بخشی از مقاله
چکیده:
استفاده از سیستم لیزری در صنعت حفاری به جای حفاری دورانی دارای مزایای زیادی است. این مزایا به بسیاری از پارامتر های لیزری و نوع لیزر مورد استفاده بستگی دارد. با ورود سیستم حفاری لیزر به صنعت حفاری چاه های نفت و گاز ، پیشرفت چشمگیرو بسیار وسیعی در این صنعت مشاهده می شود. ورود این سیستم به صنعت حفاری نیازمند انجام آزمایش های متعدد میدانی است ، با توجه به این که بیشتر سازند های حفاری شده در ایران از نوع شیل یا ماسه سنگ است ، می توان نتیجه گرفت که ورود این سیستم به صنعت حفاری انتقلاب بزرگی در این صنعت به وجود خواهد آورد.سرعت حفاری دورانی در مقاطع ابتدای به دلیل سست بودن خاک بیشتر از حفاری لیزری است.در حفاری لیزری می توان با کمک سیال هوا خرده ها و غبار های به وجود آمده را به بیرون چاه هدایت کرد. به دلیل این که این غبار ها با هوا به بیرون هدایت شده اند و برای انتقال این غبار ها از سیال پایه روغنی استفاده نشده است ، آلودگی های زیست محیطی کم تری مشاهده می شود.
کلمات کلیدی: حفاری ، تکنولوژی لیزر ، سرعت حفاری ، آلودگی های زیست محیطی
مقدمه 1
استفاده از تکنولوژی های جدید در صنعت حفاری چاههای نفت وگاز ضروری است. در دهه های اخیر ، صنعت حفاری پیشرفت هایی داشته است که از مهم ترین آن ها میتوان به جایگزینی حفاری دورانی با حفاری کابلی اشاره کرد.در سال های اخیر روش های جدید متعددی در زمینه های حفاری های نوین پیشنهاد شده است. یکی از روش های قابل قبول که نظر بسیاری از مهندسین را به خود جلب کرده حفاری چاههای نفت و گاز با استفاده از تکنولوژی لیزر می باشد هر چند آزمایشات متعددی در این زمینه صورت گرفته ، اما تا کنون این نوع حفاری به صورت میدانی و عملی انجام نشده است ، هر تغییر و جایگزینی نیازمند داده ها و اثبات های قوی است روش های دیگر تحقیقات گسترده ای در رابطه با آن انجام شده است.
آزمایش های متعدد ثابت کرده که با استفاده از تکنولوژی لیزر در حفاری سنگ ها ، می توان علاوه بر افزایش سرعت حفاری ، زمان و هزینه های حفاری و آلودگی زیست محیطی را کاهش داد تحققات در زمینه ی استفاده از تکنولوژی لیزر در حفاری چاههای نفت و گاز از سال 1977 آغاز شده است. اولین آزمایش توسط ارتش آمریکا به عنوان پروژه miracle صورت گرفت این آزمایش نشان داد که با استفاده از لیزر سرعت حفاری 10 تا 100 برابر افزایش می یابد . آزمایش بعدی تووسط نیروی هوایی آمریکا با عنوان coil انجام شد.هدف اصلی آزمایش ها تا کنون انجام شده است دست یابی به بیشترین میزان حفاری سنگ با کمترین توان مورد نیاز لیزر می باشد.بعضی از مشکلاتی که هنگام حفاری با لیزر پدید می آید هنوز به طور عمده قابل چشم پوشی نیستند. از جمله این مشکلات می توان به موار ذیل اشاره کرده:
-1چرخش سیال حفاری حین عملیات حفاری و تاثیر آن بر انرژی منتقل شده به سطح سنگ.
-2انتقال انرژی از منبع لیزر موجود در سطح به عدسی لیزر در ته چاه.
معرفی تکنولوژی
بکار گیری سستم های لیزری پر قدرت در ارتش آمریکا ، محققان را بر آن داشته است تا در زمینه استفتده از این تکنولوژی در اکتشاف و حفاری مخازن نفت و گاز مطلعات وسعی را آغاز کن. اگر این مطلعات به نتیجه ی کامل برسد ، بدون اغراق انقلابی در صنعت نفت و گاز به وقوع پیوسته است. به منظور تحقق این هدف ، موسسه تکنولوژی گاز در آمریکا و آزمایشگاه ملی تکنولوژی انرژی ، وابسته به وزارت انرژی طرحی تحقیقاتی را در دست اجراء دارند که در ادامه فعالیت های تحقیقاتی به عمل آمده در سال 1999 صورت می گیرد در صورت تکمیل مطلعات در حال انجام در آمریکا و میزان پیشرقت و دستاورد های آن ، می تواند اطلاعات ارزشمندی را در اختیار سیاست گذاران و تصمیم گیران صنایع نفت و گاز کشور قرار دهد. در ابتدای قرن بیستم، حفاری دوران جایگزین روش های قدیمی در صنعت نفت و گاز گردید.
گرچه از آن زمان تا کنون پیشرفت های ارزشمندی در این صنعت حاصل گردیده است ، اما به هر حال از روشی مکانیکی بر پایه همان اصول اولیه استفاده می شود. استفاده از لیزر برای ایجاد منافذ در ساختار بستر سنگ ها ، روشی کاملا متفاوت را می طلبد در روش جدید حفاری از اشعه پردازی استفاده می گردد ، در این روش رشته های لیزر روی سطح سنگ تابیده می شود و توسط تعدادی عدسی که در چهت جریان تابش اشعه قرار دارند، کنترل می شود. سرعت حفاری ، 10 الی 100 برابر سریعتر قبل از اینکه در دهه های 80 و 90 میلادی پیشرفت های مهمی در تکنولوژی لیزر به عنوان سلاح دفاعی آمریکا صورت گیرد ، مفهوم حفاری توسط لیزر تنها در تصور مهندسان نفت وجود داشت.
اما هم اکنون محققان معتقدند که تکنولوژی جدید ، توان نفوذ اشعه لیزر در سنگ را با سرعتی معادل 10 الی 100 برابر روش صنعتی متداول ممکن نموده است. این امر باعث کاهش بسیاز زیاد هزینه ها نسبت به روش حفاری مکانیکی خواهد شد. امروزه ، هزینه حفاری یک چاه نفت یا گاز در خشکی حدود پانصد هزار دلار و در دریا حدود چهار نیم میلیون دلار است. هزینه ی انجام شده در حفاری های عمیق تر ، در شرایط ویژه ساختمان بستر به مراتب افزایش می یابد . از طرف دیگر ، افزایش سرعت حفاری باعث کاهش مدت زمان عملیات شده و میزان استفاده از لوازم و دکل حفاری و همچنین هزینه ها را تقلیل می دهد .
همچنین با کاهش زمان ، بازیافت باقیمانده گاز و نفت موجود در مخازن نیز اقتصادی خواهد بود. به عقیده محققان ، اشعه لیزر بدنه سنگ ها راذوب می کند و پوششی سرامیکی در دیواره چاه به وجود می آورد. بدین ترتیب هزینه خرید و نصب casing فولادی حذف می گردد. سیستم های لیزری دارای حسگرهای مختلفی در موضع حفاری هستند که شامل سیستم های تصویری و نمایشگر است که امکان ارتباط با سطح زمین را از طریق کابل های فیبر نوری ممکن می سازد ، اولین مسئله ای که به ذهن اهل فن می رسد ، تخمین انرژی لازم برای تولید اشعه پر انرژی لیزر است که توانایی انجام حفاری را داشته باشد. نتایج طرح تحقیقاتی قبلی که توسط تکنولوژی گاز - GTI - منتشر شده است ، نشان دهنده این امر است که میزان انرژی لازم برای شکستن یا پودر نمودن سنگ بسیار زیاد است .
یکی از مهمترین اهداف تحقیق جدید ، اندازه گیری دقیق تر انرژی مورد نیاز برای انتقال اشعه از سطح زمین به قعر دریا است ؛ بطوریکه همان توان موجود را در عمق 1000 متری زیر زمین نیز تولید کرد. هدف دوم در این مطالعه ، پاسخگویی به این سوال است که: آیا فرستادن امواج لیزر با پالس های سریع میتواند سرعت نفوذ را در سنگ نسبت به حالت تابش پیوسته افزایش می دهد؟ سوال سوم این است که: در حضور سیالات حفاری ، چه میزان انرژی برای نفوذ در سنگ ها مورد نیاز است؟ در اکثر مخازن ، سیالاتی با چگالی زیاد به نام "گل حفاری" تزریق می گردد که وظیفه شستشوی سنگ های خرد شده را بر عهده دارند و از طرف دیگر آب را از سیالات هیدروکربنی با ارزش دور نگاه می دارند ، تلاش محققان در راستای یافتن میزان انرژی لازم برای تبخیر کردن و دور نگاه داشتن این سیالات است.
در مرحاه بعد ، هدف پروژه بررسی راهکار های دیگر برای استفاده از لیزر در حفاری است. به عنوان مثال ، بعد از حفر یک چاه ، حفره هایی در ساختار مخزن ایجاد می شود تا هیدروکربنها به بیرون نفوذ کنند. هدف از این کار بررسی امکان ایجاد این حفره ها توسط لیزر است. دولت فدرال آمریکا مبلغی در حدود پانصد هزار دلار و موسسه تحقیقاتی GTI ، دویست و چهار هزار دلار در این طرح مطلعاتی 3 ساله سرمایه گذاری نموده اند. بر این دانشگاه ها موسسات تحقیقاتی و سرویس های انرژی و نفتی دیگری نیز در این طرح تحقیقاتی مشارکت دارند.
دلایل استفاده از لیزر موسسه GTI ؛ علت استفاده از تکنولوژی لیزر و سرمایه گذاری در این زمینه را این چنین بیان میکند -1: تحقیقات وسیع صورت گرفته توسط ارتش آمریکا در مورد لیزر های پر قدرت ، پنجره هایی از فرصت های فراوان را برای اتفاده از این سرمایه ارزشمند می گشاید و زمینه این تجزیه را در صنایع آمریکا در مقیاس تجاری فراهم میکند.-2 تکنولوژی های کمکی ، مانند فیبر نوری و Tubing coiled به سطحی از پیشرفت رسیده اند که احتمال اقتصاد بودن استفاده از لیزر در حفاری نفت و گاز را افزایش می دهند. این مسئله خود عامل بسیار مهمی در تشویق صاحبان صنایع به سرمایه گذاری در این زمینه است.
مراحل حفاری با لیزر
هنگامی که اشعه های لیزر به سطح سنگ برخورد می کنند سنگ طی مراحل ذیل حفاری می شود: 1 -ایجاد ریز شکستگی - 2 ذوب شدن -3 تبخیر شدن با برخورد به سطح سنگ ممکن است اشعه ها یکی از عکس العمل های ذیل را از برخورد نشان دهند :
-1اشعه ها منعکس شوند
-2 اشعه ها پخش شوند
-3 اشعه ها جذب شوند آرمایش ها نشام داده اند که پرتو های منعکس شده و پراکنده شده نسبت به پرتو های جذب شده اثر کمتری بر سنگ میگذارند. در حقیقتمکانیسمی که باعث خورد شدن و در نهایت و حفاری سنگ میشود مکانیسم جذب اشعه های لیزر است در سنگ هایی که ضریب انتقال گرمایی بالایی دارند اشعه های لیزر میتوانند آب های تجمعی کریستالی به همراه مواد معندنی محلول در سنگ را تبخیر کرده و باعث انبساط سنگ شوند و در نهایت در ساختار سنگ ریز شکستگی هایی به وجود آورند. در انجام آزمایش ها به همره عملیات لیزر از گاز نتیروژن استفاده می شود. از لایل استفاده از گاز نتیروژن میتوان به سوزلندن گاز های خارج شده در حین حفاری سنگ و خارچ کردن غبار های به وجود آمده ، اشاره کرد در حفاری دورانی از سیال حفاری برای انتقال کنده های از انتهای چاه به سطح استفاده می شود.
تحقیقات در زمینه حفاری با لیزر در حضور سیال حفاری ادامه دارد.یکی از پارامتر های حفاری تا کنون کمتر مورد توجه واقع شده پارامتر سرعت حفاری است. سرعت حفاری یکی از عوامل تصلی در حفاری نفت و گار است که بسیار از هزینه ها به بهبود و کنترل آن بستگی دارد.با افزایش سرعت حفاری روز های کاری دکل حفاری نیز کاهش می بابد در این مقاله تا با قایسه نرخ حفاری دورانی با حفری لیزری و با استفاده از داده ها و اطلاعات آزمایش گاهی یک رابطه ی پایدار و قوی بین تکنولوژی لیز با فرآیند حفاری چاهای نفت و گاز ارائه شود.
بحث و روش آزمایش
در آزمایش انجام شده از سه گروه ماشسه سنگ ، سنگ آهک و شیل استفاده شده است هر کدام از این سه گروه شامل سه نوع سنگ با عمق ، میزان تخلخل و اشباع متفاوت بوده است. از هر کدام از این سه گروه ، یک نمونه سنگ با آب اشباع شد تا بتوان مقایسه های دقیقی انجام داد. برای اولین بار در کشور از دستگاه سی تی اسکن به منظور مشاهده تغییرات قبل و بعد عملیات لیزر به منظور مشاهده تغییرات قبل و بعد از عملیات لیزر استفاده شد. دستگاه سی تی اسکن picker 1200 با ولتاز kw 130 و مقدار جریان ma 80 در مدت زمان 2 ثانیه مورد استفاده قرار گرفت. از تمامی 9 نمونه تصویر برداری سی تی اسکن انجام شد و نمونه ها در آزمایشگاه لیزر مورد حفاری قرار گرفت.
سیستم لیزری مورد استفاده در این آزمایش ، دستگاه DC_G_2512 با توان W 70 و مکانیسم کاری امواج پیوسته بود.سیستم لیزر از 100 درصد توان خود استفاده کرده و سرعت پرتو زایی اشعه آن حدود mm/s 10 در این آزمایش برای حفاری از مکانیسم مارپیچی استفاده شد.در این مکانیسم کامل سنگ در مدت 66 ثانیهبه قطر یک سانتی متر حفاری گردید . پس از آن از نمونه ها مجددا تصویر برداری سی تی اسکن صورت گرفت. بعد از انجام آزمایش موارد زیر مورد بررسی قرار گرفت : اثر متقابل سنگ و لیزر ، تاثیر فشار ، اثر اشباع ، مقدار انرژی مخصوص ، نرخ حفاری ، مقایسه نرخ حفاری و انرژی مخصوص برای نمونه های اشباع و غیر اشباع و تاثیر حفاری با لیزر بر هزینه های حفاری B تاثیر حفاری با لیزر بر مدیریت محیط زیست.
نمونه سنگ هایی که در این آزمایش استفاده گردید از سازند هایی استفاده شد. که در هنگام حفاری آن ها بیشترین مواجعه با این نوع سنگ ها است جدول یک مشخصات فیزیکی مانند حجم ، وزن و عمق ، نمونه گیری هر نمونه سنگ نان می دهد. پس از اشباع سنگ ها مشخصات آن ها از جمله تخلخل و وزن اشباع اندازه گیری شد.نتایج این اندازه گیری ها در جدول 2 آمده است.
