Onderzoekers van de Universiteit Twente werken al diverse jaren samen met BP om meer olie uit de ‘lege’ reservoirs te krijgen. Wat zijn ze inmiddels te weten gekomen?

‘Als we stellen dat een olie­bron leeg is, is die dat in werkelijkheid maar voor een derde’, schetst MESA+-hoogleraar Frieder Mugele de situatie. ‘En dat is niet om economische redenen. Technisch is het nog niet mogelijk om meer uit die reservoirs te trekken.’

Zes jaar geleden ging de fysicus een samenwerking aan met oliemaatschappij BP om het rendement van oliewinning op te schroeven. Vorig jaar zette BP hun samen-werking door, ondanks de lage olieprijs. Het verbaast Mugele niets: ‘Oliewinning is een industrie van de lange adem. Enhanced oil recovery blijft belangrijk.’

Ontzilten

Offshore-oliewinning gebeurt door zee­water te injecteren in het poreuze gesteente van het oliereservoir, waardoor de olie ­eruit wordt gedrukt. Twintig jaar geleden ontdekten wetenschappers dat als je het zoutgehalte van het zeewater verlaagt, je meer olie van het gesteente – waaraan het ‘kleeft’ – kunt loskrijgen. Dat verlagen gebeurt door zoet water toe te voegen aan het zeewater en het kan vele procenten ­extra olie opleveren. Oliemaatschappij BP rolt deze techniek, genaamd low-sanity waterflooding, sinds een paar jaar uit.

‘Maar bedrijven weten niet goed hoe het precies werkt’, zegt parttimehoogleraar aan de UT Martien Cohen Stuart. ‘Tot nu toe bedienen bedrijven zich van trial-and-error.’ Gericht weten waaraan je moet sleutelen, kan leiden tot hogere opbrengsten, is het idee. De hoofdvraag voor de UT’ers is wat het effect is van de elektrolytsamenstelling- en con-centratie van het zeewater op de binding van olie aan het mineraaloppervlak in reservoirs. Zeewater bestaat uit diverse ionen, onder meer NaCl (24 g/l), MgCl2 (5 g/l) en CaCl2 (0,7 g/l). Mugele: ‘De adsorptie van mono- dan wel divalente ionen op het mineraaloppervlak blijkt een cruciale rol te spelen in dit verhaal.’

Oliemoleculen zijn namelijk gebonden aan mineraaldeeltjes in de reservoirs via ‘bruggen’ van divalente kationen, zoals magnesium en calcium. In water met die ionen wordt het mineraaloppervlak minder negatief en in sommige gevallen zelfs positief geladen, terwijl het olieoppervlak negatief blijft; de twee oppervlakken trekken elkaar dan aan. Bij een lage zoutconcentratie verschuiven de bindingsevenwichten en wordt het mineraal ongeladen of zelfs negatief, en dan gaan olie en water uit elkaar om water toe te laten. Als gevolg hiervan én door het verschil in concentratie tussen de mono- en divalente ionen in het aan­gevoerde zeewater, kun je de divalente kationen vervangen door niet-brugvormende monovalente ionen zoals natrium. Hierdoor komen de oliemoleculen vrij voor winning.

Kationen

Om het proces verder te kunnen doorgronden, zoomden Mugele en zijn team de afgelopen jaren in op de nano- en microschaal. ‘Het vertrekpunt was dat bevochtiging van het mineraaloppervlak (in het Engels wetting, zie kader) geldt als de primaire trigger voor verhoogde oliewinning bij low-salinity waterflooding’, vertelt de onderzoeks-leider. Stuart voegt toe: ‘Bij oliewinning wil je dat het aan­gevoerde water je mineraaloppervlak zo volledig mogelijk bevochtigt. Dan komen de oliemoleculen los.’ De resultaten publiceerden de Twentenaren samen met BP eind januari in One Petro, het journal van de Society of Petroleum Engineers.

Uit hoge-resolutie-AFM-experimenten blijkt dat op een ondergrond van kleimineralen – zoals mica, gibbsiet en kaoliniet – de mate van bevochtiging sterk afhangt van de aan- of afwezigheid van divalente kationen in het aan-gevoerde water. Waar bij monovalente kationen de randhoek voor water laag is en maar weinig verandert met de concentratie, zie je bij divalente kationen een ander plaatje. Met toenemende concentratie neemt de bevochtiging door water sterk af doordat de mineralen een sterke positieve lading krijgen. Overigens keert dat effect bij hogere concentraties CaCl2 om: de positieve lading daalt weer. ‘Die daling is toe te schrijven aan de secundaire adsorptie van Cl--ionen aan de divalente ionen’, legt Mugele uit.

Maar er zijn meer parameters die een rol spelen. ‘Of er bijvoorbeeld vetzuren in de olie aanwezig zijn, maakt een verschil van dag en nacht’, vertelt Stuart. Het zijn specifiek de divalente ionen die de secundaire adsorptie van zure componenten, zoals stearinezuur, uit de oliefase promoten. Hierdoor vormt zich een dunne film van vetzuren op het mineraaloppervlak met een sterke afname van de waterbinding als gevolg (de water-randhoek kan wel toenemen tot 70°). En die toename zet door bij hogere concentraties. Een dergelijk effect remt dus juist de oliewinning. Dezelfde trend zagen de onderzoekers niet terug bij silica. Ook blijken Ca2+- en Mg2+-ionen sterker te binden aan kleisubstraten dan aan silica. Die resultaten bevestigen de common wisdom dat het effect van low-salinity waterflooding afhangt van de mineraalsamenstelling. Mugele: ‘De aanwezigheid van klei is essentieel voor een succesvol resultaat.’

Complexe situatie

In werkelijkheid is de situatie in een olie­reservoir veel complexer. De mineraalsamenstelling verschilt per reservoir, de in het zeewater aanwezige ionen gaan onderling de competitie aan voor de bindingsplaatsen op het substraat, en ook de temperatuur en de druk zijn daar hoger dan in de experimenten. Het zou dus zo kunnen zijn, schrijven de auteurs in hun artikel, dat het effect van de divalente ionen in combinatie met de aanwezigheid van vetzuren in de praktijk minder drastisch uitpakt. Volgens Stuart is zeker temperatuur een belangrijke parameter, want die beïnvloedt de hydratatie van de ionen. ‘De complexere omstandigheden in een oliereservoir kunnen har-de experimentele resultaten inderdaad een stuk ‘fuzzier’ maken.’

Een eerste, kwalitatief plaatje hebben de Twentenaren nu op zak. De komende vijf jaar, en daarmee is ruim € 3 miljoen gemoeid, probeert een consortium het proces ook kwantitatief in beeld te brengen. Die krachtenbundeling vindt plaats in het kader van een Chemical Industrial Partnership Programme (CHIPP) van NWO Chemische Wetenschappen en FOM.

Een realistischer modelsysteem, in de vorm van een microfluïdische chip, moet de onderzoekers gaan helpen om het rendement van oliewinning op kleine schaal nauwkeuriger en sneller te kunnen monitoren. Dat betekent ook bij hoge temperatuur en druk, want die kunnen in een oliereservoir oplopen tot ruim 100 °C en 50 bar. ‘Met die chip kunnen we op een snelle manier een concentratieverloop aanleggen en dan in een keer voor een reeks van concentraties de bindingseigenschappen van (mengsels van) ionen en organische componenten meten’, vertelt Stuart.

‘Hoge-resolutie-AFM vormde in de afgelopen studies de centrale techniek, maar AFM is in feite blind voor de che-mische samenstelling aan het oppervlak’, vervolgt Stuart. ‘Hiermee kunnen we niet de identiteit van de geadsorbeerde species en hun hydratatiestaat vaststellen.’ Het consortium wil de komende jaren vooral chemisch gezien meer zicht krijgen op het onderzoekssysteem, en zal daarvoor onder andere Raman-spectroscopie en röntgenfluorescentie inzetten.

‘Vetzuren maken een verschil van dag en nacht’

Op deze manier hopen de onderzoekers zicht te krijgen op wat je specifiek moet gaan tunen. Stuart: ‘Is het al genoeg om de calciumconcentratie omlaag te brengen, en kun je dus bijvoorbeeld natrium en chloride laten zitten? En hoe zit het met die vetzuren?’ Daar moet onder meer die microfluïdische chip uitsluitsel over geven. Stuart besluit: ‘En dat bij realistischere temperatuur en druk. Meten bij die omstandigheden is een nog onontgonnen terrein.’