بخشی از مقاله
تشخیص زونهای شکسته با استفاده از نمودارهای پتروفیزیکی و نمودار انحراف سرعت و تطابق آن با نمودارهای تصویرگر در مخزن آسماری در یکی از میادین جنوب غرب ایران
چکیده
در مطالعه ساختمانهای نفتی، آنالیز شکستگیها و داشتن دیدی بر ساختار مخزن در مراحل تولید و توسعه میدان بسیار مهم و ضروری است. به کارگیری نرم افزارهای مخزنی در تحقق این مسئله به زمین شناسان نفتی کمک شایانی مینماید. هدف از این تحقیق، تعیین روشی سریع برای تشخیص زونهای شکسته و تعیین میزان تاثیر این شکستگیها بر تخلخل و تراوایی مخزن با استفاده از نمودارهای پتروفیزیکی است، که در همه چاهها وجود دارند و سپس، استفاده از نمودار انحراف سرعت برای تعیین میزان بازشدگی شکستگیها و تأثیر آنها بر تخلخل و تراوایی میباشد. نتایج حاصل از این تحقیق نشان میدهد که گرچه عوامل بسیاری از جمله لیتولوژی و سیالات مخزنی بر روی نمودارهای پتروفیزیکی تأثیر میگذارند، اما با کمی تصحیح بر روی نمودارها و استفاده از روشهای ریاضی از جمله مشتقگیری میتوان زونهای شکسته را بر روی نمودارها مشخص نمود، که تطابق خوبی را با نتایج حاصل از نمودارهای تصویرگر نشان میدهند. همچنین نتایج نشان میدهد که زونهای با تمرکز بالای شکستگی را میتوان به راحتی بر روی نمودارهای پتروفیزیکی در سطح اول مشخص نمود. باید توجه داشت که داشتن دیدی بر تکتونیک و زمینشناسی میدان کمک زیادی بر تشخیص زونهای شکسته مینماید. تولید در مخزن آسماری این میدان، تلفیقی از شکستگیها و ماتریکس سنگ است. در این مخزن شکستگیها و زونهای متخلخل تأثیر فراوانی بر خصوصیات سنگ مخزن داشتهاند. همانطور که در مطالعات پتروفیزیک، شش نمودار RHOB, NPHI, GR, DT, PEF, CAL بیشترین کاربرد را دارند. در تشخیص زونهای شکسته همین شش نمودار بهترین ابزارها میباشند. که بر اساس نحوه واکنشی که در مقابل شکستگیها از خود نشان میدهند و انجام تصحیح بر روی این نمودارها میتوان زونهای شکسته را شناسایی نمود.
واژههای کلیدی: امواج صوتی ،شکستگی، نمودارهای پتروفیزیکی، نمودارهای تصویرگر، نمودار انحراف سرعت
مقدمه
شکستگیها نقش مهمی در در جریان سیال و تولید مخازن شکافدار دارند. لذا شناسایی شکستگیها و ویژگیهای آنها، از مسائل مهم مطالعه و مدلسازی مخازن شکسته است .(Schlumberger, 1989) از روشهای مستقیم و غیرمستقیم شناسایی شکستگیها میتوان به استفاده از مقاطع لرزهای، نمودارهای پتروفیزیکی، آزمایش چاه، هرزروی گل و توصیف مفزهها اشاره کرد( (Tampson, 2000 .اما هر کدام از این روشها با محدودیتهای جدی همراهند. مقاطع لرزهای تنها قدرت تفکیک شگستگیها و گسلهای بزرگ مقیاس را دارند. چاهنمودارها، آزمایش چاه و هرزروی گل نیز به دلیل قدرت تفکیک پایین، برای شناسایی شکستگیها مورد استفاده قرار نمیگیرند. مغزهها نیز با محدودیتهایی همچون ضریب بازیافت پایین در زونهای شکسته، جهتدار نبودن و اصولا موجود نبودن به دلیل هزینه بالای مغزهگیری مواجهاند. از اواسط دهه 1980 میلادی و به دنبال ارائه تکنولوژی شیبسنجی و سپس نمودارهای تصویرگر و توسعه این ابزار، مشکل شناسایی شکستگیها و ویژگیهای آنها، همچون شیب، بازشدگی، پرشدگی و غیره، مرتفع گشت .(Serra, 1998) این ابزار ضمن برخورداری از قدرت تفکیک بالا، امکان شناسایی تغییرپذیریهای کوچک مقیاس را فراهم میآورند. بنابراین در نگاه اول به نظر میرسد که با وجود نمودارهای تصویرگر، مشکلی در خصوص شناسایی شکستگیهای مخازن شکسته وجود نداشته باشد. اما واقعیت آن است که به دو دلیل نمودارهای تصویرگر مشکل شناسایی شکستگیها را به طور کامل حل نکرده اند: اول اینکه بیش از یک دهه از کاربرد صنعتی این نمودارها نمیگذرد، بنابراین کلیه چاهها که پیشتر حفر شدهاند، فاقد اطلاعات نمودارهای تصویرگر هستند. دوم اینکه متأسفانه دانش فنی برداشت و تفسیر این نمودارها همچنان منحصر به تعداد محدودی شرکت بینالمللی است. و لذا محدودیتهایی جدی در راندن آنها در چاههایی که اخیرا حفر میشوند وجود دارد. بنابراین در عمل مشاهده میشود که در کمتر از ده درصد چاهها این نمودارها وجود دارند (تخم چی، .(2009 از آنجا که مدلسازی شکستگیهای مخزن در صورت محدود بودن اطلاعات شکستگیها، توأم با خطای قابل ملاحظهای خواهد بود. لذا یافتن راهکاری عملی برای افزایش اطلاعات شکستگیها از ارزش بسیاری برخوردار خواهد بود.
آنالیز شکستگی ها – کلیدی برای دستیابی به اطلاعات
شکستها دارای سه بعد هستند. مطالعه شکستها زمانی که قسمت اعظم مخزن تخلخی حاصل از شکست دارد یا زمانی که نوع عملکرد مخزن قویا مدلهای در نظر گرفته شده برای مخزن را نقض می کند اهمیت بسزایی دارد، برای مثال میتوان به مواردی اشاره نمود که تولید ناگهانی و دور از انتظار آب را داریم .(Serra, 1998) بطور عمده شناسایی شکستها به دو دلیل مهم است که یکی اثر آنها بر استقامت مخزن است و دیگری به دلیل تاثیر بر توانایی ذخیره نفت. از عوامل کنترل کننده چگونگی عملکرد شکستهای طبیعی باز و نفوذپذیر در مخازن ایران میتوان به ماهیت و درجه چین-خوردگی یا گسل خوردگی، استرسهای تکتونیکی ناحیهای، استرسهای درجا و تغییردر خصوصیات سنگ مانند تخلخل، لایه بندی و به ویژه شیلی شدن اشاره نمود(.(Nelson, 2001 مشکل اساسی در مطالعه شکستها در مقیاس وسیع بر مبنای شبیه سازی چاه یا مغزههای جهت یافته این است که شکستها در دیواره چاه ممکن است جزء شبکه بزرگ شکستها که کنترل کننده تولید است نباشد. از این رو پی بردن به رابطه دادههای ژئومتریک چاه با خصوصیات زمین شناسی مخزن ( ساختمان، لایه بندی، رسوب شناسی و دیاژنز ) لازم میباشد .(Schlumberger, 2003) استفاده از دادههای حاصل از رخنمون برای توصیف کردن طرح شکست مخزن به علت رها سازی استرس از سنگها به سطح صحیح نیست. فرسایش و بالا آمدگی طبقات پوشاننده در نتیجه انفصال کششی لایههای شکننده منجر به دگر شکلی لایههای صفحهای میشود. در نتیجه چگالی شکست در مخازن معمولا کمتر از میزان ضبط شده از دادههای مشابه حاصل از بیرون زدگیها است. از این رو دادههای حاصل از رخنمون برای مدل سازی شکستهای مخزن مناسب نیست. کاملا روشن شده است که در مخازن خاورمیانه تعداد زیادی از مناظر ناپیوسته مانند کارست و استرسهایی که منجر به شکست می شوند وجود دارد. معمولا این سیستم شکستها در عمق کم ایجاد میشود و ممکن است سطح ارتباط بالاتری نسبت به شکستهای تکتونیکی ایجاد کند و تاثیر زیادی بر رفتار و عملکرد مخزن دارند .(Schlumberger, 2003)
تعریف شکستگیها و مفاهیم مربوط به آن
واژه شکستگی به هرگونه گسیختگی یا ناپیوستگی فیزیکی در سنگ اطلاق میشود که از حد آستانه مقاومت سنگ گذشته باشد شکستگیها، درزها و گسلها را شامل میشوند .(Fossen, 2010) تفاوت این دو دسته، در جابجایی یا سکون صفحات است. منشأ سیستمهای شکستگی را میتوان از طریق شیب، امتداد، مورفولوژی، فراوانی نسبی و روابط زاویهای بین دستههای شکستگی تعیین نمود .(Stearns – 1968) این اطلاعات را میتوان از طریق دادههای مغزه جهتدار و نمودارهای تصویرگر به دست آورد. شکستگیها برمبنای فرآیند پیدایش به سه دسته عمده زیر تقسیم بندی میشوند:
1. شکستگیهای طبیعی
2. شکستگیهای حاصل از عملیات حفاری یا مصنوعی
3. شکستگیهای توسعه یافته
تقسیم بندی تکتونیکی شکستگیهای طبیعی
در این تقسیم بندی براساس روند، گسترش، مورفولوژی و رژیم تکتونیکی محلی، شکستگیها را به دو دسته تقسیم می-کنند:
-1 شکستگیهای وابسته به گسلخوردگی
-2 شکستگیهای وابسته به چینخوردگی
تأثیر زونهای شکسته بر چاه نمودارهای پتروفیزیکی
بدون شک اگرزونهای شکسته تأثیر قابل ملاحظهای بر نمودارهای پتروفیزیکی نداشته باشند. امکان شناسایی آنها توسط این نمودارها وجود نخواهد داشت.با توجه به دقت ابزارهای جدید باید مطمئن بود زونهای شکسته تأثیر قابل ملاحظهای بر روی نمودارها میگذارند که این تأثیر در ادامه بررسی میشوند. در این خصوص توجه به این نکته کلیدی حائز اهمیت است که به طور کلی مدلسازی شکستگیها، بر پایه تصویر بوده و بنابراین میزان اطلاعات مورد نیاز برای مدلسازی به مراتب بیشتر از اطلاعات مورد نیاز جهت مدلسازی بر پایهی نقطه خواهد بود. همچنین از آنجا که بخش عمدهای از جریان سیال در مخازن شکسته در شکستگیها است، مدل شکستگیها در واقع پایه استاتیک مدل دینامیک جریان سیال بوده و لذا اعتبار آن معرف اعتبار مدلهای دینامیک جریان سیال خواهد بود (تخم چی، .(2009 توجه به این نکته هم مهم است که تعداد زیادی از مخازن جهان و ایران کربناته هستند و بساری از مخازن کربناته شکستهاند و نفوذپذیری آنها بیش از مخازن متخلخل نشکسته است. بنابراین مشکل کمبود اطلاعات از شکستگیها مشکل مبتلا بسیاری از مخازن هیدروکربوری است و طبیعتا از اهمیت اقتصادی فراوانی نیز برخوردار است.
الف- چاه نمودار قطر سنج
افزایش، کاهش و عدم تغییر قطر چاه در زون شکسته محتمل است. در مواردی قطعاتی از سنگهای دیواره چاه در زون-های شکسته ، به دلیل سستیشان میشکنند که باعث افزایش قطر چاه میشوند. در مواردی نیز ، ممکن است که گل حفاری وارد شکستگیهای باز شود و کیک گل تشکیل شود و از قطر چاه بکاهد. با توجه به اینکه عوامل متعدد دیگری همچون جنس سنگهای دیواره چاه نیز وجود دارند که میتوانند باعث افزایش یا کاهش قطر چاه شوند. لذا عملا تعبیر و تفسیر نمودار قطرسنج به منظور شناسایی زونهای شکسته با خطا توأم خواهد بود (شکل2 و 3، ج). اما با شناسایی زونهای شیلی میتوان دقت کار را بالا برد.
ب- چاه نمودارهای توریم، پتاسیم و CGR
به طور معمول پتاسیم و توریم در زونهای شکسته افزایش نشان میدهند. فراوانی پتاسیم در فلدسپاتهای پتاسیک و کانیهای رسی بالا است. اما از آنجا که در مخزن مورد مطالعه، وجود فلدسپات گزارش نشده است، لذا افزایش نمودار پتاسیم به دلیل افزایش شیل یا کانیهای رسی رخ میدهد. شیل سنگی است که خاصیت شکل پذیری داشته و شکستگی کمتر در آن رخ میدهد. بنابراین بدیهی است است که با افزایش نمودار پتاسیم، شانس نشکسته بودن سنگ نیز افزایش می-یابد. توریم نیز عنصری که به صورت ذاتی در سنگهای رسی مشاهده میشود.لذا به دلیل مشابه با پتاسیم، افزایش آن می-تواند معرف نشکسته بودن سنگ باشد. بدیهی است که رفتار CGR نیز دقیقا تابعی از رفتار پتاسیم و توریم بوده و افزایش آن معرف این خواهد بود که شانس نشکسته بودن سنگ بیشتر است .(Darlyng, 2005)
ج-چاه نمودار اورانیم و GR
به طور معمول اورانیم محلول نمکی ناپایداری را تشکیل میدهد که در آب دریا و رودخانه وجود دارد و به سه صورت میتواند همراه رسوبات تهنشین شود. تهنشست شیمیایی در محیطهای اسیدی یا نزدیک به خنثی، جذب توسط مواد زیستی و جذب توسط فسفات. بنابراین مقادیر یالای اورانیم در دو حالت قابل انتظار است: ابتدا در شیلهای داغ که به دلیل وجود مواد زیستی در این شیلها این اتفاق خواهد افتاد. این سنگها منشاء مواد هیدروکربنی هستند. بنابراین احتمال مشاهده آنها در محدودههای مخزنی پایین است. و دوم ناپیوستگیهای همبری بین لایهای و یا شکستگیهای محلهایی هستند که اورانیم طی زمان میتواند از محلهای دیگر به صورت محلول نمکین شسته شده و در محلها راسب شود .(Darlyng, 2005) بنابراین یکی از محلهای مهم تمرکز اورانیم و طبیعتا مشاهده پیک در نموادر گامای اورانیم شکستگیها هستند (شکل.4 ب).
نوع سنگ API
رادیواکتیویته طبیعی بعضی از واحدهای سنگی((serra, o, 1989
د- چاه نمودار DT
این چاه نمودار معرف زمان رسیدن موج صوتی از فرستنده به گیرنده است. این موج از درون سازندهای اطراف چاه عبور خواهد کرد. بنابراین زمان عبور بسته به نوع لیتولوژی، تخلخل سازندی، نوع سیال درون سازندی و ... تغییر خواهد کرد. بدیهی است زونهای شکسته به دلیل کاهش چگالی و افزایش فشردگی سازند، سرعت عبور را کاهش خواهند داد. بلاخص اگر شکستگی باز باشد. از آنجا که درون آنها اشباع از سیالات مخزنی است و سرعت عبور موج P از درون سیال به مراتب کمتر از سرعت عبور آن از درون سنگ است. سرعت عبور را بیشتر کاهش داده و به عبارتی زمان رسیدن موج را افزایش خواهد داد. لازم به ذکر است که حتی سیال درون شکستگیها نیز بر روس سرعت موج P تأثیر میگذارد، به این ترتیب که هر چه ویسکوزیته سیال افزایش یابد، سرعت موج در درون آن نیز افزایش مییابد .(Darlyng, 2005) با توضیح فوق روشن است که در موقعیت زونهای شکسته میبایست انتظار افزایش زمان رسیدن موج را داشت (شکل2 و 3، ب).
و- چاه نمودارRHOB
این چاه نمودار معرف چگالی و از چاهنمودارهای مناسب جهت شناسایی تخلخل است. بدیهی است این چاه نمودار به چگالی سنگهای اطراف چاه حساس باشد و لذا تابع نوع سنگ و سیال درون فضای متخلخل نیز است. رفتار این چاهنمودار در موقعیت زونهای شکسته دو گانه است. در زونهای شکسته چون از تراکم سنگ کاسته و بر تراکم سیال افزوده میشود و چگالی سیال نسبت به سنگ پایینتر است. بنابراین انتظار میرود که چاهنمودار RHOB کاهش نشان دهد. در دیگر سو، از آنجایی که در زمان حفاری، معمولا فشار گل از فشار سازند بالاتر است، لذا در موقعیت زونهای شکسته امکان نفوذ گل به درون شکستگیهای باز، پس زدن نسبی سیال درون شکستگیها و راسب نمودن بخش-های جامد گل وجود دارد. به طور معمول چگالی مواد بخش جامد گل حفاری از چگالی سازند بیشتر است. بنابراین اگر فرآوانی شگستگیهای باز در یک زون بالا باشد و فشار گل نیز نسبت به فشار سازند در حدی بالا باشد که امکان راسب شدن گل در شکستگیها فراهم گردد. در موقعیت زونهای شکسته انتظار افزایش در مقدار چاه نمودار RHOB دور از انتظار نخواهد بود. بنابراین استفاده از این چا هنمودار به منظور شناسایی زونهای شکسته نیاز به ظرافت و دقت بالایی خواهد داشت (شکل2 و 3، الف)
ح- چاه نمودار PEF
به طور کلی این نمودار معرف عدد اتمی کانهها و از نمودارهای مناسب جهت شناسایی سنگشناسی است. چاه نمودار PEF نیز یک تغییرپذیری دوگانه در زونهای شکسته دارد. اگر شکستگیها در زون شکسته، نیمهبسته و یا بسته باشند به نحوی که امکان نفوذ گل حفاری به زون شکسته فراهم نگردد، PEF کاهش نسبی نشان خواهد داد. چرا که عدد اتمی ذرات موجود در آب منفذی از سنگ کوچکتر است. اما اگر شکستگیها باز باشند و فشار گل حفاری از فشار سازند بالاتر باشد، گل به درون شکستگیها نفوذ خواهد کرد. یکی از کانیها مورد استفاده در گل حفاری باریت است. بازتاب فتوالکتریک باریت 267 است، در حالی که این مقدار برای آهک 4.9 و برای ماسهسنگ 1.85 است .(Serra, 1998) بنابراین در موقعیت شکستگیها باز اتفاقا PEF افزایش نسبی نشان خواهد داد. هر دو این اتفاقات (کاهش و افزایش (PEF در زونهای شکسته در چاههای مورد مطالعه مشاهده شده است. بنابراین به نظر میرسد که مقادیر خارج از رده این نمودار معرف وجود زونهای شکسته است (شکل 4 و 5، ج).
ط- چاه نمودار NPHI
این چاه نمودار ضمن ارسال نوترون پرانرژی به درون مخزن، به طور پیوسته هسته مولکولهای مخزن را در معرض برخورد با نوترونها قرار میدهد. از برخورد این نوترونها، سه اتفاق میتوان رخ دهد: کاهش سرعت حرکت نوترون، انتشار انرژیهای دیگر و گیر افتادن نوترون. کاهش سرعت حاصل از تصادم، بستگی به اندازه هستههای هدف دارد به نحوی که اگر اندازه هستههای برخورد کننده مشابه باشد. در واقع هستهی مهاجم ایستاده و هستههای مورد اصابت قرار گرفته با انرژی کمتر آغاز به حرکت میکند .(Darlyng, 2005) لازم به ذکر است همه هستههای کوچکتر از نوترون وجود نداشته و هستههای بزرگتر نیز بیشتر باعث تغییر مسیر نوترون مهاجم میشوند. بنابراین در کل هستههایی بیشینه کاهش در انرژی نوترون تابیده را خواهند داد که هم اندازه آن باشند. از آن جا که هسته اتم هیدروژن هم اندازه هسته نوترون است. بنابراین افزایش هیدروژن در یک محیط به معنی افزایش سریعتر افت انرژی نوترون تابیده خواهد بود. نمودار NPHI کاهش انرژی نوترون ساتع شده را اندازهگیری میکند. هر چه این کاهش انرژی بیشتر باشد، به معنای بیشتر بودن اتم هیدروژن تلقی می-شود. بیشتر بودن اتم هیدروژن نیز به مفهوم بیشتر بودن آب یا هیدروکربور است که مفهوم بیشتر بودن تخلخل را نیز به همراه دارد. با توضیح فوق به نظر میرسد که در موقعیت زونهای شکسته، که انتظار افزایش میزان سیال درون سازندی میرود، میبایست انتظار افزایش در مقدار نمودار NPHI را داشت (شکل 4 و 5، الف).
روش های تفسیر
به طور کلی عموم متخصصین پتروفیزیک معتقدند که به دلیل قابلیت تفکیک ضعیف نمودارهای پتروفیزیکی، شکستگی-ها تأثیر قابل ردیابی بر آنها نخواهند گذاشت. بنابراین یک مسیر دو مرحلهای برای رفع این مشکل انتخاب شد. اول اینکه به جای استفاده از نمودارهای پتروفیزیکی در شناسایی شکستگیها از آنها برای تشخیص زونهای شکسته از نشکسته استفاده شد. که در صورت جواب دادن این مرحله میبایست از بعضی ویژگیهای نمودارها در زونهای شکسته استفاده نمود که مرحله دوم محسوب میشود. سپس در این مرحله نسبت به تخمین فراوانی شکستگیها در آن زونها اقدام شد که از سایر دادهها مثل هرزروی گل و نمودار انحراف سرعت به منظور روشهای کمکی استفاده شد و در نهایت نتایج حاصله با نتایج نمودارهای تصویرگر مقایسه گردید.
در رویکرد اول بررسی گردید که آیا زونهای شکسته میتوانند تأثیر قابل ردیابی بر نمودارهای پتروفیزیکی داشته باشند یا خیر؟ که در عمل مشاهده گردید که پاسخ مثبت است. بعضی چاه نمودارها در زونهای شکسته افزایش نسبی و بعضی دیگر کاهش نسبی مییابند که در بالا ذکر شد. برای رسیدن به هدف مورد نظر ابتدا مطالعه کلی بر روی ساختمان و وضع تکتونیکی میدان مورد نظر انجام گرفت. سپس نمودارهای پتروفیزیکی توسط نرم افزار GEOFRAME تصحیح و توسط نرم افزار MATLAB و SIGMOPLOT مشتقگیری و رسم گردید، تا بتوان تغییرات هر نمودار را بهتر بررسی نمود. برای دستیابی به دقت بیشتر نمودارهای مورد مطالعه توسط نرم افزار فوقالذکر مشتق گیری شدند و سپس زونهای شکسته بر روی آنها بررسی شد. در ابتدا باید توسط روش آزمون و خطا تعیین میشد که نمودارهای مورد تحقیق در کدام سطح مشتقگیری بهترین نتیجه را میدهند، که بعد از بررسی تا سطح چهارم مشتقگیری مشخص شد که زونهای شکسته در سطح اول و دوم بهترین اثر را دارند و دلیل آن این است که هر چند با مشتقگیری بیشتر دقت نسبی بالاتر میرود اما میزان پارامتر-هایی که میتوان به عنوان شاهد برای شناسایی شکستگیها استفاده نمود کاهش مییابد. قابل ذکر است که در این مطالعه از دیگر دادههای پتروفیزیکی مانند دادههای هرزروی گل به عنوان دادههای کمکی استفاده شد. که دقت کار را تا حد زیادی افزایش میدهند .(Mohebboi at all, 2007) ودر نهایت نتایج به دست آمده با نتایج از حاصل از تفسیر نمودارهای تصویرگر FMI و OBMI و UBI برای دو حلقه چاه مقایسه شد که تطابق بالایی را نشان میدهد.
