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Publicado el Miércoles, 24 Abril 2013 22:27
Escrito por Comisión de Hidrocarburos del Colegio de Geólogos
Se han vertido en los medios de prensa diversas opiniones sobre el uso del gas natural en Costa Rica. El Colegio de Geólogos de Costa Rica, que integra la disciplina de los hidrocarburos como una de sus especialidades del ejercicio profesional, desea abordar este tema a través de una serie de artículos didácticos y proveer a la población de elementos científicos que le permitan un mejor entendimiento del tema.

Qué es el Gas Natural?
El gas natural es un recurso natural considerado un combustible fósil no renovable, cuyo componente principal es el gas metano (CH4) en proporciones que varían entre el 70 – 95%. Éste se presenta como una mezcla gaseosa junto con pequeñas cantidades de otros gases tales como el etano (C2H6), propano (C3H8), butano (C4H10), dióxido de carbono (CO2), azufre y nitrógeno. El propano y el butano se separan del metano durante el proceso industrial. Se pueden utilizar como una fuente energética separada, aunque de menor poder energético que el metano.

Cómo se forman el gas natural y su relación con el petróleo?
El gas natural, es parte de la familia de hidrocarburos, al igual que el petróleo, se forma en el subsuelo profundo en sedimentos con alto contenido de materia orgánica y denominados “roca madre”. Este proceso tiene lugar en extensas regiones geológicas denominadas cuencas sedimentarias, La materia orgánica presente en los sedimentos se deriva a partir de organismos marinos y terrestres (lagos), depositados en diversos ambientes sedimentarios antiguos de baja energía y deficiencia del oxígeno, hasta mixtos (deltas), bajo condiciones reductoras y un rápido sepultamiento que permiten la acumulación de esta materia.

Cuáles son las etapas de generación de los hidrocarburos? Hay tres estados importantes en la evolución de la materia orgánica a hidrocarburos: diagénesis, catagénesis y metagénesis (“Petroleum Formation and Occurrence from Tissot, B.P. and Welte, D.H. (1984)”).

Primera etapa Diagénesis: se inicia una vez que la materia orgánica es enterrada formándose cuatro grupos principales de compuestos orgánicos o biopolímeros que son sintetizados por plantas y animales: carbohidratos, proteínas, ligninas y lípidos. El producto final de la diagénesis es el KERÓGENO, definido como la materia orgánica en la roca sedimentaria insoluble en solventes orgánicos. El “kerógeno”, es una compleja sustancia formada por largas cadenas de carbono e hidrógeno, con átomos de oxígeno, nitrógeno y azufre, asociados a anillos heterocíclicos, es la materia prima la cual se convierte en hidrocarburo (petróleo y gas natural) bajo condiciones geológicas particulares.

En la diagénesis cada tipo de Kerógeno tiene una química única, ya que su composición está controlada por los tipos de macerales y los biopolímeros originales que lo constituyen. Durante la diagénesis temprana, los biopolímeros complejos son rotos y transformados en geomónomeros, poco estables, que son transformados en geopolímeros complejos estables. La transición a los geopolímeros ocurre en un tiempo geológicamente corto. Esta variabilidad química de los tipos de Kerógenos inmaduros y los cambios que ocurren hasta que el petróleo y gas natural sean generados, pueden presentarse como gráficos de la relación hidrógeno/carbono (H/C) versus la relación oxígeno carbono (O/C) . En este estado inicial diagenético el único hidrocarburo producido en cantidades medibles es el metano biogénico, como producto de la destrucción anaeróbica. Si los kerógenos son sometidos a temperaturas más altas que en la etapa de diagénesis, se alcanza la segunda etapa de la evolución de la materia orgánica, la catagénesis, que se define como la etapa en la el kerógeno genera el petróleo y el gas natural.

Tipos de kerógeno
La cantidad relativa de gas y/o crudo (petróleo) que proviene de un cierto tipo de kerógeno lo determina la naturaleza de la materia orgánica o biomasa fósil y se identifican 4 tipos principales de kerógeno:

Tipo 1 (sapropélico): derivado de esporas y algas planctónicas y una porción pequeña de materia animal fuertemente degradada por acción bacteriana. Tiene una alta relación de hidrógeno respecto al oxígeno H/C (usualmente entre 1,3 y 1,7) y poco O (O/C<0,1). Común en cuencas de agua dulce y es rico en Exinita.

Tipo 2 (marinos mixtos): mezcla de algas, organismos marinos y detritos de plantas transportados. Resulta un tipo transicional entre el 1 y el 2. Tiene alta relación relativa H/C y baja O/C (aunque más que el Tipo 1 pues incluye cetonas y ácidos carboxílicos). Es el tipo de kerógeno más común en cuencas marinas y el más común fuente de petróleo. Tiende a producir petróleos nafténicos y aromáticos y más gas que el Tipo I

Tipo 3 (kerógeno húmico): derivado de plantas terrestres (lignito, tanino, celulosa), cone baja relación inicial H/C y alta relación O/C. Durante la maduración genera abundante agua y metano. La mayoría de los carbones se forman a partir de este kerógeno. Frecuentemente continental parálico rico en Vitrinita.

Tipo 4 (kerógeno residual – inerte): derivado de materia orgánica descompuesta en forma de hidrocarburos aromáticos policíclicos. H/C < 0,5. No tiene potencial de generación de petróleo / gas. Principalmente constituido por Inertinita y algunos amorfos de descomposición de materia vegetal.

Segunda etapa catagénesis: si los Kerógenos son sometidos a temperaturas más altas que en la etapa de diagénesis, se alcanza la segunda etapa de la evolución de la materia orgánica, la catagénesis. En esta etapa se genera el petróleo y el gas natural (que son los que se explotan industrialmente). El rango en que se presenta la máxima generación de petróleo se denomina la “ventana de petróleo”. Mientras que para el gas natural su máxima generación está marcada por la “ventana de gas”. Estas dos “ventanas” no coinciden, ya que la temperatura que se requiere para la generación del gas natural es mucho mayor que la que se requiere para la generación del petróleo.

Tercera etapa metagénesis: se caracteriza por temperaturas mayores, a profundidades que superan 4 – 5 km, donde la roca se sobremadura y cesa la generación del petróleo y el gas natural a partir del Kerógeno.

El gas natural y su generación
Desde el punto de vista de su generación el gas natural se clasifica en 3 grandes categorías: biogénico, termogénico y abiogénico.

El gas natural biogénico se genera de la descomposición de la materia orgánica bajo la acción de las bacterias en la etapa diagenética.

El gas natural termogénico se genera en la etapa catagenética. Proviene también de la descomposición de la materia orgánica, pero controlado por la temperatura, de ahí su nombre. El gas natural termogénico y el petróleo forman parte de la categoría de hidrocarburos.

El gas natural abiogénico consiste en la generación no orgánica de gas metano.

Profundidad, Temperatura y Tiempo en la Formación de Petróleo
En la formación del gas natural y el petróleo, junto a las etapas mencionadas hay factores físicos externos que influyen directamente en su formación, como es el tiempo, la temperatura y la presión a que se somete la materia orgánica sumergida en el proceso evolutivo de transformación a hidrocarburos.

Las profundidades a las cuales se inicia la generación de hidrocarburos dependen del gradiente geotermal local, el tipo de Kerógeno y la historia de enterramiento. Los procesos físico – químicos para la formación del kerógeno a gas y/o petróleo, requieren el sometimiento de la roca madre a alta temperatura, condición dada por el enterramiento progresivo de estos sedimentos, con el subsecuente aumento de calor con la profundidad denominando “gradiente geotérmico” y tiempo geológico en términos de millones de años. No obstante lo anterior, la interdependencia del tiempo geológico, la temperatura y la presión no es una relación lineal ni directamente proporcional.

Las leyes de la química dicen que la tasa de una reacción es una función tanto de la temperatura como del tiempo. El tiempo puede compensar a la temperatura y viceversa. Las rocas madres que han permanecido relativamente frías pueden tomar unos 100 millones de años o más para generar petróleo, mientras que las rocas madres jóvenes pueden generar hidrocarburos (petróleo y/o gas) en unos pocos millones de años, si están a temperaturas suficientemente altas.

El efecto de la temperatura es exponencial, mientras que el tiempo es lineal. En consecuencia, la temperatura juega un papel más importante en la maduración de la roca madre que el tiempo. Las rocas madre del Paleozoico que nunca han sido calentadas por encima de 50°C no generarán petróleo, no importa el tiempo que pase. En contraste, el tiempo juega un papel insignificante en la generación de petróleo de rocas madres jóvenes en cuencas activas con gradientes termales altos. La generación temprana de hidrocarburos se encuentra donde ocurre enterramiento rápido y donde los gradientes geotermales son relativamente altos. Aunque la generación de hidrocarburos tenga lugar en un lapso de tiempo breve (geológicamente hablando), esto no significa que sea inmediatamente de la deposición de la roca madre, ya que esta última puede permanecer a profundidades muy someras y a bajas temperaturas por un largo período de tiempo, antes de ser enterradas a suficiente profundidad para generar hidrocarburos.

profundidades-de-generacion

En la figura a la izquierda muestra las profundidades de generación máxima, mínima y promedio para el petróleo, gas natural y metano biogénico. A la profundidad promedio de 1 a 2 kilómetros se inicia la catagénesis y alcanza su máxima generación entre 2 a 3 kilómetros de profundidad; denominándose este rango “ventana de petróleo”.

La catagénesis tardía se inicia a profundidades de 3- 3.5 kilómetros y esta es la zona principal de formación de gas natural (húmedo o seco). Por debajo de los 4 kilómetros, la roca se hace sobremadura, iniciándose la metagénesis y solamente es generado metano. La correlación de la generación de petróleo con la profundidad es principalmente una función del incremento de temperatura, como bien se ilustra en el gráfico de la derecha.

En la próxima serie hablaremos de las asociaciones entre el gas natural y el petróleo y sus técnicas de extracción.

 

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