مفهوم مختصر و دقیق فشار موئینگی

برای اینکه بتوانیم مفهوم فشار موئینگی را به صورت خلاصه اما دقیق یاد بگیریم، توضیحات را به 6 بخش تقسیم کرده‌ام:

1- زمانی می توانیم از مفهوم فشار موئینگی استفاده کنیم که دو سیال غیر قابل امتزاج بر روی سطح یک جسم جامد (مانند سطح سنگ) وجود داشته باشد. بنابراین زمانی که فقط یک فاز وجود داشته باشد (نفت یا آب یا گاز)، فشار موئینگی معنایی ندارد.

2- بین سطح سنگ و سیالی که با آن در تماس است، نیروهای چسبندگی (adhesive forces) وجود دارد. زمانی که دو سیال غیرقابل امتزاج در داخل ظرفی وجود دارند، آنها نیروهای چسبندگی متفاوتی را به سطح ظرف اعمال می‌کنند. سیالی که بتواند نیروی بیشتری را بر سطح ظرف اعمال کند، احتمال بیشتری وجود دارد که بر روی سطح ظرف پخش شود. به این سیال، more wetting phase و به سیال دیگر، less wetting phase می‌گویند. به شکل زیر دقت کنید:

3- سیالی که خاصیت ترشوندگی بیشتری دارد (more wetting phase) مدام در حال رقابت با سیالی است که خاصیت ترشوندگی کمتری دارد (less wetting phase) تا بتواند در آن نفوذ پیدا کند، ولی سیالی که خاصیت ترشوندگی کمتری دارد مانع از این کار می‌شود. این رقابت تا زمانی ادامه پیدا می‌کند تا دو سیال به حالت تعادل برسند. اگر یک لوله موئینه را وارد سطح مشترک دو سیال غیرقابل امتزاج (مانند آب و هوا) کنیم، آب (سیالی که خاصیت ترشوندگی بیشتری دارد) طبق شکل زیر از لوله موئین بالا می‌رود:

4- قدرت نیروی چسبندگی بین سطح جامد و سیال با تغییر انحنای سطح جامد تغییر می‌کند. هرچه مقدار شعاع انحنا کوچک‌تر باشد، نیروی چسبندگی بزرگ‌تر خواهد بود. اگر دو عدد لوله موئینه با شعاع‌های متفاوت را در یک محفظه بزرگ آب قرار دهیم، ارتفاع آب در لوله با شعاع کمتر، بیشتر خواهد بود. ارتفاع آب در هر یک از این دو لوله موئینه را فشار موئینگی (Capillary Pressure) می‌نامند. در واقع فشار موئینگی، فشار مورد نیاز برای راندن سیال به ارتفاعات بالاتر در لوله موئینه می‌باشد.

در اینجا، یک ظرف بزرگ آب، دو عدد لوله موئینه با سایزهای متفاوت و دو سیال (آب و هوا) داریم که آب در ظرف قرار دارد و هوا در بالای آن. بین آب و هوایی که در ظرف بزرگ قرار دارند، یک فشار موئینگی وجود دارد. به دلیل اینکه شعاع انحنای ظرف خیلی بزرگ‌تر از لوله موئینه می‌باشد، مقدار فشار موئینگی بسیار کوچک است. بنابراین فرض می‌کنیم که مقدار این فشار موئینگی برابر صفر است و سطح آب در ظرف را به عنوان «سطح آزاد آب» (Free Water Level) در نظر می گیریم که به عنوان سطح مبنا استفاده می‌شود. اختلاف ارتفاع آب در لول‌های موئینه مختلف، فشار موئینگی بین آب و هوا هستند. 

5- در واقعیت (مثلاً سیستم آب - نفت)، به جای لوله‌های موئینه، حفرات با سایزهای متفاوتی وجود دارند که به هم متصل شده‌اند و هر یک فشار موئینگی مخصوص خود را دارند. در این مورد خاص، سطح آزاد آب (FWL) برابر با سطح آب در بزرگ‌ترین حفره می‌باشد. در عمق‌های پایین‌تر از FWL فقط آب می‌تواند حرکت کند. حفرات با شعاع کمتر، فشار موئینگی بیشتری دارند که باعث می‌شود ارتفاع آب در آن‌ها بیشتر شود. ارتفاع آب در کوچک‌ترین حفره را Oil Down To می‌نامند. بالاتر از این سطح، آب نمی‌تواند حرکت کند ولی نفت حرکت می‌کند. در حقیقت بالاتر از ODT فقط نفت وجود دارد. فاصله بین FWL و ODT را Transition Zone می‌نامند و در شکل زیر نیز نشان داده شده است:

6- اگر چاه در زیر FWL مشبک کاری شود، تنها آب تولید می‌کند. اگر در بالای ODT مشبک کاری شود، تنها نفت تولید می‌کند. و اگر بین این دو سطح مشبک کاری شود، ترکیبی از نفت و آب تولید می‌کند.

منبع:

https://www.linkedin.com/pulse/20141130081815-156821532-illustration-of-capillary-pressure-concept?trk=mp-reader-card

اشباع آب کاهش نیافتنی (Irreducible Water Saturation)

در یک مغزه آب-دوست (که در ابتدا با آب اشباع شده است)، آب توسط نفت یا گاز (فاز غیر تر) محاصره شده است. تعریف فشار موئینگی (capillary pressure) به صورت Pc=Pnw-Pw می باشد. با توجه به این تعریف، اگر فشار در فاز تر (آب) و فاز غیر تر (هیدروکربن) برابر باشند، آنگاه مقدار فشار موئینگی برابر صفر است و فاز غیر تر نمی تواند به حفراتی که توسط آب پر شده اند (Sw=1)، وارد شود. زمانی که فشار فاز غیر تر (Pnw) که بیرون از دهانه حفرات قرار دارد، بیشتر از فشار فاز تر (Pw) است، فشار موئینگی مقداری مثبت دارد و اشباع آب کاهش می یابد.

اگر فشار در فاز هیدروکربن (فاز غیر تر) افزایش یابد، سطح مشترکی که در تمام ورودی های حفرات وجود دارد به سمت داخل خم می شوند و این خم شدن تا زمانی ادامه می یابد که در یک فشار بحرانی به یک انحنای بحرانی برسیم (که این فشار اعمالی بحرانی، برابر با فشار موئینگی بزرگ ترین حفرات می باشد).

با افزایش فشار فاز هیدروکربن، هیدروکربن به داخل بزرگ ترین حفرات (که دارای کمترین فشار موئینگی می باشند) حرکت می کند و آب را مجبور می کند تا از حفرات خارج شود؛ در این هنگام اشباع آب کاهش می یابد. 

نقطه ورود اولیه هیدروکربن را فشار ورود و یا فشار آستانه (threshold pressure) می نامند. افزایش بیشتر فشار هیدروکربن باعث نفوذ تدریجی آن به حفرات ریزتز می شود. 

در این مرحله، اشباع آب شامل دو مورد زیر است:

• آب به دام افتاده در کوچکترین حفرات
• و یک فیلم آب که سطح سنگ رو پوشانده است

این را «اشباع آب کاهش نیافتنی» می نامند و با نماد Swir و یا Swirr نشان می دهند. کل این فرایند «تخلیه» (drainage) نامیده می شود یعنی: کاهش اشباع فاز تر.

یک منحنی مربوط به فرایند تخلیه ابتدایی (primary drainage) در زیر نشان داده شده است. همان طور که در شکل دیده می شود، سنگی که کیفیت خوبی ندارد (حفرات آن ریز است)، دارای فشار آستانه بیشتری است؛ زیرا در حفرات ریز، فشار موئینگی زیاد است و بنابراین فشار زیادی لازم است تا هیدروکربن بتواند وارد حفرات ریزی که در آن ها آب قرار دارد، بشود. از آنجایی که هیدروکربن به سختی می تواند وارد این حفرات ریز بشود، در نتیجه اشباع آب کاهش نیافتنی در اینگونه سنگ ها زیاد است.

منبع: Core Analysis: A Best Practice Guide