اشاره:
آن‌چه كه در پي مي‌آيد، ويرايش نخست مقاله‌ي «مباني شناخت مخزن» از مجموعه‌ي متون آموزشي آشنايي با مفاهيم مهندسي نفت، ويژه‌ي خبرنگاران سياستي و سياست‌پژوهان بخش بالادستي نفت و اقتصاد انرژي است كه در سرويس مسائل راهبردي دفتر مطالعات خبرگزاري دانشجويان ايران، تدوين شده است. 

در اين مقاله به دنبال ارائه‌ي شناختي اوليه از مخازن نفتي و چگونگي پيدايش نفت در اين مخازن هستيم. اين مقاله، دركي كلي از عوامل پيدايش نفت را به دست مي‌دهد، همچنين فرآيند توليد آن را در زير زمين توضيح مي‌دهد. در اين صورت خواننده مي تواند از شاخص‌هايي كلي كه مي‌تواند نشان‌دهنده وجود نفت در زير زمين و شناسايي نقاط مورد مناقشه در اين زمينه باشد، آگاهي يابد. در اين صورت خواننده در حد اوليه به اين آگاهي دست پيدا مي‌كند كه در چه بخش‌هايي از زمين امكان كشف مخازن نفت جديد وجود دارد.
مطالعه‌ي اين مقاله همچنين مي‌تواند براي فهم مطالعات مخزن، برنامه‌هاي توسعه‌ي مخازن و مسائل مربوط به آن، همچنين مسائل مربوط به حفاري مباني اوليه‌ را در اختيار خواننده بگذارد و راهنماي علاقه‌مندان باشد.

مباني شناخت مخازن نفت
*******

 پيدايش نفت، نياز به وجود 5 عامل بنيادين دارد كه در اين مقاله به توضيح درباره‌ي آن‌ها مي‌پردازيم.

اين 5 عامل عبارتند از :
1- سنگ منشأ يا سنگ مادر (source rock) كه نفت در آن پديد مي‌آيد.
2- سنگ مخزن(Reservoir rock) كه نفت در دورن آن ذخيره مي‌شود.
3- لايه‌ي راهبر (carrier bed) كه نفت در درون آن كه مسيري متخلخل و تراوا است، به سمت سنگ مخزن حركت مي‌كند و پديده‌ي مهاجرت نفت را مي‌آفريند.
4- پوش سنگ(cap rock) كه اجازه حركت بيشتر را به نفت ندهد و نفت را داخل سنگ مخزن نگه دارد.
5- تله‌ي نفتي(Trap)

سنگ‌ها از سه نوع رسوبي، آذرين و دگرگوني تشكيل مي‌شوند. سنگ‌هاي رسوبي ناشي از نشست و انباشته شدن رسوبات رودخانه‌ها و دريا‌ها، سنگ‌هاي آذرين حاصل از سرد شدن مواد مذاب درون زمين و يا مواد مذاب راه يافته به سطح زمين و سنگ‌هاي دگرگوني ناشي از دگرگون شدن دو گروه قبلي در اثر فشار و دماي زياد درون زمين هستند.
نفت در لايه‌هاي رسوبي تشكيل مي‌شود. بنابراين سنگ منشأ ضرورتاً رسوبي است. بسيار به ندرت ديده شده است كه سنگ مخزن آذرين باشد و تقريباً در تمام موارد رسوبي است. در اين جا بايد توضيح داد كه اگر چه بخش عمده‌اي از لايه‌هاي زمين‌شناختي ايران رسوبي است، اما تمام لايه‌هاي رسوبي امكان تشكيل يا حفظ نفت را ندارند. به تعبير ديگر هر لايه‌ي رسوبي نمي‌تواند ضرورتاً ويژگي‌هاي سنگ منشأ و سنگ مخزن را داشته باشد. ضمن آن‌كه حتي وجود سنگ منشأ و سنگ مخزن نيز به تنهايي نمي‌تواند دليل بر وجود نفت در زير زمين باشد. نبود هر يك از عوامل 5 گانه‌ي گفته شده، ممكن است مانع از تجمع و حفظ نفت در زير زمين در ميليون‌ها سال قبل شده باشد.
در ادامه ويژگي‌هاي اين عوامل پنج گانه توضيح داده مي‌شود.

 سنگ منشأ Source Rock

سنگ منشأ، محيط تشكيل نفت خام در ميليون‌ ها سال پيش بوده است. اما نفت پس از تشكيل در اين محيط به سمت سنگ مخزن حركت مي‌كند و در آن‌جا ذخيره مي‌شود. كارشناسان اكتشاف نفت، پس از اكتشاف يك مخزن نفتي، با تشخيص سنگ منشأ و مطالعه‌ي آن، علاوه بر فهم برخي از ويژگي‌هاي كيفي نفت موجود در مخزن، مي‌توانند تله‌هاي نفتي‌اي كه ممكن است در مسير حركت نفت از سنگ منشأ به سنگ مخزن و بين آن دو وجود داشته و تبديل به مخازن كوچك و بزرگي شده‌اند را شناسايي كنند.  

نفتي كه امروزه در نقاط مختلف جهان و ايران برداشت مي‌شود، حاصل فرآيندهاي شيميايي و فيزيكي‌اي بوده است كه روي موجودات و گياهان در ميليون‌ها سال پيش انجام شده و اين مواد طي اين فرآيندها، مسيرهاي مختلفي را به سمت بلوغ طي كرده‌اند و به نفت امروزي تبديل شده‌اند.

سازوكار تشكيل‌ نفت در سنگ منشأ:
در گذشته بيشتر نقاط جهان در زير يك اقيانوس بزرگ به نام تتيس(Tetis) بوده است و موجودات و گياهان زيادي در آب مي‌زيستند، زماني كه حيات موجودات به پايان مي‌رسيد اين موجودات به كف دريا سقوط مي‌كردند و رسوباتي كه توسط آب حمل مي‌شدند يا در آب معلق بودند، روي اين موجودات را مي‌پوشاندند و باعث افزايش فشار و دماي اين مواد مي شدند. از اين طريق مقدمات لازم براي تغييرات شيميايي بقاياي موجودات زنده و گياهان فراهم مي‌شد، به تدريج و با گذشت ميليون‌ها سال، اين مواد در سنگي به نام سنگ منشأ كه حاصل تجمع رسوبات به همراه مواد آلي ست به نفت تبديل مي‌شوند.

سنگ منشأ از چند ويژگي اساسي زير برخوردار است:
1- ريزدانه بودن:
براي اين‌كه يك سنگ تشكيل شود بايد ابتدا رسوباتي ته نشين شوند و به تدريج با ضخيم شدن اين رسوبات و ته‌نشين شدن رسوبات ديگر بروي آن‌ها، رسوبات قديمي تحت فشار قرار مي‌گيرند و به سنگ تبديل مي‌شود اين عمل را سنگي شدن (lithification) گويند. حال اگر رسوباتي كه اين سنگ‌ها را تشكيل مي‌دهند ، رسوبات دانه‌ريز باشند سنگ حاصل از آن‌ها نيز ريزدانه است و اگر اين رسوبات دانه درشت‌تر باشند سنگ حاصل از آن‌ها دانه درشت تر خواهد بود.

2- سرشار از مواد آلي:
اين مواد آلي در واقع همان بقاياي موجودات زنده و گياهاني بوده‌اند كه كف درياها سقوط كرده و توسط رسوباتي كه بعد‌ها خود تبديل به سنگ منشأ شده‌اند، پوشانده شده اند.

ويژگي‌هاي محيط تشكيل سنگ منشأ :

1- محيط كم انرژي:
در محيط تشكيل سنگ منشأ، جريان آب كم انرژي و آرام بوده است؛ به نحوي كه فرصت ته نشين شدن به دانه‌هاي ريز را داده است.
2- محيط احياء:
محيط‌ تشكيل سنگ منشأ اكسيدان نبوده كه مواد آلي تحت اثر اكسيداسيون از ميان بروند.
پس از اين‌كه نفت در سنگ منشاء تشكيل شد و حجم آن به اندازه‌اي رسيد كه سنگ منشأ از نفت اشباع شد(نقطه‌ي اشباع بحراني) نفت در آن شروع به حركت مي‌كند و مهاجرت به سمت سنگ مخزن آغاز مي‌شود.

پديده‌ي مهاجرت نفت(Oil Migration)
لايه‌ي راهبر(Carrier Bed)

به جريان حركت نفت از سنگ مشأ به سنگ مخزن پديده‌ي مهاجرت(Oil Migration) گفته مي‌شود.
شرايط مهاجرت :

1- نقطه اشباع بحراني:
اشباع نفت در سنگ منشاء به اندازه كافي باشد. پس از اين‌كه نفت در سنگ منشأ تشكيل شد و حجم آن به اندازه‌اي رسيد كه سنگ منشأ از نفت اشباع شد(نقطه‌ي اشباع بحراني) نفت در آن شروع به حركت مي‌كند و مهاجرت به سمت سنگ مخزن آغاز مي‌شود.
2- تراوايي يا نفوذپذيري(Permeability) و تخلخل(Porosity)
 يك مسير متخلخل و تراوا(نفوذپذير) وجود داشته باشد، به طوري كه امكان حركت نفت در اين مسير كه لايه‌ي راهبر (Carrier bed) خوانده مي‌شود، پديد آيد.

اگر شرايط گفته شده فراهم بود، نفت از سنگ منشاء به سمت سنگ مخزن شروع به حركت مي‌كند. بايد توجه كرد كه در مسير لايه‌ي راهبر، همواره اين امكان وجود دارد كه نفت به تله(Trap) افتاده و مخازن كوچك و بزرگي را تشكيل دهد.

بايد توجه كرد در صورتي كه لايه‌ي راهبر براي انتقال نفت از سنگ منشأ به سنگ مخزن وجود نداشته باشد و پديده‌ي مهاجرت رخ ندهد، سير بلوغ مواد عالي موجود در درون سنگ منشأ ادامه يافته و نفت تبديل به ذغال سنگ مي‌شود.

سنگ مخزن(Reservoir Rock)
پوش سنگ(Seal Rock) يا (Cap Rock)

ويژگي‌هاي سنگ مخزن:

1- متخلخل porous و تراوا(نفوذپذير) Permeable باشد يعني داراي حفره‌هاي توخالي زيادي است كه نفت در اين حفرات جمع مي شود. اندازه‌ي اين حفرات از از مقياس ميكرو تا مقياس ماكرو متغير است.
درون حفرات آب وجود داشته است، زيرا در گذشته تقريبا تمام كره زمين به زير آب بوده است پس تمام حفراتي كه در حال حاضر در سنگ وجود دارد از آب اشباع بوده است؛ در اين صورت نفت براي وارد شدن در اين حفرات بايد آب را بيرون رانده و خود جايگزين آن شود. اما نفت نمي‌تواند تمام آب را از خلل و فرج سنگ مخزن خارج كند و هميشه مقداري از آب در حفراتي كه در درون آن‌ها نفت نفوذ كرده است، باقي مي‌ماند؛ به اين آب، آب كاهش ناپذير(irreducible water )گويند. بايد توجه كرد اين آب در منطقه‌اي از مخزن كه در درون آن نفت يا گاز وجود دارد(Oil &Gas zone) ديده مي‌شود و با لايه‌ي آبي(Water zone) كه در منطقه‌ي پايين لايه‌ي نفتي وجود دارد، متفاوت است. هر اندازه كه ميزان اشباع آب كاهش ناپذير درون لايه‌ي نفتي مخزن، بيش‌تر باشد، علاوه بر اين كه نفت فضاي كمتري را اشغال مي‌كند، تراوايي نفت درون سنگ مخزن نيز كاهش پيدا خواهد كرد.

2- يك پوش سنگ (seal rock) يا (Cap rock) روي سنگ مخزن وجود داشته باشد؛ به نحوي كه مانع از خروج نفت از سنگ مخزن و يك تله‌ي نفتي پديد آورد.

از ويژگي‌هاي Cap rock اين است كه ناتراوا(Impermeable) و كم تخلخل(low porosity) باشد، نفت از آن عبور نكند و مثل يك سد (dam) جلوي آن بايستد و در نتيجه يك تله‌ي نفتي ايجاد كند.

تله‌ي نفتي(Oil trap)

تله نفتي به مجموع سنگ مخزن و پوش سنگ آن گويند كه باعث به تله‌ افتادن نفت در سنگ مخزن مي‌شود. شكل اين مجموعه مي‌تواند طاقديس، ناوديس يا شكل حاصل از تغيير ماهيت سنگ و غيره باشد.

معمولاً در مسير حركت نفت از سنگ منشأ، جريان نفت به سنگ پوش و تله‌هايي كه نفت را در خود جاي مي‌دهد برخورد مي‌كند. اين مسير هر اندازه كه طولاني تر شود و نفت در مسير حركت خود بيشتر به سطح زمين نزديك شود، باعث مي‌شود كه مواد سنگين نفت نيز در طول مسير جدا شده و نفت سبك تري به سطوح بالاتر نفوذ كند. اگر چه در هر صورت، همواره ميزاني از مواد سنگين در درون نفت باقي خواهد ماند.
البته بايد توجه كرد بالاتر بودن سطح مخزن ضرورتاً نشان‌دهنده‌ي سبك تر بودن نفت درون آن نيست، بلكه هر اندازه كه سنگ منشأ در لايه‌هاي پايين تر زمين باشد به دليل بلوغ بيشتر نفت، نفت درون آن نيز سبك تر خواهد بود. بنا براين تنها اگر فاصله‌ي ميان سنگ منشأ و سنگ مخزن و در واقع طول مسير مهاجرت زياد باشد و نفت مسير زيادي را از سنگ منشأ تا سنگ مخزن طي كند، اين امكان وجود دارد كه نفت درون سنگ مخزن در لايه‌هاي نزديك به سطح زمين سبك باشد.
در صورتي كه نفت در مسير حركت خود به هيچ تله‌اي برخورد نكند به سطح زمين راه خواهد يافت و در اين صورت مواد سبك آن تبخير شده و مواد سنگين آن همچون قير در سطح زمين باقي مي‌ماند. بنابراين نبود پوش سنگ مناسب منجر به فرار نفت از سنگ مخزن و عدم تجمع آن مي‌شود.

شكل تله‌هاي نفتي:
بيشتر تله‌هاي نفتي كه شناخته‌ شده‌اند، به لحاظ ساختاري شكل طاقديس (anticline) دارند علت اين است كه شناخت اين تله‌هاي نفتي به وسيله‌ي روش‌هاي لرزه‌نگاري ساده، راحت‌تر است و شناخت‌ انواع ديگرتله هاي نفتي كه حاصل از ساختارهايي غير از ساختار طاقديس است مشكل‌تر است و نياز به تكنولوژي پيشرفته‌تري دارد. البته دليل ديگر اين امر آن است كه بيش‌تر تله‌هاي نفتي موجود نيز از نوع طاقديسي هستند.

تاثير شكل‌ تله‌هاي نفتي:

شكل تله‌هاي نفتي در حجم نفتي كه مي‌توانند به تله بيندازند تاثير دارد به عنوان نمونه در تله‌هاي نفتي كه حالت طاقديس دارند هر چه فاصله عمودي كه در شكل نشان داده شده است ، بيشتر باشد حجم نفت به تله افتاده، بيشتر مي‌شود. اين ارتفاع را اصطلاحا structural closure گويند كه در شكل نشان داده شده است:

به‌همين ترتيب براي تله‌هاي نفتي ديگر هرچه حجم اين تله بيشتر شود مي‌تواند نفت بيشتري را در خود به تله بياندازد.

اشكال مختلف‌ تله‌هاي نفتي خود براساس منبع نيرو ايجاد آن‌ها به 3 دسته تقسيم مي‌شود.

1- تله‌هاي نفتي ساختاري (structural trap)

2- تله‌هاي نفتي چينه‌اي (stratigraphic trap)

3- تله‌هايي كه تركيبي از اين دو هستند.

در نمونه اول كه حاصل از تكتونيك زمين است (زمين از چندين لايه تشكيل شده كه شامل پوسته ، گوشته و هسته است. قسمت پوسته و بخش بالايي گوشته را سنگ كره گويند كه به صفحاتي تقسيم شده و اين صفحات در حال حركت برروي گوشته هستند اين حركات باعث برخورد يا دور شدن صفحات نسبت به هم و ايجاد نيروهايي مي‌شود كه به آن تكتونيك زمين گويند).

انواع مختلف تله‌هاي نفتي ساختاري:

1-  طاقديس(anticline)

2- ناوديس(syncline)

3- گسل‌ها( fault ):

 گسل‌هاي باعث حركت لايه‌هاي مختلف نسبت به هم مي‌شوند و ممكن است باعث قرار گرفتن يك لايه متخلخل و تراوا در كنار لايه‌هاي كم تراوا شود و يك تله‌ نفتي را تشكيل دهد.

4 - گنبدهاي نمكي(salt dome):

 اين گنبدها كه از اعماق زمين بالا مي‌آيند خود كم تراوا هستند اگر در مسير حركت خود در كنار يك لايه‌ تراوا قرار گيرد و در همان ارتفاع باقي بماند مي‌تواند تشكيل يك تله نفتي دهد)

انواع مختلف تله‌هاي چينه‌اي:

تله‌هاي چينه‌اي (stratigraphic trap):

 در اين نوع ، عامل ايجاد تله‌هاي نفتي عوامل تكنونيكي نيست، بلكه مي‌تواند در اثر تغيير ماهيت چينه‌اي و تغيير ماهيت سنگ ايجاد شود كه شامل:

1- تله‌هاي نفتي مرجاني ( reef ):

 نحوه‌ي تشكيل آن اين گونه است كه در گذشته يك مرجان در كف دريا رشد كرده و روي آن را رسوبات ريزدانه‌ پوشانده‌اند مرجان به دليل تخلخل بالا و ترآوايي خوب مي‌تواند به عنوان سنگ مخزن عمل كند و رسوبات دانه‌ريز روي آن نيز مانند يك سنگ پوش عمل مي‌كنند و تشكيل يك تله نفتي مي‌دهند.

2- تله‌هاي نفتي دگرشيبي( unconformity ):

 دگر شيبي يك ناهمسانگردي وتغير ناگهاني در طبقات زمين است مي‌تواند در اثر عوامل مختلف مانند نبود رسوب گذاري در يك مدت زمان معين، فرسايش لايه ها و رسوب‌گذاري مجدد و غيره ايجاد شود. پس در سطوح دگرشيبي با 2 منطقه روبرو هستيم كه  لايه زيرين آن مي‌توانند تراوا و لايه‌ي رويي آن ناتراوا، باشد و بالعكس.در هر صورت تله‌هاي نفتي‌اي تشكيل مي‌دهند كه به آن‌ها تله‌هاي نفتي دگرشيبي گويند.

3 - تله‌هاي نفتي pinch out:

در اين نوع تله هاي نفتي يك لايه‌ي تراوا به درون يك لايه‌ي ناتراوا مي رود ويك تله نفتي را ايجاد مي كند.

تأثير جنس سنگ:

 تاثير جنس پوش سنگ‌ها:

جنس پوش سنگ‌ها بر توانايي‌ آن براي نگه داشتن نفت و جلوگيري از عبور نفت از داخل خود تاثير مي گذارد، و همچنين مي‌تواند بر حجم نفت به تله افتاده بيافزايد، بعضي از پوش سنگ‌ها به‌راحتي تغيير شكل پيدا مي‌كنند و در آنها شكستگي ايجاد نمي‌شود پس بهتر مي‌توانند شكل طاقديس گرفته و عمل به تله‌ انداختن را انجام دهند.

جنس سنگ  و تأثير آن در رفتار مخزن:

جنس سنگ‌هاي مخزن مختلف است و هر يك داراي ويژگي‌هاي خاص خود است، اما همه‌ اين سنگ‌ها بايد متخلخل و ترآوا باشند، دو نوع سنگ مخزن وجود دارد:

1-   ماسه سنگي (Sand stone Reservoir):

اين نوع سنگ  بهترين سنگ‌ مخزن است . اندازه‌ ذرات آن در حد اندازه‌ي دانه‌هاي ماسه (يك هشتم تا يك شانزدهم ميلي‌متر) است. پراكندگي تخلخل درون اين نوع سنگ، تا حد زيادي همسان (Homogeneous) است  و به همين دليل رفتارهاي منظمي از خود نشان مي‌دهد. سنگ‌هاي ماسه‌سنگي همچنين معمولا داراي درصد تخلخل بالايي هستند و برداشت از اين نوع مخازن بسيار آسان‌تر است و درصد بيشتري از نفت اين مخازن قابل بازيابي است.  مشكل اين مخازن آن است كه همراه با نفت ماسه‌ نيز از چاه استخراج مي‌شود و برداشت ماسه از اين نوع مخازن زياد است؛ اين خود باعث آسيب‌رساندن به دستگاه‌ها و تجهيزات بهره برداري مي‌شود. به همين دليلبايد  با روش هايي ، ذرات ماسه را در جاي خود محكم كرد تا مانع از حركت آن ها به سمت  چاه شد.

2- سنگ مخزن آهكي يا كربناته(Carbonate Reservoir)

سنگ ‌هاي آهكي نمونه‌ي ديگر سنگ هاي مخزن است.  

تخلخل اين سنگ‌ها معمولاً پايين است و كمتر از تخلخل سنگ‌هاي ماسه‌ سنگي است. تخلخلاين نوع سنگ‌ها بيشتر از نوع شكاف‌هايي است كه دراثر عوامل مختلفي مثل فشار،  انحلال و .... در سنگ ايجاد شده است. رفتار اين نوع مخازن زياد منظم نيست. شناخت رفتار مخازن آهكي بسيار مشكل است.

جنس سنگ‌هاي مخزن در ايران:

جنس سنگ اغلب مخازن نفتي در ايران آهكي يا كربناته است. تخلخل اين سنگ‌ها(سنگ‌هاي آهكي) بيشتر از نوع شكاف (fracturing) است كه مي‌تـواند در اندازه‌هاي مختلفي ايجاد شود. اندازه‌ي شكاف‌ها از ميكرو تا ماكروتغيير مي كند البته امروزه با ايجاد شكاف‌هاي مصنوعي از طريق روش‌هايي مانند شكاف‌هاي هيدروليكي Hydraulic Fracturing باعث افزايش شكاف مي‌شوند و اين باعث افزايش تخلخل و تراوايي و به دنبال آن افزايش سرعت بهره‌برداري مي‌شود.

تدوين: مهندس محسن اطمينان

دانشجوي كارشناسي ارشد مهندسي نفت دانشكده‌ي فني دانشگاه تهران

خبرنگار مهندسي نفت سرويس مسائل راهبردي ايران

انتهاي پيام