Lectura sobre la formacin del petrleo

Diagnesis de la materia orgnica.Hay tres estados importantes en la transformacin y evolucin de la materia orgnica a hidrocarburos: diagnesis, catagnesis y metagnesis. La diagnesis se inicia tan pronto como el sedimento es enterrado, y aqu se considera que incluye todos los cambios que ocurren hasta el estado de generacin de petrleo. Los lodos recin depositados son inconsolidados y pueden contener ms del 80% de H2O en sus poros. Estos lodos se compactan rpidamente. La mayor parte de la porosidad se pierde en los primeros 500 metros. Luego la compactacin contina mucho ms lentamente. Cualquier materia dentro de estas lutitas es sometida a cambios complejos. El punto de inicio de estos cambios son los cuatro (4) grupos principales de compuestos orgnicos o biopolmeros que son sintetizados por plantas y animales: Carbohidratos, protenas, ligninas y lpidos. Los carbohidratos ocurren tanto en plantas como en animales e incluyen azucares simples, tales como glucosa, y sus polmeros complejos, tales como la celulosa y almidn. Las protenas principalmente en animales y, en menor proporcin en las plantas. La lignina es construida de cadenas de carbono armnicas de alto peso molecular, y ocurre solamente en plantas superiores. Los lpidos ocurren tanto en plantas como en animales. Ellos son compuestos insolubles, y son los materiales precursores principales de los hidrocarburos lquidos.

Durante la diagnesis temprana, los biopolmeros complejos son rotos y transformados en molculas ms pequeas y simples, llamadas geomonmeros. Las protenas son las menos estables, seguidas por los carbohidratos, lpidos y ligninas. El ms activo de los geomonmeros reaccionar espontneamente con cada uno de los otros y polimeriza hasta producir geopolmeros complejos estables. A diferencia de los biopolmeros, los geopolmeros tienen una estructura aleatoria y son, por lo tanto, resistentes a la biodegradacin. Estos cambios son llevados a cabo primero por las bacterias y procesos qumicos no biolgicos, y ms tarde por el craqueo termal. La transicin a geopolmeros ocurre en un tiempo geolgicamente corto, probablemente slo unos pocos cientos o millones de aos. Con el incremento del enterramiento, la materia orgnica pierde casi todo su nitrgeno, mucho de su oxgeno y azufre, y algo de su hidrgeno y carbono. La mayora de los heterotomos se pierden en la forma de molculas pequeas, tales como CO2, NH3, N2, O2, H2O y H2S.

El nico hidrocarburo producido en cantidades medibles durante la diagnesis es el metano biognico, como producto de la destruccin anaerbica. 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, a diferencia de la porcin soluble de la materia orgnica que se denomina bitumen. Bajo el microscopio, el Kergeno se presenta como fragmentos orgnicos diseminados. Algo de este material es estructurado, es decir, son reconocibles como fragmentos de tejidos de plantas, esporas, algas, etc. Estos fragmentos con cierta estructura derivados de plantas pueden ser agrupados en unidades biolgicas distintas denominadas macerales, que son equivalentes en el Kergeno a los minerales en las rocas.

Tres grupos de macerales principales son importantes: Vitrinita, exinita e inertinita. La Vitrinita es el maceral dominante en muchos Kergenos y es el componente principal del carbn. Este se deriva casi enteramente de tejidos leosos de las plantas terrestres superiores, principalmente ligninas, por lo que es difcil romper y puede aparecer en casi todos los ambientes depositacionales (marino o no marinos), y es generalmente el tipo ms abundante de partcula estructurada. Los macerales Exinita son derivados en su mayora de algas, esporas, polen y cutculas de hojas cerosas. Los altos porcentajes de exinita no son comunes, pero si est presente, esto implica ambientes marino somero o locutrino. Los macerales de Inertinita provienen de varias fuentes que han sido intensamente oxidados antes de ser depositados y reciclados. La inertinita es un componente usualmente de menor proporcin en el Kergeno. Algunos componentes del Kergeno son amorfos, los cuales han sido rotos mecnicamente y/o qumicamente alterados por bacterias y hongos, enmascarando y destruyendo su estructura original. Esos componentes no son verdaderos macerales, aunque el trmino amorfinita se ha aplicado a estos materiales.

Las partculas amorfas probablemente representan el material fuente de hidrocarburos ms atractivo en el Kergeno, debido a que stas pueden madurar al petrleo a temperaturas significativamente ms bajas que los macerales asociados. Adems un volumen de material amorfo producir una cantidad mucho mayor de hidrocarburos, ya que su volumen ha sido reducido y su densidad incrementada en comparacin con los tipos estructurados. El material amorfo tiene una mayor representacin de partculas derivadas de exinita, debido a que este grupo esta compuesto de partculas blandas con menos molculas complejas, que son ms fciles de romper que los tejidos leosos ms resistentes del grupo de la vitrinita.

Hidrocarburos y Tipo de Kergeno.Los tipos de macerales y partculas amorfas presentes en el Kergeno afectan su capacidad para generar hidrocarburos, as como tambin, determinan el tipo de petrleo generado. Los Kergenos precursores del petrleo pueden dividirse en dos grupos: el tipo I o Kergeno algal que tiende a producir crudos que son ricosen hidrocarburos saturados. El tipo II o Kergeno mixto que tiende a producir petrleos naftnicos y aromticos, y ms gas que el tipo I. El Kergeno tipo III generar principalmente gas seco y algunos petrleos, principalmente parafnicos, derivados de sus constituyentes amorfos y exinita. Hay un cuarto tipo de Kergeno pero es muy raro, que prcticamente no tiene capacidad para generar petrleo o gas.TiposOrigenConstituyentes Orgnicos

I

AlgalCondiciones de generacin de algas marinas, lacustrinos, incipiente material carbonoso. En su mayora sus componentes son de algas de Exinita (alginita) algunos amorfos derivados de material de algas.

II

Marinos (Mixtos)Descomposicin y reduccin de materia orgnica en ambientes marinos principalmente. Partculas amorfas derivadas principalmente de Fitoplanton, Zooplanton y algunos organismos superiores; algunos macerales son de este grupo.

III

CarbonosRestos de vegetacin continental (maderas, esporas, hojas, cutculas, resinas, tejido de plantas). Formado principalmente por Vitrinita, algunas Exinitas (no algal) y amorfos por descomposicin de sus componentes.

IV

InerteCharco Fsil y otros materiales oxidados de vegetacin continental Principalmente constituidos por Inertita y algunos amorfos en descomposicin de materia vegetal.

Cambios Qumicos con la Maduracin del Kergeno.En la diagnesis cada tipo de Kergeno tiene una qumica nica, ya que su composicin esta controlada por los tipos de macerales y los biopolmeros originales que lo constituyen. Esta variabilidad qumica de los tipos de Kergenos inmaduros y los cambios que ocurren hasta que el petrleo es generado pueden presentarse como grficos de la relacin hidrgeno/carbono (H/C) versus la relacin oxgeno carbono (O/C). Este grfico es llamado Diagrama de Van Krevelen.

Grfico de Van Krevelen.

Si estos Kergenos son calentados, pueden alcanzar el segundo estado de la evolucin de la materia orgnica o catagnesis, que se define como la etapa en la que el petrleo y el gas natural es generado del Kergeno. Debido a que las molculas de petrleo y gas tienen altas relaciones H/C, la generacin de petrleo causa que la relacin H/C del Kergeno residual disminuya. Finalmente, todos los tipos de Kergenos convergirn a lo largo de un patrn durante el estado final en la evolucin de la materia orgnica o metagnesis. Durante la metagnesis, la generacin de petrleo y gas a partir del Kergeno cesa, pero una cantidad considerable 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.

Profundidad, Temperatura y Tiempo en la Formacin de Petrleo.Las profundidades a las cuales se inicia la generacin de hidrocarburos dependen del gradiente geotermal local, el tipo de Kergeno y la historia de soterramiento. En la figura a la izquierda muestra las profundidades de generacin mxima, mnima y promedio para el petrleo, gas y metano biognico. A la profundidad promedio de 1-2 kilmetros se inicia la catagnesis y alcanza su mxima generacin entre 2-3 kilmetros de profundidad; denominndose este rango ventana de petrleo.Las leyes de la qumica dicen que la tasa de una reaccin es una funcin tanto de la temperatura como del tiempo. El tiempo puede compensar a la temperatura y viceversa.

Las rocas madres que han permanecido relativamente fras pueden tomar unos 100 millones de aos o ms para generar petrleo, mientras que las rocas madres jvenes pueden generar hidrocarburos en unos pocos millones de aos, si estn a temperaturas suficientemente altas. El efecto de la temperatura es exponencial, mientras que el tiempo es lineal.En consecuencia, la temperatura juega un papel ms importante en la maduracin de la roca madre que el tiempo. Las rocas madre del Paleozoico que nunca han sido calentadas por encima de 50C no generarn petrleo, no importa el tiempo que pase. En contraste, el tiempo juega un papel insignificante en la generacin de petrleo de rocas madres jvenes en cuencas activas con gradientes termales altos. La generacin temprana de hidrocarburos se encuentra donde ocurre enterramiento rpido y donde los gradientes geotermales son relativamente altos. Aunque la generacin de hidrocarburos tenga lugar en un lapso de tiempo breve (geolgicamente hablando), esto no significa que sea inmediatamente de la deposicin de la roca madre, ya que esta ltima puede permanecer a profundidades muy someras y a bajas temperaturas por un largo perodo de tiempo, antes de ser enterradas a suficiente profundidad para generar hidrocarburos.

Paleotermometra.Mucha informacin esta basada en las temperaturas de fondo de los pozos medidas en el presente, y no en paleotemperaturas. A menudo, el gradiente geotermal fue ms alto cuando la cuenca era activa, que en el presente. Es de una importancia crtica, por lo tanto, ser capaz de medir la mxima temperatura a la que una determinada roca madre ha sido cocinada por medios de paleotermmetros adecuados. Algunos mtodos de Paleotermometra estn basados en las propiedades fsicas y qumicas del Kergeno, otros utilizan las propiedades de la roca. El Diagrama de Van Krevelen es uno de los mtodos empleados, ya que despus que el tipo de Kergeno ha sido determinado microscpicamente, el punto en el cual se encuentra dentro de su patrn de evolucin puede ser fcilmente determinado.

El color del polen y las esporas tambin pueden utilizarse como un paleotermmetro, ya que cuando estas son calentadas, su color cambia progresivamente del amarillo claro al naranja, marrn rojizo, marrn oscuro y finalmente negro; indicando la temperatura ms alta alcanzada por la roca madre. Otro mtodo esta basado en la reflactancia de la vitrinita (Rm) del Kergeno. Existen otros mtodos indicadores de maduracin, tales como la fluorescencia de la exinita. Usualmente, deben utilizarse al menos dos mtodos de Paleotermometra diferentes para asegurar la madurez de una roca madre determinada.

Lutitas Petrolferas.Las rocas madres no siempre alcanzan la madurez termal necesaria para generar petrleo o gas, y permanecen rellenas de Kergeno. Cuando contienen cantidades apreciables de Kergeno, estas rocas son frecuentemente denominadas Lutitas Petrolferas. Este petrleo puede ser producido solo por calentamiento de la lutita petrolfera en una atmsfera inerte hasta unos 500C, proceso este conocido como pirlisis. El contenido de materia orgnica necesario para clasificar a una de estas rocas como lutita petrolfera ha sido establecido en 5% por los economistas; y las mismas contienen principalmente Kergeno tipo I o tipo II. Se estima que el volumen de petrleo contenido en estas lutitas, a nivel mundial, es de 4 trillones de barriles, del cual slo alrededor del 2% es recuperable utilizando la tecnologa actual.