دورة هندسة المكامن النفطية

دورة هندسة المكامن النفطية
مقدمة:

يعرف المكمن النفطي او الغازي بانه تركيب جيولوجي يتكون من صخور ذات مسامية ونفوذية حاوية على النفط والغاز وبعبارة اخرى فالمكمن هو المصيدة الحاوية على النفط او الغاز او كليهما معا.
تكون مسامات الصخور المكونة للتركيب الجيولوجي المسمى بالمصيدة مملؤة عادة بالمياه التي تزاح عند وصول الهيدروكربونات المكونة للنفط او الغاز اليها اثناء هجرتها من الصخور المصدرية وبذلك تحبس الهيدروكربونات داخل المصيدة وتبدأ بالتجمع بمرور الزمن.
ومن الشروط الأساسية لتكوين المكمن النفطيّ: الصخور الأمّ، وتغيير التركيب الجزيئيّ للمواد العضوية في باطن الأرض بسبب الحرارة والضغط والزمن، وهجرة النفط إلى صخور المكمن (وجود السوائل)، وامتلاكِ الصخور خصائصَ معيّنة، ووجود حواجز منيعة لمنْع الهيدروكربونات من الهجرة لخارج المكمن.
يُقصد بالصخور الأم؛ الصخور التي تكوَّنت بعد ترسُّب الطبقات الصخرية ذاتِ الأنواع المختلفة لاسيما الكربونية. وبسبب تطوُّر ظروفِ نمو الأحياء المائية الحيوانية والنباتية وازديادها وتنوّعها؛ فقد أدَّى ذلك مع مرور الزمن وفي ظلِّ استمرار عمليات الترسيب إلى طمْر بلايين من الأطنان من بقايا المواد العضوية ودفنها؛ التي تحوَّلت إلى المواد الهيدروكربونية في مواقعها الأصلية. وعُرِفَت تلك الأنواع بالصخور الأمّ. وينشأ النفط في هذه الصخور؛ نتيجةَ تغيُّر التركيب الجزيئيّ للمواد العضوية الصخرية؛ بسبب الحرارة والضغط الكبيرين في باطن الأرض، ويتحوَّل إلى قطرات من البترول المختلط بالماء. وتنتشر هذه القطرات بين الصخور عن طريق مساماتها إلى المناطق المجاورة. فإذا لم تعتَرِض طريقَها طبقةٌ غير مسامية أو غير نفَّاذة، فإنَّها تصل إلى سطح الأرض في نهاية المسار؛ لتظهرَ على شكل رشوحاتٍ نفطية أو بِرَك من الإسفلت. أمَّا إذا صادفت هذه القطرات أيَّ نوع من الصخور يمنع استمرار هجرتها -سواءً كانت بالاتجاه العمودي أو الأفقي- فإنَّ قطرات البترول سوف تتجمَّع، وتتراكم. وهذا ما يُسمَّى بهجرة النفط. وعلى الرغم من أنَّ ميكانيكية هجرة النفط مُعقَّدة قليلًا؛ كونها بعكس اتجاه الجاذبية. لكنَّ من أهمّ أسبابها اختلافُ الضغط بين الطبقات المجاورة بسبب الحركات الأرضية، والضغط الذي يُولِّده الغاز الطبيعي الموجود أو الخاصية الشعرية للصخور.

وتستهدف هذه الدورة:

مهندسو المكامن
مهندسو النفط
مهندسو إنتاج النفط،
رؤساء هندسة الحفر،
رؤساء جيولوجيون.

محتوى الدورة:

تعريف إدارة المكامن.
تخطيط وتنفيذ ورصد وتقييم أداء المكمن.
تطوير الحقل وخطة التشغيل الميداني لتحسين الربحية.
الرصد الفعال لأداء المكمن.
التقليل من حفر الآبار غير الضرورية.
تجويف البئر والنظام السطحي
اختبار البئر ونظام الإنتاج
الوصول للمردود الاقتصادي الاعلى
تقليل راس المال اللازم للاستثمار للحد الادنى
وضع خطة زمنية للإدارة الميدانية للمكامن

 تعتبر هندسة المكامن أهم فرع من فروع هندسة النفط. إذ أنها تتولى دراسة مكامن النفط بدل التركيز على كل بئر على حدة. ومسؤولية مهندس المكامن هي زيادة إنتاج النفط من الحقل والحصول على أفضل مردود اقتصادي منه، ولا يتأتى ذلك إلا بالآتي:

فهم سلوك المكمن وخواصه
التنبؤ بهذا السلوك تحت أي ظرف من ظروف إنتاج النفط.
توقع كمية الإنتاج
اقتراح الخطة الأفضل للإنتاج
تحديد أماكن حفر الآبار.

 وقد تُصنَّف المكامن حسب التركيب الجيولوجيّ أو حسب الفائدة الربحية، وتُصنَّف حسب موائع المكمن أيضًا، وسوف نتحدَّث الآن عن تصنيف المكامن النفطية حسب محتواها من الموائع..

تُصنَّف المكامن النفطية عدَّة تصنيفات؛ بالاعتماد على تركيب الخليط الهيدروكربونيّ داخل المكمن، ودرجة الحرارة والضغط الابتدائية للمكمن، وضغط ودرجة حرارة السطح.

وبذلك ينتج لدينا بصورة رئيسة نوعَين من المكامن:
المكامن النفطية: وعندها تكون درجة حرارة المكمن أقلَّ من درجة الحرارة الحَرِجة لمائعِ المكمن؛ وفي هذه الحالة يمكن أن يُصنَّف المكمن مكمنًا نفطيًّا.
المكامن الغازية: وعندها تكون درجة حرارة المكمن أعلى من درجة الحرارة الحَرِجة لمائعِ المكمن؛ وفي هذه الحالة يُصنَّف المكمن مكمنًا غازيًّا.
تُعرف درجة الحرارة الحَرِجة بأنها الحرارة التي لا يُمكن التمييز عندها بين خواصّ الموائع فيما إذا كانت سوائل أو غازات.

 وتعتمد هندسة المكامن على دراسة ثلاثة مفاهيم أساسية تتعلق بالخواص الطبيعية للصخور وطريقة انتشار المخزون من نفط وماء وغاز في مسامات هذه الصخور وكيفية انتقال هذا المخزون من مكان لآخر خلال الصخور. وهذه المفاهيم الثلاثة هي:

النفاذية: وهي قدرة المخزون من نفط وغاز وماء على الانتقال من مكان لآخر خلال الصخور.
المسامية: وهي نسبة حجم المسامات إلى حجم الصخور الكلي.
درجة التشبع: وهي نسبة تشبع المسامات بالمخزون.

إن دراسة تدفق النفط أو الغاز خلال مسامات الصخور أمر معقد يصعب فهمه بدقة، إذ أنه يختلف تماما فيما لو كان هذا التدفق عبر أنبوب معروف الطول والقطر ويمكن قياس درجة حرارته وضغطه. إلا أن الأمر يختلف بالنسبة لدراسة تدفق النفط والغاز في الوسط المسامي للصخور تحت الأرض، فهناك كثير من العوامل المجهولة. ولا بد من أخذ كثير من الافتراضات في الحسبان لتقريب الصورة. وهناك جملة من الافتراضات يتعمدها مهندس المكامن ليصنع صورة مقربة لما هو عليه الوضع الحقيقي في مكمن النفط كافتراض أن المكمن يحتوي على سمك ثابت من بدايته إلى نهايته، وأن طبقاته متجانسة، وان الضغط في جميع مناطقه متشابهة وغيرها الكثير من الافتراضات.

أثناء حفر بئر النفط وخاصة الأبار الأولى في اي حقل جديد يقوم المهندسون بمساعدة الجيولوجيين بدراسة الطبقات التي يتم حفرها لحل أي مشكلة قد تواجهها عملية الحفر، كما يتم الاستفادة من هذه الدراسات عند حفر أي بئر آخر. ويركز مهندس المكامن على دراسة طبقات المكمن الذي يحوي النفط أو الغاز، ويتم ذلك عن طريق أخذ عينات من الصخور ودراستها في المختبر. وهناك نوعين من العينات يمكن أخذها للمختبر لدراستها:

عينات من فتات الحفر
عينات مقطعية تقطع بمثقب خاص
فتات الحفر: يكون عادة مختلطا بطين الحفر ومواد أخرى، لذا يغسل بالماء ويجرى عليه عدة اختبارات وذلك بإضافة محاليل كيماوية لمعرفة نوع الصخور ولونها وصلابتها وحجمها وشكل جزئياتها وهل هذه الفتاتات الصخرية تحتوي على مواد عضوية أم لا؟

المقطع: باستخدام مثقب القطع أثناء الحفر يمكن أن نحصل على مقطع من الصخور أسطواني الشكل يصل طوله إلى عدة أمتار، يحفظ ويرتب بعناية ويرسل إلى المختبر للدراسة. وفي المختبر يقطع المقطع إلى عينات أصغر بمقاسات مختلفة على حسب نوعية الاختبار.

ومن المقطع يمكننا معرفة الخواص الطبيعية للصخور وهي كما ذكرنا: المسامية والنفاذية ودرجة التشبع.

المسامية:

تحتوي الصخور على نوعين من المسامات، مسامات متصلة يمكن قياسها وأخرى معزولة لا يمكن قياسها إلا بطحن العينات، وأكثر الصخور مسامية هي الصخور الرملية.

وهناك أجهزة كثيرة لقياس المسامية لكن أكثرها انتشارا هو جهازي مقياس المسامية وجهاز ضخ الزئبق. والفكرة الأساسية لهذه الأجهزة هو ضغط النتروجين أو الزئبق في اسطوانة معروفة الحجم بداخلها العينة إلى ضغط يصل إلى أكثر من 6 ضغط جوي وبمعرفة حجم النتروجين أو الزئبق الذي تمكن من الدخول في العينة، نستطيع معرفة نسبة حجم الفراغ إلى حجم العينة الكلي.

النفاذية:

تقاس النفاذية وهي قدرة المادة على الانتقال خلال الصخور، بجهاز قياس النفاذية. وحتى نستطيع أن نقيس النفاذية يجب علينا معرفة العوامل التي تتحكم في مرور سائل أو غاز خلال مسامات الصخور، وهذه العوامل هي:

قوة تدفق السائل أو الغاز
ضغط السائل أو الغاز المتدفق
لزوجة السائل أو الغاز
المساحة التي يتدفق منها السائل أو الغاز
طول المسافة التي يتنقل خلالها.

وبمعرفة هذه العوامل نستطيع قياس النفاذية بوحدة الدارسي عن طريق هذه المعادلة:

النفاذية= ذ = ق ل ز / ض م

حيث أن:

ق = قوة التدفق (سم2/ثانية)

ل = الطول (سم)

ز = اللزوجة (سنتيبويس)

ض = الضغط (ضغط جوي)

م = المساحة (سم2)

ذ = النفاذية (دارسي)

فالدارسي الواحد هو النفاذية التي تسمح بمرور سائل أو غاز ذو لزوجة تعادل واحد سنتيبويس وتدفق يساوي واحد سم مربع لكل ثانية عبر مساحة تقدر بـواحد سم مربع وضغط يعادل ضغط جوي واحد لكل واحد سنتيمتر.

والصخور ذات المسامية العالية ليس شرطا أن تكون ذات نفاذية عالية، فبعض أنواع الطين تصل مساميتها إلى 40% ولكن نفاذيتها قد تكون صفرا. ومعظم مكامن النفط في العالم تحتوي على نفاذية أقل من واحد دارسي، أي ما يعادل القدرة الانتقالية للنفط عبر ثقب مساحته واحد مايكرومتر مربع، والمايكرومتر جزء من مليون من المتر.

درجة التشبع:

هناك ثلاثة أنواع من التشبع يهتم بها في المختبر وهي تشبع الماء وتشبع النفط وتشبع الغاز. ويقصد هنا بالتشبع هو نسبة تشبع مسامات الصخور بالماء والنفط والغاز. ولقياس درجة التشبع هناك طريقتين مشهورتين تتبع في المختبرات النفطية وهما التقطير والتجميع.

إن كل معلومة يمكن معرفتها عن مكمن النفط تساعد على زيادة كمية النفط التي يمكن استخراجها من باطن الأرض كما تساعد على وضع الخطط المثلى لإنتاج وحفر المزيد من الآبار وتحديد أماكن الحفر ومتى وكيف يتم الحفر. لذا تعتبر هندسة المكامن هي العقل المدبر لهندسة الحفر والإنتاج.

 كما تُصنَّف المكامن النفطية إلى ثلاثة أنواع؛ بالاعتماد على ضغط المكمن وحرارته الابتدائية:

المكامن النفطية تحت المُشبعة: عندما يكون ضغط المكمن الابتدائيّ أكبر من ضغط الفقاعة لسائل المكمن.
المكامن النفطية المُشبعة: عندما يكون ضغط المكمن الابتدائيّ مساوٍ لِضغط الفقاعة.
المكمن النفطي ذو القُبَّة الغازية: عندما يكون ضغط المكمن الابتدائيّ أقلَّ من ضغط الفقاعة، وفي هذه الحالة يُصنَّف المكمن النفطيّ إمّا مكمنًا ذا قُبَّة غازية أو مكمنًا ذا طورَين من الموائع.
يُعرف ضغط الفقاعة بأنَّه أعلى درجةً من الضغط الذي تَتحرَّر عندهُ أول فقاعة غازية من النفط الموجود.

 أمَّا المكامن الغازية؛ فإنَّها تُصنَّف إلى الأنواع الآتية:

مكامن الغاز المتكثِّف (Retrograde Gas Condensate Reservoir): وتكون درجة حرارة المكمن تقع بين درجة الحرارة الحرجة ودرجة الحرارة التعايشية لمائع المكمن. ويُعدُّ نوعًا فريدًا من المكامن لتراكم الهيدروكربونات؛ والسبب في ذلك السلوكُ الثرموديناميكيّ لموائع المكمن؛ إذ يُسيطر على عوامل تطوير المكمن واستنزافه؛ والسبب هو أنَّه حين ينخفض ضغط المكمن على خليط الهيدروكربونات فعندئذ؛ بدلاً من تكثُّف هذه الهيدروكربونات فإنَّها سوف تتبخر.
مكامن الغاز الرطب (Wet Gas Reservoir): عندما تكون درجة حرارة المكمن أعلى من درجة الحرارة التعايشية لخليط الهيدروكربونات في المكمن. ويسمى رطبًا؛ لأنَّ درجة حرارة الهيدروكربون أعلى من درجة الحرارة التعايشية؛ وبذلك فإنَّ الغاز يبقى على شكل بخار رطب. وعند إنتاج الغاز ووصوله إلى السطح سوف يَقِلُّ الضغط والحرارة؛ وبذلك يتحوَّل إلى سلوك ثنائيّ الطور. وسوف يتكثّف الطور السائل عن الغاز ويُفصَل عنهُ في الفواصل السطحية.
مكامن الغاز الجاف (Dry Gas Reservoir): في هذا النوع من المكامن، يكون خليط الهيدروكربونات الموجود في المكمن بطورهِ الغازيّ، ويستمرّ على هذا الطور إلى حين وصولهِ إلى السطح وإنتاجه. وإنَّ السائل الوحيد المُصاحب لغاز هذا النوع من المكامن هو الماء.

ملاحظة: يُقصَد بالمكامن الغازية هنا؛ تلك المكامن ذات الغاز الطبيعيّ؛ أي المكامن التي تُنتج غازًا فقط، لأنَّه يوجد بعض المكامن النفطية تنتج غازًا، ويُسمَّى عندئذٍ بالغاز المُصاحب أو المرافق (Associated Gas). ويقع تصنيف المكمن في هذه الحالة ضمن المكامن النفطية.
تُعدُّ هندسة المكامن من أهم الأمور في هندسة البترول؛ لأنها تسهم في تحديد موقع الحفر ومعدَّلات الإنتاج بصورةٍ مباشرة. والعِلم الرئيس في هندسة المكامن هو الإدارة المكمنية التي تتطلَّب دراساتٍ مُعقَّدة من أجل وضْع إستراتيجيات طويلة الأمد للإنتاج، يُسيطَر بها على موائع المكمن. وقد يتطلَّب في بعض الأحيان إيقافَ الإنتاج في بعض الآبار مدةً معينة، أو حفْر آبار أخرى؛ من أجل إدامة إنتاج المكمن. ولا تزال البحوث العلمية والتقنيات مستمرَّة من أجل التوصُّل إلى أفضل الطرق لدراسة المكمن بصورة دقيقة، ورسم الموديل الجيولوجيّ والهيدروكربونيّ للمكمن عن طريق بعض البرمجيات المتطوّرة التي تستغلُّها الشركات لتسهيل عملها.