ขุดหาน้ำมันกันอย่างไร? ตอน ทิศทางหลุม

มาต่อตอนที่ 4 ของ ซี่รี่ส์ความรู้ชุดการขุดเจาะน้ำกันนะครับ เราไล่กันมาเรื่องตั้งแต่การเลือกแท่นประเภทต่างๆ ในตอนที่ 1 มาจนถึงเสร็จเป็นหลุม ในตอนที่ 3 ส่งให้แผนกดูแลหลุม รับช่วงดูแลต่อให้ใช้งานได้ตามอายุไข จริงๆ แล้วมีรายละเอียดและเทคนิคมากมายนับไม่ถ้วน ไม่สามารถนำมาเล่าได้หมดจริงๆ เอาว่าเล่าเท่าที่สามารถก็แล้วกัน อย่างน้อยก็ทำให้พวกเราได้เห็นภาพกว้างๆ คร่าวๆ ว่ากว่าจะมาเป็นหลุมก๊าซ หลุมน้ำมันเนี่ย มันมีขั้นตอนอย่างไร

ตอนที่ 4 นี้จะเรียกว่าภาคผนวกก็ไม่ผิดนัก เพราะจะคุยเรื่องการขุดแบบมีทิศทางหรือที่เรียกว่า Directional drilling

การเอียงหลุมเจาะ ขึ้นและลง

เคยสงสัยไหมว่าจะขุดให้หลุมมันไปในทิศทางที่ต้องการ อย่างงัดปลายหลุมให้เสยขึ้น กดปลายหลุมให้ดิ่งลง หรือเลี้ยวซ้ายเลี้ยวขวาลงไปใต้ดิน 3-4 กิโลเมตร หรือกระทั่งขุดให้หลุมมันนอนไปตามแนวขนานกับพื้นโลก พวกเราทำกันมันขึ้นมาได้ยังไง มาดูเฉลยกันกันดีไหม แล้วจะถึงบางอ้อว่าทำไมมันง่ายอย่างงี้

เริ่มจากวิธีแบบง่ายๆ ก่อนอื่นต้องมาแนะนำให้รู้จักสิ่งที่เรียกว่า Drilling stabilizer หรือตัวกันไม่ให้ก้านเจาะสั่น เสียก่อน มีหน้าตามันเป็นอย่างงี้ครับ

เราเอามันไปติดเข้าไปตามตำแหน่งต่างๆ ของก้านเจาะเท่านั้นก็หมดเรื่อง ฟังแล้วงงเนอะ แต่ถ้าดูรูปแล้วจะร้องอ๋อ แต่ไม่ใช่ว่า อยากจะติดตำแหน่งไหนก็ได้นะครับ เป็นทั้งศาสตร์และศิลป์ครับ

ถ้าอยากให้หัวเจาะมันกดลงก็ใส่ stabilizer ให้มันสูงๆ คือติดให้อยู่ไกลๆ จากหัวเจาะ ด้วยแรงโน้มถ่วงของโลกมันจะดึงให้หัวเจาะเข้ามาอยู่ในแนวดิ่งโดยธรรมชาติ อย่างนี้ภาษาเราเรียก drop (inclination) assembly อย่างไรก็ตามหลักการนี้ขึ้นอยู่ความปัจจัยหลายอย่าง เช่น น้ำหนักที่หัวเจาะ ความแข็งอ่อนของก้านเจาะ และตำแหน่งการสัมผัสของก้านเจาะและผนังหลุม ดังตัวอย่างจากภาพประกอบ

ถ้าอยากให้หัวเจาะมันงัดขึ้นก็ใส่ stabilizer อีกตัว แล้วให้ก้านเจาะระหว่าง stabilizer สองตัวนั้นมันห้อยท้องช้างเพราะแรงโน้มถ่วง พอก้านเจาะตรงกลางมันห้อย ปลายด้านหัวเจาะก็กระดกงัดขึ้น โดยมี stabilizer ตัวที่อยู่ใกล้หัวเจาะเป็น จุดโมเมนต์ หรือ จุดฟัลครัม อย่างนี้เราเรียกว่า build (inclination) assembly เอาตัวอย่างสัญญลักษณ์มาให้ดูก่อนจะได้ไม่งง

จะเห็นว่าการวางตำแหน่ง stabilizer รูปแบบต่างๆ ใช้หลัก คานงัดคาดดีด ของคุณปู่อาร์คิมิดิส (คนเดียวกับที่ร้อง “ยูเรก้า” ในอ่างอาบน้ำน่ะแหละ) เมื่อหลายพันปีมาแล้ว

ก็เอามาให้ดูเป็นออเดิร์ฟนิดๆ หน่อยๆ ครับ จะเลือกแบบไหน เป็นทั้งศาสตร์ ศิลป์ ประสบการณ์ โหง้วเฮ้ง (ของวิศวกรขุดเจาะ) และ ฮวงจุ้ย (ของตำแหน่งแท่น) ที่ผมล้อเล่นว่ามันเป็นศิลป์ด้วยก็ตรงนี้แหละครับ บางที ทำเหมือนกัน ได้ผลให้ปลายหลุมกดลง หรือ ผงกหัวขึ้น ได้ไม่เท่ากัน หรือ อาจจะตรงกันข้ามกับที่คิดก็ได้ เพราะมีปัจจัยภายนอกที่ควบคุมไม่ได้อีกหลายอย่าง เช่น ทิศทางแนวความเค้น ความเครียด ของชั้นหินที่เรากำลังขุด

อย่าลืมว่าในชั้นหินมีแรงกระทำ ที่มีทั้งขนาดและทิศทางของมันอยู่อย่างนั้นมาเป็นล้านๆ ปี วันดีคืนดี มีอะไรทำให้ชั้นหินมันหายไป แรงที่กระทำก็พยายามที่จะผลักชั้นหินรอบๆ ข้างให้กลับสู่สภาพสมดุล การเปลี่ยนแปลงแรงดันในชั้นหินก็อาจจะบังคับให้หัวเจาะเบนไปนอกเส้นทางได้

ซึ่งตรงนี้แหละ จะมีผลต่อทิศทางของหลุมที่เราเจาะ เพราะแรงและทิศทางในชั้นหินมันมากมายกว่าที่กลไกลการจัดวาง stabilizer นั้นจะเอาชนะได้ หรือบางที เอาชนะได้ ขุดได้หลุม แต่หลุมอยู่ได้ไม่นาน ถล่มลงมา เนื่องจากแรงในชั้นหินที่พยายามจะกลับเข้าสู่สมดุล แต่เราก็มี “ทางกัน” และ “ทางแก้” ซึ่ง ขอไม่ลงละเอียดนะครับ จะหนักวิชาการมากไปหน่อย

การบังคับหลุมเจาะ ซ้ายและขวา

เทคนิคที่กล่าวมาแล้วนั้น ก็แค่งัดหัวเจาะขึ้น หรือกดหัวลง แล้วจะให้หัวเจาะเลี้ยวซ้ายเลี้ยวขวาได้ยังไง งานนี้ต้องมีตัวช่วยครับ เรามีอุปกรณ์วิเศษชิ้นนึงเรียกว่า mud motor พูดง่ายๆ คือมันคือ ไฮโดรลิกมอเตอร์ที่ใช้น้ำโคลนเป็นตัวขับข้างใน ทำงานยังไงผมล่ะไว้ไม่อธิบายนะครับ เดี๋ยวจะปวดหัวกันเปล่าๆ แต่บอกใบ้ให้ว่า ใช้หลักการของกังหันทดน้ำแบบเกลียวสกรูของท่านปู่อาร์คิมิดิสเจ้าเก่านั่นแหละครับ ดังภาพแอนิเมชัน

ท่านปู่หมุนเกลียวแล้วทดน้ำ แต่ถ้าทำกลับกันปั๊มให้น้ำไหล คราวนี้ตัวที่หมุนก็แกนเกลียวสกรูนั่นไงครับ ชิวๆ จากตัวปั๊มน้ำ (เอาพลังงานกลเคลื่อนที่ของเหลว) ก็กลายเป็นมอเตอร์ (เอาการเคลื่อนที่ของเหลวเปลี่ยนเป็นพลังงานกล) ลักษณะภายในมอเตอร์ดูได้จากคลิปด้านล่างนี้

http://youtu.be/mpXHEPm2G1s

มอเตอร์ตัวนี้จะติดอยู่ที่ปลายก้านเจาะ โดยมีหัวเจาะติดอยู่ที่ปลายมอเตอร์อีกที เหนือมอเตอร์ที่ว่านี้เราก็มีก้านเจาะที่เราจงใจทำให้มันงอนิดๆ อยู่ก้านหนึ่งที่เราเรียกว่า bend sub งงเลยไหมครับ คืองี้ มันก็มีก้านเจาะ – bend sub – มอเตอร์ – หัวเจาะ ดูจากรูปแล้วจะถึงบางอ้อครับ

เวลาจะเลี้ยวซ้ายขวากี่องศา ก็ขยับหมุนก้านให้ไปหยุดในตำแหน่งที่ bend sub ชี้ให้มอเตอร์และหัวเจาะไปทางทิศนั้น แล้วหยุดหมุนก้านเจาะจากข้างบน แล้วค่อยๆหย่อนก้านเจาะลงให้หัวเจาะสัมผัสพื้นหลุม เพื่อให้ได้ เกิดน้ำหนักบนหัวเจาะ (WOB) แล้วก็ปั๊มน้ำโคลนอย่างเดียว เพื่อให้มอเตอร์หมุนปั่นหัวเจาะ หัวเจาะก็หมุนด้วยพลังงานของมอเตอร์ อันเนื่องมาจากการไหลของน้ำโคลนผ่านภายในตัวมัน

ง่ายดีไหมครับ พอได้ทิศทางที่ต้องการ ก็จะไปตรงๆ ล่ะ คราวนี้ก็หมุนก้านเจาะจากข้างบนพร้อมปั๊มน้ำโคลน หินจะเห็นว่าหัวเจาะหมุนด้วยอัตราการหมุนของก้านเจาะ + อัตราการหมุนมอเตอร์ เหมือนเราวิ่งบนรถไฟนั่นแหละครับ คนบนชานชลาก็เห็นคุณวิ่งด้วยความเร็วของคุณ (เทียบกับรถไฟ) + ความเร็วรถไฟ (เทียบกับชานชลา) เป็นไงครับ ไฮเทคสุดๆ เลยไหมครับ

ดูเหมือนจะง่ายใช่ไหมครับ ยังครับ ยังก่อน ใช้มอเตอร์น้ำโคลนน่ะมีข้อจำกัดเยอะ เอาง่ายๆ คือตอนจะเลี้ยวซ้ายเลี้ยวขวาเนี่ย ต้องหยุดหมุนก้านเจาะ นี่แหละมันเสี่ยงตรงนี้ เพราะถ้าหยุดหมุนก้านเจาะนานๆ เพื่อบังคับทิศทางหลุมโดยการให้มอเตอร์ทำงานอย่างเดียวเพื่อชี้หัวเจาะไปในทิศที่ต้องการ ก้านจะโดนดูดติดกับชั้นหินเนื่องจากความดันน้ำโคลนในหลุมมากกว่าความดันของของเหลวในชั้นหิน เราจำเป็นต้องออกแบบการเจาะแบบนั้น ไม่งั้นก็ของเหลวในชั้นหินก็พุ่งสวนขึ้นมาปากหลุม ที่เราเรียกว่า Blowout น่ะครับ

อีกข้อจำกัดนึงก็เนื่องจากมันมี bend sub ติดอยู่ด้วย ลองนึกภาพตอนหมุนก้านเจาะจากข้างบนซิครับ ปลายก้านก็แกว่ง สั่นพั่บๆ ผนังหลุมก็โดนคว้านหลวมโพรกๆ หัวเจาะก็โดนฟาดกระแทกขอบผนังหลุมที่เป็นหิน ซ้ายทีขวาที (จริงๆ มันชนไปรอบๆ เลย) พังกระจุยหมดทั้งผนังหลุมทั้งหัวเจาะ อายุการใช้งานมันก็สั้น ทำให้ต้องถอนก้านขึ้นมาเปลี่ยนหัวเจาะ เสียเวล่ำเวลา และ เวลาเป็นเงินเป็นทอง เนื่องจากค่าเช่าแท่นแพงหูฉี่ นี่แบบน้ำจิ้มๆ นะ ยังมีข้อจำกัดอีกเยอะ เอาแบบที่อธิบายแล้วเห็นได้ชัด 2 ตัวอย่างพอ

ทำไงที่จะหมุนก้านไปด้วย เลี้ยวซ้ายเลี้ยวขวางัดหัวขึ้นกดหัวลงไปด้วย ไม่ต้องพึ่ง bend sub ไม่ต้องพึ่งมอเตอร์

Rotary Steerable System

มาแล้วๆ พระเอกเรามาแล้วครับ เราเรียกว่า RSS หรือ Rotary Steerable System เพิ่งพัฒนามาได้สิบขวบเศษๆ สมัยผมเข้าทำงานใหม่ๆ เมื่อ 26 ปีก่อน มันยังไม่มี เพิ่งมาปฏิสนธิกันเมื่อ จะยี่สิบปีไม่ถึงดีนี่เองครับ หน้าตาตามคลิปด้านล่าง

RSS มี 2 ระบบ คือ Push the bit กับ Point the bit … ตรงนี้อธิบายยากนิดนึงว่ามันทำงานอย่างไร

เอาว่าแบบ Push the bit มันมีกลไกเป็นแป้นเหล็กยื่นออกมาจากก้านขุดตรงส่วนที่ใกล้ๆ หัวเจาะ แล้วผลักด้านข้างของหัวเจาะให้ไปทางทิศใดทิศหนึ่งตลอดเวลาโดยที่ก้านเจาะยังหมุนอยู่ คือมันมีหลายแป้น จะผลัดกันผลักแล้วหดลง ผลักแล้วหด สลับๆ กันไป หัวเจาะมันจึงแถออกไปตามทิศที่ถูกผลักตลอดเวลา ดังคลิปด้านล่าง

ส่วน Point the bit ก็มีกลไกในการบังคับให้โคนหัวเจาะเบี่ยงเบนงอไปทางที่ต้องการ (ลองกำมือแล้วงอบิดข้อมือไปมา โดยนึกว่า กำปั้นเป็นหัวเจาะ และ แขนเป็นก้านเจาะ) นึกถึงข้อเหวี่ยงลูกเบี้ยวในเครื่องยนต์ก็ได้ครับ อะไรประมาณนั้น ตัวอย่างดังคลิปด้านล่าง

เหมือนหลายๆ อย่างในการใช้งานอุปกรณ์ทางวิศวกรรม ทั้ง 2 ระบบ Push the bit และ Point the bit มีข้อดีข้อจำกัดต่างกัน เหมาะกับสภาพการใช้งานที่ไม่เหมือนกัน ซึ่งจะไม่ลงลึก เป็นหน้าที่ของวิศวกรขุดเจาะ ต้องเลือกใช้ให้ถูกที่ถูกทาง

ส่งท้าย

สำหรับซีรี่นี้คงพอแค่นี้ดีกว่าครับ น่าจะพอเห็นกันคร่าวๆแล้วว่าเราขุดเปลือกโลกกันยังไง เป็นไงครับ เหมือนหนังเรื่องอามาเกดอนไหมครับ ส่วนเรื่อง BHA (bottom hole assembly) แบบต่างๆ LWD (loggiing wire drilling), MWD (measuring while drilling), PWD (pressure while drilling), pore pressure, formation evaluation, Geo steering, Under balance drilling, Manage pressure drilling และ ฯลฯ ผมว่าออกจากเกินจากจุดประสงค์ของซีรี่นี้ไปหน่อย ไม่ใช่เพราะยาก แต่มันซับซ้อนไปนิด อธิบายกันคงยาว เท่านี้พวกเราก็น่าจะได้เห็นภาพกว้างๆ แล้วล่ะครับ

ก่อนจบ อยากจะบอกว่า …

หางอึ่ง(ของผม) ก็ยังคงเป็นหางอึ่ง ที่สั้นกระจิ๊ดริด แต่ผมก็เต็มใจเอามาแบ่งปันกันนะ เผื่อมันจะเป็นหางอึ่งที่สั้นแค่มีค่าขึ้นมั่ง … ความชื่นชม (หากจะมี) … ขอมอบแด่ครูบาอาจารย์ของผม (รวมถึงหลายๆ ท่านที่ผมแอบลักจำความรู้นำมาใช้ทำมาหารัปทาน) ส่วนที่ปล่อยไก่ หรือ ข้อมูลผิดพลาดประการใด …. อึ่งน้อยตัวนี้ขอน้อมรับไว้แต่ผู้เดียว …

…. จบบริบูรณ์ …