إنتاج النفط الثقيل

يشير نمط الحقن إلى ترتيب آبار الإنتاج والحقن بالنسبة لموقع وحجم واتجاه تدفق المكمن. ^{[ 7 ]} يمكن أن تتغير أنماط الحقن على مدار عمر البئر عن طريق نقل بئر الحقن إلى مناطق يمكن فيها تحقيق أقصى حجم من التلامس.

عدم التجانس الجيولوجي هو التوزيع المكاني للمسامية والنفاذية في صخور الخزان.

تعتمد النفاذية على حجم حبيبات الرواسب التي شكلت الصخر وطريقة رصها. النفاذية هي عدد المسامات وترابطها في الصخر، ووجود طبقات مختلفة النفاذية في الصخر الواحد يُعدّ دليلاً على عدم التجانس الجيولوجي. عند حقن البخار، يتدفق الماء عبر الطبقات الأكثر نفاذية، متجاوزًا الطبقات الأقل نفاذية الغنية بالنفط. يؤدي هذا إلى انخفاض كفاءة الإزاحة وإنتاج الماء مبكرًا مع حجم النفط الملامس للماء. ^{[ 8 ]}

كفاءة الإزاحة هي مقياس لفعالية طريقة استخلاص النفط المعزز، وتعتمد على الحجم الكلي للمكمن الذي يلامسه السائل المحقون. وتتأثر كفاءة الإزاحة بعوامل متعددة، منها: نسبة الحركة، والنفاذية الاتجاهية، وكمية المياه المحقونة التراكمية، ونمط الإغراق، وعدم تجانس التكوين الجيولوجي، وتوزيع الضغط بين آبار الحقن والإنتاج.

كفاءة الإزاحة هي نسبة النفط المستخرج من منطقة تم تنظيفها بحقن البخار أو أي طريقة إزاحة أخرى. وهي النسبة المئوية لحجم النفط المستخرج عن طريق الإزاحة بواسطة سائل محقون أو عنصر إزاحة تم حقنه في المكمن. وهي الفرق بين حجم المكمن قبل بدء الإزاحة وحجمه بعد انتهائها. ^{[ 9 ]}

تُعدّ تقنية السعة مقابل الإزاحة (AVO) إحدى التقنيات المستخدمة في الانعكاس الزلزالي للتنبؤ بوجود المكامن، وتحديد المسامية، وفي بعض الحالات، نوع السوائل بما في ذلك وجود الهيدروكربونات. وتشمل المراجعات والدراسات المنشورة تحليل تقنية السعة مقابل الإزاحة والانعكاس الزلزالي في استكشاف النفط ودراسات فيزياء الصخور. ^{[ 10 ]}

تُظهر بيانات الموجات الزلزالية المُسقطة على خزانات النفط الخاضعة لحقن البخار وجود قيم عالية لتوهين الموجات. ويعتمد هذا التوهين عادةً على تشتت السرعة . تُشير الدراسات إلى أن انعكاس الموجات الزلزالية بين طبقة مرنة ووسط مكافئ له معاملات انعكاس تتغير بتغير التردد. ويعتمد هذا التغير على سلوك السعة مقابل الإزاحة (AVO) عند السطح الفاصل. يتم حساب مخططات الزلازل الاصطناعية للنموذج المثالي باستخدام تقنية الانعكاسية للمواد التي تعتمد سرعاتها وتوهيناتها على التردد. ويُستخدم هذا الأسلوب عادةً لأن تأثيرات تغيرات السرعة والتوهين قابلة للكشف في البيانات المُكدسة. ^{[ 11 ]}

أظهرت تقنيات تحليل الطيف المحسّنة معلمات التردد بشكل أوضح. فعلى سبيل المثال، تُظهر الصخور المشبعة بالهيدروكربونات تأثيرات زلزالية منخفضة التردد. علاوة على ذلك، تتميز المناطق المشبعة بالهيدروكربونات بقيم عالية للغاية للتوهين، وذلك وفقًا لقياسات عامل الجودة (Q) المباشرة. ^{[ 10 ]} تتجاهل التغيرات المنتظمة للترددات مع الإزاحة، حيث تمثل السعة القياسية مقابل الإزاحة قيمة AVO، التوهين، مما يؤدي إلى استخدام نموذج الانعكاس البحت. والهدف الأساسي هو موازنة محتوى التردد للمجموعات القريبة والبعيدة، مع تصحيح تأثير التوهين فوق الطبقات العلوية. ^{[ 12 ]}

يُستخدم تحليل السعة مقابل الإزاحة (AVO) للكشف عن وجود مكامن النفط نظرًا لوجود شذوذ واضح فيها، حيث يرتفع مؤشر AVO بشكل ملحوظ في الرواسب الغنية بالنفط. إلا أنه ليس بنفس فعالية تحليل السعة مقابل الإزاحة في تحديد التكوينات الصخرية وخصائص النفاذية لتحسين كفاءة المسح. علاوة على ذلك، لا تُظهر جميع مكامن النفط نفس الشذوذات المرتبطة بمكامن النفط الهيدروكربوني، إذ قد يكون سببها أحيانًا بقايا الهيدروكربونات من أعمدة الغاز المتسربة.

تُعدّ المسوحات الزلزالية الطريقة القياسية المُستخدمة لرسم خرائط قشرة الأرض . وتُستخدم البيانات المُستقاة من هذه المسوحات لاستخلاص معلومات تفصيلية حول أنواع الصخور وخصائصها. ويتيح ارتداد الموجات الصوتية عن التكوينات الصخرية تحت السطح تحليل الموجات المنعكسة. وتُوفّر الفترات الزمنية بين الموجات الساقطة والمنعكسة، بالإضافة إلى خصائص الموجة المُستقبلة، معلومات حول أنواع الصخور والاحتياطيات المُحتملة من رواسب النفط والغاز.

إذا عُرفت عدم تجانس التكوين الجيولوجي للمكمن، يُمكن تصميم أنماط الحقن لتوجيهها إلى الطبقات الصخرية الأقل نفاذية التي تحتوي على النفط. ويكمن التحدي في صعوبة تحديد توزيع نفاذية المكمن، نظرًا لتغير عدم التجانس من منطقة إلى أخرى. لذا، ولتحقيق أقصى قدر من استخلاص النفط (كفاءة المسح)، من الضروري رصد وتحديد اتجاه طبقات النفاذية عبر المسوحات الزلزالية . ^{[ 13 ]} تُرسل الموجات الزلزالية عبر التكوينات الصخرية، ويُحلل التغير الزمني والتشوهات في هذه الموجات لرسم خريطة اتجاه النفاذية، ما يُحسّن من كفاءة تركيب أنماط الحقن. ^{[ 14 ]}

تعتمد عملية الاستخلاص الأولي على تراكم ضغط الغازات في المكمن، أو التصريف بفعل الجاذبية، أو مزيج من الاثنين. تُعرف هذه الطرق بالإنتاج البارد، ويُشار إليها عادةً باسم "الرفع الطبيعي". بالنسبة للنفط التقليدي، تصل نسبة الاستخلاص في الإنتاج البارد إلى أكثر من 30%، بينما ترتفع هذه النسبة إلى ما بين 5 و10% بالنسبة للنفط الثقيل. ^{[ 2 ]}

يُعرف أحد أشكال الإنتاج البارد باسم إنتاج النفط الثقيل البارد باستخدام الرمال (CHOPS). تُنشئ هذه التقنية قناةً أو فراغًا يُسحب من خلاله النفط من الصخور المحيطة باتجاه البئر . تُسمى هذه الطرق بالإنتاج البارد لأنها تُستخدم عند درجة حرارة الخزان المحيطة . عندما لا يُولّد ضغط الرفع الطبيعي ضغطًا كافيًا تحت سطح الأرض، أو عندما ينخفض ​​الضغط ولا يعود كافيًا لتحريك النفط عبر البئر، يكون الإنتاج الأولي قد وصل إلى حد استخراجه، ليتبعه الاستخلاص الثانوي.

تستخدم طرق الاستخلاص الثانوي أيضًا الإنتاج البارد، ولكنها تعتمد على مصادر ضغط خارجية لتوليد الضغط الداخلي المطلوب، مع الحفاظ على درجة حرارة المكمن. ^{[ 17 ]} تتضمن هذه الطرق توليد ضغط اصطناعي عن طريق حقن عناصر مختلفة، مثل الماء أو الغاز الطبيعي أو ثاني أكسيد الكربون . يدفع هذا الضغط النفط إلى أعلى بئر الإنتاج. ^{[ 18 ]} مع مرور الوقت، يفقد الضغط الاصطناعي فعاليته لأن النفط المتبقي (الثقيل) يصبح شديد اللزوجة ويصعب تدفقه، فيُحتجز بواسطة الحجر الرملي في المكامن. تتراوح نسبة الاستخلاص المجمعة لطريقتي الإنتاج البارد بين 10 و20 بالمئة، وذلك تبعًا لخصائص النفط وأنواع الصخور. ^{[ 17 ]}

تُعرف عملية الاستخلاص الثالثي عادةً باسم استخلاص النفط المعزز (EOR). وهي طريقة لإنتاج النفط بعد استخلاص معظم النفط الموجود في المكمن من المرحلتين الأولية والثانوية. ويُستخدم استخلاص النفط المعزز تحديدًا لاستخلاص النفط المحتجز في الصخور المسامية والنفط الثقيل شديد اللزوجة الذي يصعب تدفقه. وتشمل طرق الاستخلاص الثالثي ثلاث طرق رئيسية: الاستخلاص المعزز كيميائيًا، والاستخلاص المعزز حراريًا، والاستخلاص المعزز بالامتزاج. ^{[ 12 ]}

يشمل ذلك أساليب حرارية وغير حرارية. ^{[ 17 ]} تتضمن الأساليب غير الحرارية استخدام المواد الكيميائية والميكروبات لفكّ النفط الثقيل المحتجز وثاني أكسيد الكربون تحت الضغط. مع ذلك، تُعدّ الأساليب الحرارية - وخاصة حقن البخار - الطريقة الأكثر فعالية لتقليل اللزوجة واستخراج النفط الثقيل.

من بين الأنواع الثلاثة الرئيسية لحقن البخار، على سبيل المثال، حقن البخار المضغوط في بئر الحقن حيث يسخن ويدفع النفط الأكثر سيولة إلى الخارج. تُعدّ تقنيات الاستخلاص المعزز للنفط مكلفة نظرًا للطاقة والمواد اللازمة. ^{[ 3 ]} لذلك، تعتمد كمية النفط الثقيل المراد استخلاصها من المكمن على الجدوى الاقتصادية. ولهذا السبب، تبدأ عملية الاستخلاص المعزز للنفط بتحليل المكمن، والتكوينات الصخرية، والنفاذية، وهندسة المسام، واللزوجة. وتؤثر هذه العوامل، بما في ذلك عدم تجانس المكمن، على نجاح أي طريقة استخلاص.

الكفاءة الإجمالية هي نتاج كفاءة الكنس وكفاءة الإزاحة.

تُحسب خصائص سائل المسام واستبدال السوائل في فيزياء الصخور باستخدام معادلة غاسمان . تُحسب هذه المعادلة كيفية تأثر الخصائص الزلزالية بتغير السائل باستخدام خصائص الإطار. تستخدم المعادلة معاملات الحجم المعروفة لسائل المسام، والمادة الصلبة، ومعامل الإطار لحساب معامل الحجم لوسط مشبع بسائل. المعادن المكونة للصخور هي المادة الصلبة، والإطار هو عينة الصخر الهيكلية، بينما سائل المسام هو غاز أو ماء أو زيت أو مزيج منها. لاستخدام هذه المعادلة، تُفترض الافتراضات التالية: 1) أن المادة الصلبة والإطار متجانسان على المستوى العياني؛ 2) أن جميع المسام في الصخر مترابطة؛ 3) أن السائل في المسام عديم الاحتكاك؛ 4) أن نظام السوائل في الصخر نظام مغلق، أي غير مُصرّف؛ 5) أن السائل في الصخر لا يتفاعل بأي شكل من الأشكال مع المادة الصلبة لجعل الإطار أكثر ليونة أو صلابة. ^{[ 20 ]}

يفترض الافتراض الأول أن طول موجة الصخر أكبر من مساماته وحبيباته. ويتوافق هذا الافتراض مع النطاق العام لأطوال موجات وترددات الموجات، بدءًا من نطاق المختبرات وصولًا إلى نطاق الموجات الزلزالية. أما الافتراض الثاني، فيفترض أن نفاذية مسامات الصخر منتظمة، ولا توجد مسامات معزولة فيه، بحيث تُحدث الموجة العابرة توازنًا كاملًا لتدفق السوائل في المسامات خلال نصف دورة الموجة. وبما أن نفاذية المسامات نسبية لطول الموجة وترددها، فإن معظم الصخور تفي بهذا الافتراض. ^{[ 19 ]} مع ذلك، بالنسبة للموجات الزلزالية، فإن الرمال غير المتماسكة فقط هي التي تفي بهذا الافتراض، نظرًا لنفاذيتها ومساميتها العالية. من جهة أخرى، بالنسبة للترددات العالية، مثل ترددات التسجيلات الجيولوجية وترددات المختبرات، فإن معظم الصخور تفي بهذا الافتراض. ونتيجة لذلك، تكون السرعات المحسوبة باستخدام معادلة غاسمان أقل من تلك المقاسة باستخدام ترددات التسجيلات الجيولوجية أو ترددات المختبرات. يفترض الافتراض الثالث أن السوائل عديمة اللزوجة، ولكن بما أن جميع السوائل في الواقع لها لزوجة، فإن معادلات غاسمان تنتهك هذا الافتراض. ويفترض الافتراض الرابع أن تدفق الصخر والسائل يكون محصورًا عند حدود عينة صخرية مخبرية، مما يعني أن التغيرات في الإجهادات الناتجة عن مرور موجة لا تُسبب تدفقًا كبيرًا للسائل من العينة الصخرية. أما الافتراض الخامس، فيمنع أي تفاعل مُعطِّل بين الخصائص الكيميائية أو الفيزيائية لمصفوفة الصخر وسائل المسام. ولا يتحقق هذا الافتراض دائمًا لأن التفاعل حتمي، وعادةً ما تتغير طاقة السطح نتيجةً له. فعلى سبيل المثال، عندما يتفاعل الرمل مع النفط الثقيل، تكون النتيجة خليطًا ذا معامل قص وحجم مرتفعين. ^{[ 13 ]}