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 كرنش…. 7
 2-2-3-مدول الاستیسیته. 8
2-2-4- تنش – كرنش، مهندسی و حقیقی.. 8
 2-2-5-مقاومت فشاری.. 8
2-2-6- پارامترهای موثربر روی دیاگرام تنش – كرنش…. 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- 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- نتیجه ­گیری.. 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 بهره گرفتن 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 147000تا 14700 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 ممكن است بر جسم اثر كند  
1 – نیروهای میانی یا پراكنده شده در داخل جسم .
2- نیروهای تماسی یا پراكنده شده در سطح جسم .
2-2-2- مفهوم كرنش
اعمال نیرو بر یک جسم موجب تغییر شكل آن می شود . تغییر شكل بوجود آمده در واحد طول را كرنش گویند . اعمال نیروی خارجی بر یک میله تحت كشش باعث افزایش طول و كاهش 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 كه طول افزایش یافته است كه به آن كرنش 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 – كرنش، مهندسی و حقیقی

كرنش مهندسی عبارت است از تغییرات طول به طول اولیه كه عبارت است از  
در نمودارهای مهندسی با ابعاد اولیه سروكار داریم ودر فرمول تنش ( σ  = F/A  ) چون نیرو ثابت است و سطح مقطع دائم در حال كم شدن است بنابراین با منطقه گلویی شدن روبرو هستیم. كرنشهای حقیقی عبارت است از تغییرات طول به تغییرات زمان مورد بحث است . چون با ابعاد اولیه روبرو نیستیم و بصورت لحظه ای آزمایش می كنیم[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 – كرنش

• سرعت تغییر فرم
• خواص مواد
• عناصر الیاژی
• دما

با افزایش دما سطح منحنی تنش – كرنش و همچنین پیر سختی كاهش می یابد و بطور كلی در دماهای بالا منحنی صاف شده و شكست با افزایش شكل 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 روش های معمولی  حفاری می باشد[71] .
شکل 1. 2 . لیزر هیدروژن فلوراید[71]
  لیزر اکسیژنی