جيولوجيا النفط
• مراحل تواجد النفط OIL PRESENCE STAGES :
1 - مرحلة التكوين Evolving stage: وهي المرحلة الأولى من مراحل تواجد النفط يتم فيها تكوين المادة للنفط في وجود عناصر ثلاثة يشترط توافرها وهي :
أ - المـادة العضويـة hydrocarbons بتركيزات عاليـة فـي طبقة من الصخور وتسمى هذه الصخور " بصخورالمصدر "source rock
ب- حرارة Heat
ج - ضغط Pressureحيث يتوافر كل من الضغط والحرارة المناسبة في الأعماق الكبيرة .
2 - مرحلة الهجرة Migration stage : في هذه المرحلة يهاجر النفط من مناطق تكونه ( صخور المصدر ) حيث الضغوط المرتفعة متجها إلى مناطق أخرى حيث الضغط الأقل، وتتطلب هـذه المرحلة توافر عنصرين أساسيين وهما :
أ - فرق في الضغط Differential pressure: وهي القوة المسئولة عن حركة هذه الموائع .
ب - قنوات متصلة مع يعضها البعض تمثل المسامات والمنافذ(porosity) , إضافة إلى الكسور والشقوق في الصخور وهـي جميعها تمثل ممرات صخرية تسمح بمرور النفط من خلالها في اتجاه أفقي أو رأسي ( هجرة أفقية horizontal migration، هجرة رأسية vertical migration) .
3 - مرحلة التجمع Accumulation stage: وهـي المرحلة الأخـيرة والمسئولة عـن تجمع النفط بكميات كبيرة غالباً ما تكون اقتصادية ، ولتجمع النفط لابد من وجود نظام صخري يعمل عـلى منع استمرار هجرة النفط وتجمعه
في نطاق هذا النظام ، ويسمى هذا النظام بالمصيدة النفطية Oil trap.
• عناصر المصيدة النفطية OIL TRAPS ELEMENTS :
1 - صخور الخزان Reservior rocks: وهي عبارة عـن طبقـة صخريـة ذات مسامية ونفاذية عالية ، ليسمح الصخر باحتواء النفط داخله ، حيث أن المسامية هـي الحجم الكلي للفراغات بالنسبة لحجم الصخـر ، بينما النفاذية هي قدرة الصخر على امرار المائع من خلاله ، كما هو في الحجر الرملي .
2 - صخر الغطاء Cap rock: وهو عبارة عن طبقة صخرية غير منفذة(impermable) تعلو صخر الخزان لتمـنع الهجرة الرأسيةللنفط مثل صخور الجبس اللامائية shales.
3 - تركيب صخري Structure: وهو عبارة عن تركيب جيولوجي يشمل صخر الخزان والغطاء الصخري بطريقة مناسبة تمنع استمرار هجرة النفط سواء الرأسية أو الأفقية ، مثل المصيدة القبوية dome trap(تركيبة) أو مصيدة عدم التوافق unconformity trap( طبقية ) .
4 - تواجد النفط Oil presence: أن تجمع النفط بكميات اقتصادية في طبقة المكمن بعد تكوين المصيدة النفطية ، يعطيها صفـة المصيدة النفطية .
• أنواع المصائد النفطية TYPES OF OIL TRAPS:
وهناك نوعان أساسيان للمصائد النفطيه
1 - المصائد التركيبيه Structural traps : وهي مصائد تتكون نتيجه تغير في وضع الطبقات مما أدى لتكوين مصيدة للغاز والنفط ، ومن انواعها :مصيدة القبه الملحيه salt dome trap ، المصيدة الصدعيه falut trap
2 - المصائد الطبقيه Stratigraphic traps: وهي مصيدة نتجت عن ترسب طبقه الحجر الرملي يعلوه طبقه غير منفذه مما يكون مصيدة طبيعية للنفط والغاز تحول دون نفاذ النفط.
• الحفر واستخراج النفط DRILLING & EXTRACTION OIL:
تعتبر عملية الحفر من أهم وأخطر العمليات والأكثر كلفة ، وهي التقنية الوحيدة لاستخرج النفط من باطن الأرض ، وتتم عملية استخراج النفط عن طريق أربع مراحل أساسية هي :
1 - حفر آبار النفط Oil Well Drilling
يتم حفر آبار النفط بواسطة الحفر الرحوي ( Rotary Drilling ) التي تستخدم منصة الحفر التي يمكن وصفها باختصار فيما يلي :
جهاز الحفر الرحوي
منصة الحفر platform rigs:
تستخدم منصة الحفر في عملية الحفر الدوراني وهي تتكون مـن أجزاء أساسية تساعد في عملية الحفر :
أ - برج الحفر drilling tower:
وهو عبارة عن برج معدني منتصب فوق منصة عريضة أفقية ويستخدم هـذا البرج في
عملية تثبيت أعمدة الحفر رأسيا وتوصيلها ببعضها ، ثم دفعها إلى أسفل بطريقة حلزونية
ب - أعمدة الحفر drilling columns:
وهي أعمدة معدنية صلبة جداً تنتهي أطرافها بوصلات لتوصيلها ببعضها لتشكل عمود أطول ، وتتميز أعمدة الحفر بأنها مجوفة لتسمح بمرور طين الحفر بداخلها .
ج - رأس الحفر ( المثقاب )drill :
وهو عبارة عن كتلة معدنية مصنعة بأشكال هندسية مختلفة ، ذات حواف حادة قـد تكون عـلى شكل مسننات تعمل على تفتيت الصخور وهـي مجوفة وتحتوي على فتحات فـي الأسفل تسمح باندفاع طينة الحفر خلالها إلى تجويف الحفرة .
د – طينة الحفر drilling mud.وهي عبارة عن مواد كيميائية مطحونة تخلط بالماء لتكون سائل غليظ . وأثناء عملية الحفر يتم ضخ هذا السائل بواسطة مضخات ضخمة من خلال التجويف في داخـل أنابيب الحـفر ليصل إلى رأس الحفر ، ويخرج من خلال فتحات ليندفع في قاع البئر صاعداً إلى أعلى حتى يصل إلى السطح حامـلاً معه الفتات الصخري الناتج من عملية الحفر ، وعلـى السطح يمر الطين على مرشح يفصل الفتات الصخري عن الطين . ومن ثم يدفع الطين مرة أخرى إلـى تجويف أنابيب الحفر ليعاود الكرّة ويكون ما يعرف بدورة طين الحفر .
ويمكن تلخيص فوائد استخدام طين الحفر فيما يلي :
تبريد معدات الحفر حيث ترتفع درجة حرارتها بسبب احتكاكها بالصخور أثناء الحفر .
إخراج الفتات الصخري الناتج من عملية الحفر أثناء اندفاع الطين من قاع البئر إلى السطح .
يزيد من تماسك جدار الحفر ليمنع انهيار جدران الحفرة أثناء الحفر .
تفادي خروج الغازات أو السوائل الموجودة تحت ضغوط عالية في باطن الأرض ، التي قد تؤدي إلى حالة انفجار في البئر وذلك عن طريق موازنة وزن عمود الطين الموجود في الحفر لضغط الغازات والسوائل في الطبقات الصخرية .
2 - تبطين البئر Well Casing
عنـد وصول الحـفر إلـى أعمـاق معينة يتم تبطين البئـر بأنبوب فولاذي يسمى أنبوب البطانة ( Casing ) يتم إنزال هذا الأنبوب من قمة البئر إلـى قاعة ويثبت بضخ نوعية خاصة مـن الأسمنت بين جدار البئر وأنبوب البطانة تعمل علـى تثبيت الأنبوب فـي الجدار . يمنع هذا الأنبوب من انهيار البئر ، وكذلك يمنع ضياع الطين أثناء ارتفاعه إلى سطح الأرض وذلك بتخلله خلال جدران البئر ( خاصة إذا كانت الصخور مسامية نفاذة ) أو خلال تجاويف كهفيه قد تكون موجودة في بعض مناطق الحفر . وكذلك فإن هذا الأنبوب يمنع تسرب المياه الجوفية من طبقات الأرض الحاملة إلى البئر . ويكون قطر أنبوب الطي كبيرا عند القمة ويصغر بالتدريج إلى أعماق أكبر . وقبل البدء في حفر مرحلة جديدة من البئر يوصل أنبوب التبطين بعد تثبيته بالإسمنت ، برأس البئر تحت منصة برج الحفر ، ويتألف رأس البئر من مجموعة من الشقف ( Flanges ) والوصلات والصمامات يوصل بأعلاها جهاز مانع الانفجار ( Blow out Preventer, Bop ) الذي يمكن بواسطته منع خروج الغاز أو النفط أو الماء أثناء الحفر حتى تتم عمليات الحفر والتبطين وغيرها في أمان .
3 - تثقيب أنبوب الحفر Perforated pipe drilling:
عند انتهاء الحفر والتأكد من الوصول إلى الطبقات الحاملة للنفط يتم إنزال شحنة متفجرات معينة تحدث انفجارا محدودا يسمح بتثقيب أنبوب الحفر واتساع الشقوق في صخور المكمن ، وقد تتم عملية التثقيب في عمقين مختلفين في البئر نفسه ، وبهذا تصبح البئر مزدوجة الإنتاج كما في الشكل وإذا لم يكن تدفق النفط مناسبا فإنه يتم إنزال كمية من حمض الهيدروكلوريك خاصة في الطبقات الجيرية لزيادة نفاذية الصخور ، وقد يتم تصديع الطبقة الصخرية باستخدام ضغط عال لتسمح بنفاذ النفط إلى قاع أنبوب الحفر .
وبعد تثقيب البئر يتم إنزال أنبوب قطره حوالي ثلاث بوصات داخل البئر ، فإذا كانت البئر مزدوجة الإنتاج ، يتم إدخال حشوة بين أنبوب الإنتاج وأنبوب الطي فوق منطقة الإنتاج السفلي فيتدفق النفط من هذه الطبقة خلال هذا الأنبوب . وأما إنتاج المنطقة الأعلى فيتدفق من الفراغ بين أنبوب الإنتاج وأنبوب الطي كما يرى في الشكل .
4 - شجرة عيد الميلاد Christmas s Tree
أثناء عمليات الحفر يكون البئر مملوءا بطين حفر ثقيل حتى يتغلب على الضغط الممكن . وهذا يسمح عند انتهاء عمليات الحفر ومتطلباتها برفع مانع الانفجار ( BOP ) بدون خطورة . ثم يركب رأس البئر ويوصل بأنبوب الإنتاج وأنبوب الطي عند قمة البرج .
ورأس البئر عبارة عن مجموعة من الصمامات والوصلات يمكن بواسطتها التحكم في تدفق النفط ، ويسمى رأس البئر في هذه الحالة بشجرة عيد الميلاد ( Christmass Tree ) . انظر الشكل . ويزاح الطين بعد ذلك من أنبوب الطي بضخ الماء حتى يصبح الماء أقل من ضغط النفط في الطبقة المنتجة وعند ذلك يدفع مخلوط النفط والغاز أمامه من الماء وتبدأ البئر في الإنتاج .
• مراحل تواجد النفط OIL PRESENCE STAGES :
1 - مرحلة التكوين Evolving stage: وهي المرحلة الأولى من مراحل تواجد النفط يتم فيها تكوين المادة للنفط في وجود عناصر ثلاثة يشترط توافرها وهي :
أ - المـادة العضويـة hydrocarbons بتركيزات عاليـة فـي طبقة من الصخور وتسمى هذه الصخور " بصخورالمصدر "source rock
ب- حرارة Heat
ج - ضغط Pressureحيث يتوافر كل من الضغط والحرارة المناسبة في الأعماق الكبيرة .
2 - مرحلة الهجرة Migration stage : في هذه المرحلة يهاجر النفط من مناطق تكونه ( صخور المصدر ) حيث الضغوط المرتفعة متجها إلى مناطق أخرى حيث الضغط الأقل، وتتطلب هـذه المرحلة توافر عنصرين أساسيين وهما :
أ - فرق في الضغط Differential pressure: وهي القوة المسئولة عن حركة هذه الموائع .
ب - قنوات متصلة مع يعضها البعض تمثل المسامات والمنافذ(porosity) , إضافة إلى الكسور والشقوق في الصخور وهـي جميعها تمثل ممرات صخرية تسمح بمرور النفط من خلالها في اتجاه أفقي أو رأسي ( هجرة أفقية horizontal migration، هجرة رأسية vertical migration) .
3 - مرحلة التجمع Accumulation stage: وهـي المرحلة الأخـيرة والمسئولة عـن تجمع النفط بكميات كبيرة غالباً ما تكون اقتصادية ، ولتجمع النفط لابد من وجود نظام صخري يعمل عـلى منع استمرار هجرة النفط وتجمعه
في نطاق هذا النظام ، ويسمى هذا النظام بالمصيدة النفطية Oil trap.
• عناصر المصيدة النفطية OIL TRAPS ELEMENTS :
1 - صخور الخزان Reservior rocks: وهي عبارة عـن طبقـة صخريـة ذات مسامية ونفاذية عالية ، ليسمح الصخر باحتواء النفط داخله ، حيث أن المسامية هـي الحجم الكلي للفراغات بالنسبة لحجم الصخـر ، بينما النفاذية هي قدرة الصخر على امرار المائع من خلاله ، كما هو في الحجر الرملي .
2 - صخر الغطاء Cap rock: وهو عبارة عن طبقة صخرية غير منفذة(impermable) تعلو صخر الخزان لتمـنع الهجرة الرأسيةللنفط مثل صخور الجبس اللامائية shales.
3 - تركيب صخري Structure: وهو عبارة عن تركيب جيولوجي يشمل صخر الخزان والغطاء الصخري بطريقة مناسبة تمنع استمرار هجرة النفط سواء الرأسية أو الأفقية ، مثل المصيدة القبوية dome trap(تركيبة) أو مصيدة عدم التوافق unconformity trap( طبقية ) .
4 - تواجد النفط Oil presence: أن تجمع النفط بكميات اقتصادية في طبقة المكمن بعد تكوين المصيدة النفطية ، يعطيها صفـة المصيدة النفطية .
• أنواع المصائد النفطية TYPES OF OIL TRAPS:
وهناك نوعان أساسيان للمصائد النفطيه
1 - المصائد التركيبيه Structural traps : وهي مصائد تتكون نتيجه تغير في وضع الطبقات مما أدى لتكوين مصيدة للغاز والنفط ، ومن انواعها :مصيدة القبه الملحيه salt dome trap ، المصيدة الصدعيه falut trap
2 - المصائد الطبقيه Stratigraphic traps: وهي مصيدة نتجت عن ترسب طبقه الحجر الرملي يعلوه طبقه غير منفذه مما يكون مصيدة طبيعية للنفط والغاز تحول دون نفاذ النفط.
• الحفر واستخراج النفط DRILLING & EXTRACTION OIL:
تعتبر عملية الحفر من أهم وأخطر العمليات والأكثر كلفة ، وهي التقنية الوحيدة لاستخرج النفط من باطن الأرض ، وتتم عملية استخراج النفط عن طريق أربع مراحل أساسية هي :
1 - حفر آبار النفط Oil Well Drilling
يتم حفر آبار النفط بواسطة الحفر الرحوي ( Rotary Drilling ) التي تستخدم منصة الحفر التي يمكن وصفها باختصار فيما يلي :
جهاز الحفر الرحوي
منصة الحفر platform rigs:
تستخدم منصة الحفر في عملية الحفر الدوراني وهي تتكون مـن أجزاء أساسية تساعد في عملية الحفر :
أ - برج الحفر drilling tower:
وهو عبارة عن برج معدني منتصب فوق منصة عريضة أفقية ويستخدم هـذا البرج في
عملية تثبيت أعمدة الحفر رأسيا وتوصيلها ببعضها ، ثم دفعها إلى أسفل بطريقة حلزونية
ب - أعمدة الحفر drilling columns:
وهي أعمدة معدنية صلبة جداً تنتهي أطرافها بوصلات لتوصيلها ببعضها لتشكل عمود أطول ، وتتميز أعمدة الحفر بأنها مجوفة لتسمح بمرور طين الحفر بداخلها .
ج - رأس الحفر ( المثقاب )drill :
وهو عبارة عن كتلة معدنية مصنعة بأشكال هندسية مختلفة ، ذات حواف حادة قـد تكون عـلى شكل مسننات تعمل على تفتيت الصخور وهـي مجوفة وتحتوي على فتحات فـي الأسفل تسمح باندفاع طينة الحفر خلالها إلى تجويف الحفرة .
د – طينة الحفر drilling mud.وهي عبارة عن مواد كيميائية مطحونة تخلط بالماء لتكون سائل غليظ . وأثناء عملية الحفر يتم ضخ هذا السائل بواسطة مضخات ضخمة من خلال التجويف في داخـل أنابيب الحـفر ليصل إلى رأس الحفر ، ويخرج من خلال فتحات ليندفع في قاع البئر صاعداً إلى أعلى حتى يصل إلى السطح حامـلاً معه الفتات الصخري الناتج من عملية الحفر ، وعلـى السطح يمر الطين على مرشح يفصل الفتات الصخري عن الطين . ومن ثم يدفع الطين مرة أخرى إلـى تجويف أنابيب الحفر ليعاود الكرّة ويكون ما يعرف بدورة طين الحفر .
ويمكن تلخيص فوائد استخدام طين الحفر فيما يلي :
تبريد معدات الحفر حيث ترتفع درجة حرارتها بسبب احتكاكها بالصخور أثناء الحفر .
إخراج الفتات الصخري الناتج من عملية الحفر أثناء اندفاع الطين من قاع البئر إلى السطح .
يزيد من تماسك جدار الحفر ليمنع انهيار جدران الحفرة أثناء الحفر .
تفادي خروج الغازات أو السوائل الموجودة تحت ضغوط عالية في باطن الأرض ، التي قد تؤدي إلى حالة انفجار في البئر وذلك عن طريق موازنة وزن عمود الطين الموجود في الحفر لضغط الغازات والسوائل في الطبقات الصخرية .
2 - تبطين البئر Well Casing
عنـد وصول الحـفر إلـى أعمـاق معينة يتم تبطين البئـر بأنبوب فولاذي يسمى أنبوب البطانة ( Casing ) يتم إنزال هذا الأنبوب من قمة البئر إلـى قاعة ويثبت بضخ نوعية خاصة مـن الأسمنت بين جدار البئر وأنبوب البطانة تعمل علـى تثبيت الأنبوب فـي الجدار . يمنع هذا الأنبوب من انهيار البئر ، وكذلك يمنع ضياع الطين أثناء ارتفاعه إلى سطح الأرض وذلك بتخلله خلال جدران البئر ( خاصة إذا كانت الصخور مسامية نفاذة ) أو خلال تجاويف كهفيه قد تكون موجودة في بعض مناطق الحفر . وكذلك فإن هذا الأنبوب يمنع تسرب المياه الجوفية من طبقات الأرض الحاملة إلى البئر . ويكون قطر أنبوب الطي كبيرا عند القمة ويصغر بالتدريج إلى أعماق أكبر . وقبل البدء في حفر مرحلة جديدة من البئر يوصل أنبوب التبطين بعد تثبيته بالإسمنت ، برأس البئر تحت منصة برج الحفر ، ويتألف رأس البئر من مجموعة من الشقف ( Flanges ) والوصلات والصمامات يوصل بأعلاها جهاز مانع الانفجار ( Blow out Preventer, Bop ) الذي يمكن بواسطته منع خروج الغاز أو النفط أو الماء أثناء الحفر حتى تتم عمليات الحفر والتبطين وغيرها في أمان .
3 - تثقيب أنبوب الحفر Perforated pipe drilling:
عند انتهاء الحفر والتأكد من الوصول إلى الطبقات الحاملة للنفط يتم إنزال شحنة متفجرات معينة تحدث انفجارا محدودا يسمح بتثقيب أنبوب الحفر واتساع الشقوق في صخور المكمن ، وقد تتم عملية التثقيب في عمقين مختلفين في البئر نفسه ، وبهذا تصبح البئر مزدوجة الإنتاج كما في الشكل وإذا لم يكن تدفق النفط مناسبا فإنه يتم إنزال كمية من حمض الهيدروكلوريك خاصة في الطبقات الجيرية لزيادة نفاذية الصخور ، وقد يتم تصديع الطبقة الصخرية باستخدام ضغط عال لتسمح بنفاذ النفط إلى قاع أنبوب الحفر .
وبعد تثقيب البئر يتم إنزال أنبوب قطره حوالي ثلاث بوصات داخل البئر ، فإذا كانت البئر مزدوجة الإنتاج ، يتم إدخال حشوة بين أنبوب الإنتاج وأنبوب الطي فوق منطقة الإنتاج السفلي فيتدفق النفط من هذه الطبقة خلال هذا الأنبوب . وأما إنتاج المنطقة الأعلى فيتدفق من الفراغ بين أنبوب الإنتاج وأنبوب الطي كما يرى في الشكل .
4 - شجرة عيد الميلاد Christmas s Tree
أثناء عمليات الحفر يكون البئر مملوءا بطين حفر ثقيل حتى يتغلب على الضغط الممكن . وهذا يسمح عند انتهاء عمليات الحفر ومتطلباتها برفع مانع الانفجار ( BOP ) بدون خطورة . ثم يركب رأس البئر ويوصل بأنبوب الإنتاج وأنبوب الطي عند قمة البرج .
ورأس البئر عبارة عن مجموعة من الصمامات والوصلات يمكن بواسطتها التحكم في تدفق النفط ، ويسمى رأس البئر في هذه الحالة بشجرة عيد الميلاد ( Christmass Tree ) . انظر الشكل . ويزاح الطين بعد ذلك من أنبوب الطي بضخ الماء حتى يصبح الماء أقل من ضغط النفط في الطبقة المنتجة وعند ذلك يدفع مخلوط النفط والغاز أمامه من الماء وتبدأ البئر في الإنتاج .