Mer olje med nanopartikler

Når oljeselskapene forlater en oljebrønn, ligger over halvparten av oljen som regel igjen i reservoaret. Mye av denne oljen kan bli hentet opp med nanopartikler og et enkelt fysisk fenomen.

Publisert
(Illustrasjon: iStockphoto)
(Illustrasjon: iStockphoto)

PETROMAKS2

Forskningsrådets store program PETROMAKS2 skal bidra til økt verdiskapning for samfunnet ved at norske petroleumsressurser utvikles og utnyttes optimalt innenfor miljømessig forsvarlige rammer.

NANO2021

Forskningsrådets store program NANO2021 skal løfte den nasjonale kunnskapsbasen på nanoteknologi, legge grunnlag for næringsutvikling og møte utfordringer knyttet til energi, miljø, helse, mat, hav og bruk av naturressurser.

Om prosjektene

Nanotechnology EOR – LPS flood for North Sea reservoirs og Nanotechnology EOR-Formation of Linked Polymer Solutions, ledes av CIPR, Uni Research og varer fra 2010 til 2014.

EOR står for Enhanced Oil Recovery og LPS står for Linked Polymer Solutions.

Oljen som hentes opp, ligger i små porer i stein, ofte sandstein. 

Trykket i reservoaret er ofte så stort fra naturens side at oljen strømmer opp når oljeselskapene borer ned til bergartene der oljen ligger.

For å opprettholde trykket i reservoaret erstattes oljen med vann som sprøytes inn.

Vannet driver oljen fra området ved innsprøytningspunktet. Dette punktet kan stå noen hundre meter eller noen kilometer unna produksjonsbrønnen.

Men etter en stund virker ikke injeksjon av vann lenger. Alle de lett tilgjengelige porene er tømt for olje og opp fra produksjonsbrønnen kommer bare vann. Da har ikke oljeselskapene annet å gjøre enn å stenge brønnen.

Ny metode

Oljeselskapene og forskningsmiljøene har jobbet i mange tiår med løsninger som kan øke utvinningsgraden. En gruppe forskere ved CIPR (Centre for Integrated Petroleum Research) i Bergen har sammen med forskere i Kina utviklet en ny metode for få mer olje ut. Mye mer.

Ved å sende nanopartikler ned sammen med vannet, oppnådde kinesiske forskere oppsiktsvekkende resultater. De fikk produsert opp mot femten prosent av restoljen. Men hva som skjedde nede i reservoaret var fortsatt uklart.

De kinesiske forskerne etablerte derfor et samarbeid med CIPR. Forskerne fikk ut nærmere 50 prosent av restoljen i steinprøver fra Nordsjøen.

Den høye utvinningsgraden er basert på et enkelt fysisk fenomen.

Trafikkork i nanoskala

De fleste har observert at vannet i en elv øker farten der elva smalner mens vannet senker farten der elva vier seg ut. Det samme skjer med vannet i oljereservoarene.

Når vann pumpes ned, vil trykkforskjellen gjøre at vannet strømmer fra injeksjonsbrønnen mot produksjonsbrønnen gjennom de små porene i steinen. Porene er forbundet med tynnere ganger og vannet akselererer når det passerer gjennom tunnelene.

Det spennende for oljeselskapene skjer når vannet tilsettes små partikler, så små at de er vesentlig mindre enn tunneldiametrene. Når vannet med partiklene kommer til tunnelåpningen, vil vannet akselerere raskere enn partiklene.

Partiklene hoper seg opp foran inngangen til tunnelen, og til slutt blir den tettet igjen.

Vannet blir tvunget til å finne andre veier gjennom porer og tunneler i steinen. I noen av disse porene ligger det olje som nå blir presset ut med vannet. Resultatet er mer olje i produksjonsbrønnen.

Så lenge det er trykkforskjell lokalt, vil partiklene danne en plugg. Men når strømmen opphører lokalt og trykket jevnes ut, løsner partiklene etter en tid og føres videre gjennom reservoaret.

Til venstre: Tetthetsforskjellen mellom partikkel og vann gjør at partikler akselererer saktere gjennom innsnevringer. Partiklene hoper seg opp ved inngangen, de henger sammen og blokkerer poren. Trykket øker lokalt, og oljen i naboporen blir presset ut. Til høyre: Når oljen frigjøres, oppstår en lokal trykkreduksjon. Blokkeringen løses gradvis opp og polymerpartiklene fortsetter med vannstrømmen. (Foto: (Illustrasjon: CIPR))
Til venstre: Tetthetsforskjellen mellom partikkel og vann gjør at partikler akselererer saktere gjennom innsnevringer. Partiklene hoper seg opp ved inngangen, de henger sammen og blokkerer poren. Trykket øker lokalt, og oljen i naboporen blir presset ut. Til høyre: Når oljen frigjøres, oppstår en lokal trykkreduksjon. Blokkeringen løses gradvis opp og polymerpartiklene fortsetter med vannstrømmen. (Foto: (Illustrasjon: CIPR))

Elastiske nanopartikler

Partiklene er typisk 100 nanometer i diameter mens tunnelene er 100 ganger større, rundt 10 mikrometer i diameter. Forskerne i Bergen og Beijing har testet en rekke størrelser og typer partikler for å finne hvordan de egner seg til å danne plugger.

De fant ut at elastiske nanopartikler laget av polymertråder som er kveilet opp, ga de beste resultatene. Partiklene lages av kommersiell polyakrylamid, tilsvarende de som brukes i vannrenseanlegg. Nanopartikler i faste stoffer som silika ga ikke like god effekt.

Kinesisk doktorand tur retur

Ideen til denne måten å øke oljeutvinningen på kom fra to kinesiske forskere som tok doktorgraden i Bergen for henholdsvis ti og tjue år siden.

Universitetet i Bergen og China University of Petroleum i Beijing har samarbeidet i over ti år om petroleumsforskning. Det la grunnlaget for et samarbeid om å forstå og videreutvikle partikkelmetoden.

Forsøk i Kina ga ikke bare mer olje, men demonstrerte også at partiklene dannet og løste opp plugger under vanninjeksjonen. Nanopartikler ble funnet i produksjonsbrønnen 500 meter unna.

– Kina var først ute med å bruke slike partikler i feltstudier. Forsøkene viste at de virket, men det var mange ubesvarte spørsmål om hvorfor. Vi begynte å karakterisere partiklenes størrelse, variasjon på størrelsen og hvordan de var bygd opp, sier leder for CIPR, Arne Skauge.

Opp til 50 prosent mer olje

Arne Skauge. (Foto: CIPR)
Arne Skauge. (Foto: CIPR)

Det var også uklart om partiklene kunne brukes i sjøvann. Kineserne hadde gjort forsøkene med elvevann i oljefelt på land.

Forsøkene i Bergen på steinprøver fra Nordsjøen viser at nanopartiklene også fungerer i sjøvann, og at de får ut i gjennomsnitt 20-30 prosent og opptil 50 prosent mer av restoljen.

– Vi håper vi kan bidra til å heve utvinningsgraden til 60–65 prosent, sier Skauge.

Nå ønsker forskerne i Bergen å prøve ut metoden i stor skala.

– Vi vil gjerne ut i Nordsjøen og er i kontakt med Statoil, men vi konkurrerer med mange andre lovende metoder for å øke oljeutvinningen.

– Derfor kan det godt være vi prøver metoden på land i andre regioner, for eksempel i Midtøsten. Flere aktører derfra har henvendt seg til oss, sier Skauge.

Fortsatt ubesvarte spørsmål

Kristine Spildo. (Foto: UiB)
Kristine Spildo. (Foto: UiB)

I mellomtiden vil forskerne å finne ut mest mulig ut om partikler og porer.

– Vi jobber mye med å forstå hvorfor partiklene virker godt i noen bergartstyper og bare greit i andre. Denne kunnskapen er viktig for å velge hvilke felt som er mest egnet i Nordsjøen, sier prosjektleder Kristine Spildo.

Forskningen er blant andre støttet av Forskningsrådets PETROMAKS-program og av Statoil.