Mud viscosity and flow regime ปัญหาปวดหัว drilling engineer – ในบรรดาศาสตร์อันเป็นองค์ประกอบของการขุดหลุมปิโตรเลียมเนี้ย สำหรับผมนะ เรื่องนี้เป็นอะไรที่ไม้เบื่อไม้เมากับผมมาก
ผมกำลังพูดถึง กลศาสตร์ของไหล (fluid mechanic) ผมเคยเรียนวิชานี้ตอนปีสองหรือไงนี่แหละ เกือบไม่รอด
ทุกคนทราบกันดีถึงกฏการเคลื่อนที่ 3 ข้อ ของนิวตัน ใช่ไหมครับ นั่นแหละครับ แต่เรากำลังเอามาใช้อธิบายการเคลื่อนที่ (ไหล) ของของไหล (ของเหลว ก๊าซ) แทนที่จะเป็นของแข็ง
กลศาสตร์ของไหลประกอบไปด้วยหัวข้อใหญ่ๆมากมายครับ วันนี้ผมจะดึงเอามาแค่ 2 เรื่อง ที่เกี่ยวกับการใช้งานของเรา คือ ความหนืด (viscosity) และ รูปแบบการไหล (flow regime) ของน้ำโคลน
Mud viscosity and flow regime
Viscosity (ความหนืด)
ว่ากันตามทฤษฎีก่อนนะ
ถ้ามีแผ่นของแข็งสองแผ่น อยู่ห่างกัน d มีของเหลวชนิดหนึ่งอยู่ระหว่างกลาง แผ่นล่างยึดอยู่กับที่ แผ่นบนมีพื้นที่ผิว A โดนผลักให้เคลื่อนที่ด้วยแรง F ขนานกับแผ่นล่าง ดังนั้น แผ่นบนจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว v
F/A นั่น เราเรียกว่า stress (ความเค้น) คุ้นๆไหม คล้ายๆเรื่องยังโมดูลัสของของแข็งป่ะ (แต่กรณีของแข็ง F จะตั้งฉากกับ A)
ส่วน v/d เราเรียกว่า shear rate (อัตราการเฉือน คือ ความเร็วสัมพัทธ์กับระยะห่างนั่นแหละ แปลแล้วแปลกๆเนอะ ทับศัพท์ไปเหอะ)
จับ F/A หารด้วย v/d ก็เป็นความหนืด
Viscosity = [F/A]/[v/d]
นักวิทยาศาสตร์พบว่า ของไหลแต่ล่ะชนิด ถ้าเอามาทดลองเปลี่ยน F/A และ v/d ไปเรื่อยๆ (บ้านๆ คือ ให้ A กับ d คงที่ แล้วเปลี่ยน F เป็นตัวแปรต้น แล้ววัด v เป็นตัวแปรตาม นั่นแหละ)
แล้วเอามาพล๊อตกราฟ โดย F/A เป็นแกนตั้ง v/d เป็นแกนนอน จะพบว่าแบ่งของเหลวออกเป็นกลุ่มใหญ่ๆได้ประมาณนี้ 4 กลุ่ม (จริงๆมีมากกว่านี้ เอาแค่นี้เป็นน้ำจิ้มไปก่อน เอาชุดใหญ่มาเดี๋ยวจะอ้วกกันไปก่อนอ่านจบ)
ของเหลวบางประเภท พอออกแรง F ปุ๊บ แผ่นบนก็ขยับปั๊บเลย เช่นของเหลวแบบ newtonian หรือ power law (กราฟเริ่มที่จุด 0,0) เปรียบเหมือน แรงเสียดทานสถิตเป็นศูนย์ ออกแรงปุ๊บขยับปั๊บ
ของเหลวบางประเภทต้องออกแรงเกินค่าขั้นต่ำค่าหนึ่ง แผ่นบนถึงจะขยับ เช่น bingham plastic หรือ herschel-bulkley (ภาษาเด็กมัธยมก็ คือ มีจุดตัดแกน y เป็นบวก นั่นแหละ)
ถ้าให้ระยะห่าง d และ พื้นที่ A คงที่ ของเหลวบางอย่าง พอแผ่นบนเคลื่อนที่ ยิ่งผลักแรง ยิ่งเคลื่อนที่เร็วตามกันเป็นอัตราส่วนคงที่ (ความชันเป็นเส้นตรง) เช่น newtonian และ bingham plastic
แต่ของเหลวบางอย่าง ยิ่งเคลื่อนที่เร็วเท่าไรยิ่งใช่แรงน้อยลงในการผลัดให้เร็วขึ้น เช่น power law หรือ herschel-bulkley (กราฟโค้งเป็นหลังเต่า)
ความหนืด 2 ชนิด
Apparent viscosity (ความหนืดเฉลี่ย)
ก็คือความชันของเส้นประในรูปข้างล่างนี่แหละครับ
จะเห็นว่าจุดเริ่มต้นเส้นประจะอยู่ที่จุด 0,0 ทุกกรณีเลย
Plastic viscosity (ความหนืดพลาสติก – ไม่รู้จะแปลไง 555)
มันคือความหนืดที่จุดใดๆของความเร็วที่ของเหลวไหลน่ะครับ
ถ้าความชันคงที่ แบบ netonian หรือ bingham ความหนืดนี้ก็จะคงที่ไปตลอด แต่ถ้าโค้งๆหลังเต่า (ความชัดลดลงเรื่อยๆ) แบบ power law ยิ่งไหลเร็วก็ยิ่งหนืดน้อย ออกแรงปั๊มหน่อยเดียวก็ลื่นปรื๊ดๆกระฉูดเลยว่างั้นเถอะ
รูปล่างนี้เป็นตัวอย่างของ bingham plastic
Apparent vs. Plastic แล้วมันต่างกันไง
ไปหยิบกล้องจุลทรรศ์แล้วตามผมมา
แรงต้านการไหลเนี้ย เกิดจาก 2 ปัจจัย หลักๆ
- แรงดึงดูดกันระหว่างโมเลกุลของไหล
- แรงเสียดสีกันระหว่างโมเลกุลของไหล และ ระหว่างอนุภาคของแข็งในของไหล เมื่อของไหลเกิดการเคลื่อนที่
โดยทั่วๆไปแรงต้านการเคลื่อนที่จากปัจจัย 2 จะ มากกว่าจากปัจจัย 1 มาก
เมื่อของไหลอยู่นิ่งๆ ไม่เคลื่อนที่ แรงต้านการเคลื่อนที่จะเกิดจาก แรงดึงดูดกันระหว่างโมเลกุลของไหล เป็นหลัก
เมื่อของไหลเคลื่อนที่ แรงต้านการเคลื่อนที่จะเกิดจาก แรงดึงดูดกันระหว่างโมเลกุลของไหล + แรงเสียดสีกันระหว่างโมเลกุลของไหล และ ระหว่างอนุภาคของแข็งในของไหล
พอเห็นภาพหรือยังครับว่า plastic viscosity นั้น วัดแรงต้านการไหลจากปัจจัยที่ 2 เป็นหลัก
ส่วน apparent viscosity วัดรวมกันไปหมดคละๆกลมๆกันไป
น้ำโคลนเราเป็นแบบไหน
เราเหมาว่าเป็นแบบ Bingham plastic ครับ
ต้องใช้แรงขั้นต่ำประมาณหนึ่งถึงจะขยับให้มันไหลได้ ไอ้เจ้าแรงขั้นต่ำประมาณหนึ่งนี้ เราเรียกว่า yield point หรือ gel strength ซึ่งภาษาบ้านๆก็คือ แรงดึงดูดกันระหว่างโมเลกุลน้ำโคลนนั่นเองครับ
พอน้ำโคลนไหลแล้ว ไม่ว่าไหลเร็วไหลช้า เราอนุมานว่ามันมีความหนืดเท่ากัน นั่นคือ plastic viscosity (ต่อไปนี้ย่อว่า PV นะ) เท่ากัน ไม่ว่าเราจะปั๊มให้ไหลเร็วแต่ไหนก็ตาม
การใช้งาน viscosity
ดังนั้น ยิ่งมีของแข็งเศษหิน ผงหิน อะไรก็ตามปนๆในน้ำโคลนเยอะ เวลาน้ำโคลนไหลผงของแข็งพวกนี้มันจะเสียดสีกัน ทำให้น้ำโคลนหนืดขึ้น ต้องออกแรงปั๊มมากขึ้น ความดันก้นหลุมก็จะมากขึ้นตาม ไม่ดีๆ เราไม่ชอบ เดี๋ยวหลุมพัง (เช่น สูญเสียน้ำโคลน loss circulation)
นั่นคือเหตุผลหนึ่งที่เราต้องร่อน กรอก เอาเศษหิน ของแข็งออกไปจากน้ำโคลน (solid control) ให้ได้มากที่สุด
Gel strength ล่ะ สำคัญไง สำคัญตอนจะเริ่มปั๊มน้ำโคลนไงครับ ในทางอุดมคติ เราต้องการเริ่มไปพร้อมๆกัน เริ่มจาก 0,0 คือ ออกแรงน้อยก็เริ่มไหลช้า ไม่ใช่ว่าต้องออกแรงขั้นต่ำ (เยอะๆ) สักค่าหนึ่งถึงจะขยับ(ไหล) มันจะกระชากปั๊ม และ ทำให้ความดันก้นหลุมกระชากตามไปด้วย
ดังนั้นน้ำโคลนในฝันคือ gel strength น้อยๆ PV น้อยๆ
แต่ๆ gel strength น้อยไปก็ไม่ดี เพราะไร เพราะเมื่อเราหยุดปั๊ม PV มันจะหายไป (จำได้ป่ะ PV เกิดได้เมื่อน้ำโคลนต้องขยับไหล) เหลือแต่ gel strength แล้วไง ถ้า gel strength ต่ำๆ พอหยดุปั๊ม (เช่น ตอนต่อก้านเจาะ) เศษหินก็ร่วงพล็อยลงก้นหลุม ไปกองทับหัวเจาะดิ
พูดง่ายๆคืด gel strength ต้องพอดี๊พอดี ไม่มากไปไม่น้อยไป เรามีสูตรของเราว่าควรจะเท่าไร ผมไม่บอกหรอก เดี๋ยวพวกคุณมาแย่งงานผม 555 😛
ส่วน Apparent viscosity เราไม่ค่อยแคร์เท่าไร ไม่มีที่ใช้ในงานของเรา ผมเอามาใส่เพื่อดูเก๋ๆดูไฮๆเท่านั้น เดี๋ยวจะว่างานผมไม่มีความเป็นวิศวกรรมเลย (ฮา)
ก่อนจะจบเรื่องความหนืด ถ้าผมไม่พูดถึง funnel viscosity เลย เดี๋ยวชาว old school จะน้อยใจ
Funnel viscosity
มันคือกรวยขนาดมาตราฐานที่เราเอาน้ำโคลนใส่ให้เต็ม ตั้งตรงๆ แล้วปล่อยให้ไหลจนหมดกรวย
จับเวลาว่ากี่วินาทีไหลหมด โดยอนุมานว่า ถ้าหนืดมากก็ใช้เวลามาก
เป็นการวัดที่คร่าวๆมากๆ เชิงคุณภาพมากกว่าจะวัดเชิงปริมาณ แต่ก็เป็นอะไรที่เคยใช้กัน และ ปัจจุบันก็ยังใช้อยู่ แต่แต่วัดแบบกะๆไวๆเท่านั้น
จะต่อเรื่อง flow regime ก็คงไม่ไหวแล้ว จะยาวเกิน ไว้ต่ออีกตอนดีกว่า
… โปรดติดตามตอนต่อไปนะครับ 🙂