Petroleumsreservoar

Et petroleumsreservoar eller hydrokarbonreservoar er en avgrenset naturlig forekomst av petroleum, lagret under jorden i en porøs eller oppsprukket bergart.  Et reservoar kan karakteriseres som et gass- eller oljereservoar, etter den dominerende væskefasen i reservoaret. 
Norske myndigheter bruker også betegnelsen petroleumsforekomst dersom hydrokarbonene i reservoaret er i trykk-kommunikasjon.
De fleste reservoar er funnet i sedimentære bergarter, der mellomrom mellom bergartspartiklene er fylt med væske: gass, olje og vann.  Hydrokarboner kan imidlertid også finnes i oppsprukne magmatiske og metamorfe bergarter.   I fagområdet petroleumsgeologi studerer en hvordan geologiske prosesser har bidratt til å danne, transportere og lagre petroleum i naturen.
Hydrokarbonene er dannet ved nedbryting og omforming av organisk materiale i en dyptliggende kildebergart.  Vanligvis vil hydrokarbonene ha migrert fra kildebergarten oppover og inn i reservoaret, og bergartene må være både porøse og permeable for at transporten skal kunne skje. I reservoaret har gass og olje blitt fanget ved at tette takbergarter stenger veien videre.  Under gassen og oljen i reservoaret er porene vannfylte, med en rekke salter oppløst i vannet. Kartlegging av petroleumsreservoar involverer mange fagspesialister, i fag som geofysikk, geologi, petrofysikk, kjemiteknikk og reservoarteknologi.
Størrelsen på en petroleumsforekomst blir gitt i en volumenhet, som standardkubikkmeter eller fat.  Tilstedeværende volum kalles ressurser, mens reserver er et mål for de volumene som er teknisk og økonomisk produserbare.
En rekke petroleumsreservoar er funnet og satt i produksjon utenfor kysten av Norge.   Det første feltet som ble funnet var Ekofiskfeltet, med produksjonsstart i 1971.  Det største feltet på norsk sokkel er Statfjord.  Til nå er over 5000 brønner boret i norsk område.  Det største oljereservoaret i verden er Ghawar i Saudi-Arabia, mens det største gassreservoaret er South Pars, delt mellom Qatar og Iran. Det største offshorefeltet i verden er Safaniya, også det i Saudi-Arabia.
Ordet reservoar har opphav i det franske ordet «reservoir», som betyr «tank».

Omdanning til petroleum

Mens sedimentlagene ennå befinner seg på grunt dyp, under tilnærmet normal trykk og temperatur, vil det biologiske materialet bli omdannet ved diagenese.  Dette omfatter nedbryting forårsaket ved bakterier og også fysisk/kjemisk omdanning.   Det organiske materialet gir fra seg metan, karbondioksid og vann, og en kompleks blanding av hydrokarboner kalt kerogen blir igjen.  Kerogen lar seg ikke løse i vanlige løsningsmidler for olje.
Etter som temperatur og trykk i sedimentet øker, vil kerogenet modne og vil kunne frigi olje og gass i en prosess kalt katagenese.  Kerogenet må ha nådd  en temperatur omkring 65 °C før olje kan dannes.   I en tidlig fase vil det avgis tunge oljemolekyler, men dersom temperaturen stiger ytterligere vil det frigis lettere og lettere olje.  Ved høy temperatur vil også den tyngre oljen som er blitt frigitt bli brutt ned til lettere komponenter, i en krakking-prosess. Ved fortsatt temperaturøkning avtar dannelsen av olje, og det blir i stedet frigjort gass.
Ved høy temperatur og trykk gjennomgår kerogenet den siste fasen, kalt metagenese, der den siste rest av hydrokarboner blir avgitt.  Ved temperaturer over ca. 175 °C avgis tørr gass, vanligvis bare metan. Skulle temperaturen nå så høyt som til 230 °C, så vil alle hydrokarboner bli brutt ned og ødelagt.  Det som blir igjen er en rest av nesten ren karbon, i form av grafitt.
Temperaturintervallet der olje og gass kan dannes svarer til et dybdeintervall i jordskorpa der vilkårene for petroleumsdannelse vil være til stede.  Dette intervallet kalles gjerne oljevinduet eller oljekjøkkenet. Dybdeintervallet kan variere mye lokalt, men vil typisk ligge omkring 2000 - 4500 meter. I tillegg til temperaturen vil også tiden være en viktig faktor for modningen av kerogenet: Dess lenger tid det organiske materialet har vært utsatt for en viss temperatur, dess mer modent blir det.

Kildebergarter

En kildebergart er en sedimentær bergart som er eller var i stand til å generere en stor mengde hydrokarboner. En typisk kildebergart er en organisk rik skifer, fra olivengrå til svart i fargen.  En viktige kildebergart i Nordsjøen er skiferen som på engelsk side kalles Kimmeridge og på norsk side Draupne. Også kullsekvenser i Brent er viktige kilder.
Under leting etter olje og gass vil det være viktig å fastslå modningsgraden av kerogen i en mulig kildebergart, for å kunne si noe om potensialet for at denne har avgitt hydrokarboner.

Migrasjon

Gass og olje som er frigjort fra kerogen vil på grunn av tetthetsforskjeller migrere oppover i sedimentlagene, dersom permeabiliteten er tilstrekkelig høy.  Transporten ut av kildebergarten og inn i et overliggende lag kalles primær migrasjon, mens sekundær migrasjon er transport videre oppover i lagene over kildebergarten.   Mens sekundær migrasjon er relativt godt forstått, mangler det mye på å forstå prosessene i primær migrasjon.
Mesteparten av hydrokarbonene som er dannet vil migrere helt til overflaten og vil bli nedbrutt der, i havet eller på land.

Leting og undersøkelsesmetoder

Leting etter petroleumsforekomster er svært tidkrevende og kostbart.  Arbeidet med å kartlegge et leteområde utføres av geofysikere og geologer.   Etter at det er boret brønner vil også andre faggrupper være involvert.

Seismisk undersøkelser

I en seismiske undersøkelser blir lydbølger brukt til å kartlegge jordkorpen.  Undersøkelsesmetoden er svært viktig både i letefasen og i produksjonsfasen for et reservoar.  Seismikk kan gi informasjon om stratigrafien og om forkastninger i jordskorpen, og i en letefase kan mulige feller oppdages.
Den innsamlede datamengden fra en seismisk undersøkelse må gå gjennom en omfattende prosessering før den kan bli gjenstand for seismisk tolkning og analyse.
Skilleflaten mellom gass og væske i reservoaret kan opptre som en horisontal refleksjonsflate i seismikken, en såkalt «flatspot».   Vanligvis vil et skifte i bergartstype ikke være helt horisontal, og en flatspot kan derfor være en indikasjon på et positivt funn.  Oppdagelsen av en flatspot var viktig for funnet av Ormen Lange-reservoaret.
I tillegg til informasjon om reservoargeometri kan seismikk også gi opplysninger om bergartsegenskaper i reservoaret.  Seismiske data kan brukes til å kartlegge både facies (bergartstyper) og egenskaper som porøsitet.
I produksjonsfasen av et reservoar kan gjentatt seismisk innsamling brukes til å tolke væskebevegelser i reservoaret.  Gjentatt seismisk innsamling kalles 4D-seismikk, etter som den er utført i tre romdimensjoner og tid.

Gravimetriske undersøkelser

I gravimetriske undersøkelser kartlegges variasjoner i det naturlige gravitasjonsfeltet.  Variasjonene kan skyldes tetthetsforskjeller i jordskorpa og kan dermed gi informasjon om berggrunnen.  Salt vil for eksempel ha vesentlig lavere tetthet enn andre bergarter.  Gravimetri brukes sjelden til detaljert analyse, men metoden kan gi informasjon om storskala-arkitektur i berggrunnen.

Elektromagnetiske undersøkelser

Elektromagnetiske undersøkelser kan gjennomføres både basert på variasjon i den naturlige elektromagnetiske strålingen og ved hjelp av indusert elektromagnetisme.  Jorda er en naturlig magnet, og det magnetiske feltet vil bli påvirket av berggrunnen.

Leteboring

En mulig felle vil først kunne bekreftes ved boring av en eller flere letebrønner.  På havet vil en bruke spesielle leterigger for å utføre boringen.  Etter at et reservoar er oppdaget kan avgrensningsbrønner brukes til å kartlegge utstrekningen av reservoaret.

Kjerneprøver

I brønner er det mulig å ta kjerneprøver av bergartene i reservoaret.  En kjerneprøve er en sylindrisk prøve, typisk 10–20 cm i diameter.  Lengden kan variere fra et par meter til opp til flere hundre meter.  Etter prøvetaking går kjerneprøvene gjennom en svært omfattende analyse.  I Norge er oljeselskapene pliktig å levere en del av kjerneprøvene til Oljedirektoratet, et kvart lengdesnitt av letebrønner og et halvt lengdesnitt av produksjonsbrønner.

Væskeprøver

Væskeprøver kan hentes opp fra reservoaret, slik at væskene er mest mulig representative for trykk- og temperaturvilkår i reservoaret.  En PVT-analyse (Pressure, Volume,  Temperature) undersøker hvordan reservoarvæskene oppfører seg under endringer i trykk, volum og temperatur.

Reservoarbeskrivelse

Et petroleumsreservoar kan karakteriseres på mange ulike måter, blant annet ut fra væsketyper, bergartstyper, avsetningsmiljø og geologiske perioder.

Væsketyper

Et oljereservoar inneholder primært olje ved reservoarvilkår, selv om en vesentlig del også kan være gass.  Tilsvarende vil et gassreservoar hovedsakelig produsere gass.  I et tørrgassreservoar er gassinnholdet dominert av metan.  Et våtgassreservoar inneholder gass med innslag av tyngre hydrokarboner, slik at det oppstår væskeutfelling i reservoaret eller brønnen under produksjon.
Reservoaroljer kan karakteriseres etter tetthet og viskositet.  Definisjonene varierer noe, men United States Geological Survey definer en lett olje som en olje med tetthet mindre en 934 kg/m3 (20 API).  En tungolje har en tetthet større en denne verdien og en viskositet mindre en 10000 cp.  Er viskositeten større en denne verdien brukes betegnelsen bitumen.
Tjæresand eller oljesand er tungolje eller bitumen blandet med sedimenter og vann, lagret i reservoar nær jordoverflaten.  Ligger hydrokarbonene grunt nok, så kan tjæresandsreservoar utvinnes ved utgraving på jordoverflaten.  Slik utvinning kan medføre store naturødeleggelser og er derfor politisk kontroversiell.  Til å utvinne underjordisk tjæresand brukes injeksjon av damp til å redusere viskositeten til oljen.  Svært store volum hydrokarboner er fanget i tjæresandsreservoar:  Canada og Venzuela har hver for seg reservoarvolum av tjæresand som er mer enn ti ganger større enn volumene i konvensjonelle reservoar i Saudi Arabia.

Litologi

Reservoar kan karakteriseres ut fra litologi, det vil si bergartstyper.  I et sandsteinsreservoar er sedimentene dannet av sand og leire, og ulike silisium-bergarter er dominerende.  Sedimentene i slike reservoar er dannet ved at eldre bergarter er brutt ned av erosjon, og sandpartiklene er blitt transportert og sedimentert i det som er dagens reservoar.  De fleste reservoarene i Nordsjøen er sandsteinsreservoar, slik som Brage, Oseberg og Troll.
Et kalksteinsreservoar er dannet av kalkrester etter levende organismer, sedimentert i et marint miljø.  Viktige mineraler er kalsitt og aragonitt, som begge er ulike krystallformer av kalsiumkarbonat.   I den sørlige Nordsjøen finner en flere kalksteinsreservoar, blant andre Ekofisk, Tor og Valhall.  Over halvparten av petroleumsreservene i verden finnes i kalksteinsreservoar.
Noen ganger kan hydrokarboner migrere inn i oppsprukne magmatiske eller metamorfe reservoar, som kan fungere som reservoar dersom sprekkevolumene er tilstrekkelig store.  Slike reservoar er mindre vanlige, men finnes i blant annet Vietnam, Indonesia, Brasil og Venezuela.
Tidligere betraktet en skiferreservoar som kommersielt uproduserbare, på grunn av den lave permeabiliteten i skiferen.  I de siste årene har ny brønnteknologi gjort produksjon av skifergass lønnsom.  Gassen har her ikke hatt anledning til å migrere ut, og produksjonen foregår direkte fra kildebergarten. Hydraulisk oppsprekking av bergarten i et område rundt brønnen brukes for å øke produktiviteten.  Produksjonsformen er kontroversiell, på grunn av fare for forurensning av grunnvannet.  Marcellusformasjonen i USA er kjent for store mengder skifergass og skiferolje, og den første brønnen ble satt i produksjon i 2004.  Energisituasjonen i USA er langt på vei endret på grunn av tilgangen til skifergass.
Metan kan utvinnes fra lag av kull, og kullreservoar er viktig kilder for utvinning både i Australia, Canada og USA.

Geologisk tidsperiode

Et reservoar kan også karakteriseres ved den eller de geologiske tidsperioden der avsetningen har skjedd.  Mange av feltene i Nordsjøen er fra jordas mellomalder, i fra kritt eller fra jura-perioden.

Ressurser og reserver

Volum av petroleumsreservoar  inngår som en viktig del av verdigrunnlaget for et oljeselskap, og volumer skal børsrapporteres under svært strenge regler.  I Norge skal også volum rapporteres til Oljedirektoratet.  Betegnelsen ressurser brukes ofte om tilstedeværende volum av olje og gass i reservoaret, og reserver betegner hvor stor del av dette som er økonomisk og teknisk utvinnbart.

Modellering og usikkerhetshåndtering

Ved hjelp av reservoarmodellering beskrives geometri og bergartsegenskaper i petroleumsforekomsten, og dette vil danne grunnlaget for beregning av tilstedeværende volum. For å anslå reserver vil en som oftest også gjennomføre reservoarsimuleringer, der den dynamiske prosessen med å hente petroleum ut av reservoaret blir modellert.
Volumtallet for petroleumsreservoar vil alltid være forbundet med usikkerhet, og volumestimat oppgis ofte sammen med et mål for usikkerheten. For å estimere usikkerheten brukes ofte statistiske metoder, for eksempel Monte Carlo-simuleringer i kombinasjon med reservoarmodellering og reservoarsimulering.  Usikkerheten i volumtallene vil være en funksjon av både datadekning, måleusikkerhet i datagrunnlaget, usikkerhet i datatolkning og usikkerhet i modelleringsmetodene. Det er vanlig å oppgi et høyt og et lavt anslag for volumtallene, og Oljedirektoratet bruker de statistiske størrelsene P05 og P95 for disse.
Dersom P05-verdien for reserver i et reservoar er x Sm3, så er er det beregnet 5 % sannsynlighet for at reservene er større eller lik x Sm3.  Tilsvarende er det 95 % sannsynlighet for at reservetallet er større eller lik P95-verdien.

Prospekt, petroleumsforekomst, funn og felt

Norske myndigheter skiller i sitt regelverk mellom et prospekt, en petroleumsforekomst, et funn og et felt.  Et prospekt er en mulig felle med at kartleggbart, avgrenset bergartsvolum. En petroleumsforekomst er en generell ansamling hydrokarboner som er i trykk-kommunikasjon.  Et funn er en eller flere petroleumsforekomster som er oppdaget i en og samme brønnbane, og der en gjennom testing, logging eller prøvetaking har sannsynliggjort at det finnes bevegelige hydrokarboner.  Et felt er en eller flere petroleumsforekomster samlet som har en myndighetsgodkjent plan for utbygging og drift.

Produksjon

Hydrokarbonene i et underjordisk reservoar blir produsert gjennom en eller flere brønner, boret fra overflaten og ned til reservoaret.   En rekke naturlige mekanismer kan bidra til at olje og gass vil strømme fra reservoaret og opp til overflaten, og produksjon basert på slike naturlige drivmekanismer betegnes samlet som primære utvinning.  Reservoaret kan stå under overtrykk, på grunn av tyngden av de overliggende sedimentene.  Gass i en gasskappe eller oppløst i oljen vil ekspandere når oljen produseres og bidra til å presse oljen ut brønnene.  Vann i omkringliggende basseng vil også kunne ekspandere under produksjon og bidra til den samlede utvinningsgraden.
Primær utvinning fra naturlig energi i reservoaret vil vanligvis ikke gi særlig høy utvinningsgrad.  Ved sekundær utvinning tilføres reservoaret energi, ved at det injiseres vann og/eller gass inn i reservoaret.  Injiserte væsker vil bidra til å holde trykket oppe og vil også kunne fortrenge oljen mot produksjonsbrønnene.  Den vanligste formen er vanninjeksjon, velegnet på grunn av væsketettheten og tilgjengeligheten til injeksjonsvæsken.   Vanligvis injiseres vann og gass i separate brønner, men ved en WAG-prosess (water-alternating-gas) injiseres både vann og gass pulsvis i samme brønn.
Tertiær utvinning er utvinning forårsaket av injeksjonsvæsker som endrer mobiliteten til de naturlig forekommende væskene i reservoaret. Mer vanlig brukt om disse produksjonsformene er det engelske EOR, en forkortelse for Enhanced Oil Recovery eller økt oljeutvinning.   Injeksjonsvæskene ved tertiær utvinning kan være hydrokarboner, karbondioksid, nitrogen, polymerer eller surfaktanter.
Termale metoder, som påvirker temperaturforhold i reservoaret, kan regnes både som en sekundær og en tertiær utvinningsmetode. Injeksjon av damp er vanlig brukt i reservoar med tungolje.