Origen

135

10. ORIGEN DE LOS HIDROCARBUROS10. ORIGEN DE LOS HIDROCARBUROS10. ORIGEN DE LOS HIDROCARBUROS10. ORIGEN DE LOS HIDROCARBUROS En el siglo XIX, se crea que el petrleo tena un origen magmtico y que migraba a lo largo de fallas. Hoy en da las evidencias indican que el petrleo es de origen orgnico. El proceso se inicia con la fotosntesis as; Plantas = 6CO2 + 12 H2O = Luz = C6 H12 O6 + 6 H2O + 6 CO2 La glucosa, C6 H12 O6, es la materia prima para la sntesis de polisacridos mas complejos y otros compuestos orgnicos. A su vez la fotosntesis es una parte del complejo ciclo del carbono, el cual se muestra en la siguiente figura.

Figura. 10-1. Ciclo del Carbono. Tomado de Curso, Maraven. 1991.

Origen

136

La materia orgnica se acumula en ambientes de aguas tranquila, o sea en ambientes de baja energa, en rocas de grano fino tipo lutitas (shales) y lodos. Estos ambientes son ocanos, lagos o pantanos principalmente. (Maraen, 1991) Toda la materia orgnica del ocano se forma originalmente a travs de la fotosntesis y su principal producto es el fitoplancton ( plantas microscpicas). El segundo factor importante es la tasa de aporte de nutrientes para la zona ftica, especialmente fosfatos y nitratos. Se requiere una alta productividad y una alta preservacin, la cual ocurre en las siguientes situaciones:

- Tasa de depositacin rpida.

- Cuerpos de agua pobres en oxigeno con fondos anxicos. La accin de las bacterias ocurre entre los 30 60 cms superiores del sedimento.

- Tambin se favorece por la estratificacin por densidad de las aguas;

como el caso del agua de ro entrando a un lago, laguna o mar, donde el agua menos densa y fresca flota sobre el agua del mar, lo cual hace que el oxigeno no pueda circular a capas superiores.

10101010----1 Diagnesis de la Materia Orgnica1 Diagnesis de la Materia Orgnica1 Diagnesis de la Materia Orgnica1 Diagnesis de la Materia Orgnica. Hay tres estados importantes en el enterramiento y evolucin de la materia orgnica a hidrocarburos : Diagnesis, Catagnesis y Metagnesis. La diagnesis se inicia tan pronto el sedimento es enterrado y se considera que incluye todos los cambios hasta la generacin de hidrocarburos. Los lodos recin depositados son inconsolidados y pueden contener mas del 80 % de agua en sus poros, perdiendo gran parte de su porosidad a partir de los 500 metros de profundidad y cualquier contenido de materia orgnica dentro de estas lutitas es sometida a cambios complejos. El punto de inicio de estos cambios son los cuatro grupos principales de compuestos orgnicos o biopolmeros, que son sintetizados por plantas y animales:

Origen

137

- Carbohidratos = en plantas y animales

- Protenas = principalmente en animales

- Lignina = cadenas de carbonos aromticos, que ocurren en plantas superiores.

- Lpidos = ocurren en plantas y animales.

Durante la diagnesis temprana, los biopolmeros complejos son rotos y transformados en molculas pequeas llamadas geomonmeros. El mas activo de los geomonmeros reaccionar espontneamente con cada uno de los otros y polimeriza produciendo geopolmeros, que son complejos estables o sea resistentes a la biodegradain. El producto final de la diagnesis de la materia orgnica es el Kergeno; que se define como la materia orgnica en las rocas sedimentarias que es insoluble en solventes orgnicos. Al microscopio el kergeno se presenta como fragmentos orgnicos diseminados. Parte de este material es estructurado, por lo cual pueden ser reconocidos como fragmentos de tejidos de plantas, esporas, algas, etc. Estos fragmentos derivados de plantas pueden ser agrupados en unidades biolgicas denominadas macerales. Hay tres grupos de macerales importantes; vitrinitas, exinitas e inertinitas, que presentan las siguientes caractersticas:

- Vitrinitas = generalmente es dominante, siendo el principal componente del carbn. Se deriva de tejidos leosos de plantas terrestres superiores, puede encontrarse en ambientes marinos y no marinos.

- Exinita = en su mayora se derivan de algas, esporas y polen. Su

presencia indica ambientes marinos someros o lacustres.

- Inertitnita = proviene de varias fuentes oxidadas antes de ser depositadas y recicladas.

- Otros = existen compuestos amorfos como la Amorfinita y aunque no

son verdaderos macerales, pueden madurar y generar petrleo a temperaturas mas bajas que otros macerales.

Origen

138

10101010----2. Hidrocarburos y tipo de Kerogeno.2. Hidrocarburos y tipo de Kerogeno.2. Hidrocarburos y tipo de Kerogeno.2. Hidrocarburos y tipo de Kerogeno. Los tipos de macerales y partculas amorfas presentes en el kergeno, afectan su capacidad para generar hidrocarburos y determinan el tipo de petrleo generado de acuerdo al siguiente grfico, ver figura 10-2.

Figura 10-2. Tipos de petrleos generados de kergeno, basados en anlisis de luz reflejada. Tomado de Maraven, 1991. Los kergenos precursores del petrleo pueden dividirse en los siguientes grupos:

- Kergeno tipo I o Kergeno algal. Genera hidrocarburos saturados.

- Kergeno tipo II o kergeno mixto. Genera petrleos naftnicos y aromticos y mas gas que el tipo I.

- Kergeno tipo III. Genera principalmente gas seco y algunos petrleos

parafnicos, derivados de los amorfos y de la exinita presentes.

- Kergeno tipo IV. Prcticamente no genera hidrocarburos y es muy raro.

Origen

139

10101010----3. Cambios Qumicos con la Maduracin del Kergeno.3. Cambios Qumicos con la Maduracin del Kergeno.3. Cambios Qumicos con la Maduracin del Kergeno.3. Cambios Qumicos con la Maduracin del Kergeno. En la diagnesis cada tipo de kergeno tiene su propia qumica. Esta variabilidad qumica de los tipos de kergenos inmaduros y los cambios que ocurren hasta generar petrleo, se pueden presentar como grficos de relacin H / C vs O / C, conocido como el diagrama de Van Krevelen. Ver figura 10-3. Figura 10-3. Diagrama de Van Krevelen. Tomado de F.K. North, 1990 Si estos kergenos son calentados, pueden alcanzar el segundo estado en la evolucin de la materia orgnica o catagnesis; que es la etapa en que el petrleo y el gas son generados del kergeno. Ver figur 10-4. En la etapa de la metagnesis, la generacin de petrleo y gas termina, aunque una considerable cantidad de gas metano puede generarse por alteracin termal del crudo previamente generado. El kergeno residual de este estado llega a formar carbn puro o grafito. 10101010----4. Profundidad, Temperatura y Tiempo en la formacin de los hidrocarburos.4. Profundidad, Temperatura y Tiempo en la formacin de los hidrocarburos.4. Profundidad, Temperatura y Tiempo en la formacin de los hidrocarburos.4. Profundidad, Temperatura y Tiempo en la formacin de los hidrocarburos. Las profundidades a las cuales se inicia la generacin de hidrocarburos dependen de:

- Gradiente geotermal local. - Tipo de Kergeno - Historia de soterramiento

Origen

140

Figura 10-4. Principales etapas de evolucin del kergeno y los productos generados. Tomado de F.K. North, 1990 A una profundidad promedio de 1 2 Km, tal como se observa en la figura 10-5, se inicia la diagnesis hasta una profundidad mxima de 2 3 Km, donde se encuentra la llamada ventana de generacin de petrleo. La catagnesis tarda se inicia a profundidades entre 3 3.5 Km y corresponde a la zona de generacin de gas hmedo y seco. La metagnesis se inicia a profundidades mayores de 4 Km, all la roca madre est sobre madura o sobre cocinada y solo es posible que genere metano a partir de hidrocarburos previamente formados. Waples,1981. La relacin con la temperatura de generacin, se puede apreciar en el mismo grfico, en el cual se plantea una temperatura hasta de 60 C para la etapa de diagnesis o zona inmadura, entre 60 175 C para la ventana de generacin de petrleo y una temperatura entre 175 225 C para la formacin de gas hmedo, las cuales corresponden a la etapa de catagnesis y de 225 315 C para la etapa de metagnesis o zona de generacin de gas seco. Ver figura 10-5.

Origen

141

Figura10-5 Generacin de Petrleo vs Temperatura. Tomado de Maraven, 1991. Con respecto al tiempo, en la figura 10-6, se muestran las temperaturas de formacin actuales graficadas contra la edad de diversas rocas madres, indicando que en rocas antiguas la temperatura es menor. Figura 10-6. Grfico de Temperatura vs Tiempo de generacin de gas y petrleo. Tomado de Maraven, 1991

Origen

142

En la figura 10-7, se compara la profundidad y la temperatura de inicio de la ventana de generacin de petrleo para rocas madres de diferentes edades, indicando que esta temperatura es mayor a medida que la roca es mas joven. Figura 10-7 Profundidad y temperatura al inicio de la zona de formacin de petrleo. Tomado de Maraven, 1991 De la anterior informacin de pueden establecer los siguientes aspectos de inters.

- El tiempo puede compensar a la temperatura y viceversa.

- El efecto de la temperatura es exponencial, mientras que el tiempo es lineal, de aqu que la temperatura sea mas importante en la maduracin.

- Las rocas madres del paleozoico que nunca han sido calentadas por

encima de 50 c, no generaran petrleo sin importar el tiempo.

- En rocas madres jvenes el tiempo es insignificante, cuando se presentan gradientes geotermales altos.

- La roca madre puede permanecer a profundidades muy someras a

temperaturas bajas por un largo perodo, antes de ser enterradas a suficiente profundidad para generar hidrocarburos.

Existen grficos que relacionan la temperatura vs la refractancia de la vitrinita, para conocer el estado de generacin. Esto se puede observar en la figura 10-8.

Origen

143

Figura10-8. Grfico de Temperatura vs Refractancia de Vitrinita. Tomado de Maraven, 1991. Debido a que es importante determinar en un rea cuando la materia orgnica ha sido calentada lo suficiente para producir hidrocarburos, se mencionan los siguientes mtodos para saberlo: El primer mtodo consiste en utilizar los grficos de profundidad vs generacin de hidrocarburos, vistos anteriormente. Otro mtodo consiste en extraer las parafinas normales de sedimentos recientes, estas tienen en su mayora nmeros impares de tomos de carbono, siendo el C29 el mas abundante. Dado que el fraccionamiento normal rompe las cadenas largas en dos o mas cortas, si se presenta una fuerte preferencia de carbones impares en las parafinas normales extradas de un sedimento, se presume que el kergeno no fue calentado lo suficiente para generar hidrocarburos El mtodo utilizado actualmente es el propuesto por Waples (1980), quien modific el mtodo de Lopatin (1971), tomando tanto el tiempo y la temperatura, como una cantidad para evaluar la roca fuente. Propuso el ndice de maduracin tiempo temperatura, llamado TTI. La idea se basa en que el petrleo empieza a ser generado desde TTI de 15 hasta TTI de 75 y el final de la generacin es de 160 TTI. Las lneas de TTI se utilizan en grficos de enterramiento de la roca fuente, para de esta manera evaluar la poca de la ventana de generacin de hidrocarburos. Ver figura 10-9.

Origen

144

Figura 10-9 Grfico historia de enterramiento de una roca fuente. Tomado de P. Dickey, 1986. Otros mtodos para saber cuando las rocas han sido calentadas demasiado son; Se extrae el kergeno por disolucin de arcillas y slice, con cido fluorhdrico y el kergeno remanente se estudia qumicamente o al microscopio as:

- Qumicamente: si ha sido sobrecalentado ser alto en C y bajo en H

- Microscpicamente: ser negro y opaco, en lugar de color naranja. 10101010----5. Tcnicas de anlisis geoqumicos de la materia orgnica.5. Tcnicas de anlisis geoqumicos de la materia orgnica.5. Tcnicas de anlisis geoqumicos de la materia orgnica.5. Tcnicas de anlisis geoqumicos de la materia orgnica. La evaluacin y la caracterizacin de la roca fuente, se lleva a cabo mediante anlisis de parmetros de cantidad, calidad y madurez de la materia orgnica, se la siguiente manera: La cantidad de materia orgnica, se evala con el carbono orgnico total (TOC), que es el porcentaje en peso de carbono orgnico en una roca. La manera de interpretar su contenido se presenta en la siguiente tabla:

Origen

145

% de TOC% de TOC% de TOC% de TOC INTERPRETACIONINTERPRETACIONINTERPRETACIONINTERPRETACION < 0.50 POBRE 0.50 1.0 REGULAR 1.0 2.0 BUENO 2.0 4.0 MUY BUENO > 4.0 EXCELENTE Relacin entre la materia orgnica extractable y su potencial generador: Materia OrgnicaMateria OrgnicaMateria OrgnicaMateria Orgnica Potencial GeneradorPotencial GeneradorPotencial GeneradorPotencial Generador Extractable en ppm < 300 POBRE 300 1.000 REGULAR 1.000 2.000 BUENO > 2.000 EXCELENTE Tcnica de columna cromatogrfica o anlisis SARASARASARASARA: consiste en la separacin de la materia orgnica extractable en sus fracciones de Aromticos, Saturados, Asfaltenos y Resinas. (SARA) Relacin entre el Kergeno y el potencial generador.

RELACION H / CRELACION H / CRELACION H / CRELACION H / C POTENCIAL GENERADORPOTENCIAL GENERADORPOTENCIAL GENERADORPOTENCIAL GENERADOR > 1.2 EXCELENTE GENERADOR DE ACEITE 1.2 1.0 BUENO REGULAR. GEN. DE ACEITE

1.0 0.8 MODESTO. GENERADOR DE ACEITE < 0.8 GENERA POCA CANTIDAD DE GAS

Origen

146

La determinacin del grado de evolucin termal de la materia orgnica, se puede evaluar de acuerdo a la temperatura mxima (Tmax), obtenida mediante anlisis de Rock Eval y de la refractancia de la vitrinita en porcentaje ( % Ro) as; T maxT maxT maxT max INTERPRETACIONINTERPRETACIONINTERPRETACIONINTERPRETACION < 435 C INMADURO 435 465 C GENERACION DE PETROLEO > 465 C GENERACION DE GAS % de Ro% de Ro% de Ro% de Ro INTERPRETACIONINTERPRETACIONINTERPRETACIONINTERPRETACION < 0.50 INMADURO 0.5 1.2 MADURO > 1.2 SOBREMADURO La calidad de la materia orgnica se puede evaluar mediante el ndice de hidrgeno (HI), obtenido a partir de anlisis de pirlisis. La manera de evaluarlo es la siguiente: HIHIHIHI INTERPRETACIONINTERPRETACIONINTERPRETACIONINTERPRETACION > 700 KER. TIPO I GENERADOR DE ACEITE 300 600 KER. TIPO II GENERADOR DE GAS Y ACEITE < 300 KER. TIPO III GENERADOR DE GAS Finalmente como informacin adicional y a manera de resumen se anexan dos grficos; una tabla de rangos de maduracin, figura 10-10 y una gua de madurez termal, figura 10 11.

Origen

147

Figura 10-10. Tabla de Rangos de Maduracin. Tomado de F,K. North, 1990

Origen

148

Figura 10-11. Gua de Madurez Termal. Tomado de F,K. North, 1990