التعرف على التوتر السطحي والضغط الشعري: الغوص العميق في الفيزياء البترولية
 |
| فيديو على قناة حقول المعرفة النفطية في البتروفيزياء عن التوتر السطحي والضغط الشعري |
نظرة عامة على التوتر السطحي والضغط الشعري من YouTube
يصف مقطع فيديو الذي تم نشره على قناة "حقول المعرفة النفطية" على اليوتيوب التوتر السطحي والضغط الشعري في صخور مكامن النفط بتفصيل ووضوح كبيرين.
اطلع على محتويات قناة حقول المعرفة النفطية على اليوتيوب
إذا كنت تريد معرفة المزيد عن القوى السطحية وكيفية استخدامها في الأعمال البترولية، فإن قناة "حقول المعرفة النفطية" على اليوتيوب تعد مصدرًا رائعًا. هذه القناة التعليمية مخصصة لمشاركة المعرفة والتجارب والعروض التوضيحية حول التوتر السطحي والضغط الشعري ومفاهيم أخرى مهمة في هندسة البترول.
تتضمن قناة "حقول المعرفة النفطية" على اليوتيوب مجموعة واسعة من المواضيع، بدءًا من أساسيات القوة السطحية وحتى التقنيات المتطورة في مجال النفط والغاز. يتم عرض الأفلام بطريقة مثيرة وسهلة المنال، مما يجعل الموضوعات العلمية المعقدة مفهومة لكل من المبتدئين والخبراء. سواء كنت طالبًا، أو متخصصًا في الصناعة، أو مجرد فضولي، فإن هذه القناة تعد مصدرًا ممتازًا لزيادة معرفتك ومواكبة أحدث الإنجازات في هذا الموضوع.
التجارب والعروض التوضيحية المتعلقة بالقوى السطحية على القناة:
في سلسلة "خصائص صخور مكامن النفط" على اليوتيوب، يناقش المتحدث أهمية التفاعل بين السوائل والصخور في هندسة المكامن، مع التركيز على التوتر السطحي. التوتر السطحي هو القوة المؤثرة على السطح البيني بين السوائل غير القابلة للامتزاج، مثل الهواء والماء أو الزيت، الناتج عن القوى الجزيئية غير المتوازنة. ينطبق التوتر السطحي عند التعامل مع سائلين ويخلق توترًا قابلاً للقياس في السطح البيني. ينشأ الضغط الشعري عندما تتعايش السوائل غير القابلة للامتزاج في الوسائط المسامية، مما يؤدي إلى اختلاف في الضغط عبر الواجهة بسبب الطاقة البينية. يؤدي هذا الاختلاف إلى انحناء الواجهة، مما يؤدي إلى ارتفاع السوائل أو انخفاضها في الأنابيب الشعرية الدقيقة.
ملخص الفيديو:
العلاقة بين التوتر السطحي والضغط الشعري، الذي يتأثر بدرجة الحرارة والضغط، ضرورية لفهم دور القوى البينية في استخلاص النفط. يتناقص التوتر السطحي عمومًا مع زيادة الضغط ودرجة الحرارة، بينما يساوي الضغط الشعري ضغط مرحلة عدم التبلل وضغط مرحلة التبلل. هناك ثلاثة أنواع من الضغط الشعري: الماء ، جدار الغاز، ماء الغاز، والضغط الشعري.
إن ضغط مرحلة الماء عند النقطة 2 يساوي الضغط عند النقطة ناقص رأس الماء أو الضغط الموجود أعلى الواجهة مباشرةً عند النقطة الأولى يمثل ضغط الهواء. يكون الضغط الشعري صفراً في الواجهة الأفقية أو العادية.
في الختام، فإن فهم العلاقة بين التوتر السطحي والضغط الشعري أمر بالغ الأهمية لهندسة المكامن وفهم دور القوى البينية في استخلاص النفط.
نظرة عامة على موضوع المحاضرة وتفاصيلها
مقدمة عن الشد السطحي
يتم تعريف الشد السطحي على أنه القوة المؤثرة عبر سطح السائل والتي تحافظ على جزيئات السائل قريبة من بعضها البعض. يتم الاحتفاظ بجزيئات السائل معًا بواسطة قوى بين الجزيئات، وهي قوى التجاذب أو التنافر بين الذرات والجزيئات.
بعض الأمثلة على القوى بين الجزيئات التي تساهم في التوتر السطحي في السوائل هي:
- قوى فان دير فالس
- الرابطة الهيدروجينية
- التفاعلات الطاردة للماء
قوى فان دير فالس هي قوى جذب ضعيفة توجد بين الذرات والجزيئات. الرابطة الهيدروجينية هي قوة جزيئية قوية جدًا توجد بين ذرة هيدروجين في جزيء واحد وذرة سالبة كهربية مثل الفلور أو النيتروجين أو الأكسجين. التفاعلات الكارهة للماء هي عمليات التنافر بين جزيئات الماء والجزيئات غير القطبية.
كل هذه القوى بين الجزيئات تجذب جزيئات السائل إلى بعضها البعض، مما يخلق ما يسمى بقوى التماسك بين الجزيئات. تتسبب قوى التماسك في مقاومة السوائل للزيادة في مساحة السطح. عندما يكون للسائل توتر سطحي مرتفع، فإنه يكون لديه قوى بين الجزيئات أقوى تحافظ على تماسك الجزيئات. ولهذا السبب يتمتع الزئبق بأحد أعلى التوترات السطحية (485 ملي نيوتن/م عند 20 درجة مئوية)، لأن ذراته تتفاعل بقوة عبر الروابط المعدنية. في المقابل، يبلغ التوتر السطحي للإيثانول 22 ملي نيوتن/متر عند 20 درجة مئوية، نظرًا لأن قوى فان دير فالس هي تفاعلات بين الجزيئات أضعف نسبيًا.
من أمثلة التوتر السطحي أثناء العمل قطرات المطر التي تتخذ شكلًا كرويًا عند سقوطها، وأرجل الحشرات القادرة على الوقوف فوق البرك، والسوائل التي ترتفع داخل الأنابيب الشعرية. عمومًا، ينشأ التوتر السطحي من الطبيعة المتماسكة للجزيئات السائلة، وينبع من مجموعة متنوعة من القوى بين الجزيئات. يعد فهم التوتر السطحي أمرًا أساسيًا لتطبيقات مثل الموائع الدقيقة، وأسطح التنظيف الذاتي، ونفاذية غشاء الخلية، وسلوك المستحلبات أو الرغاوي.
قياس التوتر السطحي:
يمكن قياس التوتر السطحي من خلال عدة طرق تجريبية. تتضمن بعض التقنيات الشائعة ما يلي:
طريقة إسقاط القلادة:
تقيس شكل القطرة المعلقة من نهاية الأنبوب الشعري لتحديد التوتر السطحي. يتضمن ذلك التقاط صور للهبوط وتحليل ملفه الشخصي لحساب التوتر السطحي بناءً على أبعاد القطرة.
طريقة لوحة ويلهيلمي:
تستخدم لوحة رقيقة، عادة ما تكون من البلاتين. يتم قياس القوة المؤثرة على اللوحة أثناء دخولها وخروجها من سطح السائل باستخدام ميزان كهربائي. وهذا يسمح بتحديد التوتر السطحي بالقوة المحسوبة وفقًا لمعادلة فيلهلمي.
طريقة حلقة Du Nouy:
يتم غمر حلقة من الأسلاك الرفيعة، غالبًا ما تكون من البلاتين إيريديوم، في حمام سائل ثم يتم سحبها للخارج. يتم قياس القوة المؤثرة على الحلقة عند خروجها، مما يوفر بيانات لحساب التوتر السطحي.
طريقة الحد الأقصى لضغط الفقاعات:
تقيس الحد الأقصى للضغط اللازم لنفخ فقاعات الهواء ببطء عبر فتحة مغمورة في السائل. هذا الضغط الأقصى يتوافق مع التوتر السطحي.
التوتر السطحي للسوائل النقية:
يعتمد التوتر السطحي للسوائل النقية على درجة الحرارة، ويختلف بشكل كبير بين السوائل العضوية وغير العضوية.
ينشأ التوتر السطحي من قوى التماسك بين الجزيئات الموجودة على السطح. مع ارتفاع درجة الحرارة، يزداد متوسط الطاقة الحركية للجزيئات، مما يسمح لها بالتغلب بسهولة على قوى التماسك هذه. وبالتالي، فإن التوتر السطحي يتناقص خطيًا مع زيادة درجة الحرارة لمعظم السوائل النقية.
تتميز السوائل العضوية مثل الكحوليات والزيوت والوقود بتوتر سطحي منخفض نسبيًا بسبب طبيعتها غير القطبية. قوة قوى فان دير فالس بين الجزيئات منخفضة مقارنة بالسوائل القطبية غير العضوية مثل الماء.
على سبيل المثال، عند 20 درجة مئوية، يبلغ التوتر السطحي للمياه النقية 72 ملي نيوتن / م، بينما يتراوح في السوائل العضوية من حوالي 15-30 ملي نيوتن / م للهيدروكربونات إلى 40 ملي نيوتن / م للكحولات. يحد الشكل غير القطبي وغير المتماثل للجزيئات العضوية من مدى قربها من التجمع في الواجهة.
ويختلف معدل تغير التوتر السطحي مع درجة الحرارة أيضًا بين السوائل العضوية وغير العضوية بناءً على قوى الجزيئات الخاصة بها. يُظهر الماء انخفاضًا كبيرًا نسبيًا بنسبة 15-20% في التوتر السطحي من 0 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية. وفي الوقت نفسه، تظهر السوائل العضوية مثل البنزين والهكسان انخفاضات أكثر تواضعًا بنسبة 5-10٪ فقط خلال نطاق درجة الحرارة هذا.
إن فهم هذه الاختلافات يسمح بالتنبؤ بسلوك الملوثات العضوية في الماء، أو تلوث المياه في تيارات العمليات العضوية. كما أنه يساعد في تطبيقات مثل غمر خزانات النفط بالسطح. تعد النمذجة الدقيقة للتوتر السطحي المعتمد على درجة الحرارة أمرًا أساسيًا للنقل الدقيق لكتلة الواجهة.
التوتر السطحي للمحاليل:
يعتمد التوتر السطحي للمحلول السائل على تركيز المذاب. ومع زيادة تركيز المذاب، يقل التوتر السطحي بشكل عام. يمكن وصف هذا التأثير بواسطة ايزوثرم امتزاز جيبس الذي يربط التغير في التوتر السطحي بالزيادة السطحية للمذاب.
هناك تأثيران رئيسيان يؤديان إلى انخفاض التوتر السطحي مع زيادة تركيز المذاب:
- التأثير الديناميكي الحراري:
يؤدي خلط المذاب بالمذيب إلى زيادة الإنتروبيا وانخفاض التوتر السطحي. يعتمد هذا التأثير على طبيعة التفاعلات بين المذاب والمذيب.
- تأثير الامتزاز:
تمتز الجزيئات المذابة على السطح وتغير القوى بين الجزيئات هناك، مما يقلل بشكل عام من التوتر السطحي. العوامل النشطة السطحية (السطحية) لها تأثير قوي جدًا على التوتر السطحي حتى عند التركيزات المنخفضة.
من خلال تحليل كيفية تغير فائض السطح مع التركيز بالجملة، يمكننا نمذجة اعتماد تركيز التوتر السطحي على المحاليل. هذه المعرفة مفيدة جدًا للتطبيقات التي تتضمن مخاليط متعددة المكونات مثل المستحلبات والرغاوي والمنظفات.
التوتر السطحي والواجهات:
تتمتع جزيئات السائل الموجودة على السطح الحدودي بطاقة مختلفة عن تلك الموجودة في السائل السائب، مما يؤدي إلى التوتر السطحي. يوجد على السطح عدم تناسق في القوى التي تتعرض لها الجزيئات، مما يسبب طاقة زائدة على السطح. بالنسبة لسائلين متلامسين مع بعضهما البعض (مثل الزيت والماء) فإن مصدر التوتر هو عدم توازن القوى عند السطح البيني بين السائلين.
مقدمة للضغط الشعري:
يتم تعريف الضغط الشعري على أنه فرق الضغط عبر الواجهة التي تفصل بين سائلين غير قابلين للامتزاج، مثل الغاز والسائل. إن وجود الضغط الشعري هو نتيجة مباشرة للتوتر السطحي الذي يعمل على طول السطح البيني بين سائلين.
عند غمر أنبوب شعري في سائل، فإن السائل سيرتفع أو ينخفض داخل الأنبوب اعتمادًا على التماسك بين جزيئات السائل والتصاقها بمادة الأنبوب. يحدث هذا الارتفاع أو الانخفاض في الشعيرات الدموية حتى يتم الوصول إلى التوازن بين الجاذبية والتوتر السطحي. ينص قانون جورين على أن ارتفاع التوازن (h) للارتفاع أو الانخفاض داخل الأنبوب الشعري يتناسب طرديًا مع التوتر السطحي (γ) للسائل ويتناسب عكسيًا مع كثافته (ρ) ونصف قطر الأنبوب الشعري (r). المعادلة هي:
h = (2γcosθ) / (ρgr)
حيث:
θ - هي زاوية الاتصال بين الجدار السائل والشعري. يؤدي نصف القطر الصغير والتوتر السطحي العالي إلى ارتفاع الشعيرات الدموية، بينما تؤدي الكثافة العالية وزاوية التلامس إلى انخفاض الشعيرات الدموية. يعد فهم الضغط الشعري أمرًا أساسيًا في تطبيقات مثل صخور الخزان، حيث يتحكم في توزيع السوائل وتدفقها
قياس الضغط الشعري:
لقياس الضغط الشعري، يتم استخدام العديد من الطرق التجريبية بشكل شائع في هندسة البترول بما في ذلك طريقة الطرد المركزي، والنماذج الدقيقة، ونماذج شبكة المسام.
طريقة الطرد المركزي:
في طريقة الطرد المركزي، يتم وضع عينة أساسية مشبعة بالزيت والماء في جهاز طرد مركزي عالي السرعة. تعمل قوة الطرد المركزي على إزاحة السوائل، مما يؤدي إلى توازن الشعيرات الدموية داخل العينة. ومن خلال قياس توزيع التشبع على طول القلب، يمكن تحديد منحنى الضغط الشعري بناءً على التوازن بين قوى الطرد المركزي والقوى الشعرية. توفر هذه الطريقة بيانات دقيقة عن الضغط الشعري، على الرغم من أنها تتطلب إجراءات تجريبية معقدة.
النماذج الدقيقة:
النماذج الدقيقة هي تمثيلات فيزيائية لمساحة المسام، محفورة على ألواح زجاجية على مستوى المسام. إنها توفر إمكانية الوصول البصري إلى آليات التدفق متعدد المراحل ويمكنها تحديد الضغوط الشعرية بشكل مباشر من الانحناءات البينية. ومع ذلك، تفتقر النماذج الدقيقة إلى توزيعات واقعية لحجم المسام مقارنة بالصخور المكمنة.
نماذج شبكة المسام:
تمثل نماذج شبكة المسام المساحة الفارغة في صخور الخزان كأجسام مسام مترابطة وأعناق مسام. يمكن محاكاة الضغوط الشعرية وتكوينات السوائل في الشبكات بناءً على هندسة المسام وخصائص السطح. على الرغم من كونها مثالية، فقد أثبتت نماذج الشبكة فائدتها في تفسير الاتجاهات والتحقق من صحة النظريات.
منحنيات الضغط الشعري:
الضغط الشعري هو فرق الضغط عبر السطح البيني السائل المنحني، كما هو الحال في السطح البيني للسوائل/الموائع في الحلق المسامي الصغير. يعتمد الضغط الشعري على التوتر السطحي بين السوائل وكذلك على هندسة المسام.
يوجد في مكامن البترول منحنيان رئيسيان للضغط الشعري - منحنى التصريف ومنحنى التشرب.
الصرف والتشرب:
- يحدث التصريف عندما تحل مرحلة عدم التبلل (عادة النفط) محل مرحلة التبلل (عادة الماء) في صخرة مشبعة بالماء في البداية. ومع زيادة تشبع الزيت في القلب، يزداد الضغط الشعري أيضًا.
- يحدث التشرب عندما تحل مرحلة التبلل محل مرحلة عدم التبول. في النظام المبلل بالماء، قد يتوافق ذلك مع إزاحة الماء للزيت. ينخفض الضغط الشعري مع زيادة تشبع الماء.
يوجد عادةً تباطؤ بين منحنيات التصريف والتشرب، حيث يعتمد الضغط الشعري لتشبع مرحلة ترطيب معينة على الاتجاه الذي يتغير فيه التشبع. يحدث هذا بسبب تباطؤ زاوية التلامس ومحاصرة مرحلة عدم التبول.
تأثيرات هندسة المسام:
يؤثر شكل وتوزيع أحجام المسام في الصخر أيضًا على منحنيات الضغط الشعري. على سبيل المثال، في تكوين ضيق ومنخفض النفاذية مع مسام صغيرة جدًا، تكون قيم الضغط الشعري أعلى بكثير من الصخور المسامية والنفاذية لتوزيعات السوائل المماثلة.
على هذا النحو، توفر منحنيات الضغط الشعري رؤى أساسية حول خصائص التدفق متعدد المراحل لخزانات النفط، بما في ذلك قابلية البلل وعدم التجانس والاحتياطيات القابلة للاسترداد. يعد القياس الدقيق للضغط الشعري أمرًا ضروريًا لنمذجة الخزان والتنبؤ بالإنتاج.
منحنيات عدم التشبع الشعرية:
يوضح منحنى __إزالة التشبع الشعري__ العلاقة بين الضغط الشعري والتشبع في الوسائط المسامية مثل تلك الموجودة في خزانات البترول. تساعدنا هذه المنحنيات على فهم توزيع السوائل وخصائص التدفق داخل الخزان. تسمح المنحنيات للباحثين بوضع نموذجين رئيسيين يتعلقان بمسامية ونفاذية هياكل الخزانات المختلفة:
1. عتبة الضغط الشعري:
الحد الأدنى من الضغط المطلوب لإزاحة مرحلة الترطيب إلى مرحلة عدم الترطيب.
2. التشبع المتبقي:
التشبع الناتج لمرحلة الترطيب عند ضغوط شعرية عالية بعد تسلل مرحلة عدم الترطيب إلى الوسائط المسامية.
ستختلف خصائص منحنى عدم التشبع الشعري اعتمادًا على ظروف الخزان، والتكوين الجيولوجي، وأنظمة السوائل المعنية، وغيرها من المعالم البيئية. لكن بشكل عام، سيكون للمنحنى شكل سيني، مع عدم التشبع التدريجي عند الضغوط الشعرية المنخفضة يليه إزالة التشبع السريع بمجرد الوصول إلى ضغط العتبة، ثم يتراجع ليترك التشبع المتبقي لمرحلة الترطيب. يمكن تحليل سلوك كل من أنظمة النفط والماء والغاز والمياه من خلال هذه المنحنيات. وهي توفر رؤى أساسية للحسابات التي تتضمن أداء التدفق الداخلي/الخارجي، والصرف/التشرب، وتوزيع التشبع في الخزانات التي تخضع لتقنيات استخلاص النفط المحسنة مثل غمر المياه.
يمكن تضمين المزيد من المحتوى والتحليل هنا بناءً على المخطط العام والغرض من التقرير. ولكن هذا يعطي لمحة عامة عن منحنيات عدم التشبع الشعرية، واستخدامها في تحديد عتبة الضغوط الشعرية والتشبع المتبقي، ولماذا يدرس مهندسو البترول هذه العلاقات بعناية في الخزانات تحت السطح والتحليل الأساسي المختبري.
تطبيقات في هندسة البترول:
إن للفيزياء البترولية وفهم مفاهيم التوتر السطحي والضغط الشعري العديد من التطبيقات المهمة في هندسة البترول وسير عمل المكامن. وعلى وجه التحديد، يتم الاستفادة منها في قياسات النفاذية النسبية، وتوصيف الخزان، وعمليات الاستخلاص المعزز للنفط (EOR).
نفاذية نسبية:
يؤثر التوتر السطحي على التدفق متعدد المراحل في الوسائط المسامية مثل خزانات الهيدروكربون. على هذا النحو، يعد الضغط الشعري والنفاذية النسبية - التي تحدد تفضيلات السوائل في التدفق - من التبعيات الأساسية في نماذج محاكاة المكامن. تساعد تجارب التصريف والشرب على مرحلتين على قياس هذه التبعيات بشكل تجريبي من خلال الاستفادة من اختلافات الضغط الشعري بين المراحل.
توصيف الخزان:
تؤثر تفاعلات التوتر السطحي على مستوى المسام على التشبع وتوزيع السوائل. وهذا يعني أن منحنيات الضغط الشعري التي تم الحصول عليها من الاختبارات الأساسية المتخصصة يمكن أن توفر رؤى لا تقدر بثمن حول خصائص صخور المكمن مثل النفاذية، وهندسة/بنية المسام، وحالة قابلية البلل. أنها تعزز النمذجة الجيولوجية ومحاكاة الخزان الديناميكي.
الاستخلاص المعزز للنفط (EOR):
إن الغمر بالسطح هو أسلوب من تقنيات الاستخلاص المعزز للنفط يهدف إلى تحسين كفاءة المسح في الخزانات. يقلل الفاعل بالسطح من التوتر السطحي بين الماء المحقون والزيت المتبقي. يتم بعد ذلك تعبئة هذا الزيت الإضافي عبر آليات التشرب التلقائي التي تحركها تدرجات الضغط الشعري. ومن ثم يتم تقييم التركيبات والتركيزات الكيميائية المثالية من خلال كيمياء السطح.