Torque and Drag ขุดถึงก็ต้องถอนได้ ขุดลึกแค่ไหน ถอนก้านได้ไหม

• Facebook
• Twitter
• Line

Torque and Drag ขุดถึงก็ต้องถอนได้ ขุดลึกแค่ไหน ถอนก้านได้ไหม – การที่เราจะขุดหลุมปิโตรเลียม มีปัจจัยล้านแปดที่จะทำให้ขุดถึงหรือไม่ถึงความลึกที่นักธรณีชี้เป้าให้ขุด

ถ้าติดตามเว็บไซด์นี้มาตลอดก็จะทราบว่ามีปัจจัยอะไรบ้าง

คิดเร็วๆ ก็เช่น ความทนทนอุณหภูมิของเครื่องมือเครื่องใช้ น้ำโคลน ซีเมนต์ บลาๆ ความยาวท่อกรุ ความสามารถทนความกดดันของท่อกรุ ความแข็งของชั้นหิน เป็นต้น

วันนี้จะชวนคุยถึงปัจจัยหนึ่งที่สำคัญมากๆที่จะชี้เป็นชี้ตายว่า จะขุดถึง หรือ ไม่ถึง เป้าที่ต้องการ

ปัจจัยนี้เกี่ยวข้องกับ ก้านเจาะ (drill pipe) โดยตรง ซึ่งก็จะได้แนะนำให้รู้จักกันในตอนต่อไปครับ

Torque and Drag

ขุดถึงก็ต้องถอนได้ ขุดลึกแค่ไหน ถอนก้านได้ไหม

วันนี้เราจะคุยกันหัวข้อข้างล่างประมาณนี้นะครับ ใครที่พอทราบๆบางเรื่องแล้ว ก็สามารถคลิ๊กไปยังหัวข้อที่ต้องการได้เลยครับ

• ทำความรู้จักก้านเจาะเบื้องต้น
• Make Up Torque คือ อะไร
• Tensile คือ อะไร
• Make Up Torque vs. Conn Tensile
• Drag คืออะไร
• หย่อนก้านไม่ลงก็ขุดไม่ถึง
• หย่อนลง หมุนก้านไม่ได้ ก็ขุดไม่ได้
• ขุดเสร็จ ถอนก้านขึ้นมาไม่ได้ ก็เปล่าประโยชน์
• กันปัญหาไม่ให้เกิดไงดี
• ตัวอย่าง Torque and Drag simulation
• สรุป … อย่ามโน

รู้จักก้านเจาะเบื้องต้น

ตามลิงค์นี้เลยครับ ถ้ายังไม่รู้จักก็ไปอ่านกันก่อน

Drill Pipe ท่อขุด ท่อเหล็กธรรมดาที่ไม่ธรรมดา ไม่ธรรมดาตรงไหน

Make Up Torque

ก้านเจาะ (drill pipe) มาถึงแท่นขุดเจาะฯเป็นท่อนๆ (เรามักใช้สรรพนามว่า ก้าน ภาษาอังกฤษเราใช้สรรพนามว่า joint) ก้านหนึ่ง ยาวประมาณ 10 เมตร ในการขุด เราต้องเอาแต่ล่ะก้านมาต่อๆกัน โดยการขัดเกลียวเข้าด้วยกัน

เหมือนกันขันเกลียวทั่วๆไปในงานช่าง ที่ต้องมีสเป็คมาจากโรงงานว่า ใช้แรงบิดเท่าไรถึงจะพอดีใช้งาน

อุปกรณ์ที่เราเห็นได้ง่ายสุดคือ torque wrench ในงานเครื่องจักรเครื่องยนต์ หรือ แม้แต่น๊อตยางรถยนต์ ก็มีสเป็คแรงบิดที่ใช้ขันน๊อต

ในภาษาของเรา เราเรียกแรงบิดที่พอดีในการขันเกลัยวนี้ว่า Make Up Torque (MUT) ซึ่งมักจะมีกำหนดมาโดยโรงงานผู้ผลิต 2 ค่า คือ ค่า max กับ min โดยมากเราก็ใช้ค่า max นั่นแหละครับในการขัดต่อก้าน

ซึ่งจะน้อยกว่า แรงบิด สูงสุดที่ตัวก้านเจาะ (pipe body) รับได้

ดังนั้นข้อต่อ (connection) จึง คือ จุดอ่อนที่สุด ของแรงบิดในก้านเจาะที่เอามาต่อๆกัน ค่าจุดอ่อนนั้นคือ Max MUT นั่นเอง

ดังนั้น ในระหว่างการเจาะ เราจะต้องไม่หมุนก้านเจาะ จนกระทั่งแรงบิดเกิน Max MUT ซึ่งโดยมากเราก็จะตั้งค่าเตือน หรือ ตัดการหมุนก้าน ที่มอเตอร์หมุนก้าน (top drive) ไว้ที่ 80% ของ Max MUT

ถ้าหมุนก้านเจาะด้วยแรงบิดเกินกว่านี้จะเกิดอะไรขึ้น

1. เกลี่ยวเจ๊ง (damage) ต้องส่งซ่อม โดยมากกรณีนี้จะซ่อมไม่ได้ ต้องตัดเกลียว (tool joint) ทิ้ง ก้านเจาะจะสั้นลง ทำให้ไม่ได้มาตราฐานที่จะเอามาต่อกับก้านอื่น ต้องเสียของ ลดเกรดลงไปใช้กับงานเฉพาะทางอื่นๆ เช่นงาน workover งานซ่อมแซมหลุมผลิต ฯลฯ
2. เมื่อเกลียวเจ๊งเพราะขันบิดมากเกินไป ก็จะคลายเกลียวไม่ออก ติดหนึบ นี่แหละที่ซวย เพราะแกะไม่ออกบน rig floor ก็เสียเวลา ตัด หรือ หาวิธีเอาออกจากหลุม ถ้าเกลียวเดียวไม่เท่าไร ถ้าหลายๆเกลียวนี้ เสียเวลาเจาะตายห่ะเลย
3. แต่ที่ซวยสุดๆคือ เกลียวขาด ต้องลงไปงม (fishing) อันนี้ก็นะ ไม่ต้องพูดถึงเลย เตรียวซวยกันได้ทั้งแท่นฯ 555 🙂

อีกอย่างที่ต้องทราบคือ เวลาเกลียวจะเจ๊ง หรือ จะขาด ข้อต่อ (connection) ที่เกลียวจะเจ๊งจะขาด คือ ข้อต่อที่อยู่ใกล้ปากหลุมที่สุด จริงไหม เพราะข้อต่อที่อยู่ใกล้ปากหลุมจะรับแรงบิดมากที่สุด

ส่วนข้อต่อที่รับแรงบิดน้อยสุด คือ ข้อต่อสุดท้ายที่อยู่ก้นหลุม

Tensile คือ อะไร

Tensile แปลว่า แรงดึง ในที่นี้คือ แรงดึงที่ดึงได้สูงสุดจนกว่าจะขาดนั่นแหละครับ

ทำนองเดียวกับแรงบิด แรงดึงนี่ก็มีข้อจำกัดทั้งที่ตัวก้านเอง (body)

และ ที่ข้อต่อ (connection)

MUT vs. connection tensile

จะสังเกตุว่า แรงดึงสูงสุดที่ข้อต่อจะรับได้ ขึ้นกับ MUT ด้วย ถ้า MUT เยอะ (หรือสูงสุด) แรงดึงสูงสุดที่ข้อต่อจะรับได้ก็จะน้อย (หรือต่ำสุด) ไปด้วย

เข้าทำนอง ได้อย่างเสียอย่าง เลือกพี่ เสียดายน้อง อะไรทำนองนั้น

ถ้าสังเกตุดีๆ จะเห็นว่า ถ้า MUT ต่ำๆ (Min MUT) แรงดึงสูงสุดที่ข้อต่อจะรับได้ (กรณีนี้ 686,700 lbs.) กลับมากกว่า แรงดึงสูงสุดที่ตัวก้าน (body) รับได้เสียอีก (513,645 lbs.)

ดังนั้น กรณีนี้ (ต่อก้านด้วย Min MUT) จุดอ่อนจะย้ายไปอยู่ที่ตัวก้านแทนที่จะเป็นข้อต่อ

นอกจากนี้ แรงดึงสูงสุดของก้านเจาะทั้งหมดที่ต่อกันแล้ว ยังขึ้นกับว่าตอนเจาะเราหมุนบิดก้านเจาะด้วยแรงบิดเท่าไรด้วย

พูดง่ายๆ คือ ยิ่งหมุนบิดแรงๆ แรงดึงที่ทนได้ก็ต่ำลงๆ ประมาณนั้น

สรุปความคือ ในฐานะวิศวกร เราจะต้องรู้ว่า จุดอ่อนของระบบก้านเจาะ (drill string) ทั้งแรงบิด และ แรงดึง เป็นเท่าไร ณ.เวลาใดๆ ณ.ความลึกใดๆ ที่เอาก้านลง ขุด หรือ เอาก้านขึ้น

Drag คือ อะไร

แปลกันตรงตัว drag แปลว่า ลาก

แต่ในที่นี้เราจะหมายถึงแรงเสียดทานที่เกิดจากการลาก (แรงที่ใช้ลากนั่นเอง) หรือ การถอนก้านขึ้นมาจากหลุม (หรือ หย่อนลงหลุม)

พูดง่ายๆ คือ ถ้า drag มากๆ เราก็ต้องใช้ก้านเจาะที่ทนแรงดึงได้สูงๆ ถึงจะถอนก้านขึ้นมาได้ ไม่งั้น ก้านเจาะขาดแน่ๆ

จะขุดถึงเป้าหรือไม่ถึง

หย่อนก้านไม่ลงก็ขุดไม่ถึง

อย่างที่เราๆทราบๆกันดีว่า เวลาเราเอาก้านเจาะลงหลุมเนี้ย เราใช้แรงดึงดูดของโลก (พูดบ้านๆคือ น้ำหนักนั่นแหละ) ดึง หัวเจาะ BHA (Bottom Hole Assembly – อุปกรณ์การเจาะที่ก้นหลุม) และ ก้านเจาะ ลงไปก้นหลุม

ถ้าแรงเสียดทานของก้านเจาะกับผนังหลุมมันเยอะ (ชนิด นน. น้ำโคลน ความคดเคี้ยวของหลุม ขนาดหลุม ขนาดก้านเจาะ บลาๆ) เราก็หย่อนก้านไม่ลง หย่อนไม่ลง เราก็ขุดไม่ได้ 555 🙂

ดังนั้นเวลาออกแบบหลุม คิดวิธี และ เครื่องไม้เครื่องมือ ในการขุด ก็ต้องคิดให้ดี

ไม่ใช่ออกแบบหลุมมาหรูดิบดี มาสำลักกันเอาตอนที่ ชิบหายแล้ว หย่อนก้านไม่ลง ไม่ต้องขำเลยนะครับ ผมเคยเจอมาแล้ว

หย่อนลง หมุนก้านไม่ได้ ก็ขุดไม่ได้

สมมุติว่าหย่อนลงได้ถึงก้นหลุม มีนน.กดที่หัวเจาะเพียงพอกับชั้นหินที่จะเจาะ (WOB – Weight On Bit) ปั๊มน้ำโคลนแรงดี ไม่ตก คำนวนไว้ ใช่เลย ความดันปั๊มทนได้ น้ำโคลนไหลกระฉูด ไม่มีปัญหาเศษหินตกค้างแน่ๆ

พอจะหมุดก้านเจาะ อ้าว อิ๊บหาย (อีก) หมุนไม่ได้

พอจะหมุนก้านแรงบิดที่ ที่ Top drive เจือกเกิน MUT ที่ขันเกลียวไว้ … surprise ! ! !

ขุดเสร็จ ถอนก้านขึ้นมาไม่ได้

เอาล่ะ … สมมุติว่า ขุดได้เสร็จสรรพ ถึงเป้าที่นักธรณีชี้เป้าไว้

พอจะถอน อ้าว … ซวยตอนจบ ดึงก้านเจาะไม่ขึ้น แรงที่ใช้ดึงที่ปากหลุมดันเกินแรงดึงสูงสุดที่ก้านเจาะ (body) หรือ ข้อต่อ (connection) รับได้ (แล้วแต่กรณีว่าอะไรเป็นจุดอ่อนของระบบ ดังที่ได้อารัมภบทมาแล้ว)

ดึงตรงๆก็ไม่ขึ้น ปั๊มช่วยก็ไม่ขึ้น หมุนก้านช่วย ก็ยังไม่ขึ้น …

POOH Pump out Back ream out คืออะไร ต่างกันอย่างไร

อย่าหัวเราะ … ผมเจอมาแล้วกับตัวเอง 555 🙂

กันไม่ให้เกิดไงดี

คำนวนไงครับ วิศวกรต้องคำนวนปัจจัยทั้งหมดที่มีผลต่อ torque and drag

ตอนเรียน เราก็คำนวนมือแบบเบสิกให้พอให้ได้แนวคิดแล้วก็สอบให้ผ่าน

ชีวิตจริงเราก็ใช้ซอฟแวร์ แต่เราก็ต้องรู้ว่ามีปัจจัยอะไรบ้างที่ทำให้ torque and drag มากขึ้นหรือน้อยลง

เอาไวๆเลยก็มีประมาณนี้ครับ

อุปกรณ์

• สเป็คก้านเจาะ (ขนาด วัสดุ ชนิดข้อต่อ อายุงาน จารบีที่ใช้ทาเกลียว)
• BHA (Bottom Hole Assemble) … เยอะไหม มีอะไรบ้าง ขนาดเท่าไร หนักแค่ไหน บลาๆ
• ประเภท และ นน. น้ำโคลน
• สเป็คแท่นเจาะ (Top Drive, draw work, mud pump)

หลุม

• ขนาด และ ทิศทาง (well profile)
• ตำแหน่งท่อกรุแต่ล่ะช่วง

ธรณีวิทยา

• อุณหภูมิ (กรณีหลุมร้อนมากๆ น้ำโคลนอาจะเสื่อสภาพคุณสมบัติหล่อลื่น เกลียวข้อต่อเสียสภาพ)
• ของไหลที่เป็นกรด (H2S, CO2)
• แรงดันชั้นหิน เมื่อเทียบกับแรงดันจากน้ำโคลน
• ชั้นหินเจ้าปัญหา บวม (swell) ง่าย เปลาะร่วง (brittle) หรือ เคลื่อนจากแรงใต้ธรณี (tectonic movement from earth stress)

ตัวอย่าง Torque and Drag simulation

ภาษาเราที่เรียกกันบ่อยๆว่า sim โน้นหรือยัง sim นี่หรือยัง

การ simulation คือ การจำลอง ด้วยตัวแบบ (model) ทางคณิตศาสตร์ (ไม่ว่ ด้วยมือ excel หรือ ซอฟแวร์)

หน้าตาของการจำลอง Torque and Drag ก็จะประมาณๆนี้ (มีหลายกราฟนะ แต่ยกมา 1 กราฟ พอให้ได้แนวคิด)

แกนตั้งเป็นความลึก แกนนอนเป็นแรงดึง หรือ แรงบิด ที่วัดได้ที่ปากหลุม (ก็จาก top drive และ draw work) ณ.ความลึกนั้นๆ

เส้นสีเขียว คือ การจำลอง น้ำหนักของก้านเจาะทั้งหมด หรือ แรงบิดโดยที่ไม่ขยับก้านขึ้น หรือ ลง (ที่เรียกว่า neutral weight) ณ.ความลึกต่างๆกัน

เส้นสีแดง คือ การจำลอง แรงดึงก้านเจาะขึ้น หรือ แรงบิด ขณะที่ดึงก้านเจาะขึ้น ณ.ความลึกต่างๆกัน

เส้นสีน้ำเงิน คือ การจำลอง น้ำหนักที่หิ้วก้านเจาะเอาไว้ หรือ แรงบิด ขณะที่หย่อนก้านเจาะลงหลุม ณ.ความลึกต่างๆกัน

ส่วนที่ เส้นสีแดง และ สีน้ำเงิน มีหลายๆเส้น เพราะจำลองสถานการณ์ และ สัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน (Friction Factor, FF) ต่างๆกัน เช่น

• case#1 FF = 0.30 ดึงขึ้นอย่างเดียว … straight pull
• case#2 FF = 0.40 ดึงขึ้นด้วย ปั๊มน้ำโคลนด้วย (1000 lpm) … Pump out
• case#3 FF = 0.35 ดึงขึ้นด้วย ปั๊มน้ำโคลนด้วย (1000 lpm) หมุนก้านด้วย (60 rpm) … Backream

ขีดจำกัดของเส้นสีแดง คือ Max MUT (ในกรณีแรงบิด) หรือ tensile (แล้วแต่ว่า ข้อต่อ หรือ ก้านเจาะ จะเป็นจุดอ่อน) ก็คือ เส้นตรงในแนวดิ่งที่อยู่ชิดกรอบกราฟทางขวา ถ้าชนเมื่อไร ก็คือ ก้านขาด ไม่ว่าจะขาดแบบ ดึงขาด หรือ บิดขาด

ขีดจำกัดของเส้นสีน้ำเงิน คือ เส้นสีเขียว ถ้าแรงที่หิ้ว (เส้นน้ำเงิน) ตอนหย่อน น้อยกว่าน้ำหนัก (เส้นสีเขียว) แปลว่า น้ำหนักยังพอให้หย่อนลง จริงไหมครับ

แต่ถ้าเมื่อไร เส้นสีน้ำเงินเริ่มใกล้เส้นสีเขียว ก็นะเริ่มหย่อนไม่ลง เริ่มหย่อนแล้วติดๆ

ที่เส้นมันไม่ตรง หยักไปหยักมา ก็เพราะหลุมมันไม่ตรงไงครับ มัน คดไปคนมา มีเหลี่ยม มีมุม แรงดึง แรงบิด ที่ความลึกต่างๆจึงแปรไปตามกัน

บทสรุป

การขุดหลุมปิโตรเลียม เราต้องคิดเยอะ คิดทุกๆมิติ

ขีดจำกัดเต็มไปหมด ไม่ว่าจะเรื่องอะไร มันก็มีขีดจำกัดทั้งนั้น

วิศวกรต้องรู้ว่า เรื่องไหน มีขีดจำกัดอะไร

มิหน่ำซ้ำ ขีดจำกัดหนึง มีผลดี (บวก) หรือ ไม่ดี (ลบ) ต่อ ขีดจำกัดอื่นๆ

การแก้ปัญหาขีดจำกัดหนึ่ง จึงส่งผลกระทบต่อขีดจำกัดอื่นๆด้วย (อย่างช่วยไม่ได้)

เด็ดดอกไม้กระเทือนถึงดวงดาว

… วิศวกรต้องรู้ให้จริง รู้ให้ชัด

… อย่ามโน

สุดท้าย

การจำลองด้วยตัวแบบทางคณิตศาสตร์ เป็นเครื่องมือที่จำเป็นมากๆ เพื่อให้ได้คำตอบว่าการขุดเจาะจะประสบผลสำเร็จ (หรือเสี่ยงจะไม่สำเร็จ) มากน้อยแค่ไหน

• Facebook
• Twitter
• Line