NO329482B1 - Fremgangsmate for behandling av en hydrokarbonforende formasjon - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for behandling av et hydrokarbonførende geologisk lag, omfattende følgende trinn: å bringe mikroorganismer i kontakt med det geologiske laget; tilføre mikroorganismene vekstfaktorer, å tillate mikroorganismene å formere seg ved bruk av hydrokarbonene som deres hovedkarbonkilde, og derved etablere et lag av biomasse som virker til å skille ut hydrokarbonene fra det geologiske laget; og å fjerne de utskilte hydrokarbonene.

Oppfinnelsen er særlig egnet for anvendelse på mikrobielt økt oljeutvinning fra oljeførende grunnformasjoner.

Når olje er til stede i underjordiske grunnformasjoner så som sandstein eller kalk, kan den generelt utvinnes ved å bore inn i de oljeførende lag og å la eksisterende overtrykk tvinge oljen opp i borehullet. Dette er kjent som primær fjerning. Når overtrykket nærmer seg uttømming, er det vanlig å lage et overtrykk, f.eks. ved å injisere vann inn i formasjonene for å spyle ut gjenstående olje. Dette er kjent som sekundær fjerning.

Selv etter sekundær fjerning forblir likevel en stor del olje i formasjonene, i tilfellet med nordsjøolje kan dette representere opp til 75% av den opprinnelig tilstedeværende oljen. Av denne gjenværende oljen vil sannsynligvis mer enn halvparten være i form av dråper og kanaler som hefter til grunnformasjonene som er oversvømt av vann, og resten vil være i lommer som er avskåret fra utløpene fra feltet. Foreliggende oppfinnelse vedrører utvinning av den tilgjengelige, men vedheftende, oljen som blir igjen i grunnformasjonene.

Et antall fremgangsmåter for økt oljeutvinning har vært foreslått for dette formålet. En tilnærming er å kombinere trykk med en endring av viskositeten i oljen og/eller vannet som er til stede. Således tilsettes det en fortynner eller C02 eller damp til reservoaret for å redusere oljens visko-sitet, noe som derved lar den bli frigitt. Alternativt kan viskositetsøkende tilsetningsstoffer så som polymerer tilsettes til injeksjonsvannet slik at oljen fortrinnsvis blir drevet ut. Imidlertid er anvendelse av C02 ufordelaktig på grunn av beleggdannelse, bruk av damp er bare effektivt i grunne reservoarer med lav temperatur, mens de andre tilsetningsstoffene er svært kostbare.

En annen tilnærming er å forandre overflatespenningen og kapillærkreftene slik at vannet under trykk blir mer til-gjengelig for porene og kanalene. Dette kan oppnås ved spyling med alkalier eller ved hjelp av surfaktanter. Imidlertid har også disse tilnærmingsmåtene en tendens til å være kostbare.

En annen tilnærmingsmåte er in situ forbrenning. Denne innebærer å pumpe luft eller oksygen inn i formasjonen og å tenne på den tilstedeværende gassen/oljen. I teorien vil den produserte varmen bevege de lettere fraksjonene etter hvert som en forbrenningsfront stadig beveger seg gjennom formasjonen, hvor de tyngre tjærestoffene brenner. I praksis er det imidlertid nesten umulig å kontrollere fremdriften, fordi gassene har en tendens til å stige, mens vannet som er til stede synker, noe som resulterer i en ujevn forbrenningsfront.

En fjerde tilnærmingsmåte er mikrobielt økt oljeutvinning (MEOR). Denne innebærer bruk av mikroorganismer så som bakterier for å drive ut oljen, og et antall systemer har blitt foreslått. I tilfelle av ukonsoliderte geologiske lag, så som oljeskifrer, kan den oljeførende bergarten pumpes som en vandig suspensjon (slurry) til bunnfellingstanker ved overflaten eller til reservoarer hvor den utsettes for aerobe bakterier, slik det er beskrevet i US 2.907.389. Tilgjen-gelighet på oksygen lar bakteriene formere seg ved bruk av oljen som karbonkilde. Ved å gjøre dette, produserer bakteriene surfaktanter som virker til å frigi oljen som dråper. Oljedråpene har mindre tetthet enn vann og flyter dermed til overflaten. Oljen fjernes deretter. Dessverre kan ikke systemet på en gunstig måte anvendes på konsoliderte grunnformasjoner, særlig når de er undersjøiske.

Fremgangsmåter for in situ MEOR faller generelt inn i to kategorier, aerobe bakteriesystemer, slik det er typisk beskrevet i US 3.332.487, og anaerobe bakteriesystemer som beskrevet i WO 89/10463.

WO 92/13172 Al beskriver en fremgangsmåte for mikrobielt økt oljeutvinning fra en formasjon, der det injiseres vann som inneholder en oksygenkilde, og der mikroorganismer som enten allerede er til stede i formasjonen eller som tilføres samtidig med injeksjonsvannet som inneholder oksygen, formerer seg ved bruk av olje som deres hovedkarbonkilde og oksygenet fra injeksjonsvannet som deres hovedoksygenkilde. Derved etableres et lag av biomasse som virker til å utskille oljen fra grunnformasjonen. Deretter fjernes den utskilte oljen via utløpet ved hjelp av injeksjonsvannet.

Den faktiske eksistensen av olje i en formasjon betyr at det ikke kan være til stede noen anaerobe bakterier som vil kunne leve på oljen under de rådende forholdene. Derfor har det vært antatt at i anaerobe bakteriesystemer må det til-føres en karbonkilde eller "mat". Under disse omstendighetene vil imidlertid de utvalgte bakteriene (enten med hensikt eller naturlig) være dem som er mest egnet under de rådende forholdene for konsum av den aktuelle maten som anvendes. De vil ikke være spesielt tilpasset for å ha en virkning på oljen, og derfor vil deres virkning på oljen være som om den var et biprodukt, og disse anaerobe systemene har derfor en tendens til å være svært langsomme i å oppnå ønsket frigiving av oljen.

Fraværet av oksygen i oljeførende formasjoner betyr at dersom det skal brukes et aerobt system, må det tilføres oksygen. Når aerobe bakterier benyttes og oksygen (eller luft, som inneholder oksygen) injiseres inn i formasjonen, er situasjonen imidlertid langt fra tilfredsstillende. For det første skjer det en umiddelbar separasjon til en gassfase og en vannholdig fase, noe som gjør kontroll av systemet svært vanskelig, og i praksis begrenses systemet til en satsvis (batch-type) operasjon. For det andre genereres det en stor del varme, som med henblikk på den oksygenrike gassfasen og det lett tilgjengelige brennbare materialet representerer en betydelig eksplosjonsrisiko. Et kjølemedium må derfor også anvendes.

En måte å ta hånd om dette på er beskrevet i

WO 92/13172. Denne publikasjonen beskriver en fremgangsmåte for mikrobielt økt oljeutvinning for utvinning av olje fra en oljeførende andre grunnformasjon, hvor formasjonen omfatter et innløp ved en første lokalitet og et utløp ved en andre lokalitet, hvor fremgangsmåten omfatter: å injisere vann, som inneholder en oksygenkilde som er i stand til å avgi minst 5 mg/l fritt oksygen, inn i formasjonen ved en første lokalitet som er anbrakt i avstand fra den andre lokaliteten, og la mikroorganismer, som enten allerede er til stede i formasjonen eller som tilføres samtidig med injeksjonsvannet som inneholder oksygen, for å formere seg ved bruk av olje som deres hovedkarbonkilde og oksygenet fra injeksjonsvannet som deres hovedoksygenkilde, og derved etablere et lag av biomasse som virker til å utskille oljen fra grunnformasjonen, og deretter å fjerne den utskilte oljen via utløpet ved hjelp av injeksjonsvannet.

På den siden som ligger fjernest fra injeksjonsbrønnen, blir i dette systemet oksygenet den vekstbegrensende faktoren på grunn av mikroorganismenes konsum av oksygen. Vekstraten for mikroorganismene er naturligvis avhengig av det tilgjengelige oksygenet. I dette systemet er maksimal vekst ønskelig, og derfor er det ønskelig å opprettholde en høy oksygenkonsentrasjon i injeksjonsvannet (og helt klart også i det fremvoksende laget av biomasse). Feltprøver i Østerrike i de senere årene har vist at ved bruk av dette systemet, har det vært mulig å oppnå en trefoldig økning av oljeproduk-sjonen .

Det er imidlertid funnet at dette systemet virker effektivt kun over en relativt kort avstand fra injeksjons-stedet for oksygen. Videre er det ønskelig å unngå bruk av injisert oksygen for å unngå problemer med korrosjon. Dette er særlig akutt i situasjoner hvor utstyret som er mottakelig for korrosjon er fjerntliggende og/eller vanskelig og dyrt å skifte ut.

Det er kjent at sulfatreduserende bakterier (SRB), nitratreduserende bakterier (NRB), jernreduserende bakterier (IRB) og acetogene bakterier kan vokse anaerobisk på olje hvis de har de nødvendige inorganiske næringsstoffene. Laboratoriestudier har vist at oksygen kan erstattes av visse vekstfaktorer, f.eks. vitaminer, for å oppnå en reduksjon av den gjenværende oljekonsentrasjonen.

Det viktigste hinderet i denne prosessen er at vekstfaktorene, på samme måte som oksygen, konsumeres nær injeksjonspunktet som begrenser rekkevidden av prosessens effektivitet.

Det er derfor et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte for innføring av vekstfaktorer dypt inn i en formasjon for å tilrettelegge for mikrobielt økt oljeutvinning.

Ifølge oppfinnelsen er det frembrakt en fremgangsmåte for behandling av et hydrokarbonførende geologisk lag, som omfatter følgende trinn: å bringe mikroorganismer i kontakt med det geologiske laget; å la mikroorganismene formere seg ved bruk av hydrokarbonet som deres hoved-karbonkilde, og derved etablere et lag av biomasse som virker til å skille ut hydrokarbonet fra det geologiske laget; og å fjerne det utskilte hydrokarbonet; og hvor vekstfaktorene tilføres ved hjelp av et medium med styrt frigiving og fordeles gjennom det geologiske laget ved å besørge deres tilførsel over et forutbestemt tidsrom.

Denne teknikken er spesielt egnet for mobilisering og utvinning av olje fra en oljeførende grunnformasjon. Den er imidlertid godt innrettet for å øke effektiviteten av mikro-bielle behandlinger for å fjerne parafin, asfalt og belegg-avleiringer fra produksjonsbrønner, ved å la prosessen gå over lengre perioder. Den kan også anvendes for gjenvinning av jord i tilfelle av hydrokarbonforurenset jord.

Mikroorganismene er fortrinnsvis i form av anaerobe eller fakultative anaerobe bakterier. Mediet med styrt frigiving omfatter fortrinnsvis en porøs inert bærer som er impregnert med vekstfaktorer. Typiske bærere kan inkludere akrylat- og/eller styrenpolymerkuler, i området olje/(0,1?) til 20 um, fortrinnsvis 1 til 5 um. Alternativt kan det omfatte mikrokapsler som inneholder vekstfaktorene, eller enhver annen mekanisme, så som mikroemulsjoner og mikro-pellets.

Vekstfaktorene kan typisk være vitaminer, men andre organiske materialer, så som organiske syrer og sukkerarter som kan virke som vitaminproduksjonsgrunnsubstanser in situ, kan også brukes.

Fortrinnsvis injiseres vekstfaktorbæreren i det geologiske laget ved bruk av vann. Injeksjonsvannet inneholder fortrinnsvis også en kilde for fosfater og en elektronakseptor. Bakteriene er med fordel allerede til stede i det geologiske laget eller innføres samtidig med vitaminene, fosfatene og elektronakseptoren.

Fortrinnsvis er elektrondonoren nitrat tilsatt som kalsium-, kalium-, natrium- eller ammoniumsalt, selv om også sulfater kan anvendes. Fortrinnsvis tilføres i hovedsak intet oksygen med injeksjonsvannet.

Bakteriene er oljenedbrytende anaerobe og/eller fakultative anaerobe bakterier. Bakteriene omfatter fortrinnsvis arter av slektene for SRB, NRB, IRB og/eller acetogene bakterier.

Den tidsstyrte frigivingsmekanismen (time release mechanism) vil bli styrt av diffusjonsraten/ustabiliteten av vekstfaktoren inne i bæreren. Det kan typisk være et tidsrom på uker hvor halvdelen av vekstfaktorinnholdet vil bli frigitt. Frigivingshastigheten kan imidlertid være relativt konstant, fordi temperaturen vil ha en tendens til å øke etter hvert som prosessen går fremover, i hvert fall i den innledende perioden.

Vitaminene omfatter fortrinnsvis en eller flere eller en blanding av B12, biotin, folsyre, nikotinsyre, aminobenzo-syre, kalsiumpantotenat, pyridoksin-HCL, riboflavin, tiamin og tioktinsyre (eng.: thioctic acid). Vitaminene osv. blir fortrinnsvis tilført kontinuerlig i formasjonen. Alternativt kan de tilføres periodisk, f.eks. en gang per døgn.

De individuelle konsentrasjonene av vitaminene i injeksjonsvannet er fortrinnsvis i området fra 0,1 til 100 ug/l og mer foretrukket i området fra 1 til 10 ug/l. Overflatehastigheten på injeksjonsvannet gjennom det geologiske laget, hvor det geologiske laget er en oljeførende formasjon, er fortrinnsvis mellom 0,1 og 15 m/døgn, mer foretrukket mellom 0,3 og 2 m/døgn. Formasjonen kan innbefatte et innløp og et utløp. Innløpet er fortrinnsvis ved en første lokalitet og utløpet er ved en andre lokalitet anbrakt i avstand fra den første lokaliteten, selv om innløpet og utløpet kan være et og samme, f.eks. produksjonsbrønnen.

Etter hvert som den fortrengte oljen spyles fremover vil mikroorganismene i den bakre delen av fronten ikke ha noe olje og vil enten gå i dvale eller vil spise hverandre. Dette regulerer effektivt tykkelsen av biomasselaget, noe som sikrer at vitaminene, fosfatene og elektronakseptoren trenger gjennom til frontdelen av laget, noe som tillater påvirkning av ny olje. Således rykker fronten frem gjennom oljen mot utløpet, og utdrevet olje blir konstant spylt ut av injeksjonsvannet .

Ved en naturlig utvelgningsprosess vil bare de mest vellykkede mikroorganismene trives og disse vil være de som er mest effektive til å utnytte oljen. De vil derfor være de mest effektive til å forskyve oljen, sannsynligvis som følge av produksjonen av surfaktanter. Som følge av spylevirkningen av injeksjonsvannene, blir imidlertid den forskjøvne oljen fjernet og derfor blir bare en meget liten andel av oljen i virkeligheten konsumert av biomassen.

En teori for hvordan oljen skilles ut, er at oljen splittes til små dråper av surfaktantene og at disse vaskes ut. Søkeren tror likevel at oljen til å begynne med er plassert i lange bånd eller strimler i bergartens pore-struktur og at surfaktantene begynner å påvirke kun partier av disse båndene. På denne måten reduseres de totale viskøse kreftene som binder et bånd, og trykket fra injeksjonsvannet driver til slutt ut hele båndet, heller enn at det blir brutt opp av surfaktantene.

Mikroorganismene kan være hvilke som helst passende anaerobe og/eller fakultative bakterier. Egnede bakterier kan være SRB, NRB, IRB og acetogene bakterier. Bakteriene som benyttes kan være valgt ut på forhånd og kultivert for å trives i injeksjonsvannet under de rådende betingelser.

Eksempler på passende nitrater og fosfater omfatter NaN03, KN03, NH4NO3, Ca/N03)2, Na2HP04 og K2HP04. Dersom man baserer seg på sulfater, er disse naturlig til stede i sjøvann.

Det vil innses at ved å bruke et system ifølge oppfinnelsen, kan det fremrykkende laget av biomasse effektivt fjerne all olje som den støter på. Enten vil oljen bli drevet ut og spylt bort, eller den vil bli konsumert og omdannet, selv om noe kan være igjen. Den frigitte oljen kan separeres fra vannet, mineralene og organisk materiale ved konvensjo-nelle fremgangsmåter selv om det ønskelig å redusere kontakt med luft før separasjon til et minimum for å unngå ytter-ligere mikrobiell påvirkning av oljen.

Oppfinnelsen kan praktisk settes ut i livet på forskjellige måter, og en utførelse vil nå bli beskrevet ved hjelp av eksempler med henvisning til de vedføyde tegningene, hvor: Figur 1 er et skjematisk vertikalt snitt som viser iverksetting av en fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen i en oljeførende formasjon med gjenværende olje; og Figur 2 til 4 er lignende forenklede riss som viser suksessive trinn i prosessen. Figur 1 viser en undersjøisk oljebrønn som har vært gjenstand for primær/sekundær fjerning ved hjelp av en injek-sjonsbrønn 10. Under sjøen 11 er det forskjellige kjernelag 12, en oljeførende formasjon 13 med gjenværende olje, og et underliggende grunnfjell 14. Et produserende borehull 15 og injeksjonsborehullet 10 forløper inn i formasjonen 13. I tilfelle av et oljefelt i Nordsjøen så som Gullfaksfeltet, kan formasjonen 13 være konsolidert sandstein som har en stor mengde heftende olje og som er oversvømt av formasjons- og injeksjonsvann som ikke inneholder oksygen.

Injeksjonsvann 17 innføres i formasjonen 13 via injek-sjonsbrønnen 10. Dersom det ikke er noen passende anaerobe bakterier til stede i formasjonen 13, enten naturlig fore-kommende eller på grunn av tidligere utførte operasjoner, blir anaerobe bakterier innført via injeksjonsbrønnen 10, f.eks. med injeksjonsvannet 17. Injeksjonsvannet 17 inneholder vitaminer og mineralske næringsstoffer som omfatter nitrater og fosfater, men hovedsakelig intet oksygen. Vitaminene bæres på en inert bærer som omfatter akrylatpolymerkuler. Bæreren er innrettet til å muliggjøre frigjøring av vitaminene langsomt over tid. Når injeksjonsvannet beveger seg utover og inn i formasjonen, vil derfor vitaminene bli frigitt på en kontrollert måte.

Når vitaminene og mineralene i injeksjonsvannet 17, bakteriene og oljen kommer i kontakt med hverandre, vil bakteriene angripe oljen og formere seg, slik at det dannes en biofilm 16 som omdanner noe av oljen til lettere fraksjo-ner og produserer overflateaktive midler eller surfaktanter. Produksjonsbrønnen 15 virker som et avløp og det vil være en total strøm av bio-organisk materiale (biofilm) produsert av mikroorganismene, olje og injeksjons-/formasjonsvann fra injeksjonsbrønnen 10 mot produksjonsbrønnen 15.

Injeksjonsvannet 17 beveger seg gjennom formasjonen 13 mot borehullet 15 ved en hastighet på om lag 0,1-15 m/døgn og fører formasjons-/injeksjonsvannet foran seg. Formasjons-vannet fjernes via borehullet 15. Surfaktantene som blir produsert av biofilmen 16 hjelper til med å redusere kreftene som oljen er vedheftet til grunnformasjonen med, og dermed løsriver faktisk det strømmende injeksjonsvannet 17 oljen 18, og denne føres frem gjennom formasjonen 15.

Etter hvert som injeksjonsvannet 17 passerer gjennom biofilmen 16, konsumeres vitaminene og mineralene av bakteriene som mangfoldiggjør seg, og oljen konsumeres delvis, men løsrives for en stor del og føres fremover av injeksjonsvannet. Bakteriene på frontenden av laget støter på vedheftende olje og formerer seg og løsriver oljen. Bakteriene ved den bakre enden av laget slipper imidlertid opp for mat (olje), og dermed dør de. På denne måten beveger bakteriene seg stadig gjennom formasjonen 12 med en hastighet på om lag 0,1 til 15 m/døgn.

Som vist på figur 3, strømmer den løsrevne oljen ut gjennom borehullet 15 med injeksjonsvannet. Dette gjenvinnes ved overflaten, og separasjon utføres på kjent måte.

Til slutt når biofilmen 16 borehullet 15, og brønnen stenges ned som vist på fig. 4. Formasjonen 13 vil da være tømt for oljen som tidligere var vedheftet der.

Mens figurene 1 til 3 viser virkningen av oppfinnelsen i en dimensjon, er det klart at i praksis vil situasjonen være en god del mer kompleks. Spesielt vil bakteriene 16 være innrettet til å løpe sammen mot borehullet 15 fra flere eller alle retninger, som vist skjematisk på figur 4. Videre vil det sannsynligvis være et antall borehull i bruk samtidig.

Claims (14)

1. Fremgangsmåte for behandling av et hydrokarbonførende geologisk lag (13), omfattende følgende trinn: å bringe mikroorganismer i kontakt med det geologiske laget (13); tilføre mikroorganismene vekstfaktorer, å tillate mikroorganismene å formere seg ved bruk av hydrokarbonene som deres hovedkarbonkilde, og derved etablere et lag (16) av biomasse som virker til å skille ut hydrokarbonene fra det geologiske laget (13); og å fjerne de utskilte hydrokarbonene; karakterisert ved at vekstfaktorene tilføres ved hjelp av et medium med styrt frigiving og fordeles gjennom det geologiske laget ved å besørge deres tilførsel over et forutbestemt tidsrom.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor mikroorganismene er i form av anaerobe eller fakultative anaerobe bakterier.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller krav 2, hvor mediet med styrt frigiving omfatter en porøs inert bærer som er impregnert med vekstfaktoren.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller krav 2, hvor mediet med styrt frigiving omfatter mikrokapsler som inneholder vekstfaktoren.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller krav 2, hvor mediet med styrt frigiving omfatter en mikroemulsjon eller mikro-pellets som innbefatter vekstfaktoren.

6. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, hvor vekstfaktoren injiseres inn i det geologiske laget (13) ved bruk av vann.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, hvor injeksjonsvannet også inneholder en kilde for fosfater og en elektronakseptor.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, hvor bakteriene enten allerede er til stede i det geologiske laget (13), eller innføres samtidig med vekstfaktoren, fosfater og elektronakseptoren.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 7 eller krav 8, hvor elektronakseptoren er nitrat.

10. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, hvor i hovedsak intet oksygen tilføres med injeksjonsvannet.

11. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 2 til 10, hvor bakteriene i det vesentlige omfatter arter av sulfatreduserende bakterier, nitratreduserende bakterier, jernreduserende bakterier eller acetogene bakterier.

12. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, hvor vekstfaktoren innføres til det geologiske laget kontinuerlig.

13. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, hvor overflatehastigheten for vannet gjennom det geologiske laget er mellom 0,1 og 5 m/døgn.

14. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, hvor vekstfaktoren er vitaminer.