مساميـة صخور مكامن البترول

تتكون الصخور الرسوبية من حبيبات من مادة صلبة ذات أشكال مختلفة تكون متماسكة بشكل أو بآخر ويوجد بينها مساحة فارغة (الشكل 2.1). وهذه المساحات الفارغة هي القادرة على احتواء السوائل مثل الماء أو الهيدروكربونات السائلة أو الغازية وتسمح لها بالانتشار.

الشكل 2.1 المسامية

يتم تعريف المسامية كميًا على أنها نسبة مساحة الفراغ في الصخر إلى الحجم الإجمالي لتلك الصخرة، ويتم التعبير عنها بكسر مضروب في 100 للتعبير عنها بالنسبة المئوية.

في الأساس، المسامية تعني سعة التخزين التي يمكن أن تشير إلى كمية السوائل التي يمكن للوسط المسامي تخزينها. يمكن حساب المسامية باستخدام المعادلة التالية:

∅=Vp/Vb = ×100

حيث ф هي المسامية، Vp هو حجم المسام [cm3] وVb - هو الحجم الإجمالي (السائب) [cm3].

بدلًا من ذلك، يمكننا طرح حجم النسيج الصخري من الحجم الإجمالي وتقسيمه على الحجم الإجمالي للحصول على المسامية، كما هو موضح في المعادلة التالية:

∅=(Vb-Vg)/Vb

حيث Vg هو حجم المصفوفة (حجم الحبوب) [cm3].

وعلى العموم يمكننا أن نقول أن:

∅=Vp/Vb =(Vb-Vg)/Vb = ×100

Vt=Vp+Vb

الصخور المكمنية مسامية وتحتوي على سوائل في مسامها، كما هو موضح في الشكل 2.2. يعد قياس المسامية من اللباب جزءًا من التحليل الأساسي الروتيني RCAL. عندما نستخدم مصطلح "اللب"، فإننا نشير عادةً إلى عينة صخرية أسطوانية يبلغ عرضها وطولها بضعة سنتيمترات.

الشكل 2.2: رسم تخطيطي يوضح مساحات المسام في صخرة مكمن على نطاق صغير من حقل مكمن عملاق. يمثل اللون الأزرق في الشكل الماء بينما يمثل اللون الأسود النسيج الصخري.

بالإضافة إلى ذلك، عند التعامل مع الصخور، غالبًا ما نشير إلى حجم النسيج بالحجم الحبيبي (Vg) والحجم الإجمالي بالحجم الكلي (Vb). لاحظ أن قيمة المسامية الكسرية غالبًا ما يتم ضربها في 100 لتصبح نسبة مئوية؛ ومع ذلك، يجب أن يكون دائمًا كسرًا عند استخدامه في العمليات الحسابية. وتتراوح مسامية الصخور الخزانية عادة من 5% إلى 40%. يوضح الجدول 2.1 قيم المسامية النموذجية لصخور الخزان المختلفة. تشير مسامية الصخور داخل الخزان إلى كمية النفط و/أو الغاز المخزنة في هذا الخزان. ولذلك، فإن ايجاد مسامية الخزان مسبقًا أمر مهم للمهندسين لأنه يساعدهم على تقدير مدى الجدوى الاقتصادية لهذا الخزان وعدد الموارد التي ينبغي استثمارها فيه.

الجدول 2.1: قيم المسامية النموذجية في الصخور المكمنة.
نوع الصخور	يتراوح
الرمال الموحدة بشكل فضفاض	35–40%
الحجارة الرملية	20–35%
أحجار رملية جيدة الأسمنت	15–20%
الحجر الجيري	5–20%

تصنيف المسامية

للمسامية نوعان من التصنيفات: الجيولوجية والهندسية.

التصنيف الجيولوجي للمسامية

من حيث التصنيف الجيولوجي، يتم تصنيف المسامية إلى قسمين فرعيين: الاولية والثانويه. المسامية الأولية هي المسامية الأصلية التي تتشكل أثناء ترسيب المادة. يمكن أن تكون المسامية الأولية إما بين الخلايا الحبيبية أو داخل الحبيبات (الشكل 2.3). المسامية بين الحبيبات هي المسامية بين الحبوب، في حين أن المسامية داخل الحبيبات هي المسامية داخل الحبوب نفسها. تشكل المسامية بين الحبيبات غالبية مسامية الصخور. يتم نشوء المسامية الثانوية (المستحثة) بعد الترسيب بواسطة العمليات الجيولوجية التي تؤدي إلى ظهور التجاويف والكسور.

الشكل 2.3: رسم تخطيطي يوضح الفرق بين المسامية بين الحبيبات وداخل الحبيبات.

التصنيف الهندسي للمسامية

من حيث التصنيف الهندسي، يمكن تقسيم المسامية إلى فئتين: الكلية والفعالة. المسامية الكلية (фt) هي إجمالي حجم المسام في الصخر مقسومًا على الحجم الكلي للصخر. من ناحية أخرى، المسامية الفعالة (фe) هي حجم المسام المترابط مقسومًا على الحجم الكلي. المسامية غير الفعالة هي حجم المسام المعزوله مقسومًا على الحجم الكلي. يوضح الشكل 2.4 الفرق بين المسامية الفعالة وغير الفعالة. عادة في الحجر الرملي، фt = фe لأنها صخور متجانسة نسبيا. من ناحية أخرى، عادةً ما تحتوي صخور الكربونات والدولوميت على фt > fe نظرًا لأن الكربونات عادة ما تكون غير متجانسة. كمهندسين بترول، نحن مهتمون بشكل أساسي بالمسامية الفعالة حيث أن الهيدروكربونات لا يمكنها التدفق إلا من خلال المسام المتصلة.

الشكل 2.4: رسم تخطيطي يوضح الفرق بين تقسيمات المسامية: الإجمالي والفعال وغير الفعال.

حساب المسامية

إذا أخذنا في الاعتبار عبوة مكعبة من الكرات (الوضع المثالي) ونظرنا إلى مقطع مكعب كما هو موضح في الشكل 2.5، فإن طول المكعب هو 2r، حيث r هو نصف قطر الكرة. وبالتالي فإن الحجم الإجمالي للمكعب سيكون:

Vb = (2r)3 = 8r3

يتم تمثيل حجم النسيج في هذه الحالة بحجم الأجزاء الكروية في هذا الجزء المكعب. لدينا ثمانية أجزاء متساوية من ثمن الكرة في هذا المكعب، وبالتالي:

Vm=8(1/8 كرة)=1 كرة=4/3 πr^3

وتصبح المسامية بالتالي:

∅=(Vb-Vg)/Vb =1-π/6=0.476

يمكننا أن نستنتج أن حجم الحبيبات لا يؤثر على مسامية الصخر (حيث يتم إلغاء جميع أنصاف الأقطار في المعادلة). بمعنى آخر، وجود كرات كبيرة أو كرات صغيرة سيؤدي إلى نفس المسامية طالما أنها كلها بنفس الحجم ولها نفس التعبئة (الشكل 2.6). القيمة 0.476 هي أعلى مسامية يمكن تحقيقها، ومن الطبيعي أن تجد دائمًا قيمة مسامية أقل من هذه.

الشكل 2.5: رسم تخطيطي يوضح (أ) تعبئة مكعبة من المجالات التي (ب) يتم تحديد مكعب فرعي ثم (ج) تحليلها.

الشكل 2.6: رسم تخطيطي يوضح (أ) حجم الجسيمات الكبيرة و (ب) حجم الجسيمات الصغيرة. كلاهما لهما نفس المسامية حيث أن حجم الجسيم لا يؤثر على قيمة المسامية.

العوامل المؤثرة على المسامية

يمكن أن تتأثر المسامية إما بالعوامل الأولية أو الثانوية.

العوامل الأولية

تعبئة الجسيمات

تؤدي ترتيبات التعبئة المختلفة إلى مسامات مختلفة، كما هو موضح في الشكل 2.7. تؤدي التعبئة المكعبة للنسيج (الشكل 2.7 أ) إلى أعلى مسامية ممكنة بنسبة 47.6%، كما تمت مناقشته سابقًا، في حين تؤدي التعبئة المعينية للمجالات (الشكل 2.7 ب) إلى أعلى مسامية ممكنة بنسبة 26.0%، وهي أقل من السابقة قضية.

الشكل 2.7: التعبئة المختلفة تؤدي إلى مسامات مختلفة؛ (أ) التعبئة المكعبة بها مسامية 47.6% و (ب) التعبئة المعينية مسامية بنسبة 26.0%.

الفرز

يُشار إلى الجسيمات على أنها "مرتبة جيدًا" عندما تكون جميعها بنفس الحجم بينما يتم فرزها بشكل سيئ عندما تكون ذات أحجام مختلفة (الشكل 2.8). تؤدي الجزيئات المصنفة جيدًا إلى مسامية أعلى مقارنة بالجزيئات المصنفة بشكل سيئ.

العوامل الثانوية

المواد الأسمنتية

إن وجود المزيد من المواد الأسمنتية يعني مسامية أقل حيث أن هناك مساحة أقل متاحة لتخزين الهيدروكربونات.

الضغط الزائد (الضغط)

سيؤدي الضغط الزائد إلى تقليل حجم مسام الصخر، مما يؤدي إلى انخفاض المسامية.

الزوائد والانحلال والكسور

تتشكل هذه بعد الترسيب وستزيد من مسامية الصخور. الذوبان هو عندما تذوب المعادن مع مرور الوقت. سوف تذوب بعض المعادن في الماء. Vugs لتشكل مسام كبيرة تنشأعن طريق الذوبان. الكسر هو كسر أو انفصال في تكوين صخري.

القياسات المخبرية

عادة ما تكون هناك طريقتان لقياس المسامية. نقوم إما بقياسه باستخدام القياسات المعملية (RCAL) على مقياس السنتيمتر أو باستخدام التسجيل السلكي (تسجيل الابار) على مقياس المتر.

هناك عدة طرق للعثور على المسامية في المختبر. ومع ذلك، سنركز على التقنيتين الأكثر شيوعًا، وهما إزاحة السوائل وتمدد الغاز باستخدام مقياس مسامية الغاز. جميع الصخور المستخدمة في التحليل الأساسي المختبري هي صخور مستخرجة من خزان باستخدام الحفر الذي يتم إجراؤه بواسطة أداة أسفل البئر، كما هو موضح في الشكل 2.9.

الشكل 2.9: رسم تخطيطي يوضح أداة قاع البئر المستخدمة لجمع عينات الصخور من الخزان (أداة الحفر الجانبية).

إزاحة السوائل

يعتمد مفهوم إزاحة السوائل على توازن الكتلة/المادة. في هذه التقنية، نقوم بوزن اللباب الجاف وقياس الأبعاد، وتحديدًا قطر اللباب وطوله. بعد ذلك، نقوم بتفريغ القلب من الماء أو المحلول الملحي (المياه المالحة)، على سبيل المثال، للتأكد من أن الماء قد ملأ جميع المسام وعدم احتجاز أي هواء في القلب (الشكل 2.10). ثم يتم وزن اللب للعثور على الوزن المشبع. بطرح الوزن المشبع من الوزن الجاف، نحصل على وزن الماء في المسام (الشكل 2.11). وبقسمة وزن الماء على كثافة الماء نحصل على حجم المسام:

Vp=(Ws-Wd)/ρ

حيث Ws هو وزن اللباب المشبع بالسائل [g]، وWd هو الوزن الجاف للباب [g]، وρ هي كثافة السائل [g/cm3]؛ وبما أن السائل في هذه الحالة هو الماء، فإن الكثافة تكون 1 جم/سم3.

ومن خلال طريقة الإزاحة، يمكننا أيضًا إيجاد الحجم الكلي للأشكال غير المنتظمة. دعونا نفكر في صخرة ذات شكل غير منتظم كما هو موضح في الشكل 2.12. ومن أجل قياس الحجم، نحتاج إلى تغطية سطح الصخر بمادة عازلة مثل البارافين (ρ = 0.9 جم/سم3) لمنع السائل الذي نستخدمه من دخول المسام. ولكن قبل ذلك نحتاج إلى قياس الوزن الجاف للعينة الصخرية ووزن اللباب مع البارافين. الفرق بين الوزنين مقسوما على كثافة البارافين هو حجم البارافين المضاف. سيتم بعد ذلك طرح هذا الحجم من حساب الحجم النهائي. بعد إجراء كل هذه الخطوات يمكننا إيجاد حجم الصخرة باستخدام طريقتين:

1. يمكننا تسجيل الحجم الأولي للمياه في الاسطوانة المدرجة، ومن ثم تسجيل الحجم الجديد للمياه بعد غمر الصخر. الفرق بين الحجم الجديد والحجم الأولي هو حجم الصخرة. ومع ذلك، نحتاج أيضًا إلى طرح حجم البارافين للحصول على الحجم الفعلي للصخر (الشكل ٢-١٢أ).

2. يمكننا أيضًا استخدام مبدأ أرخميدس للعثور على الحجم الكلي للصخرة (الشكل 2.12ب):

Wdf = Wr

حيث Wdf هو وزن المائع المزاح [g]، وWr هو الوزن الجاف للعينة أو وزن اللباب في الظروف الأولية قبل الغمر (الوزن الحقيقي) [g]، وWa هو وزن اللباب بعد الغمر في السائل (الوزن الظاهر) [ز]. وهو أقل من الوزن الحقيقي بسبب قوى الطفو. لاحظ أننا بحاجة إلى تعليق القلب حتى تؤثر قوى الطفو على القلب. وأخيرًا، لقياس الحجم الحجمي، نحتاج إلى استخدام المعادلة التالية:

Vb=Wdf/ρ-Vcoat

حيث ρ هي كثافة السائل الذي يتم غمر اللباب فيه [جم/سم3]، وهو في هذه الحالة ماء، وVcoat هو حجم الطبقة المستخدمة لتغطية العينة، عادةً البارافين [سم3]. لاحظ أنه يمكن قياس Vcoat عن طريق طرح وزن العينة مع الطبقة من وزن العينة بدون الطبقة وتقسيم الناتج على كثافة الطبقة المستخدمة، أي البارافين.

طريقة توسيع الغاز

الطريقة الثانية المستخدمة لقياس المسامية هي طريقة تمدد الغاز باستخدام مقياس مسامية الهيليوم والتي تعتمد على قانون بويل:

P1V1 = P2V2 )

في هذه الطريقة، عادة ما نستخدم الهيليوم لأنه ذو وزن جزيئي منخفض وبالتالي يمكن أن يدخل بسهولة إلى أصغر المسام، مما يؤدي إلى نتائج أكثر دقة. نستخدم النظام الموضح في الشكل 2.13 أ والذي يتكون من حجرتين يفصل بينهما صمام، مع وجود مستشعر ضغط في الصخر الأولى. يجب أن تكون الغرفتين 1 و 2 ذات أحجام ثابتة. لتحليل العملية، علينا أن نفهم ما يلي:

نملأ الغرفة رقم 1 بالهيليوم ثم نسجل الضغط؛ وبالتالي، لدينا P1 وV1 كما هو موضح في الشكل 2.13ب.

إذا فتحنا الصمام إلى الغرفة 2، كما هو موضح في الشكل 2.13ج، يصبح قانون بويل:

P1V1 = P2(V1 + V2))

إذا أخذنا بعين الاعتبار حالة فعلية حيث لدينا صخرة داخل الغرفة 2 (الشكل 2.13د)، يصبح قانون بويل:

P1V1 = P2(V1 + V2−Vm))

في هذه الحالة، سوف يصل الهيليوم إلى جميع الغرف والمساحات المسامية. والمسام الوحيد الذي لن يصل إليه الهيليوم هو حجم النسيج لأنه ليس مساميًا؛ باستخدام هذه التقنية، يمكننا حساب المسامية.

سنقوم بحساب Vm من المعادلة أعلاه، حيث أن V1 وV2 ثابتان وسيتم قراءة P1 وP2 من الجهاز. بعد إيجاد Vm ومعرفة الحجم الكلي للنموذج الصخري (اللباب)، والذي يسهل قياسه، يمكننا حساب حجم المسام على النحو Vp= Vb – Vm والمسامية تساوي Vp مقسومة على Vb.

من المهم الإشارة إلى أن كلاً من اختبارات إزاحة السوائل وتمدد الغاز تقيس المسامية الفعالة حيث أن السوائل لا يمكنها الوصول إلا إلى المسام الغير متصلة.

يمكن إكمال قياس حجم الحبيبات بسهولة باستخدام أحد أجهزة قانون بويل الموضحة في الشكل 2-13، حيث يتم وضع عينة نظيفة وجافة في غرفة ذات حجم معروف. هذه الغرفة معزولة عن غرفة الضغط المنبع، والتي هي أيضًا ذات حجم معروف. يتم شحن غرفة الضغط عند المنبع إلى ضغط يبلغ حوالي 100 رطل لكل بوصة مربعة ثم يتم عزلها. يتم فتح الاتصال بين غرفة الضغط وغرفة العينة، ويمتد الغاز إلى غرفة العينة، مما يتسبب في انخفاض الضغط المرجعي الأصلي.

إذا كانت أحجام الضغط وغرفة العينة معروفة، فيمكن حساب حجم الحبيبات باستخدام الضغط المقاس.

حيث V1 - حجم الخلية المرجعية، V2 - حجم خلية العينة، Vg - حجم حبيبات العينة، P1 - الضغط الأولي في الخلية المرجعية، و P2 - الضغط النهائي في النظام

علاوة على ذلك، يصعب قياس أحجام الخلايا Vc وVR بالدقة المطلوبة. ومع ذلك، يمكن معايرة هذه الأداة بسهولة باستخدام أحجام صلبة معروفة بدقة مثل الكرات الفولاذية. إذا بدأت جميع القياسات عند نفس P1، فمن السهل الحصول على Vs من مخطط معايرة محدد مسبقًا لـ Vs vs P2.

يمكن أيضًا حساب حجم الحبوب من

- كثافة حبات الرمل .

تُستخدم المعادلة (-) عادةً مع القيمة النموذجية 2.65 جم/سم مكعب.

كثافة الحبوب/النسيج

تعتبر كثافة الحبوب/النسيج [جم/سم3] أيضًا جزءًا من RCAL. ولقياسها، نحتاج إلى معرفة الحجم الكلي، ووزن العينة الصخرية، وحجم المسام. يمكن أن يكون العثور على كثافة النسيج الصخري بسهولة جزءًا من قياس المسامية حيث لن يلزم سوى وزن العينة. بعد أن قمنا بقياس المسامية يمكننا إيجاد حجم المادة ومن ثم يمكن الحصول على كثافة المادة من خلال المعادلة التالية:
حيث ρg هي كثافة المصفوفة [g/cm3]، Wd هو وزن النسيج أو الوزن الجاف للعينة الصخرية [g] حيث يفترض أن كثافة الهواء لا تذكر؛ Wg = Wd (الوزن الجاف للباب بأكمله)، وVg هو حجم النسيج الصخري [cm3]، وهو الحجم الكلي مطروحًا منه حجم المسام (Vb – Vp).

يتم عرض كثافات النسيج النموذجية لأنواع الصخور المختلفة في الجدول 2.3.

الجدول 2.3: كثافات المصفوفة النموذجية لأنواع الصخور المختلفة.
ليثولوجي	ρm [g/cm3]
الحجر الرملي	2.65
حجر الكلس	2.71
الدولوميت	2.87

تستخدم طريقة راسل وحدة تخزين مصممة خصيصًا (الشكل 2-10)، ويتم تحديد حجم الحجم وحجم الحبوب حجميًا. المسامية المحددة هي المسامية الكلية.

شكل 2-10: جهاز قياس راسل لتحديد الحبوب والأحجام السائبة لعينات الصخور.

خذ بعين الاعتبار حجمًا كليا من الصخور بمساحة فدان واحد وسمك قدم واحد. فدان القدم هو القياس الأساسي لحجم الصخور المستخدم في حسابات حقول النفط. ومن الممارسات القياسية أيضًا التعبير عن جميع أحجام السوائل بدلالة البراميل. عوامل التحويل التالية مفيدة:

فدان = 43,560 قدم2= 4,047 م2
1 فدان-قدم= 43,560 قدم3 = 4,047 م2
1 برميل = 42 جالون = 5.61 قدم3 = 0.159
1 فدان-قدم = 43560/5.61 = 7758 برميل

لنفترض أن هناك خزانًا تبلغ مساحته فدانًا ومتوسط سمكه قدمين. يمكن تحديد الحجم الإجمالي للخزان من خلال التعبيرات التالية:

أو

حيث A هي مساحة سطح الخزان، [فدان]، وH هو متوسط سمك التكوين، [قدم]
فمن الواضح أن مساحة المسام داخل الصخر تساوي

حجم مسام الخزان بالقدم المكعب

حجم مسام الخزان بالبرميل:

- مسامية الصخر، الكسر

كما يوضح الشكل 2-13 المعادلة الحجمية للنفط الموجود في المكان

حيث N- مخزون نفط الخزان في مكانه، [برميل/فدان-قدم]، إذن - جزء من مساحة المسام التي يشغلها النفط (تشبع النفط)، Sw - تشبع الماء، وBo - عامل حجم التكوين الحجمي للنفط عند ضغط الخزان، برميل الخزان/برميل خزان المخزون، أو bbl/STB.

ومن الضروري تحديد أن بعض الماء سيتواجد دائمًا داخل الصخور المكمنية ويجب طرح حجمه من المساحة المتاحة للنفط. يُطلق على هذا الماء عادة اسم الماء الكوني ويفترض أنه غير قابل للانضغاط في هذه المعادلة.

من المفترض أن يشغل مساحة المسام النفط أو الماء، وأنه لن يكون هناك غاز حر. وبالتالي، يجب تطبيق المعادلة كما هي على المكمن عند ضغط نقطة الفقاعة أو أعلى منها، وتُستخدم بشكل عام لحساب النفط الأولي الموجود في المكان.

متوسط المسامية

قد تظهر الصخور الخزانية عمومًا اختلافات كبيرة في المسامية عموديًا ولكنها لا تظهر اختلافات كبيرة جدًا في المسامية الموازية لمستويات الوسط. في هذه الحالة، يتم استخدام المتوسط الحسابي للمسامية أو متوسط المسامية المرجحة بالسمك لوصف متوسط مسامية المكمن. ومع ذلك، فإن التغيير في ظروف الترسيب يمكن أن يتسبب في اختلاف المسامية في جزء واحد من الخزان بشكل كبير عن تلك الموجودة في منطقة أخرى. في مثل هذه الحالات، يتم استخدام المتوسط المرجح للمنطقة أو متوسط المسامية المرجحة بالحجم لتوصيف متوسط مسامية الصخور. يتم التعبير عن تقنيات المتوسط هذه رياضياً بالأشكال التالية:

المتوسط الحسابي