فشار مویینگی وکاربردهای عملی آن

فشار مویینگی وکاربردهای عملی آن

مقدمه

پدیده مویینگی زمانی روی میدهد که دویاچندسیال امتزاج ناپذیردرفضای متخلخل،درتماس بایکدیگرقرارداشته باشندکه دراین حالت بین هرجفت سیال، یک فصل مشترک بوجود می آید. اختلاف فشار در بین دو فاز انتزاج ناپذیر، منجر به ایجاد انحناء در فصل مشترک آنها می شود (شکل ۱). زیرا وقتی دو سیال انتزاج ناپذیر در تماس با یکدیگر قرار می گیرند، هر سیال فشار مخصوص به خود را دارد که با توجه به ویژگی های دو سیال و اختلاف فشار بین آنها، فصل مشترک آنها می تواند شکل مقعریا محدب (انحناء) به خود بگیرد. به عبارت دیگر، هنگامی که دوسیال انتزاج ناپذیردرتماس با یکدیگر قرار می گیرند، اختلاف فشاری بین آنها به وجود می آید که به آن «فشار مویینگی»گفته می شود وعموماً با  Pcنشان داده می شود.

نیروی مویینگی درمخازن نفتی، نتیجه اثرترکیبی کششهای سطحی وبین سطحی، اندازه حفرات،هندسه حفرات وویژگیهای ترشوندگی یک سیستم معین است.وجود نیروی مویینگی باعث نگه داری سیالات در فضای متخلخل سنگ مخزن در مقابل نیروی ثقلی می شود. مثال کلاسیک ازاین موضوع،مهاجرت هیدروکربن هاازسنگ منشا به سنگ مخزن اشباع ازآب است که منجربه تشکیل مخازن نفتی می شود. دراین فرایند،سیالات هیدروکربنی پس ازورودبه سنگ مخزن،دراثرنیروی ثقلی ازیکدیگرتفکیک می شوندامانیروی مویینگی ازتفکیک کامل آنهاجلوگیری میکند. سرانجام بعدازبه تعادل رسیدن این دو نیرو، یک توزیع سیال درمخزن بوجودمیاید که این توزیع،باعث ناحیه بندی وایجادسطح تماس بین سیالات موجوددرمخزن می شود.

 

وجود انحناء در فصل مشترک آب - هوا به دلیل فشار مویینگیشکل۱-وجود انحناء در فصل مشترک آب – هوا به دلیل فشار مویینگی

فشار مویینگی

فشارمویینگی سنگهاي مخزن برجریان وتوزیع سیال درمخزن اثرگذار می باشد. دریک محیط متخلخل،فشارمویینگی میتواندبه جابجایی یک سیال توسط سیال دیگرکمک یااینکه درمقابل این فرایندایستادگی کند. بنابراین،چناچه یک محیط متخلخل اشباع ازفازغیرترکننده،موردهجوم فازترکننده قرارگیرد،شرط باقی ماندن فازغیرترکننده درمحیط این است که فشارآن بیشترازفازترکننده باشد. جابجایی یک سیال با سیال دیگردرون منافذیک محیط متخلخل بانیروهای سطحی فشارمویینگی رابسته به شرایط،تقویت یاتضعیف می کند. درنتیجه برای اینکه یک محیط متخلخل بصورت جزئی ازیک سیال غیرتراشباع شود،فشار سیال غیرتربایدبزرگترازفشارسیال ترباشد.

با درنظر گرفتن فشار فاز تر بصورتPwو فشار فاز غیر تر به صورت Pmwمیتوان فشار مویینگی را تعریف کرد:

                                                                                                                                                                                                Pc = Pmw – Pw

فشار مویینگی سنگ های مخزن

پدیده سطح تماس بالادریک لوله مویینه منفرددرمنافذمتعدد یک محیط متخلخل با اندازه های متفاوت تخلخل نیز وجود دارد. فشارمویینگی دریک محیط متخلخل میان دوفازامتزاج ناپذیرتابعی ازکششهای سطح تماسی ومیانگین اندازه خلل وخرج است. این عوامل انحنای سطح تماس را کنترل می کنند. انحنا تابعی از توزیع درجه ی اشباع سیالات موجود در محیط نیز هست.

آزمایش های آزمایشگاهی مختلفی برای شبیه سازی نیروهای جا به جا کننده در یک مخزن، برای تعیین بزرگی نیروهای مویینگی آن و همچنین توزیعات درجه ی اشباع و درجه ی آب محتوایی ، ارائه شده اند که یکی از آنها اصطلاحاً تکنیک فشار مویینگی برگشتی نامیده می شود که برای تعیین بزرگی درجه اشباع آب محتوایی ارائه شده است.

کاربرد های عملی فشار مویینگی

در این بخش به موضوع اصلی مقاله یعنی مطالعه ی کاربرد های عملی روابط فشار مویینگی – اشباع می پردازیم. حتی اگر به نظر می رسد تمام منحنی های فشار مویینگی فقط شامل یک رابطه عملکردی بین اختلاف فشار فاز در فاز تر کننده و غیر تر کننده در برابر اشباع است ،در محدودیت های اشباع و فشار خاص ، در عمل ، مقدار قابل توجهی از اطلاعات بسیار مفید را می توان از این منحنی ها بدست آورد. نوع اطلاعات حاصل از روابط اشباع فشار مویینگی در واقع برای توسعه توصیف مخزن قابل اعتماد بسیار ضروری است. با وجود اینکه همه ی منحنی های فشارمویینگی ممکن است فقط نمایانگر یک رابطه بین اختلاف فشار در فاز های تر کننده و غیر تر کننده در مقابل اشباع در محدوده ای معین از فشار و اشباع باشند ولی میتوان اطلاعات بسیار مفیدی را از آنها بدست آورد.

در حقیقت نوع اطلاعات گرفته شده از روابط فشار مویینگی _ اشباع،برای شناخت و توسعه ی مخزن بسیار ضروری می باشد. این روابط بویژه برای تعیین توزیع اندازه حفرات،اشباع آب همزاد،ارتفاع ستون سیال وناحیه های گذار،موقعیت سطوح تماس سیالات ومدل سازی جابجایی نفت توسط آب مورداستفاده قرار می گیرد. بنابراین بادرنظرگرفتن اهمیت روابط فشارمویینگی-اشباع،کاربردهای عملی آنهادراین بخش موردبررسی قرارگرفته می شود.

۱-توزیع اندازه حفرات

توزیع اندازه حفرات درسنگ های مخازن هیدروکربنی که اشباع ازسیالات مختلف هستند،معمولاتوسط آزمایش تزریق جیوه صورت می گیرد.هر چند این آزمایش دارای معایبی مانند عدم استفاده مجدد از مغزه  استفاده شده را دارد ولی دارای مزایایی همچون فشار تزریق بالا جهت ورود جیوه به حفرات ریز را دارا می باشد.
توزیع خلل وخرج سنگ مخزن پارامتربسیارمهمیست که ویژگی هایی همچون تخلخل وتاحدودی نفوذپذیری سنگهای مخازن راتحت تاثیرقرارمی دهد. بنابراین،آگاهی ازتوزیع اندازه خلل وفرج درسنگهای مخازن هنگام بررسی خواص سنگ وسیال مخزن بسیارضروری به نظرمی رسد.

درروش تزریق جیوه جهت به دست آوردن توزیع اندازه حفرات،جیوه بافشاربه داخل نمونه مغزه تزریق می شود. به دلیل فشار تزریق فشار بالا،جیوه قادر است وارد حفرات با اندازه ی کوچک نیز شود.
افزایش فشارتزریق بصورت تدریجی صورت میگیردودرهرفشارتزریق فشارمشخص،میتوان میزان حجم جیوه واردشده به مغزه رابدست آورد. جیوه درهرشرایطی فازغیرترکننده راتشکیل می دهدکه درتزریق به مغزه،جایگزین هوای موجود در مغزه ی مورد آزمایش می شود. با ثبت هر فشار تزریقی و میزان جیوه وارد شده به مغزه،نمودار توزیع اندازه ی حفرات به دست می آید.شکل ۲ این مفهوم را نمایش می دهد.

توضیح مختصری از روش تزریق جیوه:

این روش ازمهمترین ورایج ترین روش های اندازه گیری فشارمویینگی نمونه های مغزه گرفته شده ازمخازن می باشد. این روش برای اولین بارتوسط پورسل در سال ۱۹۴۹ مورد استفاده قرار گرفت.این دستگاه ازیک محفظه جهت نگهداری مغزه،یک پمپ جهت تزریق جیوه وفشارسنج هایی جهت اندازه گیری فشارتزریق،تشکیل شده است.از مزایای این روش میتوان به ساده بودن و کوتاه بودن زمان انجام آن،بدست آوردن توزیع اندازه ی حفرات و….. اشاره کرد و از معایب آن،سمی و خطرناک بودن جیوه،عدم امکان اعمال فشار بر لایه های فوقانی بر نمونه و ….. می باشد.

شماتیکی ازتزریق جیوه به داخل منافذبزرگ، متوسط وکوچک بعنوان بخشی ازفرآیندتزریق جیوه برای اندازه گیری فشارمویینگی وتوزیع حفرات

شکل۲-شماتیکی ازتزریق جیوه به داخل منافذبزرگ، متوسط وکوچک بعنوان بخشی ازفرآیندتزریق جیوه برای اندازه گیری فشارمویینگی وتوزیع حفرات

مطابق با این شکل،روزنه های موجود در یک نمونه سنگ را میتوان به منافذ کوچک،متوسط و بزرگ  تقسیم بندی کرد که منافذ با اندازه ی بزرگ دارای فشار مویینگی پایین و منافذ کوچک دارای بیشترین فشار مویینگی هستند.زیرا برای وجود جیوه به منافذ ریز مغزه باید فشار زیادی اعمال کرد. بنابراین در این فرایند،در هر بازه زمانی مشخص،مقداری جیوه(فاز غیر تر کننده) وارد نمونه شده و هوا (فاز تر کننده )را جابجا می کند که میتوان با استفاده ازروابط مربوط شعاع متوسط منافذ را بدست آورد.

از زمان معرفی تکنیک بهره وری از خاک ،منحنی فشار مویینگی اندازه گیری شده روی نمونه های هسته مخزن به طور معمول در صنعت نفت برای ارتباط خواص پتروفیزیکی و ریزساختار سنگ های مخزن بخصوص برای پیش بینی تخلخل ، نفوذ پذیری ، نفوذ پذیری نسبی و اشباع روغن باقیمانده استفاده می شود. . تخلخل سنجی جیوه ، که نفوذ اجباری جیوه به یک محیط متخلخل است ، برای توصیف ریزساختار فضای منافذ استفاده شده است زیرا واشبرن پیشنهاد کرد که چگونگی PSD را از اندازه گیری حجم تزریق در مقابل فشار وارد شده بدست آوریم. روندتزریق جیوه اساساًساختارداخلی محیط متخلخل راکاوش می کند تااثرانگشت سنگ مخزن رابه دست آورد.

۲-اشباع آب همزاد

حال به بررسی کاربرد عملی دیگری از فشار مویینگی می پردازیم.

به طور کلی سه روش مختلف جهت تعیین اشباع آب همزاد وجود دارد که عبارتند از:

۱-آنالیز مغزه

۲-چاه پیمایی

۳-داده های حاصل از فشار مویینگی

توزیع اشباع آب همزاد در مخازن هیدروکربنی معمولاً بر اساس داده های حاصل از فشار مویینگی تخلیه صورت می گیرد.زیرا این فرایند برای بررسی مهاجرت هیدروکربن ها از سنگ منشا به سنگ مخزن اشباع از آب،بکار می رود.

در شکل۳ نمونه ای از منحنی فشار مویینگی تخلیه را نمایش می دهد.در این شکل،اشباع آب همزاد نشان دهنده ی اشباع فاز تر کننده است که به صورت ناپیوسته در خلل و خرج سنگ مخزن باقی مانده است که در این حالت منحنی فشار مویینگی تخلیه در این شکل تقریباً به صورت عمودی یا مجانب در می آید.

 

نمایش تغییرات توزیع سیال، ناحیه بندی، سطح تماس سیالات براساس فشارباارتفاع مویینگی درمقابل اشباع آب

شکل ۳ : نمایش تغییرات توزیع سیال، ناحیه بندی، سطح تماس سیالات براساس فشارباارتفاع مویینگی درمقابل اشباع آب

بنابراین بدون توجه به اختلاف فشار فاز تر کننده و غیر تر کننده ،در خلل و خرج بدون تغییر باقی می ماند.با فرض اینکه توزیع سیال در محیط متخلخل به وسیله ی اندازه ی خلل و خرج کنترل شود،هر نوع آزمایش فشار مویینگی تخلیه را برای تعیین اشباع آب همزاد می توان به کار برد.فرایند تخلیه نشان دهنده ی اشباع شدن یک فاز تر کننده توسط یک فاز غیر تر کننده است. برای مثال،میتوان ازداده های فشارمویینگی تخلیه جیوه-هوااستفاده کردوسپس فشارمویینگی متناظرباآن اشباع رابرای جفت سیالات مخزن بدست آورد.

معمولاً برای افزایش اعتبار مقادیر اشباع آب همزاد تعیین شده از منحنی های تخلیه،این مقادیر را با نتایج نتایج حاصل از دیگر منابع از قبیل آنالیز مغزه و یا داده های چاه پیمایی تطبیق می دهند.

۳-زون بندی، سطح تماس سیالات و توزیع اولیه ی اشباع سیالات در مخزن

یکی از کاربرد های عملی و مهم فشار مویینگی،تعیین سطح تماس سیالات در مخزن،تعیین توزیع اشباع اولیه ی سیالات و تعیین مناطق نفتی،آبی و گازی در یک مخزن،قبل از اکتشاف آن می باشد.تا آنجا که به تعیین تماس های مایع اولیه در مخزن،مانند تماس گاز-روغن مربوط می شود،روش های مختلفی در اختیار مهندس است.این ها شامل یک تست تولید است که شامل تعیین مستقیم این سطح تماس در حین حفاری یک چاه قبل از تنظیم پوشش است.روش دیگر شامل استفاده از سیاهی های مربوط به ژئوفیزیک از جمله الکتریکی و رادیواکتیو است. اطلاعات زیادی درموردمنطقه بندی،تماس های سیال وتوزیع اولیه اشباع مایع دریک مخزن هیدروکربن ارائه می شودکه قبل ازبهره برداری ازآن می تواندازداده های فشارمویینگی حاصل شود.

به منظور کاربرد اطلاعات ارتفاع مویینگی – اشباع جهت تعیین اشباع سیالات و همچنین تعیین سطح تماس سیالات و نواحی آبی،گازی و نفتی در یک مخزن،یک منحنی فشار مویینگی تخلیه،در شکل ۴ نشان داده شده است که اطلاعات آن ابتدا از شرایط آزمایشگاهی به شرایط مخزن (سیستم آب – نفت) تبدیل شده و سپس فشار مویینگی به دست آمده از اطلاعات آزمایشگاهی به ارتفاع مویینگی بر حسب اشباع تبدیل شده است.

دراین شکل چند مفهوم بسیار مهم دیده می شود:

۱-سطح آزاد آب

۲-سطح تماس آب – نفت

۳-ناحیه ی گذار(انتقالی)

۴-ناحیه ی نفتی خالص

۵-سطح تماس گاز-نفت

۶-ناحیه ی گازی

دراینجا قصد داریم به تشریح مختصری از این شش مفهوم بپردازیم.

تذکر: شکل بالا(شکل۳) برای توضیحات هر شش مفهوم بکار برده میشود پس از این رو بسیار مهم می باشد.

۱-سطح آزاد آب:

شکل ۳ نشان دهنده منحنی اشباع تخلیه برای یک مخزم مفتی است.روی این منحنی،
سطح آزاد آب،ارتفاعی را نشان می دهد که زیر آن سطح،بصورت آزاد وجود دارد.
مثال: ممکن است سفره ی آبی وجود داشته باشد و سطح آزاد آب ،ناشی از وجود سفره ی آبی باشد.در سطح آزاد آب ، فشار مویینگی صفر است.

همواره بایدبه این نکته توجه داشت که سطح آزادآب درمخزن،تاارتفاع خاصی بالامی آید که درآن نقطه ،اشباع آب همچنان۱۰۰%میباشد. در بالاترین ارتفاع آب در مخزن نفت تمایل دارد وارد حفرات بزرگ شود.در این نقطه، اولین قطره ی نفت وارد بزرگترین حفره می شود.این نقطه یک فشار مویینگی بسیار ضعیف داردکه به آن فشار آستانه یا فشار جابجایی می گویند.در واقع این نقطه، شروع ناحیه انتقالی(گداز) آب-نفت است. ازدیدگاه مهندسین مخازن،دراین ناحیه، بین سطح آزادآب وناحیه ای که۱۰۰% ازآب اشباع می باشدتفاوت وجود دارد.

۲– سطح تماس آب-نفت

سطح تماس آب-نفت عبارت است از: بالاترین عمق مخزن که در آن ،اشباع آب ۱۰۰%است.

تغییر در سطح تماس آب و نفت در یک مخزن نفتی،ممکن است بسیار ناگهانی یا تدریجی رخ دهد.تغییر ناگهانی در مرز(سطح تماس دو سیال)،مشخصه ی مخازن با نفوذ پذیری بالاست در حالی که تغییر تدریجی در مرز سیالات،مشخصه ی مخازن با نفوذ پذیری پایین و فشار مویینه ی بالا می باشد.

۳-ناحیه ی گذار (انتقالی)

شکل۳نشان می دهدکه اشباع آب به تدریج از۱۰۰درصددرناحیه آبی به مقدارغیرقابل کاهش(آب همزاد)درفاصله قائم بالای ناحیه آبی کاهش پیدامی کندکه به آن ناحیه انتقالی گویند.به طور فرضی میتوان گفت که ناحیه ی انتقالی از نقطه ی فشار جابه جایی نفت شروع شده و تا قسمت عمودی  عمودی نمودار شکل فوق یعنی جایی که اشباع آب به کمترین مقدار خود می رسد،تغییر می کند.

۴-ناحیه ی نفتی خالص

ناحیه ی نفتی خالص بیان کننده منطقه ی بالای خط ناحیه ی انتقالی می باشد (جایی که اشباع آب برابربا آب همزاد می باشد) که در شکل۳ نشان داده شده است، این ناحیه شامل نفت و آب همزاد می باشد.

۵-سطح تماس گاز-نفت

تعریف: عبارت است از پایین ترین عمقی که در آن، اشباع کل مایع(نفت+آب)، ۱۰۰درصد است. این قسمت از مخزن در صورتی وجود خواهد داشت که مخزن در ابتدا دارای کلاهک گازی باشد و یا اینکه بعد از تولید، فشار آن به زیر فشار نقطه ی حباب رسیده و گاز محلول در نفت آزاد شده و سپس به سمت بالای مخزن حرکت کرده و تشکیل یک کلاهک گازی ثانویه را دهد.در مخازن دارای کلاهک گازی، ضخامت ناحیه ی گذار نفت بین نفت-گاز کمتر از نفت-آب است،زیرا اختلاف چگالی بین نفت و گاز بیشتر از نفت و آب است.

۶-ناحیه ی گازی

این ناحیه شامل گازو اشباع آب همزاد می باشد. شکل زیرپروفایل اشباع آب در مخزنی که دارای کلاهک گازی وسفره ی آبی می باشدرا نشان می دهد.

پروفایل اشباع آب در مخازن دارای کلاهک گازی و سفره ی آبی

شکل۴-پروفایل اشباع آب در مخازن دارای کلاهک گازی و سفره ی آبی