Study on pore structure characterization and dynamic evolution in unconsolidated sandstone gas reservoirs

المتاهة الخفية تحت أقدامنا

تخيل القشرة الأرضية كأنها كعكة ضخمة وإسفنجية مصنوعة من الرمل والصخور. في أعماق هذه الكعكة، توجد جيوب صغيرة من الفراغات — تسمى المسام — تحتوي على كنوز قيمة مثل الغاز الطبيعي. بالنسبة للمهندسين الذين يحاولون استخراج هذا الغاز، فإن حجم وشكل هذه الجيوب يهم أكثر من أي شيء آخر. فكر في الأمر كمتاهة: إذا كانت الغرف كبيرة والممرات التي تربط بينها واسعة، يمكنك الركض عبرها بسهءولة. ولكن إذا كانت الغرف ضئيلة والممرات ضيقة، فستعلق بداخلها. هذا هو عالم "بنية المسام"، وهو مفهوم يستخدمه الجيولوجيون لفهم كيفية حركة السوائل عبر الصخور.

هناك لاعب رئيسي آخر في هذه القصة، وهو الماء. في العديد من حقول الغاز، يعيش الماء بجوار الغاز مباشرة. إذا تم سحب الغاز بسرعة كبيرة، يمكن للماء أن يندفع لملء الفراغ، مما يؤدي إلى سد الممرات الضيقة وحبس الغاز المتبقي. يُطلق على هذا اسم "غزو المياه"، وهو كابوس لإنتاج الطاقة. السؤال الكبير الذي طرحه العلماء هو: كيف تتغير متاهة الصخر الداخلية بمرور الوقت بينما نقوم بالحفر والضخ؟ هل تنسد؟ هل تتقلص الممرات؟ وكيف يجعل الماء الأمور أسوأ؟ إن فهم هذه التغييرات أمر بالغ الأهمية لأن ذلك يساعد الشركات على معرفة مقدار الغاز الذي يمكنهم استخراجه فعليًا قبل أن يتحول البئر إلى نافورة مياه.

قصة الرمال المتحولة

تأخذنا هذه الورقة البحثية في رحلة إلى حقل غاز تاينان، حيث الصخور "غير متماسكة". تخيل كومة من رمال الشاطئ التي لم تُخبز بعد لتصبح طوبة صلبة؛ إنها رخوة، ضعيفة، وحساسة جدًا للتغيير. أراد الباحثون رسم خريطة للمتاهة المجهرية داخل هذا الرمل الرخو ومعرفة كيف يتصرف عند استخراج الغاز وعند غزو المياه.

الأنواع الأربعة للمتاهات
أولاً، فحص الفريق عينات الصخور تحت المجهر واستخدموا تقنية تسمى "حقن الزئبق" (وهي باختصار دفع سائل داخل الثقوب الصغيرة لقياس حجمها) لتصنيف الخزانات إلى أربعة أنواع متميزة من الشخصيات:

1. الموصلات الفائقة (عنق كبير-مسام كبيرة): هذه هي الغرف المثالية. مسام كبيرة متصلة بممرات واسعة. يتدفق الغاز من خلالها مثل سيارة على طريق سريع.
2. عنق الزجاجة (عنق صغير-مسام كبيرة): تخيل قاعة رقص ضخمة (المسام) مع باب ضيق وصغير (العنق). لديك مساحة كبيرة لتخزين الغاز، ولكن من الصعب إخراجه لأن الباب صغير جدًا.
3. العليات المزدحمة (عنق صغير-مسام صغيرة): غرف ضئيلة مع أبواب ضئيلة. كل شيء مزدحم، ويجد الغاز صعوبة في الحركة على الإطلاق.
4. الأنفاق السرية (الكسور الدقيقة): هذه عبارة عن شقوق صغيرة في الصخر تعمل كمسارات سريعة، متجاوزة المتاهة المعتادة بالكامل.

التركيبة الذهبية
وجد الباحثون شيئًا مثيرًا للاهتمام: لم تكن آبار الغاز الأفضل أداءً تعتمد فقط على وجود نوع واحد من الغرف. الفائزون الحقيقيون هم الذين امتلكوا كلاً من "الموصلات الفائقة" (المسام الكبيرة) و"الأنفاق السرية" (الكسور الدقيقة). الأمر يشبه امتلاك مستودع ضخم و طائرة خاصة لنقل بضائعك. أنتجت هذه الآبار الخاصة كمية غاز أكثر بنسبة 20% (عامل الاسترداد) وكان لديها نسبة أقل بنسبة 5% من الماء إلى الغاز مقارنة بالآبار الأخرى. عملت الكسور كمسارات سريعة، بينما احتفظت المسام الكبيرة بالغاز.

ومع ذلك، إذا كان البئر يحتوي فقط على "عنق الزجاجة" أو "العليات المزدحمة"، فإن الأمور تسوء. يعلق الغاز، ويندفع الماء ليأخذ مكانه، مما يجعل نسبة الماء إلى الغاز أعلى بكثير ويجعل إدارة البئر أصعب بكثير.

المتاهة تتقلص بمرور الوقت
هنا تصبح القصة محزنة بعض الشيء بالنسبة للغاز. توضح الورقة أنه مع استخدام حقل الغاز بمرور الوقت، لا يبقى الصخر كما هو. إنه مثل الإسفنجة التي يتم ضغطها.

• في الحجر الرملي (حامل الغاز الرئيسي)، بدأت "الموصلات الفائقة" و"عنق الزجاجة" في الاختفاء. وبحلول الوقت الذي أصبح فيه الحقل قديمًا (بمقارنة البيانات من 2003-2010 إلى 2015-2021)، انخفض عدد المسام الكبيرة سهلة الاستخدام بشكل كبير. بدلاً من ذلك، تحول الصخر نحو "العليات المزدحمة" (عنق صغير-مسام صغيرة).
• النتيجة؟ انخفض إجمالي المساحة المتاحة لحمل الغاز (المسامية) بنسبة 17.95%، وانهارت القدرة على تدفق الغاز (النفاذية) بنسبة 53.99% في الحجر الرملي.
• في الحجر الطيني (الصخر المحيط بالرمل)، كان التغيير أكثر دراماتيكية. اختفت المسام الكبيرة القليلة التي كانت لديهم تمامًا، تاركة خلفها فقط "العليات المزدحمة" الصغيرة والمسدودة.

مشكلة المياه
حققت الورقة أيضًا في ما يحدث عندما يغزو الماء منطقة الغاز. قارنوا بين الصخور التي لامسها الماء وتلك التي لم يلمسها. كانت المناطق التي غزتها المياه منطقة كارثية. بدا أن الماء يسد الممرات الضيقة، مما يجعل المسام أصغر وأسوأ في الاتصال فيما بينها.

• شهدت المناطق التي غزاها الماء تحولًا حيث تغيرت 15-22% من الهيكل من مسام أكبر إلى مسام ضئيلة وغير مفيدة.
• والأهم من ذلك، انخفضت القدرة على تدفق الغاز (النفاذية) بنسبة تقارب 30% في هذه المناطق التي غزاها الماء. يبدو الأمر كما لو أن الماء سكب الغراء في المتاهة، مما أغلق الأبواب بإحكام.

قواعد اللعبة
أخيرًا، حاول الفريق التنبؤ بمدى جودة تدفق البئر بناءً على شكل متاهته. وجدوا أن "الضغط" المطلوب لتمرير السوائل عبر الصخر (يسمى ضغط الإزاحة) هو القاعدة الأكثر أهمًا لجميع أنواع الصخور. إذا كان الضغط مرتفعًا، فغالبًا ما يكون التدفق ضعيفًا.

• بالنسبة لـ "الموصلات الفائقة"، كان حجم الممر (نصف قطر العنق) وكمية السائل التي يمكن سحبها للخارج هما المفتاح.
• بالنسبة لـ "عنق الزجاجة"، كان "فرز" الثقوب (مدى تجانسها) مهمًا للغاية.
• أما بالنسبة لـ "العليات المزدحمة"، فقد كان الأمر كله يتعلق بصغر حجم الأبواب.

الخلاصة
لا تدعي هذه الدراسة أنها حلت مشكلة استخراج الغاز للأبد، لكنها تقدم خريطة واضحة للقواعد. إنها تظهر أنه في حقول الحجر الرملي الرخوة، يتغير الصخر باستمرار، ويصبح أكثر ضيقًا وانسدادًا مع مرور الوقت. الماء يجعل هذا الانسداد أسوأ بكثير. تشير الورقة إلى أن الاستراتيجية الأفضل هي البحث عن تلك البقع النادرة حيث تعمل المسام الكبيرة والشقوق الصغيرة معًا، لأن هذا المزيج يحافظ على تدفق الغاز ويبقي الماء بعيدًا. بدون فهم هذه التغييرات المجهرية، قد نضخ بقوة مفرطة، مما يؤدي إلى تقليص إمدادات الغاز الخاصة بنا وإغراق آبارنا بالمياه.