دانلود پایان نامه ارشد : مطالعات آزمایشگاهی شکست سنگ های آهکی توسط لیزر فیبری

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی نفت

گرایش : مهندسی حفاری و بهره برداری

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 شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

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

چکیده:

حفاری چاه های نفت و گاز با استفاده از تکنولوژی لیزری یکی از روش های متعارف در نسل جدید حفاری ها می باشد . با توجه به این که حرارت بالای لیزر باعث ذوب و تبخیر سنگ می گردد، از این رو استفاده از چنین روشی به عنوان دستگاه حفاری سنگ های سخت و محیط های نا همگون نام برده می شود . به علت این که این روش وابسه به مولفه های بسیاری است لذا هر تغییر و جایگزینی در سیستم نیازمند اثبات قوی در این زمینه می باشد . در این تحقیق به بررسی و قابلیت های بکارگیری لیزر فیبری و لیزر کربن دی اکسید در عملیات شکست سنگ آهکی  به صورت آزمایشگاهی وعددی پرداخته شده است. به طوری که در ابتدا 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 است.  در نهایت قابلیت های این دستگاه ها جهت بکارگیری در عملیات شکست سنگ آهکی ارائه شده است. 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 تحقیق     

-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 تحقیق..

3-1- مقدمه. 16

3-2- حفاری لیزری.. 16

3-3- مروری بر کارهای پیشین.. 17

4- روش و مراحل تحقیق

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 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 محققان در دانشکده مهندسی نفت دانشگاه کلورادو انجام گرفت، از سیستم امواج پیوسته با طول موج 8/3 میکرومتر و توان لیزری بین 60000تا 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.

2–  مبانی نظری تحقیق

  • مقدمه

در 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 سنگی

از 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 از

2-2-1-  مفهوم تنش

طبق تعریف تنش مقاومت داخلی واحد سطح جسم با نیروی خارجی است[89, 90, 91]. دو نوع نیروی خارجی ممکن است 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 شود . تغییر شکل بوجود آمده در واحد طول را کرنش گویند . اعمال نیروی خارجی بر یک میله تحت کشش باعث افزایش طول و کاهش قطر آن می شود . اگر پیش از شروع آزمایشات طول اولیه روی میله مشخص شود وپس از اعمال نیروی خارجی نیز این طول اندازه گیری شود مشاهده می شود که طول افزایش یافته است 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 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].

  • تنش کرنش، مهندسی و حقیقی

کرنش مهندسی عبارت است از تغییرات طول به طول اولیه که عبارت است از  

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

  • 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 ۵۰ مگاپاسکال را دارد؛ این در حال است 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 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].

  • مقدمه ای بر علم لیزر

با 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].

  • 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].

  • 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 استفاده می شود 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 شود (  E2 < E1) در بحث فعلی این این دو تراز ممکن است دو تراز منتخب از ترازهای بیشمار ان اتم باشد اکنون فرض می کنیم که اتمی (یا مولکولی) از ماده ابتدا در تراز 2 باشد از انجا که E2 < E1 اتم به فرو افتادن به تراز 1 گرایش پیدا می کند. بنابراین اختلاف انرژی  E2 = E1باید ازاد شود وقتی این اختلاف انرژی به صورت موج الکترومغناطیسی گسیل شود به ان گسیل خود به خود یا تابشی می گویند[62, 69, 78] .

انرژی داخلیE:

فرکانس (بسامد) موج: N

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

  • گسیل القایی

اکنون فرض می کنیم که اتم در ابتدا در تراز دو قرار گرفته باشد و موجی الکترومغناطیسی با فرکانس N که از رابطه (5-2) به دست می اید (یعنی فرکانس موج فرودی برابر با فرکانس گسیل خود به خود است). نظر به اینکه این موج دارای همان فرکانس اتمی است احتمال معینی وجود دارد 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 شود این پدیده گسیل القایی است. در مورد گسیل القایی چون این فرایند با اعمال موج الکترومغناطیسی فرودی صورت می گیرد گسیل هر اتم به صورت هم فاز به موج فرودی افزوده می شود. علاوه بر این موج فرودی هم موج گسیل شده را تعیین می کند[61, 64, 67].

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

  • جذب

اکنون فرض می کنیم که اتم در ابتدا 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 شود اکنون فرض می کنیم که موجی الکترومغناطیسی با فرکانسN  که باز هم از رابطه (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 شود. [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 استفاده می شود که ازآن در حفاری مورد استفاده 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 تحقیق 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 شد 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 ابتدا فقط برای کارهای نظامی به کار برده می شد ولی بعد از مدتی برای مصارف صنعتی  نیز اجازه استفاده داده شد. 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 استفاده شود بسیاری از مسائل  کنترل و  ردیابی  و تکمیل مجدد و مشکلات 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 استفاده  شود طول پالس می تواند تغییر کند و دائما متفاوت  باشد یعنی بین 1تا 30ثانیه مزیت مهم لیزر  در دوام و قابلیت اطمینان  آن است. می تواند انرژی خود را به صورت  مادون قرمز با توان ارسال  بیشتر منتشر کند. یکی از مشکلات آن می توان به دلیل طول موج بالای این لیزر اشاره کرد که در انتقال آن از طریق فیبر نوری قدرت  آن به شدت کم خواهد شد.

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 است. بدست آوردن کمترین طول موج درهنگام کار بسیار مهم است چون تاثیر توزیع سطح به وسیله پلاسمای لیزر و طول موج تسعسع لیزر کاهش خواهد یافت[73].

شکل 3. 2 .  لیزر کربن مونو اکسید[73]

لیزر الکترون آزاد

لیزر الکترون آزاد عملکرد آن با الکترون هایی با انرژی بالا است که فاقد سطوح انرژی گسسته نیز باشند که در نتیجه آن اجازه می دهد در هر طول موجی در حاتموج پیوسته تنظیم شود 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 شود[68].

تعداد صفحه :77

قیمت : 14000تومان

بلافاصله پس از پرداخت ، لینک دانلود پایان نامه به شما نشان داده می شود

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

پشتیبانی سایت :        09199970560        info@arshadha.ir

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.

شماره کارت :  6037997263131360 بانک ملی به نام محمد علی رودسرابی

11

مطالب مشابه را هم ببینید

فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید ! سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های دانشگاهی است. مطالب مشابه را هم ببینید. برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید

1 پاسخ

ترک بک و پینگ بک

بخش دیدگاه ها غیر فعال است.