Efficiëntere oliewinning met Gronings polymeer

Uit een doorsnee olieveld is maximaal de helft van de olie winbaar. Door water met polyacrylamide onder druk in het veld te spuiten lukt het om nog wat meer olie uit het zandsteen te persen, maar de hoge zoutconcentraties, de hoge temperatuur en de hoge druk tasten het polymeer aan. Chemisch technoloog Diego Wever heeft nieuwe polymeren ontwikkeld die beter bestand zijn tegen deze condities.

Wever, die inmiddels werkt op het researchlab van Shell in Rijswijk, ontwikkelde de polymeren tijdens zijn promotieonderzoek aan de RUG bij de afdeling Producttechnologie. Hij verdedigt zijn proefschrift op 22 november. Zijn onderzoek is mede gefinancierd door het Dutch Polymer Institute.

Oliewinning: je kent de stripversie vast wel, waarin het zwarte goud spontaan uit de grond omhoog spuit. Helaas komt de olie doorgaans niet zo gemakkelijk omhoog. Er zijn pompen nodig (‘jaknikkers’) en soms moet je gas of vloeistof injecteren om de druk te verhogen zodat de olie gaat stromen. Die vloeistof kan geen gewoon water zijn, want dat is te dun om olie uit zandsteen te duwen. ‘Het water prikt dan alleen tunnels in de olie’, zegt Wever.

De oplossing is om het water meer viskeus (stroperig) te maken. Dat gebeurt nu door er – letterlijk – tonnen polyacrylamide aan toe te voegen. ‘Het gaat om lange, spaghetti-achtige moleculen. Maar die breken gemakkelijk en dan verliezen ze het vermogen om het water dikker te maken.’ Daarom ging Wever aan de slag om steviger polymeren te ontwikkelen.

Eerst wilde Wever weten hoe het nieuwe molecuul eruit zou moeten zien. Om daar achter te komen gebruikte hij een bijzondere techniek, waarbij hij verschillende soorten commercieel verkrijgbare polymeren liet smelten waarna hij de viscositeit van het gesmolten materiaal bepaalde. ‘De conclusie was dat borstelvormige polymeren een hogere viscositeit hadden dan de spaghettivormige moleculen.’ De volgende stap was om dit soort borstel-polymeren te maken, op een gecontroleerde wijze.

Dat laatste was een hele uitdaging. ‘Acrylamide is zeer reactief. Het is daardoor moeilijk de lengte van het molecuul te controleren tijdens de polymerisatiereactie, net als de vorming van zijketens.’ Wever loste dit probleem op door een techniek (‘levende polymerisatie’) te gebruiken die niet eerder met acrylamide was toegepast. ‘Het lastige was dat ik de juiste condities voor dit proces moest vinden, en dat lukte alleen door het experiment eindeloos te herhalen met steeds kleine variaties in de opzet.’

Met hulp van Broekhuis vond Wever een manier om polyacrylamide ketens op een polytketon te zetten, opnieuw op een gecontroleerde manier. ‘Dus nu konden we borstelvormige moleculen maken, waarbij we zowel het aantal ‘haren’ als de lengte ervan onder controle hadden.’

Toen was het tijd om de nieuwe polymeren te testen om te zien of de borstelmoleculen inderdaad beter waren dan de polyacrylamide ‘spaghetti’, zoals de smeltproeven hadden gesuggereerd. En dat bleek te kloppen. ‘De borstelvormige moleculen zijn beter bestand tegen hoge zoutconcentraties, ze breken niet zo snel bij hoge druk en ze kunnen iets beter tegen hoge temperaturen.’

Wever maakte ook polymeren waarin naast acrylamide andere monomeren (de bouwstenen van een polymeer) ware opgenomen. ‘Wanneer we isopropylacrylamide toevoegden, zagen we iets interessants gebeuren. Bij een temperatuur boven de 32 graden Celsius wordt het isopropylacrylmamide hydrofoob en dat beïnvloedt de eigenschappen van het polymeer.’

Bij kamertemperatuur heeft een oplossing van het gemengde polymeer een lage viscositeit. ‘Maar bij de hogere temperaturen die je in oliebronnen aantreft, neemt de viscositeit toe. Dus we hebben een ‘slim polymeer’ gemaakt, dat gemakkelijk in het olieveld is te injecteren omdat de oplossing nog dun is. Pas op de plaats van bestemming wordt de oplossing dikker.’

Nu had Wever wel polymeren gemaakt waarmee hij de viscositeit van water kon verhogen, maar uiteindelijk gaat het om het verhogen van de olieopbrengst. Als ultieme test keek hij in het lab of zijn polymeer de olie efficiënt uit zandsteen kon duwen. En dat bleek inderdaad zo te zijn.

‘We kregen een hogere opbrengst bij een lagere concentratie polymeer. Op die manier kunnen oliebedrijven besparen op polymeren terwijl de opbrengst hoger is.’ En wat nog mooier is, omdat Wever de vorm van de polymeren kan controleren is het in principe mogelijk voor iedere oliebron de optimale polymeer te maken.

De begeleiders van Wever, Ton Broekhuis en zijn collega hoogleraar chemische producttechnologie Francesco Picchioni, zijn vol lof over het werk van hun promovendus. ‘Hij heeft laten zien dat het idee dat uit de smeltproeven kwam inderdaad klopte, hij heeft robuustere polymeren gemaakt en zijn werk heeft acht wetenschappelijke publicaties en één patent opgeleverd. En dat allemaal in vier jaar!’

De opvolger van Wever bij de RUG werkt nu aan het opschalen van de polymeerproductie naar industrieel niveau. ‘Dat is nog een hele uitdaging’, zegt Broekhuis. Een andere uitdaging volgt uit nieuwe milieuwetgeving. De Noorse overheid heeft een wet opgesteld die oliebedrijven dwingt om geïnjecteerde polymeren die weer worden opgepompt tijdens de oliewinning te scheiden van het water waarin ze zijn opgelost.

Dit is technisch ingewikkeld en behoorlijk kostbaar. ‘Daarom zou het een goed idee zijn om biologisch afbreekbare polymeren te ontwikkelen, bijvoorbeeld op basis van koolhydraten. En daarvoor hebben we in Groningen de juiste expertise in huis.’

Broekhuis werk inmiddels tien jaar aan de RUG. ‘Als hoogleraar Producttechnologie is het mijn taak om studenten op te leiden in productontwikkeling.’ Daarbij ligt de nadruk traditioneel gezien op de technische kant: het bouwen van betere reactoren en andere hardware. ‘Ons programma is anders. Wij geven onze studenten een stevige basis in de chemie. En we beginnen bij de behoefte van de klant, vervolgens ontwerpen we een molecuul dat aan die behoefte voldoet en daarna ontwerpen we het productieproces. Het feit dat onze studenten echte moleculenbouwers zijn is een verschil met de klassieke chemisch ingenieurs.’

Diego Wever studeerde eerder chemische technologie aan de RUG. Zijn promotie-onderzoek maakt deel uit van een onderzoeksprogramma van het Dutch Polymer Institute, waarin polymeren-onderzoekers uit heel Nederland samenwerken. Naast universiteiten zijn ook bedrijven uit de olie industrie en producenten van polymeren aangesloten bij dit programma.