การขุดเจาะพลังงานความร้อนใต้พิภพ

(Geothermal drilling)

การขุดเจาะพลังงานความร้อนใต้พิภพ (Geothermal drilling) เป็นวิธีการในการนำความร้อนจากแหล่งความร้อนใต้พิภพมาใช้งาน มีวิธีการและระบบในการขุดเจาะดังนี้

1. ระบบการเจาะแบบเกลียว (Auger drilling system)

ระบบการเจาะแบบเกลียวเป็นการเจาะลงไปใต้ผิวดินโดยใช้แรงกดที่หัวเจาะพร้อมกับการหมุน หัวเจาะมีปลายแหลม ก้านเจาะมีลักษณะเป็นใบมีดเกลียวหัวเจาะและก้านเจาะจะหมุน เจาะลงไปในผิวดินโดยใช้แรงหมุนจากคนหรือมอเตอร์ เศษดิน เศษหิน และเศษวัสดุจากการเจาะจะติดในร่องเกลียว และถูกยกขึ้นมาบนผิวดินเพื่อนำเศษวัสดุออก กระบวนการจะเกิดซํ้าจนกระทั่งได้ขนาดและความลึกของหลุมเจาะตามต้องการ หากหลุมเจาะแห้งแข็ง อาจใช้นํ้าช่วยให้พื้นผิวอ่อนตัวและเจาะได้ง่ายขึ้น ระบบการเจาะแบบเกลียวเหมาะกับการเจาะขนาดเล็กที่พื้นผิวไม่แข็งมาก นิยมใช้เจาะเพื่อการก่อสร้าง การทำเหมือง และเก็บตัวอย่างเนื่องจากไม่มีการปนเปื้อนของของเหลวจากการเจาะ

2. ระบบการเจาะแบบหมุน (Rotary drilling system)

ระบบการเจาะแบบหมุนเป็นการเจาะลงไปใต้ผิวดินโดยใช้การหมุน และแรงกดของหัวเจาะ อุปกรณ์ที่ใช้ในการเจาะหลุมประกอบด้วยก้านเจาะแบบกลวง (hollow drill rod) ปลายท่อทั้งสองข้างเป็นเกลียว ก้านเจาะท่อแรกด้านหนึ่งหมุนเกลียวเข้ากับหัวเจาะ (bit) ซึ่งอาจจะเป็นหัวเจาะตัด (cutting bit) หรือหัวเจาะเก็บตัวอย่าง (coring bit) หัวเจาะทำจากเพชร หรือทังสเตนคาร์ไบด์ (tungsten carbide) ด้านบนยึดอยู่กับก้านเจาะนำ (kelly) ขณะเจาะก้านเจาะท่อแรกที่ติดหัวเจาะจะหมุนไปกับหัวเจาะ และกดหัวเจาะในเวลาเดียวกันนํ้าหนักกดทำให้หินหรือดินเม็ดหยาบแตกออก และหัวเจาะจะเบียดเศษหินหรือเศษดินเม็ดหยาบขนาดใหญ่ออกด้านข้างขณะเจาะต้องปั๊มของเหลว เช่น นํ้าหรือโคลนเจาะ (drilling mud) เข้าไปยังก้านเจาะและพ่นออกทางรูที่อยู่บนหัวเจาะของเหลวเหล่านี้นอกจากทำหน้าที่หล่อลื่นและลดความร้อนที่เกิดขึ้นในหัวเจาะจากการเสียดสีกับหินแล้ว ยังช่วยนำเศษดิน
หรือหินขนาดเล็กขึ้นจากหลุมโดยผ่านขึ้นมาตามช่องว่างระหว่างผนังของหลุมสำรวจและก้านเจาะ เมื่อหัวเจาะเจาะลึกลงจนปลายก้านเจาะอยู่ใกล้กับระดับพื้นแท่นเจาะ เกลียวปลายก้านเจาะที่ติดกับท่อนำเจาะจะถูกคลายออก เพื่อนำก้านเจาะอันถัดไปมาหมุนเกลียวต่อกับก้านเจาะอันแรกทำให้ความยาวของก้านเจาะเพิ่มขึ้นทีละท่อจนถึงระดับความลึกที่ต้องการ

                    หัวเก็บตัวอย่าง                      ก้านเจาะพร้อมใช้ แขวนอยู่กับปั้นจั่น                                              หัวเจาะ

หัวเจาะเก็บตัวอย่าง

ก้านเจาะ

3. ระบบการเจาะแบบกระแทก (Percussion drilling system)

ระบบการเจาะแบบกระแทก เป็นการเจาะลงไปใต้ผิวดินโดยใช้แรงกระแทกของหัวเจาะกระแทก (chopping bit) ซึ่งมีขนาดใหญ่และหนัก อุปกรณ์ที่ใช้ในการเจาะประกอบด้วย ปลอกกันดิน (casing) ที่ต้องตอกลงไปในดินก่อน ก้านเจาะ (drill rod) แบบท่อกลวงต่อกับหัวเจาะแบบกระแทกลวดสลิงร้อยเข้ากับหัวเจาะทำหน้าที่ในการยกหัวเจาะขึ้นลง เพื่อกระแทกดิน หิน ให้แตกออก การบิดตัวของลวดสลิงทำให้หัวเจาะหมุน คว้านตำแหน่งที่เจาะเป็นรูกลม เศษหิน เศษดินที่แตกออก จะถูกนำขึ้นมาโดยใช้ลมเป่า (air compressor)หรือปั๊มโคลนเจาะที่มีกำลังพอที่โคลนเจาะจะดึงเศษดินที่ระดับก้นหลุมขึ้นมายังผิวดิน วิธีการเจาะแบบกระแทกเหมาะกับการเจาะหินและดินแข็ง

หัวเจาะกระแทก

ปลอกกันดิน

แท่นเจาะกระแทกแบบเคลื่อนที่ได้ ติดตั้งบนรถบรรทุก

เมื่อเราทราบถึงวิธีการและรูปแบบในการเจาะเพื่อนำความร้อนใต้พิภพมาใช้งานแล้ว คราวนี้มารู้จักกับส่วนหลักอีก 2 ส่วนที่มีความสำคัญในระบบการเจาะ คือ โคลนเจาะ และแท่นเจาะ ดังนี้

1) โคลนเจาะ, ของไหลสำหรับการเจาะ (Drilling mud, drilling fluids)
โคลนเจาะ คือ ของผสมระหว่างโคลนผง สารเพิ่มนํ้าหนัก สารควบคุมคุณสมบัติโคลนเจาะ และตัวทำละลายที่ผสมกันจนมีความหนืดข้นตามต้องการ โคลนเจาะจะถูกสูบอัดลงไปในก้านเจาะ เพื่อทำหน้าที่หล่อลื่นหัวเจาะช่วยไม่ให้หัวเจาะร้อน และไหลเวียนระหว่างก้านเจาะกับผนังหลุมเจาะจากปากหลุมลงไปก้นหลุมอยู่ตลอดเวลา ความหนืดของโคลนเจาะจะยึดเหนี่ยวเศษดินหินให้แขวนลอยอยู่ก่อนที่จะถูกดันขึ้นมาพร้อมกันยังปากหลุม โดยผ่านช่องว่างระหว่างก้านเจาะกับผนังหลุมและช่วยควบคุมการไหลของนํ้ามัน แก๊ส หรือนํ้าใต้พิภพขึ้นสู่ปากหลุม นอกจากนี้นํ้าหนักของโคลนเจาะยังช่วยต้านแรงดันจากชั้นหินในหลุมป้องกันผนังหลุมเจาะพัง ของไหลสำหรับการเจาะแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภท คือ

a)โคลนเจาะที่มีนํ้าเป็นตัวทำละลายหลัก (water base mud)

b)โคลนเจาะที่มีนํ้ามันเป็นตัวทำละลายหลัก (oil base mud) และ

c)โคลนเจาะที่มีเป็นของไหลประเภทแก๊ส/อากาศ (pneumatic) หรือโฟม

การเลือกใช้ของไหลสำหรับการเจาะขึ้นกับวัตถุประสงค์ในการเจาะชนิดของหลุม พื้นที่ และตำแหน่งที่ทำการเจาะ ลักษณะธรณีวิทยาในบริเวณที่ทำการเจาะ สมบัติของชั้นหินที่ต้องเจาะผ่านการวางแผนลงท่อกรุ คุณภาพของนํ้า การกัดกร่อน และผลกระทบสิ่งแวดล้อม

โคลนเจาะโคลนเจาะที่นำเศษหิน ทราย หรือกรวดเข้ามาด้วย

การเคลื่อนที่ของโคลนเจาะ

2) แท่นเจาะ (Drilling rig)
แท่นเจาะ คือ ชุดอุปกรณ์สำหรับเจาะลงไปในเปลือกโลก ทั้งที่เป็นพื้นดินหรือพื้นนํ้า เป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ ประกอบด้วยอุปกรณ์เจาะและอุปกรณ์อื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง หรืออาจเป็นชุดอุปกรณ์ขนาดเล็กที่สามารถเคลื่อนย้ายได้ง่าย แท่นเจาะอาจเป็นหน่วยเคลื่อนที่ที่อุปกรณ์เจาะติดตั้งอยู่บนรถบรรทุก รถพ่วง เรือ หรือเป็นแท่นเจาะที่ติดตั้งถาวรบนบกหรือในทะเล

แท่นเจาะแบ่งตามแหล่งที่ใช้งานได้เป็น 2 ประเภท คือ แท่นเจาะบนบก (onshore) และแท่นเจาะในทะเล (offshore)

วัตถุประสงค์การใช้แท่นเจาะ ได้แก่ใช้สำหรับเจาะบ่อนํ้า บ่อนํ้ามัน บ่อแก๊สธรรมชาติ ใช้ในการเก็บตัวอย่างหิน ดิน แร่ นํ้าใต้ดิน และใช้ติดตั้งสิ่งก่อสร้างใต้พื้นผิวอุปกรณ์ อุโมงค์ แท่นเจาะมีหลายประเภท แต่ส่วนประกอบหลักจะคล้ายกัน ได้แก่

1. ชุดลูกรอกช่วยทดกำลัง (crown block)
2. โครงสร้างหอคอย หรือปั้นจั่น (derrick) ทำจากโลหะ มักมีขายึดติดกับฐาน 4 จุด
3. ชุดลูกรอกเคลื่อนที่ (travelling block)
4. หัวหมุน (swivel) เป็นส่วนรับโคลนเจาะจากท่อตั้งตรง เพื่อส่งให้กับก้านเจาะและหัวเจาะ
5. ท่อยืน (standpipe) สำหรับถ่ายโคลนเจาะ
6. มอเตอร์หมุน (rotary drive) ส่งกำลังงานหมุนให้กับก้านเจาะนำ (Kelly)
7. เครื่องกว้าน (draw works) ใช้ควบคุมการเคลื่อนที่ของระบบรอกและสายสลิง เพื่อดึงท่อเจาะและหัวเจาะขึ้นลง
8. ก้านเจาะนำ (Kelly) เชื่อมต่อมอเตอร์หมุนที่แท่นเข้ากับท่อเจาะ/ท่อนำเจาะเพื่อส่งกำลังหมุนให้กับท่อเจาะ
9. เครื่องยนต์ (engine) ให้กำลังงานแก่มอเตอร์หมุน
10. ชุดอุปกรณ์ป้องกันการพุ่งขึ้นอย่างรุนแรงของนํ้า นํ้ามัน และแก๊สจากหลุม (blowout prevention)
11. ปั๊มโคลนเจาะ (mud pump)
12. ถังโคลนเจาะ (mud pit)
13. ท่อเจาะ/ท่อนำเจาะ (drill pipe) ใช้หมุนหัวเจาะและเป็นช่องใส่โคลนเจาะ เพื่อระบายความร้อนหัวเจาะ
14. ปลอกกันดิน (casing) เป็นท่อเหล็กใส่ในหลุมเจาะ เพื่อป้องกันการพังทลายของผนังหลุมเจาะ ป้องกันโคลนเจาะออกมาด้านนอก ป้องกันของไหลที่ไม่ต้องการเข้ามาในหลุมและช่วยควบคุมความดันของหลุม
15. ปูนซีเมนต์ (cement) เติมในช่องระหว่างหลุมเจาะและท่อกรุ เพื่อยึดท่อกรุให้อยู่กับที่และป้องกันการรั่วระหว่างชั้นหิน
16. หัวเจาะ (drill bit)

องค์ประกอบแท่นขุดเจาะ

                                                                            (a)                                       (b)

(a) แท่นเจาะแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ ประเทศนิวซีแลนด์  (b) แท่นเจาะแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ

แท่นเจาะชนิดต่างๆ ที่ใช้ในทะเล

Bibliography
กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน กระทรวงพลังงาน. พลังงานความร้อนใต้พิภพ (Geothermal Energy). In สารานุกรมพลังงานทดแทน (หน้า. 225, 229, 243).