ออกแบบท่อกรุตอนที่ 3 (Tensile)

เป็นไงบ้างครับ มึนไปหรือยังกับการออกแบบท่อกรุสองตอนแรกที่เราคิดด้านความดันทั้งภายในไปหาภายนอกที่เรียกว่า burst และ ภายนอกที่อัดเข้าหาภายในที่เรียกว่า collapse

ตอนนี้เราจะว่ากันด้วยเรื่องแรงดึง หรือที่เรียกกันว่า tensile พูดง่ายว่า เรากำลังจะตอบคำถาม “ดึงได้แค่ไหนถึงจะไม่ขาด”

 

เรามาทำความเข้าใจเรื่องพื้นๆของท่อกรุกันก่อน ท่อกรุนี่ เวลามันมา มันมาเป็นท่อๆ ยาวตั้งแต่ 8 เมตรนิดๆ ไปถึง 12 เมตรหน่อยๆ แต่ล่ะท่อนมันยาวก็ไม่เท่ากัน เวลาใช้งานก็เอาต่อๆเป็นเกลียวๆขันต่อๆกันลงไป จนถึงก้นหลุม

(อ่านเพิ่มเติมได้ที่นี่ครับ Casing (ท่อกรุ) … คืออะไร สำคัญไฉน และ ขุดหาน้ำมันกันอย่างไร? ตอน ชั้นหินและท่อกรุ )

สมมุติว่าหลุมลึก 3000 เมตร ท่อกรุยาวเฉลี่ยสักท่อล่ะ 10 เมตร ก็ต้องใช้ 300 ท่อ ตั้งชื่อเรียกท่อนสุดท้ายปลายหลุมว่าท่อที่ 1 ดังนั้น ท่อสุดท้ายปากหลุมก็เรียกว่าท่อที่ 300 ก็แล้วกันเนอะ จะได้คุยกันรู้เรื่อง เข้าใจตรงกัน

เวลาเราหย่อยมันลงไปจนถึงก้นหลุม ท่อกรุท่อนที่ 300 ก็ต้องรับน้ำหนักตัวมันเอง และ อีก 299 ท่อน

ท่อกรุท่อนที่ 299 ก็ต้องรับน้ำหนักตัวมันเอง และ อีก 298 ท่อน

ท่อกรุท่อนที่ 298 ก็ต้องรับน้ำหนักตัวมันเอง และ อีก 297 ท่อน

ไปเรื่อยๆ ดังนั้น ท่อนที่ 1 ก็รับน้ำหนักเฉพาะตัวมันเอง สรุปว่า ท่อที่ซวยสุดๆ ต้องรับน้ำหนักสุดๆก็คือท่อที่อยู่บนสุดนั่นเอง

เอาล่ะ เรามามโนกันว่า สภานการณ์ไหน ที่เราต้องดึงแบบสุดติ่งกระดิ่งแมว …

ก็ตอนที่ท่อมันเต็มหลุมจริงไหม ตอนที่เราเอาท่อนที่ 300 ต่อกับท่อที่ 299 และ กำลังหย่อนทั้ง 300 ท่อนลงไป ท่อนที่ 1 กำลังจิ้มไปที่ก้นหลุม แล้วเกิดติดขึ้นมา ลงไปไม่ถึงก้นหลุม ด้วยสาเหตุใดก็ตาม เราเรียกว่า hold up หรือ stuck

เรามีทางเลือกไม่กี่ทาง

  1. ปั๊มน้ำโคลนลงไปในท่อกรุ ให้มันไหลออกที่ปลายด้านล่าง หวังว่าพลังงานจากการไหลของน้ำโคลนจะช่วยเคลียเศษอะไรต่อมิอะไรที่ปลายท่อกรุ และ รอบๆท่อกรุออกไป ทำให้เราสามารถหย่อนลงไปถึงก้นหลุมตามแผน
  2. ไปจับนักธรณีเพื่อนซี้เรามาบีบไข่ ถามว่า จะเอาลงมันแค่นี้แหละ ไม่ต้องหย่อนให้ถึงก้นหลุม ปั๊มซีเมนต์มันตรงนั้นเลย บางทีนักธรณีเพื่อนยากเราก็ยอม บางทีก็ไม่ยอม ด้วยเหตุผลหลายๆอย่างที่เราก็ต้องรับฟัง ซึ่งไม่ขอลงรายล่ะเอียดก็แล้วกัน เดี๋ยวจะยาว และ ไม่เกี่ยวกับท่อกรุของเรา
  3. ดึงท่อกรุขึ้นมาทั้งยวง ถอดออกเป็นท่อนๆ ทีล่ะท่อนๆ แล้ว เอาท่อขุด กับหัวขุด ลงไปเคลียหลุมอีกรอบ ที่เราเรียกว่า wiper trip เสียเวลา เสียเงินกันอีกรอบ

ไอ้เจ้าข้อ 3 นี่แหละเจ้าประคุณรุนช่อง ที่ต้องดึงลากกลับขึ้นมาทั้งยวง แปลว่า เจ้าท่อกรุท่อนที่ 300 ต้องรับภาระโคตรๆ ไม่ใช่แต่เพียงน้ำหนักอย่างเดียว แต่ต้องรับแรงเสียดทานระหว่างชั้นหินกับท่อ ตอนที่ลากมันขึ้นมาด้วย

เตรียมเครื่องคิดเลขกันได้ครับพี่น้อง

สมมุติว่าจากค่า burst และ collapse เราต้องใช้ท่อขนาด 9 5/8″ (เส้นผ่าศูนย์กลางภายนอก) หนัก 42# (อ่านว่า 42 ปอนด์ต่อฟุต แปลว่า 1 ฟุต จะหนัก 42 ปอนด์) และ หลุมเราลึก 3000 เมตร

สัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน หรือที่เราเรียกว่า friction factor ความฝืด หรือ drag 30% หมายความว่า ถ้าของหนัก 1 ปอนด์ ดึงขึ้นมาต้องใช้แรงเพิ่มขึ้นอีก 30% หรือ 0.3 ปอนด์ ค่านี้เราเอามาจากไหน เราเอามาจากประสบการณ์จากหลุมก่อนๆว่า เราดึงท่อประเภทเดียวกันขนาดเดียวกันมันมีความฝืดเท่าไร โดยมากก็อยู่ระหว่าง 20% – 30% ในตัวอย่างนี้ใช้ 30% ล่ะกันเนอะๆ

ท่อที่หย่อนลงไป ไม่ได้หย่อนลงไปในหลุมว่างๆที่มีแต่อากาศนี่นา เรามีน้ำโคลนในหลุม ตามที่ปู่อาคีมีดิสสอนไว้ว่า มันต้องมีแรงลอยตัวเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกของแข็งแทนที่ โดยแรงลอยตัวนั้น เป็นสัดส่วนกันระหว่างความหนาแน่นของสสารสองอย่างนั้น ในที่นี้คือ น้ำโคลน และ เหล็ก (ก็ท่อกรุมันทำด้วยเหล็กนี่นา)

สัมประสิทธิ์แรงลอยตัวหรือ Buoyancy Factor (BF) = (7.85 – mud weight in SG) / 7.85

เจ้า 7.85 ก็คือ Specific Gravity ของเหล็กนั่นเองท่านผู้ชม ไม่ต้องสงกาสัย

ปกติขณะหย่อนท่อกรุงลงในหลุม เราเปิดปลายท่อกรุเอาไว้ ให้น้ำโคลนนอกหลุมไหลเข้ามาในท่อกรุ สมมติให้น้ำโคลนเราหนัก 1.15 SG

Buoyancy Factor (BF) = (7.85 – 1.15) / 7.85 = 0.8535

งั้นถ้าจะดึงท่อทั้งยวงให้ขึ้นจากหลุม ท่อท่อนที่ 300 ก็ต้องรับแรง 3000 x 42 x 3.281 x 0.8535 x 1.3 = 458,695 ปอนด์

แต่ค่านี้ มันแค่ค่าต่ำสุดที่จะทำให้ท่อทั้งยวงขยับเท่านั้นนะครับ หมายถึง ถ้าท่อกรุ ไม่ติดไม่ขัดอะไร หิ้วขึ้นมาชิลๆ ต้องใช้แรงดึงท่อท่อนบนสุด 458,695 ปอนด์

แต่ถ้าปลายล่างสุดมันติดเศษหิน เศษโน้นนี่นั่นอยู่ล่ะ จำเป็นต้องใช้แรงดึงให้มากขึ้นไปอีก โดยมากเราจะต้องมีเผื่อแรงดึงที่ใช้ในการดึงให้ท่อกรุหลุดจากสิ่งพันธนาการ เช่น อนุญาติให้ดึงได้เพิ่มขึ้นอีก 200,000 ปอนด์ แรงดึงเผื่ออีก 200,000 ปอนด์นี้เราเรียกว่า Overpull

ดังนั้นสเป็คท่อท่อนที่ 300 จะต้องทนแรงดึงให้ได้ 458,695 + 200,000 = 658,695 ปอนด์

 

จบหรือยัง ยังไม่จบครับ ยังเอาไปเปิดตารางเลือกซื้อท่อไม่ได้

จำ design factor ค่าเผื่อเหลือเผื่อขาด ค่ากันเหนียว หรือ ค่าเผื่อซวยได้ไหมครับ โดยทั่วไปในการผลิตท่อกรุ ค่าความคลาดเคลื่อนของแรงดึงคือ 40% จะเห็นว่ามากกว่ากรณีความคลาดเคลื่อนของ burst (10%) และ collapse (0%) มากเลย ทำไงได้ มันเป็นธรรมชาติของการผลิต (ผมเดาเอาว่าเป็นเรื่องของมิติน่ะครับ เพราะความดันมันหน่วยเป็นแรงต่อพื้นที่ มันมี 2 มิติที่หารกันอยู่ ความตลาดเคลื่อนเลยต่ำ ในขณะที่ ค่าแรงมันมีมิติหน่วยเดียว อันนี้เดาล้วนๆ อย่าเอาไปอ้างอิงต่อนะ ซวยไม่รู้ด้วย 555)

ค่าที่เอาไปเปิดตารางเลือกท่อได้คือ 658,695 / (1-0.4) = 1,097,824 ปอนด์ 🙂

เราก็ต้องสั่งซื้อ ท่อขนาด 42# มา 300 ท่อน ที่ทนแรงดึงได้ 1,097,824 ปอนด์ สำหรับงานนี้ ซึ่ง 1. อาจจะแพงระยับ หรือ 2. ปั่นจั่นของแท่นดึงได้สูงสุดแค่ 1 ล้านปอนด์ เอาไงดีล่ะทีนี้ ไปเช่าแท่นตัวใหม่ดีไหม หรือ ลงทุนอัพเกรดปั่นจั่นให้บ.แท่นฟรีๆ

ใช้สมองหน่อย บ.น้ำมันอุตส่าห์จ้างวิศวกรอย่างเรามาแล้ว แก้ปัญหาซะ

จำได้ไหมครับว่า burst เนี่ย มันซวยที่ปากหลุม collapse มันจะซวยที่ก้นหลุม และโดยมาก burst มันจะมากกว่า collapse ดูกราฟข้างล่างประกอบ

 

 

งั้นเราเล่นกลกันหน่อย เอาท่อกรุขนาดหนาๆไว้ข้างบน หนาปานกลงเอาไว้ข้างล่าง เอาบางๆไว้ตรงกลาง แต่ต้องคำนวนให้ดีๆ ให้พอสู้กับ burst collapse และ tensile ทุกๆช่วงนะครับ ไม่ต้องกลัว เครื่องมือวิเศษที่ชื่อว่า excel ช่วยได้ 555

น้ำหนัก(ในอากาศ) ช่วงบนก็เท่ากับ 42 x (1000-0) x 3.281 = 137,802 ปอนด์

น้ำหนัก(ในอากาศ) ช่วงกลางก็เท่ากับ 42 x (2300-1000) x 3.281 = 153,551 ปอนด์

น้ำหนัก(ในอากาศ) ช่วงล่างก็เท่ากับ 42 x (3000-2300) x 3.281 = 91,868 ปอนด์

รวมแล้วจะหนักในอากาศ 383,221 ปอนด์ (ถ้าท่อขนาดเดียวทั้งหลุมจะหนักในอากาศ 3000 x 42 x 3.281 = 413,406)

คราวนี้เอาอีก 4 อย่างใส่เข้าไป คือ ความฝืด (30%) แรงลอยตัว (0.8535) เผื่อต้องดึงให้หลุด (บวกอีก 2 แสนปอนด์) และ เผื่อซวยอีก 40% ผมจะเอาใส่รวดเดียวเลย มาถึงขั้นนี้แล้ว พวกเราเข้าขั้นเทพกันหมดล่ะ

((383,221 x 1.3 x 0.8535) + 200,000)/(1-0.4) = 1,042,005

อืม … น้อยกว่าแบบท่อไซด์เดียวไปพอสมควร สเป็คท่อก็จะต่ำลง ราคาท่อก็จะถูกลง คนทำงานก็ดูฉลาดขึ้น 555 😛

แต่ยังไม่ต่ำกว่าล้านปอนด์ที่ปั้นจั่นจะดึงได้

ก็แหม ผมนั่งมั่วๆแสกตัวเลขเอาเอง ไม่ได้คิดละเอียด แค่เอาหลักการเท่านั้น เวลาทำจริงๆ ต้องดู burst collapse tensile ในทุกๆช่วงของท่อ ย้ายจุดที่จะเปลี่ยนไซด์(ความหนา) และ เปลี่ยนความหนา (ก็ปอนด์ต่อฟุตนั่นแหละ) ไปจุดที่ทำให้ระบบท่อทั้งยวงเบาที่สุด และ ทน burst กับ collapse ได้ทุกๆจุดตลอดหลุม

ฟังยาก แต่ไม่ยากเลยครับ excel นี่แหละ ผูกสูตรเข้า เอาเม้าส์คลิ๊กๆ ไม่กี่ที่ก็ได้คำตอบแล้ว บวก ลบ คูณ หาร ธรรมดาๆ ไม่มีอะไรเกินนี้จริงๆ

เอาล่ะ เราก็เกือบเสร็จขั้นตอนการออกแบบท่อกรุแล้ว เหลือปัจจัยอื่นๆอีกนิดหน่อย แต่ก็สำคัญไม่แพ้กัน ไว้จะมาแฉ มาเฉลยเผยไต๋กันในตอนต่อไปครับ … คืนนี้ ราตรีสวัสดิ์ ฝันดีกันทุกคน 🙂

Leave a Reply

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