Camacho-Ortegón, L
González-Barraza, E.
Liñan-Perez R.
Lucas-Rodriguez, C.
Morado-Zumaya, C.
Mar-Mendez, K.
Galindo, O.
Tapia-Guajardo, J.
De la Rosa-Rodríguez, G.
Bueno-Yamamoto, Y.
Fernández-Dado, J.
Escuela de Ingeniería
Unidad Norte
Introducción
Los hidrocarburos son la fuente de energía más importante en la actualidad. Se originan a partir de la materia orgánica (mo) formada principalmente por restos de organismos vivos acuáticos, vegetales y animales, que vivían en los mares, las lagunas o las desembocaduras de los ríos, en las cercanías del mar. Se encuentran principalmente en los medios de origen sedimentario. La mo se deposita y se va cubriendo por sedimentos; al quedar cada vez a mayor profundidad y al aumentar la presión y temperatura, se transforma en hidrocarburo, a esto se le denomina maduración térmica.
La madurez térmica se puede describir como el grado de transformación alcanzado por la materia orgánica contenida en rocas sedimentarias hasta convertirse en petróleo, debido al calentamiento principalmente (Peters et al., 2004). En términos generales de evolución diagenética, la mo puede clasificarse en inmadura, madura y post-madura. La importancia de establecer el grado relativo de madurez térmica radica en que, dependiendo de la madurez alcanzada por la roca generadora, los hidrocarburos por ella producidos tendrán una determinada composición química y propiedades físicas que en conjunto inciden directamente sobre la viabilidad de exploración y la estrategia de producción de un campo petrolero (Tissot y Welte, 1978).
El presente trabajo pretende mostrar por medio de la experimentación la trasformación de la mo, así como comprender el proceso natural de la generación de hidrocarburos.
En esta demostración se realizó una serie de mediciones tiempo contra temperatura, para monitorear los efectos producidos en la mo, donde el objetivo principal es comprender los fundamentos de las teorías orgánicas del origen de los hidrocarburos en una representación didáctica realizada en laboratorio. Los materiales utilizados durante la experimentación fueron de fácil alcance y la información obtenida se utilizó para generar graficas del comportamiento en las diferentes fases de transformación.
Durante la experimentación, se da hincapié a tomar a consideración un mayor número de variables, con las cuales se podría obtener datos complementarios acerca de dicho proceso, un ejemplo de ello podría ser la utilización del cromatógrafo de gases para realizar un análisis cuantitativo (obtención de concentración) y cualitativo (tiempo de retención) de las muestras, sin embargo, debido a la sencilla demostración realizada se propone como un área de oportunidad en futuras demostraciones.
Metodología
Para este experimento se consideró una presión de una atmósfera y una temperatura de 305°C. El proceso de experimentación inicio con la determinación de la masa de los materiales a utilizar, un sartén de 890 gramos (gr), como mo se utilizó un corte de carne de res de 445 gr, Figura 1-A, donde se distingue tejido, hueso y grasa, el cual presenta una temperatura inicial de 11.5 °C.
Posteriormente se colocó la mo dentro del sartén para llevarlo a la estufa, donde la temperatura máxima alcanzada por la flama (fuente de calor) fue de 305 °C, Figura 1-B. A partir de entonces se retiraba de la fuente de calor para medir su masa y temperatura cada cinco minutos hasta alcanzar siete mediciones, Figura 1.
Se observó desde los primeros minutos como se fue expulsando vapor de agua y gas, así como al fundirse la fracción grasosa del corte, se iba acumulando aceite en el sartén. El corte se fue consumiendo hasta que al final de las siete mediciones se obtuvo un residuo rico en carbón y aceite, así como materia volátil, Figura 1-I. Cabe mencionar que el gas expulsado durante el procedimiento no se logró encapsular, pero si fue posible visualizarlo, ya que, al acercar una fuente de calor externa, el gas se encendió; Figura 1-C.
Figura 1. Secuencia de la transformación de la materia orgánica (MO). A) Registro del peso del corte de carne. B) Calentamiento (5 minutos). C) Generación de gases (flama). D) Desprendimiento gas y aceite (10 minutos). E) Apariencia de la MO (15 minutos). F) Continua la reducción de la MO (minuto 20). G) MO (minuto 25). H) Reducción de la MO y mayor aporte del aceite y gas (minuto 30). I) Residuo de la MO con apariencia carbonosa y poca impregnación de aceite al término del experimento.
Resultados de la experimentación
De la experimentación se obtuvieron los siguientes datos:
Tabla 1. Registro de temperaturas, pesos y tiempo.
Con los cuales se realizó un análisis de masas despreciando la masa del sartén; Tabla 2.
Tabla 2. Comparación porcentual de la transformación de la materia orgánica.
Gráfica 1. Fenómeno termodinámico de transformación de la carne por efecto del tiempo y el incremento de la temperatura (considerada como Materia Orgánica). La grafica muestra la relación de tiempo vs porcentaje de transformación de la MO y el ciclo de transformación por efecto del tiempo / oC en la transformación de la MO.
En la Gráfica 1, se observan los porcentajes de MO y su transformación.
Primeramente, en un tiempo cero observamos como la mo aún no ha sido transformada, en este punto la carne es análoga a la mo disponible en la roca generadora antes de ser transformada. Conforme se avanza en el tiempo la materia se va transformando en aceite (celeste), y en gas combinado con vapor de agua (amarillo).
Se puede observar así mismo como el porcentaje de mo transformada en gas es mayor al porcentaje transformado en aceite, esto es debido a que parte del aceite también es transformado en gas. En un caso real el tipo de hidrocarburo que genera una roca madre (generadora), está relacionado con el tipo de kerógeno, es decir el origen de su contenido orgánico.
Al culminar los 35 minutos se registró una transformación casi total de la materia, ya que 92.13% se había convertido en aceite y gas, representando esto a una roca madura que ya ha generado hidrocarburos.
Posterior al tiempo antes mencionado, se retiró de la fuente de calor y se observó que el aceite se transformó en un aceite viscoso (pesado), esto es debido a que la densidad de éste depende de la temperatura en ese instante.
La correlación de la generación de petróleo con profundidad es principalmente una función del incremento de temperatura. 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. 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.
Conclusiones
Con este experimento se demostró que la mo se transforma en hidrocarburos bajo ciertas condiciones de tiempo y temperatura, haciendo una analogía al comportamiento de la generación de hidrocarburos en una roca generadora.
Se determinó que el tiempo está relacionado con la cantidad de mo que es transformada, es decir a mayor tiempo que la mo es sometida a condiciones de presión y temperatura generara mayor cantidad de hidrocarburos. Así mismo el tiempo es relativo a la generación del petróleo en rocas generadoras 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.
Se observó que no toda la mo se transformó en hidrocarburo, esto debido a falta de hidrógeno quedando como residuo una masa de carbón porosa muy parecido al coque de hulla. Finalmente se observó que a mayor temperatura se obtuvo aceites ligeros y a menor temperatura aceites pesados, coincidiendo con la literatura según Tissot y Welte, 1978.
Agradecimientos
Los autores agradecen al Dr. Luis F. Camacho O., responsable técnico del proyecto conacyt fordecyt – 245838, por habernos integrado en este proyecto experimental dentro del posgrado mgyhnc, así como a la administración de la Escuela Superior de Ingeniería de la UAdeC por los apoyos otorgados.
Referencias bibliográficas
Peters, K.E., C.C. Walters y J.M. Moldowan; The Biomarker Guide, Volume 2: Biomarkers and Isotopes in the Petroleum Exploration and Earth History, Cambridge University Press, UK (2004).
Tissot, B.P. y D.H. Welte; Petroleum Formation and Occurrence. A new approach to oil and gas exploration,Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, Germany (1978).
