Material Selection – วันนี้จะมาคุยเรื่องนี้กัน ว่าเราเลือกวัสดุในการก่อสร้างหลุมปิโตรเลียมอย่างไร
วัสดุในที่นี้ เราหมายถึงส่วนที่เป็นโลหะนะครับ เช่น พวก ท่อกรุ ท่อผลิต อุปกรณ์การผลิต (production/completion equipment) ที่ทำจากโลหะต่างๆที่เราต้องทิ้งไว้ในหลุม เช่น liner hanger, semisub pump, side pocket mandrel, etc.
คุณสมบัติที่เราต้องพิจารณามี 2 เรื่อง คือ แข็งแรง และ ทนทาน
- แข็งแรง – เราหมายถึง ความแข็งแรงต่อแรงทางกายภาพ แรงดึง แรงอัด แรงกด แรงบิด ผมก็ได้คุยเรื่องนี้ไว้แล้วในตอนการออกแบบท่อกรุ
- ทนทาน – ในที่นี้หมายถึง ทนทานต่อการกัดกร่อนทางเคมี (Corrosion) วันนี้เราจะพูดถึงส่วนนี้แหละ
ออกแบบท่อกรุตอนที่ 1 (Burst) Casing Design I (Burst)
ออกแบบท่อกรุตอนที่ 2 (Collapse) Casing Design II (Collapse)
ออกแบบท่อกรุตอนที่ 3 (Tensile) Casing Design III (Tensile)
ออกแบบท่อกรุตอนที่ 4 (ปัจจัยอื่นๆ) Casing Design VI
Corrosion
ก่อนอื่นเลย เรารมาทำความเข้าใจ พื้นฐานของธรรมชาติกันก่อน
ธรรมชาติของสรรพสิ่งใดๆในโลก (และจักรวาล) ไม่ชอบที่จะมีพลังงานสะสม ไม่ว่าจะเป็นพลังงานความร้อน พลังงานไฟฟ้า พลังงานจลน์ ธรรมชาติคือความขี้เกียจ 555
ถ้าร้อน วางไว้เฉยๆ เดี๋ยวมันก็ถ่ายเทความร้อนออกไปจนเหลือความร้อนเท่าๆกับสิ่งแวดล้อมของมัน
ถ้าเคลื่อนที่(พลังงานจลน์) มันก็จะหยุดเคลื่อนที่ (ตามนิยามของปู่นิวตัน การเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่คือหยุด)
ถ้ามีพลังงานจากการสลายของอะตอม (แผ่รังสี) มันก็จะหายไปทีล่ะครึ่งชีวิต
น้ำที่ไหนมาก (น้ำจืด) ก็จะไหลไปทางที่มีน้ำน้อย (น้ำเกลือ) จนกกว่าน้ำจะเท่ากัน ที่เรียกว่า การออสโมซิส
ถ้าอิเลคตรอนที่ไหนเยอะ มันก็จะไหลไปทางที่อิเลคตรอนน้อย จนกว่าอิเลคตรอนจะเท่ากัน นั่นก็คือกระแสไฟฟ้า
โลหะแต่ดั่งเดิมของมัน มันก็อยู่ใต้ดินเป็นแร่ดิบๆ (Ore) มันก็อยู่แบบขี้เกียจๆแบบพลังงานต่ำๆ ของมันแบบนั้นมาเป็นแสนล้านปี
เราเอามาถลุง (ทำให้ร้อน) แต่งคุณสมบัติ (ใส่โลหะอื่น สารเคมี) แล้วหล่อขึ้นรูปให้เป็น เหล็กต่างๆ
นั่นคือเราออกแรงใส่พลังงานเข้าไปขืนใจ บังคับให้มันจัดรูปโครงสร้างมันใหม่ เหมือนเราเอามือ(พลังงานกล)ปั้นกองดินเหนียวขึ้นมาเป็นรูปชาม แปลว่าเราใส่พลังงานเข้าไป
ลองเอาชามดินเหนียววางไว้สักแสนล้านปี พลังงานที่เราใส่ไว้ก็หายไป ชามเดินเหนียวก็กลายเป็นกองดินพลังงานต่ำเหมือนเดิม คืนสู่สามัญ
เหล็กก็เช่นกัน ผมจะไม่อธิบายเรื่องไฟฟ้าเคมีให้ยุ่งยาก … เอาช้อนสแตนเลสเกรดดีที่สุดในโลกวางไว้เฉยๆ หรือ ต่อให้ซุกไว้ในที่ไม่มีอ๊อกซิเจนเลย แสนล้านปี มันก็กลายเป็นแร่ดิบพลังงานต่ำอยู่ดี เหมือนแบตเตอรี่ที่ต่อให้ไม่ใช้เลย ทิ้งไว้แบตฯก็หมด เพราะมันก็รั่วภายในเชื่อมหากัน
ที่เล่ามายาว เพื่อจะให้เข้าใจธรรมชาติของโลหะให้มากขึ้นว่า โลหะไม่มีความซับซ้อนไปกว่า แร่ดิบ + พลังงาน การผุกร่อน คือ ธรรมชาติที่มันเรียกร้องกลับไปสู่สถานะขี้เกียจของมัน
ดังนั้น ในแง่ของความเป็นวิศวกร ต้องเข้าใจเรื่องนี้อย่างถ่องแท้ เพื่อจะเลือกวัสดุที่เหมาะกับอายุของหลุมที่เราจะสร้าง เราไม่ได้สร้างหลุมนิรันดร์เมื่อไหร่กัน
เช่น อายุแหล่ง 30 ปี สัมปทาน 30 ปี เรามีทางเลือก 2 แบบกว้างๆ
- เลือกวัสดุทนทุกอย่างที่จะเกิดขึ้นทั้งชีวิตมัน 30 ปี
- เลือกวัสดุที่ดีพอแค่ทุก 10 ปี แล้วค่อยรื้อเปลี่ยนใหม่ทุก 10 ปี
เราอาจจะคิดว่า แบบแรกน่าจะดีกว่า แต่หลายกรณี มีปัจจัยอื่นๆอีก โดยเฉพาะความเสี่ยงของราคาปิโตรเลียมฯ ตลาดห่วงโซ่อุปทานการผลิต คุณสมบัติของปิโตรเลียมที่เปลี่ยนไป ฯลฯ อาจจะทำให้ทางเลือกที่ 2 ดูน่าสนใจกว่าก็ได้
Material Selection
ผู้ร้ายของอุตฯเราที่ทำให้โลหะผุกร่อนมี 2 ตัวแม่ กับ 1 ตัวลูก 2 ตัวแม่ คือ คาร์บอนไดออกไซด์(CO2) และ ไฮรโดเจนซัลไฟด์ (H2S) ส่วนตัวลูก คือ ซัลเฟอร์ หรือ กำมะถัน เจ้า 3 ตัวนี้แอบๆแฝงๆอยู่ในชั้นหินมาหลายล้านปี วันดีคืนซวยเราก็ขุดไปเจอมันเข้า เราก็ต้องรู้จักที่จะรับมือกับมันด้วยการเลือกวัสดุที่ถูกต้อง
ใช่ว่าเมื่อโลหะเราเจอเจ้า 3 ตัวนี้แล้วจะผุกร่อนเท่าๆกัน ไม่ครับ อัตราการผุกร่อน (มิลลิเมตรต่อปี หรือ กรัมต่อปี) ขึ้นกับสภาพแวดล้อมด้วย
ปัจจัยทางกายภาพที่มีผลต่ออัตราการผุกร่อน
- อุณหภูมิ
- ความดัน
- ความเป็นกรด (PH)
- ปริมาณ
อุณหภูมิ PH ปริมาณ พอเข้าใจได้ แต่ เอ๊ะ ความดันไปเกี่ยวไรด้วย
คืองี้ครับ กฏของก๊าซบอกว่า “ปริมาตรของก๊าซใด ๆ ที่มีมวลคงที่จะเกิดการแปรผกผันกับความดันของก๊าซนั้น ๆ เมื่ออุณหภูมิมีค่าคงที่”
การที่เรารู้ว่าอุณหภูมิตรงนั้นเท่าไร ความดันเท่าไร เราจึงรู้ว่าปริมาณก๊าซตรงนั้นเท่าไรกันแน่
เช่น mud logger หรือ วิศวกรแหล่งกักเก็บบอกเราว่ามี H2S 1% นะ (1% = 10,000 ppm) แล้วความดันแหล่งฯตรงนั้น 3000 psi (ความดันรวมของก๊าซทุกชนิดในแหล่งฯ) ดังนั้น ความดันของก๊าซ H2S จริงๆก็ 1% x 3000 psi = 30 psi ค่า 30 psi นี้เราเรียกว่า partial pressure
สำหรับ CO2 ก็คิดคล้ายๆกัน
ดังนั้นเวลาเอาค่า H2S และ CO2 ไปใช้เปิดตารางของโรงงานผู้ผลิตท่อ อุปกรณ์ต่างๆ หรือ ตารางของ ISO เราจะเอาค่า partial pressure นี้ไปใช้ ไม่ได้เอาค่า ความดันแหล่งกักเก็บโดยรวมไปใช้
มาตราฐานกลางของอุตสาหกรรมเราคือ ISO 15156-1,-2 และ -3 สามารถไปดาว์โหลดเวอร์ชั้นปีเก่าๆได้ฟรีในอินเตอร์เน็ท แต่เวอร์ชั้นปีใหม่ๆอาจจะต้องซื้อ
ส่วน บ. น้ำมันใหญ่ๆ เช่น Chevron, BP, TOTAL, Shell, etc.. มักจะมีมาตราฐานตารางของเขาเอง โดยพัฒนามาจากโรงงานผู้ผลิตต่างๆและ ISO
ส่วนผู้ผลิตท่อ (mill) แต่ล่ะยี่ห้อ ก็มีตารางของแต่ล่ะโรงงาน ที่มักจะแตกต่างกันเล็กน้อย ข้างล่างนี่เป็นตัวอย่างของบางโรงงานที่ใช้กันบ่อยๆ
จะเห็นว่า material selection ไม่ว่าจะเป็นตาราง กราฟ ชาร์จ ของ ISO, บ.น้ำมัน หรือ โรงงานผลิตท่อ ก็ใช้ ค่า อุณหภูมิ partial pressure ของ CO2 H2S และ ปริมาณซัลเฟอร์
มีอีกหลายตารางมากๆ หลายๆแหล่ง ของมหาวิทยาลัย และ งานวิจัยต่างๆก็มี แต่สำหรับผมที่ใช้งานจริง ผมมักเลือกใช้ของโรงงานผู้ผลิตมากกว่าครับ เพราะว่าเขารับรองแล้วว่าของที่เขาผลิตนั้นมีคุณสมบัติตามตารางของเขา ถ้าเราไปใช้ตารางอื่นแล้วไปซื้อของของเขา เขาอาจจะไม่รับรองคุณภาพของของเขาได้