Wireline Logging ตอน Porosity Tool EP2 กับ compton scattering และ sonic

• Facebook
• Twitter
• Line

Wireline Logging ตอน Porosity Tool EP2 … ยังมีเครื่องมือวัดความพรุนหลักๆอีก 2 ชนิดครับ ที่จำเป็นต้องกล่าวถึง จึงได้ตั้งชื่อตอนนี้ว่า EP2 ครับ

Wireline Logging ตอน Porosity

LDT (Lithology Density Tool)

เอาชนิดแรกก่อน เราเรียกมันว่า เครื่องมือวัดความหนาแน่น หรือ Density Tool ชื่อทั่วๆไปของมันคือ LDT ย่อมาจาก Lithology Density Tool ชื่อผลงานหรือสิ่งที่มันให้เราคือ LDL ย่อมาจาก Lithology Density Log

ทำไมถึงมีชื่อ Lithology ติดมาด้วย แล้ว Lithology นี้มันคืออะไร

Lithology เป็นศัพท์ทางธรณี แปลแบบง่ายๆก็คือ ชนิดของหินนั้นแหละ ว่าเป็น หินทราย หินปูน หินโน้นหินนี่ เครื่องมือชนิดนี้ หลักๆทำขึ้นมาเพื่อวัดความหนาแน่นชั้นหิน แต่มีผลพลอยได้ ทำให้รู้ชนิดของหินไปด้วย เป็นไงๆ … ตามมาครับ 🙂

มารื้อควอนตัมฟิสิกส์กันหน่อยดีไหม (ไม่ดีก็ต้องดีครับ เพราะมันจำเป็นในการเข้าใจการทำงานของเจ้านี่)

Compton Scattering

ปรากฏการณ์ Compton Scattering คืออะไร ถ้าอ่านตามลิงค์ที่ให้ไว้ล่ะ มึนตึ๊บ ขอแปลแบบบ้านๆก็แล้วกัน

ถ้ามีโฟตอน (พลังงานแสงที่อยู่ในรูปกลุ่มก้อนตามทฤษฎีของเฮียหัวยุ่งๆนั่นแหละ) ความยาวคลื่นหนึ่งวิ่งไปชนอิเลคตรอน (ที่กำลังวิ่งวนรอบๆอะตอมอยู่ดีๆของมัน เหมือนดาวเทียมโคจรรอบโลก) มันจะทำให้อิเลคตรอนตกใจ เอ๊ย เพิ่มพลังงาน กระโดดขึ้นมาอยู่ในวงโคจรถัดไปซึ่งเป็นที่อยู่ (วงโคจร) ของอิเลคตรอนที่มีพลังงานสูงขึ้นอีกระดับ (ตามทฤษฎีอะตอมยุคบุกเบิกของเฮียบอร์)

อิเลคตรอนที่ถูกเพิ่มพลังงานนี้จะอยู่ในวงโคจรนั้นได้ไม่นาน ไม่เสถียร เพราะไม่ใช่ที่ของมัน มันไม่มีพลังงานพอที่จะอยู่ตรงนั้นได้อย่างถาวร ที่มาอยู่ตรงนั้นได้ชั่วคราวก็เพราะได้รับพลังงานจากโฟตอนที่มาชน

ดังนั้นเมื่อเวลาผ่านไป (ก็เสี้ยววววววววินาทีแหละในโลกควอนตัม) อิเลคตรอนตัวนี้ก็คายพลังงานออกมาในรูปของโฟตอนอีกความยาวคลื่นหนึ่ง แล้วก็ร่วงปุ๊ลงมาอยู่ที่วงโคจรเดิมของมัน

ถ้าเราสามารถวัดโฟตอนคลื่นความถี่ที่เปลี่ยนไปที่ปล่อยออกมาเนื่องจากปรากฎการณ์นี้ได้แล้วล่ะก็ เราก็สามารถรู้ว่ามีอิเลคตรอนอยู่เท่าไร จริงไหม

แล้วจะรู้ไปทำพรือ …

ก็เพราะในธรรมชาติ และ พิสูจน์ได้ทางวิทยาศาสตร์ ความหนาแน่นอิเลคตรอน มันสัมพันธ์ (แต่ไม่ได้เท่ากัน หรือ แปรผันตรงกันนะ) ความหนาแน่นของสสารนั้นๆนะซิ ถ้าเราวัดความหนาแน่นของอิเลคตรอนได้ เราก็จะหาความหนาแน่นของสสารนั้นๆได้

นี่คือที่มาหลักการของเครื่องมือชิ้นนี้

แหล่ง (source) ของโฟตอนที่เราใช้นั้นก็คือ Cs-137 เป็นกัมตภาพรังสีชนิดที่แรงเอาเรื่อง (เมื่ออยู่ในอากาศ) ยิงโฟตอนเข้าไปในชั้นหิน แล้วก็มีเครื่องวัดโฟตอนสองตัว ระยะห่างจากแหล่งโฟตอนต่างกันเล็กน้อย ก็เพื่อชดเชยความผิดพลาดจากการวัด หลักการเดียวกับ Neutron tool ที่กล่าวในตอนที่แล้ว

เนื่องจากพลังงานของโฟตอนที่เราใช้ไม่ได้มากมายอะไร พูดง่ายๆ แรงน้อย (เมื่อเทียบกับชั้นหินและอะไรต่อมิอะไรในหลุม) ดังนั้น อะไรที่มาขวางระหว่างมันกับชั้นหิน ก็จะมีผลทำให้การวัดเพี้ยนไป อะไรที่มาขวางมันก็เช่น ผงหิน (barite) ในน้ำโคลนหนักๆ และ ระยะห่างจากแหล่งกับชั้นหิน นั่นหมายถึงถ้าผนังหลุมตะปุ่มตะป่ำ ไม่เรียบเนียน แล้วล่ะก็ มันวัดเพี้ยน แน่ๆ นั่นคือข้อจำกัดมากๆอย่างหนึ่ง แต่ก็ได้มีการพยายามที่จะหาตัวปรับแต่งค่า (correction factor) เพื่อการนี้ ก็ได้ผลดีในระดับหนึ่ง

เนื่องจากอะไรที่มาขวางทางโฟตอนจะมีผลต่อการวัดอย่างที่ว่ามาแล้ว ดังนั้น การออกแบบเครื่องมือจึงต้องให้แนบชิดสนิทใกล้กับชั้นหินที่สุด จึงต้องมีก้านสปริงอยู่ด้านหลัง ดันชุดเครื่องมือวัดให้ติดเสียดสีถูไปกับชั้นหิน ผลพลอยได้อีกอย่างหนึ่งของเครื่องมือนี้ก็คือ วัดเส้นผ่าศูนย์กลางหลุมได้ด้วย ก็วัดจากขาสปริงที่มันกางออกนั่นแหละ

แต่ผลพร้อยได้ที่ไม่พึ่งประสงค์ของเจ้าขาสปริงที่เด้งดึ๊งยืนออะมาคือ มันทำให้มีความเสี่ยงสูงที่ครื่องมือจะติดขัดอยู่ในหลุม โดยเฉพาะตอนขาลง ลองนึกภาพเอา กำลังหย่อนลงดีๆ เกิดขาสปริงกางออกมาล่ะก็ดูไม่จืด …

แล้วรู้ความหนาแน่นชั้นหิน แล้วไง เราอยากรู้ปริมาณรูพรุนไม่ใช่เหรอ

รื้อควอนตัมฟิสิกส์ไปแล้ว มารื้อคณิตศาสตร์ม.3 กันหน่อย

สมมติว่าผมมีหินอยู่ก้อนหนึ่ง ผมรู้ว่า เนื้อหินชนิดนี้มีความหนาแน่นเท่าไร ในหินมีช่องว่างปริมาตรหนึ่งที่ผมไม่รู้ว่ามีปริมาตรขนาดไหน แต่ผมรู้ว่าในช่องว่างนั้นมีของเหลวอยู่เต็ม และ ผมก็รู้ความหนาแน่นของของเหลวนั่นเสียด้วย

งั้นผมก็สามารถคำนวนง่ายๆเลย หาความหนาแน่นเฉลี่ยของหินก้อนนี้ (ที่รวมช่องว่างที่มีของเหลวอยู่) ได้จริงไหม

ความหนาแน่นเฉลี่ย = %ปริมาตรช่องว่าง x ความหนาแน่นของเหลว + (1 – %ปริมาตรช่องว่าง) x ความหนาแน่นเนื้อหิน

มันก็ค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักดีๆนี่เอง (weighted average) ถ้าอยากรู้ % ปริมาณช่องว่าง (ก็คือความพรุนนั่นแหละ) ก็แก้สมการกลับเอา

จะเห็นว่าสมการแรกก็คือสมการที่ผมเขียนเป็นภาษาไทยนั่นแหละ พอแก้กลับมา ให้ % ความพรุนมาอยู่ซ้ายมือ มันเขียนยาก ผมก็ก๊อปเอามาวางดีกว่า 555

เป็นไงล่ะ เราก็รู้่ความพรุนจากความหนาแน่นจนได้ แต่ แต่ แต่ 3 แต่เลย ทำไมๆ ความหนาแน่นเฉลี่ยนั้น เครื่องมือเราวัดมาให้ได้ แต่เราต้องรู้ ความหนาแน่นของเนื้อหินเปล่าๆนั่น กับเราต้องรู้ความหนาแน่นของของเหลวในรูพรุนนั่นเสียก่อน จริงไหม เราจะรู้ความหนาแน่นของอะไร แปลว่าเราต้องรู้ก่อนว่า อะไรนั่นมันคืออะไร 555 งงๆกันไป

หมายถึงเราต้องรู้ว่านั่นมันหินทราย หินปูน หินอะไร ของเหลวนั่นเป็นน้ำ น้ำมัน ก๊าซ สัดส่วนอะไรยังไงเท่าไร ถึงจะไปเปิดตารางธาตุ ตารางของเหลว เอามาใส่ในสมการได้

แล้วเราจะรู้ได้ไง ก็รู้ได้จากเพื่อนนักธรณี กับ นักธรณีฟิสิกส์ ของเราซิครับ เขามีวิธีเสกมาให้เราได้แบบมีหลักกการ

ต่อมา เรามาพูดถึง lithology กันบ้าง ว่าเครื่องมือนี้มันบอก ชนิดของหินได้ไง

Cs-137 ให้ โฟตอนออกมาหลายๆระดับพลังงาน ระดับพลังงานปานกลางก็จะทำให้เกิดปรากฏการ compton scattering อย่างที่อธิบายไปแล้ว ส่วนโฟตอนพลังงานต่ำลงมา จะทำให้เกิดปรากฏการณ์ Photoelectric effect แล้วมันคืออะไรไอ้ชื่อน่างงๆนี่

พูดภาษาบ้านๆคือโฟตอนวิ่งเข้ามาชนอิเลคตรอนแล้วถ่ายแทนพลังงานทั้งหมดให้อิเลคตรอนตัวนั้น จนทำให้อิเลคตรอนตัวนั้นหลุดออกนอกวงโคจรไปเลย โฟตอนนั่นก็เลยหายไปเลย คือโฟตอนมันเป็นก้อนพลังงานใช่ป่ะ พอมันให้พลังงานมันไปหมดแล้ว มันเลยหายไปเลย คือเหมือนถูกดูfซึมหายไปหมด เราจึงเรียกปรากฏการณ์นี้อีกอย่างว่า Photoelectric absorption

ปรากฏการณ์ที่โฟตอนถูกดูดหายไปเนี้ยมันมีความสัมพันธ์กับเลขอะตอม (atomic number) เอ้า มาอีกแล้ว เลขอะตอมคืออะไร มันคือ จำนวนโปรตอนไง มันเป็นตัวบอกว่าธาตุนั้นคือธาตุอะไร เช่น ไฮโดรเจนมีโปรตอนตัวเดียว เลขอะตอมของไฮโดรเจนจึงเท่ากับ 1

ถ้าเราวัดปรากฏการณ์ photoelectric ได้ เราก็สามารถโยงไปหาเลขอะตอมได้ เราก็เปิดตารางธาตุ โยงไปถึงชนิดของธาตุ ซึ่งก็คือ lithology (ชนิดของหิน) นั่นเอง

โอ้โห … โยงใยกันสุดๆ เหมือน คราว Neutron tool กับ NMR (Nuclear Magnetic Resonance) เลยเนอะ

ยังไม่หมดครับ เครื่องมือวัดความพรุนยังเหลืออีกชนิดหนึ่ง

Sonic Tool

เครื่องมือตัวนี้ก็ตามชื่อเลยครับ มันวัดความเร็วเสียงในชั้นหิน

หลักการเบสิกมากๆ มีแหล่งกำเนิดเสียง มีเครื่องรับ ทำนองไมโครโฟนนั่นแหละ 2 ตัว อยู่ห่างจากแหล่งกำเนิดเสียงต่างกัน อีกแล้ว เกือบทุกเครื่องมือเลย เราต้องมีตัวจับสัญญาน 2 ตัว

sonic tool เราเด็ดสุด มี 2 แหล่ง 4 ตัวจับเสียง เพื่อชดเชยเวลาเครื่องมือมันถูกลากถูลู่ถูกกังขึ้นมา การวัดจะได้แม่นยำไง

ในงานของเรา แทนที่จะวัดความเร็วเสียง เรากลับวัดความช้าของเสียง (slowness) ซึ่งก็คือเวลาที่เสียงใช้เดินทางในระยะทาง 1 ฟุตนั่นเอง เรามักจะย่อว่า TT มีหน่วยเป็น วินาทีต่อ 1 ฟุต จะเห็นว่าการคำนวนในรูป จะช่วยชดเชยการที่เครื่องมือมันเอียง ดีกว่าที่จะมีแค่แหล่งเสียงเดียว และ ตัวรับตัวเดียวหรือ 2 ตัว

เจ้าเครื่องมือนี้มีลักษณะภายนอกที่เฉพาะตัวมากๆ พูดง่ายๆคือ มองจากแท่นขุดลงไปในเรือ (supply boat) ก็รู้ว่าคนที่ฝั่งส่งเครื่องมือนี้มาให้หรือเปล่า

ที่หน้าตามันแบบนี้ก็เพราะว่า เสียงจะได้เดินทางผ่านตัวเครื่องมือได้ช้ากว่าที่จะเดินทางเข้าไปในชั้นหินไงครับ ถ้ารูปร่างปกติๆธรรมดาๆ เสียงย่อมเดินทางในโลหะได้ดีกว่าในหิน ตัวจับสัญญานก็จะวัดเสียงที่เดินทางผ่านเครื่องมือก่อน ซึ่งเราไม่ต้องการ

แล้วมันจะไปโยงกับความพรุนได้ไง

ก็ตัวอย่างเดิมแหละ

ความช้าเฉลี่ยของเสียงที่ผ่านทั้งก้อน = %ปริมาตรช่องว่าง x ความช้าของเสียงในของเหลว + (1 – %ปริมาตรช่องว่าง) x ความช้าของเสียงในเนื้อหิน

แก้สมการมาก็ได้อย่างข้างล่างนี่แหละ

จะเห็นว่า ข้อจำกัดเดียวกัน คือ ต้องรู้ชนิดของของเหลว และ ชนิดของหิน เช่น ถ้าในช่องว่างมีก๊าซ แล้วเราไม่รู้ว่าเป็นก๊าซ ก็ใช้ค่า tf ผิดอีก ผลก็ไปกันใหญ่

ก่อนจบก็ขอพูดถึงความพรุน 2 แบบหลักๆที่ควรทราบ ถือว่าของแถมก็แล้วกัน จวนจบแล้ว ทนๆหน่อย 🙂

Effective porosity (open porosity)

vs . Ineffective porosity (closed porosity)

ดูรูปเลยครับ Effective porosity จะต่อกัน โยงกัน ของเหลวจะไหลไปมาได้ แต่ Ineffective Porosity จะไม่ต่อกัน ของเหลวอะไรที่อยู่ในนั้นก็ไม่มีโอกาสออกไปไหน ในการผลิตปิโตรเลียม เราไม่สนใจ Ineffective Porosity เพราะมันทำอะไรไม่ได้ ถึงจะมีช่องว่างพรุนแต่น้ำมันก็ไหลออกมาไม่ได้

แล้วมันเกี่ยวอะไรกับเครื่องมือวัดของเรา

Neutron Tool, NMR Tool, Density Tool เจ้า 3 ตัวนี้ มันแยกไม่ออกหรอกครับว่าเป็นรูพรุนแบบไหน นิวตรอนก็ยิงเข้าไป สนามแม่เหล็กก็หว่านเข้าไป โฟตอน ก็ยิงเข้าไป จะไปรู้ได้ไง จริงไหมครับ ไฮเทคกันเหลือเกิ้น

พระเอกเรามาแล้วครับ โลเทคนี่แหละ ใช้สัญญานเสียงเอา

เนื่อจากคลื่อนเสียงจะเดินทางไปในทางที่เร็วที่สุดจริงไหมครับ เวลาเสียงเดินทางมาเจอรูพรุนที่ปิด มันจะต้องวิ่งอ้อมไป หรือวิ่งฝ่าไป แล้วแต่ทางไหนจะเร็วกว่ากัน ทำให้สัญญานเสียงส่วนนี้แพ้ คือวิ่งไปไม่ทันสัญญานเสียงที่(ถูกปล่อยออกจากแหล่งเดียวกันเวลาเดียวกัน) วิ่งผ่านไปทางช่องว่างรูพรุนที่ต่อกัน คืดคลื่นเสียงจะวิ่งฝ่านชั้นหินไปเลย

ดังนั้น ที่ตัวจับวัดเสียง จะได้รับสัญญานเสียงที่วิ่งผ่านช่องทางปกติ (Effective porosity) พอเครื่องวัดจับได้ปุ๊บ มันก็จับเวลาทันที ไม่สนใจสัญญานเสียงอะไรที่มาหลังจากนั้น นั่นคือ เครื่องวัดจะมองเห็นแต่สัญญานเสียงที่วิ่งผ่านช่องทางปกติ (Effective porosity)

แปลบ้านๆคือ sonic tool มันตาบอด มันมองไม่เห็น Ineffective Porosity นั่นคือ ถ้าใส่ค่าอะไรต่อมิอะไรถูกต้อง ค่าความพรุนที่ได้จาก sonic tool จะต่ำกว่า ค่าความพรุนที่ได้จากวิธีอื่น ซึ่งก็เป็นความพรุนที่เราต้องการเอาไปคำนวนต่อ

อย่างไรก็ตาม ทุกเครื่องมือที่วัดความพรุนทั้ง 4 ชนิดที่กล่าวมาแล้ว มีข้อจำกัด มีข้อได้เปรียบ ทุกตัว นั่นทำให้วิศวกรอย่างพวกผม และ นักธรณีฟิสิกส์ มีงานทำ เพราะต้องใช้ความรู้และประสบการณ์เลือกให้เหมาะกับความต้องการใช้งาน เหมาะกับสภาพหลุม สภาพทางธรณี ฯลฯ โดยที่ต้องควักตังค์จ่ายให้น้อยที่สุด

มีราคามากำกับเสมอ เพราะถ้าใช้ฟรี เราก็ใช้มันทั้งหมด 4 ตัวดิ 555 ชีวิตการทำงานจริงมันก็ต่างกับโจทย์แบบฝึกหัดท้ายตำราตรงนี้แหละครับ ตรงที่มีเรื่องเงินๆทองๆมาบีบทางเลือกของเรา

โอ้ย …. มึนไปหรือยัง … เอา พอก็พอ ไปพักกันได้แล้ว 🙂

• Facebook
• Twitter
• Line