N?r oljen fra konvensjonelle kilder tar slutt, m? vi utvinne olje fra skiferstein. Da er vi n?dt til ? forst? kreftene mellom de enkelte molekylene i v?sken og overflaten i skiferen, poengterer Bj?rn 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 p? organisk materiale. Da skiferen for mange millioner ?r siden sank dypere og dyp-ere ned i berggrunnen, ?kte trykket og temperaturen. Skiferen begynte ? svette olje og gass. Oljen og gassen steg opp gjennom sandstein og kalkstein, inntil de stanget hodet i en takbergart. Det er nettopp disse omr?dene som er blitt til konvensjonelle olje- og gassfelt.
Likevel fins det fortsatt enorme mengder olje og gass i skifersteinen.
Store ul?ste problemer
For ? presse ut oljen og gassen, m? man bore tusenvis av hull og, under h?yt 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 nanosm? porer.
Disse porene kan v?re s? sm? som noen f? nanometer. En nanometer er en tusendels mikrometer.
– I sandstein kan man forst? v?skegjennomstr?mningen uten ? m?tte forst? hva som skjer i nanoskala. For ? forst? hvordan v?sken str?mmer gjennom skifer, er det derimot viktig ? forst? hva som skjer p? atomniv?. N?r v?ske eller gass beveger seg gjennom nanosm? kanaler, endres de fysiske egenskapene. Disse egenskapene er fortsatt ikke kjent. N?r vi forst?r mer av hva som skjer n?r oljen og gassen blir presset til ? bevege seg gjennom nanosm? porer, har vi bedre forutsetninger for ? ?ke utvinningen fra tette bergarter, sier Jamtveit.
332 milliarder kroner
If?lge 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 v?re 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 st?rste norske forekomstene er, if?lge seniorr?dgiver Knut Henrik Jacobsen i Oljedirektoratet, i Norskehavet, rundt Ekofisk-feltene og i Tampen-omr?det, som er et fellesnavn for den nordlige delen av Nordsj?en.
Jacobsen mener derimot at den norske oljen og gassen i skifer ikke har noen verdi fordi det koster for mye ? f? den opp.
– De norske ressursene er sannsynligvis mange ganger st?rre enn det vi venter ? finne i vanlige reservoarer, men de er ikke l?nnsomme ? produsere til havs. Forekomstene p? land vil derimot endre det geopolitiske bildet. Om f? ?r blir USA selvforsynte med olje og gass fra skifer. Kina og Russland har ogs? store omr?der med skiferolje og skifergass, p?peker Jacobsen.
Viktig for Statoil
Statoil sponser Jamtveits forskningssenter med 11 millioner kroner de neste fire ?rene, for ? f? ny kunnskap om ?kt utvinning fra tette bergarter.
– Det er viktig ? f? en fundamental forst?else av str?mningsprosesser i tette bergarter. Da m? vi beregne og modellere str?mning og utvinning fra bergarter med sm? og mange porer. Dette er interessant for oss, b?de internasjonalt og p? norsk sokkel, forteller forskningsdirekt?r Lars H?ier i Statoil.
For to ?r siden klarte Statoil ? utvinne 50 prosent fra feltene sine p? norsk sokkel. Statoil ?nsker n? ? ?ke denne prosentandelen til 60.
– En ?kning p? bare ett prosentpoeng tilsvarer over 327 millioner fat olje. Det betyr 200 milliarder kroner med en antatt oljepris p? 100 dollar fatet, fastsl?r Lars H?ier.
Eksperimenterer p? nanoniv?
For ? forst? hva som skjer n?r v?ske renner gjennom nanopor?se bergarter, m? forskerne studere kreftene mellom de enkelte atomene og molekylene. Det er lettere sagt enn gjort.
Riktignok fins det eksperimentelle metoder for ? kunne studere hva som skjer p? nanoniv?.
– Det er likevel ikke nok til ? forst? hva som skjer p? atomniv?, forteller professor Dag Dysthe i PGP, som er ansvarlig for eksperimenter p? v?skegjennomstr?mninger i nanopor?se bergarter.
Et av redskapene hans er et atomkraftmikroskop. Mikroskopet fungerer som en gammeldags grammofonplate, der spissen p? stiften bare er ti til hundre nanometer bred. Hundre nanometer er en titusendels millimeter. Et h?rstr? er hundre ganger bredere.
– Spissen kan f?le kreftene til enkeltatomene.
Den store svakheten er at metoden er vanskelig ? bruke n?r forskerne skal m?le hva som skjer i overgangen mellom fast stoff og rennende v?ske. Da ser de ikke enkeltatomene, men bare snittet av et titalls atomer.
– S? selv om vi kan studere hva som skjer p? nanoniv?, 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 ? studere hva som skjer p? nanoniv?, kan fysikerne ogs? bruke r?ntgen og elektronmikroskop.
– Begge metodene har sine svakheter. Med r?ntgenunders?kelser f?r vi bare en statistisk tolkning av hvordan ting ser ut.
Elektronmikroskop er ikke mulig ? bruke p? flytende v?ske. Det er derfor ikke eksperimentelt mulig ? se hvordan de enkelte atomene endrer de fysiske egenskapene i nanotrange r?r. Forskerne m? derfor ty til simuleringer.
– For hvert eksperiment f?r vi bare ut noen tall. Med simuleringer p? datamaskinen kan vi studere de mange millionene med atomer enkeltvis.
Simulerer atom for atom
Professor Anders Malthe S?renssen ved PGP har nylig reist til University of Southern California for ? l?re seg mer om matematisk modellering av v?skegjennomstr?mninger i nanopor?se materialer.
Som en start har stipendiaten hans, Camilla Kirkemo p? PGP og Fysisk institutt, simulert hva som skjer n?r flere hundre tusen vannmolekyler er fanget i sm? porer.
Hun har studert bevegelsen til hvert enkelt molekyl i porer som bare er noen f? nanometer store. R?rene er da s? sm? at det bare er plass til ti vannmolekyler i bredden.
– I simuleringene kan vi sammenligne egenskap-ene til vannmolekyler n?r overflaten og langt fra overflaten. Slikt er vanskelig ? 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 p? hverandre, kan hun beregne kreftene og hvordan molekylene beveger seg.
N?r molekylene ikke er ved overflaten, vil de v?re i jevn bevegelse. N?r et molekyl n?rmer seg overflaten, vil det en stund v?re fanget f?r det fortsetter og blir sittende fast et annet sted. Simuleringsprogrammet regner ut banen og hastigheten til hvert enkelt molekyl.
Simuleringene hennes har allerede f?rt til en banebrytende oppdagelse om frysepunktet til vann.
– I trange rom og kanaler vil v?sken oppf?re seg annerledes enn det vi har v?rt vant til.
Det viser seg at trykket blir st?rre i sm? porer. Det er godt nytt for oljeindustrien.
– V?sken f?r da st?rre tetthet. Og tettere v?ske gj?r at vannet holder seg flytende selv i flere minus-grader. Simuleringene v?re viser at vann i nano-porer faktisk kan v?re flytende helt ned til minus 173 grader Celsius, konstaterer Kirkemo.
Hun p?peker at simuleringene ogs? er inter-essante for dem som skal forske p? 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 p? mange bergarter.
Glasset i simuleringene er teoretisk generert i datamaskinen. For ? skape de mange nanoporene i glasset, simulerte Kirkemo f?rst at glasset ble strukket. Da fikk hun et materiale med mange poreganger.
– Glasset ble varmet opp og kj?lt 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 gjennomstr?mningen av vann i ekte skifer. Da m? hun f? avbildet den mikropor?se strukturen i skiferen. Det skjer p? den enorme syklotronen i Grenoble i Frankrike.
Med h?yfrekvente r?ntgenstr?ler f?r hun en tredimensjonal avbildning av en bitte liten klump skifer, som bare er én millimeter bred.
Tunge simuleringer
Det krever store beregninger ? 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 s? mye regnekapasitet at en enkelt kj?ring bruker ti dager p? 64 parallelle datamaskiner. Hun bruker da landets raskeste tungregnemaskiner.
Slike kj?ringer er likevel ikke bra nok. I neste runde skal Kirkemo simulere oppf?rselen til en milliard atomer samtidig. Da blir de statistiske analysene mye bedre.
– Med en milliard atomer kan simuleringen ta flere m?neder, sier Kirkemo.
For ? unng? programmeringsfeil, tester hun f?rst programmet p? sm? maskiner.