ≃ 12, azote ≃ 0,3, silicium ≃ 0,6, soufre < 0,005, phosphore < 0,035 nickel < 0,2, molybdène < 0,1, le solde pour arriver à 100 % étant constitué, à l'exception d'impuretés inévitables, par du fer. - La structure d'un tel acier est austénitique et ses caractéristiques mécaniques après écrouissage à chaud aux environs de 700°C sont équivalentes à celles de l'acier suivant l'art antérieur décrit ci-dessus.
- La perméabilité magnétique de l'acier, inférieure à 1005, satisfait d'autre part les exigences en ce qui concerne son utilisation pour des supports de dispositifs de mesure et de commande pour colonnes de forage.
- L'acier suivant l'invention, de manière tout-à-fait surprenante, présente une très bonne tenue à la corrosion sous contrainte, ainsi qu'il sera montré plus loin, bien qu'il ne renferme pas d'éléments passivants tels que le nickel et le molybdène, en des teneurs significatives.
- Jusqu'ici, pour augmenter la tenue à la corrosion sous contrainte de tels aciers amagnétiques au manganèse et au chrome, on cherchait à augmenter la teneur en éléments passivants tels que le nickel, le molybdène et le chrome, dans des limites permises en fonction d'un prix de vente acceptable de l'acier.
- Dans le cas de l'acier suivant l'invention, les éléments passivants nickel et molybdène ont été complètement supprimés, et l'élément passivant chrome a été maintenu à une valeur proche de sa valeur habituelle.
- On a élaboré un second acier dont la composition est la suivante (en masse %) :
carbone < 0,06, manganèse ≃ 25, chrome ≃ 8, azote ≃ 0,3, silicium ≃ 0,70, soufre < 0,005, phosphore < 0,035. - Comme dans l'acier de l'exemple 1, le nickel et le molybdène sont maintenus à l'état d'éléments résiduels.
- Dans le cas de cet acier selon l'exemple 2, non seulement les éléments passivants nickel et molybdène one été supprimés mais encore le chrome a été abaissé à une teneur très inférieure à la teneur habituelle.
- Pour obtenir une structure satisfaisante et donc des propriétés magnétiques convenables de l'acier, il est nécessaire de respecter certaines relations entre ces principaux éléments d'alliage.
- Dans le cas des aciers suivant l'invention, les teneurs en carbone, azote, silicium, manganèse et chrome (en masse %) doivent satisfaire les relations suivants :
A = 497 - 462 (C + N) - 9,2 Si - 8,1 Mn - 13,7 Cr, avec A < 15. - On a effectué des essais de corrosion sous contrainte sur des éprouvettes en acier suivant l'art antérieur dont la composition est donnée ci-dessus, en acier suivant l'exemple 1 et en acier suivant l'exemple 2 de l'invention.
- Les essais de corrosion ont été réalisés dans une solution dont la composition se rapproche de celle de la boue de forage la plus corrosive rencontrée et utilisée en forage.
- Les teneurs en chlorure d'une telle boue de forage sont les suivantes :
Mgcl2 310 g/l
Nacl 110 g/l.
turée en oxygène par bullage d'air pour ne pas bloquer le processus cathodique. - On a réalisé trois types d'essais.
- - 1o/ des essais à charge constante.
- - 2o/ des essais en traction lente.
- - 3o/ des essais de fatigue corrosion.
- Pour chacune des nuances d'acier faisant l'objet des essais, on prépare une éprouvette de traction conforme à la norme NACE TM 01-77 et on immerge cette éprouvette dans la solution corrosive maintenue à 110°C. On applique successivement à ces éprouvettes une charge correspondant à 90, 75 et 50 % de la limite élastique et on note le temps de rupture dans ces conditions. Les résultats de l'essai sont présentés dans le tableau I ci-dessous.
- Il apparaît donc que les nuances d'acier suivant l'invention présentent de façon tout-à-fait inattendue une résistance à la corrosion sous contrainte très supérieure à celle de la nuance selon l'art antérieur.
- De manière encore plus inattendue, la nuance correspondant à l'exemple 2 à faible chrome présente les meilleures caractéristiques de résistance à la corrosion.
- La vitesse de déformation lors de l'essai est maintenue à une valeur égale à :
1 × 10 ⁻⁷ Δ L/L sec⁻¹,
avec Δ L/L = allongement relatif de l'éprouvette lors de l'essai. - Les résultats des essais pour la nuance selon l'art antérieur et pour les nuances selon l'invention des exemples 1 et 2 sont donnés sur la Figure annexée, sous forme d'un histogramme représentant, de façon comparative, les contraintes à la rupture en traction lente des éprouvettes.
- On voit que les nuances suivant l'invention présentent des caractéristiques de tenue comparables, dans les conditions de l'essai, ces caractéristiques étant très supérieures à celles de la nuance selon l'art antérieur.
- De plus, l'essai permet de déterminer de façon quantitative l'action de la corrosion sous contrainte, par comparaison de la résistance à la traction dans le milieu corrosif et dans l'air, cette résistance dans l'air étant obtenu par l'essai de traction habituel.
- La résistance à la traction dans le milieu corrosif peut être considérée comme un paramètre tout-à-fait représentatif de la résistance à la corrosion.
- L'essai consiste à soumettre une éprouvette à une flexion rotative dans la solution de chlorure mentionnée ci-dessus. La vitesse de rotation est de 120 tours par minute. Dans une première série d'essais, on applique une charge égale à 75 % de la limite élastique du matériau et, dans une deuxième série d'essais, une charge égale à 50 % de cette limite élastique. On note à chaque fois le nombre de cycles à la rupture.
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- Les essais montrent que les nuances suivant l'invention ont une tenue très supérieure à la nuance selon l'art antérieur, pour une sollicitation en fatigue corrosion, dans un milieu chloruré.
- Les essais montrent également que la seconde nuance suivant l'invention, à faible chrome, présente des caractéristiques un peu supérieures à celles de la première nuance à plus fort chrome, lors des essais en fatigue corrosion.
- Les deux nuances selon l'invention ont été utilisées pour l'élaboration de pièces tubulaires pour colonnes de forage et en particulier pour la fabrication de drill-collars. Ces pièces tubulaires ont une grande longueur (9 à 10 mètres) et présentent des filetages de raccordement à chacune de leurs extrémités.
- Des caractéristiques mécaniques des aciers selon l'invention au moins équivalentes aux caractéristiques mécaniques des aciers selon l'art antérieur sont obtenues par écrouissage à chaud à une température comprise entre 700 et 800°C, avec un taux d'écrouissage de 20 à 30 %. La température de forgeage des produits tubulaires est choisie de façon à se situer, par rapport à la courbe de précipitation dans l'acier, dans une zone correspondant au "nez de précipitation".
- On évite ainsi une précipitation grossière de carbonitrures aux joints de grains qui pourrait entraîner un mécanisme de fissuration intergranulaire.
- Au cours des essais, dans des boues de forage dont le pH est compris entre 6 et 8, on n'a pas observé ce type de fissuration. En outre, les boues de forage sont généralement à des pH compris entre 10 et 12.
- Les conditions du forgeage des pièces tubulaires telles qu'elles ont été définies plus haut correspondent à une température de forgeage de 680 à 650°C.
- Il s'est avéré impossible de maintenir la température du produit à 680°C pendant toute opération de forgeage et de maintenir cette température constante sur toute la longueur du produit.
- On a donc mis au point une technique originale de forgeage pour les pièces tubulaires de grandes longueurs en acier selon l'invention. Cette technique consiste à forger tout d'abord le milieu de la barre à une température correspondant à un point situé au-dessus de la zone de précipitation ; cette température est supérieure à 830°C. On définit le taux d'écrouissage pour obtenir à cette température de forgeage les caractéristiques mécaniques requises, puis on finit de forger la barre à ses extrémités (sur une longueur d'environ 1,5 mètre) à une température correspondant à un point situé en-dessous de la zone de précipitation.
- L'opération de forgeage est donc réglée en fonction de la courbe de refroidissement à l'air ambiant de l'acier, pour éviter de forger dans la zone critique de précipitation.
- On obtient ainsi un élément tubulaire de grande longueur pour colonne de forage présentant des caractéristiques mécaniques satisfaisantes, une bonne résistance à la fissuration intergranulaire et, de manière générale, une très bonne résistance à la corrosion dans les boues de forage chlorurées.
- L'invention ne se limite pas aux deux nuances qui ont été décrites ci-dessus et, en particulier, les teneurs en manganèse et en chrome de l'acier suivant l'invention peuvent être différentes des teneurs mentionnées ci-dessus. Toutefois, pour obtenir des propriétés satisfaisantes de l'acier, la teneur en manganèse doit être supérieure ou égale à 19 % et inférieure ou égale à 26 % ; de même, la teneur en chrome doit être supérieure ou égale à 7 % et inférieure ou égale à 13 %. Pour les teneurs en chrome se situant vers la limite inférieure du domaine de composition, la corrosion localisée, par exemple sous l'effet de sollicitations alternées, n'apparaît plus et seule la corrosion généralisée de l'acier peut être observée.
Claims (7)
le reste, à l'exception des impuretés inévitables, étant constitué par du fer.
497 - 462 (C + N) - 9,2 Si - 8,1 Mn - 13,7 Cr < 15.
le reste, à l'exception des impuretés inévitables, étant constitué par du fer.
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