Departamento de Educación Tecnológica. Quinta Unidad: Material de Apoyo Séptimo Básico.
Composición del petróleo El petróleo es un líquido oleoso bituminoso (color oscuro) de origen natural compuesto por diferentes sustancias orgánicas (es una mezcla de hidrocarburos, aunque también suelen contener unos pocos compuestos de azufre y de oxígeno). Es, como el carbón, un combustible fósil. También recibe los nombres de petróleo crudo, crudo petrolífero o simplemente "crudo". Aunque se trata de un líquido aceitoso de color oscuro, es considerado una roca sedimentaria. El petróleo se forma a partir de restos de pequeños organismos marinos que viven en cantidades enormes en mares cálidos y poco profundos. Si al morir estos organismos son rápidamente enterrados por sedimentos, fermentarán. Pasados millones de años, bajo la presión de nuevas capas de sedimentos, los restos orgánicos se transformarán en petróleo. El proceso comenzó hace muchos millones de años, cuando surgieron los organismos vivos en grandes cantidades, y continúa hasta el presente Se encuentra en grandes cantidades bajo la superficie terrestre, en los estratos superiores de la corteza terrestre. Esto se debe a que el petróleo tiende a escapar a zonas más altas en las que soporte menos presión. En este viaje, Con frecuencia acaban encontrando un esquisto impermeable o una capa de roca densa y se acumula, ya que son determinadas zonas de las que no puede salir: son las trampas. En otras ocasiones consigue alcanzar la superficie. Cuando ocurre esto el petróleo se volatiza dejando un residuo de asfalto y betún. No es de extrañar, por tanto, que fuese conocido ya por las antiguas civilizaciones. Los egipcios utilizaban el betún para impermeabilizar los barcos y para embalsamar las momias. Sin embargo, tan sólo desde finales del siglo XIX viene utilizándose a gran escala como combustible.
Composición Química del petróleo En una mezcla muy compleja de composición variable, de hidrocarburos de muchos puntos de ebullición y estados sólido, líquido y gaseoso, que se disuelven unos en otros para formar una solución de viscosidad variable. Contiene:
•
Hidrocarburos saturados o parafinas. Formula general
•
Hidrocarburos etilénicos u oleifinas.
•
Hidrocarburos acetilénicos.
•
Hidrocarburos cíclicos ciclánicos.
•
Hidrocarburos bencénicos o aromáticos.
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•
Compuestos oxigenados (derivados de hidrocarburos etilénicos, por oxidación y polimerización)
•
Compuestos sulfurados (tiofeno, etc.)
•
Compuestos nitrogenados cíclicos (piridina, etc)
En el petróleo natural, además de hidrocarburos, existen nitrógeno, azufre, oxígeno, colesterina, productos derivados de la clorofila y de las heminas (porfirinas) y, como elementos, trazas, vanadio, níquel, cobalto y molibdeno. Como consecuencia de los
compuestos orgánicos nombrados,
el petróleo presenta
polarización rotatoria, lo cual revela claramente que se trata de un compuesto de origen orgánico, formado a partir de restos animales y vegetales. La composición química del petróleo es muy variable, hasta el punto de que los cuatro tipos fundamentales
de
hidrocarburos:
parafinas
(hidrocarburos
saturados),
olefinas
(hidrocarburos insaturados), naftenos (hidrocarburos cíclicos saturados o cicloalcanos,), e hidrocarburos aromáticos, no solamente son diferentes de un yacimiento a otro, sino también las diversas sustancias que es preciso eliminar más o menos completamente: gas, azufre (que junto con el sulfhídrico, mercaptanos y tioalcoholes pueden alcanzar un 3%), agua más o menos salada, compuestos oxigenados y nitrogenados, indicios o vestigios de metales etc. Un análisis en el laboratorio proporciona primeramente indicaciones sobre la cantidad y calidad de los productos acabados que se pueden extraer del petróleo crudo:
•
alta tensión de vapor, revela la presencia de gas.
•
alta densidad y viscosidad, indican una reducida proporción de gasolina o un contenido importante de betún o parafina.
Clasificación del petróleo La clasificación se basa en la clase de hidrocarburos que predominan en el petróleo crudo:
Petróleo de base parafínicas •
Predominan los hidrocarburos saturados o parafínicos.
•
Son muy fluidos de colores claros y bajo peso específico (aproximadamente 0,85 kg./lt).
•
Por destilación producen abundante parafina y poco asfalto.
•
Son los que proporcionan mayores porcentajes de nafta y aceite lubricante.
Petróleo de base asfáltica o nafténica
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•
Predominan los hidrocarburos etilénicos y diétilinicos, cíclicos ciclánicos (llamados nafténicos), y bencenicos o aromáticos.
•
Son muy viscosos, de coloración oscura y mayor peso específico (aproximadamente 0,950 kg/lt)
•
Por destilación producen un abundante residuo de asfalto. Las asfaltitas o rafealitas argentinos fueron originadas por yacimientos de este tipo, que al aflorar perdieron sus hidrocarburos volátiles y sufrieron la oxidación y polimerización de los etílenicos.
Petróleo de base mixta •
De composición de bases intermedias, formados por toda clase de hidrocarburos: Saturados, no saturados (etilénicos y acetilénicos) y cíclicos (ciclánicos o nafténicos y bencénicos o aromáticos).
•
La mayoría de los yacimientos mundiales son de esto tipo.
A su vez la composición de los hidrocarburos que integran el petróleo varía según su lugar de origen: 1.
petróleos americanos: hidrocarburos de cadena abierta o alifáticos.
2.
petróleos de Pensilvania: hidrocarburos saturados (alcanos de nº de C = 1 a 40)
3.
petróleos de Canadá: hidrocarburos no saturados.
4.
petróleos rusos: hidrocarburos cíclicos, con 3, 4, 5, ó 6 átomos de carbono en cadena abierta o cerrada.
Búsqueda o localización de yacimientos de petróleo. Cuando nació la industria la petrolífera, era muy sencillo localizar yacimientos, porque se explotaron los muy superficiales, cuya existencia era conocida, o porque fueron descubiertos por obra del azar. Pero la creciente importancia de esta industria, originó una búsqueda intensiva y racional de nuevos yacimientos, que se transformó en una verdadera ciencia, con aportes de Geología, la física, la química, etc. Actualmente el hallazgo de yacimientos petrolíferos no es obra librada al azar y obedece a una tarea científicamente organizada, que se planifica con mucha antelación. Instrumental
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de alta precisión y técnicos especializados deben ser trasladados a regiones a menudo deshabitadas, en el desierto o en la selva, obligando a construir caminos y sistemas de comunicación, disponer de helicópteros, instalar campamentos y laboratorios, etc. El conocimiento de la estructura del suelo es fundamental para la determinación racional de las posibilidades de existencia de los yacimientos. Actualmente se utilizan los siguientes métodos de exploración:
Exploración superficial: 1.
Relevamientos topográficos en escala grande.
2.
Relevamientos geológicos superficiales, en zonas donde afloran rocas sedimentarias.
3.
Relevamientos geofísicos, basados en métodos:
1.
Gravimétricos, que estudian las pequeñas alteraciones de la gravedad, producidas por la vecindad de grandes masas de rocas densas. Por medio de un instrumento especial llamado gravímetro se pueden registrar las variaciones de la aceleración de la gravedad en distintos puntos de la corteza terrestre. Se determina la aceleración de la gravedad (g) en puntos del terreno explorando lugares distantes 1.000 ó 5.000 metros entre sí. Los valores obtenidos se ubican en un mapa y se unen los puntos donde g es igual obteniéndose líneas isogravimétricas que revelan la posible estructura profunda. Así la existencia de curvas isogravimétricas cerradas señalan la existencia de un anticlinal de extensión semejante al área que abarca esa curva. El valor g varía de acuerdo al achatamiento terrestre, fuerza centrífuga, altitud y densidad de la corteza terrestre. Por eso el gravímetro señala la presencia de masas densas de la corteza constituidas por anticlinales que han sido levantados por plegamientos y se hallan más próximos a la superficie de la tierra.
2.
Magnetométricos, que denuncian las pequeñas alteraciones magnéticas, producidas por las distintas permiabilidades magnéticas de las rocas cristalinas próximas. Se usan magnetómetros muy sensibles, que a veces suelen transportarse en aviones, para disminuir los efectos de masas férreas superficiales.
3.
Sismográficos, este método consiste en hacer estallar cargas de dinamita en pozos de poca profundidad, normalmente entre 10 y 30 pies, registrando las ondas reflejadas en las napas profundas por medio de sismógrafos combinados con máquinas fotográficas.
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En la superficie se cubre un área determinada con dichos aparatos de alta sensibilidad llamados también "geófonos", los cuales van unidos entre sí por cables y conectados a una estación receptora. Las ondas producidas por la explosión atraviesan las capas subterráneas y regresan a la superficie. Los geófonos las captan y las envían a la estación receptora, donde mediante equipos especiales de cómputo, se va dibujando en interior de la tierra. Se puede medir el tiempo transcurrido entre el momento de la explosión y la llegada de las ondas reflejadas, pudiéndose determinar así la posición de los estratos y su profundidad, describiendo la ubicación de los anticlinales favorables para la acumulación del petróleo. Toda la información obtenida a lo largo del proceso exploratorio es objeto de interpretación en los centros geológicos y geofísicos de las empresas petroleras. Allí es donde se establece qué áreas pueden contener mantos con depósitos de hidrocarburos, cuál es su potencial contenido de hidrocarburos y dónde se deben perforar los pozos exploratorios para confirmarlo. De aquí sale lo que se llama "prospectos" petroleros. 4.
Análisis de suelos, que determina la presencia de hidrocarburos hasta una
profundidad no mayor de 15 cm. 5.
Análisis de hidrocarburos, que determina su presencia en el suelo y en perforaciones poco profundas. Con estos datos se confeccionan planos de posibles acumulaciones explotables de la zona.
Exploración Profunda. Se realiza en zonas que se consideran favorables, mediante la perforación de pozos profundos: 1.
Perfilaje eléctrico, realizado con electrodos que se bajan a distintas profundidades de un pozo de exploración, para determinar la conductibilidad eléctrica de las distintas capas y sus probabilidades de contener petróleo.
2.
Perfilaje geoquímico, que determina la presencia de vestigios de hidrocarburos en las capas
profundas
del subsuelo.
Sus
datos
no
pueden
ser
siempre
adecuadamente
interpretados. 3.
Perfilaje térmico, efectuado con termómetros de máxima y mínima, a distintas profundidades, que diferencia las capas por sus conductibilidades térmicas. También se usa para el control de operaciones de perforación de pozos (cementados, etc.)
4.
Cronometraje de perforación, que por distintas velocidades, con que se atraviesan las capas, las individualiza.
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5.
Fotografía de las
paredes de
los pozos, que también se utilizan
para la
individualización de las capas atravesadas.
•
Recientemente, se han ideado métodos muy modernos y rápidos, basados en:
•
La radioactividad de las capas, que es mucho mayor en las capas areniscas que pueden contener petróleo
•
El uso de la televisión para control de las perforaciones
•
La absorción de neutrones o modificación de su velocidad, producida por los yacimientos, que se practica para determinar su extensión.
Todos los datos reunidos, solamente proporcionan una posibilidad de existencia del yacimiento, que autoriza a realizar la gran inversión de capital requerida por la perforación de un pozo. Estos datos se concretan en la ejecución de planos estructurales, que determinan la ubicación más favorable para la perforación, y permiten el cálculo de las posibles reservas petrolíferas.
Perforación de pozos petrolíferos Una vez elegidas las áreas con mayores probabilidades, se realizan las perforaciones, que a veces llegan a considerables profundidades, por ejemplo más de 6000 m en los Estados Unidos. Se comienza por construir altas torres metálicas de sección cuadrada, con refuerzos transversales, de 30 m a 40 m de altura, para facilitar el manejo de los pesados equipos de perforación. Dos son los sistemas comunes: a percusión, que es el más antiguo y casi en desuso y a rotación, que se utiliza en la mayoría de los casos.
Método a percusión Se utiliza un trépano pesado, unido a una barra maestra que aumenta su peso, que se sostiene con un cable de acero conectado a un balancín, el cual le imprime un movimiento alternativo de ascenso y descenso, al ser accionado por un motor. Periódicamente se retira el trépano para extraer los materiales o detritos, con una herramienta llamada cuchara. Por su lentitud, actualmente ha caído en desuso, empleándose únicamente para pozos poco profundos.
Método a rotación
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El trépano, que es hueco, se atornilla a una serie de caños De acero que forman las barras de sondeo, que giran impulsadas por la mesa rotativa, ubicada en la base de la torre, y unida por una transmisión a cadena con los motores del cuadro de maniobras. La mesa rotativa tiene en su centro un agujero cuadrado, por la cual se desliza una columna de perforación de la misma sección, que desciende conforme avanza el trépano. De la parte superior de la torre se suspenden aparejos, que permiten levantar y bajar los pesados equipos. Se inicia la perforación con el movimiento de la mesa rotativa, hasta que resulte necesario el agregado de nuevas barras de sondeo, que se enroscan miden aproximadamente 9 m. La operación se repite todas las veces necesarias. Los detritos son arrastrados hasta la superficie mediante el bombeo de una suspensión densa, la inyección formada por una suspensión acuosa de una arcilla especial, llamada bentonita que los técnicos analizan constantemente. Además este lodo cumple otras 2 funciones importantes: Revoca las paredes de la perforación, evitando o previniendo derrumbes; y refrigera al trépano, que se calienta en su trabajo de intenso desgaste. Cuando se ha perforado 100 a 150 m, se entuba el pozo con una cañería metálica y cemento de fraguado rápido (cementación), para evitar posibles derrumbes ocasionados por las filtraciones de las napas de agua que se atraviesan. Por dentro de la cañería conductora se prosigue la perforación con un trépano de menor diámetro. En los pozos muy profundos, estas disminuciones obligan a comenzar con diámetros de hasta 550 mm. El análisis de la inyección permite saber cuando se está cerca del yacimiento, por la presencia de gases desprendidos del mismo por pequeñas grietas. Se acostumbra perforar también la capa productora, que luego se entuba con un caño perforado, para conocer su espesor y facilitar la surgencia del petróleo. Lo más frecuente es que se perfore verticalmente. Esto se logra controlando el peso aplicado al trépano y su velocidad de rotación. Pero también puede perforarse oblicuamente, en la llamada perforación dirigida, desviando el trépano con cuñas cóncavas de acero y barras de sondeo articuladas, para alcanzar yacimientos apartados de la vertical (debajo de zonas pobladas, de mares; o para controlar pozos en erupción, mediante inyección lateral de barro o cemento). Actualmente, es frecuente terminar un pozo con un cementado, que luego se perfora con un perforador a bala.
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Perforación submarina Otro método para aumentar la producción de los campos petrolíferos es la construcción y empleo de equipos de perforación sobre el mar (ha llevado a la explotación de más petróleo). Estos equipos de perforación se instalan, manejan y mantienen en una plataforma situada lejos de la costa, en aguas de una profundidad de hasta varios cientos de metros. La plataforma puede ser flotante o descansar sobre pilotes anclados en el fondo marino, y resiste a las olas, el viento y, en las regiones árticas, los hielos. La torre sirve para suspender y hacer girar el tubo de perforación, en cuyo extremo va situada la broca; a medida que ésta va penetrando en la corteza terrestre se van añadiendo tramos adicionales de tubo a la cadena de perforación. La fuerza necesaria para penetrar en el suelo procede del propio peso del tubo de perforación.
Control de surgencia Se comienza por bajar hasta cerca del fondo una cañería de 5 a 7,5 cm de diámetro, llamada tubería, que lleva en su extremo superior un conjunto de válvulas y conexiones denominado Árbol de Navidad, que mantiene al pozo bajo control. La surgencia del petróleo por la tubería, se logra por métodos naturales o artificiales:
Natural Tres son las causas que pueden originar la surgencia natural. 1.
La presión del agua subyacente, que al transmitirse al petróleo, lo obliga a subir. Es
la más efectiva. 2.
La presión del gas libre que cubre al petróleo, que se transmite a éste y lo impulsa en su ascenso.
3.
Cuando no existe gas libre y el agua no tiene presión suficiente o tampoco existe, al disminuir la presión por la perforación del pozo, el gas disuelto en el petróleo se desprende y al expandirse lo hace surgir. Es la menos efectiva de las tres.
Artificial Puede lograrse por dos métodos: 1. 2.
Inyección a presión de agua, gas o aire.
Bombeo mecánico con bombas aspirantes de profundidad, accionadas por gatos de bombeo. Por lo general se efectúa el bombeo simultáneo de una serie de pozos vecinos, conectando
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sus gatos de bombeo mediante largas varillas de acero, a un excéntrico que se hace girar en una estación central. 3.
Bombo hidráulico, inyectando petróleo a presión que regresa a la superficie bombeado; y bombeo centrífugo, con bombas centrífugas de varias etapas, ubicadas cerca del fondo del pozo y accionadas por motores eléctricos controlados desde la superficie.
Purificación El petróleo tal como surge, no puede procesarse industrialmente, sin separarlo antes del gas y el agua salada que lo acompañan.
Separación del gas Se efectúa en una batería de tanques, en los cuales, por simple reposo el gas se separa espontáneamente.
Destrucción de la emulsión agua salada-Petróleo Es uno de los problemas de difícil resoluciónque afronta la industria petrolífera. Se trata de resolverlo en distintas formas: 1.
Se previene la formación de emulsiones, evitando la agitación de la mezcla de agua
salada y petróleo, en las operaciones de surgencia. 2.
Lavado con agua de la emulsión, seguido con una decantación posterior.
3.
Decantación en tanques de almacenamiento.
4.
Centrifugado de la emulsión
5.
Calentado, para disminuir la viscosidad de los petróleos densos
6.
Métodos químicos, térmicos o eléctricos (que son los mas efectivos para desalinizar y deshidratar; trabaja a 11.000 voltios).
Unas vez purificado, se lo envía a tanques de almacenaje y de ellos, a las destilerías, por oleoductos u otros medios de transporte (buques cisternas, vagones tanques, etc.)