قوى الشد السطحي والضغط الشعري
التوتر السطحي والتوترات البينية
عند التعامل مع الأنظمة متعددة الأطوار، من الضروري مراعاة تأثير القوى المؤثرة على السطح البيني عندما يكون سائلان غير قابلين للامتزاج على اتصال. عندما يكون هذان السائلان سائلًا وغازيًا، يُستخدم مصطلح "الشد السطحي" لوصف القوى المؤثرة على السطح البيني. عندما يكون السطح البيني بين سائلين، تسمى القوى المؤثرة التوتر السطحي.
خذ بعين الاعتبار سائلين غير القابلين للامتزاج، الهواء (أو الغاز)، والماء (أو النفط)، كما هو موضح تخطيطيًا في اللاحق. جزيء سائل، بعيد عن السطح البيني، محاط بجزيئات سائلة أخرى، وبالتالي يكون له ناتج محصلة قوة الجذب على الجزيء صفر. ومع ذلك، فإن الجزيء الموجود في السطح البيني لديه قوة تؤثر عليه من جزيئات الهواء (الغاز) الموجودة مباشرة فوق السطح البيني ومن الجزيئات السائلة الموجودة أسفل السطح البيني.
وتكون القوى الناتجة غير متوازنة وتؤدي إلى التوتر السطحي. إن قوة الجذب غير المتوازنة بين الجزيئات تخلق سطحًا يشبه الغشاء ذو توتر قابل للقياس، أي التوتر السطحي. على سبيل المثال.
 |
| رسم توضيحي للتوتر السطحي |
مطلوب قدر معين من العمل لتحريك جزيء الماء من داخل جسم السائل عبر الواجهة. ويشار إلى هذا في كثير من الأحيان باسم الطاقة السطحية الحرة للسائل. يمكن تعريف الطاقة السطحية الحرة، التي تقاس بالإرج لكل سنتيمتر مربع، بأنها الشغل اللازم لإنشاء وحدة مساحة لسطح جديد. عادة ما يتم التعبير عن التوتر السطحي والشد السطحي بوحدة الإرج لكل سنتيمتر مربع.
عند التعامل مع الأنظمة الهيدروكربونية، من الضروري مراعاة ليس فقط السطح البيني بين الغاز والسائل ولكن أيضًا القوى التي تنشط عند السطح البيني بين مرحلتين مكونتين من سائلتين غير قابلتين للامتزاج وبين السوائل والمواد الصلبة.
التعبير الرياضي:
يمكن تقييم التوتر السطحي باستخدام معادلة Young-Dupre. المعادلة هي:
حيث Ϭso هو التوتر السطحي بين النفط والسطح الصلب، [داين/سم]، Ϭsw هو التوتر السطحي بين الماء والسطح الصلب، [داين/سم]، Ϭwo هو التوتر السطحي بين النفط والماء، [داين/سم] و cos ϴ هي الزاوية عند (النفط-الماء) - واجهة صلبة تقاس عبر الماء.
توتر الالتصاق
يحدد توتر الالتصاق، وهو وظيفة التوتر السطحي، أي سائل سوف يبلل المادة الصلبة بشكل تفضيلي.
يتم تعريف توتر الالتصاق AT على أنه:
يشير توتر الالتصاق الإيجابي (AT) إلى أن الماء يبلل السطح الصلب بشكل افضل (الماء مبلل). تشير قيمة (AT) البالغة صفر إلى أن كلا المرحلتين لهما ألفة متساوية للسطح (النظام المحايد). يشير الرقم السالب (AT) إلى أن النفط يبلل السطح الصلب (للنفط مبلل). يحدد حجم شد الالتصاق قدرة مرحلة الترطيب على الالتصاق بالمادة الصلبة والانتشار على سطحها.
 |
| توازن القوى في واجهة الماء-النفط-الصلبة. |
ارتفاع السوائل في الشعيرات
لناخذ كمثال الأنابيب الشعرية، التي لها قطر داخلي للأنبوب صغير جدًا. سوف يرتفع الماء في الأنبوب الشعري فوق مستوى الماء في الوعاء المفتوح الأكبر إذا تم وضع الأنبوب كما هو موضح في الشكل ادناه. هذه الزيادة في الارتفاع تنتج عن: قوى التجاذب (شد الالتصاق) بين الأنبوب والسائل.
1- قابلية تبلل الأنبوب بالماء.
2- الوزن الصغير الذي يمثله عمود السائل الموجود في الأنبوب.
توتر الالتصاق هو القوة التي تميل إلى سحب السائل إلى أعلى جدار الأنبوب. سيرتفع الماء في الأنبوب حتى تتم موازنة القوة الكلية المؤثرة على سحب السائل إلى الأعلى مع وزن عمود السائل الذي يتم دعمه في الأنبوب.
 |
| علاقات الضغط في الأنابيب الشعرية |
يتم الحصول على التعبير المعروف للتوتر السطحي للسائل عن طريق مساواة القوى الصاعدة والهابطة على العمود المرتفع.
قوة للاعلى:
قوة للاسفل:
حيث r نصف قطر الأنبوب الشعري، Ϭgw هو التوتر السطحي بين الهواء (الغاز) والماء [داين/سم]، ϴ هي زاوية التلامس للنظام، h هي ارتفاع العمود، ρw هي كثافة الماء، [gm/cm3 ]، ρ هو كثافة الهواء، [gm/cm3]، وg هو ثابت الجاذبية.
وبما أن كثافة الهواء لا تذكر مقارنة بكثافة الماء، يتم اختصار المعادلة إلى:
عند التوازن، Fu=Fd
لذلك
الضغط الشعري
يمكن تعريف الضغط الشعري (Pc) على النحو التالي:
حيث Pnwt هو ضغط مرحلة عدم الترطيب، وPwt هو ضغط مرحلة الترطيب.
بالنسبة لنظام النفط/الماء في الصخور المسامية، يتم تعريف Pc عمومًا على أنه فرق الضغط بين طور النفط (Po) وطور الماء (Pw)، أي:
بالرجوع إلى الشكل السابق، فإن فرق الضغط عبر السطح البيني بين النقطتين 1 و2 هو في الأساس الضغط الشعري، أي:
ضغط الطور المائي عند النقطة 2 يساوي:
حيث P1 هو ضغط الماء في أعلى عمود الماء، P4 هو ضغط الماء في أسفل العمود، والضغط الناتج عن رأس الماء h.
الضغط الموجود أعلى الواجهة مباشرة عند النقطة 1 يساوي:
حيث p1 وp3 هما ضغط الغاز في الأعلى والأسفل، والضغط الناتج عن عمود الهواء.
وبما أن الدورق كبير مقارنة بالأنبوب الشعري، فإن واجهة الغاز والماء في الدورق تكون أفقية بشكل أساسي. لأن الضغط الشعري يساوي صفرًا عند السطح البيني الأفقي أو المستوي،
P3=P4
طرح المعادلة يعطي:
عمود الهواء مهمل. ولذلك، فإن الضغط في الهواء مباشرة فوق السطح البيني يساوي بشكل أساسي الضغط في الهواء مباشرة فوق مستوى الماء الحر في الوعاء الكبير.
حيث ρc هي كثافة الماء، h هو ارتفاع عمود الماء في الأنبوب فوق ذلك الموجود في الوعاء الكبير.
من خلال موازنة القوى الصاعدة والهابطة:
لذلك
استبدال القيمة المذكورة أعلاه للارتفاع في المعادلة لإعطاء التعبير:
هذا التعبير عن الضغط الشعري من حيث القوى السطحية لنظام الغاز والماء.
θ_wo = التوتر السطحي بين الماء والنفط.
لنظام النفط والماء
h = ارتفاع الشعرية، سم
حيث Pc هو الضغط الشعري، ∆ρ هو فرق الكثافة بين مرحلة الترطيب وعدم الترطيب، [lb/ft3]، وh هو الارتفاع فوق مستوى الماء الحر.
العوامل التي تحكم الضغط الشعري:
1- الشد السطحي أو التوتر السطحي للسائل المعني.
2- قابلية النظام للتبلل. كلما زاد تقارب الطور الأكثر كثافة للمادة الصلبة. الأكبر سيكون الضغط الشعري.
3- حجم (نصف القطر) القنوات الشعيرات. كلما كان نصف القطر أصغر عندما تكون خصائص الترطيب هي نفسها، كلما زاد الضغط الشعري.
القياس المختبري للضغط الشعري
يتم استخدام خمس طرق لقياس الضغط الشعري على العينات الأساسية الصغيرة.
الغشاء المسامي
هي عملية عدم التشبع أو الإزاحة من خلال غشاء مسامي (طريقة استعادة الحالة). تم توضيح طريقة الحجاب الحاجز في الشكل اللاحق.
 |
| طريقة الغشاء |
تتابع خطوات العمل:
1- يتم تشبيع اللباب المكمني ذو الحجم المسامي المعروف بنسبة 100% بالماء ووضعه على اتصال مع الغشاء الرطب المشبع أيضًا بنسبة 100% بالماء. يحتوي الغشاء على مسام صغيرة للغاية ولن يسمح لسائل غير مبلل بالدخول إليه عند الضغوط المستخدمة في الاختبار.
2- يتم بعد ذلك إدخال سائل غير مبلل (نفط، هواء، نيتروجين، إلخ) إلى الخلية عند ضغط مرتفع قليلاً.
3- سيدخل الهواء (أو السائل غير المبلل) إلى جميع المسام الموجودة في العينة الأساسية بضغط شعري أقل من الضغط المطبق.
4- يتم دفع الماء النازح من العينة (اللباب) عبر الغشاء ويجمع في وعاء مناسب.
5- يتم تسجيل حجم الماء المزاح عندما يصبح ثابتاً عند ضغط معين.
يمكن حساب التشبع عن طريق الوزن عند الضغط المعين.
1- يتكرر هذا الإجراء في خطوات لاحقة ذات ضغط أعلى حتى تؤدي زيادة الضغط إلى عدم خروج المزيد من الماء من اللباب (قيمة غير قابلة للاختزال).
يظهر الرسم البياني الناتج للضغط الشعري مقابل التشبع في الشكل ادناه:
 |
| منحنى الضغط الشعري |
2- يسمى الحد الأدنى من الضغط الذي يزيح الماء من المسام الكلي بضغط الإزاحة أو ضغط الدخول.
3- مواجهة أي عملية إزاحة غير قابلة للامتزاج، أي الوصول إلى الحد الأدنى المحدود من التشبع غير القابل للاختزال. ويشار إلى هذا التشبع المائي غير القابل للاختزال باسم الماء الخلقي.
المزايا:
1- الأكثر دقة واستخداما على نطاق واسع.
السلبيات:
1- الوقت اللازم لتنفيذ هذه التقنية: قد يستغرق الأمر عدة أيام للوصول إلى توازن مرضٍ في كل خطوة.
2- عادة لا يتم استخدام هذه الطريقة للعينات غير المجمعة بسبب الصعوبات في الحصول على اتصال شعري مع اللوحة، واحتمال فقدان الحبوب المفرط، وعدم وجود ضغط حصر على العينة.
3- محدودية تحقيق الضغط
حقن الزئبق
وهذا مشابه من حيث المبدأ لطريقة الحالة المستعادة. يظهر جهاز الضغط الشعري الزئبقي في الشكل.
الخطوات:
1- يتم غسل العينة الأساسية، وتجفيفها، وإدخالها أولاً في غرفة الزئبق، ثم يتم إخلاؤها.
2- يتم دفع الزئبق إلى القلب تحت ضغط متزايد.
3- يحدد حجم الزئبق المحقون عند كل ضغطة تشبع المرحلة غير المبللة.
4- يستمر هذا الإجراء حتى تمتلئ العينة الأساسية بالزئبق أو يصل ضغط الحقن إلى قيمة محددة مسبقًا.
5- يتم تحديد حجم المسام مسبقًا.
6- الضغط الشعري هو الضغط المطلق للزئبق.
7- وبالتالي يتم الحصول على منحنى الضغط الشعري مقابل تشبع الزئبق.
المزايا:
1- تقليص وقت التحديد إلى دقائق معدودة.
2- يتم زيادة نطاق فحص الضغط مع إزالة حدود خصائص الغشاء.
 |
| جهاز لطريقة حقن الزئبق. |
العيوب:
الفرق في خصائص الترطيب والفقد الدائم للعينة الأساسية لأنها طريقة مدمرة.
طريقة الطرد المركزي
الطريقة الثالثة لتحديد الخواص الشعرية للصخور المكمنة هي طريقة الطرد المركزي الموضحة في الشكل اللاحق.
تعمل التسارعات العالية في جهاز الطرد المركزي على زيادة مجال القوة المؤثرة على السوائل، مما يُخضع اللباب الصخري، في الواقع، لقوة جاذبية متزايدة.
عندما يتم تدوير العينة بسرعات ثابتة مختلفة، يمكن الحصول على منحنى ضغط شعري كامل.
يتم تحويل سرعة الدوران إلى وحدات قوة في مركز العينة الأساسية، ويتم قراءة كمية السائل الذي تمت إزالته بصريًا بواسطة المشغل.
 |
| قياس منحنيات الضغط الشعري بطريقة الطرد المركزي |
مزايا طريقة الطرد المركزي:
- زيادة سرعة الحصول على البيانات.
- يمكن إنشاء منحنى كامل خلال ساعات قليلة، أما طريقة الغشاء المسامي فتتطلب أياماً.
- غير مدمر.
سلبيات طريقة الطرد المركزي:
- تفسير البيانات أكثر تعقيدًا، وقد يتطلب الأمر محاكاة رقمية.
- من الصعب حساب الزيادة في سرعة الوصول إلى التوازن مقارنة بطريقة الغشاء المسامي حيث يبدو أن نفس قوى المقاومة موجودة في القلب.
إذا تم وضع العينة المشبعة بالمحلول الملحي ذات الكثافة ρ1 في جهاز طرد مركزي يدور بسرعة n دورة في الدقيقة. تقع العينة داخل وسط ذو ثقل نوعي ρ2 (الهواء أو النفط). يتم الحصول على الحد الأقصى لفرق الضغط على الوجه النهائي للنواة من خلال المعادلة.
حيث ∆p هو فرق الضغط على الوجه النهائي، h هو نصف قطر لوحة الطرد المركزي، γ ثابت اعتمادًا على الجهاز، و A ثابت اعتمادًا على الوحدات.
التباطؤ الشعري
من المتفق عليه بشكل عام أن مسام صخور الخزان كانت مملوءة في الأصل بالماء، وبعد ذلك انتقل النفط إلى الخزان، مما أدى إلى إزاحة بعض الماء وتقليل الماء إلى بعض التشبع المتبقي. عند اكتشافه، تمتلئ مسام الخزان بتشبع الماء والنفط. تم تصميم جميع التجارب المعملية لتكرار تاريخ تشبع الخزان. تسمى عملية توليد منحنى الضغط الشعري عن طريق إزاحة مرحلة الترطيب، أي الماء، بمرحلة عدم الترطيب (كما هو الحال مع الغاز أو النفط) بعملية الصرف.
تحدد عملية الصرف هذه تشبع السوائل الذي يتم العثور عليه عند تغطية الخزان. تتضمن عملية التدفق الرئيسية الأخرى ذات الأهمية عكس عملية الصرف عن طريق إزاحة مرحلة عدم الترطيب (مثل النفط) مع مرحلة الترطيب (على سبيل المثال، الماء).
تُسمى عملية الإزاحة هذه بعملية التشرب، ويسمى المنحنى الناتج بمنحنى التشرب بالضغط الشعري. تسمى عملية تشبع النواة وعدم تشبعها خلال مرحلة عدم التبول بالتباطؤ الشعري. يوضح الشكل اللاحق منحنيات ضغط الشعيرات النموذجية للتصريف والتشرب. منحنيي تشبع الضغط الشعري ليسا متماثلين. ويرتبط هذا الاختلاف في التشبع وعدم التشبع في منحنيات الضغط الشعري ارتباطًا وثيقًا بحقيقة أن زوايا التلامس المتقدمة والمتراجعة للواجهات البينية للسوائل على المواد الصلبة مختلفة.
في كثير من الأحيان، في أنظمة النفط الخام والمحلول الملحي الطبيعي، قد تتغير زاوية التلامس أو قابلية البلل مع مرور الوقت. وبالتالي، إذا تعرضت عينة صخرية تم تنظيفها جيدًا باستخدام مذيبات متطايرة للنفط الخام لفترة من الوقت، فسوف تتصرف كما لو كانت مبللة بالنفط. أما إذا تعرض للمحلول الملحي بعد التنظيف فإنه سيبدو رطبا. في الوقت الحاضر، إحدى أكبر المشاكل التي لم يتم حلها في صناعة النفط هي مشكلة قابلية بلل صخور الخزان.
 |
| تباطؤ الضغط الشعري |
استعمال بيانات المختبر:
لاستخدام بيانات الضغط الشعري المختبرية، من الضروري التحويل إلى ظروف المكمن. يتم الحصول على البيانات المخبرية باستخدام نظام الماء الغازي أو نظام الماء النفطي، والذي لا يمتلك عادةً نفس الخصائص الفيزيائية لمياه الخزان أو النفط أو الغاز. كما هو موضح سابقًا، يتم التعبير عن الضغط الشعري عن طريق الأنبوب الشعري:
وبالنظر إلى حالة معينة حيث يتم تحديد القيم في المختبر باستخدام الغاز والماء، يصبح الضغط الشعري:
حيث σ_wg هو التوتر السطحي بين الغاز والماء المستخدم في الاختبارات المعملية، وr هو نصف قطر الشعيرات.
الضغط الشعري الذي يمكن أن يوجد إذا كانت سوائل الخزان والنفط والماء،
سيتم استخدامها في نفس الشعيرات
حيث σ_wois التوتر السطحي بين ماء المكمن والنفط عند درجة حرارة المكمن وضغطه، θ_wois زاوية الاتصال لمياه الخزان والنفط، و r هو نصف قطر الشعيرات.
وبمقارنة معادلات الضغط الشعري في المختبر والمكمن، وجد أن الضغط الشعري في الخزان هو:
وبالتالي، يمكن حساب الضغط الشعري للمكمن من الضغط الشعري المختبري عندما يتم معرفة التوتر السطحي وزاوية الاتصال بين النفط والماء في المكمن والغاز والماء في المختبر.
ما الذي يمكن تحديده من منحنى الضغط الشعري؟
1) من الممكن من منحنى الضغط الشعري حساب متوسط حجم المسام التي تشكل جزءًا من إجمالي مساحة المسام.
2) بالنسبة لـ r بشرط أنه يمكن تقييم التوتر السطحي Ϭ وزاوية التلامس ϴ.
3) توزيع السوائل في المكمن قبل استغلاله. يمكن تحويل بيانات تشبع الضغط الشعري إلى بيانات تشبع الارتفاع للارتفاع h فوق مستوى الماء الحر.
التباطؤ الشعري، الطلقة السطحية، توتر الالتصاق، القوى السطحية.