BHA Bottom Hole Assembly RSS Rotary Steerable System

• Facebook
• Twitter
• Line

BHA Bottom Hole Assembly RSS Rotary Steerable System ก่อนจะมารู้จักเครื่องมืออันซับซ้อนนี้ มีเรื่องเก่าๆที่ต้องอ่านเพื่อทำความเข้าใจการขุดแบบมีทิศทาง (Directional Drilling) กันก่อนนะครับ

ขุดหาน้ำมันกันอย่างไร? ตอน ทิศทางหลุม
Positive Displacement Motor (PDM) หรือ Mud Motor
Measurement While Drilling (MWD) – คืออะไร
เรื่อง bend sub ใน BHA (Bottom Hole Assembly) ตอน Dumb Iron

เอาล่ะ ถ้าอ่านจบกันแล้ว จะได้มาต่อกันโดยไม่ต้องเท้าความกันยาว เพราะ RSS (Rotary Steerable System) เป็นเครื่องมือชนิดหนึ่งที่ใช้ในการขุหลุมแบบมีทิศทาง ไปทางไหนก็ได้ตามใจเรา (ภายใต้ขีดจำกัดหนึ่งๆของเครื่องมือ)

BHA Bottom Hole Assembly RSS

Rotary Steerable System

การขุดหลุมแบบมีทิศทางในแบบเดิมก่อนยุค RSS คือ การใช้ PDM กับ Bend sub (เหมารวมเรียกว่า Steerable Motor) ซึ่งมีข้อจำกัดต่างๆเช่น

1. ผนังหลุมไม่เรียบสม่ำเสมอ เพราะต้องมีการ slide สลับกับ rotate ไปตลอดทางในช่วงที่ทำการเปลี่ยนทิศทาง แปลว่าอะไรครับ แปลว่าเวลาเอาท่อกรุใส่ลงหลุม ก็มีโอกาสจะติดที่ผนังหลุมที่ไม่เรียบขรุขระ ทำให้หย่อนท่อกรุลงหลุมไปได้อย่างยากลำบาก ใช้เวลานาน และ บางทีอาจจะหย่อนลงไปไม่ถึงก้นหลุมตามแผนงาน ทำให้เกิดปัญหาต่างๆตามมามากมาย
2. ถ้าต้องการให้ผนังเรียบลื่นสม่ำเสมอก็ต้องดึงก้านเจาะขึ้นๆลงๆทุกๆช่วงการขุด เช่นทุกๆ 50 เมตร ทำที เพื่อให้ BHA ขัดถูผนังหลุมให้เรียบ ซึ่งทำให้เสียเวลามาก และต้องเปิดหลุมไว้เป็นเวลานาน ชั้นหินอาจจะไม่เสถียร ร่วงหล่นลงมากลบก้านเจาะได้ หรือ ถ้าหลุมมีอุณหภูมิสูง เครื่องไม้เครื่องมือที่อยู่ใน BHA อาจจะเจ๊งได้
3. แม้ว่าความเร็วในการขุดแบบ rotating จะสูง และ ความเร็วในการขุดแบบ slide จะต่ำ แต่เมื่อถัวเฉลี่ยกันแล้ว ความเร็วในการขุดก็ยังต่ำอยู่
4. ในการขุดแบบ slide จะไม่มีการหมุนก้านเจาะ ทำให้มีความเสี่ยงสูงที่ก้านเจาะจะโดนดูดติดกับผนังหลุม (differential sticking) เพราะแรงดันเนื่องจากน้ำหนักน้ำโคลนสูงกว่าความดันของชั้นหิน ก้านเจาะก็แนบอยู่กับผนังหลุม ผนังหลุมก็มรเมือกๆเจลของน้ำโคลนเคลือบอยู่ (เราเรียกว่า mud cake) ทำตัวเหมือนซีลอย่างดี ก้านเจาะก็โดนดูดติดกับผนังหลุมได้ง่าย คราวนี้แหละงานช้างครับ จะดึงก็ดึงไม่ขึ้น จะหย่อนก็หย่อนไม่ลง ถึงเวลาไสยศาสตร์กันล่ะ (เหล้าขาวหัวหมู) 555 🙂

5. เนื่องจากในการขุดแบบ slide จะไม่มีการหมุนก้านเจาะ ทำให้ประสิทธิภาพในการเอาเศษหิน(cutting) ขึ้นไปปากหลุมไม่ดี เศษหินก็จะค้างอยู่ในหลุมเยอะ ต้องเสียเวลาปั๊ม หมุนก้านเจาะ ดึงก้านเจาะขึ้นๆลงๆ ทุกๆช่วงการขุด เช่น ขุดไปได้ 100 เมตร ก็ต้องมาปั๊มมาหมุนก้านกัน 15 นาทีหรือ ครึ่งชม. เพื่อเอาเศษหินที่ข้างอยู่ตอน slide ออกไป ทำให้โดยรวมๆแล้ว เสียเวลาเจาะมากขึ้น และ เพิ่มความเสี่ยงเพราะเปิดหลุมเอาไว้นาน และ ผลของอุณหภูมิต่อเครื่องมือใน BHA (ในกรณีที่หลุมร้อนมากๆ)

ถ้าดื้อดึงไม่ยอมเสียเวลาเอาเศษหินขึ้นไปทิ้งปากหลุม เศษหินก็จะกองๆเพิ่มขึ้นเรื่องๆจนกลบ BHA คราวนี้ก็นะ ก้านเจาะก็จะติด ดึงไม่ขึ้น ปั๊มน้ำโคลนก็ไม่ลง เพราะทางย้อนไหลขึ้นของน้ำโคลน(พื้นที่ระหว่างก้านเจาะและผนังหลุม)โดนเศษหินไปกองๆอัดกันอยู่ (pack off) คราวนี้ก็ได้เวลาไสยศาตร์อีกรอบ 555

6.  ในหารขุดแบบ PDM + bend sub เนี้ย พอหลุมยาวๆลึกๆ จะมีปัญหาที่แรงบิดของ PDM ไม่พอ เพราะแรงบิดแปรผันตามอัตราการไหล เพราะหลุมยิ่งลึกก้านเจาะยิ่งยาวแรงดันน้ำโคลนในก้านเจาะที่ต้องปั๊มที่ปากหลุมยิ่งสูง เพื่อให้ได้อัตราการไหลเท่าเดิมหรือมากขึ้น เพราะต้องการแรงบิดที่เท่าเดิมหรือมากขึ้น ในการเจาะชั้นหินที่แข็งมากขึ้น

อย่าลืมว่าชั้นหินยิ่งลึกยิ่งแข็ง เนื่องจากอายุของชั้นหินเองและแรงกดทับของชั้นหินที่อยู่ข้างบนๆ (overburden pressure) แปลว่าปั๊มน้ำโคลนก็ต้องตัวใหญ่ขึ้น จนถึงจุดที่ไม่มีให้เช่าในท้องตลาด จะสั่งทำมาเฉพาะก็แพงเกิ้น ไม่คุ้ม

7. พอหลุมลึกๆหรือยาวๆ เวลา slide การถ่ายน้ำหนักลงบนหัวเจาะได้ไม่ดี ไม่สม่ำเสมอ เพราะอะไร เพราะเวลา slide เราไม่หมุนก้านเจาะ จำฟิสิกส์ม.ปลายๆได้ไหมว่า แรงเสียดทานสถิตจะมากกว่าแรงเสียดทานจลน์

นั่นแปลว่าน้ำหนักที่ควรจะลงไปที่หัวเจาะเพื่อใช้ในการกัดชั้นหิน โดนแรงเสียดทานระหว่างก้านเจาะ และ BHA  ที่สัมผัสกับผนังหลุม เอาไปหมด

ซึ่งต่างกับตอน rotate ก้านเจาะจะหมุน แรงเสียดทานจลน์ น้อยกว่าแรงเสียดทานสถิต น้ำหนักจึงลงไปที่หัวเจาะได้ดีกว่า พอตอน slide ถ่ายน้ำหนักลงหัวเจาะได้ไม่ดี มันก็เจาะไม่ไป ก็เอวัง จบข่าว

ร่ายมายาวเลย ก็แค่จะบอกว่า ถ้าเราสามารถขุดแบบมีทิศทางได้ โดยไม่ต้องหยุดหมุนก้านเจาะ ก็จะไม่มีปัญหาต่างๆที่ว่ามา อันเป็นที่มาของ RSS

Rotary steerable ชื่อก็บอกอยู่แล้วว่า บังคับทิศทางได้ขณะที่หมุน(ก้านเจาะ)

RSS แบ่งออกเป็นระบบย่อยๆ 2 ระบบ

1. Push the bit (ระบบผลักผนังหลุม ผมตั้งชื่อเองนะครับ ไม่มีในตำราไหน)
2. Point the bit ซึ่งระบบนี้แบ่งออกเป็น 2 ระบบย่อย
   1. Bend shaft (แบบโก่งแกน ผมตั้งชื่อเองอีกนะครับ ไม่มีในตำราไหน)
   2. Gear and Clutch (ผมตั้งชื่อเองอีก 555)

ผมจะไม่ลงรายละเอียดลึกๆนะครับว่าแต่ล่ะระบบมันทำงานอย่างไร แต่จะเล่าให้ฟังถึงแนวคิดและวิธีคร่าวๆก็แล้วกัน

Push the bit

ดั่งเดิมเลยถูกคิดค้นโดน John Barn เจ้าของบริษัทหัวเจาะสัญชาติอังกฤษชื่อ Hycalog ที่ผลิตหัวเจาะประเภท PDC (ปัจจุบันเป็นบ.ลูกของบ.NOV) ต่อมา พี่ใหญ่ SLB ซื้อพิมพ์เขียวมาให้บ. Anadrill (เป็นบ.ลูกของ SLB ในขณะนั้น ซึ่งต่อมาโดนกลืนมาเป็น แผนก D&M – Drilling and Measurement – ของ SLB) พัฒนาต่อ ในชื่อทางการค้าว่า Power Drive

หลักการก็ง่ายๆครับ มีแผ่นโลหะ (pad) 3 แผ่น วางเรียงกันรอบเครื่องมือ แล้วมีระบบไฮดรอลิกส์ผลักแผ่นเหล่านี้ออกตามจังหวะที่กำหนด แผ่นที่ว่าก็จะไปผลัก BHA ออกจากผนังหลุม ทำให้หัวเจาะขุดไปในทิศทางตรงกันข้ามกับแผ่นที่ยืดออกมา

ดูคลิปแล้วจะอ๋อเลยครับ

ถ้าตัดตามขวางมาดูก็จะประมาณนี้ครับ

มี 3 แผ่น (pad) มีลูกสูบดันอยู่ข้างหลัง ลูกสูบถูกปั๊มโดยน้ำมันไฮดรอลิกส์ ปั๊มผลักแผ่นออกเป็นจังหวะๆตามที่ถูกโปรแกรมกำหนด ซึ่งอาจจะกำหนดแบบ real time หรือ แบบโปรแกรมไว้ล่วงหน้าก็ได้

ส่วนที่ amazing น่าทึ่งที่สุดสำหรับผมกับเจ้าระบบนี้คืออะไรรู้ป่ะ

… นึกภาพตามผมนะครับ เครื่องมือนี้มันหมุนรอบแกนของตัวมันตลอดเวลาจริงไหมครับ แล้วระบบมันรู้ได้อย่างไรว่า ทางไหนขึ้น ลง เหนือ ใต้ ออก ตก อืม … น่าคิด

คำตอบคือ ในเครื่องมือนี้มีส่วนหนึ่งที่ถูกออกแบบมาไม่ให้หมุน เป็นระบบที่ยอดมากๆ ใช้มอเตอร์ไฟฟ้าสองตัวหมุนสวนทางกัน ทำให้ชิ้นส่วนนี้อิสระจากการหมุนของก้านเจาะและ BHA (อธิบายยากมากๆครับ) แล้วเอา accelerometer กับ magnetometer ไปติดไว้บนส่วนที่ไม่หมุนนี้ แล้วส่วนนี้แหละ เป็นหัวใจของระบบ เนื่องจากมันไม่หมุนตามการหมุนของก้านเจาะ มันจึงสามารถรู้ ขึ้น ลง เหนือ ใต้ ออก ตก

ข้อจำกัดที่เห็นได้ชัดเจนอย่างหนึ่งของระบบ push the bit นี้ก็คือ ขนาดหลุม เพราะถ้าขนาดหลุมใหญ่เกินกว่าที่ pad จะยืดออกไปผลักชนผนังหลุมได้ ระบบนี้ก็จะไม่ได้ผล แปลว่าอะไรครับ แปลว่า ชั้นหินต้องแข็งและแน่นในระดับหนึ่ง ถึงจะใช้ระบบนี้อย่างได้ผล

เหมือนเราเอามือผลักผนังห้องน่ะครับ ถ้าเราผลักถึง ตัวเราก็จะเซไปในทิศตรงกันข้าว ถ้ามือเราผลักไม่ถึง ไม่ว่าเพราะแขนเราสั้น หรือ เรายืนห่างผนังห้อง ตัวเราก็ไปเซ ระบบนี้มันก็ใช้อารมณ์ประมาณนี้แหละครับ

ระบบนี้มีหลายเจ้านำมาใช้ให้เช่ากัน ที่ดังๆก็มี PowerDrive ของ พี่ใหญ่สีน้ำเงิน SLB กับ น้องรอง Baker สีออกน้ำเงินๆเหมือนกัน ตั้งชื่อว่า AutoTrack แต่ AutoTrack ไม่ได้ใช้ระบบควบคุมที่หยุดนิ่งแบบ PowerDrive ของ AutoTrack ใช้ non rotating sleeve พูดง่ายๆก็คือปลอกแบบมีครีบเกาะจิกกับผนังหลุม เบสิกกว่าเยอะ จนปัญญาหารูปประกอบปลอกที่ว่านี่ไม่ได้จริงๆ

ปัจจุบัน (2019) ก็มีครบทุกเจ้าแล้วครับ halliburton และ Weatherford ก็พัฒนาระบบนี้ออกมาทำตลาดกัน

Point the bit

1. Bend shaft

ง่ายๆเลยครับ ใช้ระบบลูกเบี้ยวธรรมดาๆ หมุนลูกเบี้ยวไปมา พอแกนที่ต่อกับหัวเจาะก็จะโก่งงอ หัวเจาะก็จะชี้ (point) ไปทิศตรงกันข้าม ผมถึงตั้งชื่อว่าระบบโก่งแกน

ดูคลิปครับ จะเข้าใจมากขึ้น

ข้อสังเกตุอย่างหนึ่งของระบบลูกเบี้ยวนี้คือ ….

1. อ้าว … ก็มันเบี้ยวตลอด แล้วถ้าจะเจาะตรงๆจะทำไง ก็ให้ให้มันเบี้ยวไปซ้ายๆขวาๆขึ้นๆลงๆ วนๆไปให้เท่าๆกันดิ 555 แก้ปัญหาง่ายๆนิ แต่ผลข้างเคียงก็คือ หลุมจะขนาดใหญ่กว่าหัวเจาะฯิดหน่อย จริงป่ะ
2. เนื่องจากลูกเบี้ยวมีขนาดความเบี้ยวที่คงที่ (แค่ส่ายๆหมุนๆไปมา) แปลว่า ความโค้งสูงสุดที่เครื่องมือทำได้ถูกกำหนดไว้แล้ว จะให้โค้งน้อยกว่าก็ยาก แต่ก็ทำได้ด้วยการเลื่อนตำแหน่งลูกเบี้ยวให้ใกล้หรือห่างจากหัวเจาะ (มโนเอาก็ได้)

เจ้าของระบบลูกเบี้ยวโก่งแกนนี้คือพี่ใหญ่สีแดง Halliburton ชื่อของระบบที่มีให้เช่าคือ GeoPilot แต่ก็มีบ.เล็กขนาดกลางๆเล็กๆอื่นๆผลิตออกมาให้เช่าใช้บริการกันหลากหลายพอสมควร ก็เหมือนรถยนต์น่ะครับ เทคโนโลยีเดียวกัน มีหลายยี่ห้อ หลายราคา ขึ้นกับคุณภาพ บริการ และ อื่นๆ

ถ้าไม่ใช้ลูกเบี้ยวล่ะ จะ bend shaft หรือจะ โก่งแกน ได้ไง มีอีกวิธีครับ คือใช้ระบบลูกสูบ หรือ hydraulic piston หารูปง่ายๆไม่เจอจริงๆ อารมณ์ประมาณว่า ให้ลูกสูบหลายๆตัวกดแกนที่ต่อกับหัวเจาะให้โก่งงอนั่นแหละครับ

รูปที่พอหาได้ก็ประมาณรูปข้างๆนี่แหละครับ

ดูคลิปครับ จะเข้าใจมากขึ้น

แบบนี้ก็จะทำให้แกนโก่ง แล้วหัวเจาะก็ชี้ไปทิศทางตรงกันข้ามได้เหมือนกัน แต่จะต่างกับระบบลูกเบี้ยวคือ ปรับองศาการโก่งได้ โดยปรับแรงกดของลูกสูบที่กระทำต่อแกน และ สามารถเจาะตรงๆได้โดยไม่ต้องออกแรงกดที่แกน แกนก็จะตรง ระบบลูกสูบโก่งแกนนี้เท่าที่ทราบก็เป็นของ Weatherford ชื่อเครื่องมือที่ทำตลาดคือ Revolution

ระบบ point the bit นี้ จะมีส่วนที่ไม่หมุนอยู่ด้วย แต่ไม่ไฮเทคแบบ push the bit เป็น ปลอกธรรมดาๆที่มีครีบคมๆยึดติดผนังหลุม ที่เรียกว่า non rotating sleeve ไม่ว่าจะแบบลูกเบี้ยวหรือแบบลูกสูบ ก็จะมีส่วนนี้เหมือนกัน ถ้าสังเกตุในคลิปดีๆ จะมีส่วนที่ไม่หมุนอยู่ (ต่างกับแบบ point the bit ที่ทุกอย่างหมุนตามกันไปหมด ยกเว้นส่วนควบคุมที่อยู่ภายในที่ลอยอยู่บนมอเตอร์สองตัวที่หมนสวนทางกัน)

แปลว่าถ้าครีบทื่อ ไม่เกาะติดผนังหลุมให้ non rotating sleeve อยู่กับที่(หรือเคลื่อนที่ช้าๆ) ได้ ระบบก็จะรวนทันที

Point the bit ระบบที่สอง

2. Gear and clutch ผมตั้งชื่อเองนะ คือ ดูๆหลักการแล้วมันประมาณนั้นน่ะครับ

ดูแล้วคล้ายๆกับแบบโก่งก้าน (bend shaft) แต่ใช้วิธีเบี่ยงที่ปลายก้านแทนด้วยระบบเกียร์และครัช (แกนสีทองๆเหนือแกนสีน้ำเงิน รูปบนสุดนะครับ) แกน(สีน้ำเงินในรูปข้างบน)ก็จะโยกไปมา โดยมีตลับลูกปืน (หรือ baring เม็ดๆทีเหลืองในรูปข้างบน) เป็นจุดหมุน หัวเจาะก็จะส่ายไปมาได้

ดูคลิปดีกว่า จะได้เห็นภาพขึ้น

แบบนี้ไม่ต้องมี non rotating sleeve เกาะผนังหลุม แบบ bend shaft เพราะใช้ส่วนหยุดนิ่งแบบของ push the bit ครับ สังเกตุดูในคลิปได้ว่าทุกอย่างหมุนไปหมด เท่าที่ทราบมีพี่ใหญ่สีฟ้า SLB เจ้าเดียวที่ผลิตอะไรไฮเทคแบบนี้ออกมา SLB ตั้งชื่อให้มันว่า PowerDrive Xceed หรือ เรียกสั้นๆว่า Xceed

อ๋อ เจ้า Xceed นี่โดยระบบของมันแล้ว จะคล้ายกับแบบ bend shaft นิดนึงตรงที่ หัวเจาะจะส่ายไปมาตลอด ไม่สามารถอยู่ในสถานะที่ตรงแป๊ะได้ คือมีมุมเบ้จากแกนกลางจัดมาให้มุมหนึง ถ้าอยากให้ขุดตรงๆก็โปรแกรมให้มันส่ายแบบสมมาตรา คือส่ายไปทุกทิศทางเท่าๆกัน ข้อเสียก็คือทำให้หลุมใหญ่กว่าขนาดหัวเจาะนิดหน่อย

แบบ point the bit นี้ สังเกตุดีๆจะเห็นว่า ไม่ขึ้นกับขนาดของหลุมมากนักเมื่อเทียบกับ push the bit ที่ต้องให้แผ่นโลหะ(pad) ผลักผนังหลุม แต่ถึงอย่างนั้นก็ตาม ถ้าหลุมใหญ่เกินขนาดหนึ่ง แบบ point the bit ก็ไม่สามารถทำหลุมโค้งได้ตามความต้องการ เพราะอะไรเหรอครับ

เพราะว่าแบบ point the bit ใช้หลักการกด 3 จุดที่ผนังหลุม ( 3 points of contact) ดูรูปข้างล่างแล้วจะเข้าใจ ลองมโนนิดๆว่า ถ้าหลุมขนาดใหญ่ขึ้นๆ จะเกิดอะไรขึ้น ดูเฉพาะ case 2 (point the bit แบบ ลูกเบี้ยวหรือลูกสูบ) และ 3 (point the bit แบบ gear and clutch) นะครับ

(case 1 คือ push the bit ครับ)

พอมโนได้ไหมครับ ว่าถ้าหลุมใหญ่ขึ้นๆประสิทธิภาพการทำให้โค้งมันจะลดลงตามหลักตรีโกณมิติเลย

แต่ไม่ว่าอย่างไรก็ดีกว่า push the bit ในแง่ของขนาดหลุม เพราะแบบ push the bit ขนาดหลุมใหญ่กว่าระยะยืดของแผ่นโลหะนิดเดียวก็จบข่าวแล้ว

สรุปอีกที

RSS มีสองระบบ และ แยกย่อยได้ตามนี้ (ชื่อภาษาไทยทั้งหมดกับ gear and clutch ผมตั้งเองนะครับ)

1. Push the bit (ระบบผลักผนังหลุม) เช่น PowerDrive ของ SLB หรือ AutoTrack ของ Baker
2. Point the bit ซึ่งระบบนี้แบ่งออกเป็น 2 ระบบย่อย
   1. Bend shaft (แบบโก่งแกน)
      1. แบบลูกเบี้ยว เช่น GeoPilot ของ Halliburton
      2. แบบลูกสูบ เช่น Revolution ของ Weatherford
   2. Gear and Clutch (ผมตั้งชื่อเอง) เช่น PowerDrive Xceed ของ SLB

พอแค่นี้ดีกว่า ชักจะเยอะ ยังมีเรื่องการใช้งานและข้อจำกัดอื่นๆของแบบต่างๆอีกพอสมควร แต่เอาไว้ก่อนดีกว่า เอาแค่หลักการคร่าวๆไปก่อนล่ะกัน รู้มากไปเดี๋ยวมาแย่งงานผม … 🙂

อ่านเพิ่มเติม

https://www.glossary.oilfield.slb.com/en/Terms/r/rotary_steerable_system.aspx

https://en.wikipedia.org/wiki/Rotary_steerable_system

• Facebook
• Twitter
• Line