RECUPERACIÓN MEJORADA DE HIDROCARBUROS VÍA MICROBIANA A. Muñoz-Colunga*, T. Roldán-Carrillo y P. Olguín-Lora Instituto Mexicano del Petróleo. Eje Central Lázaro Cárdenas No 152. D.F. México. 07730. mcolunga@imp.mx RESUMEN. En México existen yacimientos agotados, donde la recuperación de crudo residual por métodos convencionales es incosteable. El declive de nuestras reservas, condiciones climatológicas adversas y la baja probabilidad de encontrar nuevos campos, son circunstancias oportunas para implementar nuevas tecnologías en la industria del petróleo. Para ello se propone conocer y utilizar selectivamente a diversos microorganismos autóctonos con metabolismos de interés que favorezcan las condiciones del crudo o bien de la roca permitiendo llevar a cabo una extracción económica y eficiente. Nuestra propuesta para desarrollar e implementar una tecnología de recuperación mejorada de hidrocarburos por vía microbiana (MEOR por sus siglas en inglés) considera la participación de diversas áreas del IMP y de PEMEX y consiste de las siguientes etapas: a) caracterización y cultivo de microorganismos extremos aerobios y anaerobios provenientes del yacimiento de interés; b) cuantificar bioproductos para mejorar la producción de hidrocarburos (dirigir las rutas metabólicas de interés); c) pruebas en núcleo o medio poroso; d) simulación numérica de núcleo, pozo y yacimiento. Hemos estimado que existen en el país por lo menos 800 pozos susceptibles de incorporar MEOR, lo cual significa al menos 3 % de la producción total de PEMEX que actualmente es de 3.3 Mbd (miles de barriles diarios). INTRODUCCIÓN La industria petrolera en México tiene un significado estratégico de primera magnitud que se manifiesta por los niveles de contribución a la economía nacional. La necesidad de satisfacer día con día una mayor demanda de energéticos ha ocasionado un incremento en la producción de crudo y en consecuencia una acelerada reducción de las reservas probadas. Para hacer frente a este fenómeno es indispensable desarrollar e implementar tecnologías ambiental, técnica y económicamente eficientes que sirvan para mantener o aumentar la producción de aceite de los yacimientos. EXPLOTACIÓN DE YACIMIENTOS El petróleo no se encuentra distribuido de forma uniforme en el subsuelo para que se acumule debe ocurrir lo siguiente: una roca impermeable que evite la fuga lateral de aceite y gas o bien la migración hacia la superficie terrestre o marina; una roca permeable donde el petróleo pueda moverse a través de los poros microscópicos de la misma. El crudo atrapado en un yacimiento se encuentra bajo presión; así cuando se perfora un pozo el petróleo se expande hacia la zona de baja presión creada por el pozo en comunicación con la superficie terrestre. Conforme el pozo se llena de líquido aparece una presión contraria sobre el depósito; entonces ocurre que el gas natural asociado al yacimiento se expande en la zona de baja presión y provoca un efecto de dilución en la columna del pozo (gas y petróleo), lo cual favorece la extracción de crudo. Al cabo del tiempo la presión del activo disminuye a una magnitud tal que el petróleo ya no llega a la superficie. Entonces es necesario utilizar tecnologías de recuperación mejorada de petróleo que permitan aumentar la producción de crudo y extender la vida útil del yacimiento. En nuestro país el factor promedio de recuperación es de 25% (PEMEX, 2002), mientras que en el resto del mundo es de aproximadamente 50 % Así más de la mitad de petróleo permanece en los yacimientos después de la recuperación primaria y secundaria. Entonces es necesario desarrollar y utilizar tecnologías de recuperación terciaria o mejorada. Actualmente los métodos más ampliamente utilizados de recuperación del crudo residual son la inyección de gas, agua o adición de compuestos químicos entre otros. Los procesos biológicos representan una buena alternativa de recuperación terciaria in situ, el fundamento del proceso consiste en favorecer de forma selectiva la actividad microbiana de organismos extremófilos presentes en los yacimientos, los cuales a través de su metabolismo producen metabolitos (surfactantes, polimeros o solventes) que sirven para mejorar el flujo de aceite. También es posible probar con la inyección de nutrientes: fuentes de carbono, N y P, para favorecer la actividad microbiana del pozo o yacimiento, o bien la adición de microorganismos exógenos con actividades metabólicas de interés, adaptados a las condiciones específicas y extremas de los yacimientos y finalmente la aplicación de productos microbianos: enzimas, biosurfactantes y biopolímeros. ANTECEDENTES SOBRE LA PRESENCIA DE MICROORGANISMOS EXTREMOFILOS EN YACIMIENTOS. Investigaciones recientes demostraron la presencia de microorganismos (dominios bacteria y arquea) en yacimientos con profundidades desde 500 hasta 2800 m y temperatura de al menos 75°C. Para ello se colectaron núcleos en contenedores estériles con atmósfera libre de oxígeno provenientes de una formación geológica en Carolina del Sur EUA (Monasiersky, 1997). McInerny y Sublette (1997) mencionan que el oxígeno molecular, la temperatura y salinidad son los principales factores que pueden afectar el desarrollo microbiano en yacimientos. El tipo de formación geológica y el tamaño de poro de la roca son importantes porque representan una superficie de contacto para la proliferación de biomasa (Krumholz, 1998). La emanación de gases (CH 4, H2S) característicos de metabolismo microbiano, del interior hacia el exterior de la tierra es otro factor que permite presumir la existencia de microorganimos en microambientes del subsuelo. FUNDAMENTO DE LA IDEA MEOR Ecosistemas con características extremas (yacimientos) pueden ser colonizados por microorganismos (autóctonos) con estrategias adaptativas particulares y capacidad de producir metabolitos (surfactantes, solventes y gases), los cuales favorecen el desplazamiento in situ de hidrocarburos mejorando con ello su recuperación. Entonces el fundamento del proceso consiste en potenciar de forma selectiva la actividad microbiana de interés. PLANEACIÓN PARA DESARROLLLO DE LA TECNOLOGÍA Un trabajo como el que aquí se describe debe ir cumpliendo ciertos hitos para avanzar a la fase siguiente. También ha de generar procesos de trabajo integrales y mayores sinergias entre los diversos eslabones de la cadena de valor, así como fortalecer la vinculación y el trabajo conjunto entre el IMP y PEMEX. PLAN GENERAL DE TRABAJO Obtención de la muestra, proporcionada por PEMEX, las características a considerar incluyen: formación geológica y tipo de roca del yacimiento, así como: salinidad, temperatura y presión del mismo. Cultivo de microorganismos, el crecimiento de microorganismos en laboratorio se realiza utilizando medios de enriquecimiento específicos y mixtos y condiciones de cultivo similares al medio ambiente del yacimiento del cual proviene la muestra. Bioproductos potencialmente útiles para mejorar la recuperación de aceite, una vez que se determinen los mejores cultivos de la etapa anterior se probará su capacidad para producir surfactantes, ácidos, solventes, polimeros y/o gas. Pruebas en núcleo en condiciones de laboratorio. Los experimentos se llevan a cabo considerando la bioestimulación y bioaumentación. Los parámetros de respuesta son: crecimiento microbiano, producción de agentes tensoactivos y gases (e.g, N2, CO2), recuperación del aceite, entre otras. Modelación y simulación del comportamiento en yacimientos, Ejecución de la tecnología a nivel pozo o yacimiento, Monitoreo y evaluación de resultados. En la figura 1 se muestra un esquema de las etapas que considera un proyecto de recuperación mejorada de hidrocarburos. CARACTERIZACIÓN FISICOQUÍMICA DE YACIMIENTOS Muestras preservadas (agua congénita, agua de inyección, aceite) provenientes de los yacimientos de interés Cultivo y caracterización (bioquímica, micro y fisiologica) de microorganimos DNA Total Cuantificación de metabolitos de interés Pruebas bioestimulación in situ en núcleo Cepas extremofilas IMP Pruebas en núcleos de velocidad de crecimiento y formación de películas Modelos Matemáticos PRUEBAS DE DESPLAZAMIENTO EN NÚCLEOS Parámetros de sálida Parámetros de entrada Características de núcleo Fisicoquímicos y biológicos Presión Temperatura Producción de inóculos Salinidad pH Modelos teóricos y experimentales Gases Aceite Crecimiento Metabolitos Figura 1 Esquema que muestra las etapas y el desarrollo a considerar en un proyecto de recuperación mejorada de hidrocarburos BIBLIOGRAFÍA Behlulgil, M.T. and Mehmetoglu, K. “Bacteria for improvement of oil recovery: A laboratory study”. Energy Sources, 24: (2002) pp 413-421. Kadarwati, M. Udiharto, M. and Hadi, N. “Selected Indonesian microbes potential for MEOR” paper SPE 57316 (1999) Krumholz, R.L. “Microbial ecosystems in the earth´s subsurface”. ASM/News. 64 (4) (1998):197-202 McInerney M.J. and Sublette K.L. “Petroleum microbiology: biofouling, souring and improved oil recovery” pp 600-607 In J.C. Hurst, G.R. Knudsen M.J. McInerney L.D. Stetzenback and M.V. Walter (Eds) Manual of Environmental Microbiology ASM Press. (1997) Monasiersky, R. “Deep Dwelers Microbes Thrive Far Below Ground”. Science 151 (13) (1997) 192193. PEMEX Informe anual (2002). Sugihardjo E.H. and Logowo P. “Microbial core flooding experiments using indigenous microbes” paper SPE 57306. (1999).