Improving microbial selective plugging technology through experimentally based modelling and simulation

Effektiv utnyttelse av eksisterende oljeressurser har i lang tid vært et viktig forskingsområde for oljenasjonen Norge. Men på tross av kontinuerlig utvikling av ny teknologi ligger fortsatt mellom 25 og 50 % av oljen igjen i reservoaret etter konvensjonell utvinning. Vanlige utvinningsmetoder er vanninjeksjon og kombinert vann-/gassinjeksjon. Injeksjon av vann fører til at bakterier får gode vekstvilkår i reservoaret. Bakterievekst kan føre til korrosjon og dårlig gasskvalitet, men kan også gi muligheter for økt oljeutvinning hvis vi kan få bakteriene til å gjøre som vi vil. Økt oljeutvinning ved hjelp av mikroorganismer (Microbial Enhanced Oil Recovery, MEOR) har de senere årene blitt mer aktuelt å benytte, som følge av økt fokus på bruk av miljøvennlig grønn teknologi. Økt oljeutvinning ved hjelp av bakterier involverer komplekse prosesser som krever tverrfaglig forskning for å forstå og modellere. Bakterier har flere egenskaper som kan utnyttes til å sette «fanget» olje i bevegelse ut av reservoaret. Oljereservoar består av porøs stein som er fylt med olje. I starten av oljeproduksjonen kommer oljen lett ut av steinen pga det høye trykket i reservoaret. Etter hvert blir det nødvendig med trykkstøtte i form av vanninjeksjon som også «dytter» olje ut av reservoaret. Etter en tid med vanninjeksjon dannes det såkalte vannveier som går utenom den gjenværende oljen. Bakteriers evne til å lage biofilm som kan tette disse vannveiene, er fokus i dette prosjektet. Etablering av vannveier som ikke kommer i kontakt med oljen i reservoaret gir lav utvinningseffektivitet. Ved å tette etablerte vannveier tar injeksjonsvannet nye veier mot områder av reservoaret der det fremdeles er olje. Vi har i dette prosjektet lagt vekt på å få mer kunnskap om hvordan biofilm vokser og oppfører seg i de porene de skal tette. For å få god oversikt over alle mekanismene involvert har vi studert dette under mikroskop der vi kan se biofilmen i et nettverk av porer som ligner det som finnes i reservoarstein. Den kunnskapen vi har fått fra disse forsøkene har vi brukt i utviklingen av en matematisk modell for mikroskala (poreskala) som igjen er utviklet videre for å modellere det som skjer på større skala, som for eksempel en bit av reservoarstein (Darcy skala). Denne modellen kan så videreutvikles til å simulere hvordan bioplugging påvirker vannstrømmen og oljeproduksjonen i felt. Det som er spennende med forskning på biofilm og deres pluggegenskaper er at det også gir mye generell kunnskap som også kan brukes innen andre problemstillinger. Siden det er naturlig for bakterier å vokse i biofilm kan man lett tenke seg at de også kan skape problemer, ikke bare muligheter.

Underveis i prosjektet har det vært god og fruktbar kommunikasjon på tvers av de vitenskapelige fagdisipliner involvert. Det har resultert i felles etablering av ny kunnskap og kompetanse gjennom studier av biofilmvekst i væskestrøm på poreskala nivå (eksperimentelle resultater, tolkning og publisering av disse), samt utvikling av matematiske modeller på pore og Darcy skala for simulering av biofilmvekst i porøse medier. Prosjektet hadde som formål å utvikle et simuleringsverktøy for en spesifikk biopluggteknologien for økt oljeutvinning (MEOR) for en industripartner, men har også med tilpasninger vært brukt til å simulere andre prosesser knyttet til biofilmvekst i porøse medier, for eksempel uspesifikk bioplugging av oljereservoar. Vi ser derfor også potensial for bruk av modellene til å simulere biofilmvekst i andre porøse medier enn oljereservoar, slik som for eksempel grunnvannsreservoar og geotermiske systemer.

Efficient recovery is essential for optimal exploitation of existing and new oilfields. In spite of technological advances, between 25 and 50% of the oil is left in reservoirs after conventional recovery. MEOR technologies are environmentally sound and cost efficient tertiary recovery methods for water injected oil reservoirs. Norway has a leading position in MEOR, with Statoil taking a first use position through the offshore development at Norne and later at the Statfjord field. MEOR is a complex process, where flow of multiple phases and their interaction with the rock surface are affected by bacterial growth and activity, metabolic components and structural changes. The project aims at studying MEOR mechanisms involved in adaptive bio-plugging of high permeable structures in heterogeneous reservoir formations. The processes involved in MEOR are encountered at various scales, but is initiated at pore scale. Our approach is to develop a pore scale and core model where the mathematical modelling is based on experimental data from both scales. The objective of this project is to develop of accurate mathematical models and numerical approaches for MEOR, capable to describe the relevant biological, physical and chemical processes occurring at various scales. Given the complexity of MEOR, this can only be gained by combining the practical insights from the laboratory experiments with a consistent treatment of the pore scale and transition to a heterogeneous porous system at Darcy scale, from both analytical and numerical point of view. This challenging task requires a tight interdisciplinary collaboration. Project members are Uni Research CIPR, University of Bergen, Technical University of Munich, University of Perpignan, Technical University of Eindhoven, UFZ Leipzig, FAU University and industrial partner GOE-IP.