انضغاطية صخور مكامن النفط

تُعد انضغاطية الصخور المكمنية (Rock Compressibility) من الخصائص المهمة في هندسة المكامن، لأنها تصف استجابة حجم الصخر أو حجم مسامه للتغير في الضغط والإجهاد. وعند انخفاض ضغط المكمن أثناء الإنتاج، قد يزداد الإجهاد الفعال المؤثر في الهيكل الصخري، فينخفض حجم المسام وقد يحدث انضغاط للمكمن. (آخر تحديث للمقال في نوفمبر 2026)

يركز هذا المقال على التعريفات الهندسية لأنواع الانضغاطية، والعلاقة بين ضغط المسام والإجهاد الفعال، وطرق القياس المختبري، والارتباطات التجريبية التي تُستخدم لتقدير انضغاطية التكوين عند عدم توفر قياسات مباشرة. أما المحاضرة والفيديو المرتبطان بالموضوع فيمكن الوصول إليهما من صفحة محاضرة انضغاطية صخور المكمن النفطي.

تمثيل بصري لمفهوم انضغاط الصخور وتأثر حجمها بالضغط.

مفهوم انضغاطية الصخور المكمنية

يمكن تقريب الفكرة بتشبيه الإسفنج المسامي؛ فعند الضغط عليه يتغير حجمه الداخلي وقد يخرج منه بعض الماء. وبالمثل، قد تتغير أحجام المسام في الصخور عند تغير الإجهاد المؤثر فيها. لكن سلوك الصخور يعتمد على تركيبها المعدني، ودرجة تماسكها، وهندسة المسام، وتاريخ الإجهادات التي تعرضت لها، ولذلك لا تتصرف جميع الصخور بالطريقة نفسها.

تُعرّف الانضغاطية عمومًا بأنها التغير النسبي في الحجم لكل وحدة تغير في الضغط أو الإجهاد، وفق اصطلاح القياس المستخدم. ويجب تحديد نوع الحجم والضغط المقصودين عند كتابة العلاقة الحسابية؛ لأن انضغاطية الحبيبات تختلف عن انضغاطية حجم الصخر الكلي وعن انضغاطية حجم المسام.

في الدراسات المكمنية، يُستخدم مفهوم الإجهاد الفعال لتفسير أثر ضغط المسام في الهيكل الصخري. ويمكن تمثيل العلاقة بصورة مبسطة كما يلي:

σ′ ≈ σ_total − αP_p

حيث σ′ هو الإجهاد الفعال، وσ_total الإجهاد الكلي، وP_p ضغط المسام، وα معامل بايوت (Biot Coefficient). وفي بعض الحسابات المبسطة يُقرب α إلى الواحد، لكن القيمة الدقيقة تعتمد على خصائص الصخر والنموذج المستخدم.

عندما ينخفض ضغط المسام بينما يبقى الإجهاد الكلي قريبًا من الثبات، يزداد الإجهاد الفعال غالبًا. وقد يؤدي ذلك إلى انخفاض حجم المسام وتغير المسامية، وقد يمتد الأثر إلى نفاذية الصخر واستجابة المكمن للإنتاج.

العلاقة بين الضغط والمسامية

تعتمد المسامية على بنية الصخر وحالة الإجهاد التي يتعرض لها. ومع زيادة الإجهاد الفعال، قد تنضغط المسام أو تتغير أعناقها، وتكون الاستجابة أكثر وضوحًا في بعض الصخور الضعيفة التماسك أو الغنية بالطين. وقد تكون بعض التغيرات مرنة وقابلة للاسترداد عند تخفيف الإجهاد، بينما قد تحدث تغيرات غير مرنة أو دائمة إذا تجاوز الإجهاد حدودًا معينة.

يمكن التعبير عن انضغاطية حجم المسام باستخدام العلاقة:

C_p = −(1/V_p) (∂V_p/∂σ′)

حيث C_p انضغاطية حجم المسام وفق تعريفها بالنسبة إلى الإجهاد الفعال، وV_p حجم المسام، وσ′ الإجهاد الفعال. وبهذا الاصطلاح تكون قيمة الانضغاطية موجبة عندما ينخفض حجم المسام مع زيادة الإجهاد الفعال.

المعادلة الأصلية المتعلقة بتغير المسامية؛ ينبغي تفسير رموزها وفق تعريف الضغط المستخدم في المصدر.

يوضح الشكل التالي مثالًا على تغير المسامية تحت تأثير الضغط. وتختلف شدة الاستجابة باختلاف الصخر والإجهاد الفعال وتاريخ التحميل، لذلك لا ينبغي اعتبار المنحنى قاعدة موحدة لجميع المكامن.

يوضح الرسم العلاقة بين الضغط الطبيعي والمسامية، وفق مصدر الشكل الأصلي.

ورد في الشرح الأصلي مثال لانخفاض المسامية من 20% إلى 19.9% عند تغير الضغط بمقدار 70 بار. وهذا يعادل انخفاضًا بمقدار 0.1 نقطة مئوية، أي انخفاضًا نسبيًا مقداره 0.5% من المسامية الابتدائية. ويجب التعامل مع هذا المثال بوصفه قيمة توضيحية خاصة، لا علاقة عامة تنطبق على جميع أنواع الصخور.

أنواع الانضغاطية

1. انضغاطية الحبيبات أو مصفوفة الصخر

تصف انضغاطية الحبيبات (Grain أو Matrix Compressibility) التغير النسبي في حجم المادة الصلبة المكوّنة للصخر تحت تأثير تغير الضغط أو الإجهاد. ويرتبط هذا السلوك بالخصائص المرنة للمعادن وبظروف التحميل.

C_g = −(1/V_g) (∂V_g/∂σ′)

المعادلة الأصلية المستخدمة لوصف استجابة حجم المادة الصلبة للضغط.

حيث C_g انضغاطية الحبيبات، وV_g حجم المواد الصلبة. وتعتمد القيمة على نوع المادة والضغط وشروط القياس.

2. الانضغاطية الحجمية للصخر

تصف الانضغاطية الحجمية (Bulk Rock Compressibility) التغير النسبي في الحجم الكلي للعينة الصخرية، بما فيه الحبيبات والمسام، عند تغير الإجهاد. ويجب أن تُعرّف هذه الخاصية على أساس هندسي متسق مع شروط التحميل في الاختبار.

C_b = −(1/V_b) (∂V_b/∂σ′)

المعادلة الأصلية المرتبطة بتغير الحجم الكلي للصخر.

حيث C_b الانضغاطية الحجمية، وV_b الحجم الكلي للعينة.

3. انضغاطية حجم المسام

تصف انضغاطية حجم المسام (Pore Volume Compressibility) مقدار التغير النسبي في حجم المسام عند تغير الإجهاد الفعال. وتكتسب هذه الخاصية أهمية خاصة في هندسة المكامن لأن تغير حجم المسام قد يؤثر في سعة تخزين الموائع وفي استجابة المكمن عند انخفاض ضغطه.

C_p = −(1/V_p) (∂V_p/∂σ′)

تُستخدم انضغاطية التكوين (Formation Compressibility) في بعض حسابات هندسة المكامن بوصفها تمثيلًا لانضغاطية حجم المسام أو استجابته للضغط وفق تعريف المرجع المستخدم. ولهذا يجب تحديد التعريف والضغط المرجعيين قبل مقارنة القيم أو إدخالها في الحسابات.

لا يصح اعتبار انضغاطية التكوين مجموعًا حسابيًا مباشرًا لانضغاطية الحبيبات وانضغاطية المسام دون مراعاة تعريف كل كمية والقيود الميكانيكية وظروف الاختبار. كما أن الانضغاطية الحجمية للصخر وانضغاطية حجم المسام ليستا متساويتين بالضرورة.

مصادر الإجهاد وتأثيرها في الصخر

تتعرض الصخور المكمنية إلى منظومة من الإجهادات والضغوط، ويؤثر التوازن بينها في مقدار انضغاط الصخر وتغير مساميته. ومن أهم العوامل:

• الإجهاد الكلي أو ضغط الغطاء الصخري: ينتج أساسًا من وزن الصخور الواقعة فوق العمق المدروس.
• ضغط المسام: الضغط الذي تمارسه الموائع داخل المسام، وهو أحد العوامل المؤثرة في الإجهاد الفعال.
• الإجهادات الأفقية والقيود الجيولوجية: ترتبط بالتشوهات الجيولوجية والتحميل الجانبي وطبيعة التكوين.
• نوع الصخر وبنيته: تؤثر المعادن والتماسك والمسامية وهندسة المسام في استجابة الصخر للتحميل.

عند إنتاج السوائل وانخفاض ضغط المسام، قد يزداد الإجهاد الفعال المؤثر في الهيكل الصخري، مما يؤدي إلى انضغاط بعض المسام. ويمكن أن يساهم هذا التغير في دعم الإنتاج من خلال تحرير جزء من الطاقة المرنة المخزنة، لكنه قد يؤدي أيضًا إلى انخفاض المسامية أو النفاذية أو حدوث هبوط سطحي في بعض الظروف.

تعتمد أهمية هذه التأثيرات على نوع المكمن ومقدار تغير الضغط وصلابة الصخر وشروط الحصر. لذلك ينبغي تقييمها من خلال بيانات قياس أو نماذج ملائمة، بدل افتراض أن الاستجابة متساوية في جميع المكامن.

قياس انضغاطية الصخور مختبريًا

يُعد القياس المختبري على عينات اللباب الصخري من الطرق المهمة لتحديد انضغاطية الصخر عند تغير الضغط. ويمكن أن تُجرى الاختبارات بتغيير الضغط المحيط بالعينة أو ضغط المسام بصورة مضبوطة، ثم قياس تغير حجم العينة أو حجم المسام وفق نوع الاختبار.

تتطلب النتائج القابلة للمقارنة توثيق حالة تشبع العينة ودرجة الحرارة والضغط المحيط وضغط المسام، إضافة إلى تعريف الانضغاطية الذي يستخدمه الاختبار. وقد تختلف استجابة الصخر عند التحميل عنها عند تخفيف الضغط، خصوصًا إذا حدث تغير غير مرن.

قياس تغير حجم المسام

يمكن استخدام منظومة اختبار تسمح بتغيير ضغط المسام والضغط المحيط بعينة اللباب. وتُقاس التغيرات الحجمية الناتجة من هذه التغيرات في ظروف مختبرية مضبوطة، ثم يُحسب معامل الانضغاطية من التغير النسبي في الحجم لكل وحدة تغير في الإجهاد أو الضغط المحدد في طريقة الاختبار.

مثال توضيحي لمنظومة مختبرية تستخدم لدراسة تغير حجم المسام تحت الضغط.

تُحسب الانضغاطية من التغير المقاس وفق التعريف المعتمد. وفي التطبيقات التي تُهمل فيها بعض مكونات الانضغاطية مقارنةً بانضغاطية حجم المسام، يمكن استعمال تقريب مناسب، لكن يجب بيان فروضه وعدم تعميمه دون تحقق.

الارتباطات التجريبية لتقدير انضغاطية التكوين

عندما لا تتوفر قياسات مختبرية مباشرة، يمكن استخدام ارتباطات تجريبية تربط انضغاطية التكوين بالمسامية ونوع الصخر. ومن الارتباطات المعروفة ارتباط Hall (1953) وارتباط Newman (1973). وتبقى هذه العلاقات تقديرات مبنية على مجموعات عينات محددة، لذلك قد لا تمثل جميع أنواع الصخور وظروف الإجهاد والضغط في المكمن المدروس.

ارتباط Hall

اقترح Hall علاقة تجريبية لتقدير انضغاطية التكوين اعتمادًا على المسامية. وتُكتب الصيغة الشائعة لها كما يلي:

C_f = (1.782 / φ^0.438) × 10⁻⁶ psi⁻¹

حيث C_f انضغاطية التكوين، وφ المسامية بوصفها كسرًا عشريًا، لا نسبة مئوية. يُستخدم هذا الارتباط كتقدير أولي، وتظل دقته مرتبطة بمدى ملاءمة بياناته للصخر المدروس.

المعادلة الأصلية المرتبطة بتقدير انضغاطية التكوين من المسامية.

ارتباط Newman

طوّر Newman علاقة تجريبية لتقدير انضغاطية التكوين من المسامية، مع معاملات تختلف باختلاف نوع الصخر. وتُستخدم الصيغة العامة التالية:

C_f = a / [1 + cbφ]^1/b

حيث φ المسامية بوصفها كسرًا عشريًا، وa وb وc معاملات تجريبية. ومن القيم المنشورة للصخور الرملية المتماسكة:

• a = 97.32 × 10⁻⁶
• b = 0.699993
• c = 79.8181

أما القيم المستخدمة في ارتباط الحجر الجيري فهي:

• a = 0.8535
• b = 1.075
• c = 2.202 × 10⁶

يجب استخدام المعاملات كوحدة متكاملة وفق الارتباط الأصلي، وعدم نقل معاملات نوع صخري إلى نوع آخر دون مبرر. كما أن هذه العلاقة لا تُغني عن القياس المباشر حين تتطلب الدراسة دقة عالية.

الصيغة المصورة لارتباط Newman، مع ضرورة مطابقة الرموز والمعاملات للصيغة المكتوبة.

رسم توضيحي لعلاقة انضغاطية التكوين بالمسامية، وفق البيانات الأصلية المرفقة.

انضغاطية المكمن الكلية

في حسابات هندسة المكامن، لا يقتصر تغير الحجم مع الضغط على الهيكل الصخري؛ إذ تتأثر الموائع الموجودة في المسام أيضًا بتغير الضغط. ويُستخدم مفهوم الانضغاطية الكلية للمكمن (Total Reservoir Compressibility) لتجميع مساهمات انضغاطية التكوين وانضغاطية الموائع وفق التشبعات.

C_t = C_f + S_oC_o + S_wC_w + S_gC_g

حيث C_t الانضغاطية الكلية، وC_f انضغاطية التكوين وفق التعريف المستخدم، وC_o وC_w وC_g انضغاطية النفط والماء والغاز، أما S_o وS_w وS_g فهي تشبعات هذه الأطوار. وتدخل هذه العلاقة في بعض معادلات الجريان وتحليل توازن المواد، مع مراعاة الفروض المناسبة لنوع المكمن.

العوامل المؤثرة في انضغاطية الصخور

تتأثر انضغاطية الصخور المكمنية بمجموعة عوامل متداخلة، أهمها:

• نوع الصخر وتركيبه المعدني: تختلف الاستجابة بحسب المعادن والتماسك والإسمنتة وبنية الحبيبات.
• المسامية وهندسة المسام: تؤثر بنية المسام وأعناقها في استجابة الحجم للضغط، لكن العلاقة بين المسامية والانضغاطية ليست واحدة لجميع أنواع الصخور.
• الإجهاد الفعال والضغط: يتوقف التغير الحجمي على مستوى الإجهاد ومسار التحميل وتاريخ الضغط.
• درجة الحرارة: قد تؤثر في الخصائص الميكانيكية للصخر والموائع، ويعتمد اتجاه الأثر ومقداره على النظام المدروس.
• درجة التماسك والتشوه السابق: قد تختلف الاستجابة بين الصخور المتماسكة والضعيفة التماسك، وبين التحميل الأولي ودورات التحميل والتفريغ.

لذلك لا يمكن اعتماد قاعدة مطلقة مفادها أن الحجر الرملي أكثر انضغاطية من الحجر الجيري، أو أن الانضغاطية تزداد دائمًا بزيادة المسامية. ينبغي تقييم هذه العلاقات على أساس نوع الصخر والضغط وشروط القياس.

الخلاصة

تصف انضغاطية صخور المكامن استجابة حجم الصخر أو حجم مسامه للتغير في الضغط والإجهاد. ويُعد التمييز بين انضغاطية الحبيبات والانضغاطية الحجمية وانضغاطية المسام ضروريًا لتجنب الخلط بين المعاملات المستخدمة في الحسابات.

يمكن تحديد الانضغاطية من القياسات المختبرية، أو تقديرها باستخدام ارتباطات تجريبية مثل Hall وNewman عندما تكون البيانات المباشرة غير متاحة. لكن يجب اختيار العلاقة التي تناسب نوع الصخر، والتحقق من الوحدات والمعاملات، وعدم اعتبار أي ارتباط تجريبي بديلًا مضمون الدقة عن القياس.

تكتسب هذه الخاصية أهمية في تحليل انخفاض ضغط المكمن، وتقدير استجابة حجم المسام، وتقييم مساهمة انضغاطية التكوين في سلوك الإنتاج. ويجب دمجها مع بيانات الضغط والمسامية وخصائص الموائع والبيانات الجيوميكانيكية عند الحاجة.

فيديو انضغاطية صخور مكامن النفط والغاز

يتناول الفيديو التالي موضوع انضغاطية صخور المكامن النفطية والغازية، بوصفه مادة مكملة للشرح والمعادلات الواردة في المقال.