ออกแบบท่อกรุตอนที่ 1 (Burst)

ในการเลือกวัสดุทางวิศวกรรมเพื่อเอามาใช้งานอย่างใดอย่างหนึ่งจำเป็นต้องคำนึงและคำนวนให้รอบด้าน ว่าในการใช้งานนั้นๆต้องเจอกับภาวะ (เช่น การกัดกร่อน ทางเคมี ทางกล ความร้อน ความเย็น ความเป็นพิษ ฯลฯ ) และ ภาระ (load เช่น ความต่างศักดิ์ไฟฟ้า แรงดึง แรงอัด แรงเฉือน แรงกระแทก แรงบิด ฯลฯ) อะไรและขนาดไหนบ้าง

นึกถึงวัสดุทางวิศวกรรมหลายๆอย่างง่ายๆรอบๆตัวก็ได้ครับ เช่น ซีเมนต์ โครงเหล็กหลังคา สายไฟฟ้า ท่อน้ำในบ้าน ปั๊มน้ำ แอร์ ตู้เย็น ฯลฯ

Casing หรือ ท่อกรุ ก็เช่นกันครับ เราก็ต้องคำนึงถึงหลายๆอย่าง หลักๆแล้วเราก็จะพิจารณา 4 อย่างนี้

  1. แรงอัดที่ทนได้จากภายใน (burst) พูดง่ายๆคือท่อระเบิด
  2. แรงอัดที่ทนได้จากภายนอก (collapse) ก็ท่อบี้แบนแต็ดแต๋นั่นแหละครับ
  3. แรงดึงตามแนวความยาวท่อ (tensile) อันนี้ก็ตามตัวเลย คือท่อขาด
  4. ความสามารถในการทนการกัดกร่อนทางเคมีต่อไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S resistance) ทำไม่ต้อง H2S ล่ะ ทำไมไม่เป็นก๊าซชนิดอื่น ก็แหม ใต้พื้นพิภพเราก็มีแต่ไอ้ต้วนี้แหละที่ไม่เป็นมิตรสุดๆกับเหล็ก จริงป่ะ ใครจบ material science อาจจะตอบเหตุผลได้ดีกว่าผม

มาดูกันไปทีล่ะเรื่อง วันนี้จะมาชวนปวดหัว เอ๊ย ชวนคุยประเด็นแรกก่อน

แรงอัดที่ทนได้จากภายใน (burst)

มาดูกันว่ากรณีที่แย่ที่สุดในกรณีนี้คือตอนไหน ตอนไหนครับที่ท่อกรุจะมีแรงดันในท่อสูงที่สุดตลอดอายุการใช้งานของมัน ต้องจิ้น หรือ มโนกันหน่อยครับ แล้วเราก็เอากรณีนั้นแหละมาคำนวน เราเรียกว่า worst case scenario หรือ กรณีซวยสุดๆนั่นเอง

กรณีนี้ไงครับ

 

คิดตามมาให้ติดๆนะครับ เราเอาท่อกรุยัดใส่หลุม ซีเมนต์ยึดติดไว้กับชั้นหินแน่นปึ๊ก ขุดหลุมขนาดเล็กลงในช่วงถัดไปจนถึงความลึกสุดท้ายที่วางแผนไว้(ของช่วงถัดไป) แล้วแจ็คพอร์ต ไปเจอะชั้นหินที่มีแหล่งก๊าซที่เราไม่ได้ตั้งใจ แล้วก๊าซจากแหล่งนั้นดันเอาน้ำโคลนพุ่งพรวดๆออกปากหลุมจนเกลี้ยงหลุม

หรือไม่ได้เจอแหล่งก๊าซอะไรที่ไหน แต่บังเอิญที่ให้เกิดน้ำโคลนรั่วไหลทิ้งไปในชั้นหินที่ใดที่หนึ่ง ทำให้น้ำโคลนหายไปเกลี้ยงหลุม แล้วก๊าซก็ไหลเข้ามาเต็มหลุม

โอ้โห … คุณอาจจะบอกว่า สุดติ่งกระดิ่งแมวจริงๆเฮีย มันจะซวยขนาดนั้นได้ไง เอาน่า เรามโนไปก่อน 555 นี่แหละ กรณีฝันร้ายสุดๆ

เราเรียกกรณีเฮงซวยแบบนี้ว่า well full of gas แปลว่า ไม่มีอะไรอยู่ในหลุมเลย มีแต่ก๊าซที่เกิดจากใต้ชั้นหินเพียวๆ

มามะ มาดูว่าความดันในหลุมหน้าตาจะเป็นไง สมมุติว่าความดันของก๊าซที่ก้นหลุม 5000 psi (ปอนด์ต่อตารางนิ้ว) นะ ถ้าหลุมโล่งๆ ความดัน 5000 psi ก็จะมาจ๊ะเอ๋เบบี้จู๊ฮุกกรูที่ปากหลุมจริงป่ะ แต่ในหลุมเรามีก๊าซอยู่จริงไหม ก๊าซนี้มันเป็นของไหล เป็นสสาร มันย่อมต้องกินพื้นที่ในการมีตัวตน และ มันต้องมีมวล เมื่อมีมวลอยู่ภายใต้แรงโน้มถ่วง ป๋านิวตันบอกว่ามันต้องมีน้ำหนัก เมื่อมันหนัก และ มันกดอยู่บนพื้นที่หนึ่งๆ มันก็ย่อมทำให้เกิด “ความดัน”

พระเดชพระคุณ มาแล้ว สะใจฮาร์ดคอร์ กราฟ กับ คำนวน

เอ … จะรู้ได้ไงว่าก๊าซในหลุมมันจะหนักเท่าไร หุหุ ก็ไปถามคู่กัดเพื่อนซี้ตลอดกาลของวิศวกรขุดเจาะซิครับ น้องนักธรณีหน้าใสกิ๊กนั่นไง (บ.ผมมีแต่นักธรณีเด็กๆใสกิ๊กกันทู๊กคน)

ถามน้องๆว่าก๊าซที่คาดว่าพี่จะซวยเจอเนี้ยมีความหนาแน่นเท่าไร น้องนักธณีก็จะเสกเพี้ยง คว้า(จากไหนมาก็ไม่รู้)มาให้ 1 ค่า เราก็เอาค่านั้นมาใช้ แต่ถ้าไม่รู้ มองซ้ายมองขวา ก็เอากรณีห่วยแตกสุด เอาก๊าซธรรมชาติแห้งนี่แหละ หรือ ที่เรียกว่า dry gas เพราะมันจะเบาสุดๆ เปิดตารางเอา หรือ กูเกิลก็ได้

ได้มาล่ะ ราวๆ 0.007 – 0.3 กรัมต่อลบ.ซม. คิดเป็นอัตราก็ 0.003 – 0.13 psi ต่อ ความสูง 1 ฟุต เอาแบบแห้งๆเลยก็ 0.003 psi/ft ล่ะกัน มันก็ 0.01 psi ต่อ ความสูง 1 เมตร (แปลหน่วยธรรมดาๆ อย่างเพิ่งงง)

ที่มา http://wiki.aapg.org/Normal_hydrostatic_pressure_gradients

สมมุติว่าหลุมตรงดิ่งๆลึก 3425 เมตรล่ะกัน น้ำหนักก๊าซที่กดอยู่ก็ = 0.01 x 3425 = 34.25 psi เองนิ แต่ก็น่านะ เอามาคำนวนด้วยล่ะกัน เดี๋ยวเขา(ใครก็ไม่รู้)จะว่าเราคิดไม่รอบคอบ ดังนั้น ความดันที่ไปโผล่ที่ปากหลุมก็ต้องเอา 34.25 psi ไปลบออกจากความดันก้นหลุม (5000 psi) ก็ได้ 4966 psi อะ อะ จดไว้ที่ข้างฝานะ ตัวโตๆว่า ความดันภายในท่อที่ปากหลุมคือ 4966 psi

ต่อมา เราก็มาคิดความดันข้างนอกท่อ ณ.จุดนี้นะฮะ หลายคน(รวมถึงผมในสมัยแรกๆละอ่อน) ชูจั๊กกะแร้เชียร์ว่าข้างนอกท่อกรุ มันมีซีเมนต์อัดอยู่แน่นปั๊ก ไม่เห็นต้องคิดเลย คิดว่าซีเมนต์มันทนได้กี่ psi ก็พอ (คิดแบบพวกวิศวกรรมก่อสร้างเขาคิดกันน่ะ)

คืองี้ครับ ในการนี้ เราคิดแบบห่วยแตกสุดๆ เราคิดว่าคุณภาพซีเมนต์ ไม่สม่ำเสมอ ซีเมนต์อาจจะไม่เต็มข้างท่อดี หรือ แหว่งๆ ไม่รอบท่อ ไม่ยาวตลอดแนว อย่ากระนั้นเลย คิดว่ามันไม่มีซีเมนต์ก็แล้วกัน คิดเสียว่า ข้างนอกท่อเป็นของเหลวจากชั้นหินก็แล้วกัน ซึ่งก็คือน้ำเกลือนั่นแหละ

 

ของเหลวในชั้นหินก็คือน้ำเกลือนั่นแหละครับ เอาว่าเป็นน้ำทะเลก็แล้วกัน น้ำทะเลมีความหนาแน่น 1.025 กรัมต่อลบ.ซม. อัตราก็ตกราวๆ 1.46 psi ต่อความสูง(ลึก) 1 เมตร ไปคำนวนเอาเองนะครับ คณิตศาสตร์ง่ายๆ

ถ้าความลึก 3425 เมตร ความดันอันเนื่องจากน้ำหนักของของเหลวในชั้นหินนี้ก็ 1.46 x 3425 = 5000 psi พอดี๊พอดี (อิอิ)

แต่ช้าก่อนๆ แล้วความดันเนื่องจากน้ำหนักของของเหลวในชั้นหินที่ปากหลุมล่ะเท่ากับเท่าไร ก็เท่ากับศูนย์ซิ ถามได้ จริงไหมครับ เพราะความลึกมันเป็น 0 เมตรนี่นา อันเป็นที่มาของเส้นสีส้มๆในรูปขวาข้างบนนั่น

ถ้าเราอยากรู้ว่าความดันสุทธิที่กระทำต่อท่อกรุของเราเท่าไร เราก็เอาเส้นสีดำในรูปกลางตั้ง เอา เส้นสีส้มในรูปขวามาลบออก ก็จะได้เส้นสีน้ำเงินในรูปข้างล่าง … จบข่าว

เด็ดป่ะ เป็นวิศวกรชุดเจาะ ง่ายนิดเดียว 555 ไม่เห็นต้องใช้วิชาเลขเยอะเลย หุหุ

อ้าว … ความดันภายในที่ปากหลุมมันก็เท่าเดิมดิ (4966 psi) ไม่มีอะไรไปหักลบออกจากมัน เพราะความลึกของของเหลวในชั้นหินที่ปากหลุมมันเป็น 0 เมตร แล้วพี่นกพาผมเสียเวลาคิดทำไมให้เมื่อยตุ้ม 555 🙂 ก็จริงครับ แต่แหม ก็ไม่ได้เสียเวลามากมายนี่เนอะ แต่ความจริงเราได้ใช้ครับ

ได้ใช้ตรงไหน ได้ใช้ที่ปลายท่อกรุในหลุม (casing shoe) ไงครับ เราจะได้รู้ว่าความดันสุทธิที่ปลายท่อเท่าไร ซึ่งไม่ได้มีผลกับการเลือกท่อกรุ เพราะว่ายังไงๆมันก็น้อยกว่าที่ปากหลุม แต่เราจะได้รู้ว่า ซีเมนต์ที่ปลายท่อกรุข้างล่างต้องแข็งปั๊กแค่ไหน ถึงจะไม่กระจุยไปเสียก่อนเมื่อเกิดเหตุซวยสุดๆ (worst case scenario) เราก็จะได้ไปออกแบบสูตรซีเมนต์ได้ไง

เอาเป็นว่า เรารู้แล้วว่าค่าความดันสูงสุดที่ท่อกรุนี้ต้องทนได้ต้องเป็นเท่าไร ในตัวอย่างนี้ก็คือ 4966 psi

คราวนี้ อาจจะมีวิศวกรขี้เหนียว มีความคิดแจ่มๆขึ้นมาว่า อ้าว ความดันสูงสุดมันอยู่ที่ปากหลุมนี่ งั้นเราก็เอาท่อกรุที่สเป็คสูงๆหนาๆไปไว้ที่ปากหลุมซิ แล้วท่อกรุที่อยู่ลึกๆลงมาก็สเป็คต่ำๆลดหลั่นกันลงไป จะได้ประหยัด แถมยังไม่ต้องเสียแรงปั้นจั่นยกหนักๆด้วย (ท่อกรุที่ทนความดันสูงๆมักจะหนาและหนัก)

มันก็จริงครับ แต่ในทางปฏิบัติเรามักใช้ท่อกรุสเป็คเดียวกันตลอดทั้งหลุม เพราะว่าจัดซื้อจัดหามันง่ายกว่า ได้ปริมาณเยอะๆ มีส่วนลดราคาเนื่องจากปริมาณ (volume discount) การใช้งานหน้างานก็สะดวกไม่มั่ว ไม่สับสน

แต่ แต่ มีแต่ครับ บางกรณีที่เราจำเป็นต้องผสมสเป็คท่อกรุเช่นกัน เราเรียกว่า mix string ทำแบบวิศวกรขี้เหนียวที่ว่านั่นแหละ

ในกรณีไหน ในกรณีที่จำเป็น เช่น ถ้าใช้ท่อหนาหนักขนาดเดียวกันรวดทั้งหลุมแล้ว มันหนักอึ้ง จนถ้าเกิดอะไรขึ้นตอนหย่อนลงไปแล้ว แล้วจำเป็นต้องดังขึ้นมาทั้งยวง ปั้นจั่นเกิดยกไม่ขึ้นซะงั้น หรือ ขึ้น แต่เสี่ยงที่ท่อกรุจะขาดเพราะเจือกหนักเกิ้น

มักจะเกิดขึ้นในกรณีท่อกรุขนาดใหญ่ๆ และ ต้องเอาลงหลุมลึกๆ ความดันสูงๆ ไม่ค่อยเกิดกรณีนี้บ่อย แต่ก็เป็นเทคนิคที่วิศวกรขุดเจาะทราบดีกันทุกคนและพร้อมจะงัดเอาออกมาใช้ถ้าจำเป็น แต่ก็ต้องระมัดระวัง และ คำนวนให้ดีๆว่า แค่ไหนถึงจะเหมาะ และ จะต่อสเป็คตรงที่ความลึกเท่าไร

เพื่อความเข้าใจแบบพื้นๆ เอาเป็นว่ากรณีตัวอย่างของเราใช้ท่อสเป็คเดียวกันทั้งหลุมก็แล้วกัน ท่อเราต้องทนความดันจากในท่อให้ได้ 4966 psi เราเอาค่าๆนี้ไปเปิดตารางสเป็คแล้วเลือกท่อได้เลยไหม

… ยังก่อนครับ ยังมีพิธีกรรมอีกขึ้นตอนหนึ่ง

ในการออกแบบทางวิศวกรรมเราจะมีตัวเลขหนึ่งที่เรียกว่า safety factor หรือ design factor หรือ engineering factor แล้วแต่จะเรียกกันไป ผมแปลเป็นไทยเอาง่ายๆว่า กันเหนียว เผื่อเหลือเผื่อขาด เพื่อนวิศวกรผมบางคนเรียกว่า เผื่อซวย 555

วัสดุทางวิศวกรรมทุกชนิดที่ผลิตออกมาจะมีค่าความคลาดเคลื่อนหนึ่งเสมอ เช่น บอกว่า รับแรงได้ 100 (หน่วยอะไรก็ช่าง) +/-10% แปลว่า ถ้าเจอชิ้นที่ซวย อาจจะรับแรงได้แค่ 90

ดังนั้น ถ้าเราดีดลูกคิดว่า อย่างต่ำๆ เราต้องการให้รับแรงให้ได้ 90 เราจะต้องเอา 90 มาหารด้วย 1 – %ค่าความคลาดเคลื่อน กรณีนี้ก็คือ 90/(1-0.1) ซึ่งก็คือ 100 นั่นเอง อาจจะมีคนสงสัยว่า ผมเอา 90 x (100+10%) คือ 90 x 1.1 ได้ไหม แฮ่ๆ 90 x 1.1 = 99 ครับ มันไม่ถึง 100

ถ้ายังไม่แจ่ม ดูอีกตัวอย่างก็ได้

งั้นถ้าสมมุติว่าความคลาดเคลื่อน 20% ล่ะ ชิ้นที่ซวยจริงๆจะรับแรงได้แค่ 80 ใช่ป่ะ ถ้าเราคำนวนออกมาได้ 80 เราก็ต้องเลือกสเป็คที่ 80/(1-0.2) = 100 จริงป่ะ

แต่ถ้าคิดอีกแบบ งั้นผมเอา 80 x 1.2 ได้ป่ะ มันก็ได้ 96 อะดิ แล้วสมมุติในแคตตาล๊อกเกิดมีสเป็ค 96 ขายจริงๆ แล้วเราซวยไปเจอชิ้นห่วยๆ เราก็จะได้ชิ้นที่มันรับแรงได้แค่ 96 x (1-0.2) ซึ่ง = 76.8 ซวยจริงล่ะทีนี้ หุหุ

ในการผลิตท่อกรุนั้น ค่าความคลาดเคลื่อนของความสามารถในการทนแรงดันจากภายใน (burst) คือ 10% ครับ ดังนั้นค่าที่เราจะเอาไปเปิดตารางสเป็คซื้อท่อคือ 4966/(1-0.1) คือ 5518 psi

ทั้งหมดทั้งหลายทั้งปวงนี้ เราใช้คณิตศาสตร์ธรรมดาๆไม่ได้หรูหราไฮโซอะไร กับ excel sheet ก็แทบจะทำงานได้กับหลุมเกือบจะทุกแบบแล้ว เรียกว่า 95% ของหลุมทั้งโลกก็แค่เนี้ยแหละ อีก 5% คือพวกพิสดาร มีเรื่องอุณหภูมิมาเกี่ยว ซับซ้อนไปอีก ต้องพิจารณาทั้ง burst และ collapse ที่เราเรียกว่า tri axial เอาไว้ผมจะเกริ่นๆ ตอนหน้าที่ผมคุยเรื่องการคำนวน collapse ก็แล้วกัน

จบได้ยังเนี้ย จบดีกว่า พอแล้ว รู้มากเดี๋ยวมาแย่งงานผม 555 😛

ปล. ถ้าเพื่อนพี่น้องที่เป็นวิศวกรขุดเจาะมาอ่านเจออาจจะท้วงผมในบางจุดที่ไม่ละเอียดนักหรือไม่ถูกต้อง 100% คือแบบว่า ผมเอาแค่แนวทางความคิดให้เข้าใจง่ายๆอ่ะครับ เพราะคนอ่านส่วนใหญ่ไม่มีพื้นฐานทางด้านนี้ครับ ขืนเอาละเอียดมากๆ แฟนๆผมหนีหายหมด อ่านกันแบบตำรา มันก็ไม่มันส์ จริงป่ะ

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *