12.4: Petróleo

El petróleo es un líquido natural, amarillo a negro que se encuentra en formaciones geológicas debajo de la superficie de la Tierra, que comúnmente se refina en varios tipos de combustibles.

Figura 1. Pumpjack bombea un pozo de petróleo cerca de Lubbock, Texas

Consiste en hidrocarburos de diversos pesos moleculares y otros compuestos orgánicos. El nombre petróleo abarca tanto el petróleo crudo natural sin procesar como los productos derivados del petróleo que se componen de petróleo crudo refinado. Un combustible fósil, el petróleo se forma cuando grandes cantidades de organismos muertos, generalmente zooplancton y algas, se entierran debajo de la roca sedimentaria y se someten a calor y presión intensos.

El petróleo se recupera principalmente a través de la perforación petrolera (los manantiales naturales de petróleo son raros) Esto viene después de los estudios de geología estructural (a escala de yacimientos), análisis de cuencas sedimentarias, caracterización de yacimientos (principalmente en términos de la porosidad y permeabilidad de las estructuras geológicas de yacimientos). Se refina y separa, más fácilmente por destilación, en una gran cantidad de productos de consumo, desde gasolina (gasolina) y queroseno hasta asfalto y reactivos químicos utilizados para fabricar plásticos y productos farmacéuticos. El petróleo se utiliza en la fabricación de una amplia variedad de materiales, y se estima que el mundo consume alrededor de 90 millones de barriles cada día.

La preocupación por el agotamiento de las reservas finitas de petróleo de la tierra, y el efecto que esto tendría en una sociedad dependiente de ella, es un concepto conocido como pico de petróleo. El uso de combustibles fósiles, como el petróleo, tiene un impacto negativo en la biosfera de la Tierra, dañando los ecosistemas a través de eventos como derrames de petróleo y liberando una variedad de contaminantes al aire, incluido el ozono a nivel del suelo y el dióxido de azufre de las impurezas de azufre en los combustibles fósiles.

COMPOSICIÓN

En su sentido más estricto, el petróleo incluye solo el petróleo crudo, pero en uso común incluye todos los hidrocarburos líquidos, gaseosos y sólidos. Bajo condiciones de presión superficial y temperatura, los hidrocarburos más ligeros metano, etano, propano y butano ocurren como gases, mientras que el pentano y los más pesados se encuentran en forma de líquidos o sólidos. Sin embargo, en un yacimiento subterráneo de petróleo las proporciones de gas, líquido y sólido dependen de las condiciones del subsuelo y del diagrama de fases de la mezcla de petróleo.

Un pozo de petróleo produce predominantemente petróleo crudo, con algo de gas natural disuelto en él. Debido a que la presión es menor en la superficie que bajo tierra, parte del gas saldrá de la solución y se recuperará (o quemará) como gas asociado o gas de solución. Un pozo de gas produce predominantemente gas natural. Sin embargo, debido a que la temperatura y presión subterráneas son más altas que en la superficie, el gas puede contener hidrocarburos más pesados como pentano, hexano y heptano en estado gaseoso. En condiciones de superficie, estos se condensarán del gas para formar condensado de gas natural, a menudo acortado a condensado. El condensado se asemeja a la gasolina en apariencia y es similar en composición a algunos crudos ligeros volátiles.

La proporción de hidrocarburos ligeros en la mezcla de petróleo varía mucho entre los diferentes yacimientos petrolíferos, que van desde hasta 97 por ciento en peso en los aceites más ligeros hasta tan poco como 50 por ciento en los aceites y betunes más pesados.

Los hidrocarburos del petróleo crudo son en su mayoría alcanos, cicloalcanos y diversos hidrocarburos aromáticos, mientras que los otros compuestos orgánicos contienen nitrógeno, oxígeno y azufre, y trazas de metales como hierro, níquel, cobre y vanadio. Muchos reservorios de petróleo contienen bacterias vivas. La composición molecular exacta varía ampliamente de formación a formación, pero la proporción de elementos químicos varía en límites bastante estrechos de la siguiente manera:

Composición en peso

Element	Rango porcentual
Carbono	83 a 85%
Hidrógeno	10 a 14%
Nitrógeno	0.1 a 2%
Oxígeno	0.05 a 1.5%
Azufre	0.05 a 6.0%
Metales	< 0.1%

Cuatro tipos diferentes de moléculas de hidrocarburos aparecen en el petróleo crudo. El porcentaje relativo de cada uno varía de petróleo a petróleo, determinando las propiedades de cada aceite.

Composición en peso

Hidrocarburos	Promedio	Rango
Alcanos (parafinas)	30%	15 a 60%
Naftenos	49%	30 a 60%
Aromaticos	15%	3 a 30%
Asfálticos	6%	resto

El petróleo crudo varía mucho en apariencia dependiendo de su composición. Por lo general, es negro o marrón oscuro (aunque puede ser amarillento, rojizo o incluso verdoso). En el embalse suele encontrar en asociación con el gas natural, que al ser más ligero forma una tapa de gas sobre el petróleo, y el agua salina que, al ser más pesada que la mayoría de las formas de crudo, generalmente se hunde debajo de él. El petróleo crudo también se puede encontrar en forma semisólida mezclada con arena y agua, como en las arenas petrolíferas Athabasca en Canadá, donde generalmente se le conoce como betún crudo. En Canadá, el betún se considera una forma pegajosa, negra y parecida al alquitrán de petróleo crudo que es tan espeso y pesado que debe calentarse o diluirse antes de que fluya. Venezuela también tiene grandes cantidades de petróleo en las arenas petrolíferas del Orinoco, aunque los hidrocarburos atrapados en ellas son más fluidos que en Canadá y suelen llamarse petróleo extra pesado. Estos recursos de arenas petrolíferas se denominan petróleo no convencional para distinguirlos del petróleo que se puede extraer utilizando métodos tradicionales de pozos petrolíferos. Entre ellos, Canadá y Venezuela contienen un estimado de 3.6 billones de barriles (570×10 ⁹ m ³) de betún y petróleo extra pesado, aproximadamente el doble del volumen de las reservas mundiales de petróleo convencional.

El petróleo se utiliza principalmente, en volumen, para producir fuel oil y gasolina, ambas fuentes importantes de “energía primaria”. 84 por ciento en volumen de los hidrocarburos presentes en el petróleo se convierte en combustibles ricos en energía (combustibles a base de petróleo), incluyendo gasolina, diesel, jet, calefacción y otros fuelóleos, y gas licuado de petróleo. Los grados más ligeros del petróleo crudo producen los mejores rendimientos de estos productos, pero a medida que se agotan las reservas mundiales de petróleo ligero y mediano, las refinerías de petróleo están teniendo cada vez más que procesar petróleo pesado y betún, y utilizar métodos más complejos y costosos para producir los productos requeridos. Debido a que los crudos más pesados tienen demasiado carbono y poco hidrógeno, estos procesos generalmente implican eliminar carbono o agregar hidrógeno a las moléculas, y usar craqueo catalítico fluido para convertir las moléculas más largas y complejas del petróleo en las más cortas y simples en los combustibles.

Debido a su alta densidad energética, fácil transportabilidad y abundancia relativa, el petróleo se ha convertido en la fuente de energía más importante del mundo desde mediados de la década de 1950. El petróleo también es la materia prima de muchos productos químicos, incluyendo productos farmacéuticos, solventes, fertilizantes, pesticidas y plásticos; el 16 por ciento que no se usa para la producción de energía se convierte en estos otros materiales. El petróleo se encuentra en formaciones rocosas porosas en los estratos superiores de algunas áreas de la corteza terrestre. También hay petróleo en las arenas petrolíferas (arenas bituminosas). Las reservas de petróleo conocidas se estiman típicamente en alrededor de 190 km ³ (1.2 billones de barriles (escala corta)) sin arenas petrolíferas, o 595 km ³ (3.74 billones de barriles) con arenas petrolíferas. El consumo es actualmente de alrededor de 84 millones de barriles (13.4×10 ⁶ m ³) diarios, o 4.9 km ³ anuales. Lo que a su vez arroja una oferta restante de petróleo de sólo unos 120 años, si la demanda actual se mantiene estática.

FORMACIÓN

El petróleo es un combustible fósil derivado de antiguos materiales orgánicos fosilizados, como el zooplancton y las algas. Grandes cantidades de estos restos se asentaron en fondos marinos o lacustres, mezclándose con sedimentos y siendo enterrados en condiciones anóxicas. A medida que otras capas se asentaron en el lecho marino o lacustre, el calor intenso y la presión se acumulan en las regiones bajas. Este proceso provocó que la materia orgánica cambiara, primero en un material ceroso conocido como querógeno, que se encuentra en diversas lutitas petrolíferas alrededor del mundo, y luego con más calor en hidrocarburos líquidos y gaseosos a través de un proceso conocido como catagenesia. La formación de petróleo se produce a partir de la pirólisis de hidrocarburos en una variedad de reacciones principalmente endotérmicas a alta temperatura y/o presión.

Figura 2. Manantial natural petrolero en Korňa, Eslovaquia

Había ciertos ambientes cálidos ricos en nutrientes como el Golfo de México y el antiguo Mar de Tetis donde las grandes cantidades de material orgánico que caían al fondo oceánico superaban la velocidad a la que podía descomponerse. Esto dio como resultado que grandes masas de material orgánico fueran enterradas bajo depósitos posteriores como esquisto formado a partir de lodo. Este depósito orgánico masivo posteriormente se calentó y se transformó bajo presión en petróleo.

Los geólogos a menudo se refieren al rango de temperatura en el que se forma el petróleo como una “ventana de petróleo”, por debajo de la temperatura mínima el petróleo permanece atrapado en forma de querógeno, y por encima de la temperatura máxima el petróleo se convierte en gas natural a través del proceso de craqueo térmico. A veces, el petróleo formado a profundidades extremas puede migrar y quedar atrapado a un nivel mucho más superficial. Las Arenas Petroleras Athabasca son un ejemplo de ello.

Un mecanismo alternativo fue propuesto por científicos rusos a mediados de la década de 1850, el origen petrolífero abiogénico, pero esto se contradice con la evidencia geológica y geoquímica.

EMBALSES

Depósitos de Petróleo Crudo

Deben existir tres condiciones para que se formen los yacimientos de petróleo: una roca fuente rica en material hidrocarbonado enterrada lo suficientemente profunda como para que el calor subterráneo la cocine en petróleo, una roca de depósito porosa y permeable para que se acumule, y una roca de tapa (sello) u otro mecanismo que impida que se escape al superficie. Dentro de estos reservorios, los fluidos normalmente se organizarán como una torta de tres capas con una capa de agua debajo de la capa de petróleo y una capa de gas por encima de ella, aunque las diferentes capas varían en tamaño entre reservorios. Debido a que la mayoría de los hidrocarburos son menos densos que la roca o el agua, a menudo migran hacia arriba a través de capas de roca adyacentes hasta llegar a la superficie o quedar atrapados dentro de rocas porosas (conocidas como reservorios) por rocas impermeables arriba. Sin embargo, el proceso está influenciado por los flujos de agua subterránea, lo que hace que el petróleo migre cientos de kilómetros horizontalmente o incluso distancias cortas hacia abajo antes de quedar atrapado en un embalse. Cuando los hidrocarburos se concentran en una trampa, se forma un campo petrolífero, del cual se puede extraer el líquido mediante perforación y bombeo.

Las reacciones que producen petróleo y gas natural a menudo se modelan como reacciones de descomposición de primer orden, donde los hidrocarburos se descomponen en petróleo y gas natural por un conjunto de reacciones paralelas, y el petróleo finalmente se descompone en gas natural por otro conjunto de reacciones. Este último conjunto se utiliza regularmente en plantas petroquímicas y refinerías de petróleo.

Se perforan pozos en yacimientos de petróleo para extraer el petróleo crudo. Los métodos de producción de “levantamiento natural” que dependen de la presión natural del reservorio para forzar el petróleo a la superficie suelen ser suficientes por un tiempo después de que los depósitos son golpeados por primera vez. En algunos embalses, como en el Medio Oriente, la presión natural es suficiente a lo largo de mucho tiempo. La presión natural en la mayoría de los reservorios, sin embargo, finalmente se disipa. Entonces el aceite debe ser extraído utilizando medios de “levantamiento artificial”. Con el tiempo, estos métodos “primarios” se vuelven menos efectivos y se pueden utilizar métodos de producción “secundarios”. Un método secundario común es la “inundación de agua” o la inyección de agua en el depósito para aumentar la presión y forzar el petróleo hacia el pozo perforado o “pozo”. Eventualmente, se pueden usar métodos de recuperación de petróleo “terciarios” o “mejorados” para aumentar las características de flujo del petróleo inyectando vapor, dióxido de carbono y otros gases o químicos en el yacimiento. En Estados Unidos, los métodos de producción primaria representan menos del 40 por ciento del petróleo producido diariamente, los métodos secundarios representan aproximadamente la mitad, y la recuperación terciaria el 10 por ciento restante. La extracción de petróleo (o “betún”) de la arena de aceite/alquitrán y los depósitos de esquisto bituminoso requiere extraer la arena o esquisto y calentarlo en un recipiente o retorta, o usar métodos “in situ” para inyectar líquidos calentados en el depósito y luego bombear el líquido saturado de aceite.

Depósitos de petróleo no convencionales

Las bacterias que comen aceite biodegradan el aceite que ha escapado a la superficie. Las arenas petrolíferas son reservorios de petróleo parcialmente biodegradado que aún están en proceso de escapar y biodegradarse, pero contienen tanto petróleo migratorio que, aunque la mayor parte ha escapado, aún están presentes grandes cantidades, más de lo que se puede encontrar en los reservorios de petróleo convencionales. Las fracciones más ligeras del crudo se destruyen primero, resultando en reservorios que contienen una forma extremadamente pesada de petróleo crudo, llamado betún crudo en Canadá, o petróleo crudo extra pesado en Venezuela. Estos dos países cuentan con los yacimientos de arenas petrolíferas más grandes del mundo.

Por otro lado, las lutitas petrolíferas son rocas fuente que no han estado expuestas al calor o presión el tiempo suficiente para convertir sus hidrocarburos atrapados en petróleo crudo. Técnicamente hablando, las lutitas bituminosas no siempre son lutitas y no contienen petróleo, sino que son rocas sedimentarias de grano fino que contienen un sólido orgánico insoluble llamado querógeno. El querógeno en la roca se puede convertir en petróleo crudo usando calor y presión para simular procesos naturales. El método se conoce desde hace siglos y fue patentado en 1694 bajo la Patente de la Corona Británica No. 330 que cubre, “Una manera de extraer y hacer grandes cantidades de brea, alquitrán y petróleo a partir de una especie de piedra”. Aunque las lutitas petrolíferas se encuentran en muchos países, Estados Unidos tiene los yacimientos más grandes del mundo.

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