EL PETRÓLEO

COMPONENTES:

Grupo 3

-Antonio López Soriano

-José Pascual Soriano Moragón

-Leonardo José Marco Verdú

Bibliografía:

-Enciclopedia Microsofr Encarta 99

-Enciclopedia Planeta

-Enciclopedia Aula 99

-Diccionario Enciclopedico Espasa

INTRODUCCIÓN

El petroleo es un líquido natural, oleaginoso e inflamable, de color oscuro y olor característico, más ligero que el agua, formado por una mezcla de hidrocarburos. Se extrae de lechos geológicos continentales o marinos.

Conocido desde antiguo por sus afloraciones naturales (asfalto o betún de Judea), que ya utilizaban en Mesopotamia para calafatear buques y como material de construcción, la primera destilación del petróleo bruto se llevó a cabo en Rusia, en el siglo XVIII, y laperforación histórica que inició la carrera por el «oro negro» tuvo lugar en Pennsylvania en 1859; al principio, únicamente se aprovechó el queroseno, y poco después los aceites pesados, como lubricantes y para usos domésticos. A comienzos del siglo XX, con la implantación creciente del automóvil, fue la gasolina el componente que empezó a alcanzar mayor demanda, y hacia los años veinte, con el descubrimiento de la destilación continua, se empezó a utilizar el fuel-oil. Después de la segunda guerra mundial, con los avances de la petroquímica (destilación fraccionada, cracking y reforming), fueronaumentando progresivamente los derivados que se obtenían para su uso directo o como productos intermedios para la obtención de una vasta gama de compuestos de síntesis, con aplicaciones en los más variados campos.

El petróleo natural, constituido principalmente por hidrocarburos parafínicos, nafténicos y aromáticos, además de azufre, mercaptanos y agua salada, es el resultado de un largo proceso de degradación bacteriana de organismos acuáticos animales y vegetales, producida en el fondo de los océanos durante un período de millones de años. El petróleo queda depositado en la llamada «roca madre», desde donde migra a través de areniscas, calizas y otras rocas porosas («rocas almacén») hasta alcanzar una anomalía geológica (anticlinal o falla), donde una capa impermeable de marga o de arcilla forma una «trampa» que lo mantiene retenido. Se encuentra casi siempre situado entre una

capa inferior de agua salada (más densa que el petróleo) y una capa superior de hidrocarburos gaseosos, aunque también puede ascender y salir libre a la superficie en forma de rezumamiento.

Composición elemental del petróleo

Elementos Porcentaje

Carbono 83-87

Hidrógeno 11,4-11,8

Azufre 0,05-8

Oxígeno 0,05-3

Nitrógeno 0,02-1,3

(También tiene bajos porcentajes de Niquel y Vanadio)

Distintas clases de petróleo: El petróleo que se extrae entre los diferentes países tiene una composición que oscila dentro de los aplios límites y es debida al origen a la edad y la temperatura a que se a formado. Por ejemplo, los petróleos que se extraen en Pensilvania contienen casi exclusivamente parafinas; los de la URSS son ricos en naftenos; los de Rumanía, la composición es parafínico-nafténica; en los de Arabia se encuantran compuestos nafténicos en su mayoria.

EXTRACCIÓN

Origen y formación de yacimientos. Sobre el origen de este combustible rodean muchas hipótesis, optando bien por una formación inorgánica, a través de reacciones químicas en el interior de la corteza terrestre, o bien orgánica, que es la mayoritariamente aceptada. Se supone que el petróleo se ha originado a partir de la transformación de la materia orgánica contenida en los sedimentos y rocas sedimentarias que constituyen las denominadas rocas madres del petróleo. El petróleo rara vez se encuentra impregnando dichas rocas, como ocurre con las pizarras, botuminosas de Puertollano (Ciudad Real, en España). En estos casos se extraen de la destilación directa de estas rocas las gasolinas y aceites pesados. Lo normal es que la roca madre quede enterrada en profundidad y que los hidrocarburos formados a partir de los fangos sapropélicos (mezcla de plancton marino y fango en un ambiente reductor) se vuelven ligeros y móviles, con lo que aumenta su capacidad de migración. Se apoya esta hipótesis del plancton porque se ha dado la presencia de huellas de derivados colofílicos y de pigmentos de origen animal en repetidas muestras petrolíferas. En estas bolsas es muy frecuente encontrar gas metano a presiones elevadas. Así se forma a partir de los fangos citados que, como fluidos, tienden a emigrar a la superficie. Si la alcanzan, el gas y los hidrocarburos más ligeros se disipan y quedan residuos (betunes), impregnando las rocas superficiales, igual que en el caso de Puertollano. Pero en la mayoría de los casos son detenidos por trampas de origen tectónico o sedimentario. Estas trampas petrolíferas son las que los geólogos detectan por métodos geofísicos y estudios de geología de campo. Dentro de una trampa los fluidos se ordenan por densidades: los gases en la parte alta, el petróleo en medio y abajo el agua salada (que prueba el origen marino del petróleo). La acumulación de los fluidos tiene lugar en las denominadas rocas almacén, que deben reunir las condiciones mínimas de porosidad y permeabilidad para contener petróleo y permitir su movimiento dentro de ellas. Así, para que se conserve un yacimiento petrolífero, es necesario que sobre las rocas almacén exista una cobertura de rocas impermeables que impida el ascenso de los fluidos hacia la superficie. En el caso de estar alejados de una trampa, el petróleo puede aflorar superficialmente, donde puede permanecer por tiempo indefinido, después de su parcial oxidación, en forma de depósitos o impregnaciones de asfalto, o bien pueden ser destruidos por acciones biológicas, fundamentalmente de carácter bacteriano. Son las bacterias anaerobias las que parece que juegan aquí un papel importante en los orígenes del petróleo, ya que con su acción ayudan a las reacciones diagenéticas y los restos orgánicos quedan reducidos a compuestos a base de carbono e hidrógeno solamente. La descomposición de las bacterias origina los ya citados sapropeles. Todo esto implica un proceso lento como confirma el hecho que en sedimentos recientes no se encuentra petróleo. Otro tipo especial de trampa petrolífera es el que se da asociado a una erupción volcánica, en la que la roca eruptiva, al atravesar los estratos, ha formado una trampa en la que posteriormente se ha acumulado el petróleo. Como tal hidrocarburo, el petróleo posee cierta cantidad de carbono, que oscila según el yacimiento en el que se encuentra. El porcentaje medio oscila entre un 80% y un 90%. Está formado por una mezcla de compuestos, entre los que cabe destacar el metano, etano, propano, butano, etileno, acetileno, benceno, fenol, etc. Para poder aprovechar selectivamente estos productos es necesario someter el petróleo al proceso de refinado.

Localización y extracción. Desde el advenimiento de la revolución industrial las crecientes necesidades de petróleo y de gas natural han determinado que la búsqueda y explotación de los yacimientos de hidrocarburos naturales, y en especial del petróleo, hayan mejorado y especializado mucho y así constituir una de las ramas importantes de la geología aplicada al petróleo o, en conjunto, a los hidrocarburos. El petróleo crudo carece de utilidad comercial, pero tratándolo se pueden separar de él una serie de productos útiles por destilación, obteniéndose una serie de fracciones de punto de ebullición y peso molecular. Todo yacimiento petrolífero es el volumen de roca almacén impregnado de petróleo, que tenga continuidad física y que esté sometido a un solo régimen de presión. Se denomina campo petrolífero la región del subsuelo en el que existen uno o más yacimientos, a veces superpuestos, originados en condiciones geológicas semejantes. Los yacimientos útiles de hidrocarburos se encuentran a profundidades de hasta 6.000 ó 7.000 m. En ocasiones se encuentran afloramientos naturales y superficiales de hidrocarburos, denominados manifestaciones superficiales; casi siempre están relacionados con yacimientos subterráneos, aunque en su mayor parte caracen de interés económico.

En la localización de las trampas petrolíferas se emplean varios métodos, dejando aparte los afloramientos superficiales citados, que están asociados a yacimientos de poca profundidad, generalmente a hidrocarburos sólidos. La búsqueda del petróleo en el interior de la corteza terrestre hasta los 6.000 m de profundidad sólo es posible alcanzarlos con las modernas técnicas de perforación. Se lleva a cabo por los denominados métodos geofísicos aptos para definir las condiciones y estructuras del subsuelo. Estos métodos, completados por sondeos explorativos, permiten confirmar o no los resultados obtenidos con la prospección geofísica. Con estos datos se configura una columna estratigráfica detallada de la región que se investiga, y en función de los datos geológicos y de la citada columna se interpreta la historia geológica y se localizan las trampas. Como método de estudios preliminares destacan: Investigación geológica de las superficies para fijar las zonas de exploración. Método magnético , empleado frecuentemente en la exploración preliminar de las posibilidades petrolíferas de la región. Se funda en la medición de las anomalías del campo magnético de la Tierra, provocadas por la falta de homogeneidad de la corteza. Se mide con magnetómetros. En ocasiones las investigaciones magnéticas se sustituyen por las gravimétricas, que consiste en localizar anomalías gravimétricas, las cuales pueden deberse a irregularidades en la distribución de las transformaciones rocosas del subsuelo con distintas densidades. Se realiza la medida con gravímetros. El método más utilizado es el sísmico , que consiste en hacer pasar un tren de ondas sísmicas, que previamente se han provocado con una explosión subterránea, o se aprovechan los sismos locales de la región, a través de las rocas del subsuelo; la variación de velocidad de las ondas sufrirá discontinuidades cuando atraviese las trampas petrolíferas de gases y líquidos. Entre los métodos eléctricos aparecen en importancia las mediciones de los gradientes de potencial originados en la superficie terrestre por corrientes telúricas, que son corrientes espontáneas, de intensidad muy débil, que recorren la corteza terrestre y se concentran en las formaciones sedimentarias de menor resistividad. Con este método se espera poder determinar la configuración estructural y las variaciones de espesor de la cobertura sedimentaria.

Métodos de perforación: Tras interpretar las características estratigráficas del subsuelo, estudiadas por los anteriores métodos, se decide el emplazamiento de las perforaciones. Se suelen elegir las zonas más elevadas de los pliegues anticlinales que pueden albergar en su núcleo a la roca almacén. Actualmente las perforaciones de realizan por trépanos de rotación montados en torres metálicas, pero en el pasado fue muy usado el método de percusión , por el cual la roca es triturada mediante una sonda de acero, que de forma rítmica se levanta y se deja caer. Hay sistemas de percusión por circulación de agua a través de una columna de piezas tubulares que sostienen la sonda y que sirven para extraer los fragmentos de roca. La velocidad de avance no es muy rápida, unos 20 ó 30 m cada 24 horas, y un inconveniente es que se ha de revestir las paredes del sondeo a medida que éste avanza para impedir derrumbamientos de paredes en algunos niveles. Se utiliza con buenos resultados en pozos es escasa profundidad, en especial en rocas no duras, cavernosas y permeables. El método de perforación por rotación consiste en excavar un pozo por medio de un trépano que gira a gran velocidad (300 revoluciones o más por minuto), situado en el extremo de una columna de tubos de acero, en cuya parte superior se añaden nuevos tubos a medida que la profundidad de la perforación aumenta. La perforación se realiza sin revestir las paredes. Por medio de una bomba se hace circular el lodo por el interior de la columna de tubos, y sale de ella por la parte inferior del sondeo, emergiendo a la superficie a través del espacio de sección anular que existe entre la columna de tubos y las paredes de perforación, con lo que se consigue sostener las paredes y transportar los fragmentos de roca arrancados. Otros métodos utilizados son por turbinas y perforación de rotación en circulación de aire comprimido (a 6-12 atm).

Cuando se terminan estas operaciones se procede a la extracción: Cuando el pozo ha sido perforado hasta la profundidad establecida, se reviste totalmente con una columna de tubos de acero. En el espacio existente entre las paredes de la perforación y la columna de tubos se inyecta el cemento, con el fin de bloquear las posibles infiltraciones de agua de los estratos impermeables. A la altura de los niveles petrolíferos se abren agujeros en el revestimiento. En ocasiones es necesario estimular el flujo de hidrocarburos al comenzar la explotación o en sus fases últimas. La deflagración de cargas explosivas en los niveles potencialmente productivos provoca la fractura de la roca que rodea el punto de explosión, y aumenta considerablemente la superficie a través de la cual los hidrocarburos penetran en el pozo. También se emplea la técnica de fractura hidráulica mediante un líquido gelatinoso, que inyectado a intensa presión en las fisuras de la roca almacén las dilata sin obstruir poros ni las fisuras más pequeñas. Después, el líquido es eliminado con sustancias septizantes. En el caso de yacimientos en rocas calcáreas, se obtienen los mismos efectos por acidificación si se inyecta un ácido que ensanche y ahonde las fracturas de la roca por disolución. El petróleo que penetra en el pozo puede subir hasta la superficie por sí solo (método fluyente), cuando la presión de los fluidos en la roca almacén es elevada y el petróleo no es demasiado viscoso; en otros casos es necesario instalar bombas en el pozo (método mecánico). La presión en el pozo y la disminución de la presión inicial en el transcurso de la explotación tiene gran importancia para determinar el porcentaje que puede ser extraído. Así, es necesario el estudio de los cambios de fase de los hidrocarburos. La presión puede mantenerse constante o disminuir. Dependiendo de esto aparecen distintos tipos de explotación. Otro tipo es el de recuperación , que consiste en inyectar gas natural, aire o agua en el yacimiento, a través de pozos, con el fin de incrementar la presión de los fluidos y estimular el movimiento del petróleo hacia los pozos. Además de emplear este método de extracción en pozos casi agotados, se emplea en nuevos para aumentar la producción de hidrocarburos líquidos. Generalmente se inyecta en el yacimiento el gas que sale con el petróleo. Este método es necesario en caso de yacimientos con gases condensables, los cuales son separados por disminución de la presión antes de introducir el metano en el subsuelo. En yacimientos poco profundos, pobres en gas disuelto y de difícil extracción, la explotación se realiza por medio de minas. Desde las galerías de las minas que pasan muy cerca de la roca almacén, parten breves perforaciones que penetran en la roca y por donde va goteando el petróleo, donde es recogido en canales y conducido a la superficie. Otro método de recuperación secundaria utilizado esporádicamente es el calentamiento de la formación petrolífera mediante inyecciones de vapor alimentada por aire, con el fin de hacer más fluida una parte del petróleo viscoso y facilitar así su movimiento hacia los pozos. La explotación racional de un yacimiento de hidrocarburos se obtiene con la planificación exacta de la distribución geográfica de los pozos, que debe repartirse todo el volumen de laroca almacén impregnado en gas o petróleo.

Productos derivados

El petróleo es una mezcla de términos intermedios pertenecientes a diversas series de hidrocarburos en solución, los cuales, en estado puro, son gaseosos o líquidos. Una vez extraído, la primera operación es separarlo del agua salada, tierra y fango que lo pueden enturbiar. La segunda operación es la destilación, con el objeto de obtener los llamados gases de refinería (hidrocarburos, constituidos hasta por cuatro átomos de carbono, gasolinas, queroseno, aceites ligeros o tipo diesel y aceites pesados). En este proceso se somete el petróleo a elevadas temperaturas a la presión atmosférica; de esta forma se van obteniendo diferentes fracciones, según el punto de ebullición. Así la gasolina es la fracción que hierve entre los 80 y 200 ºC. La destilación o refinado se realiza en unas altas torres que tienen diferentes salidas a distintas alturas, por donde sale cada una de las fracciones. Posteriormente, cada una de las fracciones es susceptible de ser sometida a nuevos procesos para obtener de esta forma sus últimos componentes. Entre los derivados se encuentran: parafinas , que son hidrocarburos saturados con notable estabilidad química; olefinas, cicloparafinas o naftas, que son todos aceites ligeros; mercaptanos, compuestos nitrogenados como la piridina y la quinoleina; cantidades pequeñas de compuestos orgánicos oxigenados , como fenoles, ácidos grasos y los ácidos naftánicos; también se encuentra el ácido sulfhídrico, queroseno y ceras minerales; otros derivados son el fuel-oil, alquitrán, asfalto y coque. Los combustibles líquidos son los más utilizados por sus notables ventajas, mayor rendimiento calorífico y posibilidad de utilización en los motores que funcionan por combustión interna. Los de mayor importancia económica son el grupo de las gasolinas, con varios tipos en función del octanaje. Con el fin de cubrir toda la demanda actual una parte de los aceites pesados y ligeros se somete a procesos de craqueo o cracking, de modo que los hidrocarburos de elevado peso molecular se descomponen térmicamente con otros de igual cantidad de átomos que las gasolinas y con un punto de ebullición menor. Así se pueden separar compuestos como el butano, propano, etileno, etc. Un elemento base para la industria química es el benceno, del que se obtienen derivados importantes como la anilina y el fenol, para la fabricación de pinturas, detergentes, tintes, plásticos y herbicidas.

El petróleo es base para la actual industria, estando en su fase de total expansión y moderno desarrollo con la incorporación de nuevas técnicas. Es el elemento energético básico, alrededor del cual nacen grandes multinacionales por todo el mundo, puesto que mantiene a pesar de la reciente crisis energética (esta posición, por las concentraciones de producción agrupada en los países de la O.P.E.P., devaluaciones del dólar, etc., repercuten en toda la industria). La invasión de Kuwait por Irak el 2 de agosto de 1990 supuso un duro golpe, quedando este último país sometido a un embargo que también afectó al petróleo de Kuwait en el período de la ocupación, hasta finales de febrero de 1991. Esto también fue negativo en el sentido que muchos pozos fueron destruidos. A pesar de todo los países potentes siguen ostentado la mayor producción energética en este sector, capitaneado por Estados Unidos, Rusia, Arabia Saudí, Irán y México, seguidos de China y Venezuela. Las nuevas tendencias han mejorado y mejorarán los sistemas de explotación y rendimiento.

APLICACIONES

COMBUSTIÓN

La combustión es la reacción mediante la cual el carbono (C) y el hidrógeno (H), que constituyen la molécula de los hidrocarburos, reaccionan completamente, es decir con el oxígeno (O) contenido en el aire, para formar dióxido de carbono y vapor de agua. Se trata de una reacción de producción de calor.

La combustión para su aprovechamiento se ha de realizar en los lugares preparados para obtener beneficios de dicha reacción. Dichos lugares son los motores, calderas, etc...

Motor de combustión:

• De combustión externa. Motor térmico en el cual la fuente de calor es exterior al mismo, es decir, la combustión no se produce dentro del cilindro o de la turbina. En los motores tradicionales (de combustión externa), el combustible se quema en un hogar, produciéndose en una caldera el vapor que actúa en forma de fluido activo y accionando los pistones, si se trata de un motor rotativo. El vapor, después de la expansión, puede condensarse y regresar a la caldera. El motor de vapor fue perfeccionado por Watt. Los primeros intentos para aprovechar los motores de combustión externa para la locomoción por carretera, se remontan al comienzo del siglo XIX; sin embargo a principios del siglo XX, los motores combustión interna se impusieron definitivamente. Hasta los años setenta, los motores de vapor se empleaban, en algunos países, para tracción ferroviaria. En los motores de combustión externa nucleares, el calor se obtiene aprovechando la energía desarrollada por una reacción nuclear (fisión del átomo de uranio). En algunos casos (turbinas de ciclo cerrado y centrales nucleares), se recurre a un fluido intermedio para la transmisión del calor de la fuente al fluido activo.

• De combustión interna. Se denomina así a todo motor en el cual la energía mecánica se obtiene mediante la transformación de la energía derivada de una combustión, que se produce en el interior del propio motor y en el seno del propio fluido, llamado fluido activo, que genera el movimiento de los órganos del motor (alternativo o rotativo) o el empuje (motores a chorro). El fluido activo suele estar constituido (con excepción de los motores espaciales) por una mezcla de aire y combustible (mayoritariamente un derivado del petróleo) gaseoso o líquido finamente pulverizado. Como consecuencia de la combustión de esta mezcla, se generan variaciones de temperatura (en la práctica el fluido activo introduce calor en el motor en algunas fases del ciclo y extrae calor en otras) y de volumen a presión a partir de las cuales se extrae trabajo.

Los motores de combustión interna presentan, con relación a los motores de combustión externa, la ventaja de la eliminación del hogar externo, la caldera, la reserva de agua con su respectivo depósito y el condensador. Además, en los motores de combustión interna alternativos, las temperaturas medias de los órganos mecánicos pueden mantenerse, por medio de sistemas de refrigeración, a niveles muchos más bajos que en los motores de combustión externa de vapor, a pesar de que las temperaturas máximas son bastante más elevadas (aproximadamente 1.400ºC en lugar de 120ºC), por el hecho de que estas máximas solo se alcanzan por intervalos de tiempo muy cortos; esto conlleva dificultades de lubricación menores. También las presiones poseen variaciones distintas; mientras en los motores de vapor son constantes e iguales a las de la caldera (12atm), en los de combustión interna varían mucho durante el ciclo y alcanzan máximos bastante más elevados (80atm), que permiten rendimientos térmicos superiores.

Entre las etapas fundamentales del origen del motor de combustión interna se nombran, además de la formulación del ciclo de Beau de Rochas, las realizaciones de Bernardi y Daimler, al cual se suele atribuir la primera aplicación del motor de combustión interna a los vehículos (1883-1885), aunque parece ser que ya en 1865 existieron algunas ideas y prácticas al respecto, obra del alemán Marcus. A partir de principios del siglo XX, los motores de combustión interna substituyeron a los de combustión externa en automoción.

COMPRESIÓN

Es la fase de ascenso del pistón sucesiva a la de admisión, durante la cual la mezcla de aire y combustible es comprimida por el cilindro en la cámara de combustión hasta reducir su volumen unas 7/10 veces. Durante esta fase la presión de la mezcla aumenta, ya sea por efecto de la reducción del volumen, o como consecuencia del aumento de la temperatura debido a la compresión. El aumento de presión permite que se queme la mezcla, desarrollando una potencia mucho mayor que la que se obtendría con una combustión a presión normal. En un principio los motores de combustión interna prescindían de la fase de compresión, actuando a presión normal (atmosférica). Pero más tarde Otto y Beau de Rochas comprobaron mediante experimentos el aumento de la potencia al comprimir la mezcla antes de la combustión (a presión atmosférica la presión de la combustión no rebasaba la 8atm, pero ejerciendo un presión a la mezcla de 15atm la presión posterior a la combustión rebasaba la 60atm supone un aumento de 4 veces).

Se puede observar el ciclo completo de la combustión en el esquema siguiente:

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