زمین شناسی نفت

زمین شناسی نفتgeology of petroleum

منابع:

زمین شناسی نفت محمد رضا رضایی (انتشارات علوی)

زمین شناسی نفت تالیف مرحوم عباس افشار حرب(انتشارات پیام نور)

زمین شناسی نفت  فریدون سحابی (انتشارات دانشگاه تهران)

فصل اول

کلیات

1-1مقدمه

زمین شناسی نفت کاربرد زمین شناسی دراکتشاف واستخراج نفت وگاز است نفت وگازدوفازمختلف یک ماده ی معدنی درطبیعت آن چنان به هم وابسته اندکه واژه ی نفت دربیش ترنوشتار ها به معنی نفت وگازبه کارمی رود.ریشه ی واژه ی نفت به گمان زبان شناسان در زبان اوستایی نپتا بوده است که اعراب آن را نفتا خواندند پترولیوم peroleumواژه ی لاتینی است که در زبان فارسی معادل مناسبی ندارد ولی به آن روغن سنگ هم می گویند.پترولیوم مخلوطی طبیعی وپیچیده ای از هیدروکربن های مختلف است که ازفاز های مختلفی نظیر فاز گازی (گاز طبیعی Natural gas)،فاز مایع (نفت خام crud oil)فاز جامد(قیر یاآسفالت Asphalt)هستند که در خلل وفرج وشکستگی ها ی سنگ ها تجمع پیدا می کنند.

هیدروکربن به معنی ترکیبات آلی هیدروژن با کربن است که می تواندهر یک از سه فاز گفته شده رابسازد به طورکلی وجود 5عامل برای تجمع اقتصادی نفت وگازلازم است:

1-سنگ منشاء بالغ(Mature Source rock)که بتواند هیدروکربن تولید کند.

2-سنگ مخزن (Reservoir rock)که بتواندهیدروکربن رادرخود جای بدهد.

3- مهاجرت هیدروکربن (Migration)تا مهاجرت بین سنگ منشاء ومخزن عملی باشد.

4- پوش سنگ (Cap rock)پوش سنگ ناتراوا که ازخروج نفت ازداخل سنگ جلوگیری نماید.

5- تله ی نفتی (Oil trap )که درآن نفت به صورت اقتصادی متمرکز می گردد.

که دراین درس این 5عامل به تفسیرمورد بررسی قرار می گیرد.

1-2 تاریخچه ی اکتشاف نفت درجهان

بشر از گذشته ی بسیاردور نفت رامی شناخته واز آن استفاده می کرده است.به عنوان مثال درتورات به قیراندود کردن کشتی نوح وهم چنین سبدی که مادرحضرت موسی را درآن سپرد وبه نیل انداخت اشاره شده است هم چنین درمصر باستان به جای ملات بین آجرها،به عنوان روغن سبز کاربرد دارویی وهم چنین درجواهر سازی برای چسباندن نگین برروی دستبند ،مومیایی کردن اجساداستفاده می کردند.درنوشته های تاریخی آمده است که ایرانیان درمحاصره ی شهر آتن در480سال قبل از میلاد مسیح از گلوله های آتشین استفاده می کردند. هم چنین درکتب ادبی ما به استفاده های آتش اشاره شده است مثلا درشاهنامه آمده است :

                   به اسب وبه نفت آتش اندر زدند*********همه هندیان دست برسر زدند

 

سیرتحول

اولین چاه اکتشاف نفت درسال 1745 درفرانسه حفر شد واولین چاه استخراج نفت توسط کلنل دریک درسال 1859در پنسیلوانیا ی آمریکا حفاری شد بیش ترین مصارف نفت درابتدا برای روشنایی بود واز وقتی که شخصی به نام ژوژر بیسل  شرکتی به منظور اکتشاف واستخراج نفت تاسیس کرد کاربردهای نفت علاوه برآن که متنوع تر شده بود استفاده از نفت سفید برای روشنایی بااستقبال زیادی مواجه شده بود.چاه کلنل درکناریک چشمه ی نفتی حفرشده بودودرعمق 21متری به نفت رسید وبهره دهی چاه 25بشکه درروز بود قدیمی ترین تئوری برای اکتشاف نفت تئوری تاقدیس بود که به وسیله ی هانت درسال 1861معرفی شد بعد از اواسط دهه ی 1920باروی کارآمدن روش های جدیداکتشاف نفت (روش های ژئوفیزیکی مثل مطالعات لرزه ای ،ثقل سنجی ومغناطیس سنجی )ذخایر زیادی ازنفت اکتشاف شد.درسال 1927درفرانسه اولین نمودارهای ژئوفیزیکی مورد استفاده قرارگرفت. دردهه ی 1960میکروپالئونتولوژی یامیکروفسیل کمک شایان توجهی برای نفت نمود.دردهه ی 1970پیشرفت درپردازش اطلاعات لرزه ای توسط کامپیوترهای سریع وازدهه ی 1980تاکنون پیشرفت درتکنولوژی های گذشته وبه خصوص معرفی نرم افزار های جدید باعث شده است که اکتشافات نفت آسان تر سریع تر ومطمئن تر انجام گیرد.

1-3 تاریخچه ی نفت درایران

شخصی به نام ماریوت به نمایندگی شرکت ویلیام ناکس دارسی درسال 1901به دربار مظفرالدین شاه قاجارآمد وامتیازاستخراج واکتشاف نفت درتمام ایران به جز 5ایالت شمالی را ازمظفرالدین شاه گرفت.درسال1903اولین چاه نفت درایران درعمق 507متری درمنطقه ای به نام چیاه سرخ یا چاه سرخ درشمال غرب قصرشیرین به نفت رسید بابهره دهی حدود 175بشکه درروزبه علت دوری از آب این منطقه را رها کردند ودرخوزستان درمحلی به نام مسجد سلیمان درجایی که امروزه میدان نفتون خوانده می شودبرروی تاقدیس مامتین حفرشد. که درسال 1908درعمق 360متری به نفت رسیدفقط یک سال بعدشرکت سابق نفت ایران وانگلیس تشکیل شدکه تا سال 1329ه.ش   29 اسفندباملی شدن صنعت نفت ازشرکت نفت ایران وانگلیس خلعیت به عمل آمد اما پس از کودتا ی 28مرداد1332کنسرسیونی ازشرکت های نفتی تشکیل شد که درواقع کارشرکت نفت ایران وانگلیس را انجام می دادازدهه ی 1950اکتشاف نفت درخلیج فارس نیز انجام گردید ووجود نفت درآن به اثبات رسید.واولین میدان نفتی به نام بهر گانسردرسال 1960کشف گردید.

درطول این مدت عملیات اکتشافی دربرخی نقاط ایران انجام شدودرپاره ای موارد به نتایجی هم رسیدبه عنوان مثال درنواحی سمنان ودامغان چاه حفرشده به نفت رسیدیا درنواحی مازندران شرق بابلسرگرگان جنوب قم نواحی دشت مغان درآذربایجان ونواحی ای ازسرخس درخراسان رضوی که بعد ها درسال 1347گنبد عظیم خانگیران ودرسال 1360درهمان منطقه میدان گازی گنبد لی کشف گردید.

ارتباط زمین شناسی نفت با سایر علوم

ارتباط مستحکمی بین زمین شناسی نفت وعلوم دیگرمثل شیمی ،فیزیک وزیست شناسی وجود داردعلم فیزیک با زمین شناسی ساختمانی ورسوب شناسی ومخصوصا اکتشافا ت ژئوفیزیکی مرتبط است.علم شیمی درپی بردن به ترکیب شیمیایی مخازن به ما کمک می کند علم شیمی آلی کمک بزرگی برای ارزیابی سنگ های منشاء می باشد.

مطالعه ی فسیل ها وبیوزون های مربوط به آن ها براساس مفاهیم زیست شناسی وتکاملی موجودات درطی زمان کمک بزرگی برای اکتشاف نفت است.هم چنین کاربرداکولوژی درشناسایی محیط های رسوبی قدیمه.

1-4 آمارمختصری درمورد نفت وگاز

تاکنون بیش از 6/3میلیون چاه نفت به وسیله ی شرکت های نفتی حفر شده است که از این مقدارحدود 60000چاه تولید نفت است با مقدارخیلی کم باتولید ی به طور متوسط 3مترمکعب درروز درصورتی که درخاورمیانه تعداد چاه ها بسیارکم تر ولی متوسط تولید نفت حدود هزار متر مکعب درروز است تعداد حوزه های نفت وگاز شناخته شده درجهان بیش از32000است که از این تعداد 18000درامریکاست بیش از 3000حوضه درروسیه 1000حوضه درکانادا وکل خاورمیانه فقط 150حوضه وجود دارد درحدود95درصد ازنفت شناخته شده جهان فقط در50حوضه ی رسوبی و70تا 75آن در10چاه وجود دارد.خلیج فارس به تنهایی نیمی از نفت جهان را داراست .امروزه ثابت شده است که به جزء کشور سورینام درآمریکای جنوبی که فاقد هرگونه ذخیره ی گازی است درتمام کشورهای جهان مقداری ذخایرگازی شناخته شده است.وتقریبا درهمه ی کشورهای جهان به غیرازکشورهای افغانستان ،ایرلند،تانزانیا ،سومالی،رواندا،موزامبیک،نامیبیا وماداگاسکارنفت شناخته شده است.تاپایان 1998میلادی میزان ذخایرنفتی جهان 000/664/185/019/1بشکه نفت ومیزان ذخایرگازی جهان 469/086/5میلیارد فوت مکعب یا به طورتقریبی1/5 میلیارد فوت مکعب شناخته شده که ازا ین مقدار1/78درصد ذخایرنفتی و7/42درصد ذخایر گازی متعلق به کشورهای عضواوپک است .حفظ نسبت تولید به اکتشاف نفت از اهمیت خاصی برخورداراست درسال 1999کشور ایران با تعداد4اکتشاف نفتی بزرگ به میزان 5000میلیون بشکه درصدر کشورهای جهان قرار داشت درحال حاضر (1998)میزان نفت اوپک که اصلی ترین تولید کنند ه ی نفت جهان است حدود26میلیون بشکه درروز است که عربستان بابیش از 8میلیون بشکه درروز مقام اول وایران با حدود4میلیون بشکه مقام دوم رادارد .ذخایرنفت ایران باتوجه به آخرین اکتشافات به عمل آمده تاسال 2000حدود550میلیارد بشکه است که ذخیره ی قابل استحصال نهایی آن حدود90 میلیاردبشکه ارزیابی شده است.

امادرارتباط با گاز میزان گاز تولیدی درخاورمیانه درحال حاضر درحدود110میلیون تن می باشد از20منطقه مهم گازی جهان 9منطقه درخلیج فارس قراردارد.لذا خلیج فارس غنی ترین منطقه ی گازی جهان است.برای مثال حوضه ی پارس جنوبی واقع درخلیج فارس درحدود8تریلیون متر مکعب گاز دارد که ازاین نظر ایران دومین کشور بعداز روسیه به لحاظ گازی است.

زمین شناسی نفت

فصل دوم

تشکیل نفت وارزیابی سنگ منشاء

2-1مقدمه دراین فصل درباره ی منشاءنفت (نظریات قدیمی وجدید)بحث می شودودردنباله ی آن به ارزیابی سنگ منشاء خواهیم پرداخت:

درابتدابه نظریه ی تشکیل نفت خواهیم پرداخت:

2-2نظریات درارتباط باتشکیل موادهیدروکربوری(فرضیه های قدیمی)

فرضیه های ارائه شده درباره ی منشاءنفت را براساس آلی یا غیرآلی بودن آن به دوگروه آلی یاغیرآلی(معدنی)تقسیم کرده اند.ازاواخرقرن19منشاءآلی نفت جنبه ی عمومی یافت ولی این که نفت ازکدام ماده ی آلی مشتق شده است مورد اختلاف بود تا این که درقرن 20باتوسعه ی علم ژئوشیمی وشیمی آلی به بسیاری ازاین مسائل پاسخ داده شد . به طور کلی نظریات تشکیل نفت به شرح زیر است:

الف)فرضیه های غیرآلی یامعدنی

1)منشاء آذرین یا آتش فشانی :خروج گاز متان ازمجاری آتش فشان فعال وهم چنین هم راهی میادین عظیم نفتی با کمربند های آتش فشانی ممکن است ازاین منشاء حمایت کند.حتی تشکیل گل فشان رابه شباهت آن فوران آتش فشانی نسبت داده انددرصورتی که تجمع نفت درسنگ های آذرین ودگرگونی آن هم به صورت استثنائی مربوط به ایجاد شکاف ودرز وگسل درآن سنگ هاست که هیدروکربن توانسته است ازسنگ مادربه آن سنگ ها مهاجرت کندودرآن جا به تله بیافتد.ویامکانیزم تشکیل گل فشان به این صورت است که گاز از مخازن هیدروکربنی عمیق به سطح زمین فرار می کند دربین راه با آب های زیرزمینی مخلوط شده وازبین لایه های رسی ومارنی می گذرد وبه صورت گل به هم راه گاز به سطح زمین می رسد.درسطح زمین گاز از گل جدا شده ومتصاعد می گرددوگل به صورت مخروط دراطراف محل خروج درمی آید.

2)منشاء ازواکنش های شیمیایی :ازمعروف ترین این نظریات می توان به فرضیه ی برتلو به نام ترکیب فلزهای قلیایی گرم باگاز کربنیک وهم چنین فرضیه ی مندلیف  به نام ترکیب کربوریاکربیدگرم باآب وتولید هیدروکربن نام برد وبراساس فرضیه ی برتلو درداخل زمین ودردرجه حرارت های بالا فلزات قلیایی آزاد وجود دارد که درتماس با آب وگاز کربنیک  استیلن تولید می کنند که یک نوع هیدروکربن است راتولید می کنند.

2CO2+6H2O+10Na→C2H2+10NaOH                                                  

وبنابرنظریه ی مندلیف درداخل پوسته ی زمین لایه هایی ازکربورآهن (C2Fe)وجودداردکه دربرخوردبا آب های زیرزمینی ونفوذی استیلن تولید می کنند برطبق رابطه ی زیر:

C2Fe+2H2O→C2H2+Fe(OH)2                                                                             

این دونظریه دربیان علت تنوع شیمیایی هیدروکربن ها عاجزند.

3)فرضیه ی فضایی نفت:وجود هیدروکربن درسنگ های فضایی وهم چنین ترکیب بخش عظیمی از جو سیاراتی مانند مشتری کیوان اورانوس که از گاز متان تشکیل شده اند این ایده رابه وجود آورد که هیدروکربن ها بخشی از مواد تشکیل دهنده ی منظومه ی شمسی بوده وپس ازتشکیل سیارات دراعماق زمین قرارگرفته اند. وکم کم به سطح زمین گریخته اند این فرضیه توضیحی برای تنوع نفت وهم چنین نحوه ی توزیع آن درپوسته ی زمین ندارد.

ب)فرضیه های منشاء آلی نفت

نخستین  فرضیه های ارائه شده درباره ی منشاءآلی نفت نیز پایه درآزمایشات شیمی داشته است. دراین تجربه های آزمایشگاهی موادآلی حیوانی وگیاهی درحد تخریب بافت تقطیرمی شوندوگاه پژوهشگران هیدروکربن های مایعی شبیه نفت چشمه های نفتی به دست می آوردند. که این خود باعث شد که دانشمندان دو گروه شوند:

گروهی که معتقد بودند هیدروکربن هامشتق ازمواد گیاهی هستندکه خودبه منشاء از زغال سنگ – منشاء ازگیاهان خشکی ومنشاءازگیاهان آب زی تقسیم می شدند.ودرمنشاءجانوری نیز ازتقطیر بافت های نرم بدن موجودات هیدروکربن به دست آوردندمثلا ازتقطیر ماهی .هم چنین برخی وجود نفت درپوسته ی دوکفه ای هارا به عنوان دلیل ارائه می کردند.

2-3فرضیه های جدید منشاءنفت

نخسیتین فرضیه های ارائه شده درخصوص منشاء آلی نفت مانند فرضیه های غیرآلی پایه درآزمایش های شیمی داشت دراین تجربه های آزمایشگاهی  مواد آلی حیوانی وگیاهی ودرحدتخریب بافت تقطیر می شدند وگاه پژوهش گران هیدروکربن های مایعی شبیه به نفت چشمه های نفتی به دست می آوردند سه تفکرمهم دراین خصوص غالب بود:

1)هیدروکربن ها مشتق از موادآلی گیاهی اند.

2)هیدروکربن ها مشتق ازمواد آلی جانوری اند.

3)عامل تبدیل مواد آلی به هیدروکربن تقطیر است.

براین اساس گروهی زغال سنگ را منشاء نفت سفید دانستند چون ازتقطیر آن هیدروکربن به دست آمد.گروهی گیاهان خشکی (تقطیر چوب وبرگ های سوزنی کاج ،هم چنین وجود گازمردابی درخشکی)وگروهی گیاهان آب شور (جلبک ها،خزه های دریایی ودیاتومه ها)رامنشاء هیدروکربن دانستندودرمقابل گروهی که منشاء جانوری رامطرح می کردنددلایل زیر را ارائه می کردند:

- وجود موادنفتی درپوسته ی دو کفه ای ها

- به دست آمدن نفت ازتقطیر بسیاری ازجانوران

اما امروزه ثابت شده است که با وجود آن که هیدروکربن ها منشاء آلی دارند،اما نه به این صورت که ارائه شد.

2-4 نظریه ی امروزی تشکیل نفت (ازماده ی آلی تانفت)

ماده ی اصلی که ازآن هیدروکربن شکل می گیرد ماده ای آلی (Organic matter)تشکیل شده درسطح زمین است.فرآیند تشکیل ماده ی آلی بافتوسنتز شروع می شودگیاه درحضورنورخورشید طبق فرمول زیر آب وCO2رابه گلوکزوآب واکسیژن تبدیل می کند:

CO2+12H2O→C6H12O6+6H2O+6O2                                                 

گلوکزماده ی آغازی جهت ساختن ترکیبات پیچیده تری می باشد فتوسنتز قسمتی از چرخه ی عظیم کربن است.معمولا بیش ترمواد آلی تولید شده به وسیله ی فتوسنتز مجددا به صورت CO2به اتمسفربازگردانده می شود ازطریق تنفس حیوانات  یا اکسیداسیون یا تخریب باکتریایی موجود مرده مقدارکمی ازمواد آلی (001/0%)معمولا ازاین چرخه فرارکرده و دفن می شود درطول زمان زمین شناسی این حجم کم مقداربسیارعظیمی ازماده ی آلی فسیلی راتولید می کند.

مرگ ومیرجانوران وگیاهان سبب انباشته شدن مواد آلی می شود  این مواد آلی می توانند به صورت انواعی از ملکول های زیستی باشند که خود می تواند منشاءهیدروکربن شود عمده ی مواد آلی موجود دراقیانوس ها دراثر فرآیند فتوسنتزتشکیل شده اند.تولید کننده های اصلی مواد آلی فیتوپلانکتون ها هستندکه گیاهان شناورمیکروسکوپی نظیردیاتومه ها داینوفلاژله ها وجلبک  های سبز آبی می باشند.فیتوپلانکتون ها درانتهای زنجیره ی غذایی وجود دارند دیگر تولید کنندگا ن مواد آلی زئوپلانکتون ها ی میکروسکوپی وجانوران آلی ترندکه ازفیتوپلانکتون ها تغذیه می کنند.

میزان تولید فیتوپلانکتون ها وجلبک ها به متغیر های فیزیکی وشیمیایی محیط بستگی دارد نورو شفافیت آب گرمای محیط میزان ورود موادغذایی مثل فسفات ها ونیترات ها که برای رشد گیاهان وجانوران حیاتی اند ازجمله ی این عواملند.

مرگ ومیرجانوران سبب انباشته شدن مواد آلی می شوداین موادآلی می توانند به صورت الواری ازملکول های زیستی باشند که خود منشاء هیدروکربن ها می شود.ازملکول های زیستی مهم می توان به لیپید ها(هم درجانوران وهم درگیاهان)پرتئین ها(بیش تر درجانوران کم ترگیاهان)کربوهیدرات ها یاسلولز(فقط گیاهان)ولیگنین(لیگنین که یک ماده ی آلی با وزن ملکولی بالاست و دارای انواع مختلف حلقه های آروماتیک کربن است وفقط درگیاهان آلی پیشرفته دیده می شود.)

بیش ترمواد آلی درمحیط های آرام وکم انرژی رسوب می کنند وحفظ می شوند عموما درمحیط های پرانرژی ومتلاطم ماده ی آلی ازداخل رسوب شسته می شوددرصورتی که درآب های آرام ماده ی آلی می تواند ته نشین شود.بنابراین ماده ی آلی می تواند درانواع سنگ های دانه ریز نظیر شیل ها یا گل آهکی (میکرایت)یافت شود. حفظ ماده ی آلی تابع دو مقداراست:

1-میزان تولید ماده ی آلی که باید بالا باشد.

2-میزان تخریب ماده ی آلی که باید پایین باشد.

ازنظر شرایط محیط رسوبی دوشرط اساسی برای حفظ مواد آلی لازمست:

1-سرعت رسوب گذاری مناسب 2-وجود آب های فقیر از اکسیژن

اگرسرعت رسوب گذاری خیلی کم باشد میزان اکسیداسیون زیاد وتجزیه ی موادآلی شدت می گیردواگرسرعت رسوب گذاری خیلی زیاد باشد مواد آلی بادرصد کم تری دررسوب پراکنده خواهند شد درشکل زیر سرعت رسوب گذاری متفاوت برای حفظ حداکثر کربن آلی درداخل رسوبات نشان داده شده است.

 

پس به این ترتیب رسوبات دارای TOCبیش تر که درشکل گیری سنگ های منشاء هیدروکربن که درتشکیل سنگ مادر هیدروکربن نقش دارنددر شرایط ومحیط های احیایی نظیر مناطق با جریان ها ی بالارونده (Upwelling)،محیط های دریاچه ای بزرگ احیایی درمناطق استوایی ،حوضه های نیمه محدود،حوضه های نیمه عمیق واقیانوسی تشکیل می شوند.رسوبی قادربه تولید نفت وگاز است که دارای حداقلی ازمقدارکل کربن آلی (Total organic carbon)باشد.این حداقل برای سنگ های کربناته وتخریبی متفاوت است جدول زیر تقسیم بندی سنگ های منشاء هیدروکربن رابراساس محتوی TOCنشان می دهد.

-5 توزیع کربن آلی درمکان وزمان

توزیع کربن آلی درمکان وزمان متغیراست فراوانی کربن آلی برای سنگ های مختلف متفاوت است احتمال تولید وحفظ کربن آلی درسنگ های تخریبی دانه ریز (شیل ها )بیش تر ازسایر سنگ های رسوبی است ازنظر زمانی فراوانی مواد آلی وگسترش سنگ های منشاء دردوچرخه یا زمان اصلی رخ داده است این چرخه های منطبق بربالا آمدن جهانی سطح آب دریا ها درطی پالئوزوئیک   ژوراسیک   وتشیری موجب به وجود آمدن بیش از85درصد ازذخایر هیدروکربنی جهان شده است.درخاورمیانه و به خصوص درایران سنگ های منشاء اصلی درطی چرخه ی دوم درزمان کرتاسه نهشته شده اند.

2-6 تولید هیدروکربن

پس از دفن رسوبات طی سه مرحله ی اصلی دیاژنز کاتاژنزو متاژنزمواد آلی تکامل یافته وبه هیدروکربن تبدیل می شود.

الف)مرحله ی دیاژنز

این مرحله ازهمان لحظه ای که رسوبا ت دفن می شوند آغاز می گردد.این رسوبات بیش از 70%آب وخلل وفرج دارندولی بیش تر تخلخل ها در500متر اول دفن واز بین می روند پس از آن فشردگی شیل ها خیلی آهسته تداوم می یابد هر ماده ی آلی که درداخل شیل باشد نیز تغییرات پیچیده ای را تحمل می کند.بیو پلی مر ها که متشکل از پروتئین ها ، لیپید ها ،هیدرات های کربن ولیگنین هستند منشا زیستی داشته ودراین مرحله طی تجزیه ی بیوشیمیایی اول پروتئین ها وبعد هیدرات های کربن تجزیه شده به ملکول های ساده تر ی به نام ژئومونومرشکسته می شوند.بعضی از ژئومونومرها که بیش تر فعال هستند با یکدیگر به طور خود به خود واکنش انجام داده تا درنهایت ژئوپلی مرهای پیچیده ی پایدارتری به وجود می آید این تغییرا ت درابتدا توسط فرآیند های باکتریایی وشیمیایی وسپس با شکست حرارتی دنبال می شود .باافزایش عمق تدفین موادآلی بیش تر نیتروژن ،اکسیژن ،گوگردوکمی ازهیدروژن خود را از دست می دهندتنها هیدروکربن تولید شده درمرحله ی دیاژنز متان CH4است .این هیدروکربن گاز بیوژنیک (Biogenic Gas)یا گاز مرداب(Marsh Gas) نامیده می شودکه از تجزیه ی مواد آلی توسط باکتری های بی هوازی به وجود می آید محصول نهایی درطی مرحله ی دیاژنزکروژن است که درمورد آن بیش تر توضیح خواهیم داد.

درشکل زیر مراحل نمودار کلی تشکیل هیدروکربن با افزایش عمق نشان داده شده است.

 

ب)مرحله ی کاتاژنز

درطی تدفین با افزایش حرارت وفشار ساختمان کروژن از لحاظ ترمودینامیکی ناپایدار شده ودراثر فشار وحرارت درطی زمان زمین شناسی تغییراتی درآن به وجود می آید که به آن بلوغ (Maturation)می گویندکه شامل تجزیه ی حرارتی وشکستن کروژن به ملکول های کوچک تر وتبدیل آن به یک ماده ی پایدار غنی از کربن نظیر هیدروکربن است درطی مرحله ی دوم کاتاژنز که دراعماق حدود یک کیلومتری به بعد وحرارت بالاتر از 80درجه ی سانتی گراد به وجود می آید ملکول های هیدروکربن به صورت نفت وسپس گاز ها مرطوب از کروژن شکسته وجدا می شود.

ج)مرحله ی متاژنز

درنهایت دراعماق زیاد (حدود عمق 4کیلومتر ودردمای ˚c225)تولید مستقیم هیدروکربن از کروژن متوقف می شود اما متان قابل توجهی می تواند کماکان ازنفت تولید شده ی قبلی توسط دگرسانی حرارتی تولید شود.درنهایت این مرحله پس از تشکیل متان با منشاء حرارتی ترکیب کروژن به کربن خالص (گرافیت )نزدیک می گرددهمان گونه که درنمودار دیده می شود فسیل های ژئوشیمیایی نیز ممکن است درطی این مراحل به ویژه در مرحله ی کاتاژنز تشکیل شود .فسیل ها ی ژئوشیمیایی ترکیبات هیدروکربنی با وزن ملکولی بالایی هستند که دربسیاری ازنفت های خام وجود دارند این هیدروکربن ها ملکول هایی هستند که از موجودات زنده درطی رسوب گذاری سنگ منشاء به وجود آمده وحفظ شده است  ولذا می تواند به عنوان نشانه های زیستی (Biomarkers)درشناسایی نوع ماده ی آلی به وجود آورنده ی نفت به کاربرده شود مثلا الکل های حلقوی پیچیده جزءفسیل های  ژئوشیمیایی می باشند.

2-7کروژنKerogen

کروژن به مواد آلی موجود درسنگ های رسوبی گفته می شود که درحلال های آلی حل نمی شود به دلیل اندازه های بزرگ ملکول ها و ساختمان پیچیده ی آن ها ،بخشی از کروژن که درحلال های آلی قابل حل است بیتومین(Bitumen)نامیده می شود.کروژن درواقع منشاء ترکیبات نفتی است ونوع آن نوع هیدروژن تولید شده را کنترل می کند .درزیرمیکروسکوپ کروژن به صورت خرده های آلی پراکنده دیده می شود برخی ازاین خرده ها ساختمان دارهستندیعنی دارای ساختمان مشخصی هستند وبرخی فاقد ساختمان اند.خرده های ساختمان دارمی توانند به واحد های بیولوژیکی مشخصی به نام ماسرال ها (Macerals)طبقه بندی شوند . ماسرال ها درکروژن هم ارز مینرال ها در سنگ ها هستند.سه گروه اصلی ماسرال ها که ازبقیه مهم ترند شاملِ:-ویترینایتVitrinite- اگزینایتExiniteیا لیپتینایتLiptinite-اینرتینایتInertinite

ویترینایت ماسرال اصلی دربسیاری از کروژن هاست ومهم ترین سازنده ی زغال سنگ  می باشد تقریبا به طور کامل از بافت ها ی چوبی گیاهان مشتق می شود از آن جایی که ویترینایت به سختی تجزیه می شود لذا درهمه ی محیط های دریایی وغیر دریایی دیده می شود.ماسرال اگزینایت که به آن لپتینایت هم می گویند عمدتا ازجلبک ها ،پولن ها ،اسپورهاوکوتیکول برگ به وجود می آید .اگزینایت معمولا درمقادیر بالا وجود ندارد وبیش تر دردریاچه ها ی پلایایی ومحیط های باتلاقی کم عمق وجود دارد.ماسرال اینر تینایت می تواند از منشاء های متفاوت به وجود آید ولی قبل از نهشته شدن شدیدا اکسید شده است.لذا ازاجزای فرعی کروژن است علاوه برماسرال های دارای ساختمان برخی از اجزای سازنده ی کروژن ها بی شکل یا آمورف هستند که به آن ها کروژنیت یا ساپروپلیک می گویند .علت بی شکل بودن مواد کروژنیک تجزیه ی شیمیایی شدید و خرد شدن مکانیکی شدید می باشد.این مواد آلی شفاف دارای رنگ قهوه ای مایل به زرد تاقهوه ای تیره هستندوعمدتا از گروه ماسرال های اگزینایت  می باشد چراکه این گروه از ذرات نرم با پیچیدگی ملکولی کم تری تشکیل شده اند که نسبت به گروه ویترینایت آسان تر وسریع ترتجزیه می شود.

2-8طبقه بندی کروژن ها

انواع کروژن رامی توان بااستفاده ازمطالعات میکروسکوپی یا پارامترهای حجمی مثل نسبت اتمی H/CوO/Cکه از تجزیه ی کروژن به دست می اید تفکیک نمود.براین اساس انواع متفاوت کروژن به دست می آید نمودارون کرولن به خوبی مسیر بلوغ انواع کروژن رانشان می دهد. اگرنمودارنسبت اتمی H/Cدرمقابل O/C راترسیم کنیم برای چهارنوع کروژن معروف روند  مشخصی به نام مسیر تکاملی دیده می شود این مسیر برای انواع کروژن هامتفاوت است ولی در کل باافزایش درجه ی بلوغ حرارتی وکاهش نسبت های H/CوO/C این مسیر ها به یکدیگر ملحق می گردند.

 

اما درارتباط با انواع کروژن و نوع هیدروکربن تولید شده از آن ها نمودار زیر ارائه شده است.

همان گونه که از شکل مشخص است کروژن های نفت زا معمولا ممکن است بیش از65%قطعات اگزینایت وآمورف داشته باشد این کروژن های نفت زا خود به دودسته تقسیم می شوند:

کروژن نوعI(جلبکی)که لیپید ها از اجزای اصلی این نوع کروژن ها می باشند وبه تولید نفت خام های غنی از هیدروکربن های اشباع شده متمایل هستند.

کروژن نوع IIکه به آن کروژن لیپتنیک نیز می گویند منشاء دریایی داشته ،ذرات تشکیل دهنده ی آن غالبا آمورف هستند و ازتجزیه ی فیتوپلانکتون ها ،زئو پلانکتون ها وبرخی جانوران آلی تر حاصل شده اند . کروژن نوعIIتمایل به تولید نفت غنی از آروماتیک ونفتنیک دارد.وگاز بیش تری نسبت به کروژن نوع Iتولید می کنند.

کروژن نوعIIIیا کروژن های زغالی ازماسرال ویترینایت غنی است ظرفیت تولید نفت بسیار کمی دارد وبه طور عمده گازتر ومیعانی وگاز خشک تولید می کند.

کروژن نوع IVغنی از ماسرال اینرتینایت است که به شدت کمیاب هستند این نوع کروژن خنثی است وتوانایی تولید نفت وگاز راندارد.

*سنگ های رسوبی معمولا حاوی ترکیبی ازانواعی از این کروژن ها می باشند بسیاری از شیل های نفتی اغلب کروژن نوع I(جلبکی)دارند. زغال سنگ وبرخی سنگ منشاء تخریبی ساحلی مثل محیط های دلتایی دارای کروژن نوع III یاکروژن زغالی است.وبالا خره انواع مهم کروژن ها رابرمبنای نسبت H/CوO/Cطبق جدول زیرتقسیم بندی می کنند.

 

 

 

 

 

۲-9سنگ منشاء وارزیابی آن

سنگ منشاء ازنظرتعریف سنگ دانه ریز غنی از ماده ی آلی است که قادر است دراثر تکامل حرارتی تولید هیدروکربن نماید. سنگ منشاء رامی توان درسه گروه قرار داد سنگ منشاء مفید(Effective Source Rock) که نفت خود را تولید وازخود خارج نموده است .

سنگ منشاء محتمل(Possible Source Rock) که پتانسیل منشاء بودن آن هنوز ارزیابی نشده است ولی احتمال دارد نفت تولید کرده باشد وبالا خره

سنگ منشاء بالقوه(Potential Source Rock)به سنگ رسوبی نابالغی گفته می شود که توانایی تولید هیدروکربن رادرصورت رسیدن به درجه ی بلوغ دارد.همان گونه که دربخش 2-6گفته شد،حرارت با افزایش عمق تدفین زیاد می شود وعمق واقعی برای یک سنگ منشاء خاص برای تولید هیدروکربن به همان اندازه که به نوع کروژن وتاریخچه ی تدفین بستگی دارد به شیب زمین گرمایی (Geothermal)ناحیه وابسته است.

همان گونه که گفته شد ازنقطه نظر حرارتی پنجره ی نفتی وقتی شروع می شود که سنگ منشاء درحرارتی بیش از c˚60 گرفته باشد. نفت حاصله دراین درجه حرارت پایین سنگین ونابالغ است.با افزایش درجه  حرارت نفت سبک تر تولید می شود . حداکثر تولید نفت دردرجه  ی حرارت حدودc˚100 رخ می دهد وسپس کاهش می یابد . سپس دردمای حدود c˚175 پنجره ی نفتی بسته و زون اصلی تولید گاز شروع می شود . تولید هیدروکربن تا دمای حدود c˚225 متوقف می شود ،اما متان حرارتی هم چنان تا دمای بیش تراز c˚315 درنقطه ای که سنگ منشاء متحمل دگرگونی ناحیه ای می شود از شکسته شدن نفت ،تولید می شود.

قوانین شیمی بیان می کند که نرخ واکنش های شیمیایی تابع حرارت وزمان است .شکل زیر نشان می دهد که دمای تولید نفت برای سنگ های منشاء پالئوزوئیک کم تراز c˚60 است . درصورتی که این دما برای سنگ منشاء های سنوزوئیک به بیش از c˚150 می رسد ؛یعنی ممکن است زمان اثر درجه ی حرارت یا بالعکس درجه ی حرارت اثر زمان را جبران کند . به طور مثال سنگ منشاء هایی که همیشه نسبتا سرد باقی مانده اند ممکن است 100 میلیون سال یا بیش تر را پشت سر بگذارند تا نفت تولید کنند درحالی که سنگ منشاء های جوان ممکن است فقط درطی چند میلیون سال هیدروکربن تولید کنند درصورتی که درمعرض درجه حرارت بالا قرارگیرند .

پس معمولا درجه ی حرارت نقش مهم تری نسبت به زمان دربلوغ سنگ منشاء دارد.

2-10 :روش های ارزیابی سنگ منشاء هیدروژن »به طور کلی ارزیابی سنگ منشاء به دوروش آزمایشگاهی و رسم منحنی های تاریخچه ی تدفین  انجام می گیرد که در این جا به شرح آن ها می پردازیم:

1 – روش های آزمایشگاهی :دراین روش از سه متد کلی پتر گرافی آلی ،آنالیز شیمیایی و ارزیابی حرارتی استفاده می شود.که به وسیله ی آن پارامترهایی نظیر مقدارو نوع ماده ی آلی ونیز درجه ی بلوغ ماده ی آلی مشخص می گردد.پتروگرافی آلی شامل مطالعه ی مواد آلی توسط میکروسکوپ های بانورعبوری ،نور انعکاسی ونور ماورای بنفش می باشد.دراین روش با استفاده از برخی ویژگی های قابل مشاهده نظیر ساخت داخلی ، شکل  ، رنگ وشدت انعکاس  نور می توان اجزای تشکیل دهنده ی کروژن را شناسایی نمود .ازروش های مهم شیمیایی می توان تجزیه ی عنصری کروژن (O,C,H) ،اسپکتروفنومتری مادون قرمز،رزونانس چرخش الکترون وایزوتوپ کربن رانام بردوبالا خره

 پایرولیز(Pyrolysis)مواد آلی یک روش حرارتی است که برای تشخیص کیفیت وبلوغ حرارتی سنگ های منشاء استفاده می شود.

این روش با حرارت دادن ماده ی آلی درغیاب اکسیژن انجام وجهت  تولیدوآزاد شدن هیدروکربن ازمواد آلی وتعیین پتانسیل هیدرکربن زایی باقیمانده ی مواد آلی موجود درسنگ به کار برده می شود.برای انجام این آنالیز ازدستگاه راک اول پایرولیز

(Rock Evel Pyrolysis ) استفاده می شود درطی این آنالیزچندین پیک شاخص درحرارت های مختلف به دست می آید که هرکدام معنا وتفسیر خاص خود دارد.

 

دردمای حدود c˚300 پیک S1 برحسب میلی گرم هیدروکربن درهرگرم سنگ حاصل می شود .این پیک بیان گر میزان هیدروکربن ها ی آزادی است که درزمان رسوب گذاری درسنگ وجود داشته ویا ازکروژن در طی تدفین رسوبات شکل گرفته است .دردمای بین c˚ 300- 600 پیک S2 برحسب میلی گرم هیدروکربن درهر گرم سنگ ظاهر می شود .این پیک ناشی از شکسته شد ن کروژن وبیتومین های سنگینی است که تا دمای c˚300 مقاوم بوده اند.

دراین درجه حرارت  مقدارهیدروکربن های تولید شده از شکستن حرارتی کروژن درحد نهایی خود است .پیک S3بیان گر مقدار CO2 است که از شکسته شدن گروه های کربوکسیل ودیگر ترکیبات اکسیژن دار کروژن دردمای c˚390 حاصل می شود.پیک S4 میزان CO2 آن برحسب میلی گرم CO2 درهر گرم سنگ است واز اکسیداسیون کربن آلی باقی مانده دردمای c˚600 وتحت فشار اتمسفر وسپس ازپشت پیک S2 به دست می آید.

با استفاده از آنالیز دستگاه راک اول پایرولیز(Rock Evel Pyrolysis ) باز متد هایی نظیر »

پتانسیل زایش(Genetic Potential )                         =S1+S2 

شاخص زایش (Production Index)                        =       

شاخص هیدروژن(Hydrogen Index )                     =   

شاخص اکسیژن (Oxygen Index)                          =       بدست آورد.

برای اندازه گیری مقدارکل کربن آلی  درسنگ منشاء دوروش وجود دارد .روش اول که امروزه کم تر از آن استفاده می شود بااستفاده از سوزاندن مستقیم نمونه است .دراین روش بعد از پودر کردن وشستن نمونه بااسید کلرید ریک برای ازبین بردن کربنات بعد نمونه دربرابر اکسیژن وفشار اتمسفری درحرارت حدود ˚c1000 سوزانده  می شود وCO2حاصل ازسوختن مواد آلی مقدار کربن آلی رامشخص می کند.درروش جدید که نسبت به روش قدیم دقیق تر است با آنالیز نمونه توسط دستگاه پایرولیز راک اول  TOC برحسب درصد وزنی وبراساس پیک های پایروگراف ازرابطه ی زیر به دست می آید:

= کربن پایرولیز شده   

  = کربن باقی مانده

 2- 10 – 2 اندازه گیری درجه ی بلوغ حرارتی ماده ی آلی:اندازه گیری حداکثر درجه حرارتی که یک سنگ منشاء خاص طی آن پخته شده بسیار مهم است .برای این منظور نیاز به حرارت سنج های دیرینه (پالئوترمومترPaleothermometer ( داریم . روش های متعددی برای اندازه گیری حداکثر درجه حرارتی که یک سنگ منشاء تحمل کرده است وجود دارد که دراین جا به مهم ترین آن ها اشاره می گردد:

1)پس از آن که کروژن از سنگ منشا ء جدا شده محتوی (O,C,H) ازطریق آنالیز شیمیایی مشخص و از طریق نسبت H/CوO/C روی دیاگرام ون کرولن پلات می شود .به خاطر داشته باشید که برای انواع کروژن کاهش نسبت زیاد فوق به علت افزایش درجه ی بلوغ آن یعنی افزایش درجه ی حرارت است .

2)رنگ برخی از ماسرال های کروژن نیزمی تواند برای پالئو ترمومتری به کارآید.اسپورها وپولن ها درابتدا بی رنگ هستند.افزایش درجه حرارت سبب کاهش هیدروژن واکسیژن مواد آلی وغنی شدن آن ها از کربن می شود به این شاخص شاخص دگرسانی حرارتی می گویند(Thermal Alteration Index TAI=) که از یک تا پنج است وشامل ده رنگ است.که با افزایش درجه ی بلوغ حرارتی ،رنگ اولیه اجزای گیاهی که ابتدابی رنگ یازرد کم رنگ است به زرد تیره ،نارنجی ،قهوه ای متوسط ،قهوه ای تیره،وسیاه تبدیل می شود .رنگ زرد نشان گر مرحله ی نابالغ مواد آلی

 (ایم مچور تا ساب مچورSub mature – Immature)است که طی آن نفت سنگین ایجاد می شود.وجود رنگ نارنجی وقهوه ای متوسط در مواد آلی مرحله ی بلوغ (مچور) آن ها را نشان می دهد که طی آن نفت وگاز ترونفت میعانی تولید می شود وبالاخره رنگ قهوه ای تیره تاسیاه بیان گر مرحله ی سوپر مچور یا اورمچور است که مصادف با تولید گاز خشک است .بهترین حالت حالت مچور است .برای زمان های قبل از دونین که گیاهان وجود نداشتند درجه بلوغ حرارتی را می توان از شاخص رنگ کنودونت ها تعیین کرد.

3)روش دیگر براساس ضریب انعکاس ویترینایت است ویترینایت ماسرال چوبی مشتق شده از گیاهان خشکی آلی است .هنگامی که کروژن حرارت می بیند لایه های آروماتیک موجود درساختمان ویترینایت بیش تر منظم می شوند .که این رویداد ضریب انعکاس یا درخشش ویترینایت را به طور تدریجی افزایش می دهد.

4)استفاده از کانی شناسی به ویژه کانی شناسی رس ها درپالئومتری مفید است به عنوان مثال می دانیم که کانی های رسی درطی تدفین باافزایش فشارو حرارت  آب خود را ازدست می دهند ومنظم تر می شوند وعموما رس های لایه مختلف ومونت موریونیت وانواع دیگر رس ها ازقبیل ایلیت وکلریت تبدیل می شود وبیشتر این اتفاق در محدوده ی پنجره ی تولید نفت اتفاق می افتد.

5)یکی از راه های اندازه گیری تغییرا ت ناشی از درجه ی حرارت دررس هاتعیین درجه تبلور ایلیت می باشد .پیک های مربوط به ایلییت درگراف های XRD هنگامی که درجه حرارت افزایش پیدا می کند تیز تر ،باریک تر ومتقارن تر می شود.

2 – 10 – 3 ارزیابی سنگ های منشاء بااستفاده از تاریخچه ی تدفین»

روش لوپاتین با ترسیم یک منحنی تاریخچه ی تدفین برای قدیمی ترین سازند شروع می شود .به عنوان مثال دریک منطقه ای ،رسوبات به طورپیوسته اما درنرخ های متفاوتی از زمان نهشتگی قدیمی ترین سازند در 100میلیون سال پیش تجمع یافته اند ودر حال حاضر این رسوبات درعمق 3700متری قراردارند.حال به صورت قدم به قدم منحنی تاریخچه ی تدفین را می سازیم .برای این کار از اطلاعات جدول زیر استفاده می کنیم .

 

زمین شناسی نفت

 

قدم بعدی نشان دادن اطلاعات جدول برروی نمودار زمان – عمق می باشد

ما بایستی درنمودار زمان عمق ابتدا دونقطه را که یکی زمان نهشته شدن رسوب ودیگری موقعیت کنونی آن است را روی نمودار مشخص کنیم .حال بایستی با اطلاعات جدول مکان هندسی نقاط را روی نمودار مشخص کنیم (6نقطه ) .برای پیدا کردن مکان دقیق نقاط به این موضوع بایستی توجه کرد که امروزه (سن صفر) رسوبات ما 3700متر عمق دارند .درده میلیون سال گذشته ضخامت رسوبات 500 – 3700 برابر با 3200متر بوده ودرصد میلیون سال قبل ضخامت رسوبات 3700-3700برابر صفر بوده است.با این محاسبه 6نقطه برروی نمودار زمان عمق مشخص می گردند .اتصال این نقاط به یکدیگر منحنی تاریخچه ی تدفین را  کامل می کند .درقدم بعدی منحنی های تاریخچه ی تدفین همه ی افق های کم عمق تر وجوان تر به همان ترتیب رسم می شود تمام این منحنی ها موازی با قدیمی ترین افق است .

گام بعدی تهیه ی تاریخچه ی درجه حرارت هم راه با منحنی تاریخچه ی تدفین است . درجه حرارت زیر سطحی هر عمقی باید درتمام مدت مربوط به گذشته ی زمین شناسی مشخص شده باشند .ساده ترین راه این است که شیب زمین درتمام مدت ثابت باقی مانده باشد فرض کنیدبرای چاه فرضی درجه حرارت سطحی c˚19 ودرجه حرارت درعمق 3700 متری چاه c˚133 اندازه گیری شده باشد .با استفاده از این داده ها می توانیم شبکه درجه حرارت را بسازیم.

 

بعد ازساخته شدن منحنی های تاریخچه ی تدفین وشبکه های درجه حرارت باید آن ها را روی هم نمایش داده شکل بالا (برای جلوگیری از اتلاف وقت منحنی اصلی نمودارزمان – عمق روی شبکه درجه حرارت ترسیم می کنیم .)دراین شکل محل تقاطع منحنی تاریخچه ی تدفین با هرایزوترم (خطوط هم حرارت )به وسیله ی نقاط مشخص شده است.

اینتروال های درجه حرارت توسط فواصل ایزوترمی برای هر ده درجه ی سانتی گراد تعریف شده است یک فاصله ی زمانی ،مدت زمانی است که سنگ درمحدوده ی درجه حرارتی خاص گذرانده است .بلوغ کل با جمع نمودن بلوغ اضافه شده درهر محدوده درجه حرارت محاسبه می شود.برطبق محاسبات بلوغ برای تعریف هردوفاکتور زمان و درجه حرارت به هریک ازمحدوده های درجه حرارت به نموداربالانیازاست .فاکتوردرجه حرارت به طور نمایی باافزایش دما ،افزایش می یابد.لوپاتین ،اینتروال 100تا110 درجه سانتی گراد رابه عنوان مبنا انتخاب نمود وآن رابه یک مقدارشاخص (n=0) نسبت داد مقادیر شاخص n مرتبا دردرجه حرارت های بالا افزایش می یابد ودردرجه حرارت های پایین کاهش پیدامی کند .هرمحدوده ی درجه حرارت را باγ نمایش می دهند که مقدارآنγ=  است .بنابراین فاکتورγ به صورت نمایی وابستگی بلوغ به درجه حرارت را نشان می دهد .

از ضرب فاکتورزمان هرمحدوده حرارتی در فاکتورγ  اندیس زمان – حرارت (Time Temprature Index) (TTI)به دست می آید.مقدارTTI بلوغ بدست آمده ی سنگ را درآن محدوده ی حرارتی نشان می دهد .برای بدست آوردن بلوغ کل باید تمام مقادیرTTI سنگ راجمع نمود .برای مثال TTI  کل درطول الیگوسن پیشین (36میلیون سال قبل )برابر 6/10بوده است.

 

زمین شناسی نفت

2 – 10 – 4 فاکتورهای تدفین موثر بربلوغ حرارتی »

چون بلوغ حرارتی توسط زمان وحرارت وپختگی کنترل می شود تاریخچه ی تدفین به شدت بلوغ حرارتی سنگ منشاءراتحت تاثیر قرارمی دهد.شکل زیرچهارنوع مسیری را که توسط یک سنگ قدیمی 80میلیون ساله که عمق دفن کنونی آن سه هزارمتر است را نشان می دهد درشکل A سنگ بایک نرخ ثابت درتمام تاریخ 80 میلیون سال دفن شده است .درشکل B دفن درطی 60 میلیون سال اول خیلی آهسته بوده ودر 20میلیون سال آخرکاملا سریع شده است .درشکل C برعکس دفن سریع درطی 20 میلیون سال اول رسوب گذاری را نشان می دهد که با یک هیاتوس(گپ) رسوبی غیرفرسایشی هم راه بوده است .برای 60 میلیون سال آخر درشکل D ،40میلیون سال دفن سریع تا عمق 4000متری سپس یک هیاتوس رسوبی (غیرفرسایشی) از40 تا 20میلیون سال (طی 20 میلیون سال) وبعد در طی 20میلیون سال آخر بالا آمدگی وفرسایش به عمق سه هزار متری ورسوبات اتفاق بلوغ محاسبه شده برای این 4شکل نشان می دهد که این مقدار درشکل D به مراتب بالاتراست زیرا رسوبات به عمق 4000 متررسیده ودراین جا درجه حرارت بالا تراست وحتی برای مدت زمانی بدون آن که فرسایشی دررسوبات انجام گیرد دراین عمق ودرجه حرارت قرار گرفته است.

 

-11 شیل های نفتی

سنگ منشاء هایی هستند که هیچ گاه به درجه حرارت لازم جهت زایش نفت وگاز نرسیده اند .این سنگ های دانه ریزکه عمدتا ازجنس شیل می باشند مقدار قابل توجهی کروژن دارند یک شیل نفتی ویک سنگ منشاء نفت به مقدارزیادی با یک دیگر متفاوتند.شیل نفتی نابالغ است وفقط تحت تجزیه ی حرارتی ، نفت تولید می کند .ولی ازنظر غنی بودن ازکروژن معمولا ازسنگ مادر غنی تر است .شیل ها یی که غنی از ماده ی آلی اند وبه طور عمیق دفن شده اند وشیل های پر باری نیستند درشیل های نفتی نفت  درساختمان پیچیده ی کروژن قراردارد که این نفت فقط با حرارت دادن شیل نفتی تابیش از ˚c500 وطی فرایند پایرولیز تولید می شود معمولا حداقل 5% وزنی محتوی مواد آلی (TOC) برای شیل نفتی درنظر گرفته می شود .تمامی شیل های نفتی عمدتا کروژن نوع یک و نوع دو دارند.شیل های نفتی دربسیاری ازنقاط دنیا درزمان ها مختلف یافت می شوند .یکی از بهترین نمونه های شیل های نفتی مربوط به سازند گرین ریور(Green River) به سن ائوسن درغرب امریکا ست این شیل یک شیل واقعی نیست بلکه مارن غنی از کروژن نوع یک  است که حدود دو تریلیون بشکه نفت دارند .تخمین زده می شود که شیل های دنیا بیش از 4تریلیون بشکه نفت دارند که حدود دو درصد آن با تکنولوژی امروزی قابل استخراج است.

2- 12 محیط های رسوبی سنگ های منشاء

ازمدت ها قبل رسوبا ت ریز دانه ی آواری وکربناته (شیل ومیکرایت)به عنوان سنگ های اصلی منشاء نفت شناخته شده اندکه بایستی دارای مقداری مواد آلی باشند .دردریا مواد آلی درقسمت هایی حفظ می شوند که ازنظر اکسیژن فقیر باشند واین قسمت ها درلایه های پایین آب قرار دارند .هم چنین تجمع مواد آلی درقاره ها احتیاج به شرایط خاصی دارد ازجمله باتلاق های پیتی (Bog Peat) که درآب وهوای مرطوب درمرحله ی اول زغال سازی تشکیل می شوند این مواد آلی عمدتا ازقطعات گیاهی تشکیل شده که سرعت اکسیداسیون وتجزیه ی باکتریایی کم تری دارند وازنظر تولید نفت نسبت به نوع دریایی غنی نیستند.پس علاوه بر مقدار ونوع ماده ی آلی وجنس سنگ منشا ء ومچوریتی آن فاکتورهای دیگری نیز درارزیابی نفت زایی سنگ منشاء نقش مهمی دارند که مهم ترین آن ها عبارتند از :فاکتورهای چینه شناسی ،ضخامت ،گسترش جانبی وحجم سنگ منشاء . دراین قسمت به محیط های رسوبی مناسب برای رسوب گذاری سنگ منشاءاشاره می شود»

1)حوضه های بسته ی دریای عمیق:

حوضه های بسته ی فاقد اکسیژن مکان های عمده ی تشکیل سنگ منشاء هستند دریای سیاه رامی توان به عنوان نمونه ی امروزی مثال زد.دراین نوع حوضه ها کنترل کننده ی عمده ی رسوبات غنی ازکربن آلی ،آب های کف فاقد اکسیژن است که منجربه حفظ زیاد کربن آلی می شود.این حوضه ها باجابجایی کم آب بین سطح وعمق مشخص می شوند .غالبا دراین حوضه ها یک زون باریک درستون آب وجود دارد که خصوصیات فیزیکی وشیمیایی آب هم چون دما ،چگالی ،شوری ،اکسیژن وH2S به صورت ناگهانی تغییر می کند درزیر این زون تجزیه ی مواد آلی محدودمی شود لذارسوبات این زون غنی از کربن آلی است.

2)مناطق با جریان های روبه بالا (Up Welling) :

این مناطق نواحی هستند که توده های بزرگی از آب های سرد اقیانوسی موادغذایی واکسیژن محلول را ازاعماق اقیانوس به سطح انتقال می دهند .این آب ها دارای مواد مغذی هم چون نیترات ،فسفات وسیلیکات هستند بنابراین باعث تولید موجودات زیادی می شوند .امروزه سواحل شمال غرب وجنوب غرب افریقا ،پرو  وشمال غرب امریکا مناطقی ازاین نوع می باشند .

3)فلات های قاره ای بدون اکسیژن:

شیل های سیاه که درمحیط های کم عمق دریایی رسوب کرده اند عمدتا مربوط به پالئوزوئیک ومزوزوئیک هستند.چرخه های پیش روی وپس روی دریای اپی کانتی ننتال Epicontinental (کنار قاره ای )روی زغال سنگ های نارس باتلاقی وپهنه های دلتایی انجام می شود وباعث فراوانی وجریان مواد غذایی درمحیط دریایی می شود. وبه همین ترتیب محیط مناسبی به دلیل وجود شرایط احیایی برای تشکیل شیل های سیاه فراهم می گردد.

4)مخروط های زیردریایی پیش رونده:

مخروط های زیردریایی پیش رونده سکانس های رسوبی هستند که دردریای عمیق نزدیک قاره تجمع می یابند وتوسط رودخانه تغذیه می شوند .مواد آلی رسوب یافته دراین مخروط ها منشاء تخریبی دارند .وفقیر از هیدروژن اند.ودراثر جریان های توربیدایتی دفن سریع می یابند . ودرنتیجه مواد آلی حفظ می شود مثال امروزی ؛مخروط های می سی سی پی  وبنگال است.

5)محیط های تبخیری:

مطالعات اخیرنشان داده که توده های زیستی می توانند درحد زیادی درمحیط های تبخیری وجود داشته باشند .مواد آلی موجود درلاگون خیلی شور ،شامل فرش های میکروبی مانگروها وعلف های دریایی(Sea Grass )است.مثالی ازاین نوع محیط هاامروزه درحوضه ی تبخیری الیگوسن فرانسه دیده می شود.

6)دریاچه ها :

به عنوان مکان هایی مناسب برای رسوب گذاری سنگ های غنی ازنفت شناخته شده اند.غنی شدگی رسوبات دریاچه بستگی به تامین موادغذایی ازطریق رودخانه هایی که به دریاچه می ریزند وهم چنین پایداری این مواد درداخل دریاچه است که اکثر مواد الی درعمیق ترین قسمت دریاچه رسوب می کند وشرایط حاکم بردریاچه ها معمولا احیای است.

7)سکانس های دلتایی – رودخانه ای :

رسوبات رودخانه ای دلتایی مهم ترین سنگ منشا برای گاز طبیعی هستند البته بعضا به عنوان سنگ منشا نفت نیز گزارش شده اند.ماسرال غالب درکروژن این گروه ویترینایت است که منجربه تشکیل زغال سنگ می شود که زغال منشاء گاز طبیعی ومتان می شود.

2 – 13 تکتونیک وسنگ منشاء»پراکندگی سنگ منشاءها درطول زمان زمین شناسی نشان می دهد که شرایط خاص تکتونیکی برای گسترش سنگ های منشا لازم است .حداکثر گسترش سنگ های منشا دریایی دردونین پسین ودرژوراسیک پسین – کرتاسه است که دقیقا منطبق بر اشتقاق قاره ها وحداکثر فعالیت کششی ازجمله درحوضه های حواشی غیرفعال یکی از دلایلی که توسعه ی سنگ منشا را درشرایط کششی توجیه می کند بالا آمدن جهانی سطح آب دریاهاست که سبب گسترش فلات های قاره،جایی که سنگ های منشا دریایی نهشته می شوند می گردد.

 

زمین شناسی نفت

فصل سوم

خواص فیزیکی وشیمیایی هیدروکربن ها

3-1 مقدمه

روش بهره برداری درمهندسی تولید ومهندسی مخزن به خواص فیزیکی و شیمیایی هیدروکربن های موجود دریک مخزن بستگی دارد دراین بخش خواص فیزیکی وشیمیایی نفت های خام و هیدروکربن ها مورد بررسی قرارمی گیرد.

3-2 گازهای زیر سطحی گازهای طبیعی به مخلوطی ازگازهای هیدروکربن زیرسطحی گفته می شود که ممکن است دارای مقادیری گازهای هیدروکربن نیز باشند.

3-2-1 گازهای غیرهیدروکربن: گازهای هیدروکربن مهم درصنعت نفت CO2 وH2S هستند .این گازها ممکن است به صورت آلی یا غیرآلی تشکیل شوند .منشا غیرآلی معمولا با فرآیندهای زمین گرمایی وآتش فشانی هم راه است.CO2 بیش تراز اکسیداسیون مواد آلی به وجود می آید H2S نیز یک گاز مضر است که به واسطه ی خاصیت خورندگی اش برای ابزارهای حفاری ،تولید وانتقال ایجاد مشکل می کند.ترش یاشیرین بودن گاز بستگی به مقدار H2S آن دارد .ازروش های مهم تولید گاز H2S می توان به نقش باکتری های تولید کننده ی سولفات های فلزی اشاره نمود.که می تواند درحضور ترکیبات کربن وآب ،کربنات فلزی به همراه گاز CO2 وH2S طبق رابطه ی زیر تولید کند.

(فلز)MSO4→2C+ H2S→(فلز)MCO3+CO2 + H2S

ازدیگر گازهای هیدروکربن می توان به گاز های بی اثر (رادون ،کریپتون ،آرگون،نئون وهلیوم )اشاره کرد.دربعضی اوقات تجمع گازهای بی اثر به صورت استثنایی درزیر زمین مقادیر زیادی از آن ها رادر دسترس قرارمی دهد .مثلا درغرب کانادا دریک لایه ی سیلتستونی که برروی توده ی آتش فشانی قراردارد .حدود 2%گاز هلیوم درمخزن دیده می شود.

3-2-2 گازهای هیدروکربنی :درابتدا لازم است که چند واژه مهم توضیح داده شود

-          گاز آزاد (Free Gas) یک گازهیدروکربنی است که هم درمخزن وهم بعد از استخراج به صورت فاز گازی باقی می ماند.

-          گاز محلول (Dissolved Gas) گازطبیعی حل شده درنفت خام یک مخزن می باشد .هنگام بهره برداری نفت ازیک مخزن اغلب دراثرکاهش فشار گاز محلول ازنفت جدا شده وبه صورت گاز آزاد درمی آید .

-          گاز هم راه(Associated Gas) گازطبیعی است که به صورت کلاهک گازی (Gas Cap) دربالای ستون نفت خام یک مخزن حضوردارد.

-          گازغیرهم راه(Non Associated Gas) گازطبیعی درون یک مخزن است که فاقد نفت خام است .

-          گازهای طبیعی را هم چنین براساس ترکیب هیدروکربنشان طبقه بندی می شوند .متان CH4 سبک ترین ترکیب هیدروکربنی بوده وتشکیل دهنده ی اغلب گازهای طبیعی می باشد.

-          گازخشک ( Dry Gas) غالبا وفقط ازمتان تشکیل شده است ودرحالی که گاز تر (Wet Gas) علاوه برمتان از ترکیبات هیدروکربنی گازی سنگین تر ازقبیل اتان ،پروپان وبوتان تشکیل شده است.بسیاری از هیدروکربن ها که درمخزن به صورت مایع درمی آیند وبالعکس برخی از هیدروکربن ها که درمخزن به صورت مایع است درسطح زمین به فاز گازی تغییر حالت می دهند.

واژه هایی که بیان گر این حالت هستند عبارتند از:

NGL(Natural Gas Liquid):مایع هیدروکربن جدا شده درجریان تولید گاز است که شامل نفت میعانی می شود وعمدتا دارای ترکیب پنتانی است .

LPG(Liquified Petroleum Gas ) ازهیدروکربن های سنگین ترنظیر بوتان وپروپان است که تحت تاثیر فشار به صورت مایع درآمده است .

LNG(Liquified Natural Gas) که غالبا ازمتان تشکیل شده و تحت تاثیر فشار به صورت مایع درآورده شده که برای حمل ونقل ونگه داری مناسب است.

3-3 چگونگی زایش گازهای هیدروکربنی :اکثرگازهای هیدروکربنی ازتغییرشکل مواد آلی تولید می شوند مقداربسیارجزئی ازگازهای هیدروکربنی درفعالیت های آتش فشانی وزمین گرمایی وجود دارد ویک گروه ازگازهای هیدروکربنی که به گازهای مردابی ( Marsh Gas) معروفند به طور بیولوژیکی دراثر تجزیه ی باکتریایی مواد آلی تشکیل می شود این عمل فقط در سطح یا نزدیک سطح زمین اتفاق می افتد .درصورتی که دراعماق بیش تر زمین عمدتا گاز های طبیعی ازتغییر شکل حرارتی مواد حاصل می شوند.

3-4 خواص هیدروکربن های گازی »خواص هیدروکربن های گازی هنگامی که روابط حجم، فشار ودما ( PVT) می تواند به صورت ساده به هم مرتبط شوند نسبتا ساده می شود این قانون به نام قانون گاز ایده آل نامیده می شود.

PV=nRT

P:psiفشار

V:حجم (پای مکعب)

N:تعدادملکول های گاز

R:ثابت کلی گاز

T:درجه حرارت مطلق

این معادله درجایی که فشارکم وثابت فرض شود باارزش می باشد ولی درمخازن هیدروکربن واقعی که درجه حرارت وفشاربالاست درفشارگازها ازقانون کارایده آل منحرف می شود.درچنین حالتی رفتاراین گازهای حقیقی بافاکتور تراکم پذیری یا Z تصحیح می شود.وبه صورت قانون گازحقیقی درمی اید.

PV=ZnRT                        =Zفاکتور تراکم پذیری

فاکتورZ به ترکیب گاز ،فشارودرجه حرارت بستگی داردهم چنین هرچه که فشاربه صفرنزدیک می شود تاثیرمتقابل ملکولی کم می شود ورفتارگازبه گاز ایده آل نزدیک می شود.به عبارتی Z به یک نزدیک می شود.ارتباط بین حجم گازهای زیر سطحی وسطحی بااستفاده از قانون حقیقی قابل مطالعه است.زیرا که خریدو فروش گاز برحسب حجم آن درشرایط استاندارد (حرارت وفشار استاندارد) محاسبه می شود.برای پی بردن به تغییرات حجمی گاز ازشرایط فشار ودرجه حرارت وفشار استاندارد درسطح زمین ازفاکتور انبساط گازی (Expansion Factor)می توان استفاده کرد.

E=

مقدارEمی تواند برای گاز یک مخزن بافشارPودرجه حرارت T به صورت زیر محاسبه شود:

E=

 

ارزش E بنابه فشارودرجه حرارت مخزن می تواند بسیار متغیر باشد ولی به صورت معمول مقدارEحدود 200برابرمی باشد .شرایط استاندارد درجه حرارت وفشارمعمولا 60درجه ی فارنهایت ویک اتمسفر یا 7/14psi  می باشد وبالاخره چگالی گاز(Pg) می تواند درهرفشارودرجه حرارتی برای قانون گاز حقیقی محاسبه شود.ازرابطه ی زیر:

که درآن Mوزن ملکولی گاز می باشد

چگالی گاز درشرایط مخزن برای محاسبه ی شیب فشارگاز مناسب است .زمانی که درجه حرارت وفشارگاز افزایش می یابد گرانروی گاز بیش تر می شود.چون حرکت کم ترملکول ها با هم وتصادف آزادانه ی بیش ترآن ها اتفاق می افتد گرانروی یا ویسکوزیته برحسب پوآز یا سانتی پوآز اندازه گیری می شود.یک سانتی پوآز گران روی آب دردمای ˚c20 است.دامنه ی تغییرات گران روی گاز درمخزن 01/0 تا 05/0 سانتی پوآز می باشد.اندازه گیری گران روی گازدرفشارودرجه حرارت مخزن یک روش پیچیده است واغلب به صورت تقریبی به کاربرده می شود.

3-5 نفت خام(Crude Oil )

نفت خام مخلوطی طبیعی از هیدروکربن های مایع است که هم درمخازن زیرزمینی وهم درسطح بعد از گذر از تفکیک کننده های مختلف به صورت مایع باقی می ماند .خواص فیزیکی وشیمیایی هیدروکربن برای مهندسی مخزن وتولید بسیارمهم است .زیرا خواص فیزیکی وشیمیایی هیدروکربن برروی حرکت درون مخزن ومقدارواقعی تولید هیدروکربن تاثیرخواهد گذاشت.

3-6 انواع عمده نفت خام

نفت خام عمدتا شامل هیدروژن وکربن است ولی علاوه برآن مقدارکمی N,S,O ومقادیرکم تری فلزات کم یاب مانند وانادیوم ونیکل دارد .عموما 4 گروه ترکیبات عمده درنفت خام وجود دارد که شامل پارافین ها ،نفتن ها ،آروماتیک ها،رزین ها وآسفالتین ها می باشد.

1-      پارافین ها :اولین نوع عمده ی نفت خام پارافین ها هستند که آلکینز هم نامیده می شوند فرمول کلی این گروهCnHn+2 می باشد. ساده ترین وسبک ترین ملکول سری پارافین ها متان (CH4) می باشد .پارافین ها با کم تراز 5اتم کربن (متان ،اتان،پروپان،بوتان) درفشاروحرارت عادی به شکل گاز می باشند .از C5 تا C15 پارافین ها درحرارت وفشار عادی مایع می باشند واز C15 بیش تر به شدت گران رو یا ویسکوز می باشند.وحالت واکس جامد به خود می گیرند .پارافین ها تشکیل دهنده ی اصلی هیدروکربن های گازی هستندهم چنین درنفت سفید وگازولین(بنزین)که بیش از 30%نفت خام راتشکیل می دهندفراوان اند.پارافین ها هیدروکربن های اشباع می باشند.

2-      نفتن ها یا سیکلوآلکینزها:دومین هیدروکربن عمده درنفت خام است با فرمول کلی CnH2n اشباع شده می باشند ولی دارای ساختمان ملکولی حلقوی می باشند.

 

3 – آروماتیک ها:سومین گروه اصلی ترکیبات هیدروکربن ها درنفت های خام آروماتیک ها هستند که برخلاف نفتن ها وپارافین ها نسبت به هیدروژن غیراشباع هستند ساختمان آن ها برپایه ی یک حلقه ی شش اتمی کربنی است که با توجه به ساده ترین عضو این خانواده یعنی بنزن C6H6 ،حلقه ی بنزنی نامیده می شود.مهم ترین ترکیبات آروماتیکی درنفت خام تولوئن می باشد که درآن CH3  جانشین یک حلقه ی هیدروژنی می شود.

 

هیدروکربن های آروماتیک درفشارو حرارت عادی مایع هستند آن ها درنفت سبک به مقدار کم ترودرنفت های سنگین بیش تر می باشد .

4 – رزین ها وآسفالتین ها :چهارمین گروه مهم ترکیبات نفت خام رزین ها یاآسفالتین ها می باشند این هیدروکربن ها ی ناخالص اغلب دارای مقدارزیادی N,S,O می باشند که باعث بالارفتن وزن ملکولی هیدروکربن می شود.پس رزین ها وآسفالتین ها سنگین ترین اجزای تشکیل دهنده ی نفت های خام می باشند.

 

-7عناصر فرعی درنفت خام :

پس ازکربن وهیدروژن گوگرد سومین عنصرفراوان درنفت خام است که حدود 65/0%وزنی راتشکیل می دهد نفت خامی که دارای کم تراز 1%گوگرد باشد نفت کم گوگرد ونفت خام دارای بیش تریک درصد گوگرد به نفت های پرگوگرد معروفند .پس ازگوگرد اکسیژن باحدود نیم درصد وزنی درنفت خام دیده می شود .اکسیژن عمدتا درترکیبات آلی که شامل اسید ها والکل هاست دیده می شود.پس ازاکسیژن نیتروژن قراردارد (بین 9/0- 1/0) درصدوپس از آن ترکیبات ارگانومتالوژی (آلی – فلزی) که مهم ترین آن ها وانادیوم ونیکل می باشند (1200PPM-1) .

3-8 تشخیص انواع هیدروکربن های نفت خام از یک دیگر:

برای تشخیص ترکیب نفت می توان ازکروماتوگراف گازاستفاده کرد .دراین آزمایش نفت دریک حلال حل شده وسپس دریک وسیله ی خاص به نمونه حرارت داده می شود چون نقطه ی جوش ترکیبات مختلف هیدروکربن بایکدیگر متفاوت است لذا درنمونه ابتدا نفت های خام با درجه جوش پایین تر(سبک تر) بخارمی شوند وسپس آنهایی که درجه ی بالاتری دارند بخارمی شوند (نفت های سنگین).پدیده ی بخارشدن هرترکیب به صورت پیک های مشخص درروی منحنی ظاهر می گردد هرپیک بسته به درجه حرارتش نشان دهنده ی یک نوع هیدروکربن می باشد.شکل زیر