ระบบไฮโดรลิก Entry level กรอบความรู้ วิศวกรรมการขุดเจาะหลุม ตอนที่ 7

• Facebook
• Twitter
• Line

ระบบไฮโดรลิก และ การออกแบบกระบวนการในการทำงาน เป็นอีกหนึ่งเรื่องที่มีความสำคัญไม่น้อยไปกว่าเรื่องอื่น หลักๆของเรื่องนี้คือส่วนที่เกี่ยวกับการส่งผ่านพลังงาน และ ความดัน จากบนแท่นลงไปที่ก้นหลุม เพื่อทำให้เราขุดหลุมได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ใครที่พื้นฐานเรื่องกลศาสตร์ของไหล (Fluid Mechanic) แน่นๆปึ๊กๆก็จะสบายฉลุย (ซึ่งไม่ใช่ผม 555) ตอนที่ผมผันตัวมาเป็นวิศวกรขุดเจาะใหม่ๆ ผมใช้เวลาหลายเดือน กว่าจะอ่านจบบทนี้ บทที่ 4 กลศาสตร์ของไหลที่เกี่ยวกับการขุดเจาะ

บอกเลยครับ ยาขมหม้อใหญ่มากสำหรับผม เพราะผมจบไฟฟ้ากำลัง เรียนวิชานี้ก็แค่ครั้งเดียว 3 หน่วยกิต ก็เกือบเอาตัวไม่รอด

แต่ที่ต้องทรมานอ่านเองไรเองเพราะผมไม่ได้เรียนมาโดยตรงในมหาวิทยาลัยที่มีสอนวิชาการขุดเจาะหลุมเหมือนน้องๆหลายๆคนที่มาทำงานขุดเจาะก่อนหน้าผม ผมเริ่มช้ากว่า ก็ต้องอึด ก็ต้องขยันกว่า … เคล็ดลับมันก็แค่นั้นเองครับ มีผู้ใหญ่ใจดีให้โอกาส เราก็ต้องพยายาม ไม่ให้คนที่ให้โอกาสเราผิดหวัง

ระบบไฮโดรลิก

1.7) ออกแบบกระบวนการในการทำงานผ่านระบบไฮโดรลิก

ก) เข้าใจพื้นฐานของกลไก และคุณสมบัติของของไหลเพื่อการใช้งานไฮโดรลิก

ข) คำนวณแรงดันที่ลดลงหรือเพิ่มขึ้นในระบบเมื่อปรับของไหลหรือของเหลวที่อัดผ่านหัวเจาะในระหว่างการเจาะ และเข้าใจระบบพื้นฐานของการปรับเปลี่ยนความหนาแน่นและน้ำหนักกดในระหว่างการไหลเวียนของไหลภายในหลุม

ค) ประสานงานไฮโดรลิกกับงานพื้นฐานทางธรณีวิทยา และแผนการใช้น้ำโคลนได้อย่างถูกต้อง

โจทย์ก็ตามนั้นครับ มี 3 ข้อย่อยๆ ข้อ ก.ก็ว่าด้วยพื้นฐานทั่วๆไป ข้อ ข. ก็คือเนื้อๆของเรื่องนี้ เต็มไปด้วยการคำนวน ส่วนข้อ ค. ก็ออกๆแนวการน้ำความรู้ในข้อ ข. ไปใช้ ไปดูกันทีล่ะข้อเลยครับ

พื้นฐาน

ก) เข้าใจพื้นฐานของกลไก และคุณสมบัติของของไหลเพื่อการใช้งานไฮโดรลิก

มีสองเรื่องที่ต้องเข้าใจนะครับ กลศาสตร์ของไหล กับ พลศาสตร์ของไหล เนื่องจากบทความซีรี่ย์นี้ ผมเขียนให้ผู้มีพื้นฐานระดับวิศวกรอ่าน ดังนั้นผมคาดหวังว่าวิศวกรนั้นสามารถอ่าน และ เข้าใจทั้ง 2 ลิงค์ ที่ให้ไป

ไม่จำเป็นต้องเข้าใจถึงสมการ หรือ การคำนวนที่ซับซ้อนหรอกครับ อ่านแล้วเข้าใจแนวคิด เข้าใจหลักการก็เพียงพอแล้วครับ

การใช้งานไฮดรอลิกนี่นะ ถ้าให้ผมเดาก็ไม่มีอะไรมากไปกว่า กฏของปาสคาล หรอกครับ เพราะเราไม่ได้พูดถึงของไหลในขณะที่กำลังไหล เรากำลังเจาะจงไปที่การถ่ายเทพลังงาน ในรูปแบบของความดัน และ แรง ซะเป็นส่วนใหญ่

ส่วนพลวัตร(คุณสมบัติตอนกำลังไหล)ของน้ำโคลนนั้น จะไปพูดถึงมากตอนการพัดพาหอบเอาเศษหินที่เจาะได้จากก้นหลุมมาปากหลุม ซึ่งไม่ใช่หัวข้อที่สภาวิศวกรหมายถึงในหมวดนี้

ECD (Equivalent Circulation Density)

ข) คำนวณแรงดันที่ลดลงหรือเพิ่มขึ้นในระบบเมื่อปรับของไหลหรือของเหลวที่อัดผ่านหัวเจาะในระหว่างการเจาะ และเข้าใจระบบพื้นฐานของการปรับเปลี่ยนความหนาแน่นและน้ำหนักกดในระหว่างการไหลเวียนของไหลภายในหลุม

เพื่อให้เข้าใจภาพใหญ่ได้ดีขึ้น เรามาดูวงจรน้ำโคลนในขณะขุดกันหน่อย

ตัดฉับมาที่ตอนน้ำโคลนโดนปั๊บลงก้านเจาะ ไปโผล่ที่ก้นหลุมออกทางปลายหัวเจาะ แล้วย้อนขึ้นมาปากหลุมผ่านทางช่องว่างระหว่างก้านเจาะกับผนังหลุม (ซึ่งต่อไปนี้จะเรียกช่องว่างระหว่างก้านเจาะกับผนังหลุมนี้ว่า annulas นะครับ)

ถ้าหยุดปั๊มน้ำโคลน แรงดันเนื่องจากน้ำหนักของน้ำโคลนในก้านเจาะ ก็จะแปรตามน้ำหนักน้ำโคลน และ ความลึกของหลุมตามแนวดิ่ง (กฏของปาสคาล)

P (psi) = 0.052 x น้ำหนักน้ำโคลน (ppg) x ความลึกตามแนวดิ่ง (ft)

เราเรียกความดันนี้ว่า Bottom hole Static Pressure

ถ้าระบบมันอยู่นิ่งๆ ความดันที่ก้นหลุม มันก็เท่ากับ P ที่คำนวนได้ข้างบนนั้นแหละ

คราวนี้ถ้าเราจะปั๊มน้ำโคลนเพื่อให้น้ำโคลนในระบบมันหมุนเวียน แสดงว่า เราจะต้องออกแรง (ความดัน) ที่ก้นหลุมเพิ่มขึ้นส่วนหนึ่ง เพื่อผลักให้น้ำโคลนที่อยู่ใน annulas เคลื่อนที่ขึ้นไปปากหลุม

การที่น้ำโคลนใน annulas เคลื่อนที่ขึ้นไปปากหลุม ตามกฏของนิวตันมันย่อมมีแรงเสียดทานสวนทิศทางการไหลจริงไหมครับ เราเรียกแรงเสียดทานที่เราต้องเอาชนะเพื่อให้น้ำโคลนไหลขึ้นไปตาม annulas ว่า annulas pressure loss

แสดงว่าถ้าจะให้น้ำโคลนใน annulas เคลื่อนที่ขึ้นไปปากหลุม ความดันที่ก้นหลุม นอกจากจะมีค่า P (Bottom hole Static Pressure) คำนวนได้ตอนต้น (ตอนที่น้ำโคลนยังไม่โดยปั๊มให้ไหล) ยังต้องมีความดันส่วนเพิ่มที่เรียกว่า annulas pressure loss (ความดันที่ต้องเอาชนะแรงเสียดทานไง)

เราเรียก ความดันที่ก้นหลุมขณะน้ำโคลนไหล ว่า Bottom hole Circulating Pressure

ดังนั้น เราจึกพูดได้ว่า

Bottom hole Circulating Pressure = Bottom hole Static Pressure + Annulas Pressure loss … (1)

Bottom hole Static Pressure = 0.052 x น้ำหนักน้ำโคลน (ppg) x ความลึกตามแนวดิ่ง (ft) … (2)

Bottom hole Circulating Pressure = 0.052 x น้ำหนักน้ำโคลนเทียบเท่า (ppg) x ความลึก (ft)

ที่เราเรียกว่าน้ำหนักน้ำโคลนเทียบเท่าเนี้ย ก็เพราะว่ามันไม่ใช่น้ำหนักน้ำโคลนจริงๆ เป็นน้ำหนักน้ำโคลนเสมือน ที่ได้มาจากการคำนวน พูดง่ายๆว่ามโนเอาแหละ เพราะมันไม่มีจริง แต่เรากำลังจะบอกว่า ถ้ามันมีจริงมันจะหนักเท่านี้แหละ จะเรียกว่าน้ำหนักมโน หรือ น้ำหนักในจิตนาการ ก็ไม่ผิด

เราเรียก น้ำหนักน้ำโคลนเทียบเท่า ว่า Equivalent Circulation Density (ECD) นั่นเอง

เราจึงเขียนอีกอย่างว่า

Bottom hole Circulating Pressure = 0.052 x ECD (ppg) x ความลึกตามแนวดิ่ง (ft) … (3)

เสร็จแล้วเราก็เอา (2) (3) แทนลงใน (1) แล้วแก้สมการไปๆมาเผื่อหาค่า ECD ก็จะได้สมการข้างล่างนี่แหละครับ

ที่มา และ ตัวอย่างการคำนวน ECD calculation

ไปดูตัวอย่างในลิงค์นะครับ จะได้เข้าใจดียิ่งขึ้น

คราวนี้คุณก็จะถามผมว่า แล้วเราจะคำนวน annulas pressure loss ได้อย่างไร ตามสูตรข้างล่างเลยครับ

ที่มา และ ตัวอย่างการคำนวน Annulas pressure loss calculation

จะเห็นว่า น้ำโคลนยิ่งหนัก ความลึกยิ่งมาก ยิ่งปั๊มนำโคลนให้ไหลเร็วๆ Annulas pressure loss ยิ่งเยอะ และ ส่วนปัจจัยที่ทำให้ Annulas pressure loss น้อยๆ ก็คือ ความกว้างของ annulas นั่นเอง … คิดๆดูก็สมเหตุสมผลเนอะ

ถ้าอยากรู้ให้ละเอียดเกี่ยวกับ Annulas pressure losss ก็นี่เลยครับ ตามลิงค์นี้ —> Pressure Losses Through Annulus

สำหรับสายแข็ง แบบแข็งมากๆเท่านั้น นิมนต์อ่านบทนี้ครับ –> บทที่ 4 กลศาสตร์ของไหลที่เกี่ยวกับการขุดเจาะ

และ แถมให้บทที่ 2 เกี่ยวกับน้ำโคลนในตำราเล่มนี้ครับ Drilling Engineering

การนำไปใช้

ค) ประสานงานไฮโดรลิกกับงานพื้นฐานทางธรณีวิทยา และแผนการใช้น้ำโคลนได้อย่างถูกต้อง

ข้อ ค.นี่ ผมเดาใจสภาวิศวกรว่า น่าจะให้เราอธิบายว่า พลังงานไฮดรอลิก ที่เราปั๊มลงไปเนี้ยมันมีผลอย่างไรกับชั้นหิน ควรระมัดระวังอะไรบ้าง

จำตอนที่เราพูดถึงเรื่องน้ำโคลน และ การควบคุมหลุมได้ไหมครับ ที่เราพูดถึง หลุมรั่ว (Loss circulation) หลุมโป่งพอง (balloon) และ หลุมปริแตก (fracture) เป็นเพราะน้ำหนักน้ำโคลนเยอะไปทั้งนั้นใช่ไหมครับ

ตอนนั้น ผมจงใจที่จะพูดถึง bottom hole static pressure เท่านั้นครับ คือ น้ำโคลนอยู่นิ่งๆ ไม่มีการไหลเวียน หยุดปั๊มว่างั้น แต่ในการออกแบบหลุมเจาะขณะเจาะ เราจะต้องคำนวน bottom hole circulating pressure เสมอ แล้วเราก็จะคำนวนย้อนกลับไปเป็น ECD แล้ว เราค่อยเอา ECD นี่แหละ ไปทำอะไรต่อมิอะไรต่อ

มีข้อสังเกตุนิดนึงในการเอา ECD ไปใช้

ดูจากสูตร และ สามัญสำนึก จะเห็นว่า ECD มันขึ้นกับ Annulas pressure loss แล้ว Annulas pressure loss มันไปขึ้นกับ ความเร็วของน้ำโคลน ซึ่ง ความเร็วของน้ำโคลนมันไปขึ้นกับ อัตราการไหล และ ขึ้นกับพื้นที่หน้าตัด annulas (ความเร็ว = อัตราการไหล หาร พื้นที่หน้าตัด)

แสดงว่า ถ้าอัตราการไหลเปลี่ยน ECD เปลี่ยน หรือ อัตราการไหลคงที่ แต่พื้นที่หน้าตัด annulas เปลี่ยน เช่น ที่หลุมขนาดเท่าเดิม BHA ใหญ่กว่า ก้านเจาะ หรือ ก้านเจาะเดียวกัน แต่ขนาดหลุมที่ขุด ก็ใหญ่กว่า เส้นผ่าศูนย์กลางภายในของท่อกรุ

ดังนั้น เราจึงต้องพิจารณา ECD ที่จุดต่างๆของหลุมด้วย เวลาที่จะดูว่า ECD ตรงความลึกเท่านั้นเท่านี้ มันจะทำให้หลุมรั่วไหม โป่งพองไหม ปริแตกไหม

ในการทำงานจริง เราใช้ซอฟแวร์ครับ แฮ่ๆ แต่ๆ เดี๋ยวก่อน ถึงใช้ซอฟแวร์ เราก็ต้องรู้ว่า ผลที่ได้จากเจ้าซอฟแวร์เนี้ย มันสมเหตุผลไหม จะรู้ได้ว่าสมเหตุผลไหม เราก็ต้องเข้าใจตรรกะที่มาที่ไป ความสัมพันธ์ของทุกสิ่งอย่างก่อน

ก่อนจากกันตอนนี้

ขอเน้นย้ำอีกว่า ทั้งหมดทุกตอนที่เขียนมานี้ ผมเดาใจสภาวิศวกรล้วนๆเลยนะครับ บางจุดผมก็ไม่แน่ใจว่าท่านหมายความว่าอย่างไร ผมก็เดาๆของผมไปว่า ท่านคงคิดว่างั้น คิดว่างี้มัง ผิดพลาดอย่างไร ผมก็ขอรับเหมาความผิดไว้คนเดียวก็แล้วกัน 🙂

• Facebook
• Twitter
• Line