Cap1. Geologia de los Hidrocarburos

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Geología de los Hidrocarburos

Geología de los Hidrocarburos

CAP I

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CAPITULO I

INTRODUCCIÓN A LA GEOLOGÍA DE LOS HIDROCARBUROS.

1.1

Generalidades

1.2

Génesis de Petróleo y gas

1.3

Propiedades químicas y físicas de los hidrocarburos

1.3

Breve reseña histórica de la explotación del petróleo

en el Perú

1.4

Porosidad primaria, porosidad secundaria, etc.,

Permeabilidad

1.5

Trampas petrolíferas.- definiciones

1.6

Introducción a las presiones de los fluidos: Presión

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CONCEPTOS BÁSICOS

Play

El

play es un modelo inicial que combina un cierto número de factores

geológicos con el resultado

de la existencia de acumulaciones de

hidrocarburos en un determinado nivel estratigráfico de la cuenca.

Los aspectos implicados en el

play, son los siguientes:

-

Sistema de carga:

Roca madre (generación; expulsión de fluidos) y

Migración secundaria (capas de transporte; trayectorias de migración).

-

Formaciones almacén

(almacenan petróleo y permiten su extracción

comercial). Se evalúan la porosidad, la permeabilidad y la geometría del

almacén.

-

Sello

(caprock).

-

Trampas

donde se concentre el petróleo, permitiendo su extracción

comercial.

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De esta forma, se define

play como un

conjunto de prospecciones no perforadas y de

yacimientos

conocidos de petróleo, que en

principio, se creen comparten un almacén

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Combustibles fosiles (fossil fuels): fuentes de

energia que se formaron de los restos de

organismos

Petroleo

(oil)

Gas natural

(natural gas)

Carbon

(coal)

Lutitas bituminosas

(oil shale)

Arenas asfalticas

(tar sand)

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Energía

Es la causa capaz de transformarse en trabajo mecánico y que lleva

implícita la generación de calor…

Uno de los principios básico es el de la conservación de la energía: …

EN LA NATURALEZA LA ENERGIA NO SE PIERDE, SOLO SE

TRANSFORMA…

de allí que todo sistema está en perfecto equilibrio.

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Etimológicamente,

petróleo

significa aceite (Oleum) de piedra

(Petro).

¿Qué es el petróleo?

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El petróleo se encuentra bajo tierra, en diferentes regiones,

distribuidas por todo el planeta, conocidas con el nombre

de

cuencas sedimentarias

. Las cuencas sedimentarias están

formadas por capas o estratos dispuestos uno sobre otro,

desde el más antiguo al más reciente y cada estrato tiene

constitución diferente al otro.

El petróleo es producto de la acumulación de restos

orgánicos depositados junto con grandes masas de

sedimentos en el fondo de los mares, a lo largo de millones

de años. Así las cuencas sedimentarias guardan íntima

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El petróleo es una mezcla en la que coexisten en fases sólida, liquida y

gaseosa, compuestos denominados hidrocarburos, constituidos por átomos de

carbono e hidrogeno y pequeñas proporciones de otros elementos con

presencia de nitrógeno, azufre, oxigeno y algunos metales, ocurriendo en

forma natural en depósitos de roca sedimentaria. Su color varía entre ámbar y

negro.

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La composición elemental del petróleo

generalmente está comprendida entre

los siguientes rangos porcentuales.

ELEMENTOS PORCENTAJE

Carbono

84 - 87

Hidrógeno

11 - 14

Azufre 0 - 2

Nitrógeno 0,2

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TEORIA FORMACION DE HIDROCARBUROS

El petróleo y el gas natural son

combustibles fósiles que se habrían

formado hace millones de años, por la

acumulación de restos de animales y

vegetales que se fueron acumulando en el

fondo del océano.

Las

bacterias

presentes

habrían

descompuesto

esta

materia

muy

lentamente, por la escasa cantidad de

oxígeno presente en esas profundidades.

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GAS

PETROLEO

AGUA

Roca

Impe

rmea

ble

Roca

Poro

sa

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Hidrocarburos

Alifáticos

Presentan anillos

Aromáticos

bencénico

Insaturados

Saturados

Alcanos

Alquenos

Alquinos

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Petróleos livianos

(parafínicos)

Muy fluidos

Menos pesados que el agua

Fáciles de manejar

Petróleos pesados

(alifáticos)

Viscosos

Espesos

Mas pesados que el agua

Difíciles de transportar

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Es un líquido de variados colores que van desde

el negro hasta amarillo claro , fluorescente con

reflejos verdes o verde azulado.

Su densidad varía entre 0.615 hasta 0.994g/cm

3

Insoluble en agua y soluble en éter, benceno,

cloroformo, etc.

Viscosidad variable aumentando con la densidad

del mismo.

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Definiciones

Recursos

:

son substancias sólidas, líquidas o gaseosas, susceptibles de ser explotadas por el

hombre para su aprovechamiento.

Reservas

:

a) parte del recurso que resta explotar; b)parte del recurso cuya explotación es

económicamente rentable en el momento socioeconómico y político que rija en la actualidad.

Sedimento orgánico

:

roca o sedimento con una cantidad de materia orgánica superior al 50% en

peso de los constituyentes de la misma.

Diagénesis:

procesos físicos y químicos que afectan al sedimento después del deposito y hasta

antes del metamorfismo de bajo grado

Carbón

:

sedimento orgánico constituido por restos vegetales transformados durante la diagénesis.

Carbón húmico

:

el constituyente orgánico procede de restos vegetales terrestres.

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Humus: serie de productos macromoleculares de estructura muy compleja (ácidos húmicos, ácidos fúlvicos y huminas).

Kerógeno: sedimento orgánico constituido por restos de humus, fitoplancton y zooplancton.

• – Kerógeno I: procede de transformación de lípidos y de algas y se considera formado en ambientes lacustres. Es muy rico en H y pobre en O. Produce crudos ricos en HC saturados

• – Kerógeno II: es una mezcla entre KI y KIII, con valores intermedios entre ambos de H y O y que procede de restos de organismos vegetales y animales marinos. Produce aceites ricos en aromáticos y nafténicos. Genera más gas que los de tipo I.

• – Kerógeno III: procede de transformación de restos vegetales transportados desde el continente (humus) a zonas marinas. Es rico en O y el pobre en H. Genera sobre todo gas seco.

• – Kerógeno IV: proviene de fuentes muy oxidadas durante la deposición. Casi no produce petróleo ni gases.

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Origen del petróleo

Las teorías originales, sobre un origen inorgánico del petróleo

han quedado descartadas

:

Desde mediados del siglo XIX hasta un poco después de la Segunda Guerra Mundial,

el petróleo se fabricó industrialmente: rocas sedimentarias se ponían a cocer a una

temperatura de 500 ºC en ausencia de oxígeno. A estas temperaturas tan altas

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Factores que condicionan la formación del petróleo

a) Factores biológicos

Aporte de materia orgánica:

a) humus

b) organismos planctónicos

Transformación de la materia orgánica en petróleo:

a) enriquecimiento en C e H

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Uno de los supuestos acerca del Origen del Petróleo lo constituye la Teoría de Engler(1911):

1ª etapa

Depósitos de organismos de origen vegetal y animal se acumulan en el fondo de mares internos (lagunas marinas).

· Las bacterias actúan, descomponiendo los constituyentes carbohidratos en gases y materias solubles en agua, y de esta manera son desalojados del depósito.

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2da etapa

       

A condiciones de alta presión y temperatura, se desprende CO2 de los compuestos con

grupos carboxílicos, y H2O de los ácidos hidroxílicos y de los alcoholes, dejando un residuo

bituminoso.

La continuación de exposiciones a calor y presión provoca un craqueo ligero con

formación de olefinas (

protopetróleo

).

3er etapa

Los compuestos no saturados, en presencia de catalizadores naturales, se polimerizan y

forman ciclos para dar origen a hidrocarburos de tipo nafténico y parafínico.

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• Propiedades físicas y químicas de los hidrocarburos

PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL PETRÓLEO

• Veamos algunos de los parámetros empleados en la clasificación del petróleo:

Gravedad (ºAPI)

• Un fluido con una gravedad específica de 1.0 g/cm3 (agua dulce), tiene una gravedad API de 10º. En

• función de su ºAPI podemos hablar de:

Petróleos pesados (ºAPI<20). Son de menor valor comercial y de más difícil

• extracción. Típicos de California, Venezuela, México y Sicilia.

Petróleos normales (20<ºAPI<40). La media mundial está en 33 ºAPI.

Petróleos ligeros (ºAPI>40). Típicos de Argelia, SE de Australia, Indonesia y los

• Andes.

• En condiciones superficiales, los petróleos son menos densos que el agua; sin embargo, en el

• subsuelo la densidad del petróleo es menor todavía (0.5 g/cm3). Las densidades de los gases también

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Viscosidad (η)

Es la fricción interna del fluido que causa la resistencia a cambiar de forma. Varía con la

presión y la temperatura (mayor temperatura, menor viscosidad).

La viscosidad varía con la densidad, es decir, es función del número de átomos de

carbono y de la cantidad de gas disuelto en el crudo; La viscosidad en crudos ligeros es

inferior a 30 mPa; los valores más frecuentes son de 0.5-0.6 mPa (viscosidad de la

gasolina); Los crudos pesados (asfálticos) tienen densidades de 50000-100000 mPa;

estos crudos (alquitranes naturales), presentan grandes dificultades de recuperación.

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Factor expansión

El petróleo pierde volumen y “se encoge” en

su camino hacia la superficie, debido a la

liberación de gases disueltos. El factor de

pérdida de volumen (

shrinkage) varía entre 1

para los petróleos próximos a

la superficie y

que casi no contienen gases disueltos, y 2 para

petróleos muy gaseosos en almacenes

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El 27 de agosto de 1859 en un pozo

construido por Drake, en Oil Creek,

Titusville, Pensilvania, se encontró petróleo

en cantidades suficientes para ser utilizado

masivamente.

Hay que destacar que lo más importante no

es que el pozo de Drake fuera o no el

primero, sino que con dicho pozo en

Titusville se dio inicio a la espectacular

carrera de la industria petrolera, la cual no

ha parado desde entonces. Desde ese

mismo día, otros hombres construyeron su

propios pozos petrolíferos en las cercanías

del de Drake.

El primer pozo petrolero

Edwin Drake

(1819-1880)

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Exploración de hidrocarburos

Geología de superficie

Líneas sísmicas

Pozos exploratorios en tierra y mar

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Transporte de petróleo

El crudo se envía de los yacimientos a las refinerías para obtener los distintos productos derivados.

Por vía terrestre: Por oleoductos de 30-60 cm de diámetro con estaciones en el trayecto para bombearlo y calentarlo para disminuir su viscosidad. Los poliductos se destinan al transporte alternativo de los diferentes productos. Adicionalmente los productos son transportados por vagones-tanques del ferrocarril o camiones cisternas.

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Refinación de petróleo

Consiste

en

romper

o

descomponer hidrocarburos de

elevado

peso

molecular

(combustibles como el gas oil y

fuel oil), en compuestos de menor

peso molecular (naftas).

En el proceso siempre se forma

hidrógeno y compuestos del

carbono. Es muy importante en

las refinerías de petróleo como un

medio de aumentar la producción

de nafta a expensas de productos

más pesados y menos valiosos,

como el kerosene y el fuel oil.

Crackeo (rompimiento)

Crackeo (rompimiento)

Es

el

proceso

más

importante de la refinación,

y esta basada en los

diferentes

puntos

de

ebullición

de

los

componentes del crudo, que

permite

separarlos

mediante evaporación y

condensación.

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9.9 %

22.5 %

7.6 %

52.4 %

7.6 %

Gasolina

Jet fuel

Diesel

Lubricantes

Residuales

15.7

Litros

83.4

12.1

35.7

12.1

Rendimiento promedio de un barril de petróleo

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2007. El petróleo en la matriz energética mundial

Petróleo

Carbón

Gas

Nuclear

Hidroelectricidad

Total Consumo = 223 MMBDPE

(33)

16 % 15 % 69 % 2 % 24 % 38 %

36 %

4 %

14 %

72 %

10 %

100 % 100 % 3 % 97 % 70 % 10 % 20 % 29 %

28 % 43 %

41 % 46 %

13 %

Emisión CO2

Total = 23.6

millardos TM

17 %

22 %

40 %

PETROLEO (36 %)

CARBON (23 %)

GAS (21 %)

BIOMASA (11 %)

NUCLEAR (7 %)

ELECTRICIDAD (36 %)

RES/COMERC (24 %)

INDUSTRIAL (22 %)

TRANSPORTE (18 %)

2005. Consumo Mundial de Energía

Total = 198 MMBDPE

8 %

29 %

16 %

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El

uso

acelerado

e

indiscriminado

de

los

combustibles fósiles ha

ocasionado un deterioro

del hábitat del hombre,

teniendo como su principal

factor la emisión de gases

de efecto invernadero,

originando así el fenómeno

denominado

cambio

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Crecimiento

Población

Crecimiento

Desastres

Crecimiento

Emisiones CO2

Cam

bio C

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Energías renovables

Transporte

Electricidad

Calentamiento

Biomasa

Eólica

Geotérmica

Maremotriz

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Energía Siglo XXl (otras

acciones y tecnologías)

Eficiencia Energética

Automóviles Híbridos

Automóvil de Aire Comprimido

Automóvil a agua

Automóviles eléctricos (Better Place)

Energía Steorn (energía libre) ?

Energía Solar Dirigida Espacial (SSP)

Skysails (Barcos a Vela)

Celdas Solares en rollos

Captura de CO2

Cambio paradigma del

motor a combustión

interna

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La energía es el pilar fundamental de la evolución humana

El petróleo es la fuente energética de mayor uso por su facilidad

de transporte y sus múltiples usos.

El crecimiento poblacional y el uso indiscriminado de los

combustibles fósiles afectan altamente el hábitat del hombre

(efecto antropogénico)

Para preservar la humanidad es necesario un desarrollo

sustentable

Es necesario descarbonizar el sistema energético mundial.

Las energías renovables jugaran un preponderante rol en el

futuro cercano

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¿Dónde se lo encuentra?

Zonas de menos de 600 Millones de años

Yacimientos de roca sedimentaria

Lugares donde hubo mar

Filtración a través de la roca

Llega a la superficie

Queda atrapado por

una roca impermeable

(trampas)

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Porosidad

la

porosidad es la

capacidad de un material

de tener poros,

entendiendo por poro

cualquier espacio de una

masa que no esté

ocupado por un

.material sólido, sino

por un fluido (agua, aire,

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Porosidad

Definición de la Porosidad

La porosidad es una medida de la capacidad de almacenamiento de

fluidos que posee una roca y se define como la fracción del volumen

total de la roca que corresponde a espacios que pueden almacenar

fluidos.

Como el volumen de espacios disponibles para almacenar fluidos no

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Clasificación de la porosidad

La porosidad de una roca puede ser clasificada de

dos maneras:

1.-

Según su origen.

1.1. Original o Primario

1.2. Inducida o secundaria

2.-

Según la comunicación de sus poros.

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1.1.- Porosidad Primaria:

Es aquella que se desarrolla u origina en el momento de la formación o

depositaciòn del estrato.

Los poros formados en esta forma son espacios vacíos entre granos

individuales de sedimento.

Es propia de las rocas sedimentarias como las areniscas (Detríticas o

Clásticas) y calizas ooliticas (No-Detríticas), formándose empaques del tipo

cúbico u ortorrómbico.

1.2.- Porosidad Secundaria o Inducida:

Es aquella que se forma a posteriori, debido a un proceso geológico

subsecuente a la depositaciòn del material del estrato o capa. Esta porosidad

puede ser:

Porosidad en solución: Disolución de material solidó soluble constitutivo

de las rocas.

Porosidad por Fractura: Originada en rocas sometidas a varias acciones

de diastrofismo.

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La porosidad total siempre va a ser mayor o igual a la efectiva.

Para el ingeniero de yacimientos la porosidad más importante

es la efectiva, pues constituye los canales porosos

interconectados, lo que supone que puede haber importante

saturaciones de hidrocarburos en dichos espacios.

La porosidad es considerada :

• Muy Baja cuando es =< 5%

• Baja cuando es >5% pero =<10%

• Promedio cuando es >10% pero =<20%

• Buena cuando es >20% pero =<30%

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Factores que Afectan la Porosidad

Escogimiento de los granos:

Mientras los granos de la roca sean más

uniformes mayor será la porosidad.

Arreglo de los granos:

La simetría influye en el valor de la porosidad,

mientras menos simetría exista más afecta la porosidad.

Cementación:

Los granos estan “pegados” entre sí mediante uuna

cementación natural que por supuesto resta espacio poroso a ser

ocupado por los hidrocarburos.

Presencia de Grietas y Cavidades:

Son factores que favorecen la

porosidad

Consolidación:

La presión de sobrecarga de un estrato crea

acercamiento entre las rocas.

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Presencia de material cementante Los granos que conforman

la matriz de la roca se encuentran unidos entre sí por material

cementante, el cual se encuentra compuesto principalmente

por sílice, carbonato de calcio y arcilla. La presencia de

material cementante afecta la firmeza y compactación de la

roca, por lo tanto afecta la porosidad de la misma. A medida

que aumenta la cantidad de material cementante, la

porosidad del sistema disminuye, debido a que este material

se aloja en los espacios disponibles para la acumulación de

fluidos. Por esta razón, la porosidad de arenas no

consolidadas (las cuales presentan poca cantidad de material

cementante) es mucho mayor que la porosidad de arenas

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Geometría y distribución del tamaño de los granos

Figura 1.5 Distribución del tamaño de los granos Dependiendo

del ambiente depositacional en el cual se originó la roca, los

granos que la conforman presentarán una determinada

distribución en su tamaño. Esta variación en el tamaño de los

granos se conoce como escogimiento y es un factor que afecta la

porosidad de la roca.

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La forma de los granos también afecta la porosidad de la roca. Un

sistema compuesto por granos perfectamente redondeados

presentará una porosidad mayor que un sistema formado por

granos alargado, como se aprecia en la figura

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Presión de las capas suprayacentes

Otro factor que afecta la porosidad es la

compactación originada por la presión de sobrecarga, la cual es ejercida por

el peso de las capas suprayacentes de la roca. A medida que aumenta la

profundidad, la presión ejercida por la columna de sedimentos aumenta, esto

genera una fuerza que tiende a deformar los granos y reducir el volumen de

espacios vacíos, por lo tanto se origina una reducción en la porosidad.

Cuando los fluidos contenidos en el espacio poroso son producidos, la

presión interna disminuye, pero la presión externa (presión de sobrecarga)

permanece constante, con esto se crea un desequilibrio que origina esfuerzos

que tienden a disminuir el volumen bruto y el volumen poroso de la roca, lo

que se traduce en una reducción en la porosidad.

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Figure

Foto del pozo

Foto del

pozo p.25
Figura 1.5 Distribución del tamaño de los granos Dependiendo  del ambiente depositacional en el cual se originó la roca, los  granos que la conforman presentarán una determinada

Figura 1.5

Distribución del tamaño de los granos Dependiendo del ambiente depositacional en el cual se originó la roca, los granos que la conforman presentarán una determinada p.57

Referencias

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