از باكتري تا نفت !

در ارتبط با کااربرد میکروبیولوژی در صنعت نفت میتوان دو جنبه را مد نظر قرار داد :
۱- ارتقای کمی : نمونه بارز آن روش (microbial enhanced oil recovery) یا MEOR است.
۲- ارتقای کیفی : مانند حذف هسته و اتمهای گوگرد و نیتروژن.استفاده از MEORدر ازدیاد برداشت از مخازن نفت :
در طبیعت چاههای نفتی وجود دارد که به علت تزریق آب دیگر قادر به تولید نفت نیستند و یا به اصطلاح غرقاب شده اند و همچنین چاههایی وجود دارند که به دلیل رسوب تر کیبات آلی و معدنی مسدود شده اند لذا بعد از استخراج اولیه و ثانویه نفت , قسمت اعظم آن حدود ۸۰% در چاهها باقی می ماند لذا روشهای مختلفی به منظور استخراج مابقی نفت به وجود آمده است که عبارتند از :
۱ – تزریق فرم و آلیاژهای پلیمری . ۲ – روش حرارتی . ۳ – تزریق آب .
۴ – تزریق گاز ۵ – استفاده از مواد شیمیایی کاهش دهنده نیروی کشش سطحی ۶ – روش MEORروش MEOR :روشی است که در آن بوسیله میکروبهای مخصوص و مشخص میزان نفت استخراجی از چاهها را افزایش می دهند.
میکروبها به سه طریق می توانند باعث ازدیاد برداشت از مخازن نفتی شوند.
۱- با اکسیداسیون نفت اسید چربی تولید می کنند که باعث کاهش گرانروی نفت میگردد.
۲- با تولید مقادیر نسبی از گاز CO2 , باعث افزایش فشار در مخزن میگردند از این رو مانند تزریق گاز عمل می کنند.
۳- میکروبها با بوجود آوردن بیومس میان سنگ و نفت مخزن باعث جابجایی فیزیکی نفت می شوند .
شرایط فیزیکی نفت مثل دما , فشار, نمک و …..عامل محدود کننده استفاده از MEOR است . از آنجا که شرایط فیزیکی چاههای نفت با هم فرق می کنند نمی توان برای همه آنها از یک نوع میکروارگانیسم استفاده کرد. مثلا در چاههای کم عمق کار به روش MEOR به دلیل دمیی کمتر نسبت به چاههای عمیق که دمای بالا دارند بیشتر است.در چاههای عمیق مثل کشور ما باید از میکروارگانیسم های گرمادوست استفاده گردد. روش MEOR بطور چشمگیری محدود به دمای حداکثر ۸۰ درجه است.
خصوصیات باکتریهای مورد استفاده در روش MEOR :
۱- کوچک باشد ۲- قادر به تحمل شرایط محیطی چاه باشد ۳- رشد سزیعی داشته باشد و از تحرک لازم داخل چاه برخوردار باشد ۴- بتوانند مواد ضد میکروبی و ضد خوردگی را تحمل کنند ۵- بری رشد به مواد مغذی پیچیده ای نیاز نداشته باشند.
انواع باکتریهای مورد استفاده در MEOR:
سودوموناس, میکروکوکوس, کلستریدیوم, انتروباکتریاسه, اشرشیاکلی, مایکوباکتریوم, لوکونوستوک, باسیلوس لینکنی فرمیس.
آلودگی نفتی یکی از خطرات جدی تهدید کننده محیط زیست و موجودات زنده است حل این معظل زیست محیطی به طرق گوناگون از دیرباز مورد توجه پژوهندگان علوم زیستی بوده است. یکی از روشهای جدید برای رفع این آلودگی ها استفاده از باکتریهای نفت خوار است که در کشور ما نیز این باکتریها توسط دکتر غلامحسین ابراهیمی پور جداسازی شده اند. طبق گفته ایشان این باکتریها قادرند مواد ترکیبات نفتی را تا ۱۰۰% به بیومس میکروبی و گازکربنیک تبدیل کنند. در صورتیکه بهترین سویه های جدا شده در آلمان تنها ۸۰% قادرند این کار را انجام دهند. یکی از عمده ترین آلاینده های آب دریا کشتی های نفت کش هستند. این کشتی ها معمولا پس از تخلیه محموله نفتی خود در بنادر مقصد, مخزن خود را تا حدی با آب دریا پر می کنند. بارگیری این آب که معمولا آب توازن نامیده می شود برای حفظ تعادل کشتی در مسیر بازگشت به بنادر مبدا ضروری است. نکته مهم اینجاست که این نفت کش ها پس از رسیدن به بنادر در مبدا قبل از بارگیری دوباره نفت, آب توازن خود را در دریا تخلیه می کنند که همین امر موجب می شود تا مقادیر بسیار زیادی نفت خام نیزوارد آب دریا می شود. در صورتیکه اگر باکتریهای نفت خواربه آب توازن نفت کش ها اضافه شوند, قبل از تخلیه آب توازن نفت موجود در آن به بیومس میکروبی تبدیل شده و به این ترتیب نه تنها دریا را آلوده نمی کند بلکه بیومس میکروبی آن مورد تغذیه آبزیان نیز قرار می گیرد. بنابر این اگر باکتریهای نفت خوار را در سطح وسیعی تولید کنیم علاوه بر پاکسازی آبهای ساحلی خود می توانیم با فروش به سایر کشورها درآمد ارزی بالایی بدست آوریم.

در ده سال اخير ، دانش استفاده از ميكروب ها براي افزايش برداشت از ميادين نفتي با پيشرفت هاي زيادي روبرو شده ، اما با وجود همه تلاش ها، همچنان مسائلي ديرپا باقي مانده است.

پس از چند دهه آزمايش و خطا ، كارشناساني كه بر روي حوزه استفاده از ميكروب ها براي افزايش برداشت از ميادين نفتي مطالعه مي كردند ،بر اساس مطالعات آزمايشگاهي دريافتند ، ميكروب هاي خورنده نفت مي توانند ميادين قديمي نفتي را احيا نمايند . اين مطالعات نشان مي دهد كه اين راهكار مي تواند پايان عمر ميادين را به تاخير اندازد ؛ اما بايد براي ترش شدن نفت باقيمانده در ميدان بدليل استفاده از روش ميكروبي تدبيري انديشيد،هرچند توليد جانبي گاز سولفيد هيدروژن در فرآيند اجرا و همچنين گاز متان توليد شده از زغال سنگ موجود، يك گام رو به جلو محسوب مي گردد.(در اين مقاله خورده شدن نفت به معناي روشي است كه در آن فرآيند ساخت و ساز (متابوليسم) باكتري ها شكل مي گيرد. و بدين ترتيب خوردن نفت به معناي اكسيده شدن هيدروكربن ها خواهد بود.)

اما ايده استفاده از ميكروب ها براي افزايش برداشت از ميادين هيدروكربني يكي از بحث برانگيز ترين مباحث فراروي كارشناسان حوزه انرژي در سال هاي اخير بوده است.

     اين روش عموما در چاه هاي متروكه و در مناطق دور دست به كار گرفته مي شود. در اين روش تزريق آب و مواد مغذي معدني ؛ باعث فعاليت ميكروارگانيسم ها شده و به توليد گاز از زغال سنگ مي انجامد. هدف از اين كار ، ايجاد شرايطي است كه ميكروب ها با خوردن زغال سنگ ، توليد متان نمايند.

از سوي ديگر ، پژوهش هايي در دست انجام است تا نفت خام سنگين را به متان تبديل نمايد. البته هم اينك تبديل نفت خام به گاز داراي ارزش اقتصادي نيست، اما در مناطقي كه ديگر نفت خام سنگين توليد نمي شود اين كار مي تواند اقتصادي باشد.

اما يك چالش بزرگ اينست : چگونه راه هايي را بيابيم كه توليد گاز تضمين شده اي را فراهم آورد.

از سوي ديگر ، كارشناسان حركت به سوي تبديل زغال سنگ به گاز طبيعي را يك فرآيند چند مرحله اي مي دانند كه در آن ميكروب ها با خوردن زغال سنگ ، هيدروژن ، دي اكسيد كربن و استات توليد مي كنند . و سرانجام پس از مراحل گفته شده ، گاز متان توليد مي شود. اما در اين فرآيند بايد آب موجود در چاه تخليه شود كه هزينه هاي زيادي را به دنبال دارد.

از سوي ديگر دستيابي به منابع جديد هيدروكربن با قوانين متعددي محدود شده شده است. مثلا بدليل آلودگي آب هاي زيرزميني منطقه ، مقررات سخت گيرانه اي در ايالات متحده وضع شده است.

استوارت پيج مديرعامل شركت گلوري انرژي كه سالهاست تنها در حوزه دانش استفاده از ميكروب ها براي ازدياد توليد نفت فعاليت مي كند، مي گويد :”در اين سالها دانش استفاده از ميكروب ها براي افزايش برداشت و توليد بيشتر از ميادين نفتي ، توسعه زيادي يافته است. و به هرحال مي توان گفت كار ما شباهت زيادي به توليد پادزهر براي زهر مار دارد.”

اما تصوير كنوني ما از اين دانش ، تاريخچه اي كاملا روشن نداشته و با فراز و فرودهاي زيادي روبرو بوده است. به عنوان مثال ،آزمون اين روش در ميادين تنها منوط به موافقت غول هاي نفتي براي كاربرد آن در مخازن در حال برداشت بوده است.

از سوي ديگر ، اين روش كه عمري ۵۰ ساله دارد ، حتي از روش هاي لرزه نگاري هم عمر و سابقه طولاني تري دارد.

كلود زوبل ، دانشمند همكار با انجمن نفت آمريكا كه اولين بار منشا ميكروبي نفت را كشف كرد ، حقوق انحصاري كشف اين روش را در سال ۱۹۵۷ ثبت تجاري نمود. روش او شامل تزريق باكتري هاي فعال در يك مخزن نفتي بود و دستاورد او حاصل آزمون و خطاهاي بسياري بود كه براي درك چرخه حيات يك مخزن روي مي دهد.

در سال هاي اخير و بويژه به دنبال ورود بسياري از مخازن نفتي دنيا به نيمه دوم عمر خود ، اين روش با اقبال بيشتري روبرو گرديده و تجارب و دستاوردهاي گذشته نيز به بهبود سطح دانش ما، كمك زيادي نموده است. همچنين بسياري از كارشناسان دوره حاضر را عصر رنسانس اين دانش در حوزه اكتشاف و توليد مي دانند.

در سال هاي اخير، استات اويل پيشتاز استفاده از اين روش بوده است ، اما شركت هاي بي پي ، شل ، كونوكو فيليپس و دوپونت نيز جز شركت هايي هستند كه گام هاي بزرگي براي آزمون هاي مربوط به توسعه استفاده از اين روش برداشته اند. درياي شمال منطقه اي است كه آزمايش هاي زيادي در حوزه استفاده از ميكروب ها در آن انجام شده و اين فعاليت ها همچنان ادامه دارد. البته در اين منطقه براي اولين بار در بخش فراساحل ، شاهد استفاده از ميكروب ها و تزريق نيترات ، مواد غذايي و هوا در ميدان نفتي نورن بوده ايم. البته آزموني مشابه پيش از اين در خاك اتريش بازسازي شده بود .

ما در اين سالها شاهد افزايش علاقه شركت ها به اين موضوع بوده ايم، اما همچنان تعداد ميكروبيولوژيست هاي فعال در پروژه ها ، همچنان اندك است.

اجراي آزمون هاي طرح :

اكثر انتقادات مطرح شده در برابر ايده استفاده از ميكروب ها براي افزايش برداشت از ميادين نفتي ، جدي و چالش برانگيز بوده است.مثلا يكي از منتقدان مي گويد : با وجود اينكه اين ايده از سال ها پيش مطرح بوده است ، اما هيچ يك دانشمندان برجسته حوزه مخزن از اجراي چنين ايده اي ، پشتيباني نكرده است. به علاوه تاكنون اجراي آزمايشي اين طرح و حتي آزمون هاي آزمايشگاهي آن نيز با نتايج قابل قبولي همراه نبوده است.

اما آيا نتايج مطالعات آزمايشگاهي را مي توان در مخازني با عمر چند ميليون ساله كه در پايان عمر توليد خود هستند ، به كار برد ؟ يكي از كارشناسان مي گويد :” ما نيازمند درك اين موضوع هستيم كه چگونه مي توان نفت باقيمانده در پايين چاه را به تحرك وا داشت. و البته استفاده همزمان از اين روش با تزريق آب داراي شوري كم ، مي تواند نتايج اثربخش تري به همراه داشته باشد.”

اين روش نيازمند افزايش تعداد باكتري هاي خورنده نفت است كه با ساختار مخزن ، مشابه و همسان باشند. سپس با تركيدن جمعيت باكتري ها ، نفت بيشتري حاصل مي شود كه مي تواند در مجموع نفت زيادتري را با بهره گيري از چند روش جانبي مرتبط، توليد كند.

همچنين ملاس نيز مي تواند به رشد باكتري ها كمك كند ، اما ما مي دانيم ميكروب هايي كه از نيشكر تغذيه مي كنند ، هيچ بازدهي در فرآيند بهبود توليد نفت ندارند. اما به هرحال فرمول دقيق مواد اضافه شده به آب تزريق شده به مخزن ، جز اسرار شركت هاي نفتي محسوب مي شود.اين مواد كه با توجه به ساختار هر مخزن متفاوت خواهد بود ، عمدتا شامل كودهاي شيميايي نظير نيترات و فسفات اند كه مقدار اندكي از آنها در مخزن وجود دارد.

 آزمون هاي آزمايشگاهي نشان مي دهد كه باكتري هاي فعال در مخزن مي تواند علاوه بر تغيير سازند هاي چاه ، تعادل مكاني نفت و آب موجود در چاه را بر هم زند. اما به هر حال ، بايد اين ايده در مخازن بزرگ تر اجرايي شود تا آثار فيزيكي شيميايي آن بيش از گذشته ، شناسايي گردد.

نگاهي به ابعاد يك آزمون مخزن :

شركت استات اويل ، آزمون هاي مربوط به ۸ چاه مخزن استيروپ را در جنوب غربي كانزاس بر عهده داشت. اين مخزن ۲۶ سال عمر توليدي داشت و ۹۱ درصد ستاده چاه هاي اين مخزن ، را آب تشكيل مي داد. پس از گذشت يك سال از زمان آغاز تزريق باكتري ها ، استات اويل اعلام كرد كه ۷۵۰ هزار گالن(معادل ۲۱۹۰۰ بشكه) افزايش توليد از اين مخزن داشته است. اخيرا نيز اين شركت اعلام نموده در ماه سپتامبر گذشته ، ۶۰۰۰ بشكه افزايش توليد با استفاده از روش تزريق باكتري در چاه ۲-۱۲ به دست آمده است. ضمنا چاه فوق، ۶۰ درصد افزايش حجم توليد ، داشته است.

البته در اين روش ، حجم آب خروجي از چاه تغيير قابل توجهي نداشته، اما در مجموع درصد آب خارج شده از چاه با كاهش همراه بوده است. يعني حجم آّب استحصال شده از ۹۱ درصد به ۸۸ درصد كاهش يافته است.

در ميانه اجراي اين آزمايش ها ، تركيب مواد تزريق شده به چاه تغيير يافت . همچنين تزريق آب از طريق يك چاه به مخزن، متوقف گرديد ؛ چرا كه ، تزريق آب باعث شده بود توليد نفت از چاه هاي توليدي ،كاهش يابد. اندكي بعد نيز يك چاه توليدي به يك چاه تزريقي تبديل شد تا توليد در ساير چاه ها ، تداوم يابد.

پس از اين تغييرات ، ادامه روند توليد اميدوار كننده بود. بويژه اينكه كاهش آب خروجي از چاه و تاثير قابل توجه بر ويژگي هاي مخزن به همراه بسياري از شاخص هاي اميدوار كننده مديريت مخزن، نشان از افزايش توليد چاه ها ، پس از تزريق باكتري ها داشت.

اما نكته كليدي اينست كه تاثير تزريق باكتري ها در يك چاه بر ويژگي هاي مخزن همچنان بايد مورد مطالعه و بررسي قرار گيرد.

جك استوارت، استاد دانشگاه كالگري مي گويد : سنجش تاثير روش تزريق باكتري ها بر عملكرد مخزن در آزمايشگاه ، كاري سخت است و به همين ترتيب ، سنجش تاثيرات آن در يك مخزن به مراتب سخت تر است.

در مجموع با توجه به كم هزينه بودن اين روش ، افزايش ۵ درصدي حجم توليد چاه ها با اين روش پذيرفتني مي باشد. و تاثير مثبت استفاده از باكتري ها ، مورد پذيرش كارشناسان قرار گرفته است.

سي يان كافري ؛ پژوهشگر كانادايي مي گويد : در گذشته ميكروبيولوژيست ها حتي به روياي در اختيار داشتن يك چاه براي انجام آزمايش هايشان نيز نمي انديشيدند. و آنها امروزه خوشبختند كه مي توانند آزمايش هاي خود را بر روي يك مخزن نفتي ، انجام دهند.”

آزمون هاي ميكروبي :

درمورد فرآيند تاثير ميكروب ها بر مخزن ، نظريات متعددي وجود دارد. استات اويل در گزارش خود اعلام نموده كه باكتري ها تعادل و جاي گيري آب و نفت در مخزن را بر هم زده اند. باكتري هاي خورنده نفت در آب نزديك نفت ، زندگي مي كنند. اين ميكرو ارگانيسم ها ، كه استفاده از داده هاي ليزري ، تغييرات آن را نشان مي دهد، مي توانند ويژگي هاي مخزن و مسير حركت آب و نفت در سازند را در يك دوره كوتاه، با تغييرات قابل توجهي روبرو نمايد.

يكي از چالش هاي مطالعه اين روش را بايد در تعميم تغييرات يك توده ميكروبي به تغيير رفتار يك مخزن هيدروكربني دانست. از سوي ديگر تاكنون بخش اعظم آزمايش ها در مخازني انجام شده كه در دوره پاياني عمر خود قرار دارند و بدين ترتيب در مورد تاثير قابل قبول اين روش در مخازن جوان تر ، ترديدهايي وجود دارد.

يك رويكرد دوگانه :

توسعه اين روش در شركت هاي نفتي نيازمند متخصصاني است كه هم اينك در اين شركت ها وجود ندارند: ميكروبيولوژيست ها ؛ مهندسان شيمي ، ژئوفيزيكدانان و مهندسان مخزن. و براي دستيابي به بهترين نتايج بايد اين افراد ،زبان همديگر را بفهمند.

بارت لومانز ،پژوهشگر شركت شل مي گويد : “در گذشته گفته مي شد كه مهندسان مخزن ، گفته هاي ميكروبيولوژيست ها را درك نمي كنند. و از سوي ديگر ميكروبيولوژيست ها نيز از گفته هاي مهندسان مخزن چيزي درك نمي كنند. و به همين دليل آموزش دانش هاي مرتبط با فعاليت هاي يك پروژه براي متخصصان حاضر در تيم ها ، بسيار حياتي است.

اما اين اقدامات براي هر شركتي ، با هزينه هاي پيش بيني نشده اي همراه است. و بايد به خاطر داشت كه كار كردن با باكتري ها در ميادين نفتي مي تواند بر شيوه هاي كنترل و مديريت چاه ، تاثيرگذار باشد.

البته در اين سال ها علاوه بر ميكروب ها ، تجهيزات تزريق هوا ، اكسيژن و كربنات كلسيم نيز در اين طرح مورد استفاده قرار گرفته اند.

گري جنمن ، سوپروايزر شركن نفتي كونوكو فيليپس مي گويد : ما در اين سال ها و در سايه مطالعات مربوط به جذب باكتري ها به دانش بيشتري در مورد فرآيندهاي داخلي چاه ها دست يافته ايم.چرا كه براي درك منشا زيستي مخازن نفت ، مي توان از دانش زيست شناسي بهره ببريم. از سوي ديگر ، پيوند دو رشته زيست شناسي و مهندسي مخزن به حفظ محيط زيست ، كاهش استفاده از مواد آلاينده و كاهش هزينه ها و در نهايت افزايش اثربخشي مي انجامد.

و فراموش نكنيد كه جينمن مي گويد :” ما در همه اين سال ها زيست شناسان را دست كم مي گرفتيم… اما دانش ميكروبيولوژي بر فرآيندها داخلي چاه ها ؛ فرآيند ترش شدن و ساير فرصت هاي فراروي اكتشاف و توليد، تاثيراتي انكار ناشدني دارد كه بايد سرمايه گذاري بيشتري بر روي آن انجام شود.”