تشبع السوائل في الصخور المكمنية

تشبع السوائل في الصخور المكمنية: أهمية تقييمه في صناعة الطاقة

يمكن تفسير مفهوم تشبع السوائل من خلال ضرب مثل بكوب مملوء بسوائل مختلفة (الشكل 5.1). يوضح الشكل 5.1أ كوبًا مملوءًا بالكامل بالماء، مما يعني أن حجم المسام بالكامل (حجم الزجاج) مشغول بالماء وبالتالي يكون تشبع الماء 100%. تشبع السوائل هو حجم سائل معين في عينة صخرية مقسومًا على حجم المسام. في الشكل 5.1ب، يوجد كوب متطابق يشغله كل من الماء والنفط. هنا، لا يمكن أن يصل تشبع الماء إلى 100% لأن النفط يتقاسم بعض المساحة مع الماء. وكذلك، يحتوي الشكل 5.1ج على الماء والنفط والغاز في نفس الزجاج، وبالتالي فإن تشبع كل سائل سيكون أقل من 100%.

تشبع السوائل في الصخور المكمنية: دليل شامل لفهم خصائص المكامن النفطية والغازية

وبالمثل، تمتلئ الصخور بواحد أو أكثر من السوائل. يساعدنا التشبع بالسوائل في تحديد كمية الهيدروكربونات أو الماء في الصخر.

تعريف

يتم تعريف التشبع على أنه الجزء أو النسبة المئوية لحجم المسام الذي يشغله سائل معين (النفط أو الغاز أو الماء).

ويمكن تصنيف التشبع إلى ثلاث فئات: الماء، النفط، أو الغاز. التشبع المائي Sw هو حجم الماء الموجود في الصخر مقسومًا على حجم المسام:

حيث Sw هو تشبع الماء، وVw هو حجم الماء في المسام [cm3]، وVp هو حجم المسام [cm3].

وبالمثل، فإن تشبع النفط، هو حجم النفط مقسومًا على حجم المسام:

حيث (So) هو تشبع النفط، وVo هو حجم النفط في فراغات المسام [cm3]، وVp هو حجم المسام [cm3].

وأخيرًا، تشبع الغاز Sg، هو حجم الغاز الموجود في الصخر مقسومًا على حجم المسام:

حيث Sg هو تشبع الغاز، وVg هو حجم الغاز في مساحات المسام [cm3]، وVp هو حجم المسام [cm3].

يجب أن يكون مجموع تشبع جميع السوائل في الخزان مساوي للواحد حيث يجب ملء المسام بسائل واحد على الأقل. إذا كان الخزان يحتوي على الماء والنفط والغاز، تصبح المعادلة:

ومع ذلك، إذا كان الخزان يحتوي فقط على النفط والماء، فسيتم تقليل المعادلة إلى Sw + So = 1. على الرغم من أن المعادلة بسيطة جدًا، إلا أنها مفيدة في العثور على تشبع سائل غير معروف رياضيًا.

على غرار المسامية، يتم التعبير عن تشبع السوائل ككسر أو نسبة مئوية؛ ومع ذلك، ضع في اعتبارك أنه يجب استخدامه دائمًا ككسر في العمليات الحسابية.

ويبين الشكل 5.2 مثالاً لشريحة صخرية مجهرية توضح تشبع الماء والنفط والغاز في الفراغات المسامية. كما هو الحال مع المسامية، فإن تشبع السوائل مهم لتقدير كمية الهيدروكربونات في المكمن. ومع ذلك، فمن المهم التمييز بين المسامية وتشبع السوائل. تخبرنا المسامية بالسعة التخزينية القصوى للوسط، بينما يصور تشبع السائل الكمية الدقيقة للسائل الذي يشغل مساحات المسام في نفس الوسط.

الشكل 5.2: رسم تخطيطي يوضح مقطعًا عرضيًا للصخر على المقياس المجهري: (أ) تمتلئ جميع مساحات المسام بالماء (Sw = 1)، (ب) تمتلئ مساحات المسام بالماء والنفط (Sw + So = 1)، و (ج) تمتلئ مساحات المسام بالماء والنفط والغاز (Sw+So+Sg= 1).

تشبع النفط الحرج، Soc

يجب أن يكون تشبع النفط أكبر من حد معين، يعرف باسم "تشبع النفط الحرج"، حتى تتدفق مرحلة (طور) النفط. عند هذا التشبع المحدد، يبقى النفط في المسام ولن يتدفق بشكل أساسي.

تشبع النفط المتبقي، Sor

أثناء عملية إزاحة نظام النفط الخام من الاوساط المسامية عن طريق حقن الماء أو الغاز، سيكون هناك بعض النفط المتبقي الذي يتميز كميًا بقيمة تشبع أكبر من تشبع النفط الحرج. قيمة التشبع هذه هي Sor لتشبع النفط المتبقي. عادةً ما يرتبط مصطلح "التشبع المتبقي" بمرحلة عدم التبليل عندما يتم إزاحته بمرحلة التبلل.

تشبع النفط المتحرك، Som

تشبع النفط المتحرك هو تشبع آخر مثير للاهتمام ويتم تعريفه على أنه جزء من حجم المسام الذي يشغله النفط المتحرك كما يتم التعبير عنه بالمعادلة التالية:

حيث Swc هو تشبع الماء الفطري وSoc هو تشبع النفط الحرج

تشبع الغاز الحرج، Sgc

يتطور الغاز من مرحلة النفط عندما ينخفض ضغط المكمن إلى ما دون ضغط نقطة الفقاعة، ونتيجة لذلك، يرتفع تشبع الغاز مع انخفاض ضغط المكمن. حتى مستوى تشبع محدد، يُعرف باسم تشبع الغاز الحرج، والذي عنده يبدأ الغاز في التحرك، ويكون الطور الغازي غير متحرك.

تشبع الماء الحرج، SWC

غالبًا ما يُشار إلى التشبع المائي الاكبر الذي تظل فيه مرحلة الماء غير متحركة بمصطلحات تشبع الماء الحرج، وتشبع الماء الكوني، وتشبع الماء غير القابل للاختزال بالتبادل.

قياس تشبع السوائل

يمكن تصنيف طرق قياس تشبع السوائل إلى نوعين: طرق مباشره وطرق غير مباشره. تشمل القياسات المباشرة تقنيات التحليل الأساسية التقليدية مثل طرق الاستخلاص (التقطير المعوج وطريقة دين ستارك)، بينما تشمل القياسات غير المباشرة الخواص الكهربائية والضغط الشعري، على التوالي.

طريقة الاستخلاص: التقطير المعوج

بالنسبة لطريقة التقطير المعوجة (الشكل 5.3)، يتم وضع عينة أساسية في حجرة ويتم تسخينها إلى حوالي 1100 درجة فهرنهايت (≈593 درجة مئوية). وذلك لتبخير جميع السوائل الموجودة في النظام (النفط والماء). سوف ترتفع الأبخرة وتصل إلى أنبوب التكثيف حيث يتم تداول الماء البارد. ويحدث تكثيف للسوائل المتبخرة مرة أخرى إلى شكل سائل وسيتم تجميعها في الأسطوانة المتدرجة بعد مرورها عبر أنبوب التكثيف. بمجرد أن نحصل على أحجام النفط والماء من هذه الطريقة ومن خلال معرفة حجم مسام العينة الأساسية، يمكننا حساب تشبع الماء والنفط باستخدام المعادلات على التوالي. تتمثل مزايا طريقة التقطير المعوجة في أنها يمكنها قياس تشبع النفط والماء بشكل مباشر، وهي طريقة سريعة نسبيًا (تستغرق عادةً أقل من ساعة واحدة). العيب الرئيسي لهذه الطريقة هو أن تعريض اللباب لدرجات حرارة عالية جدًا يمكن أن يؤدي إلى تلفها، وبالتالي منع استخدام اللباب الصخري (عينة صخريه) لإجراء تجارب وتحليلات إضافية.

الشكل 5.3: رسم تخطيطي يوضح المعدات التجريبية لطريقة استخلاص التقطير المعوجة.

طريقة الاستخراج: دين ستارك

تُعرف هذه الطريقة أيضًا باسم استخلاص سوكسلت أو استخلاص المذيبات. صمم الكيميائيان دين وستارك هذا الإعداد التجريبي لأول مرة في عام 1920. ولهذه التجربة، يتم وضع عينة أساسية في الجزء العلوي من دورق المذيب، كما هو موضح في الشكل 5.4. المذيبات المستخدمة عادة هي التولوين (مذيب هيدروكربوني) أو خليط من التولوين والميثانول. يمكن استخدام الميثانول في وجود الماء المالح. يتم تسخين المذيب إلى حوالي 230 درجة فهرنهايت (110 درجة مئوية، نقطة غليان التولوين)، بحيث يتبخر الماء الموجود في كل من القلب والمذيب عندما تتجاوز درجة الحرارة في النظام نقطة غليان هذه السوائل. سوف يقوم بخار التولوين بنزع النفط من اللباب في القلب وينتقل للأعلى حيث أن التولوين قابل للامتزاج بالنفط. بمجرد صعود البخار إلى الأعلى، سيصل إلى أنبوب التكثيف الذي يحتوي على ماء تبريد متداول. سوف ينزل كلا السائلين (الماء والمذيب) في الاسطوانة المتدرجة. وبما أن الماء أكثر كثافة من المذيب، فإنه سوف يستقر في قاع الأنبوب المتدرج، في حين أن المذيب المتكثف (كونه أقل كثافة) سوف يتراكم فوق الماء حتى يسقط إلى دورق المذيب. يمكن لهذه الطريقة قياس حجم الماء مباشرة، ويمكن حساب تشبع الماء باستخدام المعادلة إذا كان حجم مسام العينة الأساسية معروفًا. ويحتاج حجم النفط إلى حسابات إضافية باستخدام معادلة توازن المواد. لا يمكننا قياس حجم/تشبع النفط بطريقة دين ستارك مباشرة، حيث يمتزج المذيب مع النفط لتكوين سائل جديد له خصائص سائل مختلفة عن النفط الأصلي. ولذلك، فإن جمع كل السوائل سيكون غير عملي. ومع ذلك، يمكننا حساب تشبع النفط رياضياً حيث أن مجموع كل التشبعات يساوي 1 ومقارنة القيمة مع القيمة التي تم الحصول عليها من طريقة توازن المواد. وتتمثل ميزة طريقة Dean-Stark في أنها لا تلحق الضرر باللباب، ويمكن استخدام العينة الأساسية للتحليل المستقبلي. العيوب هي أن التجربة تستغرق وقتًا طويلاً حيث أنها تستغرق عادةً حوالي 48 ساعة، وأن الوقت المطلوب للتجربة هو أيضًا دالة على النفاذية؛ كلما انخفضت النفاذية، كلما زاد الوقت المطلوب. علاوة على ذلك، في هذه التجربة، يمكننا فقط قياس تشبع سائل واحد مباشرة، وهو الماء، على عكس طريقة التقطير المعوجة التي تقيس تشبع الماء والنفط.

الشكل 5.4: رسم تخطيطي يوضح الإعداد التجريبي لطريقة استخلاص دين ستارك.

توازن المواد

كما ذكرنا سابقًا، يمكن لطريقة دين-ستارك قياس حجم الماء فقط. من أجل العثور على حجم النفط وتشبعه، نحتاج إلى استخدام توازن المادة/الكتلة.

ومع ذلك، علينا الآن أن نفترض وجود نوعين من السوائل في النظام (بافتراض عدم وجود غاز يشغل المسام). ومن المهم أن نلاحظ أننا بحاجة إلى تسجيل وزن العينة الأساسية قبل عملية الاستخراج. أولاً نعلم أن وزن اللباب المشبع (على افتراض أنه يحتوي على نفط وماء) قبل استخراجه يساوي:

Ws = Wd +Ww +Wo

حيث Ws هو الوزن المشبع [g]، Wd هو الوزن الجاف للعينة التي يمكن الحصول عليها بعد عملية الاستخراج [g]، Ww هو وزن الماء في العينة الأساسية [g]، وWo هو وزن النفط في العينة الأساسية [g].

ويمكننا القول أن أوزان الماء والنفط في العينة الأساسية تعادل كثافتهما مضروبة في حجميهما، كما هو موضح أدناه:

Ws = Wd +ρwVw +ρoVo

حيث ρw هي كثافة الماء [g/cm3]، وVw هو حجم الماء في اللباب [cm3]، وρo هي كثافة النفط[g/cm3]، وVo هو حجم النفط في اللباب [cm3] ].

 نحن نعرف ان:

Vw + Vo + Vg = Vp

حيث Vg هو حجم الغاز في اللب [cm3]، وVp هو حجم مسام اللباب [cm3].

وبما أنه لا يوجد لدينا سوى النفط والماء، فيمكن اختصار المعادلة إلى:

Vw + Vo = Vp

للتبسيط، لنفترض:

Vo = x

ومن ثم يمكننا إعادة كتابة المعادلة للحصول على:

Ws = Wd + ρw(Vp − x) + ρox

ومن ثم يمكننا التعويض بالمعادلات للحصول على:

Ws = Wd + ρw(Vp − x) + ρox

بعد ذلك يمكننا إعادة ترتيب المعادلة للحصول على:

Ws - Wd - ρwVp = x(ρo - ρw)

الآن يمكننا حل قيمة x واستبدالها بـ Vo:

أخيرًا، يمكننا قسمة الطرفين على حجم المسام لإيجاد تشبع النفط:

يمكننا التحقق من قيمة تشبع الماء التي تم الحصول عليها من طريقة دين ستارك باستخدام المصطلح البسيط التالي:

حيث Sw هو التشبع بالماء [بلا أبعاد] وكذلك التشبع بالنفط.

ومن المهم الإشارة إلى أن استخدام توازن المواد للعثور على تشبع السوائل يمكن أن يتجاوز طريقة دين ستارك لقياس تشبع السوائل التي تم الحصول عليها من تجارب مختلفة.

متوسط التشبع

يجب أن يتم ترجيح قيم التشبع بواسطة كل من سمك المقطع hi ومسامية المقطع I من أجل حساب متوسط بيانات التشبع بشكل صحيح. يمكن استخدام الصيغ التالية لحساب متوسط تشبع كل مائع مكمن:

حيث يشير الحرف i إلى أي قياس فردي ويمثل hi سمك المقطع.

العوامل المؤثرة على تحديد تشبع السوائل

هناك العديد من العوامل التي يمكن أن تؤثر على تحديد تشبع السوائل، بما في ذلك:

• الطريقة المستخدمة لتحديد تشبع السوائل.

     الطرق المختلفة لها قيود وعيوب مختلفة. على سبيل المثال، يمكن أن يكون تحليل اللباب دقيقًا للغاية ولكنه يستغرق وقتًا طويلاً، في حين أن طرقة تحليل المجسات قد يكون أقل دقة. الطرق الأكثر شيوعًا لتحديد تشبع السوائل هي الطرق المباشرة وكذا طرق التسجيل السلكي (المجسات). تتضمن الطرق المباشرة أخذ عينة من صخور الخزان وقياس تشبع السائل في المختبر. يعد التسجيل السلكي طريقة غير مدمرة تستخدم التقنيات الكهربائية أو النووية لقياس تشبع السوائل في الصخور من حفرة البئر.

• خصائص الصخور الخزانية.

     يمكن أن تؤثر مسامية الصخر ونفاذيته على توزيع السوائل في الصخر، مما قد يجعل من الصعب تحديد تشبع السوائل. تعتبر مسامية الصخر ونفاذيته من العوامل المهمة التي تؤثر على توزيع السوائل في الصخر. الصخور ذات المسامية والنفاذية العالية سيكون لها تشبع سائل أكثر انتظامًا من الصخور ذات المسامية والنفاذية المنخفضة.

• خصائص السوائل الموجودة في الخزان.

     يمكن أن تؤثر اللزوجة والكثافة والتوتر السطحي للسوائل أيضًا على توزيع السوائل في الصخر، وبالتالي تشبع السوائل. اللزوجة هي مقياس لمدى سمك أو رقيق السائل، والكثافة هي مقياس لمدى ثقل السائل، والتوتر السطحي هو القوة الموجودة بين سائلين مختلفين. ستكون السوائل ذات اللزوجة أو الكثافة العالية أقل عرضة للتحرك عبر الصخور، وستكون السوائل ذات التوتر السطحي العالي أكثر عرضة لتشكيل قطرات أو أفلام عند السطح البيني بين سائلين مختلفين.

• وجود الملوثات.

     يمكن أن يؤثر أيضًا وجود الملوثات، مثل سوائل الحفر أو المواد الكيميائية الأخرى، على تحديد تشبع السوائل. يمكن أن تؤثر اللزوجة والكثافة والتوتر السطحي للسوائل الموجودة في المكمن أيضًا على توزيع السوائل في الصخر. يمكن أن يؤثر أيضًا وجود الملوثات، مثل سوائل الحفر أو المواد الكيميائية الأخرى، على تحديد تشبع السوائل. يمكن أن تتداخل هذه الملوثات مع الطرق المستخدمة لقياس تشبع السوائل، ويمكنها أيضًا تغيير خصائص السوائل الموجودة في الخزان.

• دقة المعدات المستخدمة.

دقة المعدات المستخدمة لتحديد تشبع السوائل يمكن أن تؤثر أيضًا على النتائج. دقة المعدات المستخدمة لتحديد تشبع السوائل يمكن أن تؤثر أيضًا على النتائج. من المهم استخدام المعدات التي تمت معايرتها والمعروفة بأنها دقيقة للتطبيق المحدد.

الخلاصة:

تشبع السوائل هو نسبة مئوية تشير إلى مقدار السائل الذي يحتويه الفضاء المسامي داخل الصخر، والذي يعرف بأنه حجم السائل في الصخر مقسومًا على حجم مسامه. في الصخور المكمنية، تكون السوائل عادة عبارة عن هيدروكربونات أو ماء. بعض طرق الاستخلاص المستخدمة لقياس تشبع السوائل تشمل التقطير المعوج وطريقة دين ستارك. وفي كلتا الطريقتين، يتم استخراج السائل من العينة الصخرية ومن ثم قياسه. يمكن لطريقة دين ستارك قياس تشبع الماء فقط، على عكس التقطير المعوج الذي يمكنه قياس تشبع النفط والماء. ولذلك، يتم استخدام تحليل توازن المواد لتكملة طريقة دين ستارك لحساب تشبع النفط أيضًا.

 يجعل طين الحفر من الصعب تقييم تشبع المكمن باستخدام طرق الاستخراج لأنها تتداخل مع تشبع العينات المستخرجة. وبالمثل، فإن درجات الحرارة والضغوط القصوى أثناء استخراج العينات الأساسية تسبب أيضًا تغيرات داخلها، ونتيجة لذلك لا يمكن لطرق الاستخراج تحديد التشبع داخل الخزان بدقة.

فيديو محاضرة تشبع صخور المكمن: 

يمكمنكم مشاهدة محاضرة تشبع صخور المكمن البترولي على اليوتيوب وهي محولة من محاضرة تشبغ الصخور بي دي اف وباوربوينت والرابط هنا.

الكلمات الدلالية:

التشبع الحرج للنفط، توازن المواد، طريقة الاستخلاص، دين ستارك، تشبع الصخور.