El mundo del petróleo: Origen, usos y escenarios

Por Salvador Ortuño Arzata

Nuestra civilización está basada en los hidrocarburos, y la producción de éstos ha comenzado a declinar. Todos los escenarios concuerdan en que el actual ritmo de consumo del petróleo y sus derivados no podrá sostenerse muchos años. Por ello, se vuelve indispensable conocer el papel que el petróleo ha desempeñado en el desarrollo de nuestra sociedad, y estudiar desde su origen y composición química hasta los procesos industriales que lo transforman en el combustible ideal y en la base de una creciente industria de plásticos, fertilizantes, pesticidas, herbicidas y fibras sintéticas; todo ello sin dejar fuera sus implicaciones económicas, políticas y ambientales.

• Idioma: Español
• Editorial: Fondo de Cultura Económica
• Fecha de lanzamiento: 31 oct 2012
• ISBN: 9786071603678

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2001.

I. El origen del petróleo, sus características y usos

Cualquier complejidad real es infinita, porque infinita es la tarea de enumerar las propiedades que la hacen distinguible de cualquier otra complejidad real.

JORGE WAGENSBERG

Más allá de los elementos, existe el hecho de que ellos forman un todo.

GEORGES DUMEZIL

ESA SUSTANCIA OSCURA DEL FONDO DE LA TIERRA

La palabra petróleo procede del griego πετϱέλαιου, aceite de roca. Existen otros términos sinónimos o semejantes que han sido utilizados a lo largo del tiempo; por ejemplo, el vocablo chapopote utilizado en México, el cual proviene de tzaue, que significa pegamento o engrudo, y popochtli, perfume. Otra acepción indicaría que procede de chíahuatl, o grasa, y poctli, humo, por lo que sería, literalmente, aceite ahumado. Otros términos utilizados como sustitutos o para algunos productos son asfalto, bitumen, nafteno, etc. La palabra asfalto procede del vocablo griego ἂσφαλτος, que significa aceite resinoso. También, las palabras betún y su equivalente bitumen son ampliamente utilizadas y proceden de la voz latina bitus, que alude a la noción de una madera resinosa. Finalmente, la palabra nafteno provendría de una voz babilonia, napata, que significa inflamable.

El petróleo fue conocido y usado por la humanidad desde las más antiguas culturas y civilizaciones, como lo han demostrado numerosas referencias en documentos históricos. Por ejemplo, en la Biblia se hace mención en el capítulo ocho del libro del Génesis, cuando se narra la construcción del arca y que Noé utilizó el petróleo para impermeabilizarla. Asimismo, el petróleo es mencionado, empleando el término betún, en la tablilla XI del poema épico babilónico de Gilgamesh, en la narración de la historia del diluvio y la construcción del arca por el legendario héroe sumerio. El petróleo también fue conocido y usado posteriormente por otros pueblos del Medio Oriente.

Los nahuas lo utilizaron para perfumar sus templos, como pegamento, para la producción de barnices, o en la preparación de la argamasa empleada en la construcción, así como para impermeabilizar y proteger la madera de sus construcciones de la humedad, el salitre y los insectos. Numerosas referencias indican que los primeros pobladores de México utilizaron el petróleo crudo, principalmente con fines medicinales y para sus sistemas de alumbrado.

El petróleo es esa sustancia oscura y maravillosa que procede de las profundidades de la Tierra, de algunos kilómetros de profundidad, y que se ha formado a partir de los restos de los organismos y seres que vivieron hace millones de años en el planeta. El petróleo literalmente habla de su remoto pasado, trayendo materialmente, además, la energía solar de las épocas geológicas que se pierden en la oscuridad de los tiempos; esa energía ha sido el motor de nuestra civilización por más de cien años. Ahora es necesario revalorar sus posibilidades, limitaciones e inconvenientes, frente a la conservación y protección del medio ambiente y de las nuevas alternativas energéticas que requiere el desarrollo de la humanidad en el siglo que comienza.

EL ORIGEN Y LA FORMACIÓN DEL PETRÓLEO

Desde el final del siglo XIX y principios del siglo XX se pensaba que los hidrocarburos eran de origen inorgánico y que se formaban en las profundidades de la corteza terrestre por la acción del agua sobre los carburos metálicos a partir de hidruros metálicos, idea sustentada por el químico Dmitri Ivánovich Mendeleiev. Por su parte, Marcellin Berthelot consideraba que el petróleo era el producto de la acción del agua y del bióxido de carbono sobre los metales alcalinos. Sin embargo, las abundantes pruebas acumuladas por los estudios de la química y la geología, así como de los materiales orgánicos asociados, han hecho evidente el origen orgánico de los hidrocarburos. Posteriormente, gracias al desarrollo de la geología del petróleo y particularmente al de la química orgánica y la geoquímica del carbón y del petróleo durante la segunda parte del siglo XX, se ha establecido formalmente el origen orgánico y evolución de los hidrocarburos en las rocas sedimentarias de la corteza terrestre.

La materia orgánica fósil que se encuentra en los sedimentos y en las rocas, es la precursora del petróleo. Éste se origina a partir de la materia orgánica que ha sido transformada durante millones de años, a causa de las altas presiones y el aumento de temperatura que ocurren cuando los sedimentos son sepultados y evolucionados mineralmente en el interior de los estratos de la corteza terrestre.

La materia orgánica que se encuentra en los sedimentos está constituida por todos aquellos materiales que proceden de los organismos vivos, plantas y animales que han vivido en las épocas geológicas pasadas. Todos los seres vivos nacen, se desarrollan y mueren en la parte de la Tierra que constituye la biosfera. Todos estos materiales orgánicos o materia orgánica son acarreados, junto con los sedimentos, hacia las cuencas sedimentarias marinas o lacustres donde se depositan, o son paulatinamente desintegrados o transformados.

Normalmente, los sedimentos que se depositan en medios acuáticos y que reúnen condiciones ambientales especiales para la conservación de restos orgánicos contendrán, al final, ciertas cantidades de materia orgánica preservada. Por el contrario, en los sedimentos que quedan expuestos a condiciones subaéreas, la materia orgánica se destruye con facilidad a causa de la oxidación química o de la actividad microbiana. El depósito de materia orgánica es abundante a lo largo de las márgenes continentales debido a la alta productividad biológica primaria en las aguas costeras y al alto suministro de material procedente de las plantas superiores de las áreas terrestres (figura I.1).

Para que tenga lugar la concentración y conservación de la materia orgánica en los sedimentos se requieren condiciones óptimas tanto en el nivel de energía o dinámica en un cuerpo de agua como en el ritmo o tasa de la sedimentación. Cuando los materiales orgánicos son atrapados entre los sedimentos evitando el acceso de oxígeno, existirán las condiciones apropiadas para la conservación inicial de la materia orgánica ahí acumulada. Esta materia será la precursora de los hidrocarburos. El depósito de sedimentos ricos en materia orgánica es un hecho inusitado en la naturaleza, es decir, no es un fenómeno extensivo, ya que tiene baja probabilidad.

Las condiciones más favorables para el depósito de sedimentos ricos en materia orgánica se encuentran en las plataformas continentales, en áreas de aguas tranquilas, como las lagunas, estuarios y cuencas profundas de circulación de agua y oxígeno restringida (figura I.1).

FIGURA I.1. Acumulación de sedimentos y restos de materia orgánica de origen continental y marino. Ésta se lleva a cabo por medio de los procesos geológicos de la sedimentación y tiene lugar principalmente en las plataformas y taludes continentales.

En la figura I.2 se muestra la ruta de evolución general de la materia orgánica y sus componentes (lignina, carbohidratos, proteínas y lípidos) a través de sus productos de transformación y derivados, como el kerógeno y los hidrocarburos, y, finalmente, los residuos de carbón. Estas transformaciones tienen lugar entre los sedimentos donde se encuentra atrapada la materia orgánica, siendo causados por los procesos de degradación microbiana, polimerización y condensación. La degradación térmica es un proceso determinante en la transformación y evolución de los materiales orgánicos.

Después de ser sepultados o atrapados los restos orgánicos en los sedimentos, aquéllos pasan por diferentes etapas de evolución, condicionadas por la temperatura y la presión; estas etapas sucesivas son diagénesis, catagénesis y metagénesis (figura I.2). Estas etapas de transformación son detalladas a continuación.

a) La diagénesis se inicia en los sedimentos recientemente depositados como resultado de la actividad microbiana, la cual constituye uno de los principales agentes de transformación de los materiales orgánicos y sedimentarios. A medida que se comienzan a profundizar los sedimentos, se presentan en la materia orgánica algunos acomodos químicos a poca profundidad, como la policondensación y la insolubilización. Al final de la etapa de diagénesis, la materia orgánica es transformada en un compuesto orgánico complejo llamado kerógeno.

b) La catagénesis es la fase que tiene lugar como resultado del aumento progresivo de la temperatura durante el soterramiento de las series sedimentarias por sedimentos más jóvenes. La degradación térmica del kerógeno, en esta etapa, es responsable de la generación de la mayor parte de los hidrocarburos, es decir, del petróleo y del gas.

FIGURA I.2. Fuentes y procedencia de los hidrocarburos según la evolución de la materia orgánica. El kerógeno es el insumo intermedio que origina los hidrocarburos. Los componentes iniciales de los seres vivos son la lignina, los carbohidratos, las proteínas y los lípidos. Los ácidos fúlvicos son los primeros compuestos originados por la descomposición de la materia orgánica durante el proceso de la diagénesis. Diagrama de evolución de la materia orgánica según Tissot y Welte, 1978.

c) La metagénesis es la fase de transformación orgánica y mineral que se alcanza cuando los materiales orgánicos y sedimentarios son sepultados a gran profundidad. Empero, la última etapa de evolución de la materia orgánica se inicia antes, cuando la reflectancia de la vitrinita¹ es cercana a 2%, para luego continuar la fase del metamorfismo de la fase mineral. En esta fase de metamorfismo,² la reflectancia de la vitrinita puede ser cercana a 4%, correspondiendo al inicio de las facies de esquistos verdes, es decir, la etapa en la cual las rocas comienzan a adquirir un carácter netamente metamórfico y ya no son consideradas rocas sedimentarias.

El aumento de la temperatura durante el transcurso del soterramiento de los sedimentos origina un reacomodo progresivo de las moléculas del kerógeno. Su evolución durante las diferentes etapas se puede bosquejar como sigue:

1. Durante la última parte de la diagénesis, los enlaces heteroatómicos y los grupos funcionales se eliminan. Se desprende bióxido de carbono, agua y algunos compuestos pesados de nitrógeno, azufre y oxígeno. En términos de la exploración del petróleo, las rocas generadoras se consideran inmaduras en esta etapa; es decir, aún no se ha producido el proceso de generación y expulsión de los hidrocarburos de la roca generadora.

2. Durante la etapa de la catagénesis, las cadenas y ciclos de hidrocarburos se eliminan. De este modo, primordialmente se forman los petróleos crudos o aceites y luego, sucesivamente, el gas. Esta etapa corresponde a la fase principal de la formación de aceite o hidrocarburos líquidos; y también es la etapa primordial de la formación del gas húmedo.

3. Durante la etapa de la metagénesis se presenta una reorganización de los compuestos aromáticos del petróleo, distribuidos previamente de manera aleatoria en el interior del kerógeno; a partir de ahora se agrupan para formar conjuntos más grandes. En esta etapa solamente se genera gas