Download Valdez Zita BIOMECÁNICA

12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECÁNICA
Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015
MEJORAMIENTO DE LA PRODUCCIÓN DE CRUDO ASISTIDO POR
MICROORGANISMOS
Zita I. Valdez Morales1, Thalía X. Osorio Guzmán1, Helen D. Lugo Méndez1, Raúl Lugo Leyte1, José M.
Cajigas Silva2, J. Guadalupe Vargas Vázquez3
1
Departamento de Ingeniería de Procesos e Hidráulica, Universidad Autónoma Metropolitana- Iztapalapa
Av. San Rafael Atlixco No. 186, Colonia Vicentina, 09340, México D.F.,
2
Pemex Exploración Y Producción, Subdirección de desarrollo de campos, Coordinación de ejecución de
proyectos. Gerencia del Proyecto de Desarrollo Ayatsil-Tekel. Edificio Administrativo Playa Norte, Av. Paseo
del Mar #4, 3er Piso, Col. Justo Sierra, Cd. del Carmen, Campeche 24114, México
3
MAVAZCAR S.A: de C.V. Suministros, Servicios e Ingeniería. Manzana 36 casa 4, 3ra etapa. Col. Lázaro
Cárdenas del Río, Paraíso, Tabasco, 86600, México.
*[email protected]
RESUMEN
En este trabajo se presenta el estudio comparativo de las principales ventajas, desventajas y limitantes del
mejoramiento de la recuperación, extracción y transporte del crudo pesado asistido por microorganismos
(MEOR, Microbial Enheaced Oil Recovery). Dentro de las aplicaciones de la biotecnología MEOR se
encuentran: la estimulación de producción de pozos individuales, la inyección continua de agua y
microorganismos (inundación), el biobarrido de nutrientes usando el sistema de bio-huff -and- puff, la limpieza
de pozos con bacterias, el taponamiento selectivo con bacterias y la recuperación de fluidos de fracturación con
microorganismos. Los microorganismos que asisten las aplicaciones mencionadas forman bioproductos como
biomasa, bioácidos, biogases, biopolímeros, biosolventes y biosurfactantes. Todos con la finalidad de degradar,
desulfurar el crudo, reducir la tensión interfacial, aumentar la relación de movilidad agua-crudo, aumentar la
porosidad, aumentar la permeabilidad de las rocas de carbono y represurizar parcialmente el yacimiento de
crudo. Por ejemplo, Clostridium produce biosurfactantes disminuyendo la viscosidad del crudo; Bacillus produce
biopolímeros que aumentan la relación de movilidad agua-crudo. La aplicación de cada microorganismo
depende de sus condiciones biológicas y de las condiciones físicas y químicas de cada yacimiento, como se
muestra en el desarrollo de este estudio.
PALABRAS CLAVE: Bioproducto, biotecnología, mejoramiento, MEOR, yacimiento.
INTRODUCCIÓN
Hoy en día las reservas de crudo tienen una capacidad de producción limitada, por lo que se prevé su
agotamiento en el futuro. El descubrimiento de nuevos yacimientos de crudo con grandes reservas ocurre cada
vez con menos frecuencia y los esfuerzos se enfocan en recuperar el crudo que permanece aún atrapado dentro
del yacimiento de crudo, por lo que no fluye espontáneamente a través de los pozos de producción [1,2].
La presión natural del yacimiento de crudo, permite que el crudo fluya a la superficie, a este proceso se le
denomina producción primaria, ya que sólo depende de la energía interna del mismo. Mientras la presión interna
disminuye en la producción primaria, se alcanza un punto crítico donde es necesario proveer de energía externa
(inyección de gas o de agua) al yacimiento de crudo, para que pueda ser explotado la mayor cantidad de crudo; a
este proceso se le denomina producción secundaria. Posteriormente, para extraer el crudo residual se utiliza la
producción terciaria, que es la aplicación de técnicas que contribuyen a la recuperación del mismo, modificando
sus propiedades o de la caracterización del medio poroso dentro del yacimiento [3].
La aplicación microbiológica en la explotación de yacimientos de crudo se utilizan desde hace cinco décadas
aproximadamente. La base científica de estos métodos de exploración y prospección de crudo consiste en la
migración de hidrocarburos ligeros gaseosos como: metano, etano, propano y butano, desde el yacimiento de
crudo hasta el pozo y en la asimilación de estos compuestos hidrocarbonados por grupos específicos de
microorganismos, que habitan en el subsuelo de esos ecosistemas. Existen bacterias que utilizan los gases
previamente mencionados como única fuente de carbono y energía para su crecimiento produciendo
bioproductos [4].
Este trabajo tiene como objetivo dar a conocer los mecanismos de acción de los bioproductos en las
aplicaciones biotecnológicas de MEOR, como una alternativa sustentable de producción terciaria para crudo.
MICROBIAL ENHANCED OIL RECOVERY (MEOR)
MEOR es una técnica de producción terciaria en la que se inyectan microorganismos y los nutrientes
necesarios para su crecimiento dentro del yacimiento de crudo. Los bioproductos (gases, ácidos carboxílicos,
solventes, polímeros, etc.) producidos, son útiles para la recuperación de crudo cuando se les proporcionan los
nutrientes esenciales (carbono, hidrogeno, nitrógeno, fosforo y azufre), y las condiciones ambientales adecuadas
(presión, temperatura, pH, salinidad y la presencia o ausencia de oxígeno) [5].
El estudio de los bioproductos respecto al crudo se lleva a cabo para:
a) Desarrollar bioproductos que puedan mejorar la recuperación secundaria y terciaria.
b) Promover la movilización del crudo mediante la reducción de su viscosidad y de la tensión interfacial.
c) Permitir la inyección de los microorganismos en el yacimiento de crudo que producirán los
bioproductos in- situ para la recuperación del crudo.
d) Estudiar la ecología microbiana del yacimiento de crudo.
VENTAJAS DE MEOR
Los beneficios en la aplicación de MEOR son los siguientes [2]:
 Las bacterias y nutrientes inyectados son económicos y fáciles de conseguir, además son manipulables
en su aplicación.
 Se requiere poca energía para producir agentes MEOR.
 Comparado con otras tecnologías de recuperación de crudo, se requiere pocas modificaciones de las
características del yacimiento de crudo requeridas para las tecnologías MEOR, además la instalación de
estas tecnologías son más fáciles y económicas.
 Los fluidos inyectados no son petroquímicos, su costo no es dependiente del precio de crudo global.
 Los procesos MEOR son particularmente adecuados para yacimientos de crudo carbonatados donde
otras tecnologías de recuperación son poco eficientes.
 Los efectos de la actividad bacteriana dentro del yacimiento de crudo aumentan por el crecimiento
microbiano y con el tiempo, mientras que otras tecnologías disminuyen su eficiencia con el tiempo.
En la Tabla 1 se muestra la clasificación de bioproductos y los microorganismos candidatos a la aplicación en
recuperación de crudo con su correspondiente mecanismo de acción.
Tabla 1: Bioproductos microbianos y su mecanismo de acción [5,6].
Bioproducto
Biomasa
Microorganismo
Bacillus licheniformis,
Leuconostoc mesenteroides,
Xanthomonas campestris.
Biosurfactantes
Acetinobacter calcoaceticus,
Arthrobacter paraffineus,
Bacillus sp., Clostridium sp.,
Pseudomonas sp.



Emulsificación.
Reducción de tensión interfacial.
Reducción de viscosidad.
Biopolímeros
Bacillus polymyxa,
Brevibacterium viscogenes,
Leucnostoc mesenteroides,
Xanthomonas campestris,
Enterobacter sp.
Clostridium acetobutylicum,
Clostridium pasteurianum,
Zymomonas mobilis



PMPM.
Control de movilidad.
Modificación de viscosidad.


Emulsificación.
Reducción de viscosidad.
Biácidos
Clostridium sp.,
Enterobacter aerogenes.



Biogases
Clostridium sp.,
Enterobacter aerogene,
Methanobacterium sp.





Aumento de permeabilidad y porosidad.
Emulsificación.
Reacción con rocas calcáreas y con producción de
CO2.
Aumento de presión.
Reducción de tensión interfacial.
Reducción de viscosidad.
Aumento de permeabilidad.
Aumento de la permeabilidad debido a la
solubilización de rocas carbonatadas por CO2.
Biosolventes
Mecanismo de acción
 Perfil de modificación de permeabilidad
microbiano (PMPM).
 Reducción de viscosidad.
 Degradación de crudo y alteración de
humectabilidad.
 Emulsificación
mediante
adherencia
a
hidrocarburos.
 Desulfuración de crudo.
DESVENTAJAS Y PROBLEMAS DE MEOR
Respecto a las características del yacimiento de crudo:
 La salmuera contiene metales tóxicos para los microorganismos en general, esta toxicidad aumenta a
temperaturas elevadas.
 El aumento de la temperatura se debe a la profundidad del yacimiento de crudo desde la superficie.
 Marquis (1983) reportó que a presiones altas, la tasa de crecimiento microbiano disminuye a cualquier
temperatura.
 Solo se pueden utilizar bacterias para MEOR. Algas, protozoarios, hongos y esporas se descartan.
LIMITACIONES
Las condiciones físicas y químicas del yacimiento de crudo son importantes para llevar a cabo el proceso
MEOR.
En la Tabla 2 se presentan los valores aceptados de las limitaciones físicas y químicas de un yacimiento de crudo
para el proceso MEOR.
Tabla 2: Valores aceptados de limitantes físicas y químicas de un yacimiento de crudo [7].
Limitante
Porosidad (µm)
Permeabilidad (mD)
Profundidad (m)
Temperatura (K)
Presión (MPa)
Salinidad (p/v)
pH
API
Valor aceptado
>0.5
>75
<3,000
<348
<60.79
<10%
4-9
>18
A continuación se describen cada una de las limitantes. [7]:
a) Litología: El crudo se encuentra almacenado en diversidad de rocas sedimentarias aunque también
puede estar en otro tipo de rocas como metamórficas e ígneas [8].
b) Porosidad y permeabilidad: El crudo junto con los gases y agua están atrapados dentro de los poros de
las rocas que deben estar intercomunicados. El tamaño de poro es importante para el transporte
microbiano debido a la diversidad de morfología de las bacterias (cocos, bacilos, tétradas, espirilos,
sarcinas, etc.). El tamaño de éstas tienen dimensiones aproximadas de longitud de 0.5 a 10µm y ancho
de 0.5 a 2µm; significa que un poro de menos de 0.5µm de largo y ancho es una restricción para que se
lleve a cabo el proceso MEOR.
c) Profundidad: No es por si sola una limitante en el crecimiento microbiano, pero su efecto en la
temperatura y presión del yacimiento de crudo si afecta.
d) Temperatura: Se puede conocer la temperatura del yacimiento de crudo como se muestra en la Ec. (1)
en función de la profundidad:
g D
(1)
T T  G t
f
0
100
e) Presión: A mayor profundidad, mayor presión. A una profundidad de 3 000 m la presión es mayor a
68.9 MPa. Los microorganismos que pueden sobrevivir a estas circunstancias son los barófilos
extremos (+60.79 MPa). Por lo tanto este tipo de microorganismo es candidato para el proceso.
f) Sólidos disueltos: El exceso de las sales de la salmuera y metales pesados pueden afectar la asimilación
de los nutrientes para los microorganismos, algunos metales son tóxicos para ellos.
g) Salinidad: El cloruro de sodio presente en la salmuera siempre es >10 % (p/v). Los microorganismos
aptos a estas condiciones son los halófilos (10%-34% p/v). Por lo tanto estos microorganimos son
candidatos a este proceso.
h) pH: Está dentro de un rango de 3-9. Es un rango amplio y está dentro de las condiciones ambientales
óptimas de los microorganimos. Cabe mencionar que la variación de bioproductos modifica el pH.
i) API: Mientras menor es la viscosidad del crudo, más difícil la recuperación con los bioproductos.
j) Químicos tóxicos- Algunos compuestos tóxicos se encuentran en los yacimientos de crudo como
biocidas, ácido etilendiaminotetraacetato y tolueno.
ESTIMULACIÓN DE POZOS
El estudio del análisis histórico, las características, la eficiencia de producción y el análisis económico de
cualquier yacimiento de crudo, permite conocer el tipo de aplicación biotecnológica de MEOR, que favorecerá la
recuperación de crudo de acuerdo a las restricciones que presente dicho yacimiento. También permite predecir si
el proceso MEOR es aplicable al yacimiento de crudo o es más conveniente utilizar otra técnica de recuperación
mejorada de crudo. Las aplicaciones biotecnológicas de MEOR son; la inyección continúa de agua y
microorganismos (inundación), el biobarrido de nutrientes usando el sistema de bio-huff -and- puff, la limpieza
de pozos con bacterias, el taponamiento selectivo con bacterias y la recuperación de fluidos de fracturación con
microorganismos.
Inyección continúa de agua y microorganismos (Inundación).
Los yacimientos de crudo a los que se les aplican la inundación de agua, la salmuera producida con el crudo
es aireada para completar la oxidación y precipitación de óxidos y después es re-inyectada dentro del yacimiento
para desplazar el crudo hacia la superficie de los pozos. La inyección de microorganismos a esta inundación
continua con agua se utiliza como complemento para el mejoramiento de recuperación de crudo.
Ivanov y Belyaev (1983) examinaron la flora microbiana de la inyección de agua a un yacimiento de crudo y
encontraron que la oxidación bacteriana de crudo tenía lugar en la zona de contacto entre la inyección de agua de
salmuera de baja salinidad y el agua estratigráfica del yacimiento de crudo. También notaron que los productos
de la destrucción aeróbica de crudo estimulaban la producción de metano por parte de las bacterias, es decir, la
tasa de metanogénesis bacteriana en el yacimiento de crudo, previamente inundado, aumentaban mientras el
agua estratigráfica era refrescada con el agua inyectada de salmuera con baja salinidad. Como consecuencia
aumenta la presión en el yacimiento y se estimula la recuperación de crudo. Por otro lado, se debe tener cuidado
en la concentración de sales para el crecimiento microbiano, sin embargo para cualquier proceso de recuperación
biológico, los microorganismos deben ser tolerantes a las sales. Las bacterias del género Bacillus y Clostridium
pueden tolerar hasta 50 kg/m3 de cloruro de sodio, por lo que son muy útiles para este proceso [9].
En la Figura 1 se muestran las etapas del desplazamiento in situ, primero; la inyección de microrganismos en
combinación de su nutriente y el contenido de agua con concentración de baja salinidad, muestra también el
desplazamiento de los mismos a través del yacimiento, formando un banco de microrganismos con la formación
de bioproductos y acumulación de crudo; segundo, la producción de crudo, hacia el pozo.
Fig. 1: Desplazamiento in-situ de crudo por bioproductos bacterianos.
Biobarrido de nutrientes usando el sistema de huff -and- puff
Este proceso se basa en tres operaciones:
1. Inyección: Se hace la inundación con una solución de microorganismos con nutrientes inyectada al
pozo. Esta inyección puede tardar varias horas, dependiendo de la profundidad y permeabilidad del
yacimiento de crudo.
2. Incubación: Una vez que la inyección está completa, el pozo se cierra (etapa huff) para la incubación
microbiana durante varios días o semanas. Los microorganismos se alimentan y se multiplican
formando bioproductos que facilitan las propiedades de flujo del crudo.
3. Producción: Después de este periodo el pozo se abre (etapa puff) y se realiza el biobarrido de
recuperación de crudo y productos resultantes de este proceso. Puede tardar semanas o meses.
Después de que la fase de producción esta completada se necesita de otra dotación de microorganismos y
nutrientes que deben ser inyectados para repetir el proceso [10].
En la Figura 2 se muestra la inyección de microorganismos y nutrientes dentro del yacimiento de crudo por
medio de una bomba. Posteriormente se forma biosurfactante, biácidos, biosolventes, biopolímeros y se sella el
mismo (etapa huff).
La Figura 3 muestra el biobarrido de crudo. Por último se abre el pozo después de un período (etapa puff)
Fig. 2: Migración de células y
producción de bioproductos alrededor
del pozo para inoculación bacteriana. Se
cierra el pozo (etapa huff).
Fig. 3: Producción de crudo al final del
periodo de incubación. Se abre el pozo
(etapa puff)
Limpieza de pozos con bacterias
Es la remoción de parafinas, asfaltenos a partir de microorganismos formando ácidos, gases y surfactantes
empujan al crudo del espacio muerto y desalojan los desechos que se conectan con los poros. El tamaño
promedio del poro incrementa y como resultado, la presión capilar cerca del orificio del pozo se hace favorable
para el flujo de crudo [11].
Taponamiento selectivo con bacterias
Este método consiste en modificar el flujo de fluidos a través del yacimiento de crudo, mediante el
desplazamiento de la zona de mayor permeabilidad a la zona de baja o moderada permeabilidad, para
incrementar la eficiencia de barrido al forzar el paso del agua inyectada a través de otras zonas que contengan
crudo en el depósito [12]. Los cambios del patrón de flujo pueden lograrse por el aumento de células
microbianas dentro del depósito de crudo mediante la estimulación de poblaciones indígenas microbianas o por
la inyección de microorganimos y nutrientes (por lo regular es una solución de sacarosa) que producirán biomasa
y por lo tanto taponamiento. Estos microorganimos y sus nutrientes fluyen preferentemente en las zonas de
mayor permeabilidad de los depósitos de crudo como resultado del crecimiento celular, la biomasa,
selectivamente, tapa estas zonas con mayor frecuencia que las de baja o moderada permeabilidad [13,14].
En la figura 4 se muestra el proceso de taponamiento selectivo in-situ a partir de la inyección de
microorganismos y sus nutrientes a través de una bomba. El desplazamiento de los bioproductos sellan las rocas
formando zonas altamente permeables para facilitar la movilidad de crudo.
Fig. 4. Taponamiento selectivo in-situ de zonas altamente permeables por la acción de bacterias y la producción
de crudo.
Recuperación de fluidos de fracturación con microorganismos
El proceso de fracturación hidráulica o fracking consiste en una mezcla de químicos y un fluido de
fracturación que pueden ser base agua, base aceite, polímeros (viscosificantes) o geles. La finalidad de la mezcla
es la obtención de un fluido que se pueda bombear a altas presiones dentro del yacimiento de crudo para
provocar y extender la fractura en las rocas sedimentarias. Para le recuperación del crudo se disminuye la presión
de inyección de fluidos de fracturación. Para evitar que las rocas fracturadas se reordenen como al inicio se
inyecta arena para rellenar los espacios entre rocas. Así se logra un medio poroso que permitirá que fluya el
crudo hacia la superficie del yacimiento de crudo. Al disminuir la presión, el fluido de fracturación inyectado
regresa con una variedad de compuestos que lo contaminan. El problema es que en la mayoría de las ocasiones
se utiliza como fluido de fracturación el agua fresca que entra pura y sale totalmente contaminada.
Los microbiólogos Wackett y Sadowsky de la Universidad de Minnesota crearon fibras de silicio que
contienen bacterias que consumen los contaminantes orgánicos del agua resultante del fracking utilizándolos
como fuente de alimento. La fibra de silicio sirve para proteger a las bacterias al absorber compuestos oleosos a
través de los poros en las paredes, que son más delgadas que las células bacterianas. Este método de
recuperación de agua como fluido de recuperación en un proceso de producción de crudo también es útil para
otras aplicaciones acerca de la biorremediación de agua [15,16].
CONCLUSIONES
MEOR al igual que otras técnicas de recuperación mejorada de crudo, es un proceso que nació de la necesidad
de recuperar la mayor cantidad crudo y competir en la industrialización global. Las aplicaciones de cualquier
proceso MEOR, requiere de cuidados específicos para los microorganimos empleados como: la temperatura, la
presión, el pH, etc., a diferencia de otras técnicas de producción terciaria (inyección de polímeros, método de
baja tensión, entre otros). De igual manera, dependerán de las características y propiedades del yacimiento de
crudo como la litología. Por otro lado, las ventajas de MEOR son significativas por ser benéficas al no dañar al
ambiente, además es un proceso económico y sustentable al no requerir de productos petroquímicos para la
inyección de microorganismos y sus nutrientes. Todas las aplicaciones biotecnológicas como el taponamiento
selectivo, bio-huff and puff, etc. requieren de cierto tiempo de espera debido a la incubación. Es de importancia
conocer y crear nuevas técnicas en procesos industriales como la biotecnología de MEOR que sean sustentables
y amables al ambiente como han hecho gran variedad de investigadores a lo largo de las últimas cincuenta
décadas.
UNIDADES Y NOMENCLATURA
Dt
gG
m
mD
MPa
K
p/v
T0
Tf
µm
Profundidad de la formación (m)
Gradiente geotérmico (K/100 m)
Metro
Mili Darcy
Mega Pascal
Grado Kelvin
Peso/Volumen
Temperatura media de la superficie (K)
Temperatura de cualquier formación (K)
Micrómetro
REFERENCIAS
1. Hall C, Tharakan J, Hallock J, Cleveland C, Jefferson M. Hydrocarbons and the evolution of human culture.
Nature. 2003. págs. 318-322.
2. Planckaert M. Oil reservoirs and oil production. 3th ed. Washington: Ollivier-Magot: 2005:págs.3-19
3. Rashedi, H., Yazdian, F., Naghizadeh, S. Microbial Enhanced Oil Recovery.
http://www.intechopen.com/books/introduction-to-enhanced-oil-recovery-eor-processes-and-bioremediationofoil-contaminated-sites/microbial-enhanced-oil-recovery. [En línea] 2012.
4. Microbiología y biotecnología aplicadas a la exploración y producción petroleras. Batista G., R. A., y otros.
Washington : s.n., 2011, CENIC Ciencias Biológicas, Vol. 42, págs. 35-41.
5. Lazar, I., Petrisor, I. G., y Yen, T.F. Microbial Enhanced Oil Recovery. s.l. : Petrol. SciTechol, 2007. págs.
1353-1366. Vol. 25.
6. Janshekar, H. Microbial enhanced oil recovery processes. [ed.] Donaldson, E.C., Chilingarian, G.V., Yen,
T.F.,. Nueva York : Elsevier, 1989, , pág. 9.
7. Jennenman, G.E. The potential for in-situ microbial applications. [ed.] E.C., Chilingarian, G.V., Yen, T.F.,
Donaldson. Nueva York : Elsevier, 1989, 3, págs. 43-63.
8. Amyx, J.W., Bass, D.M. y Whiting, R.L. Petroleum Reservoir Engineering. Nueva York : McGraw-Hill,
1960. pág. 610.
9. Donaldson, E.C., Knapp, R.M., Chilingarian, G.V., Yen, T.F. The subsurface environment. [ed.] Donaldson,
E.C., Chilingarian, G.V., Yen, T.F.. Microbial enhanced oil recovery. Nueva York : Elsevier, 1989, 2, págs. 1719.
10. Long-Kuan, J., Teh F.,Y., Chilingarian, G.V.,Donaldson, E.C. Bacterial migration through nutrient-enriched
sandpack columns for in-situ recovery of oil. [ed.] E.C., Chilingarian, G.V., Yen, T.F. Donaldson. Microbial
Enhanced Oil Recovery. Nueva York : ELSEVIER, 1989, 8, págs. 154-157.
11. Arocha, A. Factibilidad técnica- económica para la estimulación con microorganismos en pozos inyectores
de agua para yacimientos de edad eoceno. [En línea] Mayo de 2011. http://tesis.luz.edu.ve/tde_arquivos/99/TDE2012-04-27T09:28:37Z-2885/Publico/arocha_manzano_anny_karina.pdf.
12. Bryant, R.S., Bailey, S.A., Stepp, A.K., Evans, D.B., Parli, J.A., & Kolhatkar, A.R. Biotechnology for Heavy
Oil Recovery, Bartlesville, Oklahoma: BDM Petroleum Technology, 1998. No. 110.
13. Crawford, P.B. Possible Bacterial Collection of Stratification Problems. Producer's Monthly, 1961, Vol. 25,
pág. 10–11.
14. Crawford, P.B. Water Technology: Continual Changes in Bacterial Stratification Rectification. Producer's
Monthly, 1962,Vol. 26, pág. 12–14.
15. Universidad de Minnesota. Discover. Science + Techonology.[En línea] 23 de Julio de 2013. [Citado el: 1 de
Agosto de 2015.] http://discover.umn.edu/news/science-technology/bacteria-silicon-fibers-clean-frackingwastewater.
16. Crawford, M. Asme . [En línea] Septiembre de 2013. [Citado el: 1 de Agosto de 2015.]
https://www.asme.org/engineering-topics/articles/environmental-engineering/bacteriapacked-nano-spongegobbles-up-oil.