مبانی شناخت مخازن نفتی

پیدایش نفت، نیاز به وجود ۵ عامل بنیادین دارد که در این مقاله به توضیح درباره‌ی آن‌ها می‌پردازیم.
این ۵ عامل عبارتند از :
۱) سنگ منشأ یا سنگ مادر (source rock) که نفت در آن پدید می‌آید.
۲) سنگ مخزن(Reservoir rock) که نفت در دورن آن ذخیره می‌شود.
۳) لایه‌ی راهبر (carrier bed) که نفت در درون آن که مسیری متخلخل و تراوا است، به سمت سنگ مخزن حرکت می‌کند و پدیده‌ی مهاجرت نفت را می‌آفریند.
۴) پوش سنگ(cap rock) که اجازه حرکت بیشتر را به نفت ندهد و نفت را داخل سنگ مخزن نگه دارد.
۵) تله‌ی نفتی(Trap)
سنگ‌ها از سه نوع رسوبی، آذرین و دگرگونی تشکیل می‌شوند. سنگ‌های رسوبی ناشی از نشست و انباشته شدن رسوبات رودخانه‌ها و دریا‌ها، سنگ‌های آذرین حاصل از سرد شدن مواد مذاب درون زمین و یا مواد مذاب راه یافته به سطح زمین و سنگ‌های دگرگونی ناشی از دگرگون شدن دو گروه قبلی در اثر فشار و دمای زیاد درون زمین هستند.
نفت در لایه‌های رسوبی تشکیل می‌شود. بنابراین سنگ منشأ ضرورتاً رسوبی است. بسیار به ندرت دیده شده است که سنگ مخزن آذرین باشد و تقریباً در تمام موارد رسوبی است. در این جا باید توضیح داد که اگر چه بخش عمده‌ای از لایه‌های زمین‌شناختی ایران رسوبی است، اما تمام لایه‌های رسوبی امکان تشکیل یا حفظ نفت را ندارند. به تعبیر دیگر هر لایه‌ی رسوبی نمی‌تواند ضرورتاً ویژگی‌های سنگ منشأ و سنگ مخزن را داشته باشد. ضمن آن‌که حتی وجود سنگ منشأ و سنگ مخزن نیز به تنهایی نمی‌تواند دلیل بر وجود نفت در زیر زمین باشد. نبود هر یک از عوامل ۵ گانه‌ی گفته شده، ممکن است مانع از تجمع و حفظ نفت در زیر زمین در میلیون‌ها سال قبل شده باشد.
در ادامه ویژگی‌های این عوامل پنج گانه توضیح داده می‌شود.
● سنگ منشأ Source Rock
سنگ منشأ، محیط تشکیل نفت خام در میلیون‌ ها سال پیش بوده است. اما نفت پس از تشکیل در این محیط به سمت سنگ مخزن حرکت می‌کند و در آن‌جا ذخیره می‌شود. کارشناسان اکتشاف نفت، پس از اکتشاف یک مخزن نفتی، با تشخیص سنگ منشأ و مطالعه‌ی آن، علاوه بر فهم برخی از ویژگی‌های کیفی نفت موجود در مخزن، می‌توانند تله‌های نفتی‌ای که ممکن است در مسیر حرکت نفت از سنگ منشأ به سنگ مخزن و بین آن دو وجود داشته و تبدیل به مخازن کوچک و بزرگی شده‌اند را شناسایی کنند.
نفتی که امروزه در نقاط مختلف جهان و ایران برداشت می‌شود، حاصل فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی‌ای بوده است که روی موجودات و گیاهان در میلیون‌ها سال پیش انجام شده و این مواد طی این فرآیندها، مسیرهای مختلفی را به سمت بلوغ طی کرده‌اند و به نفت امروزی تبدیل شده‌اند.
▪ سازوکار تشکیل‌ نفت در سنگ منشأ:
در گذشته بیشتر نقاط جهان در زیر یک اقیانوس بزرگ به نام تتیس(Tetis) بوده است و موجودات و گیاهان زیادی در آب می‌زیستند، زمانی که حیات موجودات به پایان می‌رسید این موجودات به کف دریا سقوط می‌کردند و رسوباتی که توسط آب حمل می‌شدند یا در آب معلق بودند، روی این موجودات را می‌پوشاندند و باعث افزایش فشار و دمای این مواد می شدند. از این طریق مقدمات لازم برای تغییرات شیمیایی بقایای موجودات زنده و گیاهان فراهم می‌شد، به تدریج و با گذشت میلیون‌ها سال، این مواد در سنگی به نام سنگ منشأ که حاصل تجمع رسوبات به همراه مواد آلی ست به نفت تبدیل می‌شوند.
ـ سنگ منشأ از چند ویژگی اساسی زیر برخوردار است:
۱) ریزدانه بودن:
برای این‌که یک سنگ تشکیل شود باید ابتدا رسوباتی ته نشین شوند و به تدریج با ضخیم شدن این رسوبات و ته‌نشین شدن رسوبات دیگر بروی آن‌ها، رسوبات قدیمی تحت فشار قرار می‌گیرند و به سنگ تبدیل می‌شود این عمل را سنگی شدن (lithification) گویند. حال اگر رسوباتی که این سنگ‌ها را تشکیل می‌دهند ، رسوبات دانه‌ریز باشند سنگ حاصل از آن‌ها نیز ریزدانه است و اگر این رسوبات دانه درشت‌تر باشند سنگ حاصل از آن‌ها دانه درشت تر خواهد بود.
۲) سرشار از مواد آلی:
این مواد آلی در واقع همان بقایای موجودات زنده و گیاهانی بوده‌اند که کف دریاها سقوط کرده و توسط رسوباتی که بعد‌ها خود تبدیل به سنگ منشأ شده‌اند، پوشانده شده اند.
ـ ویژگی‌های محیط تشکیل سنگ منشأ :
۱) محیط کم انرژی:
در محیط تشکیل سنگ منشأ، جریان آب کم انرژی و آرام بوده است؛ به نحوی که فرصت ته نشین شدن به دانه‌های ریز را داده است.
۲) محیط احیاء:
محیط‌ تشکیل سنگ منشأ اکسیدان نبوده که مواد آلی تحت اثر اکسیداسیون از میان بروند.
پس از این‌که نفت در سنگ منشاء تشکیل شد و حجم آن به اندازه‌ای رسید که سنگ منشأ از نفت اشباع شد(نقطه‌ی اشباع بحرانی) نفت در آن شروع به حرکت می‌کند و مهاجرت به سمت سنگ مخزن آغاز می‌شود.
● پدیده‌ی مهاجرت نفت(Oil Migration)
● لایه‌ی راهبر(Carrier Bed)
به جریان حرکت نفت از سنگ مشأ به سنگ مخزن پدیده‌ی مهاجرت(Oil Migration) گفته می‌شود.
▪ شرایط مهاجرت :
۱) نقطه اشباع بحرانی:
اشباع نفت در سنگ منشاء به اندازه کافی باشد. پس از این‌که نفت در سنگ منشأ تشکیل شد و حجم آن به اندازه‌ای رسید که سنگ منشأ از نفت اشباع شد(نقطه‌ی اشباع بحرانی) نفت در آن شروع به حرکت می‌کند و مهاجرت به سمت سنگ مخزن آغاز می‌شود.
۲) تراوایی یا نفوذپذیری(Permeability) و تخلخل(Porosity)
یک مسیر متخلخل و تراوا(نفوذپذیر) وجود داشته باشد، به طوری که امکان حرکت نفت در این مسیر که لایه‌ی راهبر (Carrier bed) خوانده می‌شود، پدید آید.
اگر شرایط گفته شده فراهم بود، نفت از سنگ منشاء به سمت سنگ مخزن شروع به حرکت می‌کند. باید توجه کرد که در مسیر لایه‌ی راهبر، همواره این امکان وجود دارد که نفت به تله(Trap) افتاده و مخازن کوچک و بزرگی را تشکیل دهد.
باید توجه کرد در صورتی که لایه‌ی راهبر برای انتقال نفت از سنگ منشأ به سنگ مخزن وجود نداشته باشد و پدیده‌ی مهاجرت رخ ندهد، سیر بلوغ مواد عالی موجود در درون سنگ منشأ ادامه یافته و نفت تبدیل به ذغال سنگ می‌شود.
● سنگ مخزن(Reservoir Rock) پوش سنگ(Seal Rock) یا (Cap Rock)
▪ ویژگی‌های سنگ مخزن:
۱) متخلخل porous و تراوا(نفوذپذیر) Permeable باشد یعنی دارای حفره‌های توخالی زیادی است که نفت در این حفرات جمع می شود. اندازه‌ی این حفرات از از مقیاس میکرو تا مقیاس ماکرو متغیر است.
درون حفرات آب وجود داشته است، زیرا در گذشته تقریبا تمام کره زمین به زیر آب بوده است پس تمام حفراتی که در حال حاضر در سنگ وجود دارد از آب اشباع بوده است؛ در این صورت نفت برای وارد شدن در این حفرات باید آب را بیرون رانده و خود جایگزین آن شود. اما نفت نمی‌تواند تمام آب را از خلل و فرج سنگ مخزن خارج کند و همیشه مقداری از آب در حفراتی که در درون آن‌ها نفت نفوذ کرده است، باقی می‌ماند؛ به این آب، آب کاهش ناپذیر(irreducible water )گویند. باید توجه کرد این آب در منطقه‌ای از مخزن که در درون آن نفت یا گاز وجود دارد(Oil &Gas zone) دیده می‌شود و با لایه‌ی آبی(Water zone) که در منطقه‌ی پایین لایه‌ی نفتی وجود دارد، متفاوت است. هر اندازه که میزان اشباع آب کاهش ناپذیر درون لایه‌ی نفتی مخزن، بیش‌تر باشد، علاوه بر این که نفت فضای کمتری را اشغال می‌کند، تراوایی نفت درون سنگ مخزن نیز کاهش پیدا خواهد کرد.
۲) یک پوش سنگ (seal rock) یا (Cap rock) روی سنگ مخزن وجود داشته باشد؛ به نحوی که مانع از خروج نفت از سنگ مخزن و یک تله‌ی نفتی پدید آورد.
از ویژگی‌های Cap rock این است که ناتراوا(Impermeable) و کم تخلخل(low porosity) باشد، نفت از آن عبور نکند و مثل یک سد (dam) جلوی آن بایستد و در نتیجه یک تله‌ی نفتی ایجاد کند.
● تله‌ی نفتی(Oil trap)
تله نفتی به مجموع سنگ مخزن و پوش سنگ آن گویند که باعث به تله‌ افتادن نفت در سنگ مخزن می‌شود. شکل این مجموعه می‌تواند طاقدیس، ناودیس یا شکل حاصل از تغییر ماهیت سنگ و غیره باشد.
معمولاً در مسیر حرکت نفت از سنگ منشأ، جریان نفت به سنگ پوش و تله‌هایی که نفت را در خود جای می‌دهد برخورد می‌کند. این مسیر هر اندازه که طولانی تر شود و نفت در مسیر حرکت خود بیشتر به سطح زمین نزدیک شود، باعث می‌شود که مواد سنگین نفت نیز در طول مسیر جدا شده و نفت سبک تری به سطوح بالاتر نفوذ کند. اگر چه در هر صورت، همواره میزانی از مواد سنگین در درون نفت باقی خواهد ماند.
البته باید توجه کرد بالاتر بودن سطح مخزن ضرورتاً نشان‌دهنده‌ی سبک تر بودن نفت درون آن نیست، بلکه هر اندازه که سنگ منشأ در لایه‌های پایین تر زمین باشد به دلیل بلوغ بیشتر نفت، نفت درون آن نیز سبک تر خواهد بود. بنا براین تنها اگر فاصله‌ی میان سنگ منشأ و سنگ مخزن و در واقع طول مسیر مهاجرت زیاد باشد و نفت مسیر زیادی را از سنگ منشأ تا سنگ مخزن طی کند، این امکان وجود دارد که نفت درون سنگ مخزن در لایه‌های نزدیک به سطح زمین سبک باشد.
در صورتی که نفت در مسیر حرکت خود به هیچ تله‌ای برخورد نکند به سطح زمین راه خواهد یافت و در این صورت مواد سبک آن تبخیر شده و مواد سنگین آن همچون قیر در سطح زمین باقی می‌ماند. بنابراین نبود پوش سنگ مناسب منجر به فرار نفت از سنگ مخزن و عدم تجمع آن می‌شود.
▪ شکل تله‌های نفتی:
بیشتر تله‌های نفتی که شناخته‌ شده‌اند، به لحاظ ساختاری شکل طاقدیس (anticline) دارند علت این است که شناخت این تله‌های نفتی به وسیله‌ی روش‌های لرزه‌نگاری ساده، راحت‌تر است و شناخت‌ انواع دیگرتله های نفتی که حاصل از ساختارهایی غیر از ساختار طاقدیس است مشکل‌تر است و نیاز به تکنولوژی پیشرفته‌تری دارد. البته دلیل دیگر این امر آن است که بیش‌تر تله‌های نفتی موجود نیز از نوع طاقدیسی هستند.
▪ تاثیر شکل‌ تله‌های نفتی:
شکل تله‌های نفتی در حجم نفتی که می‌توانند به تله بیندازند تاثیر دارد به عنوان نمونه در تله‌های نفتی که حالت طاقدیس دارند هر چه فاصله عمودی که در شکل نشان داده شده است ، بیشتر باشد حجم نفت به تله افتاده، بیشتر می‌شود. این ارتفاع را اصطلاحا structural closure گویند که در شکل نشان داده شده است:
به‌همین ترتیب برای تله‌های نفتی دیگر هرچه حجم این تله بیشتر شود می‌تواند نفت بیشتری را در خود به تله بیاندازد.
اشکال مختلف‌ تله‌های نفتی خود براساس منبع نیرو ایجاد آن‌ها به ۳ دسته تقسیم می‌شود.
۱) تله‌های نفتی ساختاری (structural trap)
۲) تله‌های نفتی چینه‌ای (stratigraphic trap)
۳) تله‌هایی که ترکیبی از این دو هستند.
در نمونه اول که حاصل از تکتونیک زمین است (زمین از چندین لایه تشکیل شده که شامل پوسته ، گوشته و هسته است. قسمت پوسته و بخش بالایی گوشته را سنگ کره گویند که به صفحاتی تقسیم شده و این صفحات در حال حرکت برروی گوشته هستند این حرکات باعث برخورد یا دور شدن صفحات نسبت به هم و ایجاد نیروهایی می‌شود که به آن تکتونیک زمین گویند).
▪ انواع مختلف تله‌های نفتی ساختاری:
۱) طاقدیس(anticline)
۲) ناودیس(syncline)
۳) گسل‌ها( fault ):
گسل‌های باعث حرکت لایه‌های مختلف نسبت به هم می‌شوند و ممکن است باعث قرار گرفتن یک لایه متخلخل و تراوا در کنار لایه‌های کم تراوا شود و یک تله‌ نفتی را تشکیل دهد.
۴) گنبدهای نمکی(salt dome):
این گنبدها که از اعماق زمین بالا می‌آیند خود کم تراوا هستند اگر در مسیر حرکت خود در کنار یک لایه‌ تراوا قرار گیرد و در همان ارتفاع باقی بماند می‌تواند تشکیل یک تله نفتی دهد)
▪ انواع مختلف تله‌های چینه‌ای:
ـ تله‌های چینه‌ای (stratigraphic trap):
در این نوع ، عامل ایجاد تله‌های نفتی عوامل تکنونیکی نیست، بلکه می‌تواند در اثر تغییر ماهیت چینه‌ای و تغییر ماهیت سنگ ایجاد شود که شامل:
۱) تله‌های نفتی مرجانی ( reef ):
نحوه‌ی تشکیل آن این گونه است که در گذشته یک مرجان در کف دریا رشد کرده و روی آن را رسوبات ریزدانه‌ پوشانده‌اند مرجان به دلیل تخلخل بالا و ترآوایی خوب می‌تواند به عنوان سنگ مخزن عمل کند و رسوبات دانه‌ریز روی آن نیز مانند یک سنگ پوش عمل می‌کنند و تشکیل یک تله نفتی می‌دهند.
۲) تله‌های نفتی دگرشیبی( unconformity ):
دگر شیبی یک ناهمسانگردی وتغیر ناگهانی در طبقات زمین است می‌تواند در اثر عوامل مختلف مانند نبود رسوب گذاری در یک مدت زمان معین، فرسایش لایه ها و رسوب‌گذاری مجدد و غیره ایجاد شود. پس در سطوح دگرشیبی با ۲ منطقه روبرو هستیم که لایه زیرین آن می‌توانند تراوا و لایه‌ی رویی آن ناتراوا، باشد و بالعکس.در هر صورت تله‌های نفتی‌ای تشکیل می‌دهند که به آن‌ها تله‌های نفتی دگرشیبی گویند.
۳) تله‌های نفتی pinch out:
در این نوع تله های نفتی یک لایه‌ی تراوا به درون یک لایه‌ی ناتراوا می رود ویک تله نفتی را ایجاد می کند.
▪ تأثیر جنس سنگ
جنس پوش سنگ‌ها بر توانایی‌ آن برای نگه داشتن نفت و جلوگیری از عبور نفت از داخل خود تاثیر می گذارد، و همچنین می‌تواند بر حجم نفت به تله افتاده بیافزاید، بعضی از پوش سنگ‌ها به‌راحتی تغییر شکل پیدا می‌کنند و در آنها شکستگی ایجاد نمی‌شود پس بهتر می‌توانند شکل طاقدیس گرفته و عمل به تله‌ انداختن را انجام دهند.
▪ جنس سنگ و تأثیر آن در رفتار مخزن:
جنس سنگ‌های مخزن مختلف است و هر یک دارای ویژگی‌های خاص خود است، اما همه‌ این سنگ‌ها باید متخلخل و ترآوا باشند، دو نوع سنگ مخزن وجود دارد:
۱) ماسه سنگی (Sand stone Reservoir):
این نوع سنگ بهترین سنگ‌ مخزن است . اندازه‌ ذرات آن در حد اندازه‌ی دانه‌های ماسه (یک هشتم تا یک شانزدهم میلی‌متر) است. پراکندگی تخلخل درون این نوع سنگ، تا حد زیادی همسان (Homogeneous) است و به همین دلیل رفتارهای منظمی از خود نشان می‌دهد. سنگ‌های ماسه‌سنگی همچنین معمولا دارای درصد تخلخل بالایی هستند و برداشت از این نوع مخازن بسیار آسان‌تر است و درصد بیشتری از نفت این مخازن قابل بازیابی است. مشکل این مخازن آن است که همراه با نفت ماسه‌ نیز از چاه استخراج می‌شود و برداشت ماسه از این نوع مخازن زیاد است؛ این خود باعث آسیب‌رساندن به دستگاه‌ها و تجهیزات بهره برداری می‌شود. به همین دلیلباید با روش هایی ، ذرات ماسه را در جای خود محکم کرد تا مانع از حرکت آن ها به سمت چاه شد.
۲) سنگ مخزن آهکی یا کربناته(Carbonate Reservoir)
سنگ ‌های آهکی نمونه‌ی دیگر سنگ های مخزن است.
تخلخل این سنگ‌ها معمولاً پایین است و کمتر از تخلخل سنگ‌های ماسه‌ سنگی است. تخلخلاین نوع سنگ‌ها بیشتر از نوع شکاف‌هایی است که دراثر عوامل مختلفی مثل فشار، انحلال و .... در سنگ ایجاد شده است. رفتار این نوع مخازن زیاد منظم نیست. شناخت رفتار مخازن آهکی بسیار مشکل است.
▪ جنس سنگ‌های مخزن در ایران:
جنس سنگ اغلب مخازن نفتی در ایران آهکی یا کربناته است. تخلخل این سنگ‌ها(سنگ‌های آهکی) بیشتر از نوع شکاف (fracturing) است که می‌تـواند در اندازه‌های مختلفی ایجاد شود. اندازه‌ی شکاف‌ها از میکرو تا ماکروتغییر می کند البته امروزه با ایجاد شکاف‌های مصنوعی از طریق روش‌هایی مانند شکاف‌های هیدرولیکی Hydraulic Fracturing باعث افزایش شکاف می‌شوند و این باعث افزایش تخلخل و تراوایی و به دنبال آن افزایش سرعت بهره‌برداری می‌شود.

تدوین:
مهندس محسن اطمینان ـ دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی نفت دانشکده‌ی فنی دانشگاه تهران ـ خبرنگار مهندسی نفت سرویس مسائل راهبردی ایران

منبع : خبرگزاری ایسنا