The utilization of microorganisms as an enhanced oil recovery (EOR) method has attracted much attention in recent years because it is a low-cost, easy to apply and environmentally friendly technology. However, the pore-scale mechanisms involved in microbial enhanced oil recovery (MEOR) that contribute to an additional oil recovery are not fully understood so far. This work aims to investigate the MEOR mechanisms using microfluidic technology, among others, bioplugging and changes in fluid viscosity as well as wettability alteration. Further, the contribution of these mechanisms to additional oil recovery was quantified.
A novel experimental setup that enables investigation of MEOR in micromodels under elevated pressure, reservoir temperature and anaerobic and sterile conditions was developed. Micromodels designed based on real rocks structures were constructed with two different permeability zones for the investigation of bioplugging effects and conformance improvement during the MEOR process. An image processing algorithm was developed to estimate the bacteria growth and transport as well as fluid phase saturation in micromodels. To investigate the role of microorganisms in MEOR processes, the single and two-phase experiments were performed with fluids from a German high-salinity oil field selected for a potential MEOR application. Several parameters that govern the MEOR performance were investigated, including (1) bacteria growth, which is controlled by the nutrient concentration and incubation conditions as well as the flooding operation management, (2) bacteria community, (3) properties of porous media such as pore size and wettability. Furthermore, a numerical approach was applied to understand the significance of contributing mechanisms to oil displacement efficiency.
As a result, in-situ bacteria growth was observed in the micromodel for both single and two-phase flooding experiments. During the injection, microbial cells were partly transported through the micromodel but also remained attached to the micromodel surface. These attached bacteria and biofilm formation cause the permeability reduction in micromodels and possibly the wettability alteration. Two-phase flow experiments in a customized heterogeneous micromodel showed a significant effect of bioplugging and improved the macroscopic conformance of the oil displacement process. The increase in differential pressure after bacteria incubation and microscopic visualization confirmed bioplugging in micromodels. The flow diversion of the tracer particles and the differences in the velocity field also confirmed that bioplugging might lead to improved conformance control. Additionally, during the metabolism, microorganisms were observed produced gas that could dissolve in the liquid phase, thus reducing the viscosity. This oil viscosity reduction was identified to contribute to incremental oil in micromodel experiments.
The simulation results showed that the bacteria growth and transport in micromodels could be reproduced through the chemical reactions and the kinetic model. Furthermore, several oil displacement mechanisms during MEOR were evaluated in the simulation model, including bioplugging effect due to the attachment of bacterial cells, oil viscosity reduction due to the dissolution of CO2, and relative permeability change due to bacteria adsorption and biofilms onto the surface of the rock. Based on the simulation result, it can be concluded that these three mechanisms contribute to oil displacement efficiency during the MEOR process in micromodels.Die Nutzung von Mikroorganismen als Methode für die tertiäre Erdölgewinnung erhielt in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit, da es eine kostengünstige, leicht anwendbare und umweltfreundliche Technologie dartellen könnte. Dennoch existiert kein vollständiges Verständnis über die Porenskalamechanismen, die bei der “microbial enhanced oil recovery (MEOR)” für die zusätzliche Erdölgewinnung verantwortlich sind. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab die MEOR-Mechanismen mit Hilfe von Mikrofluidiktechnologien zu untersuchen, u.a. sind dies Biokolmation, Änderungen der Fluidviskosität und Veränderungen der Oberflächenbenetzbarkeit. Weiterhin wurde der Beitrag dieser Mechanismen zur zusätzlichen Erdölgewinnung quantifiziert.
Ein neuartiger experimenteller Aufbau, der es erlaubt MEOR in Mikromodellen unter angehobenem Druck, Lagerstättentemperatur sowie sauerstofffreien und sterilen Bedingungen zu untersuchen, wurde entwickelt. Basierend auf realen Gesteinsstrukturen wurden Mikromodelle mit zwei verschiedenen Permeabilitätszonen gestaltet und für die Untersuchung des Biokolmationseffekts und der Konformitätsverbesserung während des MEOR-Prozesses hergestellt. Ein Bilddatenverarbeitungsalgorithmus wurde für die Abschätzung des Wachstums und Transports von Bakterien, sowie für die Fluidphasensättigung in den Mikromodellen entwickelt. Um die Rolle der Mikroorganismen in MEOR-Prozessen zu untersuchen, wurden Einphasen- und Zweiphasenexperimente mit Fluiden aus einem deutschen hoch salinen Ölfeld, das für eine potentielle MEOR-Anwendung ausgewählt wurde, durchgeführt. Verschiedene Parameter, die die Leistungsfähigkeit der MEOR-Methode steuern, wurden untersucht: (1) Bakterielles Wachstum, welches von der Nährstoffkonzentration und den Inkubationsbedingungen, sowie von der Flutbetriebsdurchführung beeinflusst wird, (2) Bakteriengemeinschaft, (3) Eigenschaften des porösen Mediums wie z.B. Porengröße und Benetzbarkeit. Zusätzlich wurde ein numerischer Ansatz angewendet, um die Bedeutung der beitragenden Mechanismen zur Effizienz der Ölverdrängung zu verstehen.
Die Ergebnisse zeigen, dass bakterielles Wachstum bei Einphasen- und Zweiphasenexperimenten im Mikromodell beobachtet werden kann. Während der Injektion wurden die bakteriellen Zellen teilweise durch das Mikromodell transportiert aber blieben zum Teil auch an der Oberfläche des Mikromodells angehaftet. Diese angehafteten Bakterien und ihre Biofilmbildung sorgen für eine Reduktion der Permeabilität des Mikromodells und möglichweise für die Veränderung der Oberflächenbenetzbarkeit. Zweiphasenströmungsexperimente in einem angepassten heterogenen Mikromodell zeigten einen signifikanten Einfluss der Biokolmation und dadurch eine verbesserte Konformität des Ölverdrängungsprozesses. Der Anstieg des Differenzdrucks nach der Bakterieninkubation und die mikroskopische Visualisierung bestätigen die Biokolmation im Mikromodell. Die Strömungsumlenkung von Tracerpartikeln und der Unterschied im Geschwindigkeitsfeld bestätigen, dass Biokolmation zu einer verbesserten Konformitätskontrolle führt. Zusätzlich wurde während des Stoffwechsels beobachtet, dass die Mikroorganismen Gas produzieren, welches sich in der flüssigen Phase einlösen könnte und dadurch die Viskosität reduziert. Diese Reduzierung der Ölviskosität ist als Beitrag zur zusätzlichen Ölgewinnung identifiziert worden.
Die Simulationsergebnisse zeigten, dass das Wachstum und der Transport von Bakterien in den Mikromodellen durch chemische Reaktionen und ein kinetisches Modell reproduziert werden kann. Außerdem wurden verschiedene Ölverdrängungsmechanismen, die bei der MEOR-Methode eine Rolle spielen, bewertet: Biokolmation durch die Anhaftung von mikrobiellen Zellen, Reduktion der Ölviskosität durch die Einlösung von CO2, Veränderung der relativen Permeabilität durch die Adsorption von Bakterien und Bildung von Biofilmen an den Porenwänden. Basierend auf den Simulationsergebnissen kann zurückgeschlossen werden, dass diese drei Mechanismen zur Effizient des MEOR-Prozesses in Mikromodellen beitragen
