ออกแบบท่อกรุตอนที่ 4 (ปัจจัยอื่นๆ)

เราว่ากันเรื่องหลักๆกันไป 3 ตอนแล้ว ทบทวนนิดนึง – Burst (ความดันจากข้างในจะออกมาข้างนอก ทำให้ท่อระเบิด) Collapse (ความดันจากข้างนอกบีบเข้ามา ทำให้ท่อบี้แบน) และ Tensile (แรงดึง ทำให้ท่อขาด)

Tri Axial Stress

ตอนที่เราคำนวน 3 อย่างนั้น เราคำนวนแยกกันเป็นส่วนๆ โดยคิดว่าอีก 2 ปัจจัยนั้น ไม่มีผลอะไร เช่น ตอนเราคำนวนแรงดึง เราก็ไม่คิดว่าตอนนั้น มีความดันในท่อเท่าไร นอกท่อเท่าไร หรือ ตอนเราคำนวน burst (แรงดันจากในท่อดันออกมา) เราก็ไม่ได้คำนึงว่าตอนนั้น ท่อกำลังโดนดึง (tension) หรือ กำลังโดนกด (compression)

มาลองมโนกันหน่อยดีไหม

สมมติว่า ท่อกำลังถูกกดอยู่  (compression) ท่อจะกดแรงจากข้างนอก (collapse) ได้มากขึ้นหรือน้อยลง และ ท่อจะทนต่อแรงดันจากข้างใน (burst) ได้มากขึ้นหรือน้อยลง

มโนเลยครับ …

ถ้าท่อถูกกดอยู่ ท่อมันจะเบ่งบวมออกด้านข้าง จริงไหมครับ (คิดถึงลำไม้ไผ่ที่ดูกดเข้าหากันตามแนวลำไม้ไผ่) แสดงว่า มันจะทนต่อแรงอัดจากข้างนอก (collapse) ได้มากขึ้นกว่าปกติ เพราะกดกด ทำให้ผนังท่อเบ่งบวมออก ช่วยดันสู้กับแรงดันภายนอกไง และ เนื่องจากท่อมันถูกกดจนจะปริออกอยู่รอมร่อ มันก็น่าจะทนต่อแรงอัดจากภายในที่จะทำให้มันระเบิด ต่ำลง จริงไหม

กลับกัน ถ้าท่อกำลังถูกดึง ท่อจะตีบ ผอมลง เหมือนเอวสาวๆที่คอดๆ หรือ นาฬิกาทราย (เว่อร์ไปนิด แต่เพื่อให้เห็นภาพเฉยๆ) ดังนั้น มันจึงทนความดัน collapse ได้น้อยลง แต่มันจะทนแรงอันจากข้างใน (burst) ได้มากขึ้น

ในการใช้งานท่อกรุ ปกติๆนั้น เมื่อซีเมนต์ท่อเข้าที่เข้าทางแล้ว ถ้าอุณหภูมิไม่เปลี่ยนมากมายอะไร ท่อมันก็จะไม่ยืดไม่หดเท่าไรนัก แต่ในบางกรณีเช่น หลุมก๊าซร้อนๆ ตอนที่กำลังผลิต ท่อผลิต และ ท่อกรุตัวในสุด จะร้อนมาก

เอาล่ะซิทีนี้ เมื่อตอนขุดหลุมเสร็จ เราเอาท่อกรุหย่อนลงไป เราซีเมนต์มัน ติดตั้งมันกับหัวบ่อ ติดตั้งท่อผลิต ตอนนั้นมันยังไม่ร้อนอ่ะ แต่พอเรา (แท่นขุดเจาะ) จรลีไปแล้ว พอฝ่ายผลิตเขามาไขก๊อกที่ปากหลุม ผลิตก๊าซ ก๊าซร้อนจี๋จากแหล่งใต้ดิน ไหลพรวดๆขึ้นมา เอาละซิ ท่อผลิตร้อน ท่อกรุก็ร้อน

พอร้อนมากๆ ท่อกรุ และ ท่อผลิตจะเป็นไงครับ เหล็กมันก็จะขยายตัว พอมันขยายตัวยืดออกตามแนวยาว แต่มันยืดไม่ได้ เพราะอะไร เพราะส่วนหนึ่งด้านล่างมันโดนซีเมนต์ยึดไว้กับชั้นหิน ส่วนปลายด้านบน มันก็โดนยึดไว้กับหัวบ่อ (wellhead)

ท่อกรุ และ ท่อผลิต เลยเกิดอาการเสมือนโดนอัด (compression) นั่นทำให้อะไรครับ ทำให้ความทนแรงอัดจากภายในต่ำลงกว่าที่เราคำนวนแบบโดดๆที่ไม่คิดเรื่องแรงอัด จริงไหมครับ

วิธีคิดแบบละเอียดเราจึงต้องคำนวนด้วย software เฉพาะ เราเรียกว่า tri axial performance envelope หรือ tri axial stress (กูเกิลเอาได้เลยครับ เพียบ สูตรยาวเป็นวา)

ดูรูปดีกว่า เส้นประสีแดงคือ ค่าจากสเป็คท่อ แบบที่เราคำนวนธรรมดาๆ ไม่คิดถึงความเกี่ยวเนื่องกัน เส้นสีฟ้า คือเส้นที่เราคิดแบบเกี่ยวเนื่องกัน แบบที่เรามโนตะกี้น่ะ

ครึ่งบนคือท่ออยู่ในภาวะมีแรงดันภายในออกมา (burst) ครึ่งล่างคือท่อที่โดนแรงกดจากภายนอก(จะบี้ท่อว่างั้นเถอะ) หรือ collapse

ครึ่งขวา ท่ออยู่ในภาวะถูกดึง (tension) ครึ่งซ้าย ท่ออยู่ในภาวะโดนกดอัด (บี้เข้ามาตามแนวความยาวท่อ)

จะเห็นว่า บางช่วงเส้นสีฟ้าก็ผลุบเข้าไปในกรอบเส้นประแดง (แปลว่าทนได้น้อยกว่าสเป็คนะจ๊ะตะเอง) บางช่วง เส้นสีฟ้าก็โผล่แผลมออกมานอกกรอบเส้นประแดง (อึดกว่าสเป็คจ้าาาา) เป็นไปตามที่เรามโนไว้

เช่น ถ้าเราไม่คิดถึงผลของความเกี่ยวเนื่องกัน จุด A ที่เราคำนวนได้ เราก็จะนึกว่า ชิล สบายแล้วตู สเป็คนี้ใช้ได้ๆ เพราะอยู่ในกรอบเส้นประสีแดง แต่ ช้าก่อนๆ มันอยู่ในโซนที่ท่อโดนอัดนี่นา ท่อจะทนแรง burst ได้น้อยลง

หรือ กรณีจุด B ถ้าเราไม่คิดถึงความเกี่ยวเนื่อง เราจะคิดว่า ซวยแล้ว สเป็คนี้ไม่ผ่านๆ เพราะอยู่นอกกรอบเส้นประสีแดง  แต่เดี๋ยวก่อนๆ ถ้าเราคิดว่า อ๋อ มันเกี่ยวเนื่องกันอยู่ ท่อมันโดนอัดอยู่ มันเลยทนแรง collapse ได้มากขึ้น สเป็คนี้โอเคเลย ใช้ได้ ไม่ต้อง อัพสเป็คให้เปลืองเงิน

ท่อแต่ล่ะชนิด แต่ล่ะเกรดก็มีเส้นประแดง และ เส้นสีฟ้าเป็นของตัวเอง ของใครของมัน หน้าที่เราก็คือ คำนวนจุด A จุด B ตลอดแนวความยาวของท่อ แล้วเอามาจุดๆลงบนกราฟของสเป็คท่อ แล้วดูว่าหลุดออกนอกกรอบสีฟ้าไหม

ถ้าหลุดกรอบแดง แต่อยู่ในกรอบสีฟ้า ก็พอไหว ใช้ได้ ไปตรวจสอบสมมุติฐานดีๆว่า ใช่แน่ๆนะ ว่าท่ออยู่ภายใต้ burst tensile collapse ค่าตามนั้นจริงๆ ถ้าหลุดทั้งกรอบแดง กรอบฟ้า ก็เอวัง เลือกท่อใหม่นะโยม เดี้ยงชัวร์ป๊าด ถ้าอยู่ในกรอบทั้งแดงทั้งฟ้า ก็นอนหลับได้สนิท ผ่านชัวร์

 

ดูตัวอย่างข้างบนนี้เป็นน้ำจิ้มก็ได้ เส้นสี่เหลี่ยมมีหลายเส้น ขึ้นกับ design factor ค่าเผื่อเหลือเผื่อซวย นั่นแหละ วงรีสีแดงมีวงเดียว ส่วนเส้นสีต่างๆคือค่าที่เราคำนวนออกมาตลอดความยาวท่อกรุว่า แรง burst collapse tension compression มีค่าเท่าไร จากรูปจะเห็นว่าปลอดภัยสบายแฮ เพราะอยู่ในทั้งกรอบสี่เหลี่ยม และ วงรี

เอาหลักการไปพอครับ อย่าไปคิดมาก กว่าผมจะเข้าใจปรุโปร่งก็ล่อไปหลายขวด เอ๊ย หลายหลุม คือ ต้องออกแบบ ใช้ software เองจริงๆ หลายหลุม กว่าจะ อ๋อ หลักการมันอย่างนี้นี่เอง ฉบับย่อๆ เอาแนวๆไปแค่นี้ก็เหลือพอที่จะไปคุยต่อได้แล้วครับ

เลือกวัสดุที่ทนการกัดกร่อนทางเคมี

อีกเรื่องที่เราต้องคิดกันในการออกแบบเลือกท่อกรุคือวัสดุครับ ในแง่นี้เราพูดถึงการทนต่อการกัดกร่อนทางเคมี สารเคมีที่ไม่เป็นมิตรกับท่อกรุของเรา หลักๆมี 2 ชนิดครับ CO2 (คาร์บอนไดออกไซด์) กับ H2S (ไฮโดรเจนซัลไฟด์)

เจ้า CO2 นี่กลไกการกัดกร่อนมันเบสิกมากๆคือ มันเป็นกรดนั่นแหละ มันก็กัดโลหะ มันชอบนักเชียวท่อกรุที่เป็นเหล็กผสมคาร์บอนเนี้ย ที่เราเรียกว่า carbon steel นี่แหละ ของโปรดของ CO2 เลย

วิธีแก้คือ เราจะต้องเลือกท่อที่ส่วนผสมของโลหะที่กันการกัดกร่อน (CRA – Corrosion Resistance Alloy) ซึ่งซึ่งภาษาบ้านๆก็คือแสตนเลสตีล (stainless steel) นั่นแหละ อัตราส่วนความเป็นสแตนเลส (% ของ Cromium – Cr) ก็มากขึ้นไปตามเปอร์เซ็นต์ CO2 อุณหภูมิ และ ph ของของเหลวหรือก๊าซที่จะต้องสัมผัสกับท่อ มีตารางเทียบกันอยู่ ไม่ยากๆ เปิดตารางแล้วสั่งชนิดเหล็กเอาเลย

ส่วยเจ้า H2S นี่ยุ่งยากหน่อย H2S มันกัดกร่อนเหล็กใน 2 รูปแบบ Sulphide Stress Cracking (SSC) และ Hydrogen-Induced Cracking (HIC) กลไลการกัดกร่อน มันเยอะ และ ยาว คลิ๊กที่ชื่อเลยครับ ถ้าอยากรู้ละเอียด

ในการเลือกท่อ เราดูกราฟอย่างเดียวเลย 555 ง่ายๆ

ดู 2 ค่า คือ ค่า ph ของของเหลวหรือก๊าซที่ท่อกรุต้องไปเจอ กับค่าความดันสัดส่วนของ H2S (partial pressure) เช่น ก๊าซนั้นมี H2S 0.01% ก๊าซนั้นมีความดัน 3000 psi ดังนั้น partial pressure = 0.01 x 3000 / 100 = 0.3 psi

เราก็เอาค่า ph และ partial pressure ไปจุดในกราฟ ถ้าจุดอยู่ทางซ้ายของเส้นแดง คือ โซน 0 ก็รอดไป ถ้าอยู่ขวาเส้นแดง ก็มาลุ้นว่าอยู่ใน โซน 1, 2 หรือ 3 โซน 1 เราก็มักหยวนๆ แต่ โซน 2 กับ 3 ต้องใช้ท่อเกรดพิเศษที่สเป็คจะระบุเอาไว้ว่าทน H2S ได้เท่านั้นเท่านี้ ก็ว่ากันไป แน่นอนว่าสเป็คของโซน 3 จะแพงที่สุด

แล้ววิศวกรขุดเจาะบ้านๆอย่างผมจะรู้ ph รู้ % H2S ได้ไง แฮ่ๆ ยกหูโทรฯ หรือ ไลน์ ไปถามวิศวกรแหล่งผลิต (Reservoir Engineer) ซิครับ เดี๋ยวพวกก็เสกมาให้ 🙂 หน้าที่วิศวกรโลเทคอย่างผมก็คือ เหลาดินสอให้แหลมๆแล้วเล็งจิ้มกราฟให้ถูกก็แล้วกัน 555

เกลียวข้อต่อ (connection)

เรื่องต่อมาที่ต้องคิดคำนึงคือเรื่องเกลียวของท่อกรุ เพราะว่า ท่อกรุเรา เวลามาจากโรงงาน มันมาเป็นท่อนๆ ต่อกันด้วยเกลียว ไม่ใช่ใช้กาวตราช้างต่อ เกลียวจึงสำคัญ เกลียวมี 2 ประเภทใหญ่ๆคือ BTC (Butress) กับ Premium

BTC (Butress) เป็นเกลียวมาตราฐาน API (American Petroleum Industry) กันของเหลวแต่ไม่กันก๊าซ ไม่มีลิขสิทธิ์ ราคาถูกสุด ใครๆก็มี ใครๆก็ทำขาย

 

เกลียว premium ไม่มีมาตราฐาน ขึ้นกับผู้ผลิต มีลิขสิทธื์กันเฉพาะๆแบบ เฉพาะบ.ไป แต่หลักใหญ่ๆคือ กันทั้งน้ำและก๊าซรั่ว ซึ่งก็มีย่อยๆไปอีก 4  Class ขึ้นกับระดับการทดสอบประสิทธิภาพของเกลียว ใช้กับงานที่หิน(ยาก)ต่างๆกันไป เอาว่าผมไม่ลงลึกไปกว่านี้ก็แล้วกัน

รูปข้างล่างนี่เป็นเพียงยี่ห้อหนึ่ง รุ่นหนึ่งเท่านั้น เอามาให้ดูเป็นตัวอย่างเฉยๆ

 

ถ้าท่อที่เราจะใช้ต้องไปผจญกับก๊าซ และห้ามรั่ว เราก็ต้องควักตังค์จ่ายแพงหน่อย เลือกเกลียวแบบ premium และ ใช้ class สูงๆ ถ้าท่อเราไม่ต้องเจอก๊าซ ไม่ต้องแคร์เรื่องก๊าซรั่ว โดยมากจะเป็นท่อกรุช่วงต้นๆ (surface casing) ก็ไม่จำเป็นต้องจ่ายแพง

หมดเรื่องต้องคิดหรือยังเนี่ย …

บริหารจัดการของเหลือ

ยังครับ … ยังเหลืออีกปัจจัยที่ยากที่สุดก็ว่าได้ 555 บางครั้งเราต้องทำงานกับของที่มีอยู่ ออกแบบหลุมโดยใช้ท่อกรุตามสเป็คที่เรามีในโกดัง

คือคิดกลับกัน แทนที่จะออกแบบหลุม แล้ว มาเลือกท่อกรุ คราวนี้ ต้องมาดูท่อกรุว่ามีอะไรบ้าง แล้วค่อยไปออกแบบหลุม ให้ใช้ท่อกรุให้ได้มากที่สุด และ ยังต้องได้หลุมตามจุดประสงค์ของนักธรณี งานนี้ไม่มีสูตรตายตัวครับ ประสบการณ์ล้วนๆ + ทักษะการเจรจาต่อรองกับนักธรณี 🙂

อารมณ์ประมาณ ทำกับข้าวจากของที่เหลือๆในตู้เย็นนะครับ แล้วต้องทำออกมาให้อร่อย หน้าตาดี น่ากินด้วยนะเออ

เอาล่ะ จิปาถะ ก็น่าจะประมาณนี้

อีกครั้งที่อยากจะย้ำและออกตัว ถ้าวิศวกรขุดเจาะผ่านมาอ่านเจอะ แล้วติงว่าผมเล่าไม่ครบทั้งหมด จริงครับ ไม่ครบทั้งหมด ผมเอาแต่แกนๆ แนวคิดหลักๆ และ การคำนวน หลักๆมาเล่าให้ฟังเท่านั้น ซึงก็ถือว่าครอบคลุม 70% ของแต่ล่ะหัวข้อแล้ว

เอาล่ะครับ ถ้าคิดจะไปสอบสัมภาษณ์เป็นวิศวกรขุดเจาะ หรือ คุยกับวิศวกรขุดเจาะ รู้เท่านี้ก็ถือว่าทำให้คนสัมภาษณ์หรือวิศวกรขุดเจาะที่คุยตาโตเลิกคิ้ว(ด้วยประหลาดใจ)ได้แล้วครับ 🙂

Leave a Reply

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