Det å bruke vann for å hente ut oljerester har lenge vært i bruk i industrien. Da sprøytes vannet inn i reservoarene etter at det naturlige trykket i har gitt seg. Dette kalles vanninjeksjon.

Men vann har sine begrensninger, det danner kanaler og flyter rett forbi berglagene som inneholder oljen. Derfor jobber forskere med injeksjonsløsninger som har høyere viskositet enn vann, altså løsninger som er mer tyktflytende, nesten som sirup, som drar med seg mer olje.

Øynene har falt på vann tilsatt vannløselig polymer.

Det er mange velkjente forbindelser som kan betegnes som polymer. DNA-et vårt er ett, eggehviter et annet. Og blodet vårt er fullt av det. Det mest kjente er likevel plast, altså syntetisk, og det er noe lignende som skal pumpes inn i reservoarene.

Men så er det altså ikke bare å pumpe det inn, for polymervann oppfører seg så veldig annerledes enn vanlig vann. Og det skal lite til for å gjøre feil. Å forstå polymerens egenskaper er essensielt for forskerne som skal jobbe med dette.

Forskjellen på vann og polymer

Dmitry Shogin er fysiker og matematiker ved Universitetet i Stavanger og tilknyttet forskningsprosjektet. Han skal se på hva som skjer med polymerene på et mikroskopisk nivå. Utgangspunktet er enkelt.

– I­ngeniørene observerer mange interessante effekter som gjelder polymerer, men de kan ikke forklare dem. Og siden du ikke kan forklare dem, kan du heller ikke forutsi dem, og det er det man vil, forklarer Shogin.

Shogin viser til to kuler som er forbundet med en elastisk fjær, en enkel molekylmodell som gjelder for alle slags polymerer.

Ett viktig punkt for Shogin er å se på hvordan seige væsker oppfører seg når det blir utsatt for ytre påkjenninger. Da skiller vi mellom newtonske væsker og ikke-newtonske væsker. Vann er et eksempel på en newtonsk væske. Hvis du rører rundt sukker i en kopp med te, så vil teen gå ut på kanten.

Polymer derimot, som er en ikke-newtonsk væske, oppfører seg helt annerledes, forteller Shogin. 

Tenk deg at du visper eggehvite. Væsken vil ikke gå ut til siden, som teen, men krype oppover eltekroken.

• Les også: Nanopartikler kan presse ut enda mer olje

Omskiftelige polymerer

Så har du de dynamiske egenskapene til polymeren. Strekker du en fjær, så må den være lineær. Slik er ikke polymermolekylene! Du kan strekke dem til en viss lengde, men så er det stopp; da ryker de og mister etter hvert effekten.

– Hvor raskt du kommer til denne grensen, er en av parameterne som skal inn i min modell, forteller Shogin.

Videre; atomene i polymermolekylet endres stadig vekk i injeksjonsløsningen, og ett parameter i modellen beskriver disse endringene. Polymerer oppfører seg forskjellig i forskjellige geometrier. Én enkelt liten pore i et reservoar er et eksempel på en slik geometri.

Målet til Shogin er å ta modellen så langt at forskere kan forutsi prognoser i mer kompliserte situasjoner, som for eksempel oljereservoarer og så sjekke disse resultatene eksperimentelt.

Laboratorieeksperimenter i sandkassen

Utfordringen er hva som skjer med polymeren hvis den blir ødelagt og mister egenskapene sine. Hvordan jobber forskerne for å finne den polymeren som kan brukes til slutt i injeksjonsløsninger?

Irene Ringen har en master i petroleumsteknologi fra Universitetet i Stavanger og er én av doktorgradsstudentene i Det Nasjonale IOR-senteret. Matematikeren Oddbjørn Nødland er også med på doktorlaget, for å bruke matematikken i praksis.

– Målet med polymerløsningen er å få til en mer stabil fortrengning av oljen, fordi denne er mer tyktflytende, mer viskøs i forhold til vann, forklarer de to. Vannet har som sagt en tendens til å passere oljen og da er vi like langt, sier Ringen.

Ett år inn i forskningsløpet sitt tester hun hvordan ulike polymerløsninger oppfører seg når den blir transportert gjennom sand. Polymeren blir tilsatt blant annet forskjellige salter for å se om den endrer oppførsel. Lave saltkonsentrasjoner er allerede kjent som en god løsning for vanninjeksjon, og resultatene så langt viser at polymeren blir mer viskøs, altså tyktflytende, hvis du brukere lavere saltkonsentrasjon.

• Les også: Bøyelig grafénpapir kan krabbe, snu seg og gripe

Påvirkes av stress

Resultatene fra eksperimentene er utgangspunktet for simuleringene som Oddbjørn Nødland gjennomfører i en modell som tidligere er utviklet på IRIS (International Research Institute of Stavanger). 

Slik mennesker forandres av stress, gjør polymeren det samme. Én effekt Nødland ser på er skjærtynning, som handler om hvordan viskositeten i polymeren forandrer seg alt etter hvilket trykk og stress den blir påført. Jo høyere denne skjærraten er, jo lavere viskositet får du.

– Men så – hvis du kommer over en kritisk rate, så kan den plutselig bli mer viskøs, kalt skjærtykningseffekten, forteller Nødland.

Den andre tingen de ser på i modellen, er mekanisk degradering. Da blir molekylene utsatt for så store krefter at de rett og slett blir revet i stykker, for eksempel i det øyeblikket de blir pumpet ut fra injeksjonsbrønnen.

Så langt er modellen en suksess.

– Den forutsier det vi har observert, ting stemmer rett og slett; trykkfallene, at polymeren har endret egenskaper og at viskositeten har forandret seg, forteller Nødland.

Parallelt med Ringens og Nødlands arbeid i laboratoriet, ser toksikolog Eystein Opsahl på hvilken langtidsvirkning EOR-polymerer har på miljøet og hvordan det påvirker livet i havet hvis det noen gang skulle ende opp der.

• Les også: Sparer penger med materialer som fikser seg selv

28-dagerstesten

Det er et generelt krav om at polymerene må kunne brytes ned om de havner i sjøen. I aktivitetsforskriften, som er en lov innenfor petroleumsvirksomheten, står det svart på hvitt at kjemikaliene må brytes ned mer enn 60 prosent biologisk i løpet av 28 dager. Det betyr at bakterier må spise dem opp, rett og slett.

– Men de syntetiske polymerene har så vanvittig store molekyler at de nesten er for partikler å regne og dermed blir de også uangripelige for bakterier. De er fysisk hindret fra å bli spist opp, forklarer Opsahl.  

Så hvorfor ikke bruke biopolymerer? Effekten går dessverre opp i spinningen. Biopolymerer må tilsettes mye biocid, altså gift, for å hindre at bakterier gror. Dessuten spises de fort opp av bakterier og mister dermed sin tyktflytende egenskap, forklarer Opsahl.

Det er ikke det at syntetiske polymerer ikke brytes ned, men det skjer mer som med en meitemark som blir delt i to, og som lever videre som to nye individer.

Eystein Opsahl drar nytte av den mildt sagt enorme tekniske utviklingen som har vært siden 1970-tallet, ikke minst innenfor dataprosessering: 

Han lar de samme flaskene stå i 80 dager og måler heller molekylærvektfordelingen med sin egen test. Polymeren vil klippes i mindre og mindre biter, til bakteriene etter hvert kan spise dem. Det er i hvert fall hypotesen. 

Ved hjelp av laboratorieeksperimenter, prosessert gjennom nye, høyteknologiske duppeditter til et par millioner kroner hver, er Eystein Opsahls mål å finne en teori for hvordan polymeren brytes ned.

Da vil en være mange steg nærmere det overordnede målet med Det Nasjonale IOR-senteret; hente opp mer av den gjenglemte oljen, og dermed gi enda mer velferd til det norske folk.

• Les også: Bakteriene er smartere enn du tror