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60 IngenIería QuímIca Nº 500

Repsol-YPF hizo público el 7 de noviembre pasado el descubrimiento de un mega-yacimiento de petróleo, de gran calidad, y de gas natural de esquistos en Neuquén, Argentina. El mayor de su historia. El equivalente a 150 millones de barriles, el consumo petrolero de 4,5 años de Argentina. Gracias a las nuevas tecnologías, su extracción es factible. En Neuquén hay ya en funcionamiento 5.200 pozos de petróleo convencional. El presente artículo nos expone las características de estos yacimientos de hidrocarburos no convencionales y la tecnología para extraer dichos hidrocarburos.

Extracción de petróleo y gas de rocas sedimentarias

Ante todo recordAr que el petróleo-gas no convencional se en-cuentra en unas condiciones que no permiten el movimiento del fluido, bien por estar atrapados en rocas poco permeables, o por tratarse de petróleos de muy alta viscosidad. requieren el empleo de tecnologías nuevas para su extracción, ya sea por las propiedades del propio hidrocar-buro, o por las características de dure-za e impermeabilidad de la roca que lo contiene. Se trata de yacimientos que hasta hace pocos años se conside-raban agotados e irrecuperables.

La industria del petróleo prospe-ró inicialmente al extraer volúmenes fácilmente recuperables, con pozos y bombas. en alguna mina, el gas natu-ral salía espontáneamente a la super-ficie, debido a la presión subterránea del yacimiento, en flotación sobre el embalse de crudo. estos pozos se están agotando, mientras aumenta el consumo energético. Hay la irre-versible declinación de las reservas tradicionales. el hidrocarburo no convencional, hasta hace poco irre-cuperable, se encuentra en esquistos bituminosos, en arenas compactas, en estratos de muy baja permeabilidad, en lechos de carbón, en rocas con po-ros microscópicos, a unos 2.000 m de profundidad, rocas compactas llenas de shale gas, que no liberan el hidro-carburo sin antes romper el esquisto, para abrir los poros: fracking, en inglés. Los poros creados por la fractura se mantienen abiertos gracias a los dimi-nutos granos de arena, que transpor-ta el agua de inyección. eso permite que el hidrocarburo no convencional ahora sea fluido, e inicie el movimien-to hacia la superficie del pozo. el gas no convencional se encuentra entre estratos geológicos aislantes. La inge-niería microsísmica produce pulsos, de compresión-dilatación mecánica, que se reflejan y refractan en los estra-tos del subsuelo, y registra los ecos a distancia. el depósito de petróleo-gas desvía el rayo sísmico, crea zonas de sombra sísmica, que permiten cono-cer las coordenadas del yacimiento y su profundidad. Los costes aumentan con la profundidad, pero la produc-ción minera, de alta tecnología, puede competir con la petrolera tradicional y sus recursos menguantes.

1. Fitoplancton-zooplancton-diagénesis-craqueo naturalcomo es sabido, el hidrocarburo, convencional o no, procede del ma-

HiHIDrOcarBurOS

P. BoluferInstituto Químico de Sarriá

extraccIón De petróleO y gaS De rOcaS SeDImentarIaS

terial biológico depositado en me-dios marinos o lacustres, junto a sedi-mentos minerales. durante millones de años, estos sedimentos y restos or-gánicos atrapados fueron sometidos a grandes presiones y altas tempera-turas, sin oxígeno, como consecuen-cia de un progresivo enterramiento, dando origen a una roca sedimen-taria, roca madre, saturada de bitu-men. La materia orgánica deriva de organismos microscópicos, conoci-

dos como fitoplancton (vegetal) y zooplancton (animal). diagénesis es la transformación de estos bio-materiales, desde el betún hasta los hidrocarburos más ligeros, líquidos y gaseosos. Las bacterias participan

en la transformación: la conversión de estructuras biológicas, o biopolí-meros (proteínas, celulosa y lípidos), en monómeros (aminoácidos, azúca-res y ácidos grasos). estos biomonó-meros reaccionan entre sí, y forman

Foto 1Las arenas compactas, a 2.000 m de profundidad, almacenan metano, la energía del siglo XXI

AL buscAr hIdrocArburos En rocAs sEdImEntArIAs rEcurrImos A 3 métodos: gEoLogíA dE cAmpo, prospEccIón gEofísIcA y pozos EXpLorAtorIos

HIDROCARBUROS


cuando precipitan las substancias que se encontraban en disolución: carbonatos, evaporitas, ferrugino-sas y fosfatos. Finalmente, las rocas orgánicas, formadas por acumula-ción de materia orgánica: carbones y petróleo, calizas de arrecifes, tobas calcáreas, etc. Son tres las rocas se-dimentarias más abundantes: lutitas (45%), areniscas (32%) y calizas (23%). Las lutitas son muy imper-meables, por ejemplo: la lutita bitu-minosa. La marga es una lutita cal-cárea. La caliza es la materia prima del cemento, carece de porosidad y aumenta la compacidad, como roca de acuífero no sirve. Forma estratos. La roca sedimentaria está dentro del continente, en medios fluviales, a ambos lados de los ríos, en medio

complejas estructuras orgánicas bidi-mensionales conocidas como keróge-no, constituido por macromoléculas aromáticas con heteroátomos de o, S, n. La estructura del kerógeno ha identificado a las algas como la fuen-te principal del petróleo. también ocurre el craqueo natural, debido al calor y a la presión: la rotura de los hidrocarburos de las fracciones más pesadas, por medios térmicos o ca-talíticos, en monómeros de un peso molecular reducido. el bitumen as-fáltico es la fracción más pesada del petróleo crudo, sin refinar. Luego, la industria ha creado la destilación fraccionada, e introduce el petróleo crudo hirviente, a unos 400ºc, en la base de la torre de destilación.

2. Cementación sedimentariael petróleo-gas no convencional no se encuentra en rocas de origen vol-cánico, metamórficas, dorsales, sino sedimentarias: la erosión, el viento, el agua, producen areniscas, polvo, que son transportados por el hielo, el agua, el aire hasta zonas bajas de mínima energía, donde se acumu-lan, sufren procesos de litificación de sedimentos, rocas detríticas, conglomerados, areniscas, limolitas y arcillolitas. otras rocas se forman

lagunar, en zonas costeras, los del-tas, las playas. en la plataforma con-tinental marina se encuentran los máximos espesores de sedimentos, al pié del talud continental y en la desembocadura de los cañones sub-marinos. en la llanura abisal, nada.

Los agentes cementantes son la calcita y la dolomita, que llegan disueltos en el agua, formando con ella una solución que ocupará los intersticios del depósito poroso y permeable, proceso que domina la formación de calizas y dolomías. La roca, antes permeable, ahora tie-ne los poros rellenos con cemento mineral. Las arcillas, por la presión confinante, pierden el 60% del vo-lumen, y dan paso a la formación de lutitas. el depósito se endurece por la unión de cristales individua-les. Luego viene la estratificación y las trampas estratigráficas, de gran interés en prospección de petróleo. el carbón se forma en los continen-tes a partir de materiales vegetales, y el petróleo aparece en el océano a partir de microorganismos animales y vegetales. Al buscar hidrocarburos en rocas sedimentarias recurrimos a 3 métodos: (1) geología de cam-po, de coste relativamente bajo; (2) prospección geofísica, con microsís-mica, de coste medio; y (3) pozos

En unA frActurA dE múLtIpLEs EtApAs, pArA un únIco pozo, sE utILIzAn EntrE 9.000 y 29.000 m3 dE AguA

Foto 2Esquema de los hidrocarburos convencionales y no convencionales. Shale gas ocupa el estrato negro inferior. Tight gas se halla inmediatamente encima: gas de arenas compactas

gas convencional no asociado

superficie

capas de gas metano

gas convencional asociado

Estrato aislante

Areniscagas de arenas compactas

pizarra rica en gas

petróleo

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exploratorios, para obtener una información completa, de coste elevado, pero necesario.

3. Gas de esquistoLa pizarra bituminosa está produciendo grandes canti-dades de shale gas, como lo llaman en ee.UU. Supone el 23% del gas natural de ee.UU., y ha impulsado a la baja el precio del gas natural. Una novedad de apenas unos 5 años, que ahora comenzará en neuquén, Argentina, im-pulsada por empresas de ee.UU., como Apache y exxon Mobil, que disponen de la nueva tecnología para romper esquistos. Ahora se ha sumado repsol-YPF. tanto el gas, como el aceite de esquisto, son hidrocarburos no con-vencionales. el aceite, o shale oil, es de gran calidad en neuquén: 35º-45ºAPI, de una densidad muy inferior a la del agua. el yacimiento de neuquén garantiza el sumi-nistro de gas natural a Argentina durante muchas déca-das. en cuanto a México, PeMeX, la petrolera nacional, se interesaba principalmente por el petróleo conven-cional, pero ahora también explota el shale gas, y ya ha perforado un primer pozo. en México hay dudas entre importar gas natural barato, de ee.UU., o producir shale gas en suelo mexicano. el sureste del Brasil es rico en shale gas, y no hay dudas de que iniciará la explotación. Hasta ahora sus actividades eran las plataformas marinas off shore, de extracción de petróleo convencional. en chi-le, Paraguay y Uruguay hay esquistos bituminosos, que serán explotados.

el esquisto es una roca sedimentaria, que significa es-cindido, una roca metamórfica de minerales laminares, como la mica, la clorita, el talco, el grafito, el cuarzo en granos estirados, etc. el esquisto contiene un 50% de minerales planos y alargados, intercalados con cuarzo y feldespato, que forman escamas visibles fácilmente, sepa-rables en láminas. el esquisto procede de arcillas y lodos, convertido en pizarra, como paso intermedio. La mayo-ría de esquistos de ee.UU. son de mica, impregnados de aceite-petróleo, con poco azufre, y de shale gas, es decir, gas natural.

4. Fractura hidráulica y perforación horizontalel gas de pizarra, o shale gas, se obtiene rompiendo el esquisto, formado por lodo, materia orgánica, cieno, ar-cilla, con aceite y gas en su interior, una roca impermea-ble, que necesitamos destruir, abrir poros, para que ema-ne el shale gas. La fractura hidráulica, en inglés fracking, es una técnica de explotación de yacimientos que con-siste en presionar la roca con agua a muy alta presión, suficiente para provocar la ruptura, la apertura de poros. La presión es de unos 41.000 kilopascales. Un pascal es la presión de 1 newton/metro cuadrado. con el agua se inyectan también aditivos y arena fina, como agente de apuntalamiento, para abrir poros, y evitar que luego se cierren, esto es, mantener las microfracturas creadas. Las fracturas se producen desde el pozo de inyección, y se extienden horizontalmente centenares de metros, hasta la roca madre de abajo, que soporta el sedimento. Así se logra la fluencia y el ascenso del hidrocarburo ha-cia el pozo de inyección. Los costes de la extracción son tan elevados como la presión del agua que rompe. La perforación horizontal extiende las fracturas hasta más de 1.000 m del pozo. en hileras paralelas se van abriendo más pozos, cada uno hasta 2.000 m de profundidad. es-

HIDROCARBUROS


nal está a tal profundidad que la per-foración se hace atravesando varios acuíferos, lo que produce una comu-nicación entre éstos. Para evitar la contaminación, se usan cuatro tipos de encamisados para sellar el pozo. Si el pozo está correctamente construi-do, los riesgos razonables de conta-minación son mínimos. en 2004, en el condado de Garfield, colorado, se observó gas natural burbujeando en una vaguada, y en las aguas sub-terráneas se encontraron elevadas concentraciones de benceno: el mo-tivo fue que no se habían cementado correctamente los pozos de shale gas, metano. en 2009, en Pennsylvania, la migración de metano produjo una explosión en superficie, y contami-nó una docena de fuentes de agua, en un campo de 1.400 hectáreas. en 2009, también en Pennsylvania, la fu-ga de metano contaminó numerosos pozos residenciales de agua potable. A poca distancia, en Foster towns-hip, 26 pozos de shale gas reciente-mente perforados contaminaron 7 pozos de agua potable, con mal olor y sabor, porque sus encamisados no estaban correctamente cementados, o fueron sometidos a una presión ex-cesiva. el 3 de junio 2010, en Penns-ylvania, una explosión de gas natural contaminó el aire durante 16 horas. el estado multó a los operadores y suspendió las operaciones del pozo durante 40 días.

concluida la perforación y frac-tura, se inicia la extracción del gas no convencional. Los volúmenes de producción van decreciendo, y se reducen a 1/5 parte entre el pri-mer y quinto año de explotación. el operador petrolero decide refractu-rar el pozo, para prolongar su vida económica, lo cual implica volver a inyectar grandes cantidades de agua y aditivos. en superficie, la contami-nación es menor, pero molestan las piletas de almacenamiento de dese-chos, cuyo volumen ronda los 2.900 m cúbicos y los tanques de almace-namiento de fluidos. Son problemas que afectan a ee.UU., Brasil, México y Argentina.

5. El gas apretado - tight gasAdemás del gas natural, de fácil acce-so, hay los gases de esquisto coal bed metane y tight gas, no convencionales. el tight gas es el más profundo, en la roca madre, el que exige mayores costes para su extracción. Su minería es rentable sólo si el precio de MM/

vestigación de tindall centre for climate research).

el procedimiento de fractura se realiza secuencialmente, oscilando entre las ocho y las trece etapas para un pozo promedio de 1.200 m hori-zontales. en cada una de las mismas se utilizan entre 1.100 y 2.200 m cúbicos de agua, por lo que en una fractura de múltiples etapas, para un único pozo, se utilizan entre 9.000 y 29.000 m cúbicos de agua, y en-tre 180 y 580 m cúbicos de aditivos químicos. culminada la fractura, el líquido usado regresa a la superficie, en proporciones que varían, según el pozo, entre el 9% y el 35%. Lo que no se recupera permanece bajo tie-rra, como potencialmente fuente de contaminación. el gas no convencio-

tos campos de pozos de explotación del yacimiento en el mar no son po-sibles. Los aditivos que se añaden al agua rompedora pueden contami-nar a las fuentes de suministro de agua potable. Algunos estados, co-mo el de new York, no toleran este tipo de extracción de gas.

Los aditivos que acompañan al agua son los siguientes: Ácido para limpiar el pozo antes de inyectar agua a presión. Bactericida-biocida, que inhibe el crecimiento de orga-nismos, para evitar la contaminación del gas metano que extraemos del yacimiento. estabilizador de arcilla, para mantener abiertos los poros del esquisto. Inhibidor de corrosión, que reduce la formación de óxido en el encamisado del pozo y tuberías de acero. reticulante de ésteres de fosfato con metales, y agente gelifi-cante, para aumentar la viscosidad del fluido. reductores de fricción. controlador de metal. Inhibidor de sarro, que impide la precipitación de carbonatos y sulfatos, que de-gradan los materiales. Surfactante, que reduce la tensión superficial del líquido de fractura. de los adi-tivos añadidos al agua, 17 han sido declarados tóxicos. en un campo de 400 km2, la explotación del shale gas requiere 2.500-3.000 perforaciones horizontales y la inyección de 113 millones de toneladas de agua (In-

Foto 3pozos verticales y túneles horizontales para la extracción del gas no convencional

AdEmás dEL gAs nAturAL, dE fácIL AccEso, EXIstEn Los gAsEs dE EsquIsto coal bed metane y tight gas, no convEncIonALEs

extraccIón De petróleO y gaS De rOcaS SeDImentarIaS

tenta, en San Juan. Actualmente, ee.UU. extrae el tight gas en 900 campos, con unos 40.000 pozos, y BP colabora. no se ha logrado el éxito del shale gas. en Argentina, Medanito S.A. ha perforado un po-zo, hasta alcanzar las arenas com-pactas, a 3.000 m de profundidad (yacimiento Aguada chivato). rep-sol sólo estudia el tight gas en Loma de la Lata, dentro del programa argentino Gas Plus, y mantiene su incertidumbre económica. el tight gas también se encuentra a veces en minas de carbón. Su extracción es algo más fácil.referencias

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mento de demanda del gas natural recomienda su extracción, en arenas muy compactas, especialmente si es un gas favorable a la destilación de varias fracciones. es un gas de la épo-ca Paleozoica, con una antigüedad de al menos 251 millones de años. en Argentina, Apache ya ha perforado un pozo de 3.600 m de profundidad, para entregar 1.500.000 m cúbicos diarios a la central Loma de la Lata.

ee.UU. tiene experiencia del tight gas desde la década de los se-

BtU es de 7 dólares. tiene futuro, porque el correr de los años marca una tendencia de que el gas supera-rá el consumo de petróleo a partir de 2020. el tight gas se encuentra en yacimientos cuya permeabilidad es del orden del nanodarcy, por debajo de 0.1 md (millones de darcy -índi-ce de medición de permeabilidad geológica en el sector del petróleo). ocurre todo lo contrario que con el gas natural de roca porosa, que fluye espontáneamente desde el pozo has-ta la superficie. Una característica de estos pozos es la disminución de flu-jo en los primeros meses de produc-ción. Se suele recomendar esperar a 90 días, para conocer el flujo de gas/minuto. Y de ahí deducir el diámetro de las tuberías para su distribución. el tight gas se encuentra en arenas compactas, profundas, sin permeabi-lidad, en donde no tiene utilidad crear un vacío de presión para que el gas salga de la roca circundante. Se extrae mediante la fracturación hidráulica y el pozo horizontal, co-mo el shale gas. Históricamente era un recurso irrecuperable, pero el au-

EL tight gas sE EncuEntrA En ArEnAs compActAs, profundAs, sIn pErmEAbILIdAd, En dondE no tIEnE utILIdAd crEAr un vAcIo dE prEsIón

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