Wireline Logging ตอน Resistivity tool EP2

ทบทวนของเก่านิดนึงก่อน เพราะต้องเรื่องราวต่อเนื่องกัน เราวัดความต้านทานจำเพาะของชั้นหินด้วยการส่งกระแสไฟฟ้าออกจากเครื่องมือที่หย่อยอยู่ในหลุม ผ่านน้ำโคลน ผ่านขี้โคลนที่เกาะผนังหลุม เข้าไปในชั้นหิน เราจะใช้วิธีนี้ได้ก็ต่อเมื่อ น้ำโคลนนั้นนำไฟฟ้า จริงไหมครับ (อ่านต่อ Wireline Logging ตอน Resistivity Tool EP1)

ถ้าเราใช้น้ำโคลนที่ไม่นำไฟฟ้าล่ะ อย่างเช่น OBM (Oil Base Mud ก็คือ น้ำโคลนที่ใช้น้ำมันนั่นแหละ) หรือ SBM (Synthetic Base Mud ใช้สารสังเคราะห์เป็นของเหลวหลัก นึกถึงน้ำมันเครื่องแบบสารสังเคราะห์ นั่นล่ะครับ) ในการขุดเจาะ หลายๆครั้งเราก็จำเป็นต้องใช้น้ำโคลนพวกนี้

แล้วเราจะวัดความต้านทานไฟฟ้าจำเพาะของชั้นหินได้อย่างไร

เราใช้หลักการเหนี่ยวนำไฟฟ้าน่ะครับ เหมือนกับหลักการที่เราใช้กับหม้อแปลงไฟฟ้านั่นเอง งั้นเรามาทบทวนปูพื้นกันหน่อยดีไหมครับ ว่าหม้อแปลงมันทำงานยังไง สายแข็งที่รู้แล้วก็อย่าเพิ่งเบื่อนะครับ รอเพื่อนๆนิสนุง

แปลง่ายๆคือ เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงกระแสไฟฟ้า จะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็ก (magnetic field) เมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็ก จะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้า (ground loop)

กระแสไฟฟ้า (ground loop) ที่เปลี่ยนแปลง จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง  ถ้าเอาขดลวดไปวางเอาไว้ในโซนที่มีสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง ก็จะเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นมาในขดลวดนั้น ตามรูปข้างล่างนี้แหละ

ถ้าอยากให้เกิดกระแสเหนี่ยวนำมากๆ ก็ต้องหาอะไรสักอย่างที่เป็นตัวนำให้สนามแม่เหล็กมันไหลผ่านเยอะๆ เพราะอากาศไม่เป็นตัวนำสนามแม่เหล็กที่ดีนัก เหล็กนี่แหละ เป็นตัวนำสนามแม่เหล็กที่ดี

นั่นก็คือ หลักการของหม้อแปลงตามรูปข้างล่าง (ซึ่งในกรณีหม้อแปลงจะเห็นว่า ตัดออกไปขั้นตอนหนึ่ง คือ เอาขดลวดอีกขดหนึ่งมาคล้องสนามแม่เหล็กแรกโดยตรงเลยเลย ไม่ต้องรอให้สนามแม่เหล็กไปทำให้เกิดกระแสวน (loop current) แล้วกระแสวนถึงทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก อีกทีหนึง)

หลักการง่ายๆครับ เราปล่อยไฟฟ้ากระแสสลับ (in put) เข้าไปในขดลวดด้านซ้ายมือ (สีแดง) ไฟฟ้ากระแสสลับจะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็ก (สีเขียว) ในแกนเหล็กที่เปลี่ยนทิศทางไปมาตามทิศทางของไฟฟ้ากระแสสลับนั้น

สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนทิศทาง จะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในขดลวดที่พันอยู่อีกด้านหนึ่ง โดยอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้า (V) ที่ลดลง(หรือเพิ่มขึ้น)ของขวดลวดฝั่งซ้ายมือ (out put) แปรผันกับจำนวนรอบของขดลวดที่พันแกนเหล็กนั่น (Vo/Vi = No/Ni)

เข้าใจแค่นี้ก็พอแล้วครับ มาดูเครื่องมือของเราดีกว่า

เครื่องมือของเราก็ใช้หลักการเดียวกันครับ ในเครื่องมือเรามีขดลวดอยู่ขดหนึ่ง (transmitter coil) เราก็ปล่อยไฟฟ้ากระแสสลับผ่านเข้าขดลวด ขวดลวดก็จะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็ก (primary magnetic field) ไหลเวียนในชั้นหินสลับทิศไปมาตามการสลับขั้วของไฟฟ้ากระแสสลับจากเครื่องมือ

สนามแม่เหล็กไหลเวียนในชั้นหิน (primary magnetic field) ที่สลับทิศไปมาในชั้นหินก็จะเหนี่ยวนำให้เกิดไฟฟ้ากระแสสลับไหลเวียนในชั้นหิน (primary ground loop) ซึ่งไฟฟ้ากระแสสลับไหลเวียนในชั้นหินนี้จะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กขึ้นอีกชุด (secondary magnetic field) ซึ่งจะไปเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลในขดขดลวดอีกขดหนึ่งที่อยู่ในเครื่องมือ (receiver coil)

โอยๆ งงๆ …. ดูรูปๆ

มันเหนี่ยวนำกันหลายทอดจัง

ขดลวดตัวส่ง (transmitter) -> สนามแม่เหล็กแรก (primary magnetic field) -> กระแสไฟฟ้าในชั้นหิน (primary ground loop) -> สนามแม่เหล็กที่สอง (secondary magnetic field) -> กระแสไฟฟ้าในขดลวดตัวรับสัญญาณ (receiver)

ผมเน้นตรง  กระแสไฟฟ้าในชั้นหิน (primary ground loop) เพราะว่าถ้ากระแสไฟฟ้าที่ใส่เข้ามาที่ ขดลวดตัวส่ง (transmitter) คงที่ ความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้ไม่สูงนัก สนามแม่เหล็กแรก (primary magnetic field) และ สนามแม่เหล็กที่สอง (secondary magnetic field) จะไม่เปลี่ยนไปตามชั้นหินมากนัก ดังนั้น กระแสไฟฟ้าในขดลวดตัวรับสัญญาณ (receiver) จะมากจะน้อยจึงขึ้นกับ กระแสไฟฟ้าในชั้นหิน (primary ground loop) 

กระแสไฟฟ้าในชั้นหิน (primary ground loop) จะมากจะน้อย ก็ขึ้นกับ ความนำไฟฟ้าจำเพาะของชั้นหินนั่นเอง

ถ้าเราวัดกระแสไฟฟ้าในขดลวดตัวรับสัญญาณ (receiver) เราก็จะทราบความนำไฟฟ้าจำเพาะของชั้นหิน

ทราบความนำไฟฟ้าจำเพาะของชั้นหิน ก็จะทราบความต้านทานจำเพาะของชั้นหิน เพราะมันเป็นส่วนกลับกัน

เลข 1000 นั่น ไม่ต้องไปใส่ใจมาก เป็นเรื่องของการแปลงหน่วย จำง่ายๆว่า R = 1/C ก็พอ

แล้วเราก็วัดความนำไฟฟ้า 3 ช่วงในชั้นหินเหมือนกับที่เราใช้วิธีปล่อยกระแสไฟฟ้าอย่างในตอนแรก (EP1) ที่อธิบายไว้ จำรูปนี้ได้ป่ะ

แต่เนื่องจากตอนปล่อยกระแสไไฟ้าใน EP1 นั้น กระแสไฟฟ้าไหลผ่านความต้านทานแต่ล่ะช่วงๆ เป็นอนุกรมกันไป จึงแทนด้วยวงจรอนุกรม แต่ในกรณีเหนี่ยวนำนี้ เราส่งสนามไฟฟ้าออกไป 3 ขนาด ตื้นๆ กลางๆ และ ลึกๆ ทำให้เกิด กระแสไฟฟ้าในชั้นหิน (primary ground loop)  3 ขนาด ตามไปด้วย ดังรูปข้างล่าง

ดังนั้น วงจรไฟฟ้าเสมือน จึงเป็นวงจรความต้านทานขนาน (แทนที่จะเป็นวงจรอนุกรมแบบใน EP1)

ดังนั้น 1/R รวมที่วัดได้ ก็เท่ากับ 1/Rm + 1/Rmc + 1/Ri + 1/ Rtr + 1/Rt

เนื่องจากเครื่องมือนี้มันวันค่าความนำไฟฟ้าฟ้า จึงสามารถมองเป็นค่าความนำไฟฟ้าได้เช่นกัน

ดังนั้น ค่าความนำไฟฟ้ารวม (C) รวมที่วัดได้ ก็เท่ากับ Cm + Cmc + Ci + Ctr + Ct (ก็เสมือนเอาค่าความนำไฟฟ้ารวมมาต่ออนุกรมกันนั่นแหละ)

จากนั้นเราก็ไล่ขั้นตอนการหา Ci, Ctr และ Ct เหมือนกับที่เราทำกับ Ri, Rtr และ Rt ใน EP1

มาลองไล่กันเล่นๆดูก็ได้

Cโซนตื้นๆ = Cm + Cmc + Ci

(เรารู้ Cm และ Cmc เพราะมันคือ 1/Rm และ 1/Rmc ตามลำดับ จำไม่ได้ กลับไปอ่าน EP1 นะครับ) แก้สมการหา Ci

Cโซนกลางๆ = Cm + Cmc + Ci + Ctr  แก้สมการหา Ctr

Cโซนลึกๆ = Cm + Cmc + Ci + Ctr + Ct แก้สมการหา Ct

ได้ Ct ก็ เปลี่ยนเป็น Rt ได้ โดย Rt = 1/Ct

สนุกกันพอหรือยังครับ ยังไม่จบครับ เอาใจสายแข็งต่ออีกนิด …

รุ่นที่ผมทำงานในสนาม เครื่องมือชนิดนี้เราเรียกว่า induction tool ใช้ความถี่ไฟฟ้ากระแสสลับไม่สูงมาก การวัดก็ตรงไปตรงมา วัดที่กระแสไฟฟ้าที่ขดลวดตัวรับสัญญาน (receiver) อ่านได้กี่มิลลิแอมป์ก็ว่ากันไป แล้วก็ไปคำนวนย้อนกลับเป็น ค่า Ri Rtr และ Rt ตามตรรกะที่อธิบายไปแล้ว

เมื่อผมออกมาจากวงการ wireline logging แล้ว เครื่องมือนี้ได้ถูกพัฒนาขึ้นไปอีก โดยเพิ่มความถี่ให้สูงขึ้น ที่ความถี่สูงขึ้นนี้ สัญญาณที่ขดลวดตัวรับสัญญาน (receiver) นี้จะถูกวิเคราะห์ให้ละเอียดไปอีกขั้นหนึ่ง โดยดูรูปร่างของคลื่นด้วย

ถ้าความนำไฟฟ้าของชั้นหินดี ค่า amplitude ของคลื่นที่ขดลวดตัวรับสัญญาน (receiver) อ่านได้ จะสูง (นั่นคือ กระแสเยอะนั่นเอง กรณีนี้เหมือนกรณีความถี่ต่ำ แต่แทนที่จะวัดค่าเฉลี่ย RMS – Root Mean Square ก็วัด amplitude โดยตรง)

ถ้าใครไม่รู้จัก amplitude ของคลื่นก็รูปร่างแบบข้างล่างนี้ครับ amplitude ก็คือ ความสูงของยอดคลื่นนั่นแหละครับ

นอกจากจะวัด amplitude (ความสูงของยอดคลื่น) เรายังวัดความยาวคลื่นด้วย ความยาวคลื่นคือส่วนไหน ใครไม่รู้จักก็ดูรูปข้างล่างครับ

เส้นบนสุดความยาวคลื่นยาวที่สุด ซึ่งก็คือความถี่ (จำนวนลูกคลื่นใน 1 ช่วงเวลา) จะน้อยที่สุด เส้นล่างสุดความยาวคลื่นสั้นที่สุด ซึ่งก็คือความถี่สูงที่สุด

สำหรับกรณีเครื่องมือของเรา ถ้าความนำไฟฟ้าของชั้นหินยิ่งมาก ความยาวคลื่น (หรืออีกนัยหนึ่งคือ phase shift – การเลื่อนไปของลูกคลื่น) จะลดลง ใครนึกภาพ phase shift (การเลื่อนไปของลูกคลื่น) ไม่ออกก็ดูรูปข้างล่างครับ

พูดง่ายๆคือ ลูกคลื่นที่ ขดลวดตัวรับสัญญาน (receiver) จะเคลื่อนออกไป และ ความยาวคลื่นเปลี่ยนไป (เมื่อเทียบกับสัญญานที่ส่งออกจากขดลวดตัวส่งสัญญาน (transmitter)) ขึ้นอยู่กับค่าความนำไฟฟ้าของชั้นหิน

การวัดความสูงของยอดคลื่น และ ความยาวคลื่น ก็บอกความนำไฟฟ้าได้เหมือนกัน แต่มีข้อจำกัด และ ข้อได้เปรียบ แตกต่างกัน ดังนั้น การใช้ทั้งสองวิธีจึงปิดจุดบกพร่องของกันและกันได้ ทำให้การวัดค่าความนำไฟฟ้าของชั้นหิน แม่นยำ ดีขึ้นกว่า เครื่องมือความถี่ต่ำยุดโบราณที่ผมเคยใช้ (ที่วัดแต่ค่าเฉลี่ย RMS ที่ขดลวดตัวรับ)

ส่วนจะได้เปรียบเสียเปรียบกันอย่างไร เอาไว้ก่อนก็แล้วกัน ชักจะเยอะไปหน่อย เดี๋ยวจะยาวแล้วจบบทนี้ไม่ลง

เหนื่อยกันหรือยังครับ 🙂

มาถึงตรงนี้ เราก็วัดค่าความต้านทานไฟฟ้าของชั้นหินได้แล้ว ก็พอตอบได้เลาๆล่ะว่า ในชั้นหินทรายนี้มีน้ำ หรือ น้ำมัน

แล้วเราจะรู้ได้ไงว่า มีน้ำ หรือ น้ำมัน อยู่ปริมาณเท่าไรล่ะ ….

โปรดติดตามตอนต่อไป …. (นะจ๊ะ)

Leave a Reply

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