MEOR (MICROBIAL ENHANCED OIL RECOVERY) – UMA ALTERNATIVA PROMISSORA PARA CAMPOS MADUROS E DE BAIXO FATOR DE RECUPERAÇÃO DE PETRÓLEO

MEOR (MICROBIAL ENHANCED OIL RECOVERY) – UMA ALTERNATIVA PROMISSORA PARA CAMPOS MADUROS E DE BAIXO FATOR DE RECUPERAÇÃO DE PETRÓLEO

Dourado, J. D. A., Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca (CEFET-RJ), email: [email protected]; Chaves, H. A. F., Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ), Faculdade de Geologia (FGEL), e-mail: [email protected]; Jones, C. M., Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ), Núcleo de Estudos de Engenharia de Produção (NEPRO), e-mail: [email protected]; Resumo O Programa de Recuperação Avançada de Petróleo (PRAVAP), da Petrobras reconhece que o cenário exploratório mundial é marcado por descobertas cada vez mais escassas e reservatórios cada vez mais maduros. MEOR (microbial enhanced oil recovery), a tecnologia que envolve o uso de microrganismos na recuperação avançada de petróleo, está bem desenvolvida, e hoje existem diversos exemplos de aplicações bem sucedidas em campos maduros, poços de petróleo com alta viscosidade e em reservatórios com baixa permeabilidade ou com outros problemas de escoamento. Esta tecnologia busca aproveitar os efeitos biológicos que ocorrem no nível molecular, e que induzem modificações na estrutura da matriz do reservatório ou no próprio óleo, para facilitar o fluxo do petróleo e sua conseqüente produção. Dada a dimensão econômica da indústria do petróleo, MEOR exibe uma importância estratégica para qualquer país com possibilidade de aplicar esta tecnologia para ampliar sua produção ou reservas de petróleo. Este reconhecimento tem sido demonstrado por diversas empresas e por diversos países, que têm realizado aplicações de MEOR, e que continuam realizando estudos para melhor compreender o potencial e o funcionamento dos processos biológicos operantes em MEOR. O advento das tecnologias de MEOR representa uma oportunidade estratégica para dominar uma tecnologia de ponta e estabelecer uma liderança num campo tecnológico de importância e potencial semelhantes aos que envolveram a questão do domínio das tecnologias de produção de petróleo em águas profundas. MEOR (MICROBIAL ENHANCED OIL RECOVERY) – A PROMISING ALTERNATIVE FOR MATURE FIELDS WITH LOW RECOVERY FACTORS

Dourado, J. D. A., Federal Center of Technological Education Celso Sukow da Fonseca (CEFET-RJ), email: [email protected]; Chaves, H. A. F., State University of Rio de Janeiro (UERJ), Faculty of Geology (FGEL), e-mail: [email protected]; Jones, C. M., State University of Rio de Janeiro (UERJ), Núcleo de Estudos de Engenharia de Produção (NEPRO), e-mail: [email protected]; Abstract Petrobras’ program for enhanced oil recovery (PRAVAP - Programa de Recuperação Avançada de Petróleo) recognizes that the current world exploratory scenario is one of ever scarcer discoveries and more mature fields. MEOR (microbial enhanced oil recovery), the technology which involves the use of microorganisms for the recovery of additional petroleum from existing reserves, is well developed, and today there exist several examples of successful applications in mature fields, in wells with high viscosity oil, and in reservoirs with low permeability or other flow problems. This technology seeks to take advantage of effects which occur at the molecular level, and which induce modifications in the structure of the reservoir matrix or in the oil itself, in order to ease its flow and consequent production. Given the economic dimension of the oil industry, MEOR exhibits a strategic importance for any country with the possibility of applying this technology to increase its oil production or reserves. This recognition has been demonstrated by several companies and several countries which have applied MEOR, and which continue to carry out studies to better understand its potential and the operating principles behind it. The advent of MEOR represents a strategic opportunity to dominate a leading edge technology and establish leadership in a technological field with potential and importance similar to those involved in the know-how of deep water oil exploration and production.

1. A Biotecnologia em Aplicações na Indústria do Petróleo Na indústria do petróleo, a biotecnologia já é amplamente utilizada na área de remediação de solos contaminados com hidrocarbonetos, e no tratamento de efluentes de diversos processos. Técnicas de identificação e de avaliação do potencial de degradação de determinados microrganismos também estão avançadas (Chaillan, 2004), permitindo associar certas cepas ou misturas, a problemas de contaminação por compostos específicos. A bioaumentação, com misturas de cepas especialmente selecionadas para degradar compostos de hidrocarbonetos, permitiu uma redução do tempo para atingir níveis aceitáveis de descontaminação em áreas de landfarming, e uma aceleração da quantidade de resíduos degradados de até uma ordem de magnitude (Bio-Systems Corporation, 1997). Mesmo em ambientes considerados desfavoráveis para processos biológicos, como regiões polares, a biotecnologia obteve resultados altamente favoráveis (McCarthy, 2004). A remediação de áreas contaminadas através da bioestimulação e bioaumentação permitiu evitar os danos causados à fauna e à flora por métodos intensivos e agressivos, como o jateamento com água ou vapor, ou outras medidas tecnologicamente complexas e onerosas (Venosa, 2003). O tratamento biológico da água produzida, contaminada com hidrocarbonetos, durante a produção de petróleo, tornou-se comum, e apresenta vantagens significativas na redução da carga orgânica, na forma de demanda química e bioquímica de oxigênio (DQO e DBO) e na remoção de sólidos suspensos (LI, 2005), principalmente através do processo de dês-emulsificação realizada por enzimas exsudadas por microrganismos. Os recentes avanços na engenharia genética, no estudo de microrganismos extremofílicos, na produção biológica de proteínas, e em diversos processos de bio-catálise, apontam para o potencial da biotecnologia no refino de petróleo, e especialmente para sua bio-dessulfurização (BDS). Resultados de laboratório e em escala piloto têm sido animadores, na transformação de óleos pesados em produtos leves e no processo de BDS (Le Borgne, 2003; Duhalt, 2002). A valorização da produção do petróleo através de sua dês-emulsificação com misturas de microrganismos também demonstrou ser uma tecnologia viável (Nadarajah, 2002). O transporte de petróleo viscoso através de dutos está encontrando soluções na aplicação de tecnologias que utilizam surfatantes (Al Roomi, 2004). Adicionados ao petróleo e água, eles formam emulsões de baixa viscosidade, que podem ser transportadas muito mais facilmente. Novas técnicas permitem determinar a produção de bio-surfatantes por diversos microrganismos (Youssef, 2004), e assim escolher microrganismos indicados para produzir bio-surfatantes ou bio-emulsificadores específicos (Rosenberg, 1997). A modificação das características hidráulicas de meios porosos, através de efeitos biológicos, como o crescimento de microrganismos e bioflocos, sugere a possível aplicação dirigida deste efeito para potencializar as técnicas de injeção de água, usadas para facilitar o escoamento do petróleo de rochas pouco permeáveis (Rockhold, 2002). Já é prática corrente a injeção de microrganismos para seletivamente obstruir áreas de porosidade, redirecionando o varrido da água injetada para regiões onde possa ser mais eficaz na estimulação da produção de óleo. Tradicionalmente, as observações do comportamento dos microrganismos degradadores de hidrocarbonetos, quando aplicados no petróleo cru, apontam para a degradação das frações mais leves antes das mais pesadas. Diferentemente do que se esperava, porém, estudos com certos microrganismos termofílicos têm demonstrado uma maior emulsificação e transformação das frações mais pesadas, em relação às mais leves, e uma redução ou até eliminação das frações de asfaltenos, (Hao, 2004). Desta forma, mesmo em ambientes previamente considerados inviáveis para a atuação de microrganismos, devido às temperaturas elevadas, agora pode ser indicado o tratamento biológico do petróleo pesado com microrganismos especializados, para melhorar sua produção. Os principais conceitos da biotecnologia, no sentido usado comercialmente nas diversas indústrias e aplicações existentes, são os da bioestimulação e da bioaumentação. O primeiro, a bioestimulação, referese à adição de produtos químicos, não microrganismos, para estimular processos biológicos, especialmente através da adição de nutrientes e fatores críticos ao desenvolvimento de microrganismos identificados como úteis no processo desejado. Este termo também contempla medidas que visam modificar condições físicas que possam estimular os processos desejados. O segundo, a bioaumentação, refere-se à adição de microrganismos em si, seja de uma ou mais cepas, e freqüentemente em combinações que resultam em efeitos mais notáveis do que os promovidos por cepas individuais (Figura 1). A bioaumentação não exclui a possibilidade da adição conjunta de produtos químicos, nutrientes e outros, conquanto o objetivo seja o de estabelecer determinados processos biológicos através da adição de populações especificamente selecionadas, modificando a biota existente e promovendo os processos biológicos desejados.

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Figura 1: A bioaumentação favorece processos biológicos desejados, através do controle das populações microbianas As novas tecnologias de MEOR, envolvendo produtos bioquímicos ou o uso de microrganismos, aumentam o leque de opções disponíveis para lidar com os problemas de produção de petróleo de um determinado poço, ou mesmo de um campo inteiro, seja essa redução ou limitação natural ou por conta de intervenções mal sucedidas. Entre as formas de aplicação de MEOR atualmente sendo testadas, está a aplicação intermitente, em que microrganismos e nutrientes são aplicados de uma vez, e posteriormente os poços injetores e produtores são fechados. Desta forma, os microrganismos podem agir durante mais tempo sobre o óleo contido no reservatório. Posteriormente, quando os microrganismos já tiverem realizado as transformações desejadas, através de seus produtos metabólicos, os poços produtores são colocados em produção para extrair o óleo já transformado. Este ciclo é repetido até conseguir a recuperação máxima do óleo, à medida que cada ciclo atua sobre novas regiões de óleo a ser transformado. Outra forma de aplicação de MEOR é uma injeção constante de microrganismos e nutrientes, para induzir as transformações desejadas no óleo a ser produzido, ao mesmo tempo em que o óleo do reservatório é varrido (Figura 2). Assim como nas tecnologias de combustão in situ, há variações em que a injeção de microrganismos, nutrientes e outros produtos pode ocorrer a partir do próprio poço produtor, ou de poços injetores distantes, dependendo da estratégia de recuperação e das circunstancias locais.

Figura 2: MEOR – descrição de uma aplicação constante para induzir as transformação biológicas do óleo (Fonte: National Energy Technology Laboratory) 2. Conceitos que Sugerem Aplicações Práticas de MEOR Há um forte incentivo à busca por novas tecnologias para ampliar ou estender a produção de petróleo de áreas que enfrentam problemas de escoamento da produção, e foi demonstrado que é possível obter um aumento compensador da produção e do fator de recuperação do petróleo, mediante o uso de produtos biológicos, mesmo quando os mecanismos operantes ainda não são totalmente compreendidos (Desouky, 1996; Yakimov, 1997; Li, 2002).

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Especialmente em relação às técnicas tradicionais de recuperação avançada de óleo, MEOR apresenta vantagens substanciais. A recuperação do petróleo existente em novos espaços identificados no mesmo campo, através da perfuração direcional ou de novos poços envolve investimentos substanciais. As demais técnicas de recuperação avançada de óleo são intrinsecamente energeticamente intensivas. Tecnologias de MEOR, em contrapartida, podem ser aplicadas em poços injetores ou produtores existentes, sem grandes investimentos, com custos operacionais relativamente baixos, e com baixa demanda energética. Hoje há consciência de que o papel dos microrganismos é muito mais abrangente do que se imaginava há alguns anos. A origem microbiana das acumulações orgânicas tornou-se o denominador comum do pensamento científico (O Globo, 2004). Os processos de transformação desse petróleo também estão sendo entendidos através da operação de processos microbiológicos (Mancini et al, 2004; Petrobras, 2005). Isso é especialmente reconhecido no caso da formação de gás e hidrocarbonetos leves (C1 – C5) (Santos Neto, 2004). A teoria da origem microbiológica das reservas petrolíferas e de suas transformações respalda a possibilidade de aplicar processos biológicos, análogos, para disponibilizar uma maior parte destas reservas, usando métodos de produção comercialmente viáveis. Ou seja, as tecnologias de MEOR podem representar a aplicação de praticamente os mesmos processos de formação original, aos problemas de ampliação e estimulação da produção de petróleo de alta viscosidade, de reservatórios com baixa permeabilidade, ou outros fatores limitantes. A possibilidade da emulsificação e dês-emulsificação biológica do petróleo sugere que seria possível a emulsificação do petróleo para facilitar a sua remoção da rocha reservatório, e a posterior dêsemulsificação, para facilitar a recuperação após sua retirada. Juntos, estes processos permitiriam melhorar a produção e recuperação do OIIP. Da mesma forma, a quebra seletiva de hidrocarbonetos com moléculas de cadeia longa ou pesadas, como certos asfaltenos, em compostos de escoamento mais fácil, representa uma possível aplicação da biotecnologia, em casos onde a produção é dificultada devido ao tipo de petróleo envolvido. Dado o estado avançado das tecnologias de MEOR, tanto para a emulsificação como para a dêsemulsificação do petróleo, este conceito já está sendo aplicado em estudos de viabilidade econômica. Outra observação que sugere o uso de tecnologias de MEOR no escoamento de petróleo de alta viscosidade é o fato que não há necessidade da completa transformação de todo o petróleo a ser produzido em frações menos viscosas, para que sua produção seja viabilizada. Há um novo conceito sobre um efeito de transformação seletiva (tratado separadamente em outro artigo, por estes autores), que permitiria alcançar incrementos significativos na produção de petróleo, com apenas a transformação de pequenas parcelas superficiais do petróleo adsorvido nas partículas e paredes da matriz. O crescimento preferencial dos microrganismos na superfície das rochas e partículas, formando biofilmes, é a base deste conceito (Figura 3).

Figura 3: Crescimento de biofilme na superfície de rochas (Fonte: Brown, Vadie e Stephens, 2005) 3. O Estado da arte em MEOR Na plataforma continental do Reino Unido (UKCS) foram feitos ensaios usando processos baseados em MEOR desde os anos 1990, com base em estudos iniciados pela Statoil em campos do Mar do Norte (Hughes, 2002). Recentemente, aplicações com êxito foram anunciadas pela Statoil (Hughes, 2003; Offshore Magazine, 2001). O departamento da indústria e comércio (DTI) do Reino Unido tem estimulado as companhias operadoras da UKCS a participar de estudos sobre MEOR, e um workshop sobre o tema tem sido realizado desde 2002 (DTI, 2002).

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Entre os benefícios obtidos na UKCS, a produção de certos poços aumentou 10%, e a contaminação com H2S foi eliminada. Em outros casos, a proporção de água produzida foi reduzida através do crescimento seletivo de bioflocos nos poros, permitindo que a água injetada por outros poços alcançasse regiões não atingidas previamente, através do chamado efeito de desvio microbiano do fluxo (MFD microbial flow diversion) (Hughes, 2003). A modificação da permeabilidade permitiu a produção de petróleo de zonas previamente não acessíveis, aumentando o fator de recuperação (Stephens, 2004). Outros trabalhos buscaram melhorar a eficiência da injeção de água, e estas aplicações de MEOR estão se tornando mais disseminadas (Oklahoma University, 2005). Em 2001 a Statoil anunciou que estaria desenvolvendo todo seu campo Norne, no setor da Noruega, no Mar do Norte, empregando uma tecnologia de MEOR, ou seja, uma técnica baseada na bioestimulação de microrganismos aeróbicos nativos. O resultado esperado é uma recuperação adicional de 6% do petróleo na jazida, durante o resto da vida útil do campo (Offshore Magazine, 2001). Os custos associados à utilização desta técnica são estimados como sendo aproximadamente iguais aos custos associados à adição convencional de biocidas. O departamento de energia (DOE) dos EUA desenvolveu um simulador para modelar o comportamento de microrganismos introduzidos em campos produtivos, e outros simuladores se seguiram, como o STARS (Computer Modelling Group LTD., 2005; Brealey, 2003). O DOE também divulgou experiências bem sucedidas utilizando MEOR, inclusive com estimativas de custos e valores correspondentes à recuperação adicional de petróleo (DOE, 2005). Outras publicações relatam a reversão do declínio da produção (Brown, 2002), a desobstrução por parafinas (Brown, 1999), o aumento da produção,(Brown, 2005), e outros sucessos. A otimização das tecnologias de MEOR, visando a produção de bio-surfatantes, é o principal foco dos esforços do DOA, atualmente (Figura 4).

Figura 4: Sistema de injeção de microrganismos visando a produção de bio-surfatantes in-situ (Fonte: National Energy Technology Laboratory) Na Romênia, a bioaumentação com misturas de microrganismos fornecidos comercialmente, reduziu os problemas associados à formação de parafina em poços produtores de petróleo (Lazar, 1999). Os microrganismos utilizados quebraram as ligações químicas da parafina e aumentaram sua solubilização, sem afetar significativamente o petróleo, dada sua seletividade para atuar sobre as frações parafiníticas e asfálticas. O projeto conjunto da indústria do petróleo (JIP) recebeu o apoio de majors como a Shell, BP e ConocoPhillips. O projeto JIP prevê o uso de culturas comercialmente desenvolvidas, em vez do uso exclusivo de microrganismos nativos (Hughes, 2003). Na segunda fase serão realizados estudos sobre o comportamento de poços em relação à corrosão, consumo de oxigênio e efeitos da temperatura (Hughes, 2002b). O projeto JIP tem um orçamento de 600.000 libras para a elaboração de predições para uma aplicação de MEOR em campo (Brealey, 2003b). 4. Concorrência e Questões Estratégicas O potencial de MEOR também foi entendido por diversos autores de pedidos de patentes, alguns dos quais foram concedidos (Sowlay, 2001; Sheehy, 1992). É evidente o interesse comercial pelas tecnologias de MEOR, e sua importância estratégica, pois inúmeros estudos têm sido levados a cabo, sem serem disponibilizados publicamente, permanecendo confidenciais. Em 2004, no site da International Research Institute of Stavanger, por exemplo, 17 de 25 artigos sobre estudos envolvendo tecnologias de MEOR, de 1996 a 2004, estavam classificados como confidenciais (RF – Rogaland Research, 2004). Diversas empresas de petróleo informam que estas tecnologias fazem parte de seus planos de P & D. A Petrobras identificou técnicas microbiológicas como um dos objetivos de seu programa de recuperação

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avançada de petróleo (PRAVAP) (Petrobras, 2004), mas a exemplo de outras empresas, deixou de atualizar publicamente estas informações em seu site, sem dúvida devido a questões estratégicas (Petrobras, 2006). Empresas de biotecnologia aplicada também estão desenvolvendo programas comerciais para MEOR, como: SLA, Inc. (Bailey, 2001); Micro-Bac, Inc. (LI, 2002); Hughes Eastern Corp. (Stephens, 2004); Live Oil, Inc. (Hughes, 2003); Reservoir Management, Ltd. (DTI, 2002); Commercial Microbiology (DTI, 2002); AEA Technology (Brown, 2002b); OMV (DTI, 2002), e outras. Vários centros acadêmicos de pesquisa também se dedicaram a estudos sobre MEOR: LabMET – Bélgica; UAE University – Emirados Árabes; King Saud University – Arábia Saudita; Universidade de Cairo – Egito; GBF – Alemanha; BGR – Alemanha; USAGE – EUA; Laboratory of Microbial Technology, Shandong University – China; Daqing Petroleum Institute – China; Universidade do Estado de Mississippi – EUA; Universidade de Tel Aviv – Israel; Sarkeys Energy Center, Universidade de Oklahoma – EUA; Universidade do Estado de Oregon – EUA; Pacific Northwest National Laboratory – EUA; Universidade de Peking – China; Universidade de Bergen – Noruega; Instituto de Biologia da Academia Romena – Romênia; Brookhaven National Laboratory – EUA; e muitos outros. Diversas outras entidades sem dúvida estão envolvidas em pesquisas semelhantes, ainda não divulgadas. Os trabalhos e estudos que vêm sendo realizados confidencialmente podem estar escondendo um grande número de pesquisas e dados sobre MEOR, mas o verdadeiro alcance e potencial de MEOR começa a ser percebido. 5. Conclusão As tecnologias de MEOR estão amplamente fundamentadas e respaldadas por conceitos análogos aos operantes em processos precursores e paralelos, assim como em inúmeros exemplos de aplicações práticas bem sucedidas. Dados os ganhos potenciais advindos das tecnologias envolvendo MEOR, elas não podem mais ser relegadas a um segundo plano, nos planos de pesquisa e desenvolvimento dos players da indústria do petróleo, nem apenas levadas a cabo por estudos não publicados ou confidenciais. Um aumento do fator de recuperação do óleo de apenas 1% a 5% representa um ganho semelhante à descoberta de novas jazidas importantes, sem os riscos inerentes às áreas de fronteira. Neste contexto, as tecnologias de MEOR são um fator estratégico, com potencial semelhante ao que envolveu o domínio das tecnologias de exploração e produção de petróleo em águas profundas. Esta situação dita uma nova visão em relação às tecnologias de MEOR, orientada para sua maior aplicação prática. Há bacias sedimentares no Brasil, como a de Sergipe-Alagoas (SEAL), onde campos maduros produzem há décadas. Seus poços apresentam características de difícil escoamento, sendo candidatos ideais para a aplicação de MEOR, visando ampliar a produção, estender sua vida útil e melhorar o fator de recuperação do petróleo. Testes de campo para avaliar o potencial de MEOR no Brasil devem, portanto, ser uma prioridade dos planos de pesquisa e desenvolvimento da Petrobras 6. Referências Al Roomi, Y. et al. Use of a novel surfactant for improving the transportability/transportation of heavy/viscous crude oils. Journal of Petroleum Science & Engineering, n. 42, p. 235-243, 2004. ANP (Agência Nacional do Petróleo). Dados Estatísticos - Produção Nacional de Petróleo e LGN. http://www.anp.gov.br/petro/dados_estatisticos.asp, 2006 Babadagli, T. Evaluation of EOR methods for heavy-oil recovery in naturally fractured reservoirs. Journals of Petroleum Science & Engineering, n. 37, p. 25-37, 2003. Bailey, S., Atnip, S. Using a new biological option to repair polymer-induced formation damage. World Oil, May 2001. Banat, I. M. Biosurfactant production and possible uses in microbial enhanced oil recovery and oil pollution remediation: a review. Bioresource Technology, n. 51, p. 1-12, 1995. Bio-Systems Corporation. Bioremediation of oily residues at landfarming site (details confidential). http://www.biobugs.com/06/casehistory/index.php, 1997. BP p.l.c.. Statistical Review of World Energy 2006. http://www.bp.com/productlanding.do?categoryId=91&contentId=7017990, 2006. Brealey, N. A Method to Predict MEOR Benefits on a Field Basis. SHARPIOR eNewsletter, n. 4, Jan, 2003. Brealey, N. The Use of Residual Oil as Nutrient for Microbial Enhanced Oil Recovery – JIP Proposal. SHARPIOR eNewsletter, n. 6, Oct, 2003b. Brown, L. et al. Microbial Options for Increasing Oil Recovery. Workshop patrocinado pela Petroleum Technology Transfer Council, Zanesville, OH, Jun. 21, 1999. Brown, L. R., Vadie, A. A., Stephens, J. O. Slowing Production Decline and Extending the Economic Life of an Oil Field: New MEOR Technology. SPE Reservoir Evaluation & Engineering, Feb, 2002. Brown, L. R. Thoughts on MEOR from the DTI Workshop. SHARPIOR eNewsletter, n. 2, May, 2002b. 6

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