کلید واژه: حفاری لیزری، لیزر فیبری، لیزر کربن دی اکسید، تنش حرارتی، مخازن دمایی و فشاری فهرست مطالبفهرست جدولها. حفهرست شکلها و نمودارها . ط1- مقدمه 1-1- مقدمه22-مبانی نظری تحقیق-1-2 مقدمه72-2- مفاهیم کلی مکانیک سنگی7 2-2-1- مفهوم تنش72-2-2-مفهوم كرنش7 2-2-3-مدول الاستيسيته82-2-4- تنش – كرنش، مهندسي و حقيقي8 2-2-5-مقاومت فشاری82-2-6- پارامترهاي موثربر روي دياگرام تنش – كرنش82-3- مقدمه ای بر علم لیزر82-3-1- ماهیت نور9 2-3-2- گسیل خود به خودی گسیل القایی و جذب92-3-3- انواع لیزرهای پرکاربرد حرارتی در صنعت حفاری112-4- انرژی ویژه 142-4-1-عوامل موثر بر انرژی ویژه143- ارزیابی پیشینه تحقیق3-1- مقدمه163-2- حفاری لیزری163-3- مروری بر کارهای پیشین174- روش و مراحل تحقیق4-1- تست مقاومت فشاری تک محوری274-2- تست برزیلی274-3- تحلیل اپتیکی سیال نفتی284-4- مسئله کاهش مقاومت سنگ294-5- مسئله تحلیل عمق نفوذ لیزر در نمونه ها454-6- تحلیل شرایط محیطی475- جمع بندی5-1- نتیجهگیری515-2- پیشنهادات53 مراجع 54پیوست 61 فهرست جدولهاجدول 4. 1. خواص مواد سنگ آهک30جدول 4. 2. نتایج آزمایشات تست برزیلی قبل از لیزرکاری32جدول 4. 3. انتقال حرارتی موثر برای دست یابی به میزان تنش حرارتی35جدول 4. 4. کاهش مقاومت نمونه سنگ های آهکی بعد از اعمال لیزر36جدول 4. 5. نرخ نفوذ باقطر باریکه بالا45جدول 4. 6. نرخ نفوذ با قطر باریکه پایین46شکل 2. 1. لیزر هیدروژن فلوراید11شکل 2. 2. لیزر کربن دی اکسید12شکل 2. 3. لیزر کربن مونو اکسید12شکل 2. 4. لیزر الکترون آزاد13شکل 2. 5. لیزر فیبری13شکل 3. 1. نمونه مته حفاری لیزر16شکل 3. 2. سوراخ کاری توسط لیزر در جنس های متفاوت18 شکل 3. 3. نقشه دستگاه لیزر برای استفاده در عملیات حفاری20 شکل 3. 4. تاثیرلیز بر سنگ و اثر خمیر شدگی و ذوب شدگی21 شکل 3. 5. خروج مواد تسعید شده از دهانه سوراخ لیزر21شکل 3. 6. حفر و شکاف در در نمونه سنگ های سخت22شکل 3. 7. ذوب و تبخیر در نمونه سنگ های مورد مطالعه23شکل4. 1. تست فشاری تک محوری28 شکل4. 2. تست برزیلین29شکل 4. 3. یک قطره از نمونه نقت های خام... 29شکل 4. 4. کانتور توضیع دما در جسم31شکل 4. 5. تصاویر نمومنه سنگ های آهکی قبل از تابش لیزر بر سطح............................................. 33 شکل 4. 6. تحلیل میزان ایجاد تنش های حرارتی و انتقال آن ها به مرز ها34شکل 4. 7. سنگ آهک آغشته به نفت38 شکل 4. 8. سنگ ماسه سنگ با لیزر کربن دی اکسید38شکل 4. 9. سنگ شیلی با لیزر فیبری39شکل 4. 10. سنگ آهکی با لیزر فیبری پالسی39شکل 4. 11. سنگ آهکی با لیزر فیبری پر توان پالسی40شکل 4. 12. سنگ آهکی با لیزر فیبری ممتد کم توان41شکل 4. 13. سنگ آهکی با لیزر فیبری ممتد توان متوسط41شکل 4. 14. سنگ آهکی با لیزر فیبری ممتد پر توان42شکل 4. 15. سنگ شیلی با لیزر فیبری ممتد پر توان42شکل 4. 16. سنگ های متفاوت شیلی با لیزر فیبری ممتد پر توان43 شکل 4. 17. سنگ آهکی با لیزر فیبری ممتد پر توان43شکل 4. 18. نمونه سنگ آهکی بعد از برخورد لیزر44شکل 4. 19. تمرکز تنش در راستای محور Y48شکل 4. 20. تمرکز تنش در راستای محور XY48شکل 4. 21. جابجایی در راستای محور X49شکل 4. 22. جابجایی در راستای محور Y49شکل 4. 23. جابجایی در راستای محور X49فصل اولمقدمه امروزه حفاری های نوین و بررسی روش های ممکن برای جایگزینی حفاری دورانی، بحث مورد علاقه بسیاری از سیاست گذاران صنعت نفت و مهندسین حفاری است. روش های متعددی برای جایگزینی حفاری دورانی پیشنهاد شده که از جمله برخی از آن ها که به صورت عملیاتی مورد بهره برداری قرار گرفته می توان به حفاری با بخار آب، حفاری با فشار آب بالا و حفاری با لیزر اشاره نمود. از بین این روش ها، حفاری با لیزر روش قابل قبول تری نسبتت به بقیه روش ها محسوب شده و از طرفی تحقیقات بسیار گسترده ای با آن انجام گرفته است. آزمایش های متعدد ثابت کرده است که با استفاده از تکنولوژی لیزر در حفاری سنگ ها، می توان علاوه بر افزایش سرعت حفاری، زمان و هزینه های حفاری و آلودگی های زیست محیطی را کاهش داد. تحقیقات در زمینه حفاری لیزر در چا های نفت و گاز، از سال 1960 شروع شد. در آزمایشی که توسط محققاندر دانشکده مهندسی نفت دانشگاه کلورادو انجام گرفت، از سیستم امواج پیوسته با طول موج 8/3 میکرومتر و توان لیزری بین 6000 تا 12000 وات استفاده شده است. در طی این آزمایش در مدت زمان 5/4ثانیه تابش لیزر بر روی سطح سنگ، عمق نفوذ حدود 5/2 اینچ گزارش شده است.مولفه های مهم که بر حفاری با لیزر تاثیر می گذارند عبارتند از توان لیزر، طول موج، مکانیسم کاری سیستم ( امواج پیوسته یا امواج ضربه ای)، نوع لیزر و نیمرخ اشعه تابشی. با انتخاب سیستم لیزری مناسب، می توان سرعت حفاری را به میزان قابل توجهی افزایش داد. تاکنون مزایای بسیار زیادی در مورد استفاده از لیزر در حفاری چاه های نفت و گاز گزارش شده است. از جمله این مزایا، ایجاد جداره ی سرامیکی بر روی دیواره چاه حفاری شده به علت ذوب و حفر سریع سنگ کربناته آهکی، کاهش روزهای کاری دکل حفاری و مدت زمان توقف حفاری، ایجاد قطر یکسان از سطح تا ته چاه، کاهش احتمال گیر لوله های حفاری، کاهش چشمگیر هزینه های حفاری، امکان استفاده از لوله های سبک و جایگزینی برخی لوله های سنگین با فیبرهای نوری، کاهش آلودگی های زیست محیطی به علت عدم استفاده از گل های پایه روغنی در طی این عملیات و از طرفی افزایش 10 الی 100 برابری سرعت حفاری می باشد.به طور کلی هدف از انجام این پایان نامه ایجاد شکست بر روی نمونه سنگ های آهکی بر اثر اعمال حرارت بالای لیزر فیبر و کربن دی اکسید می باشد.فصل دوممبانی نظری تحقیق2- مبانی نظری تحقیق2-1- مقدمهدر این پایان نامه هدف آن است که به صورت آزمایشگاهی و مدل سازی بررسی اثرات لیزر بر روی سنگ ها را انجام داده و در نهایت لیزرها را به عنوان یک روش کارآمد در عملیات حفاری امکان سنجی نماییم. از این روی تئوری کلی انجام این پایان نامه در سه قسمت نمایان می باشد. قسمت سنگ شناسی و مکانیک سنگ، قسمت لیزر و اپتیک، قسمت مدل سازی. در ابتدا برای مشخص کردن نمونه سنگ های فراوان در سازندهای نفتی ایران، این سازند ها را دسته بندی و از لحاظ زمین شناسی در منابع عملی و مراجع سازمان زمین شناسی ایران مطالعه می شوند.2- 2- مفاهیم کلی مکانیک سنگیاز این روی در این فصل به توصیف تئوری اصلی مکانیک سنگ این پروژه پرداخته و خواص فیزیکی مکانیکی سنگ ها را ابتدا به صورت کلی و سپس به صورت مشخص برای نمونه های مورد آزمایش بررسی می نماییم. برای توصیف مکانیک سنگ مراجع بسیاری در این راستا موجود می باشد که در این پایان نامه با ذکر منابع تنها به مولفه هایی اشاره می شود که در طی مدل سازی و آزمایش ها استفاده می گردند. این مولفه ها عبارتند از2-2-1- مفهوم تنشطبق تعريف تنش مقاومت داخلي واحد سطح جسم با نيروي خارجي است[89, 90, 91]. دو نوع نيروي خارجي ممكن است بر جسم اثر كند1 – نيروهاي مياني يا پراكنده شده در داخل جسم .2- نيروهاي تماسي يا پراكنده شده در سطح جسم .2-2-2- مفهوم كرنشاعمال نيرو بر يك جسم موجب تغيير شكل آن مي شود . تغيير شكل بوجود آمده در واحد طول را كرنش گويند . اعمال نيروي خارجي بر يك ميله تحت كشش باعث افزايش طول و كاهش قطر آن مي شود . اگر پيش از شروع آزمايشات طول اوليه روي ميله مشخص شود وپس از اعمال نيروي خارجي نيز اين طول اندازه گيري شود مشاهده مي شود كه طول افزايش يافته است كه به آن كرنش گويند [85, 89] . 2-2-3- مدول الاستيسيته مدول یانگ یا مدول الاستیسیته به نسبتت تنش به کرنش مواد جامد خطی در پایین‌تر از استحکام تسلیم گفته می‌شود که در این حالت قانون هوک صادق بوده و مدول الاستیک ثابت است. مدول یانگ سنگ همانند مقاومت با توجه به نرخ بار وارده می تواند از نوع استاتیکی یا دینامیکی باشد[87].2-2-4- تنش – كرنش، مهندسي و حقيقيكرنش مهندسي عبارت است از تغييرات طول به طول اوليه كه عبارت است ازدر نمودارهاي مهندسي با ابعاد اوليه سروكار داريم ودر فرمول تنش ( σ = F/A ) چون نيرو ثابت است و سطح مقطع دائم در حال كم شدن است بنابراين با منطقه گلويي شدن روبرو هستيم. كرنشهاي حقيقي عبارت است از تغييرات طول به تغييرات زمان مورد بحث است . چون با ابعاد اوليه روبرو نيستيم و بصورت لحظه اي آزمايش مي كنيم[87] .2-2-5- مقاومت فشاری عبارت است از ظرفیت تحمل یک جسم در مقابل نیروهای فشاری محوری مستقیم. هنگامی که حد مقاومت فشاری یک ماده فرا می‌رسد، آن ماده منهدم خواهد شد. بتن، ماده‌ای است که دارای مقاومت فشاری بالایی است. برای مثال، بتن به کار رفته در بسیاری از سازه‌های بتنی، توانایی تحمل فشارهای بالای ۵۰مگاپاسکال را دارد؛ این در حال است که مصالح نرمی همچون ماسه‌سنگ‌های نرم، مقاومت فشاری‌ای در حدود ۵یا ۱۰مگاپاسکال دارند [86, 87, 91].2-2-6- پارامترهاي موثربر روي دياگرام تنش – كرنشبا افزايش دما سطح منحني تنش – كرنش و همچنين پير سختي كاهش مي يابد و بطور كلي در دماهاي بالا منحني صاف شده و شكست با افزايش شكل پذيري همراه است. با تغییرات دمایی در سیستم تنش هایی در مرز ناحیه حرارت موثر دیده و ندیده تشکیل می شوند که این تنش های مخرب اعمالی ناشی از انبساط حرارتی را تنش های حرارتی می نمامند[85].2-3- مقدمه ای بر علم لیزربا اختراع لیزر در نیمه دوم قرن بیستم دریچه جدیدی به روی دانشمندان فیزیک اتمی ومولکولی باز شد. بعلاوه این فناوری و کاربردهای ان مورد توجه بسیاری از مهندسین در دنیا قرار گرفته است. تئوری های لازم جهت در ک مفاهیم های فیزیک لیزر قبل از اختراع لیزر درسال 1960 ارائه گردیده بود از ان زمان لیزر با سرعت به طور وسیعی در زمینه کاربرد های جالب فیزیک کوانتومی تا به عنوان یک ابزار مفید مهندسی مورد استفاده قرار گرفته است[59, 60].پژوهش های کاربردی بسیار جدیدی در زمینه های بر هم کنش لیزر با پلاسما طراحی لیزر های با پالسهای بسیار کوتاه و توان های بسیار زیاد و ساخت لیزرهای با طول موج کوتاه به خصوص در دو دهه گذشته توسط فیزیکدانان و محققین سراسر دنیا صورت گرفته است در این پژوهش ها تلاش های زیادی به منظور کوچک نمودن حجم سیستم های لیزری مورد نیاز جهت تولید پلاسما و تابش های X-Ray به عمل امده است بیشتر این سیستم های جدید در حال حاضر در ازمایشگاه های ملی کشور ها مورد استفاده قرار می گیرند که اینده روشنی را نوید می دهند. در این فصل همانگونه که مشاهده خواهید کرد در ابتدا به اصول مبانی و طرز کار لیزر پرداخته شده است. در ادامه انواع لیزر مورد بررسی قرار گرفته است و در پایان کاربرد لیزر در صنایع مختلف شرح داده شده است[57, 62, 84].2-3-1- ماهیت نور واژه لیزر به معنای تقویت نور به وسیله گسیل القایی تابش می باشد. بنابراین پی بردن به چگونگی عمل لیزر ویژگی های تابش لیزرها و کاربردهایش منوط به اگاهی بیشتر از نظریه های حاضر در مورد ماهیت نور است[68, 74, 83]. انیشتین در سال 1905 به سادگی اثر فوتوالکتریک را توضیح دادبدین ترتیب که نور برخورد کننده به سطح فلز را متشکل از بسته های کوچک انرژی با ذراتی به نام فوتون نامید. او گفت انرژی هر متناسب است با فرکانس آن یعنی E = H.N که H ثابت پلانک و N فرکانس نور است. فوتون برخورد کننده می تواند انرژی خود را به یک الکترون بدهد و به طوری که بر نیروی نگهدارنده ان در سطح فلز غلبه کرده و ان را از فلز جدا سازد[80].