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Main Title: Opportunities and challenges for in situ, fermentation-based microbial enhanced oil recovery (MEOR) in a high-salinity oilfield
Translated Title: Perspektiven und Herausforderungen für tertiäre Erdölförderung auf Basis mikrobieller Fermentation in situ in einer hochsalinen Öllagerstätte
Author(s): Kögler, Felix
Advisor(s): Schulze-Makuch, Dirk
Alkan, Hakan
Dopffel, Nicole
Visser, Foppe
Referee(s): Schulze-Makuch, Dirk
Neumann, Thomas
Amro, Mohd
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Microbial Enhanced Oil Recovery (MEOR) represents a promising economic and sustainable EOR approache but is still scarcely employed due to its image as a “black-box” technology. Within the framework of this dissertation, opportunities for in situ MEOR in a low-temperature (37 °C) and high-salinity (180 g*L-1) oilfield by stimulating the growth of anaerobic fermentative bacteria of the order Halanaerobiales was assessed using dynamic sandpacks operated anaerobically under 5 bar with different materials including crushed reservoir rock and resulting in reservoir-representative permeabilities of 10,000 – 800 mD. Wettability alteration, mineral dissolution and potentially selective plugging were the main contributors for oil mobilization, but were not fully accounted for in water-wet sandpacks with quartz sand. However, incremental recovery in sandpacks with reservoir rock was 23.2 ± 6.4 %, with respect to the Original Oil In Place (OOIP). Sucrose consumption rates in sandpacks with oil-wet crushed reservoir rock with a cumulative content of 1.2 % carbonates and sulfides was six-fold higher compared to inert quartz sand, i.e. 3.7 mM*d-1. The dissolution of surface-coating minerals was confirmed by both XPS measurements and a decrease in specific surface area and is assumed to have induced the observed wettability change towards more water-wet conditions which was concurrent with significant incremental oil recovery. Besides promoting oil recovery, microorganisms can also have detrimental effects in oil reservoirs, most notably by the activity of Sulfate Reducing Microorganisms (SRM). Molybdate was tested as a SRM-specific souring control agent not interfering with the chosen MEOR approach. 0.5 mM molybdate resulted in the sustained and complete inhibition of SRM over twenty days in batch experiments, but significant adsorption of ≥ 34 µmolMolybdate*g-1Rock to reservoir rock was observed, mainly controlled by accessory amounts of pyrite and iron (hydr)oxides. In summary, this thesis combined reservoir engineering, microbiological and geological aspects for an interdisciplinary approach on MEOR. It was shown for the first time that MEOR is applicable to reservoirs with a salinity of up to 180 g*L-1, thus extending previous recommendations for a maximum salinity of 10 %. In addition, these results indicate that in situ, fermentation based MEOR has potential for supporting the transition phase between the age of fossil fuels to alternative energy sources as an economic and sustainable tertiary recovering technique for enhancing oil recovery from mature fields.
Microbial Enhanced Oil Recovery (MEOR) kann maßgeblich zu einer effizienteren Ausbeutung von sich bereits lange in Produktion befindlichen Erdöllagerstätten beitragen, findet bisher allerdings auf Grund der vorherrschenden Reputation als „Black Box“-Technologie nur selten Anwendung. Im Rahmen dieser Dissertation wurde das Potential für in situ MEOR in einer Onshore-Lagerstätte mit einer Salinität von 180 g*L-1 und einer Temperatur von 37 °C mittels fermentativen Wachstum anaerober, halophiler Bakterien der Ordnung Halanaerobiales, das durch die Injektion von Saccharose in situ angeregt wurde, erkundet. Hierzu wurden sogenannte Sandpacks mit verschiedenen Materialien und einer lagerstättenspezifischen Permeabilität von 10,000 – 800 mD angefertigt, die unter 5 bar mit verschiedenen, dem Testfeld entnommenen Fluiden geflutet wurden. Die Änderung der Benetzbarkeit, Mineralauflösung und sowie potentiell selektives Plugging wurden als Hauptmechanismen für MEOR identifiziert, allerdings konnten nicht all diese Effekte in Sandpacks mit reinem Quarzsand beobachtet werden, sodass die inkrementelle Mehrentölung lediglich ungefähr ein Drittel im Vergleich zu Sandpacks mit Lagerstättengestein, die eine Mehrentölung von 23,2 ± 6,4 % aufwiesen, betrug. Die Saccharose-Abbaurate in Sandpacks mit Lagerstättengestein mit einem kumulativen Gehalt von 1.2 % Karbonaten und Sulfiden betrug im Vergleich zu Sandpacks mit inertem Quarzsand etwa das sechsfache, 3,7 mM*d-1. Zeitgleich wurden eine Abnahme der spezifischen Oberfläche sowie eine Auflösung von oberflächlichen Eisenmineralen mittels XPS registriert. Die beobachteten Änderungen der relativen Permeabilitäten deuten zudem darauf hin, dass dieser hauptsächlich oberflächliche Prozess die Benetzbarkeitsänderung in Richtung einer hydrophileren Oberfläche des porösen Mediums ausgelöst hat. Mikroorganismen können eine Erdöllagerstätte auch nachteilig beeinflussen, maßgeblich durch die Aktivität von Sulfat reduzierenden Mikroorganismen (SRM). Molybdat wurde hier als ein SRM-spezifisches und den MEOR-Ansatz nicht nachteilig beeinflussendes Inhibierungsmittel getestet. Die Zugabe von 0.5 mM Molybdat führte in Batchversuchen zu einer Hemmung der Aktivität von SRM über den gesamten Versuchszeitraum von 20 Tagen, allerdings wurde mit einer geschätzten Langmuir-Sättigung von ≥ 34 µmolMoO4*g-1Gestein eine beträchtliche Adsorption am Lagerstättengestein festgestellt. Die vorliegende Dissertation vereint unter Berücksichtigung geologischer Aspekte sowohl Aspekte des Lagerstätteningenieurwesens als auch der Mikrobiologie. Es wurde erstmals gezeigt, dass MEOR auch in Ölfeldern mit einer Salinität von 180 g*L-1 Anwendung finden kann und die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass in situ MEOR eine vielversprechende und gleichzeitig ökologische Methode darstellt, um während der bevorstehenden Übergangsphase zwischen dem Ölzeitalter hin zu einer wie auch immer gearteten alternativen Energieversorgung einen bedeutsamen Beitrag zu leisten.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10977
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9867
Exam Date: 12-Feb-2020
Issue Date: 2020
Date Available: 17-Sep-2020
DDC Class: 579 Mikroorganismen, Pilze, Algen
550 Geowissenschaften
Subject(s): microbial enhanced oil recovery
oilfield microbiology
Halanaerobiales
reservoir engineering
sandpacks
Erdölmikrobiologie
Lagerstätteningenieurwesen
sandgepackte Säulen
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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