Métodos geológicos

El primer objetivo es encontrar una roca que se haya formado en un medio propicio para la existencia del petróleo, es decir, suficientemente porosa y con la estructura geológica de estratos adecuada para que puedan existir bolsas de petróleo.

Hay que buscar, luego, una cuenca sedimentaria que pueda poseer materia orgánica enterrada hace más de diez millones de años.

Para todo ello, se realizan estudios geológicos de la superficie, se recogen muestras de terreno, se inspecciona con Rayos X, se perfora para estudiar los estratos y, finalmente, con todos esos datos se realiza la carta geológica de la región que se estudia.

Tras nuevos estudios “sobre el terreno” que determinan si hay rocas petrolíferas alcanzables mediante prospección, la profundidad a la que habría que perforar, etc., se puede llegar ya a la conclusión de si merece la pena o no realizar un pozo-testigo o pozo de exploración. De hecho, únicamente en uno de cada diez pozos exploratorios se llega a descubrir petróleo y sólo dos de cada cien dan resultados que permiten su explotación de forma rentable.

La mayoría de los pozos petrolíferos se perforan con el método rotatorio. En este método, una torre sostiene la cadena de perforación, formada por una serie de tubos acoplados. La cadena se hace girar uniéndola al banco giratorio situado en el suelo de la torre. La broca de perforación situada al final de la cadena suele estar formada por tres ruedas cónicas con dientes de acero endurecido. La roca se lleva a la superficie por un sistema continuo de fluido circulante impulsado por una bomba.

El crudo atrapado en un yacimiento se encuentra bajo presión; si no estuviera atrapado por rocas impermeables habría seguido ascendiendo debido a su flotabilidad hasta brotar en la superficie terrestre. Por ello, cuando se perfora un pozo que llega hasta una acumulación de petróleo a presión, el petróleo se expande hacia la zona de baja presión creada por el pozo en comunicación con la superficie terrestre. Sin embargo, a medida que el pozo se llena de líquido aparece una presión contraria sobre el depósito, y pronto se detendría el flujo de líquido adicional hacia el pozo si no se dieran otras circunstancias.

La mayor parte del petróleo contiene una cantidad significativa de gas natural en disolución, que se mantiene disuelto debido a las altas presiones del depósito. Cuando el petróleo pasa a la zona de baja presión del pozo, el gas deja de estar disuelto y empieza a expandirse. Esta expansión, junto con la dilución de la columna de petróleo por el gas, menos denso, hace que el petróleo aflore a la superficie.

medida que se continúa retirando líquido del yacimiento, la presión del mismo va disminuyendo poco a poco, así como la cantidad de gas disuelto. Esto hace que la velocidad de flujo del líquido hacia el pozo se haga menor y se libere menos gas. Cuando el petróleo ya no llega a la superficie se hace necesario instalar una bomba en el pozo para continuar extrayendo el crudo.

Al final, la velocidad de flujo del petróleo se hace tan pequeña, y el coste de elevarlo hacia la superficie aumenta tanto, que el coste de funcionamiento del pozo es mayor que los ingresos que se pueden obtener por la venta del crudo. Esto significa que se ha alcanzado el límite económico del pozo, por lo que se abandona su explotación.

De un yacimiento de petróleo explotado sólo se extrae como máximo un 25% de la cantidad almacenada. Por esta razón, la industria petrolera ha desarrollado sistemas para complementar esta producción primaria utilizando la energía natural del yacimiento. Los sistemas complementarios( llamados tecnología de recuperación mejorada de petróleo) pueden aumentar la recuperación de crudo, pero sólo con el coste adicional de suministrar energía externa al depósito. Con estos métodos se ha aumentado la recuperación de crudo hasta alcanzar una media global del 33% del petróleo presente. Hoy día se usan dos sistemas complementarios: la inyección de agua y la inyección de vapor.

Inyección de agua: Bombeando agua en la mitad de los pozos se consigue mantener o incrementar la presión. En algunos casos se puede llegar a obtener el 60%.

Inyección de vapor: En depósitos que contienen petróleo muy viscoso. El vapor no sólo desplaza el petróleo, sino que reduce mucho la viscosidad (al aumentar la temperatura del yacimiento), con lo que el crudo fluye más deprisa a una presión dada.

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.

Craqueo o Cracking

Este sistema de destilación es el más innovador. No depende de la composición del petróleo original para lograr mayores o menores cantidades de subproductos. Se rompen las cadenas más largas de átomos de carbono, y se produce un mayor porcentaje de fracciones ligeras.

Destilación fraccionada: Durante esta fase se logra descomponer el crudo en fracciones según la composición original.

Cracking: en el que se distinguen dos tipos de procesos:

cracking con calor y presión: descomponer las grandes moléculas de las fracciones pesadas en otras más ligeras

cracking catalítico: mediante el uso de un catalizador.

Al final del proceso se logran una fracciones que, de pesadas a ligeras, suelen ser, asfaltos, fuel-oil, gasoil, queroseno, gasolina y gas.

*Refinado del petróleo: Convertir crudo en derivados útiles. Una vez extraído el crudo, se trata con productos químicos y calor para eliminar el agua y los elementos sólidos, y se separa el gas natural. Algunas fracciones tienen que someterse a tratamientos térmicos y químicos para convertirlas en productos finales como gasolina o grasas.

Los procedimientos de tratamiento, catalizadores, temperaturas, presiones, proporciones de las mezclas y otras condiciones operatorias, están determinadas a partir de bases dadas por los estudios comerciales y económicos (cantidad y calidad del petróleo crudo por tratar, y de los productos derivados que se han de tratar).

Usos de los derivados del petróleo

Para su estudio, los productos derivados del petróleo se pueden agrupar en apartados según su obtención:

a) Productos derivados del gas natural

El gas natural que acompaña al petróleo en su yacimiento sólo contiene los alcanos más volátiles(los de bajo peso molecular). Está constituido sobre todo por metano y cantidades progresivamente menores de etano, propano y alcanos superiores. Además, posee 1-3% de nitrógeno, algo de CO2, SH2 y helio.

La fracción propano/butano se separa de los componentes más volátiles del gas natural por licuación, se comprime en cilindros y se vende como gas licuado en áreas que no tienen gas del alumbrado.

La presencia relativamente abundante de azufre es económicamente interesante, pero provoca una intensa corrosión de las canalizaciones, por lo que deben construirse con aceros especiales.

El poder calorífico del gas natural se halla entre 9000 y 12000 kcal/m3 (claramente mayor que el gas de coque obtenido por destilación de la hulla, que es de 6500 a 7000 Kcal/m3).

La creciente demanda junto con un coste de producción sensiblemente inferior al de la hulla o petróleo, dieron el impulso para que sea la energía del futuro, a lo que han contribuido también la mejora en la red de gasoductos y el desarrollo de técnicas de licuefacción.

b) Productos derivados de la destilación del petróleo

Gasolina ligera: Destilada a partir del petróleo crudo, debe separarse del butano y del propano, y luego neutralizar los compuestos sulfurados malolientes y corrosivos con ayuda de un catalizador y de un reactivo adecuado.

Gasolina pesada: Debe ser reformada para hacerla apta como combustible en motores de explosión. Esta operación se efectúa en presencia de un catalizador de platino a 500ºC y a una presión = 35 Kg/cm2. El proceso se llama reformación catalítica y convierte a los alcanos y los cicloalcanos procedentes de la destilación del petróleo en HC aromáticos, contribuyendo a proveer materias primas para la síntesis en gran escala de otra amplia gama de compuestos.

Esta reacción va acompañada de otras, principalmente de desulfuración, y da lugar a una gasolina de alto índice de octano, útil como combustible para los motores de alto grado de compresión.

Gasolina de aviación: Se obtiene por síntesis a partir de hidrocarburos gaseosos. Esta operación, conocida con el nombre de alquilación, utiliza el ácido fluorhídrico como catalizador. La calidad final de los carburantes es mejorada mediante la incorporación de plomo tetraetilo, que le confiere el índice de octano deseado y actúa como antidetonante, aunque en la actualidad se sustituye por otros compuestos menos tóxicos y contaminantes.

Petróleo lampante o queroseno: durante muchos años fue el único producto obtenido por destilación del petroleo. Era utilizado en los quinqués y lámparas de mecha, antes de que fuera reemplazado por el alumbrado eléctrico. Sirve igualmente como combustible para ciertas estufas.

Los querosenos no tratados contiene HC aromáticos que los hacen fuliginosos y deben ser sometidos a un refino especial con ácido sulfúrico, anhídrido sulfuroso o cualquier procedimiento de desaromatización. Actualmente, se emplea en la preparación de carburantes para los motores de reacción.

Gas-oil o gasóleo: Es el carburante propio para motores diesel rápidos. Debe ser desulfurado por hidrogenación catalítica. Puede ser sometido a una operación de cracking a 500ºC en presencia de un catalizador de cobalto/molibdeno, proceso del que se obtenienen gasolinas de excelente calidad.

Fuel-oil industrial o mazut: Son los residuos pesados de la destilación. Son utilizados para calefacción doméstica o industrial.

Aceites, parafinas y betunes: Provienen de una destilación al vacío del residuo de la primera destilación y del desasfaltado de este residuo al vacío. Estas materias deben ser tratadas con la ayuda de un disolvente (fenol o furfurol), para extraer de ellas los compuestos inestables y aromáticos, desparafinados luego por filtración a -20ºC por arcillas absorbentes. Los betunes, utilizados para el revestimiento de las carreteras o tejados, se obtienen como residuo o subproducto de la destilación al vacío, previa reincorporación de asfalto precipitado mediante propano, que hace de disolvente.

Coque del petróleo: Algunas refinerías amplían incluso la separación de los productos brutos hasta la obtención del llamado coque, empleado en la fabricación de elastómeros, colorantes y electrodos.

Combustible para motores: tetraetilo de plomo, sustancia que confería a la gasolina condiciones antidetonantes, es decir, retarda la ignición espontánea de la mezcla sometida a presión.Además se debía añadir a su vez bromuro etílico, ya que permitía que el plomo se evaporara tras la combustión y no dañara el motor. El hidrocarburo más antidetonante, es decir, el que mayor resistencia tiene a quemarse bajo presión, es el conocido como isooctano. De esta forma, dependiendo de la capacidad antidetonante de una mezcla concreta se le otorga un número que lo pone en relación con el octano; según esta proporción, una gasolina con número de octano 97 es utilizable en motores cuya compresión es mucho más alta que los que utilizan gasolina del tipo 92 octanos.Lo mismo se puede decir de la gasolina utilizada comúnmente en los aviones propulsados con motores de pistón, que suelen utilizar una gasolina altamente antidetonante con un índice octano de 100.

Por contra, en los combustibles diesel, en los que la mezcla se inflama por la compresión dentro del cilindro y no por la chispa de una bujía, es esencial una mezcla de hidrocarburos que no retrasen la ignición espontánea, tomando como referencia otro hidrocarburo, el ceteno, del que sale el número ceteno para los combustibles diesel, o gasoil.

Refinación y obtención de productos:

El petróleo, tal como se extrae del yacimiento, no tiene aplicación práctica alguna. Por ello, se hace necesario separarlo en diferentes fracciones que sí son de utilidad. Este proceso se realiza en las refinerías.

Una refinería es una instalación industrial en la que se transforma el petróleo crudo en productos útiles para las personas. El conjunto de operaciones que se realizan en las refinerías para conseguir estos productos son denominados “procesos de refino”.

La industria del refino tiene como finalidad obtener del petróleo la mayor cantidad posible de productos de calidad bien determinada, que van desde los gases ligeros, como el propano y el butano, hasta las fracciones más pesadas, fuelóleo y asfaltos, pasando por otros productos intermedios como las gasolinas, el gasoil y los aceites lubricantes.

El petróleo bruto contiene todos estos productos en potencia porque está compuesto casi exclusivamente de hidrocarburos, cuyos dos elementos son el carbón y el hidrógeno. Ambos elementos al combinarse entre sí pueden formar infinita variedad de moléculas y cadenas de moléculas.

Los procesos de refino dentro de una refinería se pueden clasificar, por orden de realización y de forma general, en destilación, conversión y tratamiento.

Antes de comenzar este proceso se realiza un análisis de laboratorio del petróleo, puesto que no todos los petróleos son iguales, ni de todos se pueden extraer las mismas sustancias. A continuación se realizan una serie de refinados piloto donde se experimentan a pequeña escala todas las operaciones de refino. Una vez comprobados los pasos a realizar, se inicia el proceso.

Destilación

La destilación es la operación fundamental para el refino del petróleo. Su objetivo es conseguir, mediante calor, separar los diversos componentes del crudo. Cuando el crudo llega a la refinería es sometido a un proceso denominado destilación fraccionada. En éste, el petróleo calentado es alimentado a una columna, llamada también torre de fraccionamiento o de destilación.

El petróleo pasa primero por un calentador que alcanza una temperatura de 370ºC y posteriormente es introducido en una torre, donde comienza a circular y a evaporarse. De esta forma se separan los productos ligeros y los residuos.

Los hidrocarburos con menor masa molecular son los que se vaporizan a temperaturas más bajas y a medida que aumenta la temperatura se van evaporando las moléculas más grandes.

Las fracciones más ligeras del crudo, como son los gases y la nafta, ascienden hasta la parte superior de la torre. A medida que descendemos, nos encontramos con los productos más pesados: el queroseno, gasoil ligero, gasoil pesado. En último lugar, se encuentra el residuo de fuelóleo atmosférico.

La destilación es continua: el crudo calentado entra en la torre y las fracciones separadas salen a los diferentes niveles. Esta operación, no obstante, sólo suministra productos en bruto que deberán ser mejorados (convertidos) para su comercialización, dado que los procesos de destilación no rinden productos en la cantidad ni calidad demandadas por el mercado.

En cuanto a la cantidad, las fracciones obtenidas deben estar distribuidas de forma que puedan hacer frente a las necesidades de las distintas épocas del año. En invierno, las necesidades de gasóleos y fuelóleos para calefacción serán superiores a las del verano, donde prima la producción de gasolinas.

Con respecto a la calidad, las gasolinas que provienen directamente de la destilación, no responden a las exigencias de los motores, particularmente en lo que se refiere a su índice de octanos.

Conversión

Para hacer más rentable el proceso de refino y adecuar la producción a la demanda, es necesario transformar los productos, utilizando técnicas de conversión. Los principales procedimientos de conversión son el “cracking”y el “reformado”.

Los procedimientos de “cracking” o craqueo consisten en un ruptura molecular y se pueden realizar, en general, con dos técnicas: el craqueo térmico, que rompe las moléculas mediante calor, o el craqueo catalítico, que realiza la misma operación mediante un catalizador, que es una sustancia que causa cambios químicos sin que ella misma sufra modificaciones en el proceso.

Las técnicas de conversión también se pueden aplicar a componentes más ligeros. Este es el caso del “reformado”. Gracias a este proceso, la nafta puede convertirse en presencia de platino (que actúa como catalizador), en componentes de alta calidad para las gasolinas.

Tratamiento

En general, los productos obtenidos en los procesos anteriores no se pueden considerar productos finales. Antes de su comercialización deben ser sometidos a diferentes tratamientos para eliminar o transformar los compuestos no deseados que llevan consigo. Estos compuestos son, principalmente, derivados del azufre.

Con este último proceso, las refinerías obtienen productos que cumplen con las normas y especificaciones del mercado. El proceso de craqueo catalítico, antes mencionado, permite la producción de muchos hidrocarburos diferentes que luego pueden recombinarse mediante la alquilación, la isomerización o reformación catalítica para fabricar productos químicos y combustibles de elevado octanaje para motores especializados.

La fabricación de estos productos ha dado origen a una gigantesca industria petroquímica que produce alcoholes, detergentes, caucho sintético, glicerina, fertilizantes, azufre, disolventes, materias primas para fabricar medicinas, nailon, plásticos, pinturas, poliésteres, aditivos y complementos alimenticios, explosivos, tintes y materiales aislantes, así como otros componentes para la producción de abonos. Las plantas de tratamiento más usuales son:

MTBE, para mejorar la calidad de la gasolina, alquilación, para reducir los derivados de plomo, e isomerización, para obtener productos de alto índice de octano que son utilizados para las gasolinas.

Porcentajes de los distintos productos refinados

En 1920, un barril de crudo, que contiene 159 litros, producía 41,5 litros de gasolina, 20 litros de queroseno, 77 litros de gasoil y destilados y 20 litros de destilados más pesados.

Hoy un barril de crudo produce 79,5 litros de gasolina, 11,5 de combustible para reactores, 34 litros de gasoil y destilados, 15 litros de lubricantes y 11,5 litros de residuos más pesados.

Distribución de los productos derivados del petróleo

Los productos derivados del petróleo alimentan no sólo a otras industrias, sino, sobre todo, a los consumidores industriales o privados. Al principio resultaba más económico situar las refinerías junto a las explotaciones petrolíferas, mientras que ahora, los progresos realizados en la técnica de los oleoductos han dado lugar a una evolución que conduce a instalar las refinerías cerca de los grandes centros de consumo.

Una vez obtenidos los derivados petrolíferos, las empresas deben distribuir sus productos a los clientes. En general, estos productos salen de las refinerías a granel, aunque algunos se envasan en latas o bidones, listos para su uso. Los grandes consumidores, como las eléctricas o las industrias químicas, reciben el suministro directamente de la refinería, por oleoducto o por carretera. Los consumidores de menos cantidades son abastecidos, generalmente, desde centros de almacenamiento y distribución.

Aunque los derivados del petróleo forman una gama muy variada, el 90% de ellos se destinan a satisfacer las necesidades energéticas del mundo. Es decir, estamos hablando de los combustibles.

Principales productos derivados del petróleo

Gases del petróleo (butano, propano)

Gasolinas para automóviles (sin plomo, de 98 octanos)

Combustibles para aviones (alto octanaje, querosenos)

Gasóleos (para automóviles, para calefacción)

Fuelóleos (combustible para buques, para la industria)

Otros derivados

Aceites (lubricantes, grasas)

Asfaltos (para carreteras, pistas deportivas)

Aditivos (para mejorar combustibles líquidos y lubricantes)

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