UMR-7566 G2R, Université de Lorraine, Boulevard des Aiguillettes, 54506 Vandœuvre-lès-Nancy France.

Caracterización de muestras de carbón y esquistos de gas para desarrollo de pruebas

de absorción – desorción de CO2 y CH4 en las cuencas de Sabinas Coahuila Y

Chihuahua México.

Juan Josué Enciso Cárdenas (1) (2), Luis Martínez (1), Francisco De La O Burrola (1) (3).

(1). UMR-7566 G2R, Université de Lorraine, Boulevard des Aiguillettes, 54506 Vandœuvre-lès-Nancy France.

(2). COMIMSA, Calle Ciencia y tecnología No. 790, Col. Saltillo 400, C.P. 25290, Saltillo, Coahuila. México.

(3). SGM-SE, Gobierno de México, Blvd. Felipe Ángeles km. 93.50-4, Col. Venta Prieta, C.P. 42080, Pachuca, Hidalgo. México.

Resumen

El trabajo de investigación de este proyecto corresponde al área de energía cuyo tema específico se enfoca

en el estudio de las propiedades de absorción - desorción de gases en los diferentes componentes de los

sistemas energéticos fósiles mexicanos. Los carbones y lutitas de estudio corresponden a la región

carbonífera del estado de Coahuila y Chihuahua respectivamente, ubicadas sobre la plataforma calcárea de

la porción noreste de México.

Las muestras del proyecto fueron proporcionadas por el Servicio Geológico Mexicano (SGM) para su

caracterización. Actualmente se cuenta con 180 muestras de carbón y lutitas, divididas entre la cuenca de

Sabinas y la cuenca de Chihuahua, de las cuales serán seleccionadas 20 muestras para el desarrollo de

pruebas a Absorción – Desorción de CO2 y CH4 en la Universidade Fernando Pessoa, en Porto Portugal.

La caracterización fue realizada mediante: Análisis elemental para la determinación de (C, H, O, N, y S),

Microscopia electrónica de barrido, Análisis petrográfico para la caracterización de materia orgánica y

análisis de imagen en los laboratorios de la Université de Lorraine en Nancy Francia. La Pirolisis Rock Eval

se llevo a cabo en la Universidad de Lausana Suiza, para determinación del potencial petrolífero mediante la

maduración artificial. El Análisis de Isotopos de δ13C en gas de carbón para la determinación del origen

genético del gas metano (CH4), se realizo en los laboratorios del Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra

en Granada España.

Tomando en cuenta principalmente los valores para la ventana de generación de hidrocarburos con

reflectancia de vitrinita (%Ro) superiores a 0.5%, Contenido Orgánico Total (COT) superior a 5mg/gr de

roca, y los valores de Tmax, superior a 440°C. Podemos ver a partir de los valores de los picos S1 y S2 del

Rock-Eval, si los valores de producción de metano confirman la viabilidad de las muestras para estudiar su

capacidad de producción y almacenamiento de hidrocarburos.

Por lo anterior, se lograron establecer las 20 muestras para pruebas de inyección de CO2 y CH4 y así

determinar los índices de absorción - desorción de gas y obtener mediante un modelado numérico, un mapa

de isovalores que permita determinar el potencial de hidrocarburos en las cuencas en estudio.

Concluyendo de esta manera que la preservación del Kerógeno entre ambas cuencas es función de las tasas

de sedimentación, siendo la Cuenca de Sabinas la más importante en valores de producción de gas metano.

UMR-7566 G2R, Université de Lorraine, Boulevard des Aiguillettes, 54506 Vandœuvre-lès-Nancy France.

Introducción

El trabajo de investigación de este proyecto

corresponde al área de energía, cuyo tema

específico se enfoca en el estudio de las

propiedades de absorción - desorción de gases en

los diferentes componentes de los sistemas

energéticos fósiles mexicanos.

Su aplicación corresponde en la región carbonífera

del estado de Coahuila (cuenca de Sabinas) y la

cuenca de Chihuahua, con la finalidad de

aprovechar las reservas no solamente de carbón

sino también de esquistos de gas que se

encuentran económicamente no atractivas para su

extracción por los métodos de minado

convencional, así como también para el

aprovechamiento del CO2 en proyectos de

recuperación mejorada de petróleo en campos

maduros y con tendencias en declinación de su

producción como lo es el caso del activo

Cantarell.

Antecedentes

Actualmente existen en el mudo, técnicas de

aprovechamiento de mantos de carbón

considerados como económicamente no

explotables por las técnicas de minado

convencional, debido a la profundidad de los

mantos de carbón llegando a ser superior a los 300

metros, lo que representa incosteabilidad en su

extracción.

En México la región carbonífera de Coahuila es la

más importante del país con una producción de 15

millones de toneladas de carbón, las cuales se

orientan principalmente en la generación de 2600

Megawatts, y en los procesos de producción de 3

millones de toneladas de acero. (COMIMSA-

MINOSA, 2010)

Localización de los campos de estudio

Los carbones y lutitas de estudio corresponden a

la región carbonífera del estado de Coahuila y

Chihuahua respectivamente.

La región carbonífera se encuentra localizada en

la porción noreste del estado, a 300 km. de la

capital de la entidad y su principal vía de acceso

es por la carretera federal No. 57 (Figura 1).

Figura 1. Localización y ubicación de las sub-cuencas,

en la cuneca de Sabinas. Robeck et al., 1956

La cuenca de Chihuahua se localiza en el estado

mexicano del mismo nombre, cubre una superficie

aproximada de 22,000 Km2, que integra a las sub-

UMR-7566 G2R, Université de Lorraine, Boulevard des Aiguillettes, 54506 Vandœuvre-lès-Nancy France.

cuencas Ascensión, Chihuahua, Guadalupe,

Juárez, Ojinaga, Satevo y Zaragoza (figura 2).

Figura 2. Localización y ubicación de las sub-cuencas,

en la cuneca de Chihuahua. De La O Burrola F., 2012

Caracterización de muestras

Actualmente se cuenta con 180 muestras de

carbón y lutitas proporcionadas por el Servicio

Geológico Mexicano (SGM) y 66 muestras de gas

de carbón y de esquistos, divididas entre la cuenca

de Sabinas y la cuenca de Chihuahua.

A continuación se describen los análisis realizados

a estas muestras:

Análisis Elemental

El análisis elemental, (C, H, O, N, y S) para las

muestras de las cuencas de Chihuahua y Sabinas

fue realizado en los laboratorios de la Université

de Lorraine en Nancy, Francia. Los análisis

primarios se llevaron a cabo en los laboratorios del

Servicio Geológico Mexicano, en el centro

experimental Chihuahua, obteniendo los valores

de humedad y ceniza como se muestran en la

tabla 1.

Tabla 1. Análisis Elemental

Los resultados de los análisis nos permitieron

además de conocer su distribución elemental,

realizar un balance de masas para calcular los

valores de H/C y O/C para determinar por este

método, mediante el diagrama de Van Krevelen, el

tipo de materia orgánica predominante para las

cuencas de estudio, estableciendo evidentemente

que el kerógeno existente en las muestras

corresponde al tipo III, como se aprecia en la

figura 4. Durand y Monin, et al., 1980.

Figura 3. Diagrama de Van Krevelen. . De La O

Burrola F., 2012.

Petrografía Orgánica

Es una técnica analítica que tiene como objetivo

caracterizar ópticamente la materia orgánica en

sedimentos.

UMR-7566 G2R, Université de Lorraine, Boulevard des Aiguillettes, 54506 Vandœuvre-lès-Nancy France.

Este análisis nos permite identificar los grupos

macerales del carbón presentes en las muestras,

medir el poder reflector de la vitrinita (%Ro) y

conocer el grado de maduración materia orgánica.

Fotografía 1.

Fotografía 1.

Mediante el %Ro. se obtuvo la composición

química/maceral para determinar las valores de

O/C y H/C. de cada uno de sus macerales.

Figura 4. Composición química/maceral. Martínez L.,

(2011)

Análisis de Imagen.

En complemento del análisis petrográfico, el

desarrollo de esta técnica permite de forma visual,

determinar el % de macérales, (vitrinita, liptinita, e

inertinita), en una microfotografía tomada con luz

reflejada o fluorescencia.

Figura 5. Microfotografía en tratamiento de análisis de

imagen.

Una vez conocidos los valores de distribución de

los macérales, podemos identificar el tipo de

ambiente de sedimentación en función de su

clasificación por Microlitotipos, (Figuras 6, 7 y 8).

Figura6. Clasificación de Microlitotipos. Martínez L.,

(2011)

UMR-7566 G2R, Université de Lorraine, Boulevard des Aiguillettes, 54506 Vandœuvre-lès-Nancy France.

Figura 7. Diagrama de microlitotipos. Martínez L.

(2011)

Esta distribución nos permite determinar como se

muestra a continuación (Figura 8) el ambiente de

depósito, correspondiente al tipo lacustre.

Figura 8. Ambiente de depósito. Martínez L. (2011)

Microscopia Electrónica de Barrido

La técnica de microscopia electrónica de barrido

(MEB) nos permite la observación y

caracterización superficial de materiales

inorgánicos y orgánicos, para obtener información

morfológica del material analizado.

Fotografía 2.

Pirolisis Rock-Eval® 6

Las muestras fueron analizadas en los laboratorios

de ISTO, de la Universidad de Orleans, Francia y

en los laboratorios del Instituto de Ciencias de la

Tierra de la Universidad de Lausana Suiza con un

equipo Rock Eval 6®. Para conocer su COT, el

Tmax. Y los valores de los picos S1, S2 y S3.

Tabla 2. Análisis Rock Eval.

Este análisis nos permitió conocer la cantidad de

hidrocarburos libres en porosidad de las muestras

para obtener el cálculo del potencial de generación

de CH4, como se muestra en las tablas 3 y 4.

MUESTRA X Y %Ro TOC HI OI Tmax S1 S2 S3 IP

MEZ-01 292271 3077177 1.13 26.02 642 2 472 3.16 166.98 0.54 0.019

JUN-1 Y 2 262923 3097913 1.15 48.52 462 2 463 4.13 223.96 0.87 0.018

MINA EL ALAMO 263417 3096510 1.05 30.02 477 2 459 2.90 143.26 0.51 0.020

POZO SARALI 283069 3092926 1 44.14 483 1 458 4.17 213.13 0.58 0.019

ALADINO 270211 3073126 1.25 25.14 680 2 474 1.52 171.02 0.53 0.009

MUPO-01 314101 3044473 0.95 36.06 386 2 462 3.95 139.24 0.57 0.028

POZO 18 280002 3094000 1 47.58 448 2 453 3.06 213.38 1.09 0.014

NAR-01 261976 3097209 1.08 35.48 585 2 462 3.00 207.48 0.80 0.014

POZO FLOR 266788 3060053 1,2/,94 39.82 473 2 471 2.79 188.53 0.94 0.015

PRG-01 302245 3032910 1.05 25.34 482 2 468 1.98 122.01 0.59 0.016

UMR-7566 G2R, Université de Lorraine, Boulevard des Aiguillettes, 54506 Vandœuvre-lès-Nancy France.

Isótopos δ13C en gas de carbón

Para este trabajo se colectaron cuatro muestras de

gas en isotubos de la cuenca de Chihuahua y 62

muestras de gas en isotubos de la cuenca de

Sabinas para su análisis isotópico 13

C /12

C, estos

análisis fueron completados con 4 muestras de

aguas de manantiales termales de la cuenca de

Sabinas, para su análisis δ 13

C/12

C.

El análisis Isotópico, nos permite conocer y

determinar si el origen genético del gas metano

corresponde a un proceso Termogénico, Biogénico

o Mixto, como se muestra en la figura 9.

En base las dos siguientes muestras:

1.- MINA-I de la Cuenca de Sabinas denominada

ALADINO, con valor de δ13C = - 42,02.

2.- De barreno de carbón de la Cuenca de Sabinas

con un valor de δ13C = - 39,72.

Figura 9. Resultados isotópicos del gas metano de las

muestras de canisters e isotubos de los carbones de la

Cuenca de sabinas.

Podemos fundamentar que el origen del gas de la

formación olmos, corresponde a un proceso

Termogénico. (Figura 9)

Selección de Muestras

En base a los resultados obtenidos se considera

que las muestras más atractivas corresponden a los

valores productivos en gas metano, pero también

considerando el Contenido Orgánico Total (COT),

y el poder reflector de la vitrinita.

En las tablas 3 y 4 se pueden apreciar las muestras

seleccionadas para la cuenca de Chihuahua y

Sabinas respectivamente.

Tabla 3. Chihuahua

Tabla 4. Sabinas

MUESTRA Tipo MO % MO %PRVsgm Tmax-Analisis %COT-Analisis %COT inicial IH-Analisis IHo-Inicial CH4biblio CH4-SGM CH4-Medida Paleotem-Bostick HC (KgHC/tonRoca)

ING-1 3 44,76 0,32 464 23,56 33,818 10 75 0 1,19 0 112 0,102

JAS-7 3 28,74 0,298 428 19,5 24,928 51 135 0 0 0 67 0,087

JAS-9 3 4,54 0,2 439 2,44 3,465 13 84 0 0 0 55 0,055

LAJ-1 3 12,79 0,2 431 7,62 9,367 113 242 0 0 0 76 0,026

JASO-5 3 7,59 0,2 442 2,5 3,649 6 60 0 0 0 63 0

JASO-1 3 13,15 0,207 443 8,31 11,859 10 69 0 0 0 59 0,007

JASO-2 3 8,83 0,2 436 3,81 5,428 8 54 0 0 0 74 0,001

JASO-3 3 17,15 0,2 431 9,21 12,14 27 87 0 0 0 58 0,015

JASO-4 3 8,8 0,214 437 3,68 5,427 4 50 0 0 0 76 0,001

PI-01 3 10,29 0,434 424 5,43 7,585 16 85 0 0,23 0 71 0,004

PI-04 3 10,44 0,237 593 0,77 1,174 1 60 0,08 0,62 3,71 165 0

PI-05 3 8,72 0,319 599 0,8 1,23 0 50 0 0,12 0 106 0

PI-06 3 8,04 0,245 454 0,65 0,923 13 85 0 0 2,2 160 0

PI-02 3 10,83 0,267 460 1,74 2,209 73 186 0,57 0,76 1,72 149 0,003

COF-1 3 31,69 0,24 587 21,68 30,471 13 74 0 0,91 0 112 0,061

COF-2 3 60,75 0,362 585 36,86 52,224 11 69 7,83 4,88 0 117 0,2

COF-3 3 32,41 0,235 606 30,74 46,733 1 45 1,67 2,33 4,52 147 0,052

COF-5 3 28,22 0,207 605 4,61 6,817 3 40 0 0,05 0 93 0,005

COF-6 3 84,33 0,286 448 27,84 29,905 122 152 0 3,19 0 31 0,369

COF-12 3 8,08 0,231 426 7,44 9,307 96 225 0 0 0 56 0,013

COF-13 3 13,1 0,2 428 6,21 8,334 53 195 0 0 0 102 0,019

COF-14 3 11,75 0,2 443 2,33 3,328 15 105 0 0 0 67 0,003

COF-16 3 10,11 0,2 432 4,91 6,759 31 142 0 0 0 61 0,007

COF-17 3 10,41 0,2 434 10,32 12,932 85 201 0 0 0 55 0,023

COF-18 3 4,65 0,2 445 1,81 2,681 6 84 0 0 0 65 0

COF-19 3 23,43 0,23 418 14,07 16,911 130 250 0 0 0 93 0,093

COF-20 3 13,93 0,256 420 18,53 22,365 76 149 0 0 0 46 0,04

TOF-10 3 38,94 0,46 459 32,23 38,178 167 301 0 0,28 0 63 0,432

PROMEDIO 0,52

MUESTRA Tipo MO % MO PRVmedido Tmax-Analisis %COT-Analisis %COT inicial IH-Analisis IHo-Inicial CH4biblio CH4-SGMCH4-Medida Paleotem-Bostick HC (KgHC/tonRoca)

MEZ-01 3 84,02 1,13 472 26,02 28,476 642 852 0 2,89 1,1 125 2,025

JUN 1 Y 2 3 90,06 1,15 463 48,52 55,073 462 700 0 3,62 1,57 126 3,448

MINA EL ALAMO 3 90,63 1,05 459 30,02 35,477 477 851 0 2,44 0 120 2,721

POZO SARALI 3 80,51 1 458 44,14 51,694 438 752 0 0,98 0 116 3,109

ALDINO 3 96,9 1,25 474 24,14 26,355 680 895 0 4,3 4,05 132 2,274

MUPO-01 3 92,62 0,95 462 36,06 42,475 386 679 0 2,35 0 112 2,654

POZO-18 3 86,82 1 453 47,58 57,018 448 850 0 1,62 0 116 4,185

NAR-01 3 97,63 1,08 462 35,48 40,374 585 895 0 3,8 0,29 122 3,51

POZO FLOR 3 97,35 1,2 471 39,82 45,318 473 724 1,13 5,15 2,84 129 3,174

PRG-01 3 92,55 1,05 468 25,34 29,435 482 800 0 3,58 0 120 2,167

STD-01 3 86,92 1,2 472 26,72 29,802 634 900 0 2,57 2,53 129 2,318

EL AGUILA 3 85,16 0,95 458 33,25 40,293 448 895 0 0,6 0 112 3,055

ALPHA-01 3 85,13 1,45 473 26,99 29,433 579 759 0 2,62 8,75 142 1,888

DIS-01 3 90,53 1,16 484 21,98 26,449 391 756 4,27 5,56 1,79 127 1,799

OBAY-01 3 66,29 0,8 439 44,06 54,954 297 685 0 0 0 100 2,475

GAL-01 3 83,38 1,1 462 31,15 34,187 635 851 0 1,69 0,57 123 2,411

OAS-01 3 93,13 1,53 489 37,52 44,398 384 689 3,67 5,37 12,28 146 2,83

BALUARTE 3 55,36 1,35 474 27,86 34,316 277 599 0 0 3,89 137 1,125

TITA-01 3 80,93 1,18 474 28,75 35,116 362 751 0 3,41 1,97 128 2,12

CAS-1 3 8,19 1 478 5,18 7,16 17 81 0 0 0 116 0,003

CLOETE 3 85,99 0,95 461 42,35 48,423 487 759 0 1,47 0 112 3,14

ELB-01 3 72,08 1,23 480 19,3 20,609 672 821 0 2,55 2,64 131 1,21

FC-01 3 81,42 1,25 468 30,7 34,318 566 810 0 2,58 3,4 132 2,248

ESB-01 3 92,21 1,3 466 33,81 40,765 389 759 2,02 4,67 5,12 135 2,836

PROMEDIO 1,137916667 2,659167 2,199583

UMR-7566 G2R, Université de Lorraine, Boulevard des Aiguillettes, 54506 Vandœuvre-lès-Nancy France.

Conclusiones

1.- La producción inicial que formo el kerógeno

en los carbones y lutitas bituminosas/gas de las

dos cuencas es variable.

2.- Se encontró una producción de gas metano más

importante en los carbones y lutitas de la cuenca

de Sabinas debido a su riqueza, preservación,

transformación térmica y composición orgánica.

3.- Puede considerarse que la metodología

utilizada en este reporte, seria la adecuada para

seguir con la exploración del gas en México en

otras regiones.

Agradecimientos

Se agradece ampliamente al Consejo Nacional de

Ciencia y Tecnología (CONACYT), a la

Corporación Mexicana de Investigación en

Materiales SA. De CV. (COMIMSA) Y al

Servicio Geológico Mexicano (SGM), por el

financiamiento proporcionado para realizar este

proyecto.

Bibliografía

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capacidad nacional para proveeduría de

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Durand, B., y Monin, J.C. 1980: Elemental

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Martínez L. 2011: TP1 Análisis de Imagen.

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Espinoza, 1989; Brizuela, 1992.

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