RECUPERACION MICROBIANA

RECUPERACION MICROBIANA

Mejoramiento de la Produccin de Petrleo Mediante el Uso de Aplicaciones Biotecnolgicas

Los microorganismos pueden ser utilizados como agentes floculan tes o como colectores en los procesos de flotacin de minerales.. Gracias a la capacidad de muchos microorganismos de poder adherirse a superficies slidas debido a la interaccin existente entre la carga de la pared celular en las condiciones hidrofbicas, modifican la superficie del mineral y permiten su flotacin y la consiguiente floculacin.

Extraccin de yacimientos.

Bajo circunstancias ideales, el petrleo surge espontneamente de un pozo en el subsuelo. Sin embargo, aunque en muchas ocasiones se utilizan bombas para acelerar la extraccin, solo se recupera un tercio del volumen del yacimiento, aproximadamente. Se ha implementado una variedad de mtodos fsicos para poder acceder al petrleo remanente en estos yacimientos secundarios, por ejemplo la inyeccin de gases o de agua caliente a alta presin para impulsar el petrleo hacia la superficie. Ninguno de estos mtodos permite recuperar la totalidad del volumen del yacimiento y ha sido necesario generar nuevas tecnologas para poder explotar lo que se conoce como yacimientos terciarios. Entre estas estrategias se encuentran la adicin de solventes, surfactantes y polmeros (86). En particular, un polmero producido por Xanthomonas campestris conocido como goma de xantana, ha sido extensivamente usado debido a sus excelentes propiedades fisicoqumicas, que incluyen una sustancial viscosidad, an a bajas concentraciones, combinada con una alta fluidez, lo que le permite pasar libremente a travs de pequeos poros. La goma de xantana es un heteropolisacrido ramificado cuya cadena principal est formada por residuos de glucosa unidos linealmente mediante enlaces b1_4. La cadena ramificada es un trisacrido formado por glucosa, manosa y cido glucurnico .

La demanda mundial por goma de xantana supera las 25,000 toneladas anuales. La produccin de ste polmero a estos niveles ha generado grandes retos tanto a nivel microbiolgico como de ingeniera de bioprocesos (36). Desde el punto de vista microbiolgico, mencionaremos tres de los aspectos que han sido ms estudiados con la finalidad de incrementar la productividad del proceso. Xanthomonas campestris es una bacteria fitopatgena que infecta principalmente a plantas de la familia Cruciferae. Con la intencin de obtener aislados con mejor capacidad natural de produccin se realiz un monitoreo exhaustivo de variedades de Xanthomonas tanto de colecciones pblicas cmo de aislados de calabazas, coliflores, zanahorias y nueces de castilla infectadas. Estas cepas fueron sometidas a pruebas bioqumicas, de produccin de polmero bajo condiciones definidas, as como a evaluaciones de infectividad. No se encontr correlacin aparente entre las caractersticas fenotpicas de los aislados con la capacidad de producir el polmero, a excepcin de la virulencia, lo que sugiere un papel importante para el polmero dentro del proceso infeccioso.

Otra alternativa para la recuperacin de yacimientos terciarios es la aplicacin directa (in situ) de microorganismos en un proceso conocido como MEOR (Microbial Enhanced Oil Recovery). El fundamento de ste proceso es que el crecimiento microbiano sobre la superficie de las rocas del depsito promueva el desalojo del petrleo, ya sea directamente por desplazamiento fsico o indirectamente mediante la produccin de metabolitos gaseosos surfactantes. Estos ltimos provienen de la oxidacin de parafinas hasta cidos grasos, los cules actan como detergentes.

Antes de iniciar cada proyecto de MEOR se deben analizar muestras del agua coproducida por el yacimiento. A partir de los resultados de ste anlisis, se decidir la composicin de la mezcla nutritiva que se adicionar y que suele consistir en nitratos, fosfatos y sulfatos e inclusive un carbohidrato fermentable. Debido a que las condiciones a las que se encuentran sometidos los microorganismos distan de ser ptimas, no basta con inocular los yacimientos, sino que se deben proveer las condiciones adecuadas para la proliferacin celular, especialmente el oxgeno disuelto. Otros factores difciles de controlar a cientos de metros de profundidad, como la salinidad, el pH, la temperatura as como un bajo potencial redox pueden resultar limitantes en extremo (75). El costo operacional de esta metodologa va de $2.00 a $4.00 dlares americanos de incremento por barril de petrleo proporcion. Finalmente, adems de los pozos profundos, existen otros tipos de depsitos de hidrocarburos, las llamadas tierras y pizarras bituminosas, que contienen cantidades variables de materia orgnica (20% a 60%) en forma de bitumen y kerogeno, embebidas en formaciones rocosas sedimentarias ms o menos compactas. La extraccin de hidrocarburos a partir de estos materiales se lleva a cabo mediante mtodos trmicos, resultando en un proceso caro y poco eficiente. Bajo estas circunstancias, la utilizacin de mtodos microbiolgicos, por ejemplo para la produccin de surfactantes in situ, pudiera generar alternativas econmicamente significativas (17).

Resumen

La tcnica que emplea microorganismos y sus productos metablicos para la estimulacin de la produccin de petrleo en ciertos reservorios candidatos es conocida como recuperacin asistida por bacterias o en ingls "microbial enhanced oil recovery (MEOR) or microbial oil recovery enhancement (MORE)". Esta tcnica consiste en la inyeccin de microorganismos seleccionados dentro del reservorio y la posterior estimulacin y transporte de sus productos metablicos generados in situ a fin de obtener una reduccin del petrleo residual dejado en el reservorio. Estos microorganismos pueden actuar como agentes movilizan tez de petrleo residual o agentes tapn para aislar selectivamente zonas no deseadas del reservorio.

Esta tcnica ha evolucionado en etapas por ms de 60 aos y ahora est recibiendo un renovado inters alrededor del mundo, debido a que resulta una tecnologa de bajo costo lo cual la hace particularmente compatible con los precios actuales del petrleo. A pesar de que las investigaciones sobre MEOR han sido realizadas durante muchos aos, estas han pasado prcticamente ocultas para la industria del petrleo debido a que la mayora de los resultados fueron publicados en congresos y foros biolgicos usando un punto de vista biolgico y sin importar la visin del ingeniero de reservorios, el operador o el dueo del yacimiento. Este artculo tcnico trata de divulgar esta tecnologa desde el punto de vista del reservorista.

Actualmente, se estn llevando a cabo estimulaciones de pozos individuales en diferentes yacimientos de la Argentina. La reduccin en la viscosidad y los incrementos documentados en la produccin de petrleo indican que estas operaciones estn siendo tcnicamente exitosas.

Tecnologas Actuales

El proceso de MEOR abarca un amplio espectro de tecnologas, las cuales pueden ser diseadas para diferentes aplicaciones usando distintas metodologas. Estas metodologas pueden ser divididas en los siguientes grupos de aplicaciones3-4:

Estimulacin de produccin en pozos individuales mediante el uso de microorganismos.

Inyeccin continua de agua y microorganismos.

Biobarrido de nutrientes usando el sistema de huff-and-puff.

Limpieza de pozos con bacterias.

Taponamiento selectivo con bacterias.

Recuperacin de fluidos de fracturacin con microorganismos.

A pesar de que los conceptos bsicos y los mecanismos de recuperacin son los mismos para todas las aplicaciones, las condiciones operacionales y el diseo ptimo difiere entre una aplicacin y la otra. Cada una de estas aplicaciones puede usar un diferente cultivo de microorganismos, que posee diferentes cualidades que los hacen ms til para la aplicacin a implementar en campo. Los cultivos y los nutrientes son elegidos a fin de cumplir con las condiciones especficas del petrleo y la aplicacin elegida. Aunque los mecanismos de recuperacin de MEOR se encuentran presentes en todas las aplicaciones, el mecanismo predominante depende de las condiciones de campo, la bacteria inyectada, el nutriente usado y la aplicacin elegida.

Entre los problemas ms comunes que estos sistemas pueden enfrentar si no son adecuadamente diseados y monitoreados5 deberan mencionarse los siguientes:

Prdida de inyectividad debido a taponamiento de la formacin. Para evitar el taponamiento6, es necesario remover las partculas y sedimentos de las soluciones de nutrientes, seleccionar el tamao adecuado de los microorganismos, evitar la produccin de polmeros en el pozo inyector, evitar la formacin de gas generado por las bacterias durante la inyeccin y controlar la absorcin de microorganismos a las superficie de la roca en el pozo inyector 7-8. Si el taponamiento ocurre, el repunzado, o el uso de blanqueador9, cloro o un agente limpiador han probado ser acciones efectivas para remediar este taponamiento.

Transporte y dispersin poco exitosa de todos los componentes necesarios hacia la ubicacin deseada dentro del reservorio. Los primeros estudios de laboratorio demostraron que el transporte de bacterias era conducido a bajos caudales (menos de 0.5 cm/hour) y que esta velocidad se reduca logaritmicamente con la permeabilidad de la arena. El mecanismo de transporte activo de las clulas de bacterias a travs del medio poroso permanece sin ser entendido10. Un mecanismo aceptado de transporte es el llamado efecto "log jam" el cual enuncia que las celulas se agrupan en las gargantas porales reduciendo su tamao hasta el punto en que el flujo natural de fluidos rompe dicho agrupamiento y restaura el flujo natural de la garganta, empujando las

celdas hacia el siguiente poro. Esto sugiere que el medio de transporte es pulsado y no continuo. Simuladores basados en esta informacin de laboratorio11-13 son empleados para identificar parmetros claves en los planes de inyeccin. Adems, es interesante notar que los ensayos de campo indican que en el reservorio existe un mtodo de transporte de las bacterias inyectadas mucho ms efectivo que el predecido por los estudios de laboratorio, las correlaciones empiricas continan siendo la herramienta base para la realizacin de predicciones.

Falta de promocin de la actividad metablica deseada in situ. Presin, temperatura, pH y salinidad son las limitaciones usualmente mencionadas para las aplicaciones de MEOR. La presin no resulta tan prohibitiva como la temperatura a pesar de que altera las caractersticas de crecimiento microbitico y los efectos de toxicidad. El desarrollo de bacterias termfilas tiles, puede cambiar el factor de temperatura en un parmetro

no restrictivo y as extender el rango de reservorios objetivos posibles para el MEOR14. La salinidad y el pH aparentan ser factores menos restrictivos debido a que est probado en ensayos de campo que organismos sensibles inyectados en colchones de agua dulce sobreviven y crecen en yacimientos salinos.

Omisin del efecto de competencia por sobrevivir o actividad secundaria indeseable por organismos indgenas, incluyendo las bacterias sulfato reductoras. La competencia con organismos indgenas no ha sido una gran preocupacin. Se ha observado que la presencia de nitratos en niveles bajos suprime la produccin de H2S por

lo que ha sido incluido en el paquete de nutriente en los ensayos de campo. La presencia del nitrato genera un ambiente oxidante que resulta en la produccin de sulfatos en lugar de sulfhdrico. Recientemente, la inyeccin de un tolerante de sulfhdrico ha sido patentado como una manera de controlar la produccin neta del mismo.

Mecanismos del MEOR

En el proceso de "fermentacin bacterial in situ" una combinacin de mecanismos es la responsable de la estimulacin de la produccin o el mejoramiento en la recuperacin de petrleo. Esta combinacin de mecanismos depende basicamente de la aplicacin, los cultivos y nutriente seleccionados y las condiciones operacionales.

Todos los posibles mecanismos se encuentran listados a continuacin:

Mejoramiento de la mobilidad relativa del petrleo con respecto al agua mediante biosurfactantes y biopolmeros.

Re-presurizacin parcial del reservorio por la liberacin de gases como el metano y el CO2

Reduccin de la viscosidad del petrleo a travs de la disolucin de solventes orgnicos en la fase petrleo.

Incremento de la permeabilidad de la rocas carbonticas en reservorios calcreos debido a cidos orgnicos producidos por bacterias anaerbicas.

Limpieza de la vecindad del pozo mediante los cidos y gases originados in situ. El gas sirve para empujar petrleo de poros muertos y remover finos que taponan las gargantas porales. El tamao promedio de las gargantas porales es incrementado y como resultado la presin capilar en la regin vecina al pozo se transforma en ms favorable al flujo de petrleo.

Modificacin de las condiciones de mojabilidad. Una vez que la biomasa se adhiere a la superficie de la roca, sta genera membranas biolgicas que liberan el petrleo adsorbido sobre la superficie de la roca.

Emulsificacin del petrleo. Las bacterias generan emulsiones mcelares a travs de su adhesin a los hidrocarburos.

Taponamiento selectivo de zonas altamente permeables mediante la inyeccin de bacterias "gelificantes" seguidas por una solucin azucarada que "enciende" la gelificacin por produccin extra de clulas gomosas.

Anlisis Econmico del MEOR

Varios artculos han mostrado que el MEOR es potencialmente una tecnologa efectiva y de bajo costo para el incremento de la produccin de petrleo. Las ms importantes ventajas econmicas y operativas de estas tcnicas son1:

Los microorganismos y nutrientes inyectados son baratos, fciles de obtener y manejar en el campo.

El MEOR es econmicamente atractivo en campos productores marginales.

El costo del fluido inyectado no depende del precio del petrleo.

Generalmente, la implementacin de este proceso necesita slo pequeas modificaciones en las facilidades existentes de produccin, lo cual reduce el costo de inversin.

El mtodo es fcil de aplicar con equipamiento de produccin convencional.

El MEOR es menos costoso de implementar y ms sencillo de monitorear que cualquier otra tcnica de recuperacin asistida (EOR).

Los productos del proceso de MEOR son todos biodegradables y no se acumulan en el ambiente.

Los limitados anlisis econmicos existentes de los ensayos de campo muestran que el mayor costo de un proyecto de MEOR se encuentra en el costo del nutriente para alimentar los microorganismos. En estos momentos, el costo del nutriente reportado en la literatura es de aproximadamente $100/ton. En los casos en que un proceso de inyeccin de agua18 es requerido, los costos de implementacin de las bacterias deben ser considerados dentro de los costos del proyecto de inyeccin de agua, aunque estos resulten mnimos comparados con las inversiones y costos de operacin de una inyeccin de agua.

La reduccin de costos en operaciones de hot oil y la energa de bombeo deben ser incluidos entre las ventajas econmicas de las aplicaciones de control de parafinas19-21. Una publicacin reciente que evala 322 proyectos de MEOR concluyendo que el costo operativo de una operacin de MEOR se encuentra entre $0.25 y $0.50 por barril extra de petrleo recuperado y el costo de inversin es inferior a los $2.00/bbl extra de petrleo recuperado. Dicha publicacin tambin indica que el tiempo aproximado de repago es de seis meses22. Por su parte el informe de la Oil&Gas Journal1 indica que el costo total entre inversin y operacin se encuentra en aproximadamente $2.00/bbl extra de petrleo recuperado.