كاربرد ليزر در مشبك كاري چاه

مقدمه

براي ساليان متمادي است كه صنعت نفت در جستجوي جايگزيني مناسب براي مواد انفجاري مورد استفاده معمول در مشبك كاري كه در ابتدا به عنوان سلاح ضد تانك در جنگ جهاني دوم مورد استفاده قرار مي گرفت، مي باشد. انجام عمليات مشبك كاري با رو شهاي فعلي، علاوه بر خطرات نگهداري، حمل و استفاده از مواد انفجاري بالستيك، آسيب هاي زيادي را به چاه و سازند وارد كرده و براي جبران كاهش تراوايي در اثر فشار بسيار زياد وارد شده در حدود 15 ميليون psi در دهانه تونل، خرد شدن ماتريكس سنگ و باقي ماندن اجسام زايد در محل، انجام دادن عمليات تحريك ضروري مي نمايد. هزينه هاي بسيار بالاي عمليات مشبك كاري با روش هاي فعلي، ريسك هاي مربوط، انتشار گاز هاي سمي حاصل از احتراق ناقص مواد انفجاري و نياز به عمليات تحريك با صرف هزينه هاي زياد، لزوم يافتن راهي جايگزين براي روش هاي فعلي را بيشتر مشخص مي سازد.

ليزر، جايگزيني مناسب

ليزر (Light Amplifications by stimulated Emission of Radiation) اين پرتوي جادويي، سال هاست كه در قسمت هاي متفاوتي از جمله صنايع مختاف، پزشكي و بخش هاي نظامي مورد استفاده قرار مي گيرد. از بين انواع مختاف ليزر، ليزر هاي DLS، DP-YAG، LP-YAG و CO2 در صنايع مختلف از جمله برش كاري، سوراخ كاري و جوش كاري قطعات فلزي، كاربرد گسنرده اي دارند. در سال هاي اخير با معرفي ليزر هاي پر توان فيبري، اين دسته از ليزر ها نيز به دليل عمر بالاي دستگاه، هزينه بسيار پايين نگه داري و قابليت تحريك فوق العاده زياد، به عنوان جايگزيني مناسب براي ليزر هاي فوق مطرح گشته اند. براي انتخاب نوع ليزر مورد استفاده در عمليات مشبك كاري بايد مقايسه اي بين انواع مختلف ليزر هاي مورد استفاده در صنايع صورت گيرد تا بهترين نوع آن براي اين كار انتخاب گردد. جدول (1) مقايسه پارامتر هاي مختلف ليزر هاي كاربردي در صنايع مختلف را نشان ميدهد.

جدول 1- مقايسه پارامتر هاي مختلف ليزر هاي كاربردي در صنايع مختلف

اگر چه ليزرهاي فيبري براي اولين بار در دهه 1960 شاخته شدند، اما در ساليان اخير بود كه شركت هاي سازنده توانستند قدرت خروجي اين ليزرها را تا مقياس كيلووات افزايش دهند.

در يك ليزر فيبري، تابش هاي فوتونيك در يك فيبر سيليكا توسط ديودهاي ويژ هاي ايجاد مي شود كه حاصل آن يك منبع ليزر كارا و پرقدرت همراه با كيفت پرتو عالي مي باشد. ( شكل 1).

شكل 1- نحوه عملكرد يه ليزر فيبري

در سال هاي اخير شركت هاي ماندد SPI، jena، UOM و IPG Photonics توانسته اند ليزر هاي فيبري پر قدرتي را براي مصارف صنعتي توليد نمايند. شكل 2 مقايسهانجام شده بين انواع مختلف ليزرهاي فيبري را نشان ميدهد.

شكل 2- مقايسه بين انواع مختلف ليزر هاي فيبري

از بين ليزر هاي فيبري، Ytterbium به دليل بازده بالاتر و قدرت بيشتر نسبت به ليزر هاي هم كلاس خود، داراي كاربرد بيشتري نسبت به ساير انواع اين سري از ليزر ها مانند Erbium يا Thulium مي باشد. در شكل 3 ساختار داخلي فيبر نوري و اجزاي آن آورده شده است.

شكل 3- ساحتار داخلي فيبري

تكنولوژي ليزر هاي فيبري مزاياي جديدي را نسبت به ساير ليزر هاي صنعتي در احتيار ما قرار مي دهد. بازده بالاي اين ليزر موجب مي شود تا در شرايط يكسان عملياتي، توان الكتريكي كمتري براي توليد قدرت خروجي واحد، نسبت به ليزر هاي معمول YAG مورد نياز باشد. به عنوان مثال براي توليد خروجي يكسان 4 كيلووات، ليزر Nd YAG نيازمند 200 كيلووات و ليزر Ytterbium، 25 كيلووات توان الكتريكي مي باشد كه اين بيانگر كاهش 5/87 درصد در توان ورودي براي توليد خروجي يكسان مي باشد. يكي ديگر از مزاياي قابل توجه ليزر فيبري Ytterbium، عمر بالاي اين ليزر ها در حدود 50000 تا 100000 ساعت مي باشد. علاوه بر آن، اين تكنولوژي نياز به چيلر را محدود و در برخي موارد سيستم خنك سازي را حذف مي نمايد. همچنين، پايداري قدرت خروجي اين سيستم نسبت به ساير ليزر هاي همرده، قابل توجه مي باشد.

با بيان ويژگي هاي فوق و نگاهي به جدول 1 كه مقايسه اي بين انواع مختلف ليزر هاي صنعتي مي باشد، به نطر مي رسد استفاده از YFL ((Ytterbium Fiber laser) با تكنولوژي فعلي بهترين نوع ليزر در مطالعات يافتن جايگزين براي روش هاي فعلي مشبك كاري چاه مي باشد اين در حالي است كه سير پر شتاب تكنولوژي ساخت ليزر هاي فيبري، افزايش قدرت YFL، كوچك تر شدن ابعاد دستگاه هاي توليد و ساخت فيبر هاي بهتر در سال هاي آينده را نويد ميدهد.

نحوه انجام عمليات

در بحث نخوه انجام عمليات دو گزينه به نظر مي رسد. گزينه اول قرار دادن منبعليزر در بالاي چاه و انتقال پرتو ليزر توسط فيبر به محل مورد نظر است. از مزاياي اين رو.ش مي توان به اين نكته اشاره نمود كه در اين شيوه، منبع ليزر كه نسبت به دماهاي بالا و ضربه حساس مي باشد در مكان مناسبي قرار گرفته و مشكلي از اين جهت به وجود نمي آيد. در اين مورد بايد ا دامه مسير توسط فيبر طي شود و براي جلوگيري از اتلاف زياد در طول مسير، ديود هاي انتقال نور در فواصل مشخص در مسير فيبر قرار گيرند. اگر چه مسير توسط ديود ها تقويت مي شود انا به دليل مقداري اتلاف در مسير، منبعي پر قدرت براي توليد ليزر مورد نياز است.

گزينه دوم انتقال منبع ليزر به داخل تا حد امكان با توجه با ابعاد دستگاه و قطر چاه و ادامه مسير توسط فيبر اسنت، در اين صورت منبع ليزر مورد استفاده مي تواند داراي توان كمتري باشد، اما حفاظت آن از ضربه هاي وارد شده الزامي مي باشد.

همچنين در محل انجام شليك به سازنند هدف، براي تسهيل در خروج موادي كه توسط ليز برداشته مي شوند و براي كمك به تميز نمودن معبر ايجاد شده، بايد هواي فشرده توسط يك نلزل به محل هدايت مي شود. مجموعه اين عمليات، ما را در رسيدن به هدف انجام مشبكك كاري با بيزر، ياري مي دهد.

ويژگي هاي مشبك كاري با ليزر

افزايش نفوذ پذيري

يكي از معايب مشبك كاري با روش هاي قبلي، آسيب ديدن سازند مورد اصابت گلوله مي باشد. براي درك اين مطلب، راندمان جرياني نمونه مغزه CFE (Core Flow Efficency) به صورت زير تعرويف مي گردد.

: نفوذ پذيري موثر سازند بعد از عمليات مشبك كاري

: نفوذ پذيري نسبي ايده آل سازند قبل از انجام عمليات مشبك كاري

اگر CEF برابر با يك باشد، هيچ گونه آسيبي به سازند وارد نشده است و نفوذ پذيري آن قبل و بعد از انجام عمليات مشبك كاري برابر است. با روش هاي فعلي و با توجه به آسيب هاي وارد شده، ميزان CFE بين 65/0 تا 85/0 متغيير است و ه صورت كلي اين ميزان كاهش پس از مشبك كاري در حدود 20 درصد برآورد مي شود. اين كاهش باعث مي شود تا انجام عمليات تحريك پس از مشبك كاري ضروري باشد تا بتوان ارتباط بين مخزن و حفره چاه را برقرار نمود. اين در حالي است كه انجام عمليات مشبك كاري با YFL نه تنها آسيبي را به سازند وارد نمي كند بلكه ميزان CFE را نيز افزايش ميدهد. يكي از ويژگي هاي سطوحي كه مورد تابش ليزر قرار گرفته اند، برجستگي مخروطي شكلي است كه پس از تابش بر جا مي مانند. در شكل 4 اثر تابش ليزر و شكل گيري مخروط را نشان ميدهد.

شكل 4- اثر تايش ليزر و شكل گيري مخروز

بررسي هاي انجام گرفته نشان مي دهند كه پس از انجام عمليات مشبك كاري با ليزر، نفوذ پذيري معبر ايجاد شده بين 15 تا 30 درصد افزايش مي يابد. اگر چه در بعضي از موارد، اين افزايش تا 300 درصد نيز مشاهده شده است (شكل 5).

شكل 5- افزايش نفوذ پذيري در اثر استفاده از YFL

مي توان گفت در صورت استفاده از YFL براي مشبك كاري، عمليات تحريك چاه همزمان با ايجاد مسير عبور سيال انجام مي شود.

كاهش خطرات انساني

از آنجا كه در مشبك كاري با روش هاي فعاي از مواد انفجاري پر قدرت بالستيك استفاده مي شود، هميشه احتمال بروز خطر هاي جاني در حمل و نگه داري اين مواد وجود دارد. علاوه بر آن، به دليل منفي بودن بالانس اكسيژن در معادله هاي احتراق تمامي مواد انفجاري به كمار رفته در روش هاي فعلي و كملود اكسيژن در محيط پايين چاه، احتراق اين مواد هميشه به صورت ناقص صورت مي پذيرد. در اثر احتراق ناقص، كاز هاي سمي مانند منوكسيد كرين آزاد مي شود كه در صورت عدم وجود تجهيزات ايمني و مانيتور گاز، مي تواند باعث آسيب افراد يا حتي مرگ آنان شود.

اگر چه هنگام كار با ليزر نيز بايد نكان ايمني ويژه اي را رعايت كرد، اما خطرات استفاده از ليزر در مقايسه با مواد انفجاري بالستيك، ناچيز به نظر مي رسد.

از آنجا كه پرتو ليزر توسط فيبر قابل انعطاف به محل مورد نظر مي رسد، بنابراين به راحتي مي توان با تغيير زاويه فيبر در محل، پرتو را به صورت زاويه دار به سازند هدف شليك كرد و شليك زاويه دار با اين تكنيك به راحتي صورت مي پذيرد.

يكي از روش ويژگي هاي مشبك كاري با ليزر، داشتن كنترل بسيار قدرتمند در هنگام انجام عمليات است. با كنترل پارامتر هاي پرتو ليزر مانند مدت تابش، تعداد پالس و ... مي توان نفوذي كنترل شده را در سازند هدف اعمال كرد.

در اين روش هيچ گونه مواد زايدي در محل نفوذ باقي نمي ماند و در نتيجه مشكلات باقي ماندن اجسام زايد بر طرف مي گردد.

هنگام استفاده از ليزر به دليل ويژگي بدون تماس بودن (Free Contact) انجام عمليات، هيچ گونه فشاري به لوله هاي جداري/آستري وارد نگشته و به تبع آن، پارگي اين لوله ها و آسيب به سيمان چاه از بين مي رود.

از لحاظ اقتصادي، اگر چه در ابتداري خريد، تكنولوژي ليزر بسيتر گران قيمت به نظر مي رسد، اما در طولاني مدت و با توجه به هزينه هاي جانبي مشبك كاري با روش هاي فعلي، مي تواند هزينه هاي كلي را تا 60 درصد كاهش دهد.

نتايج

انجام مشبك كاري با روش هاي فعلي علاوه بر خطرات و ريسك بالاي كار، آسيب هاي بسيار زيادي را به مجموعه چاه و سازند وارد مي كند.

در سال هاي اخير با پيشرفت تكنولوژي ليزر و عرضه ليزر هاي پر قدرت، امكان استفاده از اين تكنيك در مشبك كاري چاه فراهم شده است.

در صورت استفاده از اين تكنيك مزاياي بسياري در اختيار ما قرار مي گيرد كه شامل مواد زير است:

الف) افزايش نفوذ پذيري سازند پس از انجام كار

ب) فراهم شدن امكان شليك زاويه دار

ج) عدم باقي ماندن مواد زايد در دهانه چاه

د) نفوذ كنترل شده در سازند مورد هدف

ه) عدم وارد آمدن فشار و آسيب به لوله هاي جداري/آستري و سيمان چاه

و) كاهش خطرات نگه داري، حمل و استفاده از مواد انفجاري

ز) عدم انتشار گاز هاي سمي بر اثر احتراق ناقص مواد

ح) كاهش 60 درصدي هزينه هاي مشبك كاري در طولاني مدت