برای مشاهده ویدیوی «خلاصه تصویری» این اختراع اینجا کلیک نمائید
اختراعات علمی: علی پوراحمد | طبقه بندی: اختراعات جدید در ایران و جهان | دسته: اختراعات ثبت شده در ایران و جهان
رفع محدودیت حفاری فوق عمیق با توسعه و بهبود سیستم خنک کننده فناوری لیزری جهت دستیابی به منابع انرژی زمین گرمایی و یا حفر چاه های نفت | تولید برق با استفاده از چاه های انرژی زمین گرمایی
◉ اختراع: حفر چاه فوق عمیق برای نفت و انرژی زمین گرمایی
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
◉ مقدمه و اهداف:
در این مقاله بطور مختصر به بررسی اختراع رفع محدودیت حفاری عمیق با توسعه و بهبود سیستم خنک کننده فناوری لیزری جهت دستیابی به منابع انرژی زمین گرمایی و یا حفر چاه های فوق عمیق نفت میپردازیم.
گذار از انرژی های تجدید ناپذیر و به تبع آن عطش روزافزون جامعه بشری به مصرف بیشتر انرژی به یکی از موضوعات مهم در جهان امروز تبدیل شده است زیرا افزایش دسترسی و استفاده ارزان تر از انرژی, بعنوان یکی از مؤلفه های اصلی پیشرفت و رفاه در بسیاری از کشورها محسوب می شود. با این حال، هزینه چنین پیشرفتی تخریب جبران ناپذیر محیط زیست با تولید بیش از حد گازهای گلخانهای و اثرات مخرب ناشی از آن می باشد. بعنوان مثال استفاده از انرژی های تجدید ناپذیر بیش از ۷۵٪ از انتشار گازهای گلخانهای اتحادیه اروپا را تشکیل میدهد, و این درحالیست که گذار از انرژی های تجدید ناپذیر و کربنزدایی از فناوریهای تولید انرژی بدون CO2 و پاک به عنوان هفتمین هدف از اهداف توسعه پایدار سازمان ملل متحد (SDG) تعیین شده است. بنابراین, توسعه و بهینه سازی فناوری های مرتبط با انرژی های تجدید پذیر نظیر انرژی زمین گرمایی که از اعماق کیلومترها چاه های حفر شده در زمین قابل دسترس می گردد, می تواند یکی از راه حلهای اصلی برون رفت از روند نابودی محیط زیست باشد. بر این سیاق, دولتها بعنوان متولیان اصلی تولید انرژی, در تلاش برای دستیابی به راهکارهای بصرفه و قابل عملیاتی شدن بیشتری برای حفاری در افقهای عمیق تر مثل اعماق ناشناخته اقیانوس ها هستند زیرا اقیانوسها حدود ۷۰٪ از سطح زمین را پوشاندهاند و بیشتر آبها در عمق بیش از ۲۰۰۰ متر قرار دارند. اما با استفاده از فناوری های فعلی, رسیدن به نقطه هدف حفاری در اعماق بیش از 5000 متر چالشها و محدودیت های فنی خاصی بهمراه دارد و این همان مشکلی است که من در صدد رفع آن با ایده اختراع سیستم جدید خنک کننده فناوری لیزری برآمدم.
◉ اختراع: حفر چاه فوق عمیق برای نفت و انرژی زمین گرمایی
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
نوآوری حفاری لیزری، فرصت نفوذ عمیق با مبدلهای حرارتی در اعماقی را میسر می کند که توسط فناوریهای حفاری سنتی متکی بر مته امکان پذیر نیست زیرا در حفاری سنتی (با در نظر گرفتن نیاز به تجهیزات و استهلاک طول عمر اجزای رشته حفاری به ویژه متههای حفاری که منجر به سطوح بالاتر زمان غیرمولد NPT و افزایش هزینههای تکمیل میشود), ما با چالش های جدی بعنوان موانع اصلی رسیدن به اعماق زیاد زمین مواجه هستیم. تا کنون آزمایشات و تحقیقات زیادی بر روی ترکیب حفاری لیزری با حفاری مکانیکی به عنوان یک فناوری مستقل انجام شده است اما کماکان کاربرد این ترکیب در تولید انرژی به دلیل الزامات استحصال انرژی زمین گرمایی در حلقه باز سنتی (حفظ و یا بزرگ کردن شکستگیهای سنگ EGS) با مشکل غیر عملیاتی شدن مواجه است. مهمترین و اصلی ترین چالش فناوری حفاری لیزری مربوط به خنک کردن سر مته و شستشوی سنگهای ذوب شده از گمانه از عمق بسیار زیاد می باشد. اما علیرغم این مشکل فنی, میبایست به این نکته مهم نیز توجه کنیم که در افق اهداف برنامه ریزی شده جهت دسترسی به انرژی زمین گرمایی, "حفاری عمیق لیزری" بعنوان تنها راهکار در تخریب و سوراخ کردن سنگ های فوق العاده سخت و کریستالی که در اعماق زیاد قرار دارند، شناخته می شود. بدون تردید در آینده بسیار نزدیک با عملیاتی شدن "حفاری عمیق لیزری" امکان نفوذ در اعماق بسیار زیادی که گرمای غنی از پرتوزایی وجود دارد, میسر خواهد شد.
علیرغم اثبات وجود گرمای سرشار از انرژی پرتوزایی در اعماق زمین، اما کماکان چالشهای قابل توجهی برای استخراج چنین انرژی ارزشمندی در مقیاس وسیع و تجاری وجود دارد. در حال حاضر تعداد کم و محدودی مخازن آب گرم (دمای بین ۵۰ تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد در عمق ۲ تا ۳ کیلومتری سطح زمین) قابل دسترس هستند اما این منابع آب گرم فقط به مناطق فعال تکتونیکی با شرایط زمین شناسی مناسب، مانند آبفشانها یا مناطق آتشفشانی محدود میشود. از سویی دیگر، ما سنگهای فوقالعاده داغ در سراسر جهان در اعماق بیش از 8 تا 10 کیلومتری از سطح زمین داریم که میتوانیم از آنها به عنوان یک سیال متراکم برای گرم کردن آب پمپ مورد نیاز نیروگاه های تولید برق استفاده کنیم. اما دسترسی به سنگهای فوقالعاده داغ آسان نیست زیرا این سازندهای زمینشناسی در عمق ۱۰ کیلومتری زمین وجود دارند که در حقیقت بیش از دو برابر عمق یک چاه نفت معمولی است. در چنین اعماقی تحت فشارهای بسیار زیاد و دمای بسیار بالا، دندانههای مکانیکی و یاتاقانها متههای کاربید تنگستن یا متههای نوک الماسی خیلی سریع خرد شده و غیر قابل استفاده می شوند که این مشکلات منجر به حفاری بسیاری کند چاه های نفت حتی تا یک متر نفوذ در ساعت می شود. حال چنانچه فرآیند پرهزینه و بسیار زمانبر تعویض قطعات حساس حفاری با بیرون کشیدن دشوار آنها از اعماق بسیار طولانی را به مشکل کندی در پیشرفت حفاری نیز اضافه کنیم متوجه خواهیم شد که چرا سیستمهای زمین گرمایی سنگ های فوق داغ در مقیاس اتصال و استفاده از آن در شبکه مصرف عملاً از ۹۵٪ استفاده "سبد جهانی تولید انرژی پاک" خارج شده است. با اینحال, فرصت غلبه بر محدودیتها فنی حفاری فوق عمیق همچنان وجود دارد و ایده جدید من در این مقاله نیز در همین راستا می باشد.
◉ اختراع: حفر چاه فوق عمیق برای نفت و انرژی زمین گرمایی
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
برخی از مشکلات در مسائل فنی در حفاری لیزری وجود دارد که باید برای رفع آنها راهکارهای مختلف توسط مهندسین, ایده پردازان و مخترعین ابداع و خلق شود. به عنوان مثال، با گسترش گمانه بیش از 10 کیلومتر، حفظ انسجام پرتو و جلوگیری از اتلاف انرژی در امتداد دیوارههای موجبر همچنان یک مانع جدی در مهندسی اولیه حفاری از طریق روش های لیزری است. از سویی دیگر، تزریق گازهای پاکسازی تا کیلومترها به داخل زمین برای پاکسازی نانو ذرات سنگی باعث اصطکاک شدید سیال در دیوارههای باریک گمانه می شود که برای جبران این افت فشار نیاز به پمپهای کمپرسور با قدرت بسیار بالا است. مسئله مهم بعدی، نگرانی رایج زیست محیطی است که حفاری عمیق ممکن است باعث ایجاد ریز زلزلهها در مناطق مسکونی یا زیستگاه جانوران و پرندگان نزدیک به ایستگاه حفاری شود. بخشی از این چالش بدلیل این است که سیستمهای زمین گرمایی پیشرفته سنتی و مرزهای تکتونیکی جوان که بسیار شکننده و ناپایدار هستند, خطوط گسل را هدف قرار میدهند زیرا در آنجا گرمای کم عمق یافت میشود. با این حال با توسعه این فناوری در آینده نزدیک, امکان حفاری های عمیق تر لیزری در اکثر نقاط فراهم می شود و این امکان بوجود خواهد آمد که به گرما در مکان هایی دسترسی پیدا کنیم که از اقامتگاه انسانی و زیستگاه ها جانوران و پرندگان به دور است. بنابراین 95٪ از عملیات حفاری های فوق عمیق در آینده میتوانند در محیطهای پایدار و درون صفحهای که کاملاً از خطوط گسل فعال و خطر فعالیت لرزهای جدا هستند، انجام شوند. در سال های اخیر, تقاضای مداوم و روزافزون برای سوختهای فسیلی به ویژه نفت و گاز، صنعت حفاری و اکتشاف را به سمت نفوذ در آب های بسیار عمیق سوق داده است که در آن چاهها تا عمق بیش از 7500 متر با هزینه های بسیار بالا (بیش از 100 میلیون دلار) حفر می شوند. در چنین اعماقی چالش های جدی مخزن با فشارهای منفذی بسیار بالا بوجود می آید که معمولا حتی از مرز 138 مگاپاسکال نیز تجاوز میکند.
علیرغم برخی از مشکلاتی که به آن اشاره شد, بهرهگیری از گرمای زمین برای تولید انرژی تجدیدپذیر با توجه به گسترش خطرات زیست محیطی سوخت های فسیلی در آینده, ضروری محسوب می شود. هرچند با افزایش عمق، هزینههای حفاری به دلیل فرسودگی ابزارهای حفاری و نرخ پایین نفوذ و در نتیجه ریسک های مالی افزایش مییابد اما با اینحال استفاده ترکیبی از حفاری لیزری پرقدرت با حفاری مته یا حفاری جت آب میتواند ضمن توسعه و بالا بردن نرخ سرعت نفوذ به درون زمین, هزینههای حفاری زمین گرمایی عمیق را نیز به میزان قابل توجهی کاهش دهد و در بازه زمانی مصرف بلند مدت به منبع مقرون به صرفه ای از انرژی تجدید پذیر تبدیل شود. سیستم حفاری لیزری مطرح شده در این مقاله میتواند با استفاده از خنک کننده لیزر در کاهش قابل توجه هزینههای حفاری عمیق زمین گرمایی موفق باشد و به استفاده بدون محدودیت انرژی زمین گرمایی بعنوان یک منبع قابل اطمینان و همیشگی از گرمای درون زمین کمک کند. ایده ای که در این مقاله مطرح شده است میتواند با امکان عملیاتی شدن حفاری لیزری در اعماق زیاد و بسیار داغ زمین, بخشی از بار پایه ترکیب انرژی را به خود اختصاص دهد و منابع انرژی احیا کننده دیگر مانند انرژی خورشیدی، بادی و برقآبی را به روشی نسبتاً سازگار با محیط زیست تکمیل کند. این درحالیست که سوختهای فسیلی و انرژی هستهای همچنان با تولید پسماند زباله های تجدید ناپذیر بعنوان عوامل بالفعل و اصلی تخریب محیط زیست شناخته می شوند اما نیروگاههای مبتنی بر انرژی زمین گرمایی میتوانند به طور مداوم و پایدار, بدون وابستگی محض به جریان آب، نور خورشید یا وزش باد بصورت 24 ساعته برق تولید کنند. بنابراین اختراع یا ابداع هر روش و ایده ای برای رسیدن به هدف مهم جلوگیری از گسترش آلودگی کره زمین بسیار با اهمیت بوده و بدون تردید ارزش بررسی, توسعه و عملیاتی شدن را دارد.
◉ اختراع: حفر چاه فوق عمیق برای نفت و انرژی زمین گرمایی
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
◉ توضیحات تکمیلی و فنی اختراع:
روند حفاری در اعماق بسیار زیاد بدلیل وجود سنگ های بسیار سخت با کندی نفوذ مته در لایه های زیرین زمین مواجه میشود. این کندی در حفر چاههای عمیق تر از ۱۵۰۰۰ فوت (5 کیلومتر), بیشتر نمایان می شود زیرا نرخ نفوذ در این اعماق بین 60 تا 90 سانتیمتر در هر ساعت است که این دشواری در نفوذ, ۵۰٪ از هزینههای کل حفاری را در ۱۰٪ آخر حفر چاه براحتی می بلعد. در این اعماق، شیب شکستگی بسیار کم بوده و به تبع آن محدودیتهای فنی شدیدی برای سیالات حفاری از نظر چگالی و فشارهای گردشی ایجاد می شود. چالش دشوار دیگر حفاری در اعماق زیاد مربوط می شود به مواجه عملیات حفاری با گنبدهای سخت نمکی با قدمت ۳۰ تا ۶۰ میلیون سال که در دسته بالای رسوبات دوران سوم پایینی قرار دارند. به دلیل وجود نمک در این اعماق، سنگهای زیرین فشرده نشدهاند، بلکه تبدیل به قلوهسنگ شدهاند و این قلوه سنگ های گنبد نمکی باعث می شوند روی چاه بسته شده و ادامه حفاری با مته در اعماق زیاد بسیار دشوار و پر هزینه شود. چاهها در چنین اعماقی با فشارها و دماهای بالا (چاههای HPHT) مواجه هستند که بی شک برای امکان ادامه حفاری به تجهیزات ساخته شده از فلزات بسیار گرانتر, کارآمدتر و ضخیم تر نیاز است. این چالش جدی باعث شده که شرکت های متخصص در حفاری به سمت اختراع, ابداع و توسعه تکنیک های جدید و متفاوت تر از حفاری سنتی حرکت کنند که از آن بعنوان "ابداع روش های نوین حفاری تحت فشار مدیریت شده" یاد می شود.
صنعت حفاری برای گذر از چالش های ذکر شده میبایست به سمت روش های نوین نفوذ نظیر حفاری ترکیبی با استفاده از لیزر حرکت کند. متخصصین این حوزه در حال طراحی یک سیستم سخت افزاری با قابلیت بالا برای انتقال لیزرهای پرقدرت در فواصل طولانی از طریق کابلهای منعطف فیبر نوری هستند. وقتی که قدرت تخریبی لیزر با یک مته حفاری مکانیکی ادغام شود آنگاه نفوذ سریع و پایدار در سازندهای سنگ سخت (نظیر گرانیت و کوارتزیت) که حفاری و نفوذ در آنها با استفاده از متههای سنتی مکانیکی بسیار پرهزینه و گاها غیر ممکن است, مقدور می سازد. در حقیقت انرژی لیزری که به سمت سنگ هدف گیری و شلیک می شود، بطور موثری سنگ را کاملا شکننده و نرم می کند و این بدان دلیل است که چسبندگی بین کریستالهای سنگ سست شده و شکستگیها در بافت سنگ ظاهر میشوند و این "پیش فرآیند آماده سازی جهت نفوذ" به مته مکانیکی اجازه میدهد تا سریع تر از میان سخت ترین سنگها عبور کرده و به اعماق بیشتر نفوذ کند. متههای حفاری با کمک لیزر این پتانسیل را دارند که تا 10 برابر اقتصادی تر از فناوری های سنتی حفاری مکانیکی راندمان داشته باشند اما این چشم انداز جذاب تا رسیدن به مرحله تجاری و اجرای بدون نقص نیاز به توسعه بیشتر و مرتفع کردن چالش های دما و حرارت بالا در اعماق زمین دارد. دماهای بسیار بالا بسادگی بر کارکرد لیزر که قطعات آن بدلیل تخلیه های قدرتمند انرژی پرتوهای الکتریکی به دماهای بسیار بالا و بحرانی می رسد تاثیر می گذارد و منجر به از کار افتادن تجهیزات لیزر در اعماق زمین می شود.
◉ اختراع: حفر چاه فوق عمیق برای نفت و انرژی زمین گرمایی
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
عمده چالش اصلی و مانع مهم در ایده حفاری لیزری, داغ شدن بیش از حد بدنه محفظه پرس ماژول یا کوپلر لیزر است که در صورت رفع نشدن این مشکل سر مته لیزر بر اثر حرارت بالا تخریب شده و از کار می افتد. برای رفع این مشکل من ایده استفاده از گاز برودتی نیتروژن را در بدنه محفظه پرس لیزر طراحی کردم. عملکرد جفت شده لیزر و گاز برودتی امکان کنترل دما در اطراف ماژول لیزر را در مسیر گمانه حفاری تسهیل و ممکن می کند و به طور مؤثر امکان نفوذ و پیشرفت در اعماق زیاد حتی با دمای بحرانی را نیز میسر می سازد. همچنین میتوانیم با تجزیه و تحلیل دقیق دما با استفاده از سنسورهای تعبیه شده در کنار لنزهای مستقر در دماغه, آزاد سازی انرژی لیزری را بصورت فواصل زمانی کوتاه اما متوالی کنترل کرده و بدین صورت ضمن حفظ روند پیوسته عملیات حفاری مانع نفوذ دمای بیش از حد به محفظه لیزر شویم. علاوه بر این، ضروری است که یک دوربین نوری و نیز یک دوربین حرارتی فرآیند تغییرات دما در این نفوذ ترکیبی (مته مکانیکی و مته لیزری) را رصد کنند تا اطمینان حاصل شود که گازهای برودتی در فواصل طولانی و مداوم به حرکت در شیارهای بدنه محفظه لیزر ادامه می دهند تا دمای ماژول لیزر در طول گمانه در سطح نرمال باقی بماند. در چنین شرایط کنترل شده ای با ادامه نفوذ حفاری ترکیبی, ذرات ریز سنگ های خرد، ذوب و تبخیر شده از طریق حلقه گمانه به صورت جریان گاز به سطح زمین رانده میشوند.
◉ اختراع: حفر چاه فوق عمیق برای نفت و انرژی زمین گرمایی
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
همانگونه که در ویدیوی انتهای این مقاله قابل مشاهده است محفظه اصلی تجهیزات لیزری جهت عایق بندی دما در درون یک پوسته بیرونی قرار گرفته است. در این ایده, پوسته بیرونی بعنوان بدنه اصلی تجهیزات مته های ترکیبی مکانیکی-لیزری محسوب می شود که جهت انتقال جریان گاز برودتی, یک رشته شیارهای داخلی و لولههای برودتی انعطاف پذیر را بصورت رفت و برگشت در بدنه بیرونی طراحی کرده ام. شیارهای باریک میلیمتری بصورت شبکه های مارپیچ در تمامی جداره بدنه اصلی گسترش یافته اند تا نهایت راندمان عایق بندی حرارتی در مقابل دماهای بسیار بالا در اعماق زمین حاصل شود. همچنین شبکه مارپیچ مانند لوله های قطور تعبیه شده بر روی پوسته بیرونی به سر مته حفاری کمک می کند که مقادیر لازم و کنترل شده ای از گاز های برودتی به صورت فشرده به سمت دهانه گمانه رها سازد. رها سازی گازهای برودتی باعث می شود که فرآیند پیوسته کاهش دما در محیط اطراف سر مته به شکل موثری انجام یابد. لازم به اشاره است که بسته به نوع سیستم حفاری معمولا چهار گاز آرگون Ar، کریپتون Kr، هلیوم He و نیتروژن N2 به عنوان گازهای برودتی بالقوه در حفاری های عمیق مورد استفاده قرار می گیرند که برای ایده این طرح من نیتروژن را بعنوان شاره برودتی با تنش برشی پیوسته و نیز وکشسانی مناسب انتخاب کرده ام.
◉ اختراع: حفر چاه فوق عمیق برای نفت و انرژی زمین گرمایی
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
از آنجائیکه رها کننده انرژی قوی پرتوهای لیزری در مرکز محفظه پرس قرار دارد ما می توانیم برای افزایش راندمان کاهش دما, گازهای برودتی خارج شده را به سمت پوسته بیرونی بدنه تجهیزات لیزر هدایت کنیم. برای رسیدن به این مقصود من تعداد زیادی نازل خروج سیال برودتی بر روی حلقه دماغه در بدنه طراحی کردم. هر یک از این سوپاپ های گازی دارای 2 نازل خروجی سیال هستند که یک نازل به سمت بدنه تجهیزات مته هدف گیری شده و دیگری در راستای برگشت به سمت دهانه گمانه قرار دارد. عملکرد این نازل ها بدین صورت است که گاز برودتی بصورت پمپاژ فشرده پس از ورود به لوله های برودتی مارپیچ در بدنه و سپس گذر از شیارهای باریک برودتی موجود در ساختار آلیاژ بدنه, با فشار بالا به سمت نازل های خروجی سیال هدایت می شود. گاز برودتی پس از خروج از دو سوراخ هر یک از سوپاپ های برودتی مجددا به بدنه بیرونی مته برخورد می کند و بخشی از آن نیز با فشار در محیط اطراف گمانه رها شده و به سمت بالا جهت خروج از گمانه پمپاژ می شود. این ترکیب باعث می شود که حرارت بالای بدنه مته ترکیبی, هم از درون و هم از بیرون تحت تماس مستقیم با سیال برودتی و اثر پذیری در جهت کاهش دما قرار گیرد.
◉ برای بزرگ نمایی بر روی هر یک از تصاویر گالری زیر کلیک نمائید:
بدین روش بدنه محفظه پرس تجهیزات لیزر در طی دو مرحله متوالی و مداوم با گاز برودتی نیتروژن تماس برقرار می کند. در مرحله اول سیال برودتی با گذر از شیارهای باریک میلیمتری که در تمام سطح بدنه گسترده شده اند باعث افت دما در سمت درونی بدنه ماژول لیزر می شود و در مرحله دوم با عبور از لوله های انعطاف پذیر تعبیه شده در دور بدنه و سپس خروج سیال از نازل به سمت دیواره بیرونی بدنه, منجر به کاهش دمای مجدد در محدوده تجهیزات داخلی بدنه می گردد. بعبارتی سیکل متوالی عایق بندی حرارتی توسط چرخش سیال برودتی (در دو مرحله به دور بدنه ماژول لیزر), مانع نفوذ گرمای موجود در گمانه به درون تجهیزات لیزر شده و کنترل دمای دماغه مته را میسر می سازد. با توجه بر اینکه در اعماق زیاد محیط انتهای گمانه حفاری بسیار داغ و تجهیزات واقع شده در چنین محیطی بسیار آسیب پذیر و شکننده هستند, استفاده از تکنیک رها سازی گاز برودتی در دماغه مته ترکیبی می تواند تا حد بسیار زیاد و مطلوبی به تثبیت نرخ متعادل دما جهت امکان ادامه حفاری و نفوذ به اعماق بیشتر لایه های زمین کمک نماید.
◉ اختراع: حفر چاه فوق عمیق برای نفت و انرژی زمین گرمایی
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
فرآیند نرخ فشار پمپاژ گاز برودتی و کنترل دمای ایمن در دماغه تجهیزات حفاری عمدتاً توسط بررسی دقیق چگالی توان (Pρ)، زمان تابش (ti) و سنگ شناسی (ساختار، ترکیب شیمیایی و کانیشناسی) در هر مرحله از نفوذ به لایه های زیرین زمین محاسبه و انجام می شود. با استفاده از آستانههای چگالی توان بین فرآیندهای مختلف، امکان محاسبات و پیش بینیهای دقیق مهندسی جهت نفوذ به اعماق بیشتر فراهم می شود. این محاسبات از آنجا حائز اهمیت است که ما می توانیم با توجه بر دو شیوه حفاری (پوستهریزی حرارتی - خردایش ذوب و تبخیر) کنترل مناسبی بر نرخ فشار مصرف گاز برودتی داشته باشیم زیرا حذف سنگ یا ماده در هر یک از این دو شیوه مستقیما بر میزان کنترل دما و مصرف گاز های برودتی در سیستم خنک سازی تاثیر گذار خواهد بود. بعنوان مثال پوستهریزی حرارتی توسط انبساط حرارتی مواد معدنی و کمانش مکانیکی باعث هدایت قطعات سنگ به سمت بیرون از چاه می شود که این فرآیند در دماهای نسبتاً پایین (حدود ۵۰۰ درجه سانتیگراد) انجام می شود و طبعا به میزان مصرف کمتری از گازهای برودتی نیاز دارد که می توانداز نظر نرخ مصرف انرژی کارآمدتر محسوب شود.
اما در مقابل و در فرآیند خردایش، برشهایی در پوستههای کانی تولید می شود که باید به طور مؤثر از گمانه حذف شوند تا روند نفوذ با یک نرخ ثابت حفظ شود. برای این مقصود از تکنیک ذوب و تبخیر مواد کانی در دماهای بالاتر از ۲۱۰۰ درجه سانتیگراد توسط لیزرهای فوق قوی استفاده می شود که باعث حذف سنگ از طریق تبخیر مواد مذاب و خروج آنها به بیرون گمانه می شود. بنابراین در این روش، ما به مصرف بیشتری از گازهای برودتی برای کنترل متعادل نرخ دما در دماغه تجهیزات داغ لیزر نیاز داریم که به تبع آن انرژی بسیار بیشتری نیز نسبت به خردایش حرارتی در این روش مصرف خواهد شد. برای گذر از برخی محدودیت های روش ذوب و تبخیر ما می توانیم میزان مصرف گازهای برودتی را در سر تجهیزات حفاری مطابق با محیط دمای بالا تنظیم کنیم که منجر به مصرف مقادیر بیشتری گازهای برودتی می شود و یا اینکه میزان مصرف گازهای برودتی را در سر تجهیزات حفاری برای خرد کردن حرارتی سنگ در یک محدوده دمایی خاص و حذف موثر تمام خردههای سنگ از گمانه بهینه کنیم که منجر به مصرف کمتر گازهای برودتی خواهد شد اما با اینحال احتمال ایجاد یک لایه شیشهای روی دیوارههای گمانه در این روش دوم دور از انتظار نخواهد بود.
◉ اختراع: حفر چاه فوق عمیق برای نفت و انرژی زمین گرمایی
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
میزان داغ شدن سر مته و نیز بالا رفتن دمای تجهیزات لیزر در مناطق مختلف زمین متفاوت است. این موضوع در حفاری های عمیق خشکی و دریا بیشتر ملموس است چرا که فواصل رسیدن به نقاط با دمای بسیار بالا در این دو بخش متفاوت است. حال با توجه به اندازه و نوع مته مکانیکی و همچنین سایر تجهیزات لیزری تعبیه شده در دماغه مته, میزان قطر گمانه حفاری نیز در مناطق مختلف بصورت متفاوت حاصل می شود. در چنین شرایطی این امکان همچنان وجود دارد که بدنه بیرونی محفظه پرس لیزر که متشکل از شیارهای باریک گاز برودتی است از اندازه قطر گمانه حفاری تبعیت کند تا براحتی وارد گمانه شود و توسط نازل های تعبیه شده در دهانه شیپوری آن, دمای لیزر و محیط پیرامونی اش را جهت ادامه حفاری خنک سازی کند. هر چند قطر بیشتر دهانه محفظه خنک کننده در قسمت شیپوری شکل آن منجر به تماس بیشتر سیال برودتی با بدنه ماژول داغ لیزر می شود و به کاهش دما کمک بیشتری می کند اما با اینحال طراحی شیپوری شکل سیستم خنک کنندگی سر مته الزامی نیست و بسته به شرایط محیط می توان قطر قسمت شیپوری شکل سیستم خنک کننده را کم نموده یا افزایش داد. چنانچه مجبور به کاهش قطر قسمت شیپوری شکل باشیم می توانیم با افزایش تعداد نازل های خروج گاز, این تغیر شکل را جبران نمائیم.
با افزایش عمق, تغییرات دما نیز بیشتر محسوس می گردد. در اعماق کم یا زیاد بسته به منطقه و نوع بافت لایه های زیرین سنگ شناسی نظیر گرانیت، ماسهسنگ و یا سنگ آهک, عملیات حفاری با توابع متغیری از دما, فشار, چگالی و چسبندگی مواد سنگی روبرو می شود که میبایست تجهیزات حفاری توان و فن آوری لازم را برای تطبیق دهی خود با چنین محیط هایی داشته باشد. بعنوان مثال نرخ متغیر دما و فشار در منطقه ای با عمق زیاد که از نظر سنگ شناسی دارای سخت ترین سنگها (گرانیت) است با نرخ متغیر دما و فشار در مناطقی که رایج ترین سنگهای مخزن زمین گرمایی مانند ماسه سنگ و سنگ آهک را در درون خود جای داده متفاوت است. بنابراین همچنان این فرصت وجود دارد که با استفاده از ایده "کنترل دمای مطلوب حفاری" ضمن عبور از چالش مخرب دما در نقاط بحرانی, بتوانیم با استفاده از سایر تکنیک های تحلیلی پیشرفته مانند ترموگرافی، فتوگرامتری و میکروسکوپ الکترونی در جهت تحلیل آنی و فیزیکی فرآیند نفوذ در طول روند عملیات حفاری به هدف غایی که رسیدن به اعماق منابع انرژی زمین گرمایی است دست یابیم.
◉ اختراع: حفر چاه فوق عمیق برای نفت و انرژی زمین گرمایی
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
تجزیه و تحلیل مورفولوژی دهانهها و گمانهها با استفاده از فتوگرامتری امکان تخمین پارامترهای کارایی مانند نرخ نفوذ (ROP) و انرژی ویژه (Se) را فراهم می کند که ایده ارائه شده محفظه برودتی این مقاله می تواند در حفاری کم هزینه تر و سریعتر چاه های نفت نیز موثر واقع شود اما از آنجائیکه بخش عمده ای از استخراج نفت (به استثنا و جدا از صنایع جانبی ضروری) صرف تولید انرژی های تجدید ناپذیر و آلودگی محیط زیست می شود بعنوان طراح این ایده توصیه می کنم که اهداف متفاوت حفر چاه نفت از یکدیگر متمایز شده و مسئولانه بدنبال جایگزینی برای بخش عمده استخراج که مرتبط با تولید انرژی بر پایه سوختهای فسیلی است باشیم که مطابق با شرح ایده این مقاله, دسترسی به انرژی زمین گرمایی در اعماق زیاد می تواند بهترین جایگزین برای استخراج نفت (به قصد استفاده بعنوان سوخت) باشد.
صنعت حفاری همچنان با برخی چالش های ذکر شده در این مقاله جهت حفاری چاههای بسیار عمیق برای رسیدن به انرژی زمین گرمایی و رهایی از مخازن هیدروکربنی روبرو است که می بایست توسعه این فناوری با تحقیقات بیشتر, سرمایه گذاری گسترده تر و استقبال از طرح های علمی ایده پردازان, تسریع گردد. در حقیقت مدیریت کارآمدتر انرژی بهمراه استفاده از ایده ها نو و ترکیب مدلهای ژئومکانیکی، امکان تسریع حرکت در صنعت حفاری را فراهم کرده و شرایط انجام عملیات هایی با نفوذ عمیق تر, ایمن تر و کمهزینه تر در خشکی و یا آب های عمیق فراهم میکند. این احتمال خارج از تصور نیست که در آینده تخلیه نفت از چاه های فعلی تبدیل به یک افسانه شود و این صنعت باید آماده رویارویی با چالش های دوره پسا نفت و رفتن به سوی توسعه فناوری های حفاری عمیق تا رسیدن به منابع زمین گرمایی باشد. جایی که دیگر هیدروکربنها نقش اصلی در تولید انرژی ندارند و این گرمای لایه های فوق داغ اعماق زمین است که تضمین کننده آینده پیشرفت تکنولوژی پاک خواهد بود. لذا, صنعت حفاری باید به مسیر تحقیق و نوآوری در این حوزه با سرعت بیشتر ادامه دهد و بهمراه ارتقا کیفی و کمی تجهیزات و تکنیک های حفاری, ایده های نوآورانه را نیز مورد بررسی و استفاده قرار دهد.
◉ اختراع: حفر چاه فوق عمیق برای نفت و انرژی زمین گرمایی
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
در بخش پایانی این مقاله بعنوان یکی از منتقدان استفاده از منابع انرژی های تجدید ناپذیر لازم میدانم اشاره ای بسیار مهم اما کوتاه به نگرانی های جدی زیست محیطی ناشی از استخراج بی رویه نفت بعنوان منبع اصلی سوخت در صنایع مختلف نمایم. همانگونه که میدانیم بارها به دلایل مختلف فنی و یا جنگ ها مقادیر عظیمی نفت در دریاها رها شده است. بدون تریدی نشت نفت به پرندگان دریایی و پستانداران دریایی آسیب جدی میرساند و باعث میشود که کمتر بتوانند خود را عایق بندی کنند و در معرض آسیب های جدی ناشی از هیپوترمی و نوسانات دما قرار گیرند و نتوانند پرواز کنند. حتی تلاش این دسته از پستانداران و پرندگان برای پاکسازی خود منجر به بلعیدن نفت خام و تخریب اندامهای داخلی آنها و در نهایت از تعادل خارج شدن عملکرد متابولیسم و کم آبی بدنشان میشود. از سویی دیگر, زمانی که نشت نفت، آب را میپوشاند و مانع از عبور نور خورشید از سطح آب میشود، گیاهان دریایی و فیتوپلانکتونها آسیب جدی می بینند زیرا باکتری های مصرف کننده نفت، سایر باکتری ها را از اکوسیستم بیرون میکنند. این یک حقیقت تلخ است که هیچ روش کاملی برای پاکسازی نفت از محیط زیست وجود ندارد زیرا جمعآوری سطحی نفت از آب، تنها به شرایط محیط محدود میشود و بخشی زیادی از نفت که بر روی سطح نیست همچنان در لایه های زیرین آب باقی می ماند. حتی روش های فعلی سوزاندن و یا پراکنده کنندهها و داروهای شیمیایی که نفت را سریعتر تجزیه می کند, اما می تواند به سادگی آلودگی نفت را به سایر قسمت های اکوسیستم منتقل کند. وضعیتی که جبران آن در اکوسیستم کره زمین متاسفانه فوقالعاده دشوار و گاها غیر ممکن است.
بمثابه سایر اختراعات, این ایده/اختراع نیز قابلیت توسعه و ظرفیت بهینه سازی بیشتر برای حفر چاه های عمیق تر را دارد. با استفاده از "ایده سیستم جدید خنک کننده فناوری لیزری" می توان کمک شایانی به حفاری های عمق زیاد با هزینه هایی بمراتب کمتر از روش های مکانیکی سنتی و نهایتا دسترسی به انرژی پاک و بی پایان زمین گرمایی جهت تولید برق در تمامی نقاط کره زمین پیدا نمائیم.
پایان مقاله//
◉ ویدیوی رفع محدودیت حفاری در اعماق بسیار زیاد زمین با توسعه و بهبود سیستم خنک کنندگی فناوری لیزری / از دسته «اختراعات علی پوراحمد»
◉ سازنده انیمیشن این ویدیو: علی پوراحمد
◉ سازنده موسیقی این ویدیو: علی پوراحمد
◉ گفتار متن: علی پوراحمد
◉ زبان: انگلیسی
◉ زیر نویس فارسی: ندارد
درباره مخترع و نویسنده این مقاله 👇 :
مقالات اختراعات علمی مرتبط با تولید برق :
◉ اختراع کنترل زمانبندی پایداری پلاسما با استفاده از 2 راکتور همجوشی هسته ای برای ایجاد سیکل متناوب تولید انرژی
◉ اختراع نیروگاه تولید برق از چرخش زمین در فضا و انتقال الکتریسیته تولید شده به گیرنده زمینی با استفاده از لیزر
◉ اختراع نیروگاه تولید برق با استفاده از نیروی جاذبه زمین و نیروی گریز از مرکز در موتور گرانش 1
◉ اختراع نیروگاه تولید برق با استفاده از نیروی جاذبه زمین و نیروی گریز از مرکز در موتور گرانش 2
◉ اختراع نیروگاه تولید برق با استفاده از نیروی جاذبه زمین و چرخ های معلق در موتور گرانش 3
◉ اختراع نیروگاه تولید برق با استفاده از نیروی جاذبه زمین و نیروی گریز از مرکز در موتور گرانش 4
◉ اختراع نیروگاه تولید برق با استفاده از نیروی جاذبه زمین و فیزیک ترکیبی در موتور پیچیده گرانش 5
◉ اختراع استفاده از آب دریا و حوضچه گرداب مصنوعی برای تولید برق
◉ اختراع استفاده از آب سواحل عمیق دریا و اقیانوس برای ایجاد سد مصنوعی و تولید برق
◉ اختراع تولید برق از سانتریفیوژ سیال با استفاده از آب, جاذبه و نیروی گریز از مرکز
سایر اختراعات علی پوراحمد :
◉ لیست کامل مجموعه اختراعات و مقالات علمی منتشر شده علی پوراحمد
سایر مقالات علی پوراحمد :
◉ در خلق اختراعات علمی و یا تولیدات هنری هرگز به سراغ ابزار هوش مصنوعی نمی روم زیرا آن را عاملی منفی برای رشد خلاقیت واقعی مغز می دانم!
◉ آیا هوش مصنوعی میتواند خالق هنر و جایگزینی برای هنرمند و خلاقیت انسانی باشد؟
◉ آیا فرازمینی ها وجود دارند؟ - آیا اسناد و گزارشات محرمانه از یوفو ها و موجودات فضایی واقعی است؟
◉ چرا در سینمای ایران ژانر علمی تخیلی وجود ندارد!
◉ عوامل تاثیر گذار در خلق اختراعات, چگونه میتوانیم یک مخترع شویم!
◉ آیا خدا وجود دارد؟ آیا وجدان می تواند جایگزین خدا شود؟
◉ در مواجه با حسادت ورزی و انرژی منفی انسانهای حسود چه عکس العملی میبایست داشته باشید؟
تبلیغات
