علم خواص الصخور

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 5 صور
الموسوعة الحرة

علم الصخور الفيزيائي (من اليونانية πέτρα، petra ، "صخرة" و φύσις، physis ، "طبيعة") هو دراسة الخصائص الفيزيائية والكيميائية للصخور وتفاعلاتها مع السوائل . [ 1 ]

يُعدّ علم خواص الصخور أحد أهم تطبيقاته في دراسة مكامن النفط والغاز لصناعة الهيدروكربونات . ويتعاون علماء خواص الصخور مع مهندسي المكامن وعلماء الجيولوجيا لفهم خصائص الوسط المسامي للمكمن، ولا سيما كيفية ترابط المسام في باطن الأرض، مما يتحكم في تراكم الهيدروكربونات وهجرتها . [ 1 ] ومن بين الخصائص الأساسية لخواص الصخور التي يتم تحديدها: الليثولوجيا ، والمسامية ، وتشبع الماء ، والنفاذية ، والضغط الشعري . [ 1 ]

يقيس أخصائيو علم خواص الصخور ويقيّمون هذه الخواص الفيزيائية للصخور من خلال تفسير بيانات الآبار (أي ظروف المكمن في الموقع) وتحليل العينات اللبية في المختبر. أثناء عملية تثقيب البئر ، تُستخدم أدوات مختلفة لتحليل بيانات الآبار لقياس الخواص الفيزيائية للصخور والمعادن باستخدام تقنيات النشاط الإشعاعي والزلزالي داخل البئر. [ 2 ] بالإضافة إلى ذلك، تُؤخذ عينات لبية من البئر، إما من جدار البئر أو من العينة الكاملة . تُدمج هذه الدراسات مع الدراسات الجيولوجية والجيوفيزيائية وهندسة المكامن لنمذجة المكمن وتحديد جدواه الاقتصادية.

بينما يعمل معظم علماء فيزياء الصخور في صناعة الهيدروكربونات، يعمل بعضهم أيضًا في صناعات التعدين ، والموارد المائية ، والطاقة الحرارية الأرضية ، واحتجاز الكربون وتخزينه . تُعدّ فيزياء الصخور جزءًا من علوم الأرض ، وتُستخدم دراساتها في هندسة البترول ، والجيولوجيا ، والكيمياء الجيولوجية ، والجيوفيزياء الاستكشافية ، وغيرها. [ 3 ]

الخصائص البتروفيزيائية الأساسية

فيما يلي الخصائص البتروفيزيائية الأساسية المستخدمة لتوصيف الخزان:

  • علم الصخور : وصف للخصائص الفيزيائية للصخور، مثل حجم الحبيبات والتركيب والنسيج . [ 4 ] من خلال دراسة علم الصخور للنتوءات الجيولوجية المحلية وعينات اللب ، يمكن لعلماء الجيولوجيا استخدام مجموعة من قياسات التسجيل، مثل أشعة جاما الطبيعية والنيوترون والكثافة والمقاومة الكهربائية، [ 2 ] لتحديد علم الصخور في قاع البئر.
  • المسامية : نسبة حجم الفراغات المسامية إلى حجم الصخر الكلي، ويرمز لها بـϕ{\displaystyle \phi }[ 5 ] يُحسب عادةً باستخدام بيانات من جهاز يقيس تفاعل الصخور مع قصفها بالنيوترونات أو أشعة غاما ، ولكن يمكن أيضًا استخلاصه من التسجيلات الصوتية والرنين المغناطيسي النووي . [ 2 ] يُعد مقياس المسامية بالهيليوم التقنية الرئيسية لقياس حجم الحبيبات والمسامية في المختبر. [ 6 ]
  • تشبع الماء : هو نسبة حجم المسام التي يشغلها الماء. [ 7 ] يُحسب هذا عادةً باستخدام بيانات من جهاز يقيس مقاومة الصخور، وتطبيق نماذج تشبع الماء التجريبية أو النظرية؛ وأكثرها استخدامًا على مستوى العالم هو نموذج آرتشي (1942). [ 8 ] ويُعرف بالرمز ρ.Sw{\displaystyle S_{w}}.
  • النفاذية : هي كمية السائل (الماء أو الهيدروكربون) التي يمكن أن تتدفق عبر الصخر كدالة للزمن والضغط، وترتبط بمدى ترابط المسام، وتُعرف بالرمز σ²⁺.ك{\displaystyle k}[ 1 ] يُعد اختبار التكوين الأداة الوحيدة التي يمكنها قياس نفاذية التكوين الصخري مباشرةً في البئر. [ 9 ] في حال عدم توفره، وهو أمر شائع في معظم الحالات، يمكن استخلاص تقدير للنفاذية من العلاقات التجريبية مع قياسات أخرى مثل المسامية ، والرنين المغناطيسي النووي ، والتسجيل الصوتي. [ 10 ] يُطبق قانون دارسي في المختبر لقياس نفاذية عينة اللب باستخدام غاز خامل أو سائل (أي لا يتفاعل مع الصخر). [ 6 ]
  • سُمك التكوين (h) للصخور ذات النفاذية الكافية لتوصيل السوائل إلى بئر النفط، وتُعرف هذه الخاصية غالبًا باسم " صخور الخزان الصافية ". في صناعة النفط والغاز، تُحسب كمية أخرى تُسمى " صافي الإنتاج "، وهي سُمك الصخور القادرة على توصيل الهيدروكربونات إلى بئر النفط بمعدل مُربح. [ 11 ]

الخواص الميكانيكية للصخور

تُستخدم الخصائص الميكانيكية أو الجيوميكانيكية للصخور أيضًا في علم خواص الصخور لتحديد قوة الخزان ، والخصائص المرنة ، والصلابة ، والسلوك فوق الصوتي ، وخصائص المؤشر ، والإجهادات في الموقع . [ 6 ]

يستخدم علماء خواص الصخور قياسات الصوت والكثافة لحساب خصائصها الميكانيكية وقوتها . يقيسون سرعة الموجة الانضغاطية (P) وسرعة الموجة القصية (S) في الصخر، ويستخدمون هذه القياسات مع كثافة الصخر لحساب مقاومة الصخر للانضغاط ، وهي الإجهاد الانضغاطي الذي يؤدي إلى انهيار الصخر، ومرونة الصخر ، وهي العلاقة بين الإجهاد والتشوه. [ 12 ] كما يُستخدم تحليل الموجات المحولة لتحديد الليثولوجيا والمسامية تحت السطحية. [ 13 ]

تُعدّ قياسات الجيوميكانيكا مفيدةً لتقييم قابلية الحفر، وتصميم استقرار الآبار المفتوحة، وربط قوة وإجهادات التسجيلات الجيولوجية، وتوصيف التكوينات الجيولوجية وقوتها. [ 6 ] كما تُستخدم هذه القياسات في تصميم السدود والطرق وأساسات المباني، والعديد من مشاريع البناء الكبيرة الأخرى. [ 14 ] ويمكنها أيضًا المساعدة في تفسير الإشارات الزلزالية من باطن الأرض، سواءً كانت إشارات زلزالية مُصنّعة أو ناتجة عن الزلازل. [ 15 ]

طرق التحليل البتروفيزيائي

تحليل أساسي

تُعدّ عينات اللب الصخري قطعًا من الصخور تُجمع من التكوينات الجوفية أثناء عمليات الحفر، لدراسة خصائصها الفيزيائية والميكانيكية بالتفصيل. وهي تُقدّم الدليل المباشر الوحيد على بنية صخور المكمن. ويُمثّل تحليل اللب الصخري البيانات المرجعية التي تُقاس في المختبر لتحديد الخصائص البتروفيزيائية الرئيسية للصخور في موقعها الأصلي. في صناعة النفط، تُستخرج عينات الصخور من باطن الأرض وتُقاس في مختبرات اللب التابعة لشركات النفط أو الخدمات. هذه العملية مُستهلكة للوقت ومُكلفة؛ لذا، لا يُمكن تطبيقها إلا على بعض الآبار المحفورة في الحقل. كما أن التصميم والتخطيط والإشراف السليم يُقلّل من تكرار البيانات وعدم اليقين فيها. يجب أن تعمل فرق العميل والمختبر بتناغم لتحسين عملية تحليل اللب الصخري. [ 6 ]

تسجيل الآبار

الشكل 1

يُعدّ تسجيل الآبار طريقةً غير مكلفة نسبيًا للحصول على الخصائص الفيزيائية للصخور في قاع البئر. تُنقل أدوات القياس إلى قاع البئر باستخدام إما طريقة السلك أو طريقة التسجيل أثناء الحفر . [ 2 ]

يُظهر الشكل 1 مثالاً على سجلات الآبار السلكية. يُبين المسار الأول مستوى إشعاع غاما الطبيعي للصخر. ويُظهر سجل مستوى إشعاع غاما زيادة الإشعاع باتجاه اليمين وانخفاضه باتجاه اليسار. الصخور التي تُصدر إشعاعًا أقل تكون أكثر تظليلاً باللون الأصفر. يتميز الكاشف بحساسية عالية، وكمية الإشعاع منخفضة جدًا. في التكوينات الصخرية الفتاتية، تميل الصخور ذات الكميات الأقل من الإشعاع إلى أن تكون خشنة الحبيبات وذات مسامية أكبر، بينما تميل الصخور ذات الكميات الأعلى من الإشعاع إلى أن تكون أدق حبيبات وذات مسامية أقل. [ 16 ]

يسجل المسار الثاني في الرسم البياني العمق أسفل نقطة المرجع، وعادة ما تكون هذه النقطة هي شجيرة كيلي أو الطاولة الدوارة بالأقدام، لذا فإن هذه التكوينات الصخرية تقع على عمق 11900 قدم تحت سطح الأرض.

في المسار الثالث، تُعرض المقاومة الكهربائية للصخر. الماء الموجود في هذا الصخر مالح. تعمل الإلكتروليتات المتدفقة داخل مسام الماء على توصيل الكهرباء، مما يؤدي إلى انخفاض مقاومة الصخر. يشير هذا أيضًا إلى زيادة تشبع الماء وانخفاض تشبع الهيدروكربونات. [ 17 ]

يُظهر المسار الرابع نسبة تشبع الماء المحسوبة، سواءً كـ"ماء إجمالي" (بما في ذلك الماء المرتبط بالصخر) باللون الأرجواني، أو كـ"ماء فعال" أو الماء الحر للتدفق باللون الأسود. وتُعطى كلتا الكميتين كنسبة من إجمالي مساحة المسام.

يُظهر المسار الخامس نسبة المسامية من إجمالي الصخور، والتي تشغلها السوائل. ويُقسّم عرض المسامية إلى قسمين: الأخضر للنفط والأزرق للماء المتحرك. ويُشير الخط الأسود إلى نسبة المسامية التي تحتوي على الماء أو النفط القابل للحركة أو الإنتاج (أي المسامية الفعّالة). بينما يُشير الخط الأرجواني إلى المسامية الكلية، أي أنها تشمل الماء المرتبط بالصخر بشكل دائم.

يمثل المسار الأخير التركيب الصخري مقسمًا إلى جزأين: الحجر الرملي والطفلي. يشير النمط الأصفر إلى الجزء الصخري (باستثناء السوائل) المكون من الحجر الرملي ذي الحبيبات الخشنة. أما النمط الرمادي فيشير إلى الجزء الصخري المكون من الحجر الرملي ذي الحبيبات الدقيقة، أي "الطفلي". الحجر الرملي هو الجزء الصخري الذي يحتوي على الهيدروكربونات والماء القابلة للاستخراج.

النمذجة

تُبنى نماذج المكامن بواسطة مهندسي المكامن باستخدام برامج متخصصة، وذلك بالاعتماد على بيانات الخصائص الفيزيائية للصخور التي يُعدّها أخصائيو هذه الخصائص، لتقدير كمية الهيدروكربونات الموجودة في المكمن، ومعدل إنتاج هذه الهيدروكربونات إلى سطح الأرض عبر الآبار، وتدفق السوائل في الصخور. [ 3 ] وتُستخدم نماذج مماثلة في قطاع موارد المياه لحساب كمية المياه التي يمكن إنتاجها إلى السطح على مدى فترات طويلة دون استنزاف الخزان الجوفي . [ 18 ]

نموذج حجمي للصخور لتكوين الرمال الطينية

الرمل الطيني هو مصطلح يُشير إلى خليط من الطين أو الصخر الزيتي والحجر الرملي. ولذلك، فإن وجود نسبة كبيرة من المعادن الطينية وجزيئات بحجم الطمي ينتج عنه حجر رملي ناعم الحبيبات ذو كثافة أعلى وتركيب صخري أكثر تعقيدًا. [ 19 ]

يُعدّ حجم الطين/الصخر الزيتي أحد المعايير البتروفيزيائية الأساسية التي يجب تقديرها، إذ يُسهم في الحجم الكلي للصخر، وللحصول على مسامية وتشبع مائي دقيقين، لا بد من تحديد التقييم بدقة. وكما هو موضح في الشكل 2، يتضمن نمذجة تكوين الصخور الفتاتية أربعة مكونات، تُعرّف عادةً في الرمال الطينية أو الصخرية، وهي: مصفوفة الصخر (الحبيبات)، والجزء الطيني المحيط بالحبيبات، والماء، والهيدروكربونات. ويُخزّن هذان السائلان فقط في مسامات مصفوفة الصخر.

مكونات نموذج بتروفيزيائي لصخرة خزان مبللة بالماء

نظراً للبنية المجهرية المعقدة، بالنسبة للصخور المبللة بالماء، فإن المصطلحات التالية تشكل تكوين الخزان الفتاتي:

V ma = حجم حبيبات المادة الأساسية.

V dcl = حجم الطين الجاف.

V cbw = حجم الماء المرتبط بالطين.

V cl = حجم الطين الرطب ( V dcl + V cbw ).

V cap = حجم الماء المرتبط بالشعيرات الدموية.

V fw = حجم الماء الحر.

V hyd = حجم الهيدروكربون.

Φ T = المسامية الكلية (PHIT)، والتي تشمل فتحات المسام المتصلة وغير المتصلة.

Φ e = المسامية الفعالة التي تشمل فقط فتحات المسام المتصلة ببعضها البعض.

V b = الحجم الكلي للصخرة.

المعادلات الرئيسية:

V ma + V cl + V fw + V hyd = 1

حجم مصفوفة الصخور + حجم الطين الرطب + حجم الماء الخالي + حجم الهيدروكربون = حجم الصخور الكلي [ 20 ]

الجمعيات العلمية

جمعية علماء خواص الصخور ومحللي سجلات الآبار (SPWLA) هي منظمة تتمثل مهمتها في زيادة الوعي بخواص الصخور وتقييم التكوينات وأفضل ممارسات تسجيل الآبار في صناعة النفط والغاز والمجتمع العلمي بشكل عام. [ 21 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 4 تياب، د. ودونالدسون، إي سي (2004). بتروفيزياء . أكسفورد: إلسفير. ص.  1. رقم ISBN 0-7506-7711-2.
  2. 1 2 3 4 سيرا، أوبيرتو؛ سيرا، لورينزو (2004). تسجيل الآبار : الحصول على البيانات والتطبيقات ميري كوربون، فرنسا. رقم ISBN  978-1-62198-787-1. OCLC 860900113 . {{cite book}}: CS1 maint: موقع الناشر مفقود ( رابط )
  3. 1 2 تشين، أندرو؛ باغان، رونالد (1 يونيو 2013). "اكتشف مسارًا مهنيًا: علم الصخور الفيزيائي" . الطريق إلى الأمام . 9 (2): 19-21 . doi : 10.2118/0213-019-twa . تاريخ الاسترجاع : 14 أبريل 2023 .
  4. ↑ "علم الصخور" . معجم الزلازل . هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أكتوبر 2010 .
  5. ↑ "المسامية" . معجم شلمبرجير لحقول النفط . تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 أكتوبر 2018 .
  6. 1 2 3 4 5 كولين ماكفي؛ جولز ريد؛ إيزاسكون زوبيزاريتا، محرران (2015). تحليل الجوهر : دليل لأفضل الممارسات . أمستردام، هولندا. ISBN  978-0-444-63657-7. OCLC 932016705 . {{cite book}}: CS1 maint: موقع الناشر مفقود ( رابط )
  7. ↑ "تشبع الماء" . معجم شلمبرجير لحقول النفط . تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 أكتوبر 2018 .
  8. ↑ آرتشي، جي آر (ديسمبر 1942). "سجل المقاومة الكهربائية كأداة مساعدة في تحديد بعض خصائص الخزان" . معاملات معهد مهندسي التعدين والمعادن والبترول . 01 : 54-62 . doi : 10.2118/942054-G .
  9. ↑ إردل، جيمس سي. (سبتمبر 1984). الممارسات الحالية لاختبار أنابيب الحفر: التصميم والتنفيذ والتفسير . المؤتمر والمعرض الفني السنوي لجمعية مهندسي البترول، 16-18 سبتمبر 1984، هيوستن، تكساس. doi : 10.2118/13182-MS .
  10. ^ دارسي ، هـ. (1856). Les Fontaines publiques de la ville de Dijon . باريس: دالتون.
  11. ↑ وورثينجتون، بول ف. (أكتوبر 2010). "صافي الأجر - ما هو؟ ما فائدته؟ كيف نقيسه؟ كيف نستخدمه؟". مجلة تقييم هندسة المكامن التابعة لجمعية مهندسي البترول . 13 (5): 812-822 . doi : 10.2118/123561-pa . ISSN 1094-6470 . 
  12. ↑ جايجر، جيه سي؛ كوك، نيفيل جي دبليو؛ زيمرمان، روبرت واين (2007). أساسيات ميكانيكا الصخور ( الطبعة الرابعة). مالدن، ماساتشوستس: بلاكويل للنشر. ISBN  978-1-4443-0891-4. OCLC 430954955 . 
  13. ↑ تشوبرا، ساتيندر؛ كاستاغنا، جون ب. (2014). AVO . جمعية الجيوفيزيائيين الاستكشافيين. doi : 10.1190/1.9781560803201 . ISBN 978-1-56080-319-5.
  14. ↑ تشين، دبليو إف؛ ليو، جيه واي ريتشارد، محرران. (2002). دليل الهندسة المدنية ( الطبعة الثانية). بوكا: مطبعة سي آر سي. doi : 10.1201/9781420041217 . hdl : 10216/134011 . ISBN  9781420041217.
  15. ↑ أتكينسون، جون (2007). ميكانيكا التربة والأساسات ( الطبعة الثانية). لندن: مطبعة سي آر سي. doi : 10.1201/9781315273549 . ISBN  9781315273549.
  16. ^ بوبون، أ. كلافير، سي. دومانوار، J.؛ جيمارد، ر. مسك، أ. (يوليو 1970). "تحليل السجل لتسلسلات الصخر الزيتي - نهج منهجي" . مجلة تكنولوجيا البترول . 22 (7): 867-881 . دوى : 10.2118/2897-PA .
  17. ↑ براون، جي إيه (يونيو 1986). مقارنة رياضية لمعادلات التشبع الشائعة . ندوة SPWLA السنوية السابعة والعشرون للتسجيل. 1986-T.
  18. ^ بيريز مارتن، ميغيل أ. استريلا، تيودورو؛ أندرو، خواكين؛ فيرير ، خافيير (2014/09/01). "نمذجة الموارد المائية والتفاعل بين النهر وطبقات المياه الجوفية في حوض نهر جوكار، إسبانيا" . إدارة الموارد المائية . 28 (12): 4337-4358 . دوى : 10.1007 / s11269-014-0755-3 . اتش دي ال : 10251/52278 . ISSN 1573-1650 . S2CID 154772994 .  
  19. ↑ "shaly" . glossary.slb.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 24-05-2023 .
  20. ↑ هوك، جيه آر "مقدمة في المسامية". علم الصخور . 44 ( 3): 205-212 – عبر OnePetro.
  21. ↑ "SPWLA" . www.spwla.org . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29-07-2023 .

للمزيد من القراءة

  • غيغوين، إيف؛ بالسياوسكاس، فيكتور (1994)، مقدمة في فيزياء الصخور ، مطبعة جامعة برينستون، رقم ISBN 978-0-691-03452-2
  • مافكو، غاري ؛ موكرجي، تابان؛ دفوركين، جاك (2003)، دليل فيزياء الصخور ، مطبعة جامعة كامبريدج، رقم ISBN 978-0-521-54344-6
  • سانتامارينا، ج. كارلوس؛ كلاين، كاثرين أ.؛ فام، محب أ. (2001)، التربة والأمواج: سلوك المواد الجسيمية، وخصائصها، ومراقبة العمليات ، جون وايلي وأولاده المحدودة، ISBN 978-0-471-49058-6
  • تياب، جبار؛ دونالدسون، إيرل سي. (2012). علم خواص الصخور: النظرية والتطبيق العملي لقياس خواص نقل الصخور والسوائل في المكامن (  الطبعة الثالثة). أكسفورد: دار نشر جلف بروفيشنال. ISBN 978-0-12-383848-3.
  • راكيل، س. بينيتيز، ج.؛ مولينا، ل.؛ بيدروزا، سي. (2016). “الشبكات العصبية لتحديد التباين المكاني لخصائص الصخور في الوسائط ذات الأدوات المتفرقة” (PDF) . Boletín de la Sociedad Geológica Mexicana . المجلد.  553 . تم الاسترجاع في 12 أكتوبر 2018 .