ازدیاد برداشت از مخازن نفتی به روش میکروبی

يكي از كاربردهاي بيوتكنولوژي، استفاده از ريزسازوارهها (ميكروارگانيزم‌ها) در صنايع نفتي مي‌باشد. اين كاربرد, با توجه به گستردگي صنعت نفت در كشور ما بايستي مورد توجه خاص قرار گيرد. مطلب زير از طرف خانم اعظم لقماني براي شبكه ارسال شده است كه در پروژة كارشناسي ارشد خود (در دانشگاه صنعتي اميركبير),بر روي ازدياد برداشت از مخازن نفتي با استفاده از ريزسازواره‌ها، تحقيقاتي آزمايشگاهي داشته و در اين رابطه مقالاتي نيز در ششمين كنفرانس ملي مهندسي شيمي و دومين همايش ملي بيوتكنولوژي ايران ارائه كرده است

استفاده از ميكروب‌ها در ازدياد برداشت نفت بحث جديدي نيست. اولين مورد مكتوب، در سال Û±Û¹Û±Û³ مربوط به ج.ب.ديويس (J.B.Davis) است. در سال ۱۹۴۶، سي.اي.زوبل (c.a.zobell) فرايندي براي بازيافت ثانويه نفت با استفاده از ميكروب‌هاي بي‌هوازي و مكانيزم انحلال مواد معدني سولفاتي ثبت كرد.

اولين آزمايش ميداني ازدياد برداشت نفت به‌روش ميكروبي (MEOR)، در سال Û±Û¹ÛµÛ´ در يكي از ميادين نفتي آركانزاس انجام گرفت. اما با وجود موفق بودن، به‌دليل در دسترس بودن منابع نفتي ارزان‌قيمت، اين شيوه‌ها كنار گذاشته شدند. در دهة Û±Û¹Û·Û° مجدداً به‌دليل ناپايداري قيمت نفت و گرايش به بيوتكنولوژي، اين شيوه‌ها مورد توجه قرار گرفتند. از 1980 به بعد به‌دليل افزايش قيمت نفت در كشورهاي گوناگون، اين روش‌ها كم و بيش متداول شدند و به‌نظر مي‌رسد كه در آينده تنها شيوة افزايش برداشت عملي باشند. مخازن مناسب براي MEOR بايد واجد شرايط زير باشند:

دما كمتر از C ˚۷۵، شوري تا ، pH ۱۰۰۰۰اين Û´ تا Û¹ ، تراوايي بيش از Û·ÛµmD ، سنگيني نفت بر اساس API بيش از ۱۸، فشار تا Û±Û²Û°Û°Û°atm و عمق كمتر از m3500. در اين ميان بيشترين تاثير مربوط به دما و تراوايي است. ميكروب‌ها با سازوكارهاي مختلفي به شرح زير به افزايش برداشت نفت كمك مي‌كنند:

Û±- توليد اسيد آلي كه منجر به انحلال سنگ‌هاي كربناتي و توسعة كانال‌ها مي‌شود.

Û²- احياء گوگرد در تركيبات گچي و انيدريدي و مواد معدني سولفاتي كه نفت به دام افتاده درآنها را آزاد مي‌كند.

Û³- توليد گازهايي از قبيل متان، دي‌اكسيدكربن، هيدروژن و نيتروژن كه نفت را از فضاهاي مرده به خارج مي‌رانند.

Û´- توليد حلال‌هاي مختلف از قبيل اتانول، استون و الكل كه با انحلال يا تورم رسوبات آلي به تحرك فاز نفت كمك مي‌كنند.

Ûµ- توليد مواد فعال سطحي و دترجنت كه كشش سطحي وكشش فصل مشترك نفت و آب را كم مي‌كنند و نفت را از سنگ جدا مي‌كنند.

Û¶- توليد بيوپليمر كه به‌طور انتخابي، مناطقي با تراوايي بالاتر را مسدود نموده، در نتيجه جريان سيال به طرف نقاطي با تراوايي كمتر هدايت مي‌شود.

Û·- تجزيه مولكول‌هاي هيدروكربني بزرگ و كاهش گرانروي نفت.

باكتري مناسب براي MEOR بايد:

۱- كوچك باشد،
۲- رشد سريعي داشته و از تحرك لازم براي انتقال در داخل چاه برخوردار باشد،
۳- تركيبات متابوليكي مناسب از قبيل گاز و اسيد و حلال توليدكند،
۴- قادر به تحمل شرايط محيطي خشن از قبيل دما و فشار و شوري بالا باشد،
۵- براي رشد و متابوليسم به مواد مغذي پيچيده نياز نداشته باشد،
Û¶- بتواند مواد ضدخوردگي و ميكروب‌كش را به خوبي تحمل كند،
۷- در حضور فلور ميكروبي چاه جمعيت غالب باشد و
۸- بتواند شرايط بدون اكسيژن يا غلظت اندك آن را تحمل كند.
شيوه هاي متداول استفاده از ميكروب‌ها در ازدياد برداشت به شرح زير است :

Û±- روش برون محل (Ex-Situ): در اين روش محصولات ميكروبي از قبيل پلي‌ساكاريدها و سورفاكتانت‌ها (فعال‌كننده‌هاي سطحي) در فرمانتورهايي توليد شده و پس از جداسازي و خالص‌سازي به مخزن اضافه مي شود.

۲- روش در محل (In-Situ ):

الف) تحريك جمعيت ميكروبي مخزن به‌وسيله تزريق مواد مغذي براي افزايش فعاليت ميكروبي

ب) تزريق ميكروب‌هايي خاص همراه با مواد مغذي به داخل مخزن. اين ميكروب‌ها مي‌توانند فعاليت مناسبي در مخزن داشته و محصولاتي را توليد نمايند كه باعث تحرك نفت مي‌شوند. (اين ميكروب‌ها را مي‌توان از مخزن جدا كرد و پس از تغييرات ژنتيكي به مخزن تزريق نمود.)
از بين روش‌هاي فوق بهترين شيوه، Û²–ب است چرا كه در شيوة Û± به‌دليل قابل تجزيه‌بودن محصولات، مواد ورودي به سرعت توسط ميكروب‌هاي موجود در مخزن تجزيه مي‌شوند.

روش Û²- الف هم به‌دليل اينكه تعداد، نوع و نحوه فعاليت ميكروب‌هاي مخزن مشخص نيست, روش چندان جالبي به‌شمار نمي‌رود. به‌دليل تنوع مكانيزم‌هاي MEOR، از آن مي‌توان در مواردي كه به سازند، در اثر اعمال شيوه‌هاي ديگر MEOR آسيب رسيده باشد يا كاهش تراوايي نفت اتفاق افتاده باشد يا به دليل نيروهاي موئينگي نفت به دام افتاده باشد يا در شرايطي كه در مخزن رسوب پارافيني يا نمك‌هاي حاصل از رسوب در حين تزريق آب باشد، استفاده نمود.
علي‌رغم محدوديت‌هايي كه ممكن است فعاليت ميكروبي مخزن را تحت تاثير قراردهد، گزارش‌هاي متعددي از حضور ميكروب‌ها ارائه شده‌اند و به همين علت انواع گوناگوني از باسيلوس، پسودوموناس، ميكروكوكوس، مايكوباكتريوم، كلاستريديوم، اشرشياكلي و برخي ديگر از انواع انتروباكترياسه در MEOR بكار مي‌روند. با وجود حضور ميكروب‌ها در مخازن، فعاليت آن‌ها به‌دلايل زير اندك است:

Û±- شرايط بي‌هوازي مخزن كه در اين شرايط امكان تجزيه تركيبات نفتي وجود ندارد و در نتيجه فقدان منبع كربن داريم.

۲- در اكثر مخازن نفتي غلظت فسفر پايين است.

Û³- غلظت اندك نيتروژن مي‌تواند دليل كم بودن تعداد ميكروب‌ها باشد.

از آنجايي كه فعاليت ميكروب‌هاي بومي در مخزن بسيار اندك است، تغيير قابل ملاحظه‌اي در تركيب نفت مشاهده نمي‌شود. اما در صورتي‌كه منبع غذايي و فاكتورهاي مكمل مناسب فراهم شوند تركيب نفت تغيير خواهد كرد. نفت فقط شامل مواد هيدروكربوري نيست و هرگونه تغيير در محتواي آن مي‌تواند منجر به تغيير قابل ملاحظه‌اي در مشخصه‌هاي نفت خام گردد كه از آن جمله توليد گاز است كه منجر به سبك شدن نفت مي‌شود. يك سيستم عملي MEOR شامل ميكروب و مواد غذايي است. مشكلات و راه حل‌هاي متداول در اين سيستم‌ها به شرح زير هستند:

Û±- آيا كاهش يا قطع تزريق به‌دليل انسداد حفره چاه ناشي از تجمع ميكروبي صورت مي‌گيرد؟ قبل از تزريق مي‌توان از مواد پركننده كه فضاهاي خالي سنگ‌ها را پر مي‌كنند يا تركيباتي كه مانع از جذب ميكروب به سطح مي‌شوند استفاده كرد تا ميكروب در يك نقطه تجمع نيابد. همچنين مي توان از اسپورها يا اولتراميكروباكتري‌ها استفاده كرد.

Û²- آيا انتشار موفق و انتقال تمام تركيبات ضروري به نقاط هدف صورت مي‌گيرد؟ عوامل مختلفي از قبيل خواص فيزيكي و شيميايي سنگ، خواص سلول ميكروبي و نحوة تزريق از قبيل نرخ تزريق، محتواي نمك و چگالي سوسپانسيون سلولي مهم هستند. استفاده از تزريق ضرباني از به دام افتادن سلول‌ها جلوگيري مي‌كند.

۳- افزايش فعاليت متابوليكي درمحل چگونه صورت مي گيرد؟ با مطالعه دقيق شرايط ميكروب و مخزن و سازگاركردن ميكروب با شرايط مخزن اين مشكل برطرف خواهد شد.

Û´- از رقابت يا فعاليت نامطلوب ميكروب‌هاي بومي چگونه مي‌توان پيشگيري نمود؟ آزمايشات ميداني نشان مي‌دهد كه در MEOR كه با تزريق مواد مغذي از قبيل ملاس همراه باشد رقابت با ميكروب‌هاي بومي عامل مهمي نيست. مزاياي اقتصادي اين روش:

مقالات متعدد اشاره دارند كه MEOR از نظر هزينه شيوه مناسبي براي افزايش توليد است. مزاياي ديگري كه مي توان بيان كرد عبارتند از: ميكروب‌ها و مواد مغذي تزريق شده ارزان هستند، به‌راحتي در دسترس بوده و به‌سهولت به ميادين نفتي حمل مي‌شوند. MEOR از نظر اقتصادي براي ميادين توليد فرعي مناسب است.
هزينه سيال تزريقي به قيمت نفت وابسته نيست. اجراي فرايند فقط نياز به اصلاحات اندكي بر روي تسهيلات ميداني موجود دارد و در نتيجه هزينة زيادي نخواهد داشت. اين شيوه به سادگي با تجهيزات موجود براي آب‌روبي قابل اجراست. اجراي MEOR نسبت به فرايندهاي ديگر ساده‌تر و ارزانتر است.
محصولات MEOR همگي قابليت تخريب زيستي دارند و در محيط‌زيست تجمع نمي‌يابند. جمعيت ميكروبي را مي‌توان با مقدار ماده مغذي موجود تنظيم نمود. به عبارت ديگر اگر مواد مغذي تزريق نشود ميكروب‌ها از بين نمي‌روند و در نتيجه حضور جمعيت ميكروبي قابل كنترل است. برخي از كاربردهاي ميداني MEOR

ميدان نفتي كانادا Loyid minister:

به‌ميزان 6% ، ميكروب لكونوستوك (هوازي) با غلظت ml / 103 –102 و ml / 104 ميكروب بي هوازي و 11.6 مترمكعب ملاس در 120 مترمكعب آب تزريق شده است. پاسخ مخزن توليد اسيد و الكل و كاهش pH و كشش سطحي بوده است.
ميدان‌هاي نفتي روماني با شوري g/l 180 –5: ميكروب‌هاي باسيلوس–كلاستريديوم، اشرشياكلي و…. با مخلوط ميكروبي ml/ 109 ×9 –108 × 4 تزريق شد. پاسخ، توليد گاز و اسيد، افزايش توليد نفت، افزايش گرانروي و چگالي نفت و افزايش كسر سبك نفت بوده است.
ميدان نفتي ليسبون آركانزاس با شوري ppm 42000: ميكروب كلاستريديوم و ملاس (gal 4000 محلول 2% وزني) تزريق شد. پاسخ به صورت توليد گاز (عمدتاً H2 و CO2) و اسيد بوده حداكثر نرخ افزايش توليد 250% بوده است.
يكي از ميادين نفتي هلند: ميكروب كلاستريديوم و ملاس تزريق شد. پاسخ بصورت افزايش CO2 و افزايش بازيافت حدود 200 –20% بود.

اهميت MEOR براي كشور

با توجه به قدمت چاه‌هاي نفتي ايران (نخستين چاه نفتي در ايران در سال 1287 در منطقه نفتون حفر شده است) و از آنجايي كه MEOR معمولاً پس از اجراي روش‌هاي ديگر بكار مي‌رود، به نظر مي‌رسد اهداف متعددي در ايران براي اين شيوه وجود داشته باشد. به ويژه اينكه MEOR براي چاه‌هايي كه به‌دليل تزريق آب، ديگر قادر به توليد نفت نيستند و در اصطلاح غرقاب شده‌اند و همچنين چاه‌هايي كه به‌دليل رسوب تركيبات آلي و معدني مسدود شده‌اند روش مناسبي است.
از آنجايي‌كه حتي پس از تزريق آب و گاز حداكثر 40 –38 % از مخزن برداشت مي‌شود، اگر با بكاربردن MEOR بتوان 1% هم نفت آزاد نمود مقدار قابل ملاحظه‌اي خواهد بود