جستجو در سایت :   

عنوان : مطالعات آزمایشگاهی شکست سنگ های آهکی توسط لیزر فیبری

دانشگاه شهید باهنر کرمان

دانشکده فنی و مهندسی

گروه نفت و گاز

پایان نامه تحصیلی برای دریافت درجه کارشناسی ارشد رشته مهندسی نفت گرایش مهندسی حفاری و بهره برداری

مطالعات آزمایشگاهی شکست سنگ های آهکی توسط لیزر فیبری

استادان راهنما:

دکتر حسین جلالی فر

دکتر عطا اله کوهیان

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)

چکیده:

حفاری چاه های نفت و گاز با بهره گیری از تکنولوژی لیزری یکی از روش های متعارف در نسل جدید حفاری ها می باشد . با در نظر داشتن این که حرارت بالای لیزر باعث ذوب و تبخیر سنگ می گردد، از این رو بهره گیری از چنین روشی به عنوان دستگاه حفاری سنگ های سخت و محیط های نا همگون نام برده می گردد . به علت این که این روش وابسه به مولفه های بسیاری می باشد پس هر تغییر و جایگزینی در سیستم نیازمند اثبات قوی در این زمینه می باشد . در این پژوهش به مطالعه و قابلیت های بکارگیری لیزر فیبری و لیزر کربن دی اکسید در عملیات شکست سنگ آهکی  به صورت آزمایشگاهی وعددی پرداخته شده می باشد. به طوری که در آغاز با ایجاد یک تحلیل ساده عددی معادله انتقال حرارت در جسم را حل کرده و سپس بر اثر شرایط حرارتی موثر عملیات آزمایشگاهی لیزری را انجام می دهیم. از سوی دیگر به تحلیل شکست ها در محیط های متعارف مخزنی و شبیه سازی این شرایط با محیط مخزنی پرداخته شده می باشد.  در نهایت قابلیت های این دستگاه ها جهت بکارگیری در عملیات شکست سنگ آهکی ارائه شده می باشد. نتیجه حاصل شده از این پایان نامه ایجاد شکست های بسیار موثر بر روی نمونه سنگ های آهکی و کاهش مقاومت آن ها می باشد. این شکست در سنگ ها می تواند به عملیات حفاری سرعت بیشتری بدهد.

کلید واژه: حفاری لیزری، لیزر فیبری، لیزر کربن دی اکسید، تنش حرارتی، مخازن دمایی و فشاری

فهرست مطالب

فهرست جدول­ها   ح

فهرست شکل­ها و نمودارها ط 

1- مقدمه 

1-1- مقدمه. 2

2- مبانی نظری پژوهش     

-1-2 مقدمه. 7

2-2- مفاهیم کلی مکانیک سنگی.. 7

 2-2-1- مفهوم تنش…. 7

2-2-2-مفهوم کرنش…. 7

 2-2-3-مدول الاستیسیته. 8

2-2-4- تنش – کرنش، مهندسی و حقیقی.. 8

 2-2-5-مقاومت فشاری.. 8

2-2-6- پارامترهای موثربر روی دیاگرام تنش – کرنش…. 8

2-3-  مقدمه ای بر علم لیزر. 8

2-3-1-  ماهیت نور. 9

 2-3-2- گسیل خود به خودی گسیل القایی و جذب… 9

2-3-3-  انواع لیزرهای پرکاربرد حرارتی در صنعت حفاری.. 11

2-4-  انرژی ویژه   14

2-4-1-  عوامل موثر بر انرژی ویژه. 14

3- ارزیابی پیشینه پژوهش..

3-1- مقدمه. 16

3-2- حفاری لیزری.. 16

3-3- مروری بر کارهای پیشین.. 17

4- روش و مراحل پژوهش

4-1- تست مقاومت فشاری تک محوری.. 27

4-2- تست برزیلی.. 27

4-3- تحلیل اپتیکی سیال نفتی.. 28

4-4- مسئله کاهش مقاومت سنگ…. 29

4-5- مسئله تحلیل عمق نفوذ لیزر در نمونه ها 45

4-6- تحلیل شرایط محیطی.. 47

5- جمع بندی..

5-1- نتیجه­گیری.. 51

5-2- پیشنهادات… 53

 مراجع        54

پیوست        61

مقدمه

امروزه حفاری های جدید و مطالعه روش های ممکن برای جایگزینی حفاری دورانی، بحث مورد علاقه بسیاری از سیاست گذاران صنعت نفت و مهندسین حفاری می باشد. روش های متعددی برای جایگزینی حفاری دورانی پیشنهاد شده که مانند بعضی 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 تصریح 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 می باشد. آزمایش های متعدد ثابت کرده می باشد که با بهره گیری 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 گردید. در آزمایشی که توسط محققان در دانشکده مهندسی نفت دانشگاه کلورادو انجام گرفت، از سیستم امواج پیوسته با طول موج 8/3 میکرومتر و توان لیزری بین 147000تا 14700 وات بهره گیری شده می باشد. در طی این آزمایش در مدت زمان 5/4ثانیه تابش لیزر بر روی سطح سنگ، عمق نفوذ حدود 5/2 اینچ گزارش شده می باشد.

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 اندازه قابل توجهی افزایش داد. تاکنون مزایای بسیار زیادی در مورد بهره گیری از لیزر در حفاری چاه های نفت و گاز گزارش شده می باشد. مانند 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 بهره گیری از لوله های سبک و جایگزینی بعضی لوله های سنگین با فیبرهای نوری، کاهش آلودگی های زیست محیطی به علت عدم بهره گیری از گل های پایه روغنی در طی این عملیات و از طرفی افزایش 10 الی 100 برابری سرعت حفاری می باشد.

به گونه 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.

2–  مبانی نظری پژوهش

  • مقدمه

در این پایان نامه هدف آن می باشد که به صورت آزمایشگاهی و مدل سازی مطالعه 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 آغاز 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 سنگی

از این روی در این فصل به توصیف تئوری اصلی مکانیک سنگ این پروژه پرداخته و خواص فیزیکی مکانیکی سنگ ها را آغاز به صورت کلی و سپس به صورت مشخص برای نمونه های مورد آزمایش مطالعه 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 تصریح می گردد که در طی مدل سازی و آزمایش ها بهره گیری می گردند. این مولفه ها عبارتند از

2-2-1-  مفهوم تنش

طبق تعریف تنش مقاومت داخلی واحد سطح جسم با نیروی خارجی می باشد[89, 90, 91]. دو نوع نیروی خارجی ممکن می باشد بر جسم اثر کند  

1 – نیروهای میانی یا پراکنده شده در داخل جسم .

2- نیروهای تماسی یا پراکنده شده در سطح جسم .

2-2-2- مفهوم کرنش

اعمال نیرو بر یک جسم موجب تغییر شکل آن می گردد . تغییر شکل به وجودآمده در واحد طول را کرنش گویند . اعمال نیروی خارجی بر یک میله تحت کشش باعث افزایش طول و کاهش قطر آن می گردد . اگر پیش از شروع آزمایشات طول اولیه روی میله مشخص گردد وپس از اعمال نیروی خارجی نیز این طول اندازه گیری گردد نظاره می گردد که طول افزایش یافته می باشد که به آن کرنش گویند
[85, 89] .

2-2-3-  مدول الاستیسیته

مدول یانگ  یا مدول الاستیسیته به نسبتت تنش به کرنش مواد جامد خطی در پایین‌تر از استحکام تسلیم گفته می گردد که در این حالت قانون هوک صادق بوده و مدول الاستیک ثابت می باشد. مدول یانگ سنگ همانند مقاومت با در نظر داشتن نرخ بار وارده می تواند از نوع استاتیکی یا دینامیکی باشد[87].

  • تنش کرنش، مهندسی و حقیقی

کرنش مهندسی عبارت می باشد از تغییرات طول به طول اولیه که عبارت می باشد از  

در نمودارهای مهندسی با ابعاد اولیه در گیر آن هستیمودر فرمول تنش ( σ  = F/A  ) زیرا نیرو ثابت می باشد و سطح مقطع دائم در حال کم شدن می باشد پس با منطقه گلویی شدن روبرو هستیم. کرنشهای حقیقی عبارت می باشد از تغییرات طول به تغییرات زمان مورد بحث می باشد . زیرا با ابعاد اولیه روبرو نیستیم و بصورت لحظه ای آزمایش می کنیم[87] .

  • مقاومت فشاری

عبارت می باشد از ظرفیت تحمل یک جسم پیش روی نیروهای فشاری محوری مستقیم. هنگامی که حد مقاومت فشاری یک ماده فرا می‌رسد، آن ماده منهدم خواهد گردید. بتن، ماده‌ای می باشد که دارای مقاومت فشاری بالایی می باشد. برای مثال، بتن به کار رفته در بسیاری از سازه‌های بتنی، توانایی تحمل فشارهای بالای ۵۰ مگاپاسکال را دارد؛ این در حال می باشد که مصالح نرمی همچون ماسه‌سنگ‌های نرم، مقاومت فشاری‌ای در حدود ۵ یا ۱۰ مگاپاسکال دارند [86, 87, 91].

  • پارامترهای موثربر روی دیاگرام تنش کرنش
  • سرعت تغییر فرم
  • خواص مواد
  • عناصر الیاژی
  • دما

با افزایش دما سطح منحنی تنش – کرنش و همچنین پیر سختی کاهش می یابد و بطور کلی در دماهای بالا منحنی صاف شده و شکست با افزایش شکل پذیری همراه می باشد. 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].

  • مقدمه ای بر علم لیزر

با اختراع لیزر در نیمه دوم قرن بیستم دریچه جدیدی به روی دانشمندان فیزیک اتمی ومولکولی باز گردید. بعلاوه این فناوری و کاربردهای ان مورد توجه بسیاری از مهندسین در دنیا قرار گرفته می باشد. 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 گونه وسیعی در زمینه کاربرد های جالب فیزیک کوانتومی تا به عنوان یک ابزار مفید مهندسی مورد بهره گیری قرار گرفته می باشد[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 می باشد در این پژوهش ها کوشش های زیادی به مقصود کوچک کردن حجم سیستم های لیزری مورد نیاز جهت تولید پلاسما و تابش های X-Ray به اقدام امده می باشد بیشتر این سیستم های جدید در حال حاضر در ازمایشگاه های ملی کشور ها مورد بهره گیری قرار می گیرند که اینده روشنی را نوید می دهند. در این فصل همانگونه که نظاره خواهید نمود در آغاز به اصول مبانی و طرز کار لیزر پرداخته شده می باشد. در ادامه انواع لیزر مورد مطالعه قرار گرفته می باشد و در پایان کاربرد لیزر در صنایع مختلف تبیین داده شده می باشد[57, 62, 84].

  • ماهیت نور

واژه لیزر به معنای تقویت نور به وسیله گسیل القایی تابش می باشد. پس پی بردن به چگونگی اقدام لیزر ویژگی های تابش لیزرها و کاربردهایش منوط به اگاهی بیشتر از نظریه های حاضر در مورد ماهیت نور می باشد [68, 74, 83]. انیشتین در سال 1905 به سادگی اثر فوتوالکتریک را تبیین 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 می باشد با فرکانس آن یعنی E = H.N که H ثابت پلانک و N فرکانس نور می باشد. 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].

  • گسیل خود به خودی گسیل القایی و جذب

در لیزر از سه پدیده اساسی که نتیجه بر هم کنش موج الکترومغناطیس ( EM ) با ماده اند بهره گیری می گردد یعنی فرایند های گسیل خود به خود گسیل القایی و جذب[79, 81].

  • گسیل خود به خود

در یک اتم مفروض دو تراز 1و2 با انرژی های E1 و E2 را در نظر گرفته می گردد (  E2 < E1) در بحث فعلی این این دو تراز ممکن می باشد دو تراز منتخب از ترازهای بیشمار ان اتم باشد اکنون فرض می کنیم که اتمی (یا مولکولی) از ماده آغاز در تراز 2 باشد از انجا که E2 < E1 اتم به فرو افتادن به تراز 1 گرایش پیدا می کند. پس اختلاف انرژی  E2 = E1بایستی ازاد گردد وقتی این اختلاف انرژی به صورت موج الکترومغناطیسی گسیل گردد به ان گسیل خود به خود یا تابشی می گویند[62, 69, 78] .

انرژی داخلیE:

فرکانس (بسامد) موج: N

پس گسیل خود به خود با گسیل فوتونی به انرژی  وقتی که اتم از تراز 2 به تراز 1 فرو می افتد مسخص می گردد.

  • گسیل القایی

اکنون فرض می کنیم که اتم در آغاز در تراز دو قرار گرفته باشد و موجی الکترومغناطیسی با فرکانس N که از ارتباط (5-2) به دست می اید (یعنی فرکانس موج فرودی برابر با فرکانس گسیل خود به خود می باشد). نظر به اینکه این موج دارای همان فرکانس اتمی می باشد احتمال معینی هست که این موج اتم را به گذار  وا دارد. در این مورد اختلاف انرژی  ازاد شده به صور موج الکترومغناطیسی به موج فرودی افزوده می گردد این پدیده گسیل القایی می باشد. در مورد گسیل القایی زیرا این فرایند با اعمال موج الکترومغناطیسی فرودی انجام می شود گسیل هر اتم به صورت هم فاز به موج فرودی افزوده می گردد. به علاوه موج فرودی هم موج گسیل شده را تعیین می کند[61, 64, 67].

لیزرهای حرارتی متعددی در صنعت حفاری معادن و مخازن نفتی مورد بهره گیری قرار گرفته اند. این لیزرها دارای ویژگی توان اعمالی بسیار بالا به نمونه های مواد روبروی خویش دارند. تمامی لیزرهای پرتوان بهره گیری شده تا کنون در عرصه حفاری مخازن نفت و گاز به تبیین ذیل می باشند[63].

  • جذب

اکنون فرض می کنیم که اتم در آغاز در تراز 1 قرار گرفته باشد اگر این تراز تراز پایه باشد اتم در این تراز باقی خواهد ماند مگر انکه نیرویی خارجی به ان اعمال گردد اکنون فرض می کنیم که موجی الکترومغناطیسی با فرکانسN  که باز هم از ارتباط (1.1) به دست می اید به ماده برخورد کند در این صورت احتمال معینی وجود خواهد داشت که اتم به تراز 2 برود. اختلاف انرژی مورد احتیاج اتم برای این گذار از انرژی موج الکترومغناطیسی فرودی تامیین می گردد. [65]

  • انواع لیزرهای پرکاربرد حرارتی در صنعت حفاری

لیزر هیدروژنی

لیزر هیدروژن فلوراید ویا لیزر دوتریم فلوراید  که عملکرد آنها در طول موج بین l=2/6-  mM 4/2 می باشد. این لیزر اولین لیزر در کلاس مگاوات بود و لیزری با موج پیوسته  کهدر خارج از شوری ساخته شده بود. از این لیزر برای تاسیسات  و کارهای نظامی بهره گیری می گردد که ازآن در حفاری مورد بهره گیری قرار می گرفت که در این عملیاتپرتو های  تابنده شده نشان داد که سرعت حفاری یا سرعت نفوذ لیزر در سنگ بیشتر از 100برابر سرعت حفاری با روشهای معمولی  حفاری می باشد[71] .

شکل 1. 2 . لیزر هیدروژن فلوراید[71]

  لیزر اکسیژنی

این پژوهش و پژوهش در سال 1977 توسط نیروی هوایی ایالت متحده امریکا در آزمایشگاه مکزیکو اختراع و انجام گردید .از این لیزر برای مقابله و دفاع هواپیماها در نبردهای هوایی طراحی گردید چنانکه زا آن به عنوان لیزر هوابرد که قابلیت ردیابی سلاح های تاکتیکی و نابود کنندگی موشک را داشت یاد می کند . این لیزر در طول موج     mM  l=1/315عملکرد دارد. این لیزر در حالت CW یادر حالت موج پیوسته کار می کند که در آغاز فقط برای کارهای نظامی به کار برده می گردید اما بعد از مدتی برای مصارف صنعتی  نیز اجازه بهره گیری داده گردید. محدوده قدرت  این لیزر در حدود 31 مایل یا 50 کیلومتر  می باشد که ازآن در بوئینگ 474 برای ردیابی از آن استفادهشد. در صورتی که از آن برای حفاری بهره گیری گردد بسیاری از مسائل  کنترل و  ردیابی  و تکمیل مجدد و معضلات حفاری را نخواهیم  داشت[70].

  لیزر کربن دی اکسید   

این لیزر عملکرد آن در طول موج l=10/6mM ودر حالت های پیوسته و پالسی می تواند باشد. قدرت متوسط آن تا بالای  1مگاوات می تواند باشد . هنگامی که در حالت پالسی بهره گیری  گردد طول پالس می تواند تغییر کند و دائما متفاوت  باشد یعنی بین 1تا 30ثانیه مزیت مهم لیزر  در دوام و قابلیت اطمینان  آن می باشد. می تواند انرژی خود را به صورت  مادون قرمز با توان ارسال  بیشتر منتشر کند. یکی از معضلات آن می توان به دلیل طول موج بالای این لیزر تصریح نمود که در انتقال آن از طریق فیبر نوری قدرت  آن به شدت کم خواهد گردید.

شکل 2. 2 . لیزر کربن دی اکسید[69]

لیزر کربن مونو اکسید

عملکرد آن  در طول موج    mM 6-5  =   l می باشد ودر هردو حالت پیوسته و پالسی می تواند  از خود عملکرد نشان دهد . متوسط قدرت دست یافتنی 200 کیلو وات و طول پالس می تواند متفاوت بین 1و 1000 ثانیه  باشد . اولین عملکرد  آن  در دو حالت پیوسته و پالسی در طول موج  l=2/5-4/0mM بوده می باشد. بدست آوردن کمترین طول موج درهنگام کار بسیار مهم می باشد زیرا تاثیر توزیع سطح به وسیله پلاسمای لیزر و طول موج تسعسع لیزر کاهش خواهد پیدا نمود[73].

شکل 3. 2 .  لیزر کربن مونو اکسید[73]

لیزر الکترون آزاد

لیزر الکترون آزاد عملکرد آن با الکترون هایی با انرژی بالا می باشد که فاقد سطوح انرژی گسسته نیز باشند که در نتیجه آن اجازه می دهد در هر طول موجی در حاتموج پیوسته تنظیم گردد که توانایی طول موج تابش لیزر می تواند اجازه بهبود سازی برای تاثیرات مختلفی همچون بازتاب – پراکندگی –جذب – تابش جسم سیاه و گزینش پلاسما را بدهد .دانشمندان انتظار دارند که این لیزر در آینده به لیزر با قدرت تبدیل گردد[68].

تعداد صفحه :77

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   دانلود پایان نامه ارشد : سنتز مشتقات نفتواکسازین ومشتقات سمی کاربازید

قیمت : 14700 تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

پشتیبانی سایت :        ****       serderehi@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

***  **** ***

دسته‌ها: مهندسی شیمی