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 en worden er pompen (de welbekende ‘jaknikkers’) gebruikt. Soms is het nodig gas of vloeistof in het olieveld te injecteren om de druk zodanig te verhogen dat 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 Diego Wever. De oplossing is om het water meer viskeus (stroperig) te maken. Dat gebeurt nu door er – letterlijk – tonnen polyacrylamide aan toe te voegen. “Dat is een polymeer met 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.
Levende polymerisatie
Eerst wilde Wever weten hoe zo’n nieuw en steviger polymeermolecuul eruit zou moeten zien. Om daar achter te komen smolt hij verschillende soorten commercieel verkrijgbare polymeren, waarna hij de viscositeit van het materiaal bepaalde. “De conclusie was dat borstelvormige polymeren een hogere viscositeit hadden dan de spaghettivormige moleculen”, aldus Wever.
De volgende stap was om dit soort borstel-polymeren te maken, op een gecontroleerde wijze. Dat was een hele uitdaging. Wever: “Acrylamide is zeer reactief. Het is daardoor moeilijk om tijdens de polymerisatiereactie de lengte van het molecuul te beheersen. Hetzelfde geldt voor de vorming van zijketens.”
Hij loste dit probleem op door gebruik te maken van levende polymerisatie, een techniek die niet eerder met acrylamide was toegepast. “Het lastige was dat ik de juiste omstandigheden voor dit proces moest vinden. Dat lukte alleen door het experiment eindeloos te herhalen, met steeds kleine variaties in de opzet.”
Polyketon
Toen het hem eenmaal was gelukt de lengte van de polymeerketens te beheersen, stond Wever voor de volgende uitdaging: een borstelvormig molecuul maken in plaats van de gebruikelijke lange spaghettislierten. Hij nam daarbij zijn toevlucht tot een ander polymeer: polyketon, ontwikkeld door Shell. Wevers begeleider Ton Broekhuis kende het polymeer uit zijn Shell-tijd, voor hij naar de Rijksuniversiteit van Groningen verhuisde.
Het idee was om het polyketon als de ruggengraat van het vertakte polymeermolecuul te laten dienen. Broekhuis en Wever vonden een manier om polyacrylamide-ketens op het polyketon te zetten. “We kunnen nu borstelvormige moleculen maken waarbij we zowel het aantal als de lengte van de ‘borstelharen’ onder controle hebben”, vertelt Wever.
Testen moesten vervolgens aan het licht brengen of de borstelmoleculen inderdaad beter waren dan de polyacrylamide-spaghetti. 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.”
Slim polymeer
Wever maakte ook borstelpolymeren waarin hij naast acrylamide ook andere polymeerbouwstenen verwerkte. “Wanneer we isopropylacrylamide toevoegden, zagen we iets interessants gebeuren”, vertelt hij. “Bij een temperatuur boven de 32 graden Celsius wordt het isopropylacrylamide hydrofoob. Dat beïnvloedt de eigenschappen van het polymeer.”
Hij vertelt dat een oplossing van het gemengde polymeer bij kamertemperatuur een vrij lage viscositeit heeft. Dat maakt het redelijk eenvoudig te verwerken. “Maar”, aldus Wever, “in oliebronnen is de temperatuur hoger, waardoor de viscositeit toeneemt. We hebben dus een ‘slim polymeer’ gemaakt: het is gemakkelijk in het olieveld te injecteren, maar eenmaal op de plaats van bestemming wordt het dikker.”
Ultieme test
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 olieopbrengst bij een lagere concentratie van het polymeer. Oliebedrijven kunnen dus besparen op polymeren, terwijl de opbrengst hoger is.” En nog mooier: omdat Wever de vorm van de polymeren kan instellen, is het in principe mogelijk voor iedere oliebron de optimale polymeer te maken.
Wevers opvolger werkt nu aan het opschalen van de polymeerproductie naar industrieel niveau. Volgens begeleider Broekhuis is dat “nog een hele uitdaging”. Dat geldt ook voor de eis van de Noorse overheid, die oliebedrijven met nieuwe milieuwetgeving dwingt om de geïnjecteerde polymeren na de oliewinning te scheiden van het water waarin ze zijn opgelost. Dat is technisch ingewikkeld en behoorlijk kostbaar. Broekhuis: “Daarom zou het een goed idee zijn om biologisch afbreekbare polymeren te ontwikkelen, bijvoorbeeld op basis van koolhydraten. Ook daarvoor hebben we in Groningen de juiste expertise in huis.”