توصيف البلل الموزع مكانياً في الوسائط المسامية

لماذا تهم ملامسات السوائل الصغيرة في قضايا الطاقة الكبيرة

كيف تتحرك وتتجمع النفوط والمياه والغازات مثل الهيدروجين أو ثاني أكسيد الكربون داخل الصخور العميقة تحت سطح الأرض؟ الإجابة تعتمد على «البلل» — مدى تفضيل سطح الصخر لسائل على آخر — عند مقاييس صغيرة للغاية لا تُرى بالعين المجردة. يقدم هذا البحث طريقة جديدة لرسم خريطة ذلك التفضيل ثلاثية الأبعاد، نابًا بناب، كاشفًا عن رقعة سلوكية مخفية تؤثر بقوة على تخزين CO₂ تحت الأرض، وتخزين الهيدروجين، واستعادة النفط، فضلاً عن أداء البطاريات المتقدمة وخلايا الوقود.

إلقاء نظرة داخل الصخور ثلاثية الأبعاد

تتيح تقنية الأشعة السينية الميكروية المقطعية الحديثة (micro‑CT) للباحثين رؤية الداخل الثلاثي الأبعاد لعينات صخرية صغيرة ومعرفة مواضع السوائل المختلفة في المسامية. من هذه الصور يحاولون استنتاج «زاوية التماس» حيث يلتقي واجهة السائل بالسطح الصلب، وهو مقياس هندسي بسيط للبلل. نظريًا، تخبرك هذه الزاوية ما إذا كان الصخر محبًا للماء أو للنفط أو يقع في حالة وسطية. عمليًا، قراءة تلك الزاوية مباشرة من الصور صعبة للغاية: الخط الدقيق حيث يلتقي الصخر والماء والنفط يكون مُموَّهًا عبر عدة بكسلات، والأسطح خشنة، و«التقسيم» الحاسوبي للمراحل نادرًا ما يكون مثاليًا. الطرق الآلية الحالية غالبًا ما تمحو تفاصيل مهمة، وتحرك الواجهات بعدة بكسلات، وبالتالي تحيز الزوايا، خاصة في الصخور المعقدة أو الأنظمة ذات البلل المختلط حيث يختلف السلوك بقوة من منفذ لآخر.

طريقة جديدة لتتبع حواف السوائل

يقدّم الباحثون خوارزمية هندسية آلية تتفادى الجزء الأكثر إزعاجًا في المشكلة: تحديد خط التماس ثلاثي الأطراف بدقة. بدلًا من القياس عند هذا الخط المبهم تمامًا، تبني الطريقة شبكات سطحية مفصلة لحدود الصخر–السائل والحدود بين السوائل ثم تستخلص اتجاهات الأسطح المحلية (المستويات العمودية) من مناطق مجاورة ذات دقة أفضل باتجاه نقطة التماس. تُدمج هذه المستويات العمودية لحساب زوايا التماس عند نقاط عديدة على طول كل حلقة تماس. يشمل سير العمل تقليل ضوضاء محكمًا، وطريقة تقسيم قوية تتبع حواف الكثافة الحقيقية في الصور، وتنعيمًا لطيفًا للأسطح يزيل تأثيرات «السلم» المرقّطة دون تقلص أو تشويه أشكال المسام. فحص جودة مدمج يرفض القياسات الشاذة التي تتعارض بوضوح مع الجوار المحلي، مقدمًا المقايضة بين الكمية والموثوقية.

اختبار الطريقة على أشكال مثالية وصخور حقيقية

لفحص الدقة، طبّق الفريق الخوارزمية أولًا على مجموعات بيانات تركيبية بالكامل: قطرات رقمية مستقرّة على أسطح صلبة مسطحة ومنحنية حيث زاوية التماس الحقيقية معروفة بدقة. عبر نطاق واسع من الزوايا ودقة الصورة، استعادت الطريقة الجديدة القيم الحقيقية ضمن نحو خمس درجات، مما قدم أداء أفضل وأكثر اتساقًا من الأدوات الشائعة، خاصة عند الزوايا المنخفضة والعالية حيث تتزايد الأخطاء عادة. ثم انتقل الباحثون إلى صور micro‑CT حقيقية لأنواع صخور متعددة، بما في ذلك الحجر الجيري والرملي، تتضمن منظومات ماء–نفط وهيدروجين–ماء تحت ظروف جريان ملائمة لاستعادة النفط وتخزين الغاز تحت الأرض. بمقارنة النتائج الآلية مع قياسات زاوية يدوية دقيقة، أظهروا أن طريقتهم تطابق خبراء البشر عن كثب مع تجنّب التحيزات القوية التي تُدخلها التقنيات الآلية القديمة التي تُفرّط في تنعيم الواجهات.

كشف أنماط مخفية في سلوك الصخر–السائل

مزودين بآلاف القياسات المحلية الموثوقة، بنى الباحثون خرائط ثلاثية الأبعاد لزوايا التماس في فضاء المسام. في الصخور التي تُظهر بللًا مائيًا عامًا، تكون الزوايا متجانسة ومنخفضة نسبيًا، مما يؤكد ميل الماء للالتصاق بالأسطح الصخرية والتدفق خلال الزوايا الضيقة بينما يحتل النفط مراكز المسام. في رمل حجري «مختلط البلل» تغير بفعل تعرض طويل للنفط الخام، تشير الزاوية المتوسطة إلى سلوك طفيف الميل للماء. ومع ذلك، تحكي الخريطة المكانية قصة أغنى: ما يقرب من 60% من الأسطح تظل مبللة بالماء، بينما ما يقرب من 40% تنتقل إلى حالة وسطية حيث لا يفضل أي من السائلين بقوة. هذه الرقع الوسطية هي بالضبط المواقع التي تُلاحظ فيها واجهات شكل السرج غير العادية وأنماط ملء معقدة في الصور، موضِّحة توليفات محيرة من الحجز والجريان لا يمكن للمتوسط العام وحده أن يصفها.

لماذا هذا مهم للطاقة والبيئة

للمهندسين الذين يحاولون التنبؤ بكيفية انتشار CO₂ أو الهيدروجين واحتجازه تحت الأرض، أو بكيفية تحرك الإلكتروليتات والغازات عبر طبقات مسامية في خلايا الوقود والبطاريات، لم يعد كافيًا معرفة «البلل» المتوسط الواحد. تُظهر هذه الدراسة أن سلوك البلل المتغير مكانيًا بدقة يتحكم في كيفية اقتحام السوائل، وتثبيتها، أو تجاوزها مسارات معينة. تقدم الخوارزمية خرائط بلل نافذة لكل منفذ، مع تقدير شفاف لعدم يقين القياس، في حزمة برمجية مفتوحة المصدر. بمصطلحات مبسطة، تحول صور الأشعة الضبابية للصخور إلى «خرائط تفضيل» مفصلة للسوائل، موفرة أداة قوية لتصميم مشاريع تخزين الكربون الآمنة، وخزانات هيدروجين أكثر استقرارًا، واستراتيجيات استرداد نفط محسّنة، وأجهزة كهر كيميائية أكثر كفاءة.

الاستشهاد: Aljaberi, F., Belhaj, H., Foroughi, S. et al. Spatially distributed wettability characterization in porous media. Sci Rep 16, 12643 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43688-1

الكلمات المفتاحية: البلل, الوسائط المسامية, زاوية التماس, تخزين CO2, تخزين الهيدروجين