دانلود مقاله خردکننده لیزری سنگ برای حفاری چاه های نفتی با فرمت ورد ودر 14 صفحه قابل ویرایش

قسمتی از متن مقاله خردکننده لیزری سنگ برای حفاری چاه های نفتی

چکیده

خرد کننده لیزری سنگ، فرایندی جهت برداشتن سنگ است که در آن از تنش حرارتی ناشی از القای لیزری، برای شکستن سنگ به قطعات کوچک­تر قبل از اینکه ذوب شدن سنگ اتفاق بیفتد استفاده می­شود. قدرت بالای اشعه لیزر در مورد سنگ­ها که اغلب هدایت گرمایی کمی­ دارند، موجب تمرکز منطقه­ای حرارت روی سنگ می­شود و دمای منطقه­ای به صورت لحظه­ای افزایش می­یابد. حداکثر دما باید کمتر از دمای ذوب سنگ باشد که این دما را به وسیله کنترل دقیق پارامترهای لیزر می­توان به دست آورد. نتیجه اینکه تنش حرارتی که در زیر سطح زمین توسط لیزر به سنگ القا می­شود برای خرد شدن سنگ کافی است و این پروسه روی سطح جدید سنگ ادامه می­یابد و از فشار بالای هوای فشرده برای پاکسازی مسیر از تکه­های خرد شده کمک گرفته می­شود. در این مقاله به پارامترهایی که در کارایی خرد کننده­ لیزری اثر می­گذارند پرداخته خواهد شد. همچنین در این مقاله تکنیک­ جدا­سازی چند نقطه­ای پرتو لیزر که برای کارا شدن حفاری چاه­های نفت و گاز با عمق زیاد و قطرهای بزرگ تکامل یافته است گزارش داده خواهد شد.

کلمات کلیدی

خردکننده ­لیزری سنگ، قدرت مخصوص، انرژی مخصوص، نرخ نفوذ

 مقدمه
در اوایل قرن ٢٠ شیوه حفاری سیم بكسلي به حفاری با رشته های لوله های فولادی اضافه گردید و حتی در موارد بسیاری جای آن را اشغال نمود. اما هر دوی این روشها برای حفاری-های نفت و گاز كه از نوع حفاريهای عمیق مي باشد، بسیار وقت گیر و خطرناک و پرهزینه می-باشند [1]. در همین جهت از جت شعله در جدا سازی حرارتی سنگها و همچنین در بررسی امکان سنجی استفاده از جت شعله در حفر تونل در اواخر دهه 60 استفاده میشده [2]. جدا سازی حرارتی جت شعله برای سنگهای خیلی سخت که قابلیت خرد شوندگی بالایی دارند پیشنهاد شد. در اواخر دهه 60 و اوایل دهه 70 برای لیزرها، 100 سطح مختلف توان اعمالی در آزمایشگاه برای تضعیف سنگ وکمک به شکستن مکانیکی آن آزمایش شد. این کار نشان داد که پرتو افکنی لیزر به سنگ به شدت باعث نزول قدرت مکانیکی آن و در جهت افزایش ترکهای ریز و قرار گرفتن نمونه در میدان تنش کششی به وسیله جریان گرما می باشد [3و4]. لیزرهای نوعCO2 با انتقال انرژی از طریق تخلیه الکتریکی میتوانند، با موفقیت برای تضعیف سنگ به وسیله اشعههای غیر متمرکز که باعث ایجاد شکاف یا برش در سنگها به وسیله انرژی بسیار زیاد اشعه میشوند استفاده شود. سپس بلوک کنده شده را میتوان به وسیله ابزار و وسایل مکانیکی به بیرون انتقال داد [5و6]. همچنین محققان اعتقاد دارند که لیزر دارای قدرت نفوذ و سرعتی معادل ١٠ برابر ابزار معمولی حفاری در سنگ ميباشد که در نتیجه آن کاهش عمدهاي در هزینههای حفاری ايجاد ميشود [1]. وقتی یک شکاف به عمق 12mm در نمونه ماسه سنگی بئرا به وسیله ذوب سنگ ایجاد می-شود، سرعت شکاف خوردن 8/2cm/s و انرژی مخصوص 2/16 کیلو ژول بر سانتیمتر مکعب (kJ/cm3) گزارش داده شده است . در مجموع پایین بودن کارآیی، همچنین پایین بودن قدرت کلی خروجی لیزر و همچنین خطرات لیزر برای کارکنان به عنوان معایب و موانع برای درخواست استفاده از لیزر در حفاری سنگ بوده است. در آن زمان تحقیقات در موضوع تاثیرات لیزر بر سنگ فقط در مورد استفاده از انرژی لیزر برای شکستن سنگ به عنوان ابزاری کمکی به وسیلههای مکانیکی در نظر گرفته میشد. در سال 1997 امکان سنجی برای حفاری و همچنین تکامل چاههای نفت و گاز با استفاده از لیزرهای با قدرت بالا شروع شد و به وسیله ارتش ایالات متحده توسعه یافت. تحقیقات اولیه نشان داد که شدت جریان لیزر در صورتی که بیشتر از حد لازم برای خرد کردن سنگ باشد موجب ذوب یا تبخیر کردن هر نوع سنگی میشود که ممکن است در حفاری چاههای نفت و گاز با آن برخورد شود [7و8]. در گذشته از لیزرهای نوعCO2 و pulsed Nd:YAGبرای پیدا کردن بهترین روش کنترل پارامترها استفاده میشد. اینک تئوری انرژی مخصوص - انرژی لازم برای برداشتن یک واحد حجم سنگ - که برای سنگهای مختلف شناخته شد سنجیده خواهد شد. مکانیسم تاثیر متقابل انواع لیزرها بر سنگهای مختلف وقتی که چگالی لیزر- تعداد پرتوهای اشعه لیزر در واحد حجم سنگ مورد برخورد - در امتداد شیار لیزر مداوم کاهش مییابد خود را از صورت تبخیر به ذوب شدن، در مرحله بعد از ذوب به خردشدن وهمچنین از خردشدن به ضعیف شدن نشان می-دهد. آن نمایانگر این موضوع بود که خرد شدن سنگ به علت تنش حرارتی القا شده توسط لیزر است که مکانیسم بسیار کارآمدی است. روش استفاده شده در کندن چاههای کوچک باعث کسب دانش لازم برای حفر یک چاه با قطر بزرگ شد[9].