Wireline logging – ตอน Porosity tools

เรารู้จักเครื่องมือวัดธรณีฟิสิกส์ของชั้นหินไปแล้ว 2 ชนิด คือ SP (Spontaneous Potential) และ Gammy Ray วันนี้จะแนะนำให้รู้จักเครื่องมือวัดอีกชนิดหนึ่งที่ใช้วัดความพรุน (porosity) ของชั้นหิน

ก่อนอื่นเรามารู้จักคำว่า “ความพรุน” กันก่อนว่ามันคืออะไร

เม็ดทรายเวลาสะสมกันเป็นตะกอน ไม่มีทางที่เม็ดทรายเหล่านั้นจะแนบชิดสนิทกัน ไม่มีช่องว่างเลย ลองนึกถึงขวดโหลใส่ลูกแก้วซิครับ หรือ ขวดใส่เม็ดถั่วเขียว อารมณ์นั้นนั่นแหละ จะมีช่องว่างอยู่ระหว่างลูกแก้ว หรือ เมล็ดถั่วเขียวเสมอ

อย่างรูปข้างล่าง สีน้ำตาลคือเม็ดทราย ที่สีขาวๆคือช่องว่างๆ

 

ถ้าตัดหินมาเป็นก้อน 4 เหลี่ยมลูกบากศ์ หน้าตาก็จะประมาณนี้ ตรงสีฟ้าเป็นที่ว่าง สีขาวจุดๆเป็นเม็ดทราย

ถ้าให้ปริมาตรทั้งก้อน 4 เหลี่ยมนี้เป็น 1 หน่วย ที่ว่างๆที่เป็นรูพรุนนั้น เราวัดเป็นสัดส่วนของปริมาตรทั้งหมด เช่น มีรูพรุน 10% ถ้าหินก้อนนี้เป็นหินทรายล้วนๆก็แปลว่ามีเนื้อทราย 90%

เอาล่ะรู้แล้วว่ารูพรุนเป็นอย่างไร ต่อไปก็จะมาคุยกันว่าจะวัดมันอย่างไร

ชวนมาเล่นสนุกเกอร์กันก่อน เวลาลูกสนุกเกอร์วิ่งมาชนกันเนี่ย จะมีการถ่ายเทพลังงานให้แก่กัน ลูกที่โดนชนก็ได้รับพลังงานไป

ลูกที่วิ่งไปชนก็เสียพลังงาน ลองหลับตากนึกภาพตามนะ ถ้าลูกใหญ่อยู่นิ่งๆ แล้วลูกเล็กวิ่งไปชน เหมือนแมงกะไซด์ชนรถสิบล้อ จะเกิดอะไรขึ้น ลูกใหญ่ก็ขยับนิดเดียว แต่ลูกเล็กเด้งกลับหรือชิ่งเปลี่ยนทิศทาง(ขึ้นกับมุมตกกระทบ)อย่างเร็วเลย … จริงป่ะ

งั้นกลับกันล่ะ นึกภาพใหม่ ถ้าลูกเล็กอยู่เฉยๆ ลูกใหญ่วิ่งมาชน เหมือนสิบล้อชนซาเล้ง ลูกใหญ่ก็ไม่หยุด ลูกเล็กก็กระเด็นปลิวเลย

มโนกันต่อ ถ้าลูกขนาดเท่าๆกันล่ะ ลูกนึง อยู่เฉยๆ ลูกนึงวิ่งมาชน ลูกที่วิ่งมาชนจะเสียความเร็วไปจนเกือบจะนิ่ง (แต่ไม่นิ่ง) ลูกที่โดนชนก็กระเด็นไป

งั้นถ้ามีกล่องอยู่ใบหนึ่ง ในนั้นมีลูกสนุกเกอร์คละขนาดอยู่ ขนาดล่ะเท่าไรก็ไม่รู้ ถ้าอยากประมาณว่ามีลูกสนุกเกอร์ขนาดไหนในกล่องนั้นเท่าไร เราก็เอาลูกสนุกเกอร์ขนาดนั้นระดมปาเข้าไป แล้วนับจำนวนลูกสนุกเกอร์ที่ปาเข้าไปที่เกือบจะหยุดนิ่ง ก็จะรู้ว่าลูกสนุกเกอร์ขนาดนั้นในกล่องมี “ประมาณ” เท่าไร

การวัดรูพรุนก็อารมณ์นั้นเลย

ในรูพรุนนั้นมันไม่ได้ว่างๆ ถ้ามันไม่มีน้ำ มันก็มีน้ำมัน อยู่เสมอ องค์ประกอบสำคัญของน้ำหรือน้ำมันคือ ไฮโดรเจน ซึ่งคือ 1โปรตอน 1 อิเลคตรอน มวลอิเลคตรอนน้อยมากๆแทบไม่ต้องนับ ดังนั้นมวลของไฮโดรเจนคือมวลของ 1 โปรตอน

ในทางฟิสิกส์นั้น จำนวนของอะตอมไฮโดเจนในน้ำ 1 หน่วยปริมาตร เท่ากับ จำนวนของอะตอมไฮโดเจนในน้ำมัน 1 หน่วยปริมาตรเดียวกัน และ เรารู้ด้วยว่าในปริมาตรน้ำหรือน้ำมัน 1 หน่วยปริมาตร เช่น 1 ลบ.ซม. มีไฮโดรเจนกี่อะตอม

ดังนั้น ด้วยความจริงดังกล่าว ถ้าเราสามารถประมาณจำนวนอะตอมไฮโดรเจนในหิน 1 หน่วยปริมาตรได้ เราก็สามารถแปรเป็นปริมาตรช่องว่าง(รูพรุน)ได้ จริงไหมครับ

กลับไปที่ลูกสนุกเกอร์ …

งั้นเราทำไง เราจะเอาอะตอมไฮโดรเจนปาเข้าไปในชั้นหินงั้นเหรอ ยากอ่ะ … แล้วอะไรเอ่ย ที่มีมวลเท่ากับอะตอมไฮโดรเจน … ติ๊กต๊อกๆ

นิวตรอนไงครับ นิวตรอนเป็นกลางทางไฟฟ้า ไม่เป็นประจุบวก ไม่เป็นประจุลบ ถ้าเราเอานิวตรอนความเร็วสูง (fast neutron) ยิงเข้าไปในชั้นหิน แล้ววัดจำนวนนิวตรอนที่ช้าลง (thermal neutron … อย่าถามว่า ทำไมไม่เรียก slow neutron นะ … ผมไม่รู้ครับ 555)

สิ่งที่เราวัดได้คือ จำนวนนิวตรอนที่วิ่งช้าลง ซึ่งสื่อไปถึงจำนวนอะตอมไฮโดรเจน ซึ่งสื่อโยงไปถึงปริมาตรรูพรุน (คำนวนกระทบชิ่งกันหลายต่อ)

แหล่งกำเนิดนิวตรอนที่เราใช้มีหลายประเภท แบบที่ใช้เยอะที่สุดคือ Americium-Beryllium และ เพราะว่าเราใช้นิวตรอนในการวัด เราจึงเรียกว่า neutron tool

ถ้านิวตรอนเร็วๆจากแหล่ง americium-beryllium ไปกระทบกับอะตอมของชั้นหิน ก็จะเด้งไปเด้งมา ไม่หยุด เหมือนมอเตอร์ไซด์ไปชนสิบล้อ ชนคันนี้แล้วก็เด้งไปชนคันโน้น ไปเรื่อยๆ จนว่าจะชนอะไรที่ไซด์เดียวกัน ถึงจะหยุด

ซึ่งก็จะโดนตัวตรวจจับ 2 ตัว คือ ตัวที่ใกล้แหล่ง (near detector) ราวๆ 1 – 3 ฟุต ขึ้นกับรุ่นและยี่ห้อ และ ตัวที่อยู่ไกล (far detector) ราวๆ 2 – 4 ฟุต ขึ้นกับรุ่นและยี่ห้อ

ทำไมต้องใช้ 2 ตัวตราจจับ

ก็เพราะชดเชยความผิดพลาดจากการวัด เอาจริงๆแล้ว เราไม่ได้ใช้จำนวนที่วัด thermal neutron โดยตรงหรอก เราใช้อัตราส่วนของจำนวน thermal neutron ที่จับได้โดยตัวใกล้เทียบกับตัวไกลต่างหาก คือ Near count / Far count นั่นแหละ ไปโยงถึงจำนวนอะตอมของไฮโดรเจน ไม่ได้ใช้ near count หรือ far count โดยตรง

การใช้อัตราส่วนนี้ เป็นการชดเชย (compensate) ความคลาดเคลื่อนจากการวัด ดังนั้น ชื่อของเครื่องมือจึงคือ CNT (Compensated Neutron Tool) ค่าที่อ่านได้ เราเรียก CNL (Compensated Neutron Log)

เนื่องจากการกระจายตัวของรูพรุนนั้นแตกต่างกันไปตามชนิดของหิน ดังนั้น มาตราฐานเครื่องมือนี้ในอุตสาหกรรมเรา จะปรับแต่งให้วัดค่าได้ถูกต้อง เมื่อวัดความพรุนของชั้นหินปูนบริสุทธิ์ (lime stone) ที่มีน้ำเปล่าอยู่ในรูพรุนนั้น

ดังนั้น ถ้าเอาเครื่องมือนี้ไปวัดชั้นหินอื่นๆ จะต้องมีการใส่ค่าปรับแต่ง (correction factor) เข้าไปในค่าที่อ่านได้จากเครื่องมือ อ้าว แล้วจะรู้ได้ไงว่าชั้นหินที่เครื่องมือที่กำลังวัดอยู่นั้น เป็นหินอะไร จะได้เลือกค่าปรับแต่งได้ถูก

ใจเย็นๆโยม เพิ่มมาได้แค่เครื่องมือตัวที่ 3 อย่าใจร้อนๆ … 🙂

ดังนั้น จะเห็นได้ว่า ข้อจำกัดอย่างหนักหน่วงของ neutron tool คือ ต้องรู้ชนิดชั้นหิน จึงจะได้ค่าที่ถูกต้อง

ข้อจำกัดอีกอย่างหนึ่งคือ ถ้ารูพรุนนั้นไม่มีน้ำ ไม่มีน้ำมัน แต่ดันมีก๊าซปนล่ะ นิวตรอนมันไม่รู้หรอกว่า น้ำ น้ำมัน หรือ ก๊าซ หรือ แม้แต่อะตอมหิน มันไม่รู้ มันชนมั่วไปหมด

ในที่ว่างปริมาตรเท่าๆกัน ถ้ามีน้ำ หรือ น้ำมัน จะมีจำนวนอะตอมไฮโดรเจนมากกว่า ถ้ามีก๊าซ จริงไหมครับ ดังนั้น ถ้าเอา neutron ไปยิงใส่รูพรุนที่มีก๊าซ มันก็จะอ่าน thermal neutron ได้น้อย เพราะจำนวนอะตอมไฮโดรเจนในก๊าซมันน้อย ทั้งๆที่ช่องว่างรูพรุนมันเยอะ

นั่นไง เจอข้อจำกัดที่ 2 แล้วเห็นป่ะ

แล้วทำไง หุหุ เราก็ต้องอ่านมันเทียบกับเครื่องมืออื่นที่บ่งชี้ว่า อ้าวววว นี่มันชั้นหินอุ้มก๊าซนี้ ดังนั้นค่ารูพรุนที่เจ้านิวตรอนอ่านได้มันน้อยเว่อร์นะ อย่าไปเชื่อ 555

และ ถ้าเจ้านี่ไปอ่านชั้นหินดินดานล่ะ

ชั้นหินดินดานอย่างที่กล่าวไปแล้ว เนื้อละเอียดเนียน ไม่มีรูพรุน แต่ดันมีโมเลกุลน้ำเคลือบเกาะอยู่ทุกเม็ดของเนื้อชั้นหิน พอนิวตรอนยิงไปเจออะตอมไฮโดรเจน เครื่องมือมันก็นึกว่า โอ้โห รูพรุนเพียบ ทั้งๆที่เป็นหินดินดาน 555 จบเลย เดี้ยง

เราก็ต้องไปอ่านค่าเทียบกับ SP และ Gamma Ray อีก ถึงจะรู้ว่า อ้อ ตรงนี้ชั้นหินดินดานนะ ค่า CNL จะมากเว่อร์

สรุปคือ CNL ขึ้นกับประเภทของชั้นหินที่วัด (หินทราย หินปูน ฯลฯ) อ่านรูพรุนในก๊าซน้อยเว่อร์ อ่านค่ารูพรุนในหินดินดานมากเว่อร์

แต่ข้อดีของเครื่องมือนี้ก็มี คือมันเสถียร โครงสร้างมันง่ายๆ ทนมือทนเท้า ผมใช้ทำมาหากินมาจนออกจากงานสนามแหละ สูตรต่างๆก็ง่ายๆ การตีความ การอ่านค่า ก็ง่าย ตำราต่างๆก็เยอะแยะ เป็นเครื่องมือมาตราฐานของอุตสาหกรรมเลยล่ะ

ต่อมาก็มีเครื่องมือที่วัดความพรุนออกมาสู่ตลาดอีก 1 ชนิด ที่ใช้วัดความพรุนโดยตรง ไม่ขึ้นกับชนิดประเภทของชั้นหิน ใช้หลักการสะท้อนของคลื่นแม่เหล็ก หลักการซับซ้อนดี เอาชื่อไปก่อน เครื่องมือนี้ชื่อ Nuclear Magnetic Resonance Tool หรือ เราย่อว่า NMR

หลักการของมันก็คือ ส่งแรงแม่หล็กเข้าไปในชั้นหิน เมื่ออะตอมไฮโดรเจนโดนกระแสแม่เหล็ก มันก็จะจัดเรียงตัว (polarization) ไปในทิศทางเดียวกัน (จากที่ในสภาวะปกติ อะตอมไฮโดรเจนจะเรียกตัวสะเปะสะป่ะ อย่างภาพขวาในรูปข้างล่าง)

พอเอาแรงแม่เหล็กออก อะตอมไฮโดรเจนก็จะเหวี่ยงกลับมาอยู่ในสภาวะเดิม (คือสะเปะสะป่ะ) การที่อะตอมไฮโดรเจนเหวี่ยงตัวกับมามั่วเหมือนเดิมนั้น จะคลายแรง(พลังงาน)แม่แหล็กออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กและความถี่ต่างๆ

เครื่องตรวจวัดก็จะวัดลักษณะต่าง (ขนาด amplitude ความถี่ เฟสที่เคลื่นไป เวลา ฯลฯ) ของคลื่นแม่เหล็กและความถี่ต่างๆนี้ ก็จะสามารถคำนวนกลับไปหาจำนวนอะตอม ประเภทของของเหลว (น้ำ น้ำมัน ก๊าซ) ได้

นอกจากนี้แล้ว NMR ยังบอกฟิสิกส์ของชั้นหินและของเหลวในชั้นหินได้อีกมากมาย แต่ในที่นี้ผมพูดเฉพาะความพรุนก็แล้วกัน ใครอยากรู้เพิ่มก็ตามลิงค์นี้ไปล่ะกัน

http://petrowiki.org/Nuclear_magnetic_resonance_(NMR)_logging

เป็นอันว่า CNT ไดโนเสาร์ของผมตกยุคไปแล้ว สารภาพตรงๆว่า ผมไม่เคยใช้ NMR เลยครับ เพราะรุ่นแรกที่ออกมาทดสอบในสนามนั้น ผมบ๊ายบายชีวิต wireline engineer ไปแล้ว แต่ด้วยหลักการทำงานทางควอนตัม และ ไฟฟ้า ก็ทำให้เข้าใจมันไม่ยาก แต่ก็ไม่ได้ลึกซึ้งอะไร แค่พอได้เอามาเล่าให้พวกเราฟังได้เท่านั้น ไม่ได้เชี่ยวชาญอะไรเหมือน CNT ยอดรักของผม 555

เอาล่ะ ด้วย NMR น้องใหม่ที่ใช้กันในทุกวันนี้ เราก็กำจัดข้อจำกัดของ CNT ไปได้ แต่ทุกวันนี้ เราก็ยังใช้ CNT กันอยู่มาก เพราะ NMR แพง เปราะ ไม่อึดทนมือทนเท้า ต้องใช้ซอฟแวร์ที่ซับซ้อนในการทำงานและแปลความหมาย ซึ่งแพงอ่ะ ไม่มีฟรี ดังนั้น ปกติเราก็เลือกใช้เมื่อจำเป็น

ถ้าไม่จำเป็นเช่น รู้ๆอยู่แล้วว่าแหล่งกักเก็บเราเป็นชั้นหินอะไร รู้อยู่แล้วว่าของเหลวเป็นอะไ เราก็มักจะรู้ค่าชดเชย ค่าปรับแต่งอยู่แล้ว เราก็ใช้ CNT ก็ได้ ถูกดี ตอบโจทย์ได้เหมือนกัน แหม ราคาน้ำมันแบบนี้ เราก็เหนียวหน่อย เนอะๆ … อิอิ

อารมณ์ประมาณใช้วิทยุทรานซิสเตอร์ธรรมดาๆก็ได้ ถ้าใช้แค่ฟังข่าวธรรมดาๆ ไม่ต้องลงทุนซื้อโฮมเธียร์เตอร์ชุดล่ะเป็นแสนๆมาแค่ฟังข่าว

คงไม่ต้องบอกนะครับว่าเราต้องการรู้ปริมาตรรูพรุนไปทำพรือ

เรารู้ว่าในชั้นหินมีหินทรายเท่าไร มีหินดินดานเท่าไร มีรูพรุนในหินทรายเท่าไร เราก็สามารถหาปริมาตรรูพรุนสุทธิของชั้นหินได้ (ดูตัวอย่างการคำนวนท้ายๆตอน Gamma ray)

เมื่อรู้ปริมาณรูพรุนทั้งหมดว่าเท่าไร ก็เท่ากับเรารู้ปริมาตรช่องว่าง ที่(ถ้ามี)จะมี ไฮโดรคอร์บอนเท่าไร คำถามถัดมาที่จะเกริ่นเอาไว้ให้คันต่อมสงสัยคือ แล้วเราจะรู้ได้ไงว่าในรูพรุนนั้น มีน้ำ หรือ น้ำมัน …

โปรดติดตาม … 🙂

Leave a Reply

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