ازدیاد برداشت از مخازن نفتی به روش میکروبی

یکی از کاربردهای بیوتکنولوژی، استفاده از ریزسازوارهها (میکروارگانیزم‌ها) در صنایع نفتی می‌باشد. این کاربرد, با توجه به گستردگی صنعت نفت در کشور ما بایستی مورد توجه خاص قرار گیرد. مطلب زیر از طرف خانم اعظم لقمانی برای شبکه ارسال شده است که در پروژة کارشناسی ارشد خود (در دانشگاه صنعتی امیرکبیر), بر روی ازدیاد برداشت از مخازن نفتی با استفاده از ریزسازواره‌ها، تحقیقاتی آزمایشگاهی داشته و در این رابطه مقالاتی نیز در ششمین کنفرانس ملی مهندسی شیمی و دومین همایش ملی بیوتکنولوژی ایران ارائه کرده است

استفاده از میکروب‌ها در ازدیاد برداشت نفت بحث جدیدی نیست. اولین مورد مکتوب، در سال ۱۹۱۳ مربوط به ج.ب.دیویس (J.B.Davis) است. در سال ۱۹۴۶، سی.ای.زوبل (c.a.zobell) فرایندی برای بازیافت ثانویه نفت با استفاده از میکروب‌های بی‌هوازی و مکانیزم انحلال مواد معدنی سولفاتی ثبت کرد.

اولین آزمایش میدانی ازدیاد برداشت نفت به‌روش میکروبی (MEOR)، در سال ۱۹۵۴ در یکی از میادین نفتی آرکانزاس انجام گرفت. اما با وجود موفق بودن، به‌دلیل در دسترس بودن منابع نفتی ارزان‌قیمت، این شیوه‌ها کنار گذاشته شدند. در دهة ۱۹۷۰ مجدداً به‌دلیل ناپایداری قیمت نفت و گرایش به بیوتکنولوژی، این شیوه‌ها مورد توجه قرار گرفتند. از 1980 به بعد به‌دلیل افزایش قیمت نفت در کشورهای گوناگون، این روش‌ها کم و بیش متداول شدند و به‌نظر می‌رسد که در آینده تنها شیوة افزایش برداشت عملی باشند. مخازن مناسب برای MEOR باید واجد شرایط زیر باشند:

دما کمتر از C ˚۷۵، شوری تا ، pH ۱۰۰۰۰این ۴ تا ۹ ، تراوایی بیش از ۷۵mD ، سنگینی نفت بر اساس API بیش از ۱۸، فشار تا ۱۲۰۰۰atm و عمق کمتر از m3500. در این میان بیشترین تاثیر مربوط به دما و تراوایی است. میکروب‌ها با سازوکارهای مختلفی به شرح زیر به افزایش برداشت نفت کمک می‌کنند:

۱- تولید اسید آلی که منجر به انحلال سنگ‌های کربناتی و توسعة کانال‌ها می‌شود.

۲- احیاء گوگرد در ترکیبات گچی و انیدریدی و مواد معدنی سولفاتی که نفت به دام افتاده درآنها را آزاد می‌کند.

۳- تولید گازهایی از قبیل متان، دی‌اکسیدکربن، هیدروژن و نیتروژن که نفت را از فضاهای مرده به خارج می‌رانند.

۴- تولید حلال‌های مختلف از قبیل اتانول، استون و الکل که با انحلال یا تورم رسوبات آلی به تحرک فاز نفت کمک می‌کنند.

۵- تولید مواد فعال سطحی و دترجنت که کشش سطحی وکشش فصل مشترک نفت و آب را کم می‌کنند و نفت را از سنگ جدا می‌کنند.

۶- تولید بیوپلیمر که به‌طور انتخابی، مناطقی با تراوایی بالاتر را مسدود نموده، در نتیجه جریان سیال به طرف نقاطی با تراوایی کمتر هدایت می‌شود.

۷- تجزیه مولکول‌های هیدروکربنی بزرگ و کاهش گرانروی نفت.

باکتری مناسب برای MEOR باید:

۱- کوچک باشد،
۲- رشد سریعی داشته و از تحرک لازم برای انتقال در داخل چاه برخوردار باشد،
۳- ترکیبات متابولیکی مناسب از قبیل گاز و اسید و حلال تولیدکند،
۴- قادر به تحمل شرایط محیطی خشن از قبیل دما و فشار و شوری بالا باشد،
۵- برای رشد و متابولیسم به مواد مغذی پیچیده نیاز نداشته باشد،
۶- بتواند مواد ضدخوردگی و میکروب‌کش را به خوبی تحمل کند،
۷- در حضور فلور میکروبی چاه جمعیت غالب باشد و
۸- بتواند شرایط بدون اکسیژن یا غلظت اندک آن را تحمل کند.
شیوه های متداول استفاده از میکروب‌ها در ازدیاد برداشت به شرح زیر است :

۱- روش برون محل (Ex-Situ): در این روش محصولات میکروبی از قبیل پلی‌ساکاریدها و سورفاکتانت‌ها (فعال‌کننده‌های سطحی) در فرمانتورهایی تولید شده و پس از جداسازی و خالص‌سازی به مخزن اضافه می شود.

۲- روش در محل (In-Situ ):

الف) تحریک جمعیت میکروبی مخزن به‌وسیله تزریق مواد مغذی برای افزایش فعالیت میکروبی

ب) تزریق میکروب‌هایی خاص همراه با مواد مغذی به داخل مخزن. این میکروب‌ها می‌توانند فعالیت مناسبی در مخزن داشته و محصولاتی را تولید نمایند که باعث تحرک نفت می‌شوند. (این میکروب‌ها را می‌توان از مخزن جدا کرد و پس از تغییرات ژنتیکی به مخزن تزریق نمود.)
از بین روش‌های فوق بهترین شیوه، ۲– ب است چرا که در شیوة ۱ به‌دلیل قابل تجزیه‌بودن محصولات، مواد ورودی به سرعت توسط میکروب‌های موجود در مخزن تجزیه می‌شوند.

روش ۲- الف هم به‌دلیل اینکه تعداد، نوع و نحوه فعالیت میکروب‌های مخزن مشخص نیست, روش چندان جالبی به‌شمار نمی‌رود. به‌دلیل تنوع مکانیزم‌های MEOR، از آن می‌توان در مواردی که به سازند، در اثر اعمال شیوه‌های دیگر MEOR آسیب رسیده باشد یا کاهش تراوایی نفت اتفاق افتاده باشد یا به دلیل نیروهای موئینگی نفت به دام افتاده باشد یا در شرایطی که در مخزن رسوب پارافینی یا نمک‌های حاصل از رسوب در حین تزریق آب باشد، استفاده نمود.
علی‌رغم محدودیت‌هایی که ممکن است فعالیت میکروبی مخزن را تحت تاثیر قراردهد، گزارش‌های متعددی از حضور میکروب‌ها ارائه شده‌اند و به همین علت انواع گوناگونی از باسیلوس، پسودوموناس، میکروکوکوس، مایکوباکتریوم، کلاستریدیوم، اشرشیاکلی و برخی دیگر از انواع انتروباکتریاسه در MEOR بکار می‌روند. با وجود حضور میکروب‌ها در مخازن، فعالیت آن‌ها به‌دلایل زیر اندک است:

۱- شرایط بی‌هوازی مخزن که در این شرایط امکان تجزیه ترکیبات نفتی وجود ندارد و در نتیجه فقدان منبع کربن داریم.

۲- در اکثر مخازن نفتی غلظت فسفر پایین است.

۳- غلظت اندک نیتروژن می‌تواند دلیل کم بودن تعداد میکروب‌ها باشد.

از آنجایی که فعالیت میکروب‌های بومی در مخزن بسیار اندک است، تغییر قابل ملاحظه‌ای در ترکیب نفت مشاهده نمی‌شود. اما در صورتی‌که منبع غذایی و فاکتورهای مکمل مناسب فراهم شوند ترکیب نفت تغییر خواهد کرد. نفت فقط شامل مواد هیدروکربوری نیست و هرگونه تغییر در محتوای آن می‌تواند منجر به تغییر قابل ملاحظه‌ای در مشخصه‌های نفت خام گردد که از آن جمله تولید گاز است که منجر به سبک شدن نفت می‌شود. یک سیستم عملی MEOR شامل میکروب و مواد غذایی است. مشکلات و راه حل‌های متداول در این سیستم‌ها به شرح زیر هستند:

۱- آیا کاهش یا قطع تزریق به‌دلیل انسداد حفره چاه ناشی از تجمع میکروبی صورت می‌گیرد؟ قبل از تزریق می‌توان از مواد پرکننده که فضاهای خالی سنگ‌ها را پر می‌کنند یا ترکیباتی که مانع از جذب میکروب به سطح می‌شوند استفاده کرد تا میکروب در یک نقطه تجمع نیابد. همچنین می توان از اسپورها یا اولترامیکروباکتری‌ها استفاده کرد.

۲- آیا انتشار موفق و انتقال تمام ترکیبات ضروری به نقاط هدف صورت می‌گیرد؟ عوامل مختلفی از قبیل خواص فیزیکی و شیمیایی سنگ، خواص سلول میکروبی و نحوة تزریق از قبیل نرخ تزریق، محتوای نمک و چگالی سوسپانسیون سلولی مهم هستند. استفاده از تزریق ضربانی از به دام افتادن سلول‌ها جلوگیری می‌کند.

۳- افزایش فعالیت متابولیکی درمحل چگونه صورت می گیرد؟ با مطالعه دقیق شرایط میکروب و مخزن و سازگارکردن میکروب با شرایط مخزن این مشکل برطرف خواهد شد.

۴- از رقابت یا فعالیت نامطلوب میکروب‌های بومی چگونه می‌توان پیشگیری نمود؟ آزمایشات میدانی نشان می‌دهد که در MEOR که با تزریق مواد مغذی از قبیل ملاس همراه باشد رقابت با میکروب‌های بومی عامل مهمی نیست. مزایای اقتصادی این روش:

مقالات متعدد اشاره دارند که MEOR از نظر هزینه شیوه مناسبی برای افزایش تولید است. مزایای دیگری که می توان بیان کرد عبارتند از: میکروب‌ها و مواد مغذی تزریق شده ارزان هستند، به‌راحتی در دسترس بوده و به‌سهولت به میادین نفتی حمل می‌شوند. MEOR از نظر اقتصادی برای میادین تولید فرعی مناسب است.
هزینه سیال تزریقی به قیمت نفت وابسته نیست. اجرای فرایند فقط نیاز به اصلاحات اندکی بر روی تسهیلات میدانی موجود دارد و در نتیجه هزینة زیادی نخواهد داشت. این شیوه به سادگی با تجهیزات موجود برای آب‌روبی قابل اجراست. اجرای MEOR نسبت به فرایندهای دیگر ساده‌تر و ارزانتر است.
محصولات MEOR همگی قابلیت تخریب زیستی دارند و در محیط‌زیست تجمع نمی‌یابند. جمعیت میکروبی را می‌توان با مقدار ماده مغذی موجود تنظیم نمود. به عبارت دیگر اگر مواد مغذی تزریق نشود میکروب‌ها از بین نمی‌روند و در نتیجه حضور جمعیت میکروبی قابل کنترل است. برخی از کاربردهای میدانی MEOR

میدان نفتی کانادا Loyid minister:

به‌میزان 6% ، میکروب لکونوستوک (هوازی) با غلظت ml / 103 – 102 و ml / 104 میکروب بی هوازی و 11.6 مترمکعب ملاس در 120 مترمکعب آب تزریق شده است. پاسخ مخزن تولید اسید و الکل و کاهش pH و کشش سطحی بوده است.
میدان‌های نفتی رومانی با شوری g/l 180 – 5: میکروب‌های باسیلوس–کلاستریدیوم، اشرشیاکلی و…. با مخلوط میکروبی ml/ 109 ×9 – 108 × 4 تزریق شد. پاسخ، تولید گاز و اسید، افزایش تولید نفت، افزایش گرانروی و چگالی نفت و افزایش کسر سبک نفت بوده است.
میدان نفتی لیسبون آرکانزاس با شوری ppm 42000: میکروب کلاستریدیوم و ملاس (gal 4000 محلول 2% وزنی) تزریق شد. پاسخ به صورت تولید گاز (عمدتاً H2 و CO2) و اسید بوده حداکثر نرخ افزایش تولید 250% بوده است.
یکی از میادین نفتی هلند: میکروب کلاستریدیوم و ملاس تزریق شد. پاسخ بصورت افزایش CO2 و افزایش بازیافت حدود 200 – 20% بود.

اهمیت MEOR برای کشور

با توجه به قدمت چاه‌های نفتی ایران (نخستین چاه نفتی در ایران در سال 1287 در منطقه نفتون حفر شده است) و از آنجایی که MEOR معمولاً پس از اجرای روش‌های دیگر بکار می‌رود، به نظر می‌رسد اهداف متعددی در ایران برای این شیوه وجود داشته باشد. به ویژه اینکه MEOR برای چاه‌هایی که به‌دلیل تزریق آب، دیگر قادر به تولید نفت نیستند و در اصطلاح غرقاب شده‌اند و همچنین چاه‌هایی که به‌دلیل رسوب ترکیبات آلی و معدنی مسدود شده‌اند روش مناسبی است.
از آنجایی‌که حتی پس از تزریق آب و گاز حداکثر 40 – 38 % از مخزن برداشت می‌شود، اگر با بکاربردن MEOR بتوان 1% هم نفت آزاد نمود مقدار قابل ملاحظه‌ای خواهد بود.