La recuperación mejorada de petróleo mediante microbios ( MEOR , por sus siglas en inglés) es una tecnología de base biológica que implica la manipulación de funciones o estructuras dentro de entornos microbianos presentes en los yacimientos de petróleo . El objetivo principal de MEOR es mejorar la extracción de petróleo confinado en medios porosos, al tiempo que se aumentan los beneficios económicos. [1] [ 2] [3] [4] [5] Como tecnología de extracción de petróleo terciaria , MEOR permite la recuperación parcial de los 2/3 residuales comunes del petróleo, prolongando de manera efectiva la vida útil operativa de los yacimientos de petróleo maduros. [3]
La MEOR es un campo multidisciplinario que incorpora, entre otras, la geología , la química , la microbiología , la mecánica de fluidos , la ingeniería petrolera , la ingeniería ambiental y la ingeniería química . Los procesos microbianos que se llevan a cabo en la MEOR se pueden clasificar según el problema de producción de petróleo en el campo:
Hasta el momento, los resultados del MEOR se explican con base en dos fundamentos predominantes:
Incremento de la producción de petróleo . Esto se logra modificando las propiedades interfaciales del sistema petróleo-agua-minerales, con el objetivo de facilitar el movimiento del petróleo a través de medios porosos . En un sistema de este tipo, la actividad microbiana afecta la fluidez ( reducción de la viscosidad , inundación miscible); la eficiencia de desplazamiento (disminución de la tensión interfacial , aumento de la permeabilidad); la eficiencia de barrido (control de la movilidad, taponamiento selectivo) y la fuerza impulsora (presión del yacimiento).
Reducir el corte de agua. Los microbios autóctonos estimulados por los nutrientes microbianos inyectados crecen rápidamente y bloquean selectivamente las "zonas de ladrones", desviando el agua inyectada para barrer el petróleo no barrido.
Los dos fundamentos antes mencionados se demuestran en un vídeo de Youtube preparado por New Aero Technology LLC.
Varias décadas de investigación y aplicaciones exitosas respaldan las afirmaciones de MEOR como una tecnología madura . [1] [3] [5] A pesar de esos hechos, aún existe desacuerdo. [7] Las historias de éxito son específicas para cada aplicación de campo de MEOR, y sin embargo, no existe información publicada sobre las ventajas económicas de apoyo. A pesar de esto, existe consenso en considerar a MEOR como uno de los métodos de EOR más económicos existentes. [1] [3] [5] [7] Sin embargo, existe oscuridad en cuanto a predecir si el despliegue de MEOR será exitoso o no. MEOR es, por lo tanto, una de las futuras áreas de investigación con gran prioridad según lo identificado por el "Grupo de trabajo de petróleo y gas en el siglo XXI". [7] Esto probablemente se debe a que MEOR es una tecnología complementaria que puede ayudar a recuperar los 377 mil millones de barriles de petróleo que son irrecuperables mediante tecnologías convencionales. [3]
Antes de la aparición de la microbiología molecular ambiental , la palabra " bacteria " se utilizaba indistintamente en muchos campos para referirse a microbios no caracterizados, [8] y este error sistemático afectaba a varias disciplinas. Por lo tanto, en lo sucesivo se preferirá la palabra "microbio" o " microorganismo " en el texto.
En la recuperación mejorada de óxido de nitrógeno (EOR) microbiana, solo se estimulan los microbios beneficiosos, como las bacterias reductoras de nitrato (NRB). Las bacterias no beneficiosas, como las bacterias reductoras de sulfato (SRB), no se estimulan porque el proceso MEOR solo introduce nitrato en el yacimiento, pero no sulfato. Mientras tanto, las NRB en crecimiento pueden controlar las actividades de las SRB y reducir la concentración de H2S . Hasta cierto punto, el proceso MEOR puede recuperar el yacimiento de agrio a dulce.
Fue en 1926 cuando Beckam propuso la utilización de microorganismos como agentes para recuperar el petróleo remanente atrapado en medios porosos. [1] [2] [3] [5] Desde entonces se han desarrollado numerosas investigaciones, que son ampliamente revisadas. [1] [5] En 1947, ZoBell y colegas sentaron las bases de la microbiología del petróleo aplicada a la recuperación de petróleo, cuya contribución sería útil para la primera patente MEOR otorgada a Updegraff y colegas en 1957 sobre la producción in situ de agentes de recuperación de petróleo como gases, ácidos, solventes y biosurfactantes a partir de la degradación microbiana de melazas. En 1954, se realizó la primera prueba de campo en el campo de Lisboa en Arkansas, EE. UU. Durante esa época, Kuznetsov descubrió la producción de gas microbiano a partir del petróleo. A partir de este año y hasta la década de 1970 hubo una intensa investigación en EE. UU., URSS, Checoslovaquia, Hungría y Polonia. El principal tipo de experimentos de campo desarrollados en esos países consistía en inyectar microbios exógenos. En 1958, Heinningen y sus colegas propusieron el taponamiento selectivo con biomasa producida por microbios. La crisis del petróleo de 1970 desencadenó un gran interés en la investigación activa de MEOR en más de 15 países. [1] De 1970 a 2000, la investigación básica de MEOR se centró en la ecología microbiana y la caracterización de los yacimientos de petróleo. En 1983, Ivanov y sus colegas desarrollaron la tecnología de activación microbiana de estratos. En 1990, MEOR alcanzó un estatus de tecnología interdisciplinaria. En 1995, una encuesta de proyectos MEOR (322) en los EE. UU. mostró que el 81% de los proyectos aumentaron con éxito la producción de petróleo, y no hubo un solo caso de reducción de la producción de petróleo. [1] Hoy en día, MEOR está ganando atención debido a su bajo costo (menos de $10 por bbl incremental) y bajo requerimiento de CAPEX (el operador no necesita invertir en instalaciones de superficie como la EOR química tradicional o de CO2 , y puede reducir el número de pozos de perforación de relleno). [9] Varios países indicaron que podrían estar dispuestos a utilizar MEOR en un tercio de sus programas de recuperación de petróleo para 2010. [3] Además, como Wall Street, los operadores de petróleo de esquisto y el Departamento de Energía de EE. UU. se dan cuenta del factor de recuperación extremo de los pozos de petróleo de esquisto de EE. UU. (menor al 10 %), el SBIR de EE. UU. patrocinó el primer piloto MEOR de pozo de petróleo de esquisto fracturado en múltiples etapas en el mundo en 2018, [10] "Prueba piloto de campo del nuevo proceso EOR biológico para extraer petróleo atrapado de yacimientos no convencionales", realizado por New Aero Technology LLC.
Existe una gran cantidad de afirmaciones revisadas sobre las ventajas de MEOR. [1] [2] [3] [7] [11] Hay muchas publicaciones en el sitio web www.onepetro.com mantenido por la Sociedad de Ingeniería del Petróleo y otros sitios web o bases de datos. Algunas aplicaciones de campo también son compartidas por empresas de microbiología del petróleo.
Las ventajas se pueden resumir de la siguiente manera: [1] [2] [3] [7] [11]
Desventajas de MEOR: [7]
Los yacimientos de petróleo son entornos complejos que contienen factores vivos ( microorganismos ) y no vivos ( minerales ) que interactúan entre sí en una red dinámica complicada de nutrientes y flujos de energía. Dado que el yacimiento es heterogéneo, también lo es la variedad de ecosistemas que contienen diversas comunidades microbianas, que a su vez pueden afectar el comportamiento del yacimiento y la movilización del petróleo. [2] [3] [4] [7]
Los microbios son máquinas vivas cuyos metabolitos , productos de excreción y nuevas células pueden interactuar entre sí o con el medio ambiente, de forma positiva o negativa, dependiendo del propósito global deseable, por ejemplo, la mejora de la recuperación de petróleo. Todas estas entidades, es decir, enzimas, sustancias poliméricas extracelulares (EPS) [12] [13] y las propias células, pueden participar como catalizadores o reactivos. Tal complejidad se incrementa por la interacción con el medio ambiente, que desempeña un papel crucial al afectar la función celular, es decir, la expresión genética y la producción de proteínas.
A pesar de este conocimiento fundamental sobre la fisiología celular , sigue siendo inexistente una comprensión sólida sobre la función y la estructura de las comunidades microbianas en los yacimientos de petróleo, es decir, la ecofisiología .
El objetivo de MEOR es mejorar continuamente la recuperación de petróleo haciendo uso del proceso metabólico de los microbios beneficiosos autóctonos.
Varios factores afectan concomitantemente el crecimiento y la actividad microbiana. [5] En los yacimientos de petróleo, estas limitaciones ambientales permiten el establecimiento de criterios para evaluar y comparar la idoneidad de varios microorganismos. Esas restricciones pueden no ser tan duras como en otros entornos de la Tierra . Por ejemplo, con salmueras connatas la salinidad es mayor que la del agua de mar pero menor que la de los lagos salados . Además, presiones de hasta 20 MPa y temperaturas de hasta 85 °C, en yacimientos de petróleo, están dentro de los límites para la supervivencia de otros microorganismos.
Algunas restricciones ambientales que crean presiones selectivas sobre los sistemas celulares que también pueden afectar a las comunidades microbianas en los yacimientos de petróleo son:
Las enzimas son catalizadores biológicos cuya función se ve afectada por una variedad de factores, incluida la temperatura , que, en diferentes rangos, puede mejorar o dificultar las reacciones mediadas por enzimas . Esto tendrá un efecto sobre el crecimiento celular óptimo o el metabolismo . Esta dependencia permite la clasificación de los microbios según el rango de temperaturas en el que crecen. Por ejemplo: psicrófilos (<25 °C), mesófilos (25–45 °C), termófilos (45–60 °C) e hipertermófilos (60–121 °C). Aunque estas células crecen óptimamente en estos rangos de temperatura, puede que no haya una relación directa con la producción de metabolitos específicos .
Los efectos de la presión sobre el crecimiento microbiano en condiciones oceánicas profundas fueron investigados por ZoBell y Johnson en 1949. Llamaron barófilos a aquellos microbios cuyo crecimiento se vio favorecido por el aumento de la presión. Otras clasificaciones de microorganismos se basan en si el crecimiento microbiano se inhibe en condiciones estándar (piezófilos) o por encima de 40 MPa (piezotolerantes). Desde un punto de vista molecular, la revisión de Daniel [14] muestra que a altas presiones la doble hélice del ADN se vuelve más densa y, por lo tanto, tanto la expresión génica como la síntesis de proteínas se ven afectadas.
El aumento de la presión aumenta la solubilidad del gas y esto puede afectar el potencial redox de los gases que participan como aceptores y donadores de electrones, como el hidrógeno o el CO 2 .
Un estudio concluyó que se logra una actividad bacteriana sustancial cuando existen interconexiones de poros que tienen al menos 0,2 μm de diámetro. [15] Se espera que el tamaño y la geometría de los poros puedan afectar la quimiotaxis . Sin embargo, esto no se ha demostrado en condiciones de yacimientos de petróleo .
La acidez o alcalinidad tiene un impacto sobre varios aspectos de los sistemas vivos y no vivos. Por ejemplo:
Los cambios en la superficie celular y el espesor de la membrana pueden ser promovidos por el pH debido a su poder de ionización de las proteínas embebidas en la membrana celular . Las regiones iónicas modificadas pueden interactuar con partículas minerales y afectar el movimiento de las células a través de medios porosos.
Las proteínas celulares incrustadas desempeñan un papel fundamental en el transporte de sustancias químicas a través de la membrana celular . Su función depende en gran medida de su estado de ionización , que a su vez se ve muy afectado por el pH .
En ambos casos, esto puede ocurrir en comunidades microbianas ambientales aisladas o complejas . Hasta el momento, se desconoce la comprensión de la interacción entre el pH y las comunidades microbianas ambientales, a pesar de los esfuerzos de la última década. Se sabe poco sobre la ecofisiología de las comunidades microbianas complejas y la investigación aún está en etapa de desarrollo. [16] [17] [18]
El potencial de oxidación (Eh, medido en voltios) es, como en cualquier sistema de reacción, la fuerza impulsora termodinámica de la respiración anaeróbica , que tiene lugar en entornos pobres en oxígeno. Los procariotas se encuentran entre las células que tienen la respiración anaeróbica como estrategia metabólica para la supervivencia. El transporte de electrones se lleva a cabo a lo largo y a través de la membrana celular (los procariotas carecen de mitocondrias). Los electrones se transfieren de un donante de electrones (molécula que se va a oxidar anaeróbicamente) a un aceptor de electrones (NO 3 , SO 4 , MnO 4 , etc.). El Eh neto entre un donante y un aceptor de electrones determinados, los iones de hidrógeno y otras especies presentes determinarán qué reacción tendrá lugar primero. Por ejemplo, la nitrificación es jerárquicamente más favorecida que la reducción de sulfato. Esto permite una mejor recuperación de petróleo al desfavorecer el H 2 S producido biológicamente , que se deriva del SO 4 reducido . En este proceso, los efectos de la reducción de nitrato sobre la mojabilidad , la tensión interfacial , la viscosidad , la permeabilidad , la biomasa y la producción de biopolímeros siguen siendo desconocidos.
La concentración de electrolitos y otras especies disueltas puede afectar la fisiología celular. La disolución de electrolitos reduce la actividad termodinámica (aw), la presión de vapor y la autoprotólisis del agua . Además, los electrolitos promueven un gradiente de fuerza iónica a través de la membrana celular y, por lo tanto, proporcionan una poderosa fuerza impulsora que permite la difusión del agua dentro o fuera de las células. En entornos naturales, la mayoría de las bacterias son incapaces de vivir a una aw inferior a 0,95. Sin embargo, algunos microbios de entornos hipersalinos , como las especies de Pseudomonas y Halococcus, prosperan a una aw más baja y, por lo tanto, son interesantes para la investigación MEOR.
Pueden ocurrir en función del pH y del Eh. Por ejemplo, el aumento de la fuerza iónica aumenta la solubilidad de los no electrolitos ('salinización'), como en el caso de la disolución del dióxido de carbono , un regulador del pH de una variedad de aguas naturales.
Aunque se acepta ampliamente que la depredación , el parasitismo , el sintrofismo y otras relaciones también ocurren en el mundo microbiano, se sabe poco sobre estas relaciones en MEOR y se han descartado en los experimentos MEOR.
En otros casos, algunos microorganismos pueden prosperar en ambientes deficientes en nutrientes (oligotrofia), como los acuíferos graníticos y basálticos profundos . Otros microbios, que viven en sedimentos, pueden utilizar los compuestos orgánicos disponibles ( heterotrofia ). La materia orgánica y los productos metabólicos entre formaciones geológicas pueden difundirse y favorecer el crecimiento microbiano en ambientes distantes. [19]
La comprensión del mecanismo MEOR aún está lejos de ser clara. Aunque se han dado diversas explicaciones en experimentos aislados, [1] [2] [3] [5] [7] no está claro si se llevaron a cabo intentando imitar las condiciones de los yacimientos de petróleo.
El mecanismo puede explicarse desde el punto de vista cliente-operador que considera una serie de efectos positivos o negativos concomitantes que resultarán en un beneficio global:
Se puede cambiar la ecofisiología de los yacimientos petrolíferos para favorecer la MEOR complementando diferentes estrategias. La estimulación microbiana in situ se puede promover químicamente inyectando aceptores de electrones como nitrato, melaza de fácil fermentación, vitaminas o surfactantes . Alternativamente, la MEOR se promueve inyectando microbios exógenos, que pueden estar adaptados a las condiciones del yacimiento petrolífero y ser capaces de producir los agentes MEOR deseados (Tabla 1).
Este conocimiento se ha obtenido a partir de experimentos con cultivos puros y, en ocasiones, con comunidades microbianas complejas, pero las condiciones experimentales distan mucho de imitar las que prevalecen en los yacimientos de petróleo. Se desconoce si los productos metabólicos dependen del crecimiento celular , y las afirmaciones al respecto deben tomarse con cautela, ya que la producción de un metabolito no siempre depende del crecimiento celular. [20]
En el taponamiento selectivo, las células acondicionadas y las sustancias poliméricas extracelulares taponan las zonas de alta permeabilidad, lo que da como resultado un cambio de dirección de la inundación de agua hacia canales ricos en petróleo, aumentando en consecuencia la eficiencia de barrido de la recuperación de petróleo con la inundación de agua. La producción de biopolímeros y la formación de biopelícula resultante (menos del 27 % de células, 73-98 % de EPS y espacio vacío) se ven afectadas por la química del agua, el pH, la carga superficial , la fisiología microbiana, los nutrientes y el flujo de fluidos. [12] [13]
Los surfactantes producidos por microbios, es decir, los biosurfactantes reducen la tensión interfacial entre el agua y el aceite, y por lo tanto se requiere una presión hidrostática más baja para mover el líquido atrapado en los poros para superar el efecto capilar . En segundo lugar, los biosurfactantes contribuyen a la formación de micelas proporcionando un mecanismo físico para movilizar el aceite en una fase acuosa en movimiento. Los compuestos hidrofóbicos e hidrofílicos están en juego y han atraído la atención en la investigación MEOR, y los principales tipos estructurales son lipopéptidos y glicolípidos, siendo la molécula de ácido graso la parte hidrofóbica. El biosurfactante producido por Pseudomonas putida exhibió una mayor tensión interfacial (51 – 8 mN/m) entre el aceite y el agua, que es necesaria para movilizar el aceite fácilmente [21].
En esta antigua práctica, la producción de gas tiene un efecto positivo en la recuperación de petróleo al aumentar la presión diferencial que impulsa el movimiento del petróleo. El metano producido anaeróbicamente a partir de la degradación del petróleo tiene un bajo efecto sobre la MEOR debido a su alta solubilidad a altas presiones. El dióxido de carbono también es un buen agente de MEOR. El CO 2 miscible se condensa en la fase líquida cuando los hidrocarburos ligeros se vaporizan en la fase gaseosa . El CO 2 inmiscible ayuda a saturar el petróleo, lo que da como resultado la hinchazón y la reducción de la viscosidad de la fase líquida y, en consecuencia, mejora la movilización mediante una presión impulsora adicional. Al mismo tiempo, otros gases y solventes pueden disolver la roca carbonatada , lo que lleva a un aumento en la permeabilidad y la porosidad de la roca.
Las aplicaciones de campo MEOR en todo el mundo se han revisado en detalle. [1] [2] [3] [5] Aunque se desconoce el número exacto de ensayos de campo, Lazar et al. [1] sugirieron un orden de cientos. Se han realizado ensayos de campo MEOR exitosos en los EE. UU., Rusia, China, Australia, Argentina, Bulgaria, la ex Checoslovaquia, la ex Alemania del Este , Hungría, India, Malasia, Perú, Polonia y Rumania. [1] [3] [7] Lazar et al. [1] sugirieron que China es líder en el área, y también encontraron que el estudio más exitoso se llevó a cabo en el campo Alton, Australia (aumento del 40% de la producción de petróleo en 12 meses).
La mayoría de los ensayos de campo se realizaron en yacimientos de arenisca y muy pocos en yacimientos fracturados y carbonatos. [7] Los únicos ensayos de campo en alta mar conocidos fueron en Norne (Noruega) y Bokor (Malasia). [7]
Como lo revisaron Lazar et al., [1] la aplicación en el campo siguió diferentes enfoques, como la inyección de microorganismos exógenos (inundación microbiana); control de la deposición de parafina ; estimulación de microbios autóctonos; inyección de biopolímeros producidos ex situ ; ultramicrobios seleccionados privados de nutrientes (taponamiento seleccionado); taponamiento seleccionado por consolidación de arena debido a la biomineralización y obstrucción de fracturas en formaciones de carbonato; manipulación de nutrientes de microbios de reservorio autóctonos para producir ultramicrobios; y cultivos de enriquecimiento mixtos adaptados.
Los resultados de MEOR informados a partir de ensayos de campo varían ampliamente. No se han realizado experimentos controlados rigurosos y es posible que no sean posibles debido a los cambios dinámicos en el yacimiento cuando se recupera el petróleo. Además, se desconocen las ventajas económicas de estos ensayos de campo y se desconoce la respuesta a por qué los otros ensayos no tuvieron éxito. No se pueden extraer conclusiones generales porque las características físicas y mineralógicas de los yacimientos de petróleo informados fueron diferentes. Por lo tanto, la extrapolación de tales conclusiones es inviable.
La mayoría de los casos de éxito en el campo fueron llevados a cabo por Glori Energy Inc. en Houston. Tiene casos de éxito en Kansas, California, Canadá, Brasil, etc. Las aplicaciones en el campo se pueden encontrar en el sitio web del nuevo propietario de las propiedades intelectuales de Glori.
Se han publicado numerosos intentos de modelar la MEOR. [3] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] Hasta ahora, no está claro si los resultados teóricos reflejan los escasos datos publicados. El desarrollo de modelos matemáticos para la MEOR es un gran desafío, ya que se deben considerar factores físicos, químicos y biológicos.
Los modelos MEOR publicados se componen de propiedades de transporte, leyes de conservación , equilibrio local, ruptura de la teoría de filtración y deformación física. [3] [29] [23] [24] [25] [26] [30] Dichos modelos son hasta ahora simplistas y se desarrollaron en base a:
(A) Leyes fundamentales de conservación, crecimiento celular, cinética de retención de biomasa y biomasa en fase acuosa y oleosa. El objetivo principal fue predecir la retención de porosidad en función de la distancia y el tiempo.
(B) Modelo de filtración para expresar el transporte bacteriano en función del tamaño de poro; y relacionar la permeabilidad con la tasa de penetración microbiana aplicando la ley de Darcy.
La cinética química es fundamental para acoplar la formación de bioproductos a los flujos de especies acuosas y microbios suspendidos. [31] También se han seguido enfoques totalmente numéricos. [22] [32] Por ejemplo, ecuaciones diferenciales parabólicas no lineales acopladas: sumando la ecuación para la tasa de difusión de microbios y su captura por medio poroso; ecuaciones de balance diferencial para el transporte de nutrientes, incluido el efecto de la adsorción; y la suposición de cinética de crecimiento bacteriano basada en la ecuación de Monod .
La ecuación de Monod se utiliza comúnmente en el software de modelado, pero tiene un comportamiento limitado por ser inconsistente con la ley de acción de masas que forma la base de la caracterización cinética del crecimiento microbiano. La aplicación de la ley de acción de masas a las poblaciones microbianas da como resultado la ecuación logística lineal . Si la ley de acción de masas se aplica a un proceso catalizado por enzimas, da como resultado la ecuación de Michaelis-Menten , de la que se inspira Monod. Esto dificulta las cosas para la producción de biosurfactantes in situ porque se requiere experimentación controlada para determinar la tasa de crecimiento específica y los parámetros de Michaelis-Menten de la reacción enzimática limitante de la velocidad .
El modelado de la bioobstrucción es complicado porque la producción de metabolitos obstructivos está acoplada de forma no lineal al crecimiento de microbios y al flujo de nutrientes transportados en el fluido.
La ecofisiología de todo el microcosmos microbiano en condiciones de yacimientos petrolíferos aún no está clara y, por lo tanto, no se considera en los modelos disponibles. Los microorganismos son un tipo de catalizador cuya actividad (fisiología) depende de la interacción mutua con otros microbios y el medio ambiente (ecología). En la naturaleza, los elementos vivos y no vivos interactúan entre sí en una red complicada de nutrientes y energía. Algunos microbios producen sustancias poliméricas extracelulares y, por lo tanto, su comportamiento en los medios de vertido debe considerar tanto la ocupación por el EPS como por los propios microbios. [12] [13] Se carece de conocimiento al respecto y, por lo tanto, el objetivo de maximizar el rendimiento y minimizar el costo sigue sin lograrse.
No existen modelos realistas de MEOR en las condiciones del yacimiento petrolífero, y los modelos de poros paralelos descritos tenían deficiencias fundamentales que se superaron con modelos que consideraban la obstrucción de los poros por microbios o biopelículas, pero dichos modelos también tienen la deficiencia de ser bidimensionales. No se ha demostrado la utilización de dichos modelos en modelos tridimensionales. No se sabe si se pueden incorporar a software de simulación de yacimientos petrolíferos popular. Por lo tanto, una estrategia de campo necesita un simulador capaz de predecir el crecimiento y el transporte bacteriano a través de la red porosa y la producción in situ de agentes MEOR.