Hoe schaarser de olie, hoe interessanter het wordt om de laatste druppel van het ‘zwarte goud’ naar boven te krijgen. Een gangbare methode om de productie van oude olievelden op te krikken, is het pompen van grote hoeveelheden water rondom een boorput, om zo de olie onder druk te zetten en als het ware uit het reservoir te persen. Ook water dat zich van nature onder de olielaag bevindt, kan de olie richting de boorput stuwen. Daarbij ontstaat wel een probleem: al dat water kan op den duur doorsijpelen naar de boorput. Daardoor daalt de olieproductie en komen er grote hoeveelheden afvalwater mee naar boven – water dat met olie vermengd is, en dus niet zomaar kan worden afgevoerd. Grote kostenposten zijn het resultaat.
Hein Castelijns (1979) begon in 2003 met zijn promotieonderzoek aan de Technische Universiteit Delft, met het doel een oplossing voor de lekkende olieputten te vinden. Castelijns: “Een traditionele oplossing is om cement diep onder de grond te storten. Maar die methode is niet erg nauwkeurig. Een wat verfijnder manier is om chemische substanties in de waterlaag onder het olieveld te pompen. Die substanties reageren met water en dikken het zodanig aan, dat het niet meer naar boven komt. Het nieuwste is echter om in olie oplosbare chemicaliën direct in het olieveld te injecteren. Deze chemicaliën vormen een soort gel zodra er water in de buurt komt. Zo krijg je een heel selectieve waterbarrière.”
Open vragen
Aan het begin van Castelijns onderzoek waren er nog veel open vragen rond het gel, de zogenoemde oil-soluble chemicals (OSC). Hoe werkt het, hoe verlopen transportprocessen, wat gebeurt er als je het in poreus gesteente inbrengt, en gaat de stof reacties aan met het omliggend gesteente? Deze vragen ging Castelijns aan de Technische Universiteit Eindhoven te lijf met behulp van een scanner, die werkt op basis van magnetische kernspinresonantie (MRI). Het instrument meet het signaal van waterstofkernen in een magnetisch veld. Aan de hand van dit signaal is zichtbaar te maken hoe het vloeistofmengsel reageert en waar het zich bevindt. In een eenvoudig meetsysteem – kort gezegd een buis met olie, water en OSC – ging het er eerst om de effecten van temperatuur, zuurheidsgraad en verschillende concentraties te bestuderen.
Het resultaat van de eerste tweeënhalf jaar meten was dat de overdracht van OSC van olie naar water gedreven wordt door hydrolyse; de splijting van een chemische verbinding door de reactie met water. Deze reactie bleek hoofdzakelijk afhankelijk van de zuurgraad en de temperatuur. Vervolgens deed Castelijns experimenten met de vloeistoffen in een poreus gesteente.
Castelijns: “Dat is een hele stap, want wil je meten in poreus gesteente, dan ben je op zo’n kleine schaal bezig (het gaat om afstanden van 50 micrometer), dat je met een normale MRI-scanner vrijwel geen onderscheid kunt maken tussen de verschillen vloeistoffen. Ik heb toen een truc bedacht: je kunt zwaar water gebruiken. Dat heeft bijna dezelfde eigenschappen als water, en door de MRI-scanner zo om te bouwen dat je waterstofatomen van zwaar water kunt zien, kon ik heel mooi mijn vloeistoffen uit elkaar houden.”
Zelfgebouwd meetinstrument
Castelijns ontwikkelde gaandeweg een fijne neus voor de MRI-scanner: “Die scanner bestaat uit een grote magneet. Tussen de polen van die magneet zit een kleine spoel. In die spoel leg je het te meten materiaal en dan hangt er een heel elektronisch circuit aan vast om signalen in het spoeltje te sturen en weer op te vangen. De bestaande spoelen konden maar één stof tegelijk meten: olie óf water. Maar als je wilt zien hoe die op elkaar reageren, wil je ze beide bekijken. Ik heb toen een nieuwe, schakelbare spoel gemaakt die gevoelig was voor zwaar water en voor olie. Je kon binnen een seconde tussen beide vloeistoffen laten schakelen. Meettechnisch was dat vernieuwend, omdat nog nooit iemand op het idee was gekomen om het zo te doen. Dat komt mede omdat het signaal van zwaar water veel zwakker is dan dat van gewoon water.”
Eenmaal aan de slag met het zelfgebouwde meetinstrument, was het mogelijk om met een goed contrast en nauwkeurigheid zichtbaar te maken hoe de reactie tussen olie, water en het gel in poreus gesteente verloopt. Castelijns: “Dat was een van de mooiste momenten in mijn onderzoek, dat je zo’n reactie helemaal kunt volgen op het beeldscherm.”
Met de nieuw verworven kennis ging Castelijns in 2006 drie maanden naar de Universiteit van Princeton. Daar stelde hij vast dat het barrière-effect van gel, zoals ook al uit de eigen metingen naar voren was gekomen, zeer groot is: “Het kan de doorlaatbaarheid voor water met een factor tienduizend verminderen. Dat was een mooie bevestiging van mijn eerdere onderzoek.”
Inmiddels heeft Castelijns het olieonderzoek achter zich gelaten. Hij werkt nu bij de researchafdeling van een grote chipmachinefabrikant. “Ik houd me nog steeds bezig met transportprocessen van vloeistoffen, maar nu gaat het erom te kijken hoe lucht en water zich gedragen in een hightech machine. Het doel daarvan is om die processen te verbeteren.”
Dit artikel werd eerder gepubliceerd in de STW brochure Technologisch Toptalent 2008.