تاثیر فشار بر ویژگیهای فیزیکی-الکتریکی تعدادی ازنمونه های کربناته
| دسته | زمین شناسی نفت |
|---|---|
| گروه | سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور |
| مکان برگزاری | بیست و ششمین گردهمایی علوم زمین |
| تاريخ برگزاری | ۱۴ اسفند ۱۳۸۶ |
چکیده :
فاکتور مقاومت سازند (FRF) یکى از مهمترین پارامترهایى است که جهت محاسبه آب اشباع شدگى به کمک رابطه آرچى مورد نیاز مى باشد. فاکتور مقاومت سازند خود با تغییر فشار(تغییر عمق تدفین) تغییر مى نماید. به منظور بررسى تاثیر فشار بر فاکتور مقاومت سازند و در نتیجه توان تخلخل (ضریب سیمان شدگى m) تعداد ۱۱ عدد نمونه کربناته با تنوع بافتى از وکستون تا گرینستون از مخزن ایلام دریکى از میادین منطقه خلیج فارس انتخاب شد. مقادیرFRF، تراوایى(K) و تخلخل(Ø) در فشار ۲۰ الى ۲۵۰ بار درآزمایشگاه اندازه گیرى شد. سپس میزان تغییر این پارامترها در هر مرحله فشارى نسبت به مقدار اولیه در مقابل فشار پلات گردید. در تمامى نمونه ها با افزایش فشار مقدار فاکتور مقاومت سازند افزایش و با روندی تقریبا مشابه ولى معکوس تراوایى کاهش مى یابد. فشار وارده بریک سنگ با کاهش حجم منافذ سبب کاهش تخلخل وبا باریکتر شدن و بسته شدن گلوگاهها سبب کاهش تراوایی می شود. با بسته شدن گلوگاهها جریان الکتریسیته ناچار به طی مسیر طولانی تر و پر پیچ و خم تری است که خود سبب افزایش مقدار FRF می شود. تغییرات نا متناسب FRF و Ø نسبت به همدیگر در مراحل فشارى در برخى موارد سبب کاهش m مى شود. تغییرات نسبتا متناسب FRF و K تداعى کننده این است که عبور جریان الکتریسیته در سنگ شبیه عبور سیالات در شبکه تخلخل مى باشد. بنابراین به منظور کاهش خطا در محاسبه آب اشباع شدگی، اندازه گیری فاکتور مقاومت سازند و در نتیجه توان تخلخل در شرایط فشاری شبیه سازی شده مخزن بسیار ضروری به نظر می رسد.
محمد حسنی گیو، زمین شناسی نفت، شرکت ملی نفت، مدیریت اکتشاف، اداره زمین شناسی تحت الارضی
مقدمه :
فاکتور مقاومت سازند برای اولین بار توسط آرچی (1942) بعنوان نسبت مقاومت سنگ 100% اشباع با آب شور به مقاومت آب شور اشباع کننده منافذ تعریف شد.
(1)
در این رابطه F فاکتور مقاومت سازند، Ro مقاومت سنگ 100% اشباع با آب شور و Rw مقاومت آب شوراشباع کننده منافذ است.
آرچی همچنین دریافت که F رابطه معکوسی با تخلخل دارد.
(2)
در این رابطه Ø تخلخل و m ضریب سیمان شدگی است. این رابطه بعدا توسط Winsauer و همکاران (1952) به شکل عمومی تر (رابطه 3) تغییر یافت.
(3)
در این رابطه a ضریب پیچاپیچی است.
روش متداول محاسبه پارامترهای m و a پلات کردن مقادیر FRF در مقابل Ø روی نمودار تمام لگاریتمی است که شیب خط حاصله مقدار m و عرض از مبداء بیانگر مقدار a است. همچنین با فرض a=1 مقدار m از رابطه ذیل قابل محاسبه است.
(4)
طبق رابطه (3) FRF به مقدار تخلخل و ساختار شبکه تخلخل (a,m) مرتبط است. توان تخلخل (ضریب سیمان شدگی m )پارامتری است که بیشتر تابع مقدار و نوع تخلخل است و ارتباط چندانی به سیمان شدگی ندارد (حسنی گیو و رحیمی، منتشر نشده).
یکی دیگر از پارامترهای موثر برFRF فشار است که میتواند به عمق تدفین نیز ترجمه شود. سانر(Saner) و همکاران (1996) تاثیر فشار بر فاکتور مقاومت سازند را روی تعدادی از نمونه های ماسه سنگ مطالعه کرده و نشان دادند که با افزایش فشار FRF افزایش یافته و با کاهش فشار کاهش می یابد اما به مقدار اولیه بر نمی گردد، که این مورد می تواند مربوط به تغییر شکل پلاستیک نمونه ها باشد. بهین (2004) در مطالعه ای تحت عنوان تاثیر تنش بر فاکتور سیمان شدگی در نمونه های کربناته انتخاب شده از دو میدان متفاوت نشان داد که با افزایش فشار m نیز افزایش می یابد، و تغییرات m در نمونه های با منافذ غیر هم اندازه و غیر یکنواخت بیشتر از نمونه هایی است که منافذ یکنواختی دارند.
لایه های سنگی با توجه به عمق تدفین تحت فشارطبقات فوقانی (overburden pressure) می باشند که سبب متراکم شدن منافذ میگردد. ازطرفی فشار منفذی که برابر فشار مخزن میباشد در مقابل این تراکم مقاومت نموده و بخشی ازاین فشار را خنثی می کند. اختلاف این دو فشار فشار موثر متراکم کننده منافذ می باشد. هدف ازاندازه گیریهای مقاومت پلاگهای مغزه یافتن پارامترهای فاکتور مقاومت سازند و متعاقب آن مقدار m ،a و n میباشد. در اینجا مقدار a=1 فرض شده وپارامتر n در این مطالعه بحث نمی شود.
در این مطالعه تاثیر فشار (عمق تدفین) بر ویژگیهای فیزیکی-الکتریکی نمونه هایی کربناته مربوط به سازند ایلام در یکی از میادین واقع شده در منطقه خلیج فارس مورد بررسی قرار گرفته است.
داده های مورد مطالعه :
در این مطالعه تعداد 11 نمونه پلاگ مغزه از سنگهای کربناته مربوط به سازند ایلام در یکی ازمیادین منطقه خلیج فارس مورد اندازه گیری قرار گرفت. نمونه های انتخاب شده تنوع بافتی از وکستون تا گرینستون دارند. جزئیات بافتی و میزان تغییرات پارامترهای FRF، K و Ø نمونه های مورد مطالعه درجدول 1 آمده است. وضعیت تخلخل-تراوایی نمونه های مورد مطالعه در دیاگرام متقابل شکل (1) قابل مشاهده است. تخلخل نمونه های مورد مطالعه از0.02 الی 0.14 و تراوایی نمونه ها از 0.002 الی 0.71 میلی دارسی تغییر می نماید. مقادیر FRF،K و Ø در فشارهای 20، 50، 100، 150، 200 و 250 در آزمایشگاه اندازه‌گیری شد. سپس میزان تغییر پارامترهای مذکور در مراحل فشاری مختلف نسبت به مقدار اولیه در مقابل فشار پلات گردید (شکل 2 ).
میزان حداقل و حداکثر کاهش پارامترهای تخلخل و تراوایی در فشار 250 بار به ترتیب %2.4 و %28.2 است. حداقل میزان افزایش مقدارFRF برای نمونه های مورد مطالعه نسبت به مقدار اولیه %27.3 و حداکثر آن %75.2 می باشد.
علاوه بر اندازه گیریهای مقاومت الکتریکی، بر روی نمونه های فوق آزمایشات تزریق جیوه نیز در محدوده فشاری 1 بار کمتر از فشار اتمسفر تا 60000 پام انجام شد که به منظور مشاهده کیفی بهتر، نمودارهای تزریق جیوه در محدوده فشاری 0 الی 2000 پام رسم شده است. این نمودارها که میزان اشباع سیال غیر تر کننده (جیوه) را در مقابل افزایش فشار نشان می دهند در شکل (2) قابل مشاهده اند. با نگاهی سریع به این منحنیها وضعیت توزیع گلوگاههای منافذ به صورت کیفی در ذهن مجسم می شود. اندازه گلوگاههای منافذ با استفاده از داده های تزریق جیوه از رابطه (5) )(Washburn,1921 قابل محاسبه است.
(5)
در این رابطه Pc فشار مویینه (دین بر سانتیمتر مربع)، کشش سطحی جیوه (480 دین برسانتیمتر مربع)، زاویه تماس جیوه/ جامد (140 درجه) و r شعاع گلوگاه بر حسب سانتی متر مربع است. با جایگزینی مقادیر مربوطه و تبدیل واحد رابطه (5) در سیستم جیوه-جامد به شکل رابطه (6) می تواند بازنویسی شود.
(6)
در این رابطه r شعاع گلوگاه (میکرون) و Pc فشار مویینگی (پام) می باشد.
با داشتن میزان افزایش اشباع شدگی در هر مرحله فشاری، فراوانی گلوگاههای مختلف قابل محاسبه است. فراوانی توزیع گلوگاهها نیز در شکل (2) قابل مشاهده است. در نمونه های مورد مطالعه شعاع گلوگاههای منافذ در محدوده 0.002 الی 71 میکرون می باشد. فراوانی گلوگاههای منافذ در وکستونها غالبا توزیع دوگانه ای را نشان می دهد. فراوانترین گلوگاهها غالبا در محدوده 0.01 الی 0.6 میکرون هستند. در حالیکه گلوگاههای مربوط به نمونه های با بافت دانه افزون یکنواخت تر و بیشترین فراوانی غالبا در محدوده 0.1 الی 0.7 میکرون می باشد.
بحث :
فشار وارده بر طبقات رسوبی در طبیعت می تواند با اعمال فشار در آزمایشگاه شبیه سازی شود. با افزایش عمق تدفین (اعمال فشار در آزمایشگاه) سنگها بسته به وضعیت سیمان شدگی، بافت مقدار و نوع تخلخل با شدتهای مختلفی متراکم می شوند. افزایش فشار موجب فشرده شدن و در نتیجه کاهش حجم منافذ شده که در کاهش تخلخل ظاهر می شود. با توجه به گسترش سیمان شدگی نمونه های گرینستون و پکستون-گرینستونی کمترین تراکم پذیری را به خود اختصاص داده در مقابل نمونه‌های وکستون و وکستون- پکستون بیشترین تراکم پذیری را نشان می دهند. اعمال فشار در سنگهای با زمینه کاملا سیمانی شده سبب فشرده شدن منافذ شده اما در سنگهای با بافت گل افزون علاوه بر فشرده شدن شبکه منافذ، با ادامه اعمال فشار زمینه میکریتی سنگ که حاوی ریز‌تخلخل می باشد فشرده شده و حتی ذرات می توانند در کنار هم بلغزند و به آرایش متراکمتر و پایدارتری برسند. این تغییر شکل پس از برداشت فشار غیر قابل برگشت بوده و دلیلی است برای توجیه پدیده hystersis عنوان شده توسط سانر و همکاران (1996). به دلیل گسترده بودن محدوده اندازه گلوگاهها (تنوع گلوگاهها) در نمونه های وکستون و وکسستون-پکستون (نمودارهای شکل 2) روند تغییرات FRF ،Ø و K نسبت به همدیگر نامنظم است.
تاثیر افزایش فشار بر کاهش تراوایی و افزایش FRF نسبت به کاهش تخلخل محرزتر است. با باریکتر شدن و یا بسته شدن تعدادی از گلوگاهها قابلیت نفوذ سیال در شبکه تخلخل کاهش یافته و جریان الکتریسیته نیز برای عبور از شبکه تخلخل باید مسیر طولانی تر و پر پیچ و خم تری را طی کند که خود باعث افزایش FRF و کاهش K می گردد. نقش فشار بر کاهش تراوایی و افزایش FRF در غالب نمونه ها (مخصوصا پکستون- گرینستون و گرینستون) تقربا مشابه است. این پدیده بیانگر اینست که عبور جریان الکتریسیته در سنگ تا حدودی شبیه عبور سیالات در شبکه منافذ است (در غیاب بخش جامد هدایت کننده جریان مانند کانیهای رسی و دیگر ترکیبات هادی). این شباهت می تواند در پش بینی تراوایی با استفاده از لاگهای مقاومت مد نظر قرار بگیرد.
در غالب موارد شدت کاهش Ø و K در برابر فشار متناسب نیست. دلیل احتمالی می تواند ریز تخلخلهای موجود در ماتریکس باشد، به این معنی که با افزایش فشار ریز تخلخلها فشرده شده (کاهش تخلخل) در حالیکه این نوع تخلخلها نقش کمی در تراوایی ایفا می کنند. همچنین در نمونه های پکستون-گرینستون و گرینستون (نمونه های 9،10 و 11) اگر چه تخلخل تغییر محسوسی نداشته ولی تراوایی کاهش یافته و FRF نیز افزایش یافته که می تواند به دلیل بسته شدن گلوگاهها و یا مودرزهایی باشد که در مقدار حجم تخلخل سهم بسیار ناچیزی دارند. روند افزایش FRF و کاهش K در نمونه های گرینستون و پکستون-گرینستون به دلیل یکنواخت بودن گلوگاهها (نمودارهای فراوانی گلوگاهها موید این مطلب است.)تقارن بهتری نسبت به سایر نمونه ها نشان می دهد.
در مواردی که تراوایی ثابت ولی تخلخل کاهش و FRF افزایش یافته است بیان کننده این مطلب است که رفتار عبور جریان الکتریسیته و سیالات در شبکه تخلخل تا حدودی شبیه است ولی جریان الکتریسیته حتی می تواند از تخلخلهایی عبور کند که سیالات قادر به عبور از آن نیستند. همین عامل در سنگهای گل افزون سبب شده تا روند افزایش FRF و کاهش K تقارن خوبی نشان ندهند. البته محتوی بالای رس این سنگها نیز خود بی تاثیر نیست. همانطور که در نمودار شکل (3) مشاهده می شود کمترین مقدار FRF مربوط به نمونه های 8 و 11 (پکستون و گرینستون) و بیشترین مقدار آن مربوط به نمونه 1 (وکستون) است که ریزترین گلوگاهها را به خود اختصاص داده و در نتیجه تراوایی بسیار اندکی (0.002میلی دارسی) دارد.
از آنجا که توان تخلخل (ضریب سیمان شدگی m) با فرض a=1 از رابطه (4)به دست می آید، اگر نسبت افزایش FRF در یک مرحله فشاری از نسبت کاهش Ø کمتر باشد، مقدار m کاهش خواهد یافت (به عنوان مثال نمونه های 1،2 و 6 نمودار شکل 4).
میزان تغییر نامتناسب FRF و Ø گویای این مطلب است که FRFعلاوه بر مقدار تخلخل تابع نوع تخلخل نیز می باشد.
نتیجه گیری :
با بررسی تغییرات فاکتور مقاومت سازند، تخلخل، و تراوایی تعداد 11 نمونه کربناته با افزایش فشار مشخص شد که میزان تراکم پذیری در این نمونه ها به مقدار تخلخل ارتباط چندانی ندارد بلکه میزان سیمان شدگی زمینه در برگیرنده منافذ است که کنترل کننده میزان تراکم پذیری است.
با افزایش فشار فاکتور مقاومت سازند افزایش و با روندی تقریبا مشابه ولی معکوس تراوایی کاهش می یابد که موید شباهت رفتار عبور جریان الکتریسیته وحرکت سیالات در شبکه منافذ می باشد.
به طور کلی با افزایش فشار توان تخلخل نیز افزایش می یابد اما گاهی به دلیل تغییر نامتناسب فاکتور مقاومت سازند و تخلخل که به سیستم منافذ و بافت سنگ مربوط می شود در برخی مراحل فشاری توان تخلخل کاهش می یابد. از اینرو انتخاب مقداری از توان تخلخل در فشاری معادل فشار موثری که منافذ تحت آن فشار هستند ضروری به نظر می رسد.
اعمال فشار بر سنگ سبب کاهش حجم منافذ(کاهش تخلخل) و باریک تر شدن و یا بسته شدن گلوگاههای مرتبط کننده منافذ می شود. مورد اخیر کنترل کننده میزان تراوایی و فاکتور مقاومت سازند می باشد. از آنجا که گلوگاهها با توجه به حجم کم سهم اندکی در مقدار تخلخل داشته اما نقش کلیدی در تراوایی و عبور جریان الکتریسیته دارند، با بسته شدن گلوگاهها تراوایی کاهش یافته و جریان الکتریسیته برای عبور از شبکه منافذ ناچار به طی مسیری طولانی تر و پر پیچ و خم تری است که موجب افزایش FRF می گردد.
از آنجا که فاکتور مقاومت سازند و متعاقبا توان تخلخل با تغییر فشار تغییر می نماید، به منظور کاهش خطا در محاسبه آب اشیاع شدگی، انجام اندازه‌گیریهای مقاومت پلاگ مغزه در شرایط فشاری مخزن ضروری است.