Ny atomforståelse kan øke den norske oljeproduksjonen

Fremtidens olje må pumpes opp fra nanotynne sprekker i skiferstein. Da må geologene forstå hvordan de enkelte molekylene beveger seg. UiO har allerede gjort de første beregningene.

SIMULERER MOLEKYLER OG ATOMER: Camilla Kirkemo studerer bevegelsen til hvert enkelt molekyl i porer som bare er noen få nanometer store. Simuleringene hennes viser at frysepunktet til vann kan stupe helt ned til minus 173 grader i nanotynne porer. De gule prikkene er atomene i det faste stoffet. De røde og hvite prikkene er vannmolekylene som renner igjennom poregangene i det faste stoffet. Foto: Yngve Vogt

Når oljen fra konvensjonelle kilder tar slutt, må vi utvinne olje fra skiferstein. Da er vi nødt til å forstå kreftene mellom de enkelte molekylene i væsken og overflaten i skiferen, poengterer Bjørn Jamtveit, professor og leder for forskergruppen PGP, Physics of Geological Processes ved Universitetet i Oslo.


Oljen og gassen ble i sin tid dannet i skiferstein. Skifer er rikt på organisk materiale. Da skiferen for mange millioner år siden sank dypere og dyp-ere ned i berggrunnen, økte trykket og temperaturen. Skiferen begynte å svette olje og gass. Oljen og gassen steg opp gjennom sandstein og kalkstein, inntil de stanget hodet i en takbergart. Det er nettopp disse områdene som er blitt til konvensjonelle olje- og gassfelt.


Likevel fins det fortsatt enorme mengder olje og gass i skifersteinen.

Store uløste problemer

For å presse ut oljen og gassen, må man bore tusenvis av hull og, under høyt trykk, pumpe inn store mengder vann, kjemikalier og sand.


Dette er likevel ikke nok.


– Mens sandstein og kalkstein har store porer, er skiferstein tette bergarter med nanosmå porer.


Disse porene kan være så små som noen få nanometer. En nanometer er en tusendels mikrometer.


– I sandstein kan man forstå væskegjennomstrømningen uten å måtte forstå hva som skjer i nanoskala. For å forstå hvordan væsken strømmer gjennom skifer, er det derimot viktig å forstå hva som skjer på atomnivå. Når væske eller gass beveger seg gjennom nanosmå kanaler, endres de fysiske egenskapene. Disse egenskapene er fortsatt ikke kjent. Når vi forstår mer av hva som skjer når oljen og gassen blir presset til å bevege seg gjennom nanosmå porer, har vi bedre forutsetninger for å øke utvinningen fra tette bergarter, sier Jamtveit.

332 milliarder kroner

Ifølge amerikansk energistatistikk (EIA) fins det 24 milliarder fat skiferolje og 185 billioner kubikkmeter skifergass i verden.


– Det er sannsynligvis mer enn to billioner kubikkmeter skifergass i norske farvann. Med dagens pris kan den norske skifergassen være verdt 332 milliarder kroner, forteller professor i fysikk, Paul Meakin fra Temple University i USA, som frem til jul var gjesteforsker ved Universitetet i Oslo og Institutt for Energiteknikk.


De største norske forekomstene er, ifølge seniorrådgiver Knut Henrik Jacobsen i Oljedirektoratet, i Norskehavet, rundt Ekofisk-feltene og i Tampen-området, som er et fellesnavn for den nordlige delen av Nordsjøen.


Jacobsen mener derimot at den norske oljen og gassen i skifer ikke har noen verdi fordi det koster for mye å få den opp.


– De norske ressursene er sannsynligvis mange ganger større enn det vi venter å finne i vanlige reservoarer, men de er ikke lønnsomme å produsere til havs. Forekomstene på land vil derimot endre det geopolitiske bildet. Om få år blir USA selvforsynte med olje og gass fra skifer. Kina og Russland har også store områder med skiferolje og skifergass, påpeker Jacobsen.

Viktig for Statoil

Statoil sponser Jamtveits forskningssenter med 11 millioner kroner de neste fire årene, for å få ny kunnskap om økt utvinning fra tette bergarter.


– Det er viktig å få en fundamental forståelse av strømningsprosesser i tette bergarter. Da må vi beregne og modellere strømning og utvinning fra bergarter med små og mange porer. Dette er interessant for oss, både internasjonalt og på norsk sokkel, forteller forskningsdirektør Lars Høier i Statoil.


For to år siden klarte Statoil å utvinne 50 prosent fra feltene sine på norsk sokkel. Statoil ønsker nå å øke denne prosentandelen til 60.


– En økning på bare ett prosentpoeng tilsvarer over 327 millioner fat olje. Det betyr 200 milliarder kroner med en antatt oljepris på 100 dollar fatet, fastslår Lars Høier.

Eksperimenterer på nanonivå

For å forstå hva som skjer når væske renner gjennom nanoporøse bergarter, må forskerne studere kreftene mellom de enkelte atomene og molekylene. Det er lettere sagt enn gjort.


Riktignok fins det eksperimentelle metoder for å kunne studere hva som skjer på nanonivå.


– Det er likevel ikke nok til å forstå hva som skjer på atomnivå, forteller professor Dag Dysthe i PGP, som er ansvarlig for eksperimenter på væskegjennomstrømninger i nanoporøse bergarter.


Et av redskapene hans er et atomkraftmikroskop. Mikroskopet fungerer som en gammeldags grammofonplate, der spissen på stiften bare er ti til hundre nanometer bred. Hundre nanometer er en titusendels millimeter. Et hårstrå er hundre ganger bredere.


– Spissen kan føle kreftene til enkeltatomene.


Den store svakheten er at metoden er vanskelig å bruke når forskerne skal måle hva som skjer i overgangen mellom fast stoff og rennende væske. Da ser de ikke enkeltatomene, men bare snittet av et titalls atomer.


– Så selv om vi kan studere hva som skjer på nanonivå, er vi som driver med eksperimenter, nesten blinde. I eksperimenter kan vi bare observere gjennomsnittet av slike ting som kraft, ionestyrke og ph-verdi, sier Dag Dysthe.


For å studere hva som skjer på nanonivå, kan fysikerne også bruke røntgen og elektronmikroskop.


– Begge metodene har sine svakheter. Med røntgenundersøkelser får vi bare en statistisk tolkning av hvordan ting ser ut.

Elektronmikroskop er ikke mulig å bruke på flytende væske. Det er derfor ikke eksperimentelt mulig å se hvordan de enkelte atomene endrer de fysiske egenskapene i nanotrange rør. Forskerne må derfor ty til simuleringer.


– For hvert eksperiment får vi bare ut noen tall. Med simuleringer på datamaskinen kan vi studere de mange millionene med atomer enkeltvis.

Simulerer atom for atom

Professor Anders Malthe Sørenssen ved PGP har nylig reist til University of Southern California for å lære seg mer om matematisk modellering av væskegjennomstrømninger i nanoporøse materialer.


Som en start har stipendiaten hans, Camilla Kirkemo på PGP og Fysisk institutt, simulert hva som skjer når flere hundre tusen vannmolekyler er fanget i små porer.


Hun har studert bevegelsen til hvert enkelt molekyl i porer som bare er noen få nanometer store. Rørene er da så små at det bare er plass til ti vannmolekyler i bredden.


– I simuleringene kan vi sammenligne egenskap-ene til vannmolekyler nær overflaten og langt fra overflaten. Slikt er vanskelig å se eksperimentelt, sier Kirkemo.


Det er krefter mellom vannmolekylene og atomene i det faste stoffet. Ved hjelp av Newtons lover og avanserte modeller for hvordan atomer reagerer på hverandre, kan hun beregne kreftene og hvordan molekylene beveger seg.


Når molekylene ikke er ved overflaten, vil de være i jevn bevegelse. Når et molekyl nærmer seg overflaten, vil det en stund være fanget før det fortsetter og blir sittende fast et annet sted. Simuleringsprogrammet regner ut banen og hastigheten til hvert enkelt molekyl.


Simuleringene hennes har allerede ført til en banebrytende oppdagelse om frysepunktet til vann.


– I trange rom og kanaler vil væsken oppføre seg annerledes enn det vi har vært vant til.


Det viser seg at trykket blir større i små porer. Det er godt nytt for oljeindustrien.


– Væsken får da større tetthet. Og tettere væske gjør at vannet holder seg flytende selv i flere minus-grader. Simuleringene våre viser at vann i nano-porer faktisk kan være flytende helt ned til minus 173 grader Celsius, konstaterer Kirkemo.


Hun påpeker at simuleringene også er inter-essante for dem som skal forske på CO2-lagring i skifer.

Skal simulere ekte skifer

Dagens simuleringer skjer i en tenkt ti nanometer bred, firkantet kube av glass.


– Glass er et enkelt materiale og ligner på mange bergarter.


Glasset i simuleringene er teoretisk generert i datamaskinen. For å skape de mange nanoporene i glasset, simulerte Kirkemo først at glasset ble strukket. Da fikk hun et materiale med mange poreganger.


– Glasset ble varmet opp og kjølt ned. Da ble porene strukket, og vi fikk et porenettverk som ser naturlig ut og minner om det som fins i naturen.


I neste runde skal hun simulere gjennomstrømningen av vann i ekte skifer. Da må hun få avbildet den mikroporøse strukturen i skiferen. Det skjer på den enorme syklotronen i Grenoble i Frankrike.


Med høyfrekvente røntgenstråler får hun en tredimensjonal avbildning av en bitte liten klump skifer, som bare er én millimeter bred.

Tunge simuleringer

Det krever store beregninger å simulere tilstanden til 100 000 atomer i slengen.


Selv om Kirkemo bare simulerer hva som skjer i ti nanosekunder, er hver tidsenhet i modellen en halv femtosekund. En femtosekund er en milliontedel av en milliarddels sekund. Det betyr at hun simulerer hva som skjer med vannmolekylene i 20 millioner steg.


Modellen tar så mye regnekapasitet at en enkelt kjøring bruker ti dager på 64 parallelle datamaskiner. Hun bruker da landets raskeste tungregnemaskiner.


Slike kjøringer er likevel ikke bra nok. I neste runde skal Kirkemo simulere oppførselen til en milliard atomer samtidig. Da blir de statistiske analysene mye bedre.


– Med en milliard atomer kan simuleringen ta flere måneder, sier Kirkemo.


For å unngå programmeringsfeil, tester hun først programmet på små maskiner.

Av Yngve Vogt
Publisert 13. mai 2013 04:00
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere