ขุดหาน้ำมันกันอย่างไร? ตอน หัวเจาะ

สวัสดีครับ เราจบจากตอนที่แล้วที่การแนะนำประเภทของแท่นขุดเจาะชนิดต่างๆ ที่ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของเป้าใต้พื้นดินพื้นน้ำ ตามที่เพื่อนนักธรณีวิทยากำหนดมาให้ ตอนนี้เราก็จะมาว่ากันต่อหลังจากเลือกประเภทของแท่นได้แล้วเราทำอะไรกัน

ขอแนะนำอุปกรณ์สำคัญมากๆ 2 ชิ้น คือ หัวเจาะ (drill bit) และท่อหรือก้านเจาะ (drill pipe)

หัวเจาะ

หัวเจาะมี 2 แบบใหญ่ๆ แบบแรกเรียกว่า Roller cone bit แบบที่สองเรียกว่า Fixed-cutter bit หรือ PDC (Polycryterized Diamond Compact – พูดง่ายๆคือเพชรเทียมนั่นแหละครับ) ชื่อก็บอกโต้งๆ ว่าแบบแรกใบมีดตัวเจาะหมุนได้ ตัวที่สองใบมีดหมุนไม่ได้ (จริงๆหน้าตาไม่เหมือนใบมีด แต่ขอแปลอย่างนี้ไปก่อน เพื่อความเข้าใจแบบง่ายๆ)

ทั้งสองแบบมีที่มาที่ไป ข้อดีข้อด้อย และ การใช้งานที่ต่างกัน ผมจะไม่ลงลึกนะครับ โครงสร้างหัวเจาะคือ ตัวมัน ถ้าไม่ทำด้วยเหล็กก็โลหะผสมหล่อ ข้างในจะกลวงให้น้ำโคลน (mud) ไหลเข้า แล้วไปออกที่รู (ที่ปรับความกว้างได้) ทางปลายหัว รูที่ว่านั่น ไม่มีชื่อเรียกแปลเป็นภาษาไทย ภาษาอังกฤษเราเรียกว่า nozzle ที่ถ้าจะดันทุรังแปลกัน น่าจะแปลว่ารูจมูกมังครับ

• Roller cone bit

นี่ครับแอนิเมชันจำลองการทำงานของเจ้าหัวเจาะแบบ roller cone bit หรือบางที่เรียกว่า Tri-cone bit เนื่องจากมันมี 3 cone ปุ่มๆ นั่นทำด้วย Tungsten carbine นะครับ ขนาดและรูปทรงแตกต่างกันตามการใช้งาน พอตัวมันหมุน เจ้า 3 cone มันก็หมุนขบกันตามไป ด้วยอัตราส่วนรอบที่ผมลืมไปแล้วว่าคำนวนยังไง

แอนิเมชันการทำงานของหัวเจาะชนิด Roller cone

• Fixed-cutter bit

และนี่ครับ แบบ Fixed-cutter bit หรือ PDC (Polycryterized Diamond Compact) หน้าตาคล้ายๆ มะเฟืองเนอะ ผมเรียกมันว่าหัวมะเฟือง จำนวนกลีบ (blade) และ ใบมีด (cutter) ก็ว่ากันตามการใช้งานนะครับ พอแค่นี้ก็แล้วกันสำหรับหัวเจาะ อยู่กันมาเป็นสิบปี ผมยังรู้จักไม่หมดเลย ไว้ตอนหน้าจะพูดถึงกลศาสตร์แบบต่างๆ ของหัวเจาะพวกนี้ครับ ตอนนี้ดูแต่รูปไปก่อนนะครับ

ก้านเจาะ

อุปกรณ์ไฮเทคชิ้นต่อมาเรียกว่าท่อเจาะ หรือ ก้านเจาะ (drill pipe) มันก็คือท่อเหล็กดีๆ นี่เอง ด้านหนึ่งเป็นตัวผู้ อีกด้านหนึ่งเป็นตัวเมีย ขนาดท่อก็แตกต่างกันไปตามการใช้งาน ส่วนใหญ่ก็ 3.5 นิ้ว 4 นิ้ว หรือ  5 นิ้ว ท่อนละประมาณ 10 เมตร หนึ่งท่อ เรียกว่า 1 ซิงเกิ้ล (single – ไม่ใช่ที่แปลว่าแผ่นเสียงหรือแปลว่าโสดนะครับ) จับ 3 ท่อ ขันเกลียวตัวผู้เข้ากับตัวเมีย (เอาด้านตัวผู้ปักหัวลง เอาด้านตัวเมียหงายขึ้น) เรียก 3 ท่อที่ต่อกันเรียบร้อยแล้วว่า 1 แสตน (stand) จับตั้งขึ้น เอาด้านตัวผู้ทิ่มลงบนพื้นแล้วพิงไว้กับโครงปั่นจั่น (derrick)

นี่ไงครับ รูปท่อเจาะ หรือ ก้านเจาะ (ผมขอเรียกว่าก้านเจาะ จากนี้ไปนะครับ)

นี่ครับ จับต่อเป็นสแตนแล้วตั้งพิงแบบนี้

แล้วเวลาจะเอามันลงหลุมก็ต่อกันแบบนี้ (คลิปประมาณ 5 นาทีเศษ) ผมมักจะตอบน้องๆ ว่า ไปหาประสบการณ์โดยเริ่มจากศูนย์ ก็งานประเภทนี้แหละครับ จริงๆ นี่ยังไม่ศูนย์เท่าไร เพราะหลายปีอยู่ กว่าเขาจะให้มาต่อท่อแบบที่เห็นในคลิป ก่อนหน้านั้นเป็นลูกมือ จัดของ ล้างแท่น ซ่อมปั๊ม อะไรไปโน่นก่อน

เสร็จแล้วเราก็เอาหัวเจาะมาต่อกับก้านเจาะ เราเรียกชุดที่ต่อแล้วว่า Drill string (แปลเป็นไทยให้สื่อความหมายไม่ได้จริงๆ ครับ จะแปลว่า “เส้นขุด” ก็จั๊กกะจี้) ปั๊มน้ำโคลนลงไปผ่านทางก้านขุดไปออกทางรูจมูก (nozzle) ของหัวขุด ปั่นหมุนก้านขุดที่ปลายด้านบนแท่น เอามาต่อกันที่ละแสตน บรรจงหย่อนมันลงไปบนขุดชั้นหิน

น้ำหนักที่กดลงบนหัวเจาะ (Weight On Bit หรือ WOB) = น้ำหนักของ drill string ในน้ำโคลน “ก่อน” หัวเจาะแตะชั้นหิน – น้ำหนักของ drill string “ขณะ” หัวเจาะแตะชั้นหิน

สมการซับซ้อนมากเลยใช่ไหมครับ พูดง่ายๆ ก็คือน้ำหนักส่วนที่หายไปนั่นแหละครับ ดูรูปด้านล่างประกอบ ภาพซ้าย ไม่ต้องสนใจตรงที่เขียนว่า drill collar นะครับ คิดซะว่ามันเป็นส่วนหนึ่งของก้านเจาะ ส่วนปลายสุดเป็นหัวเจาะครับ ภาพขวาจะเห็นชัดขึ้นครับว่าตรงปลายสุดมันเป็นยังไง

การคำนวนที่ต้องรู้

เอาล่ะครับ ดูรูปมาเยอะแล้ว มาเข้าทฤษฎีกันหน่อยดีไหมครับ เดี๋ยวจะมีแต่น้ำไม่มีเนื้อ

พลังงานที่เราใช้เจาะเนื้อหิน = [แรงบิด (Torque) x ความเร็วรอบของก้านเจาะ (RPM) ทั้งสองอย่างวัดที่บนแท่นนะครับ ไม่ได้วัดที่หัวขุด] – ความสูญเสียเชิงกลทั้งหมดในระบบ

แล้วเราควบคุมอะไรได้บ้างล่ะเนี่ย

1. อย่างแรกล่ะ RPM ถ้าปั่นก้านเจาะเร็ว ค่า RPM ก็มาก
2. อย่างต่อมา เราจะควบคุมแรงบิดได้ไง เราทำโดยตรงไม่ได้ครับ ทำได้ทางอ้อม (ทำนองว่าไม่ได้ด้วยเล่ห์ ก็เอาด้วยกล ไม่ได้ด้วยมนต์ก็เอาด้วยคาถา) ทางอ้อมที่ว่าคือ WOB (น้ำหนักที่เราปล่อยให้กดลงบนหัวเจาะ) ครับ ก็ง่ายๆ หย่อนน้ำหนักลงไปมาก WOB ก็มาก แรงบิดก็สูง แต่หย่อนน้ำหนักมากไป ก้านเจาะก็งอพับไปพับมา (buckle) ขุดไม่ได้อีก
3. อัตราการไหลของน้ำโคลน (flow rate) จะมากจะน้อยเท่าไร ขึ้นกับหลายปัจจัยมากๆ ส่วนความดัน (pressure) เป็นผลของอัตราการไหล กับ ความต้านทานการไหลในระบบ

ตกลงที่เราบังคับควบคุมได้มี 3 อย่าง WOB, RPM, Flow rate

WOB + RPM ทำให้เกิด Torque

Flow rate + ความต้านทานการไหลในระบบ (บางอย่างเราคุมได้ บางอย่างคุมไม่ได้) ทำให้เกิด ความดันที่ก้านเจาะด้านบน (Surface Stand Pipe Pressure)

ถ้าให้ WOB (น้ำหนักที่เราปล่อยให้กดลงบนหัวเจาะ) เท่ากัน บนชั้นหินเหมือนกัน หัวเจาะแต่ละประเภท (roller cone หรือ PDC) ก็ให้แรงบิดที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับการออกแบบและธรรมชาติของหัวเจาะแต่ล่ะประเภท ซึ่งไม่ขอลงลึก เดี๋ยวจะงงกันไปใหญ่

โครงสร้างของหลุมเจาะ

เอาล่ะ รู้จักหัวเจาะ ก้านเจาะ และ กลไกการขุดขั้นพื้นฐานแล้ว ต่อไปเรามาดูการขุดเจาะจริงๆ ว่ามี สถาปัตยกกรรมของหลุม (well architecture) เป็นอย่างไร

สถาปัตยกกรรมของหลุมมีได้หลายแบบมากๆ เหมือนใครสักคนจะบอกว่าสถาปัตยกรรมของบ้านเป็นอย่างไร มันก็ยากที่จะพูดให้คลุมให้หมดจด เพราะบ้านมันมีหลายแบบ ตั้งแต่ บ้านเดี่ยวไม่มีเล่าเต๊ง (ชั้นเดียว) ไปยัน ทาว์นเฮาส์ โฮมออฟฟิต ดอนโด ตึกสำนักงาน ผมคงอธิบาย สถาปัตยกกรรมของหลุม ได้ไม่ครบถ้วนหมดจดเช่นกัน แต่จะยกตัวอย่างแค่แบบเดียว พอให้เห็นภาพคร่าวๆพอ (เหมือนกับบอกว่า บ้านเดี่ยวชั้นเดียวหน้าตาเป็นไง ยังงั้นล่ะครับ)

ขนาดของหลุม = ขนาดของหัวเจาะ (จะบอกทำไมเนี่ย ใครๆ ก็รู้) ขนาดของหัวเจาะมาตราฐานโดยทั่วไปมีตั้งแต่ 5 7/8 นิ้ว 6 1/8 นิ้ว  8.5 นิ้ว  12.25 นิ้ว  17.5 นิ้ว  26 นิ้ว ขนาดอื่นก็มีนะครับ ไม่ได้มีแค่นี้

เราจะเจาะด้วยขนาดใหญ่ก่อน แล้วค่อยๆ ลดขนาดลง ดังรูปด้านขวา ส่วนจะเริ่มที่ขนาดไหน ไปจบลงที่ขนาดไหน เป็นทั้งศาสตร์ ศิลป์ ประสบการณ์ และ กึ๋น โดยทั่วไปเราจะเริ่มที่ขนาดที่เล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และไปจบที่ขนาดที่ใหญ่ที่สุดเท่านี่เป็นไปได้ งงไหมล่ะครับ

เหตุผลง่ายๆ คือ หลุมยิ่งใหญ่ ค่าใช้จ่ายในการเจาะต่อหนึ่งหน่วยความยาวหลุมยิ่งมาก ($/m) แต่ที่ตอนจบต้องการใหญ่ที่สุด นั่นเป็นเพราะ ยิ่งใหญ่ ยิ่งดี มีทางให้น้ำมันหรือก๊าซไหลได้เยอะ และยิ่งใหญ่ ขนาดความหลากหลายเครื่องไม้เครื่องมือที่จะหย่อนลงไปทำงาน (ในหลุมช่วงสุดท้าย) ก็มากขึ้น ถ้าขนาดของหลุมเล็กก็จะมีข้อจำกัดเรื่องขนาดของเครื่องไม้เครื่องมือเหล่านี้ (well intervention) และอีกเหตุผลหนึ่งคือ ถ้าหลุมมันป่วยมันเสีย ไม่ผลิต หรือผลิตน้อยลงกว่าที่คาดไว้ เราสามารถที่จะเจาะต่อไป (extend) หรือเจาะแถ (side track) จากช่วงนั้นได้เลย ในขณะที่ถ้าหลุมช่วง สุดท้ายเล็กเกินไปเราทำอย่างนั้นไม่ได้ ต้องทิ้งหลุม ไปหาที่เจาะใหม่ เพราะเล็กกว่านี้ก็ไม่มีหัวเจาะอีกต่อไปแล้ว

ดังนั้นโดยปกติเราจะออกแบบกันเหนียวไว้ 1 ขนาดเสมอ เช่น ถ้าเราจะจบที่ขนาดหลุม 6.125 นิ้ว เป็นขนาดสุดท้าย ตอนเราออกแบบเราก็จะออกแบบไว้ให้ขนาดสุดท้ายเป็น 8.5 นิ้ว เพราะถ้าเกิดอะไรขึ้นจริงๆ เราก็ยังใช้หัวเจาะที่มีขนาดเล็กกว่านี้เจาะลงต่อไปได้ แต่ถ้าเราออกแบบไว้เป็น 6.125 นิ้ว แล้วเกิดอะไรขึ้น ก็จะใช้หัวเจาะขนาดเล็กกว่านี้เจาะไม่ได้ เพราะสุดท้ายจะไม่ได้หลุมตามขนาดของท่อผลิต (production tubing) ที่ออกแบบไว้ อาจจะต้องนับหนึ่งจ่ายตังค์เจาะหลุมใหม่กัน

ขนาดหัวเจาะนั้นสำคัญ

คืออย่างนี้ครับ ดูภาพด้านขวาประกอบ

ถ้าวิศวกรแหล่งผลิต (reservoir engineer) คำนวนแล้วบอกว่า ให้ใช้ท่อผลิต (production tubing) ได้ขนาดเล็กที่สุดคือ 3 1/2  นิ้ว นั่นแปลว่าขนาด ท่อกรุ (casing) ที่ใช้ครอบท่อผลิตเพื่อเพิ่มความแข็งแรงต้องมีขนาดใหญ่กว่าอย่างต่ำ 5 นิ้ว เล็กกว่านี้ไม่ได้ ไม่อย่างนั้นจะเอาท่อผลิตใส่ไม่ลง คือมันมีข้อจำกัดทางเทคนิคอื่นด้วย ไม่ใช่แค่เอาตัวเลขมาลบกัน เอ๊ะ 5 นิ้วมากกว่า 3 1/2 นิ้ว นี่ทำไมใส่ไม่ลง คือมันมีเรื่องความหนาของท่ออีก 5 นิ้ว เป็นขนาดภายนอกครับ ขนาดภายในจะเล็กกว่านี้ นอกจากนี้ยังมีเรื่องขนาดช่องว่างระหว่างท่อขั้นต่ำเพื่อความปลอดภัย และ โน้นนี่นั่นอีกมากมาย

ถ้าท่อกรุขั้นต่ำต้องมีขนาด 5 นิ้ว ดังนั้นขนาดหลุม (ซึ่งเท่ากับขนาดหัวเจาะ) ก็ต้องมีขนาดใหญ่กว่าอย่างต่ำ 6.125 นิ้ว นั่นแปลว่า ถ้าเราออกแบบหลุมให้จบที่ 6.125 นิ้ว แล้วขณะขุดเกิดปัญหาขึ้น ก็ต้องเอาหัวเจาะขนาดเล็กกว่า 6.125 นิ้ว ลงไปเจาะ จริงไหมครับ เพราะหลุมเราจะขุดจากปากหลุมใหญ่ไปหาก้นหลุมที่เล็กกว่าปากหลุมเสมอ

พอต้องใช้หัวขุดขนาดที่เล็กกว่า 6.125 นิ้ว ท่อกรุ และ ท่อผลิต ที่ต้องใส่ตามมามันก็ต้องมีขนาดเล็กตามไปด้วย อ้าว พี่วิศวกรแหล่งผลิต ก็บอกว่า รับไม่ได้ หลุมจะผลิตไม่ได้ตามเป้าที่คำนวนไว้ แล้วจะไม่คุ้มทุนตามแบบจำลองทางเศรษฐศาสตร์ (economic model)

นี่แค่กรณีเดียวนะครับ ยังไม่พูดถึงที่ถ้าขุดไปแล้ว ผลิตไปแล้ว วันดีคืนดี อยากจะขุดต่อให้ลึกไปอีกล่ะ หัวเจาะมันก็ต้องเล็กลงอีก ถ้าไม่เผื่อขนาดไว้ วันหน้าถ้าอยากเจาะต่อจะทำไง แต่เรื่องนี้วิศวกรขุดเจาะอย่างผมต้องคุยกับฝั่งนักธรณีวิทยาให้ชัดว่า จะขุดเผื่อขุดต่อไหม (หลุมจะแพงหน่อย) หรือจะเอาแบบจบกันแค่นี้ (ก็จะถูกหน่อย) แต่ส่วนมากก็นะ ตอนแรกบอกไม่ขุดต่อนะ ขอหลุมถูกๆ อีกห้าปีถัดมา ทำการประมวลผลข้อมูลคลื่นไหวสะเทือนใหม่ (seismic reprocessing)  เจอของดี(น้ำมัน) ที่ลึกลงไปอีก หรือมีการคิดแบบจำลองโครงสร้างใต้ดินมาใหม่ ก็เสียดายว่า ทำไมไม่ออกแบบหลุมไว้เผื่อ ทำให้ต้องเสียเงินนับหนึ่งขุดหลุมใหม่

เห็นไหมครับ ว่ามันเกี่ยวพันยุ่งกันไปหมด

ดังนั้น โดยมากพวกผมจะเผื่อขนาดหัวเจาะไว้ 1 ไซด์ เหมือนซื้อรองเท้าหรือเสื้อเผื่อตัวใหญ่ไว้ก่อนน่ะครับ เช่นในตัวอย่างนี้ ผมก็จะออกแบบหลุมให้จบที่ 8 1/2 นิ้ว ใส่ท่อกรุ 7 นิ้ว แต่ ใส่ท่อผลิต 3 1/2 นิ้ว ตามเดิม ดังนั้น ถ้าระหว่างขุดด้วยหัวเจาะขนาด 8 1/2 นิ้ว แล้วผมเจอปัญหา ผมยังจะใช้หัวเจาะขนาดเล็กเจาะไปต่อได้ โดยที่ตอนจบของหลุม ผมยังใส่ท่อผลิตขนาด 3 1/2 นิ้ว ตามที่วิศวกรแหล่งผลิตกำหนดได้

ทวนความรู้

ทบทวนกันหน่อยว่ามีถึงตรงนี้แล้ว เรารู้อะไรบ้าง เราเริ่มที่เป้าใต้พื้นดิน (subsurface targets) ที่พี่ๆน้องๆ นักธรณีให้มา เรารู้จักแท่นเจาะแบบต่างๆ รู้จักหัวเจาะ ก้านเจาะ กลศาสตร์การเจาะแบบน้ำจิ้มๆ ติดปลายนวมนิดๆ หน่อยๆ แล้วมาจบตอนที่สถาปัตยกกรรมของหลุมแบบพื้นๆ ว่าถึงตอนหลุมเสร็จหน้าตาหลุมมันจะเป็นอย่างไร แต่ไม่โลดโผน ถึงขั้นเป็นหลุมเอียง (deviated well) เจาะแนวนอน (horizontal well) หรือ เจาะกันแบบแตกปลายหลายหลุมย่อย (multilateral well)

ยังครับ ซีรี่ส์นี้ยังไม่จบง่ายๆ ครับ … (โปรดติดตามตอนต่อไป) ตอนนี้ขอจบไว้ตรงนี้ก่อนครับ …