Stick Slip ปัญหาปวดตับนักขุดเจาะเปลือกโลก และ วิธีแก้ไข – วันนี้จะมาชวนคุยเกี่ยวกับอภิมหาอมตะนิรันกาลปัญหาหนึ่ง(แสดงว่ามีหลายปัญหา 555)ของเรานักขุดเปลือกโลก
ลองนึกถึงสว่านที่เราใช้เจาะกำแพงบ้าน เพื่อติดอะไรสักอย่าง
ดอกสว่านเหล็กเส้นผ่าศูนย์กลางสัก 3 มิลลิเมตร ยาวราวๆ 2 – 3 นิ้ว ติดอยู่กับมอเตอร์ที่มีด้ามจับ ถ้ามอเตอร์หมุนนาทีล่ะ 100 รอบต่อนาที (100 rpm) ปลายดอกสว่านก็จะหมุน 100 rpm ด้วย จริงไหมครับ
ลองมามโนกันนิสนุงนะ … ถ้าดอกสว่านนี้ขนาดอ้วนเท่าเดิมเบอร์เดิม แต่ให้ยาวสัก 100 เมตร จะเกิดอะไรขึ้น ตอนมอเตอร์หมุน 100 rpm ปลายดอกสว่านมันจะหมุนยังไงอ่ะ
… นั่นแหละ ปัญหาปวดตับพวกเรา
Stick Slip
ปัญหาปวดตับนักขุดเจาะเปลือกโลก และ วิธีแก้ไข
stick แปลว่า ติด
slip แปลว่า ลื่น ไถล
stick slip ผมแปลไม่ได้เหมือนกัน 555 เอาว่า มันคืออาการประมาณว่า หมุนแล้วก็หยุด แล้วก็หมุนใหม่ เหมือนพี่แท๊กซี่โรคจิตสลับกระทืบเบรกกับคนเร่งสลับไปมานั่านแหละครับ
รูปซ้าย ตอนเราหมุนก้านเจาะที่ปากหลุม แต่หัวเจาะที่อยู่ลึกลงไป 3 กิโลเมตร มันไม่ยอมหมุน เหมือนมีมืออะไรมาจับไว้ (เพราะอะไร เดี๋ยวจะบอก) พอเวลาผ่านไปสักพัก หัวเจาะหลุดจากมือที่จับไป (หลุดจากอะไร เดี๋ยวบอก) มันก็ปั่นจี๋เลยด้วยความเร็วรอบในการหมุนที่มากกว่ามอเตอร์ที่เราหมุนมันที่ปากหลุม
ถ้าเอาความเร็วรอบในการหมุนก้านเจาะที่ปากหลุม กับความเร็วรอบในการหมุนของหัวเจาะมาเทียบกัน โดยให้แกนนอนเป็นเวลา เราจะได้อารมณ์ประมาณรูปข้างล่างนี่แหละ
สีแดงคือความเร็วรอบของมอเตอร์ที่หมุนก้านเจาะที่ปากหลุม เป็นเส้นตรงสวยเชียว ประมาณ 90 rpm แต่เส้นสีน้ำเงินเป็นความเร็วรอบของหัวเจาะที่อยู่ปลายอีกด้านหนึ่ง ดูมันหมุนดิ สุดสว่งริงโก้เลย พระเดชพระคุณ กระชากสุดๆ จากเกือบ 0 ไป ถึง เกือย 240 rpm
นึกถึงเครื่องเล่นแบบเหวี่ยงๆชวนอ้วกที่สวนสนุกเนอะๆ
ทำไมถึงเป็นอย่างนั้น
ก้านเจาะที่ยาวเป็นกิโลๆ ถึงแม้ว่าทำด้วยเหล็กที่ดูเหมือนจะแข็งไม่บิดแบบเส้นก๋วยเตี๋ยวหรือเส้นยางหนังสติ๊ก แต่เมื่อมันยาวๆมากๆ มันก็มีคุณสมบัติไม่ต่างกับหนังสติ๊กหรอกครับ (elasticity)
เนื่องจากหัวเจาะมันถูกกดอยู่ด้วยน้ำหนักของ drill collar เพื่อให้กัดตัดบดเจาะหินให้แตกออก มันก็จะมีแรงเสียดทานต้านการหมุนประมาณหนึ่ง ถูกไหมครับ นั่นแปรว่า ปลายด้านล่างของก้านเจาะถูกจับไว้ไม่ให้หมุน จนกว่าจะมีแรงเยอะพอที่จะชนะแรงเสียดทานที่ว่านั่น
Dumb Irons (HWDP, DC, Stab, Bit sub, Float sub, Bend sun, safety Joint, Bits)
เมื่อหมุนก้านเจาะที่ปากหลุมซึ่งอยู่ไกลไปถึง 3 กิโลเมตร ปลายก้านเจาะที่ก้นหลุมมันจึงไม่หมุน (stick)
อ้าว แล้วรอบหมุนมันหายไปไหนล่ะ
รอบหมุนมันก็หายไปกับก้านเจาะที่ทำตัวเหมือนหนังสติ๊กที่ยาว 3 กิโลเมตรนะซิพระคุณท่าน เส้นยางหนังสติ๊กเนี้ย มันก็จะดูดซับรอบหมุน (ซึ่งก็คือแรงบิด) สะสมเป็นเกลียวเอาไว้ จนมากถึงประมาณหนึ่งที่เอาชนะแรงเสียดทานระหว่างหัวเจาะ (ที่ถูกกดโดย drill collar) กับชั้นหิน
แรงบิดเยอะแยะที่สะสมอยู่ในก้านเจาะยาว 3 กิโลเมตร ก็จะถูกปลดปล่อยออกมา หัวเจาะก็จะสบัดหมุนพรืด (slip) ด้วยความเร็วรอบที่มากกว่าความเร็วรอบที่เราหมุนที่ปากหลุม
แล้ววงจรอุบาทว์ก็เริ่มใหม่อีกรอบ วนๆไป
สรุป เทียบง่ายๆคือ ก้านเจาะที่ยาว 3 กิโลเมตร นั่น ทำตัวเหมือนแบตเตอรี่ เก็บแรงบิดที่เกิดจากการหมุนก้านเจาะที่ปากหลุม สะสมเอาไว้ จนมากกว่าแรงเสียดทานของหัวเจาะกับชั้นหิน แล้วก็ปล่อยพรวดออกมา นั่นเอง
สังเกตุไหมว่าผม ผมเน้น 3 กิโลเมตร ตลอดเลย เพราะผมกำลังชวนคิดต่อไปว่า อะไรเป็นปัจจัยทำให้เกิดปรากฏการณ์ stick slip นี้
สาเหตุ
อย่างแรกเลย ถ้าก้านเจาะยิ่งยาว (หลุมลึก) แบตเตอรี่ก็จะลูกใหญ่ขึ้น จริงไหม stick slip ก็จะหนักหนาสาหัส
อย่างที่สองคือ แรงเสียดทาน ผมยกตัวอย่างมาตลอดว่าเป็นแรงเสียดทานระหว่างหัวเจาะ (ที่ถูกกดโดย drill collar) กับชั้นหิน ซึ่งจริงๆแล้ว มันคือแรงเสียดทานทั้งหมดของ BHA และ ก้านเจาะที่เสียดสีกับผนังหลุม และ แรงเฉื่อย (inertia force) อันเนื่องมาจาก ขนาด และ น้ำหนักของ BHA ด้วย
Bottom Hole Assembly (BHA) คืออะไร สำคัญอย่างไร ทำงานอย่างไร
Bottom Hole Assembly (BHA) คืออะไร สำคัญอย่างไร ทำงานอย่างไร
นั่นคือ BHA อ้วนหนัก ก้านเจาะยาว (หลุมลึก) หัวเจาะมีแรงเสียดทานมาก ความเร็วรอบต่ำ stick-slip ก็จะหนักหนาสาหัส
ดังนั้น หัวเจาะแบบ PDC ที่ขุดโดยแรงบิด ปาดเฉือน shear มีแรงเสียดทานในการเจาะมากกว่า หัวเจาะแบบ roller cone ที่ใช้การบดกระแทก crunching ในการเจาะ จึงทำให้เกิด stick slip ได้มากกว่า
PDC bit (fixed cutter) รู้จักหัวขุดเจาะหลุมน้ำมัน ใน 2.5 นาที
PDC bit (fixed cutter) รู้จักหัวขุดเจาะหลุมน้ำมัน ใน 2.5 นาที
ผลเสีย
เอาง่ายๆเลย ไม่ต้องทฤษฎีจ๋า นึกถึงพี่แท๊กซี่โรคจิตที่ขับรถกระชากๆ เหยียบเบรกรถก็หยุด สลับเหยียบคันเร่งกระชากพรวดทิ่มไปข้างหน้า แล้วกระทบเบรกอีก สลับไปอย่างนี้
ยางรถก็ก็สึกเร็วใช่ป่ะ = หัวเจาะก็พังเร็วเช่นกัน
คนนั่งก็ปวดหัวจะอ้วก คิดอะไรก็ไม่ออก มึนไปหมด= เครื่องมืออิเลคทรอนิกส์ที่อยู่กับ BHA เสียหายชำรุดง่าย ทำงานได้ไม่มีประสิทธิภาพตามสเป็ค
เพลา เกียร์ ก็สึก พังเร็ว = ก้านเจาะเสื่อมสภาพง่าย (fatigue) และ ที่สำคัญ
ความเร็วรวมๆทั้งหมดจากจุดหนึ่งไปจุดหนึ่งช้า = เจาะได้ช้า เช่นกัน
กินน้ำมันเยอะแต่ไม่ได้ระยะทางเท่าที่ควร (ประสิทธิ์ภาพเชิงกลห่วย) ไม่คุ้มน้ำมันที่เสียไป = กินพลังงาน top drive (มอเตอร์หมุนก้านเจาะที่ปากหลุม) เยอะ แต่ได้ระยะขุดไม่คุ้มพลังงานที่เสียไป ก็แปลเป็นภาษาเครื่องกลก็ประสิทธิ์ภาพเชิงกลห่วย นั่นแหละครับ
วิธีแก้ไข
มีความจริงอย่างหนึ่งทางวิศวกรรม (ชีวิตและความรักก็เช่นกัน) ว่า ถ้าเรารู้ว่าปัญหาอยู่ตรงไหน (เกิดจากอะไร) ก็เท่ากับว่าเราแก้ปัญหาไปได้แล้วครึ่งหนึ่ง … จริงไหม
เราก็กลับไปดูสาเหตุดิ
ก้านเจาะยาว BHA อ้วน อันนี้แก้ยากว่ะ เพราะหลุมมันลึกจะให้ทำไง
BHA มันก็ต้องใช้นี่นา แต่ถ้าเลือกได้ระหว่าง BHA อ้วนกับ BHA ผอม แล้วทำงานได้เหมือนกัน ราคาเท่ากัน ก็เลือก BHA ผอม แต่ก้านเจาะนี้เลือกยาก เพราะไม่ค่อยมีให้เลือก 555
หัวเจาะ PDC มีประสิทธิภาพเชิงกลดีกว่าแบบ roller cone แต่ก็แลกมาด้วยแรงบิดที่มากกว่า เมื่อแรงบิดมากกว่า แรงเสียดทาน(แรงต้านการหมุน)ก็มากกว่า stickslip ก็เยอะกว่า ตอบแบบกำปั้นทุบดินก็เปลี่ยนใช้หัวเจาะแบบ roller cone ซิ แต่ก็จะขุดช้ากว่าแบบ PDC อีก … ฮ่วย เอาไงดี
Rock bit รู้จักหัวขุดเจาะหลุมน้ำมัน ใน 9 นาที (คลิปภาษาไทย sub อังกฤษ)
Rock bit รู้จักหัวขุดเจาะหลุมน้ำมัน ใน 9 นาที (คลิปภาษาไทย sub อังกฤษ)
จะเปลี่ยนน้ำโคลนมันก็ไม่ได้ช่วยมากเท่าไรหรอก (ช่วยได้ แต่ไม่เยอะ เปลี่ยนจากน้ำโคลนแบบน้ำเป็นแบบน้ำมัน เติมผงกราไฟท์ลงในน้ำโคลนเพื่อลดแรงเสียดทาน) ระบบจะฝืดมันก็ฝืด
วิธีที่พอทำได้ อย่างแรกเลย เลือกหัวเจาะ PDC ที่ออกแบบมาพิเศษ ที่ไม่กินแรงบิดเยอะ แต่ยังขุดได้ดีพอไหว มีเทคนิคอยู่ 2 – 3 อย่างในการปรับแต่งใบมีด (blades และ cutters) รูปร่าง (profile) ของหัวเจาะ เพื่อให้ลดแรงบิดที่ใช้ (ไปเพิ่มแรงกดแทน) แต่ก็พอขุดได้ความเร็วที่ต้องการ
อีกวิธีคือ ติดเครื่องมืออะไรสักอย่างที่สั่นๆเขย่าๆ BHA และ หัวเจาะ ที่เราเรียกว่า vibrator (มีทั้งที่สั่นเขย่าในแนวขึ้นลง axial หรอ ในแนวหมุนรอบ angular) โดยใช้พลังงานจากการไหลของน้ำโคลน (hydraulic) ในการเขย่า เมื่อเขย่าๆหรือสั่นๆ แรงเสียดทานจะลดลง หัวเจาะที่ปลายก้านเจาะก็จะหมุนไปได้ง่ายขึ้น
มีเครื่องมือเหล่านี้ขาย(ให้เช่า)อยู่พอสมควร เลือกใช้ให้เหมาะสมเอา เช่น บางชนิดข้างในเป็นยาง ก็ต้องดูเรื่ององค์ประกอบน้ำโคลน และ อุณหภูมิ เป็นต้น
วิธีหนึ่งที่นิยมกันก็คือ ใส่ PDM (mud motor) ลงไปโลด มอเตอร์มันหมุนหัวเจาะที่ปลายก้านเจาะเลยโดยตรง เท่ากับก้านเจาะและอะไรก็ตามที่อยู่เหนือมอเตอร์ขึ้นไปมองไม่เห็น (หรือเห็นก็น้อยมาก) แรงเสียดทานที่หัวเจาะกับชั้นหิน พูดภาษาเทคนิคคือ mud motor ได้ decoupling หัวเจาะ กับ ส่วนที่เหนือขึ้นไปจากมอเตอร์เรียบโร้ย
การออกแบบหลุมก็ช่วยได้ครับ ถ้าเราต้องขุดหลุมลึกๆยาวๆ ก็ออกแบบอย่าให้เอียงมากหรือเลื้อยไปมาคดไปคดมานัก เพราะ การที่หลุมเอียงมากๆคดมากๆเลื้อยมากๆ ก้านเจาะจะเสียดสีผนังหลุมเยอะ แรงเสียดทานก็จะมาก แบตเตอรี่ก็จะลูกโตขึ้น
PDM (Positive Displacement Motor) หรือ Mud Motor
แต่ stick slip ก็ไม่ได้หายไปเป็นศูนย์นะ เพราะยังมีแรงเสียดทานอื่นๆที่อยู่ในระบบอีก เช่น BHA อ้วนๆ กับ ก้านเจาะที่ยาวเป็นเส้นหมี่นั่น แต่เอาน่า มันก็น้อยลงแหละ
แล้วมอเตอร์มันก็มียางอยู่ข้างในเนอะ เวลาเลือกใช้ก็ต้องดูเรื่องอุณหภูมิและองค์ประกอบน้ำโคลน LCM และ อื่นๆ (เช่น ค่าเช่า ความเสี่ยงที่จะติดคาในหลุม บลาๆ)
ถ้าหลุมก๊าซลึกๆร้อนๆอย่างบ้านเราก็จบข่าวครับ มอเตอร์ช่วยได้ไม่มาก เพราะมันร้อนกว่ายางมอเตอร์จะทนได้ ที่ทำได้อย่างเดียวเลยคือ เลือกใช้หัวเจาะ PDC ที่เกิด stickslip น้อยที่สุด และ ไม่ขุดช้ามาก และ มีทิศทางเลื้อย (predictable walk) ที่เดาได้ (เยอะสิ่งจริงนิพวกเรา 555)
อ้อ … เวลาอยู่หน้างาน เทคนิคเฉพาะหน้าของเราเวลารู้ว่าเกิด stickslip คืด ผ่อนน้ำหนักที่กดลงบนหัวเจาะ (Weigh On Bit WOB) หรือ / และ หมุนก้านเจาะให้เร็วขึ้น (นั่นแปลว่าเราต้องยอมเจาะช้าลง)
จะรู้ได้ไงว่าเกิด stick slip ขึ้น
เราไม่รู้สึกหรอกครับที่ปากหลุม มันเกิดขึ้นโน้น ที่ปลายก้านเจาะ ส่วนมากก็จะรู้ตอนถอนก้านขึ้นมาแล้วหงายหัวเจาะขึ้นมาดู ถึงรู้ว่า อ้าว ไปซะแล้ว คือ รอยสึก (Dull Characteristic) มันมีลักษณะเฉพาะตัวอ่ะ ดูปุ๊บรู้ปั๊บว่าอีนี้ผ่านศึก stickslip มาแหง๋มๆ
ปัจจุบัน มีเครื่องมือที่อยู่ใน MWD RSS และ LWD ที่สามารถบอกได้ว่าตอนนี้เกิด stickslip ไหม รุนแรงแค่ไหนครับ เมื่อเราทราบ เราก็ผ่อน WOB และ หรือ เพิ่ม RPM แล้วดูว่า ความรุนแรงมันนลดลงไหม ปรับๆไปทั้ง WOB RPM จนกว่าจะได้สูตรที่ลงตัว คือ เจาะได้เร็วที่สุดที่ระดับ stick slip ยังรับได้ คือ เครื่องมือต่างๆใน BHA และ หัวเจาะ ไม่อายุสั้น
เพราะถ้าเครื่องมืออิเลคทรอนิกส์ใน BHA พัง เพราะเกิด stickslip เกินสเป็คที่ บ.service ที่ให้เช่ากำหนด บ.น้ำมัน (ผู้เช่า) ต้องจ่ายค่าซ่อม หรือ ถ้าซ่อมไม่ได้ ก็จ่ายมาเลยทั้งชุด ก็เหมือนเราไปเช่ารถมาใช้ แล้วเราใช้เกินสมรรถนะที่กำหนด (เช่ารถเก๋งไปขนข้าวสารตันนึงเงี้ย) รถเขาพัง เราก็ต้องจ่ายค่าซ่อม หรือ เปลี่ยนทั้งคัน เป็นต้น
สรุป
โลกไม่สวยเช่นเคย แก้ตรงนั้นติดตรงนี้ แก้ตรงนี้ติดตรงนู้น 555 🙂 ชีวิตมันก็แบบนี้แหละ ถ้าทุกอย่างผูกสูตรได้ ผมก็ตกงานดิ หุหุ
ปล. ผมเชื่อว่าวันหนึ่งเรื่องพวกนี้ AI น่าจะมาทำแทนผมได้ แต่หลังผมเกษียณแน่นวลลลล ไชโย 3 ครั้ง
ถ้าลองกูเกิลก็จะเจอเรื่องนี้เยอะไปหมด ผมยกตัวอย่างมาลิงค์เดียวพอครับ Stick-slip phenomenon