Fles met ruwe Nederlandse olie.

Olie wordt in zijn meest simpele vorm omschreven als een complexe mix van verscheidene stoffen die in de volksmond koolwaterstoffen worden genoemd. Deze stoffen bestaan voornamelijk uit koolstof en waterstof. In olie worden de voorlopers gevonden van veelal bekende vloeistoffen en vaste stoffen zoals benzine, kerosine, lampenolie, het overgrote deel van alle plastics, asfalt en veel chemicaliën. Gebruiksvoorwerpen zoals een mobiele telefoon, een balpen, een surfplank bevatten producten afkomstig uit olie. Olie, ook wel petroleum, staat momenteel aan de basis van onze maatschappij: 40% van onze totale energie productie komt uit olie, en 90% van alle geproduceerde chemicaliën wordt gemaakt uit olieproducten.

De zwarte vloeistof die wij vandaag de dag winnen is het overblijfsel van allerlei kleine eencellige algen (zoals diatomeeën) die miljoenen jaren geleden met behulp van zonlicht koolstofdioxide omzetten in biomassa. Deze algen bestaan ook vandaag de dag nog in groten getale. Echter, 360 miljoen jaar geleden zag onze aarde er anders uit dan nu. In dit tijdperk, het Carboon, was de koolstofdioxide concentratie in de lucht vier tot vijf keer hoger dan nu. Ook was het warmer. Onze aarde was bedekt met dichte moerassen en veel ondiepe binnenzeeën. Grote hoeveelheden koolstofdioxide werden omgezet naar biomassa (meer dan vandaag de dag het geval is), die na het afsterven niet volledig verteerde maar afzonk naar de zeebodem. Daar werd deze bedekt met aardlagen van latere tijden. Doordat deze biomassa steeds verder begraven werd onder deze grondlagen, nam de druk toe en werd onder hoge temperatuur en druk de overgebleven biomassa omgezet naar olie en/of gas, een proces wat catagenese heet.

In de oceaan levende diatomeeën.

Deze moerassen en ondiepe binnenzeeën legden dus de basis voor de steenkool, olie en gasvoorraden die wij vandaag de dag in de aardkorst vinden. Door dit proces van olievorming wordt olie vandaag de dag gevonden enkele kilometers diep in de aardkorst in ‘sponsachtige’ steenlagen omgeven door afsluitende steenlagen. Deze gecombineerde steenlagenstructuur wordt het oliereservoir genoemd. De olie bevattende sponsachtige steenlaag heet een ‘poreus medium’. In het oliereservoir zijn de temperatuur, druk en zoutgehalte vaak hoog, en is er geen zuurstof aanwezig. Vaak ligt er onder de olielaag nog een waterlaag, een aquifer.

Oliewinning

Nadat een olieveld is ontdekt en de olieputten zijn aangelegd, is de eigenlijke oliewinning in drie verschillende fases te beschrijven.

• Primaire oliewinning. Door de interne druk van het olieveld komt zo’n 10-15% van de olie aanwezig in het olieveld vanzelf omhoog nadat de put is aangelegd.
• Secundaire winning. Door het verwijderen van olie uit het olieveld zal na verloop van tijd de druk binnen het veld afnemen. De druk binnen het olieveld wordt vervolgens weer op peil gebracht door er bijvoorbeeld (zee)water in te pompen wat zorgt voor olieverplaatsing. Dit levert een extra 10-15 % op.
• Tertiaire winning. Op den duur vindt het geïnjecteerde water zijn weg door het oliereservoir en is er een zogenaamd waterpad ontstaan. Het waterinjectiemechanisme heeft hiermee zijn werking grotendeels verloren omdat er weinig netto olie meer wordt verplaatst. Met een aantal kunstgrepen zoals injectie van polymeren en stoominjectie, kan er nog een extra 10-15 % worden gewonnen.

Gemiddeld genomen wordt er zo’n 33% van de olie uit het reservoir omhoog gehaald.

Impressie van een olieveld: 1) Ondoorlaatbare rotsformatie, 2) Waterlaag, 3) Poreus gesteente met olie, 4) Gas kap, 5) Ondoorlaatbaar afdichtend gesteente, 6) Water bevattende lagen, 7) Water injectoren, en 8) Olieproductie.

Bacteriën in olievelden

Aangezien olie dus eigenlijk een natuurproduct is van vroegere tijden, kan het dus ook biologisch worden afgebroken. Met name door bacteriën die de olie als een bron van voedsel (koolstof) zien. Een olieveld vormt dus eigenlijk een ecosysteem (ook wel leefomgeving genoemd) met zeer speciale karakteristieken. Het aantal soorten bacteriën op deze aarde is veel groter dan de groep meercelligen (waar wij ook toe behoren).

Zo zijn er grote groepen bacteriën die in de afwezigheid van zuurstof en een energie(voedsel)bron (b.v. koolstof) kunnen ‘ademen’ Zij gebruiken in plaats van zuurstof een andere component, samen met hun energiebron, voor hun ‘ademhaling’ zoals bijvoorbeeld nitraat (NO^3-), ijzer (Fe²⁺), of zelfs CO₂. Ook zijn er groepen bacteriën die zogenoemde fermentatiereacties doen: zij gebruiken alleen hun energie(voedsel)bron om te ‘ademen’ en hebben er verder geen andere component bij nodig. De energie die een bacterie haalt door deze vormen van ‘ademhaling’ is vele malen lager dan organismen die aan echte zuurstofademhaling doen. Met name bacteriën die aan ‘ademen’ zonder zuurstof doen, zijn te vinden in een olieveld omgeving omdat daar geen zuurstof aanwezig is, maar wel de genoemde andere componenten zoals CO₂, SO₄^2- en ijzer. Delen van olie kunnen zo door deze bacteriën worden gebruikt om hun van energie te voorzien. Tegelijkertijd fungeert olie als bouwstof voor nieuwe cellen.

Reconstructie van enkele H₂S moleculen. De gele bollen stellen de zwavelatomen voor, allen verbonden met twee veel kleinere waterstofatomen, de witte bolletjes. De hoek die de waterstoffen maken is net iets groter dan 90°.

Mogelijke toepassingen van de aanwezigheid van bacteriën

Zoals beschreven moet er flink wat gebeuren om een deel van de olie uit een veld naar het oppervlak te halen. Door de exploitatie van olievelden introduceren wij grote veranderingen in de omgeving van het olieveld.

Met name door het injecteren van koud zeewater veranderen wij het olieveld zelf en daarmee het ecosysteem. Door zeewaterinjectie daalt de temperatuur van het olieveld en komen er met het zeewater flinke hoeveelheden sulfaat (SO₄^2-) in het veld terecht. Bovendien komt er meer water het olieveld binnen. Als een ecosysteem verandert, dan verandert vaak ook de samenstelling van soorten die in het ecosysteem leven. Soorten organismen die beter aangepast zijn aan de nieuwe eigenschappen zullen de overhand nemen.

Dit gebeurt ook in olievelden die geëxploiteerd worden: andere soorten bacteriën nemen de overhand doordat de temperatuur daalt door koude zeewaterinjectie en omdat zij het ingebrachte sulfaat kunnen gebruiken om te ‘ademen’. Door dit type ‘ademhaling’ wordt SO₄^2- omgezet in het gas H₂S (diwaterstofsulfide, ook beter bekend als gas dat stinkt naar rotte eieren). Diwaterstofsulfide is al bij lage concentraties giftig, maar vooral schadelijk voor alle industriële sites die verbonden zijn aan het olieveld. Dit omdat het erg corrosief is: pijpleidingen roesten veel sneller. Ook komt er zo zwavel in de olie wat de kwaliteit van de olie naar beneden haalt.

De mogelijke toepassing van de levende bacteriën ligt hier in het kijken naar de soortensamenstelling die mee omhoogkomt met het naar de oppervlakte gepompte mengsel van olie en water. Deze samenstelling kan echter onzekerheden bevatten en meer onderzoek in deze richting is nog nodig. Aangezien we niet in het olieveld kunnen kijken om te zien wat er gebeurt, kunnen de mee omhoog gekomen bacteriën dienen als een informatiedrager van het olieveld zelf. Hierdoor kan bijvoorbeeld vroegtijdig diwaterstofsulfide productie worden voorkomen, of kan de olie exploitatie slimmer worden geregeld. Dit omdat veranderingen in de populatie mogelijk informatie verschaffen over waar het olieveld verandert. Dit zou ons in staat kunnen stellen de waterinjectie beter te regelen opdat er meer olie verplaatst kan worden en de vorming van een waterpad uitgesteld kan worden. De microbiologie kan dus een extra informatiebron zijn om dit te bewerkstelligen.

Boorkern uit een olieveld. De temperatuur van de kern wordt bewust onder 0° gehouden om beschadiging van de genetische informatie tegen te gaan voorafgaand aan het onderzoek.

Meer onderzoek

Voordat dit proces een reëel toepasbaar proces kan worden is er veel vervolgonderzoek nodig. Microbiële levensgemeenschappen variëren bijvoorbeeld van olieveld tot olieveld. De karakteristieken worden vooral bepaald door de temperatuur: hoe hoger deze is, des te minder levensvormen kunnen overleven. Ook onderzoek naar zogenoemde biofilms is in deze belangrijk. Bacteriën groeien namelijk voornamelijk op oppervlakken in contact met een waterfase. Populaties die mee omhoog komen kunnen dus verschillen van de populaties die ‘vastzitten’ aan het olieveld gesteente. Het feit dat deze populaties (zowel in biofilm als in de waterfase) niet met behulp van zuurstof ademen, maakt dit type onderzoek moeilijk. Zuurstof is namelijk zeer giftig voor deze bacteriën.

Ondanks deze onzekerheden vinden de oliemaatschappijen het dermate belangrijk dat er op kleine schaal al een soort monitoring plaatsvindt op dit gebied, dit dan voornamelijk op het gebied van het monitoren van H₂S producerende bacteriën. Voordat we het onderzoek naar bacteriën in olievelden als een routinematige controle kunnen gebruiken, is er echter nog veel meer begrip nodig over de dynamiek van de bacteriën in de omgeving. Er is dus nog werk voor de wetenschap te doen.

Zie ook:

• Bacteriën houden toestand olieveld in de gaten (Kennislinknieuws van TU Delft)
• Biomonitoring – How Bacteria Can Make Oil Fields More Efficient (Engels)
• Nederland, het olie- en gascentrum van West-Europa (Kennislinkartikel)
• Website Geert van der Kraan (Engels)
• Een einde aan olie (Kennislinkartikel)
• Koolwaterstoffen: fossiel maar (nog) niet uitgestorven (Kennislinkartikel van NTN)
• De milieuverwoestende jacht op olie (Kennislinkartikel)
• Hydrocarbon Metagenomics (technisch Engels)