Før jul oppdaget en noe oppjaget postdoktor Tania Hildebrand-Habel ved International Research Institute of Stavanger (IRIS) noe svært interessant i elektronmikroskopet.

Hun ringte lederen for forskerteamet ved Universitetet i Stavanger, som hun er en del av, for å fortelle at hun hadde oppdaget noe helt spesielt: Nyutfelte mineraler lå tett i tett på kalkkornene hun studerte.

For å forstå viktigheten av funnet som forskerteamet nylig har gjort, må vi gå tilbake til en hendelse som skulle bety mye hodebry og nybrottsarbeid innen oljesektoren.

I 1984 ble det oppdaget at havbunnen ved Ekofisk-feltet hadde sunket 6–8 meter. Det var ikke første gang at sammenpressing av reservoar skjedde i forbindelse med olje- og gassutvinning i Nordsjøen, men det var første gang det ble registrert en så dramatisk innsynkning. Forklaringen ligger i bergarten.

Reservoaret i Ekofisk-feltet, i likhet med Valhall-feltet, består for det meste av kalk. Ettersom oljen i reservoaret hadde høyt trykk og bidro til å bære vekten av lagene over, måtte bergarten bære en stadig større del av vekten alene etter hvert som oljen ble tatt ut. I dag vet vi at belastningen ble for stor. Kalken ga etter.

Prognosene stemte ikke

Dette skapte store problemer for både operatører og myndighetene. Hva ville det bety for fortsatt produksjon? Var det mulig å forhindre innsynkningen? Spørsmål som krevde svar.

Ingeniører fra hele Europa ble involvert, og i 1987 begynte arbeidet med oppjekkingen av plattformene på Ekofisk-feltet, seks meter opp. Det var vellykket. Men innsynkningen fortsatte.

En ny løsning kom på nittitallet: Det ble besluttet å bygge ut Ekofisk-feltet på nytt, og i 1998 startet driften på Ekofisk II, konstruert for å tåle 20 meter innsynking.

Ingeniørene hadde allerede før den dramatiske Ekofisk-innsynkningen oppdaget at kalkreservoarene hadde helt andre egenskaper enn det de hadde forutsett. Forskerne var selvfølgelig i sving, og i 1980 satte Oljedirektoratet i gang forskningsprogrammet Joint Chalk Research Programme, populært kalt kalkforskningsprogrammet.

Flere titalls millioner kroner ble brukt til bergmekaniske tester av den mystiske kalken.
Forskerne klarte ikke å fastslå bergartsegenskapene godt nok. Hver prognose som ble laget, viste at innsynkningshastigheten av Ekofisk-feltet ville bli redusert i nær framtid, men det stemte ikke. Ekofisk-feltet fortsatte å synke. Modellene var ikke korrekte. Intens forskning på samspillet mellom porefyll og bergart hjalp ikke.

Vanninjeksjon ble første gang brukt for å gi trykkstøtte og fortrenging av olje i reservoaret i 1987, og i dag brukes denne metoden som hovedvirkemiddel mot reservoarsammentrykking.

Likevel, problemet med ustabile brønner, sammenpressing og innsynkning av reservoaret og havbunnen fortsetter. Kalkens vannsvekkelseseffekt er ikke løst, og forskerne fortsetter å klø seg i hodet.

Nye funn og ny forklaring

Frem til begynnelsen av 2000-tallet har forskerne trodd at temperatur ikke har spilt noen vesentlig rolle. Derfor har tidligere bergmekanisk testing blitt gjort ved romtemperatur.

På 1990-tallet var den mest brukte forklaringen relatert til fysiske prosesser – eller såkalte kapillære krefter. Kjemiske effekter på kalken hadde blitt diskutert og droppet på grunn av noen få observasjoner i laboratorium.

Men på slutten av 90-tallet viste professor Rasmus Risnes fra Høgskolen i Stavanger at fysiske krefter ikke alene kunne forklare svekkelsen. Hans pionerarbeid videreføres nå av Merete Vadla Madland og forskergruppa rundt henne.

Nå har Madlands forskerteam med geologer, petroleumsingeniører, bergmekanikere, fysikere, matematikere og kjemikere på Ullandhaug begynt å løpe mellom eksperimentelle tester på krittlabben og modelleringsarbeid.

De er i ferd med å finne mekanismene for vannsvekkelse, en kunnskap som oljeselskapene sårt trenger for bedre å kunne forutsi reservoarets oppførsel. De har med andre ord nærmet seg et svar på kalkmysteriet, som har ridd oljebransjen som en mare helt siden slutten av 80-tallet.

– Kjemi, og dermed også temperatur, er viktig, sier førsteamanuensis Merete Vadla Madland ved Institutt for petroleumsteknologi ved UiS. Sammen med seniorforsker Aksel Hiorth ved IRIS er hun leder for Petromaks-prosjektet Water Weakening of Chalk: Physical and Chemical Processes.

De har nå langt på vei lyktes i å verifisere hypotesen de fremsatte for ett år siden, da de startet prosjektet: Sjøvannsflømming gir endring av den kjemiske og mineralogiske sammensetningen til kalken, noe som igjen påvirker styrken til kalken – det vil si vannsvekkelsen.

– Bergmekanikere har til nå i liten grad tenkt kjemi. De termodynamiske modellene vi arbeider med, taler sitt tydelige språk: Når kalken kommer i kontakt med sjøvann, igangsettes mineralogiske endringer. Disse endringene i kalken ser også ut til å påvirke hvordan oljen strømmer i reservoaret. Når vi nå får en nærmere forståelse av disse prosessene, er det utrolig viktig for å maksimalisere oljeutvinningen, sier Aksel Hiorth.

Elektronmikroskop-undersøkelser

Sentralt i forskningen står tolv mekaniske testceller med tilhørende pumper. Testcellene styres av dataprogrammer forskergruppa har utviklet selv. I cellene prøver forskerne ut kalkens egenskaper og hvordan den oppfører seg ved samme temperatur som finnes i kalkreservoarene på Ekofisk og Valhall, det vil si 130 ˚C og 90 ˚C. I testcellene blir kalken utsatt for høyt trykk. Sjøvann injiseres nedenfra og opp og presses gjennom kalksteinen, slik som man gjør ute på feltet for å presse oljen ut.

Forskerne undersøker kalksteinsprøven og sjøvannet før og etter testingen og utforsker den porøse bergarten gjennom bergmekaniske tester, kjemiske analyser av saltvannet og elektronmikroskopiske undersøkelser, såkalte SEM-studier.

Med elektronmikroskop blir kalkporene undersøkt ned på nanometerskala, det vil si en milliarddels meter, noe som i svært liten grad er blitt gjort tidligere innenfor denne type kalkforskning.

Og det var gjennom dette mikroskopet at postdoktoren Hildebrand-Habel fikk tatt SEM-bildene av de nylig utfelte mineralene fra kalken.

– Våre eksperimenter viser at flømming av sjøvann ved høy temperatur påvirker kalken slik at mineraler felles ut. Det skjer kjemiske reaksjoner, nærmere bestemt utfelling av kalsium- og magnesiumholdige mineraler. Vi mener at denne utfellingen av mineraler videre fører til en oppløsning av selve kalkstrukturen og dermed kan være en av årsakene til at havbunnen synker når oljen tappes ut av reservoarene og sjøvann pumpes inn.

- Vår påstand er at oppløsning og utfelling så langt ser ut til å være hovedmekanismene for denne vannsvekkelseseffekten, som har blitt studert av forskere fra hele verden, deriblant UiS og IRIS, de siste tjue årene, sier Hiorth og Vadla Madland.

Forskerne har med dette kommet med en helt annen og ny teori enn den om samspill mellom porefyll og bergart.

Lager ny modell

Ut fra de eksperimentelle observasjonene på laben utvikler forskerne nå en helt ny modell for vannsvekkelseseffekten basert på de kjemiske likningene. Det vil si en matematisk formel som forteller om hvordan sjøvannsinjiseringen påvirker oppløsningen av kalken. Dette gjør forskerne i samarbeid med Cornell-universitetet i USA.

Med den nye modellen vet også forskerne hva som skal til for at kalken ikke skal bryte sammen. De er i ferd med å finne svaret på hvilken sjøvannsblanding som egner seg best.

– Vi forbedrer modellen hele tiden gjennom stadig nye eksperimenter. De nye resultatene som disse eksperimentene gir oss, legger vi inn i modellen. Og omvendt: Modellen kan gi oss nyttige innspill og ideer om hvordan vi kan gjøre bedre forsøk. Vi har et særdeles godt faglig samarbeid oss imellom, og jeg vil tro at det er de færreste forunt å jobbe med en slik nær og aktiv vekselvirkning mellom eksperiment og modellarbeid, sier Hiorth og Vadla Madland.

Oljeselskapene er formelig en heiagjeng av forskergruppa. En av dem er bergmekanisk rådgiver Tron G. Kristiansen i BP. Selskapet er operatør på Valhall-feltet og holder seg oppdatert når det gjelder kalkforskningen.

– Disse resultatene vil hjelpe oss til å forutsi med større nøyaktighet virkningen av sjøvannsinjeksjon i kalkfelt langt frem i tid. Den økte forståelsen av fysiske og kjemiske prosesser mellom sjøvann og kalk ved høye temperaturer og høyt trykk, vil også øke forståelsen for andre overflaterelaterte prosesser som er viktige for oljeselskaper, for eksempel fukting, utfelling av kalsiumsulfat og stabilitet av produksjonsbrønner.

- Ekstra oljeutvinning fra vannsvekkelsen vil variere fra felt til felt og fra sted til sted i reservoaret, men den kan være fem til ti prosent av økt utvinning etter vannflømming. Avhengig av oljepris vil det gi selskapene ekstrainntekter i milliardklassen, sier Tron G. Kristiansen.