التوتر السطحي والضغط الشعري في صخور المكامن النفطية

يؤثر التوتر السطحي والضغط الشعري في سلوك السوائل داخل صخور المكامن النفطية، بما في ذلك توزيع النفط والماء والغاز وحركتها خلال المسام. ويساعد فهم هاتين الخاصيتين على تفسير الضغط داخل المكمن، وتحليل نتائج الاختبارات المعملية، وتقييم عمليات الإنتاج واستخلاص النفط.

يركز هذا المقال على الفرق بين التوتر السطحي والتوتر البيني، ومفهوم الضغط الشعري والعوامل المؤثرة فيه، وطرق قياسه وتطبيقاته في هندسة المكامن.

تؤثر القوى البينية والضغط الشعري في توزيع السوائل داخل مسام الصخور المكمنية وحركتها.

1. التوتر السطحي والتوتر البيني

ينشأ التوتر السطحي (Surface Tension) عند السطح الفاصل بين سائل وغاز، مثل سطح الماء الملامس للهواء، نتيجة اختلاف التفاعلات الجزيئية عند السطح عن تلك الموجودة داخل السائل. وتقاوم هذه الخاصية زيادة مساحة السطح، ويمكن التعبير عنها بالقوة لكل وحدة طول، وتقاس عادةً بوحدة نيوتن لكل متر (N/m).

أما التوتر البيني (Interfacial Tension)، فيشير إلى التوتر عند السطح الفاصل بين طورين مختلفين، مثل النفط والماء اللذين لا يمتزجان امتزاجًا كاملًا. ويُعد التوتر البيني بين النفط والماء من الخصائص المهمة في أنظمة الموائع داخل المكامن.

تتأثر قيم التوتر السطحي والبيني بطبيعة السوائل وتركيبها الكيميائي ودرجة الحرارة، وقد تتأثر أيضًا بالضغط والتركيب عند ظروف المكمن. لذلك لا يصح افتراض أن القيمة تتغير بالمعدل نفسه في جميع الأنظمة.

لمزيد من الشرح، يمكنك قراءة مقال التوتر السطحي وخصائصه.

2. ما الضغط الشعري؟

الضغط الشعري (Capillary Pressure) هو فرق الضغط عبر السطح الفاصل بين طورين غير ممتزجين داخل الوسط المسامي. وفي الاصطلاح الشائع للمكامن النفطية، يُعرَّف بأنه ضغط الطور غير المبلِّل مطروحًا منه ضغط الطور المبلِّل.

Pc = Pnw − Pw

حيث:

• Pc: الضغط الشعري.
• Pnw: ضغط الطور غير المبلِّل.
• Pw: ضغط الطور المبلِّل.

فعلى سبيل المثال، في نظام صخر مبلل بالماء ويحتوي على الماء والنفط، يكون الماء عادةً الطور المبلِّل والنفط الطور غير المبلِّل. وينشأ فرق الضغط من التوتر البيني وانحناء السطح الفاصل داخل المسام والحناجر المسامية.

3. العلاقة بين الضغط الشعري والتوتر البيني

يرتبط الضغط الشعري بالتوتر البيني وانحناء السطح الفاصل بين الموائع. وفي نموذج مبسط لمسام أسطواني، يمكن التعبير عن العلاقة التقريبية كما يأتي:

Pc ≈ 2σ cosθ / r

حيث:

• σ: التوتر البيني بين الطورين.
• θ: زاوية التلامس، مقاسة وفق اصطلاح محدد من خلال الطور المبلِّل.
• r: نصف القطر الفعال للمسام أو العنق المسامي في النموذج المبسط.

توضح العلاقة أن الضغط الشعري قد يزداد عند ارتفاع التوتر البيني أو انخفاض نصف قطر المسام الفعال. لكن المسام الحقيقية في الصخور ليست أسطوانات منتظمة؛ لذلك تعتمد العلاقة الفعلية على هندسة المسام وتوزيع أحجامها وحالة البلل ودرجة تشبع الصخور بالموائع.

وتساعد هذه العلاقة على فهم سبب احتفاظ بعض الصخور بالنفط أو الماء داخل المسام، ولماذا تتطلب إزاحة أحد الطورين ظروف ضغط مناسبة.

4. الارتفاع الشعري والعلاقة بالجاذبية

يمكن ملاحظة تأثير القوى الشعرية عند وضع أنبوب دقيق في سائل؛ فقد يرتفع السائل أو ينخفض داخله وفقًا لزاوية التلامس والتوتر السطحي وفرق الكثافة بين الطورين. ويحدث ذلك حتى يتوازن تأثير القوى الشعرية مع تأثير الجاذبية.

في حالة أنبوب أسطواني مثالي، يمكن تقدير ارتفاع السائل أو انخفاضه بالعلاقة:

h = 2σ cosθ / (Δρ g r)

حيث h ارتفاع السائل أو انخفاضه، وΔρ فرق الكثافة بين الطورين، وg تسارع الجاذبية، أما الرموز الأخرى فكما عُرّفت سابقًا.

تساعد هذه الفكرة على تفسير وجود منطقة انتقالية بين الماء والهيدروكربونات في بعض المكامن، إذ تؤثر القوى الشعرية في التوزيع الرأسي للموائع إلى جانب الجاذبية وخصائص الصخور.

5. العوامل المؤثرة في الضغط الشعري

يتأثر الضغط الشعري بمجموعة من الخصائص التي يجب مراعاتها عند تحليل المكامن النفطية، ومن أهمها:

• التوتر البيني: يؤثر في مقدار فرق الضغط اللازم لتحريك السطح الفاصل بين الطورين.
• حجم المسام والحناجر المسامية: ترتبط الحناجر الأصغر عادةً بقوى شعرية أكبر عند تساوي العوامل الأخرى.
• قابلية البلل: تحدد ميل سطح الصخر إلى البلل بالماء أو النفط، وتؤثر في زاوية التلامس وتوزيع الموائع.
• تشبع الصخور بالموائع: يتغير الضغط الشعري مع تغير التشبع، ولهذا تُستخدم منحنيات الضغط الشعري لوصف العلاقة بين الضغط والتشبع.
• خصائص السوائل وظروف المكمن: قد يؤثر تركيب السوائل ودرجة الحرارة والضغط في التوتر البيني وسلوك الموائع.

للتعرف على العلاقة بين تفضيل السطح الصخري للماء أو النفط وتوزيع الموائع، راجع مقال قابلية البلل في الصخور المكمنية.

6. قياس الضغط الشعري

تُستخدم عدة طرق معملية لتحديد العلاقة بين الضغط الشعري وتشبع الصخور بالموائع. ويعتمد اختيار الطريقة على نوع العينة والموائع والهدف من الاختبار.

طريقة الطرد المركزي

توضع العينة الصخرية في جهاز طرد مركزي، ويُستخدم التسارع الناتج لإحداث فرق ضغط يؤدي إلى إعادة توزيع السوائل داخل العينة. وتُحلل بيانات الضغط والتشبع للحصول على معلومات عن الضغط الشعري. وتتطلب الطريقة تصحيح البيانات وتفسيرها وفق إعدادات الاختبار وخصائص العينة.

طريقة الغشاء المسامي

تستخدم هذه الطريقة غشاءً مساميًا شبه نافذ يسمح بمرور أحد الطورين ويحد من مرور الآخر وفق فرق الضغط. وتُستخدم للوصول إلى حالات توازن بين الضغط والتشبع، وقد تكون مناسبة لقياسات الضغط الشعري في أنظمة الموائع المختبرية.

حقن الزئبق

تُستخدم تقنية حقن الزئبق في بعض الاختبارات لتقدير توزيع أحجام الحناجر المسامية من خلال علاقة الضغط بحجم الزئبق المحقون. ولأن نظام الزئبق والصخر يختلف عن نظام الموائع المكمنية، فإن الاستفادة من النتائج في نمذجة المكامن تتطلب التحويل والتفسير باستخدام خصائص التوتر البيني وقابلية البلل المناسبة.

تساعد نتائج هذه الاختبارات على بناء منحنيات الضغط الشعري واستخدامها ضمن نماذج المكامن، لكنها تُفسر مع البيانات الجيولوجية والبتروفيزيائية الأخرى، لا بمعزل عنها.

7. أهمية الضغط الشعري في هندسة المكامن

يؤدي الضغط الشعري دورًا في توزيع النفط والماء والغاز داخل الصخور، وفي تحديد التشبعات المتبقية وحركة الموائع عند الإنتاج أو الحقن. كما تساعد منحنياته على تقدير توزيع السوائل رأسيًا في المكمن وفهم العلاقة بين التشبع والارتفاع فوق مستوى الماء الحر عند توفر البيانات والافتراضات المناسبة.

وتُستخدم بيانات الضغط الشعري إلى جانب النفاذية النسبية وقابلية البلل وخواص الموائع في تحليل أداء المكمن وتقييم خطط تطويره. ولا تكفي هذه الخاصية وحدها للتنبؤ بالإنتاج، إذ يجب دمجها مع بقية الخصائص الصخرية والتشغيلية.

يمكنك أيضًا قراءة مقال خواص صخور المكمن البترولي للتعرف على خصائص الصخور التي تؤثر في تخزين الموائع وحركتها.

8. محاضرة مرئية عن التوتر السطحي والضغط الشعري

تتناول المحاضرة التالية على قناة «حقول المعرفة النفطية» مفاهيم التوتر السطحي والضغط الشعري وتطبيقاتهما في صخور المكامن. ويمكن الاستفادة منها إلى جانب الشرح المكتوب لمراجعة العلاقة بين القوى البينية وسلوك السوائل في الوسط المسامي.

للمزيد من المحاضرات والموضوعات التعليمية، يمكنك زيارة قناة حقول المعرفة النفطية على YouTube.

الخاتمة

يساعد فهم التوتر السطحي والتوتر البيني والضغط الشعري على تفسير سلوك الموائع داخل صخور المكامن النفطية. فالتوتر البيني وانحناء السطح الفاصل يساهمان في نشوء فرق الضغط بين الأطوار، بينما تتحكم خصائص المسام وقابلية البلل والتشبع في كيفية توزيع السوائل وحركتها.

ويُعد قياس الضغط الشعري وتحليل نتائجه جزءًا مهمًا من التقييم البتروفيزيائي للمكامن. وتكون الاستفادة الأكبر من هذه البيانات عند دمجها مع خصائص الصخور والموائع والبيانات التشغيلية لدعم فهم المكمن وتحسين القرارات الهندسية.