Cadena productiva de los hidrocarburos: Energía sostenible para la transición energética

Por Emiliano Ariza

Este libro trae a la memoria que la industria del petróleo, con apenas dieciséis décadas de haber sido descubierta, ha transformado el desarrollo de la humanidad como una fuente de energía y seguirá representando, junto con el gas natural, cerca de la mitad de la canasta energética, incluso más allá del año 2050. Se destaca el hecho de que del proceso de refinación de petróleo no solo se obtienen los combustibles, sino muchas materias primas para producir lubricantes, plásticos, textiles, pinturas, llantas, sustancias agroquímicas y una gran variedad de productos que han hecho la vida más cómoda. También el gas natural, otro de los hidrocarburos que se encuentra en yacimientos de manera libre o asociado al petróleo, además del uso doméstico e industrial, es la fuente fundamental para la petroquímica, y se considera que será el combustible para la transición energética.
El autor, desde una perspectiva analítica y crítica, ilustra la cadena productiva de los hidrocarburos, detalla los procesos de exploración, producción, tratamiento, transporte, análisis de reservas mundiales y en Colombia, y la transformación en productos útiles para el hombre y lo que representan en un mundo con incremento de la población que demanda mayor energía y que, junto con los demás recursos energéticos renovables y no renovables, harán parte de esa matriz energética para cubrir estas necesidades. También aborda las fuentes de energías renovables o energías alternativas, que indiscutiblemente se requiere desarrollar para gradualmente ir cubriendo los recursos no renovables; como los hidrocarburos, que cada vez serán más escasos y valiosos, y que se deben utilizar específicamente para cumplir una función muy especial como es la producción y la transformación de materias primas sintéticas muy difíciles de substituir por otros materiales.
Este texto es ideal para los interesados en la energía sostenible y en comprender mejor el papel de los hidrocarburos en la matriz energética actual y futura para lograr una transición energética equitativa, confiable y segura.

• Idioma: Español
• Editorial: Ediciones UIS
• Fecha de lanzamiento: 20 jun 2024
• ISBN: 9789585188891

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Portada

Emiliano Ariza León

Universidad Industrial de Santander

Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas

Escuela de Ingeniería de Petróleos

Bucaramanga, 2024

Página legal

Cadena productiva de los hidrocarburos

Energía confiable para la transición

Emiliano Ariza León

Profesor, Universidad Industrial de Santander

© Universidad Industrial de Santander

Reservados todos los derechos

ISBN EPUB: 978-958-5188-89-1

Primera edición, abril de 2024

Diseño y diagramación: Universidad Industrial de Santander

Impresión: División de Publicaciones UIS

Carrera 27 calle 9, ciudad universitaria

Bucaramanga, Colombia

Tel.: [phone], ext. 2196

[e-mail]

Prohibida la reproducción parcial o total de esta obra, por cualquier medio, sin autorización escrita de la UIS.

Impreso en Colombia

Agradecimiento

A mi esposa, Gloria Amparo, y a mis hijos, Natalia Milena y Cesar Mauricio, por su apoyo incondicinal y ser el motor que me impulsa a alcanzar nobles ideales.

A la Universidad Industrial de Santander, mi eterna gratitud, en donde he pasado la mayor parte de mi vida, primero realizando mis estudios, y luego como profesor de mi gloriosa Escuela de Ingeniería de Petróleos. A mis estudiantes de pregrado y posgrado, con quienes he compartido los conocimientos y de quienes he aprendido.

Introducción

Desde la antigüedad el petróleo aparecía en la superficie de ciertas regiones del planeta, como en los países del Medio Oriente. Hace 6000 años, los asirios y babilonios lo usaban para pegar ladrillos y piedras; los egipcios, para engrasar pieles, y las tribus precolombinas de México, para pintar esculturas.

Ha habido fechas históricas en la industria de los hidrocarburos; por ejemplo, en 1859 Edwin L. Drake perforó el primer pozo de petróleo con un taladro a percusión, cerca de Titusville, en Pensilvania (Estados Unidos), fecha de partida del «descubrimiento» del petróleo, es decir, esta es una industria relativamente muy joven, con menos de dos siglos, que ha transformado de manera vertiginosa la forma de vida de la humanidad y ha contribuido a su desarrollo como fuente de energía, que en lo recorrido de los primeros 22 años del siglo XXI representa, junto con el gas natural, cerca del 50 % de la energía que consume el mundo. En 1901, Anthony Lucas perforó un pozo en Spinletop Texas, empleando un taladro hidráulico rotario que mejoró el avance en al perforación, para llegar a perforar pozos con mayores profundidades en un menor tiempo; desde entonces, la tecnología ha venido evolucionando y mejorando para solucionar problemas complejos durante la exploración, producción y recobro de hidrocarburos, a fin de encontrar y extraer hidrocarburos de yacimientos profundos y en condiciones extremas, como en el mar (offshore). También se tiene otra fecha, el 14 de septiembre de 1960, en Bagdad (Iraq), cuando se constituye la Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP), es decir, los de mayores reservas y producción. Actualmente, los principales productores de petróleo son Arabia Saudita, Iraq, Kuwait, Venezuela, México, Rusia, Nigeria y Estados Unidos, entre otros.

El petróleo ha cambiado la vida, pues de este aceite de piedra, llamado oro negro, se obtiene la gasolina y diésel (ACPM) para los autos y autobuses, combustible para barcos y aviones. Se usa para generar electricidad y obtener energía calorífica para fábricas, hospitales y oficinas, así como para diversos lubricantes para maquinaria y vehículos. La industria petroquímica usa productos derivados del petróleo para hacer plásticos, fibras textiles, detergentes, medicinas, preservantes de alimentos, hules, agroquímicos y muchos productos más. Los hidrocarburos (petróleo y gas) han transformado la vida del hombre y la economía de las naciones, es un recurso valioso; su descubrimiento creó riqueza, modernidad, pueblos prósperos y nuevos empleos, motivando el crecimiento y desarrollo de las industrias.

El mundo en 2021 consumió en promedio alrededor de 94 millones de barriles por día. Ahora, generalmente el petróleo es adquirido en mayor cantidad por aquellos países que no son productores. Estados Unidos, a pesar de que es uno de los mayores productores, consume el doble de lo que produce, y entre este y Europa Occidental absorben casi la mitad del consumo de petróleo a nivel mundial. Sin embargo, los países del Golfo Pérsico, que solo representan el 4,5 % del consumo mundial, son los mayores productores, con el 26 % de la producción total. Así las cosas, los países occidentales dependen de la importación, y se ven obligatoriamente sometidos a los precios que imponga este mercado, que es oscilante, imprevisible y manejado por la geopolítica, cuyas variaciones pueden tener graves consecuencias en la economía mundial, vista en caída del consumo, aumento de la inflación, conflictos, desabastecimiento, etc.

La inestabilidad y conflictos externos e internos de diferente índole en países productores de petróleo como Venezuela, Iraq, Rusia, Arabia Saudita, Nigeria y Libia, entre otros, y la gran demanda por su crecimiento de países como China, India, Japón y Estados Unidos han sido algunos de los factores determinantes en el incremento de los precios, que en el año 2006 superó la cifra de los 70 dólares; en el 2008 llegó a una cifra histórica de 147 dólares, hasta el 2014 estuvo alrededor de los 100 dólares por barril, luego hasta 2021 su valor osciló entre los 60 y 70 dólares debido a pactos realizados entre países OPEP y no OPEP y, a principios de 2022, superó de nuevo los 100 dólares, debido a la invasión de Rusia a Ucrania. Además de estos factores geopolíticos, los precios futuros estarán impactados por la disminución marcada de las reservas y el bajo hallazgo de nuevos yacimientos convencionales representativos.

King Hubbert, ingeniero de la Shell, creó un modelo matemático, el «pico de Hubbert», que permite calcular el momento en que un yacimiento ha llegado a la explotación de la mitad de sus reservas, es decir, a su punto máximo, donde ha iniciado la curva descendente hacia su agotamiento. Hubbert analizó los yacimientos activos de su país y predijo que iniciarían su declive en 1969, fecha en la que Estados Unidos comenzaría a ser un país importador de petróleo. Se equivocó por un año, porque el máximo pico se alcanzó en 1970. Utilizando este modelo, Campbell y Laherrere, fundadores de la ASPO, analizaron las reservas petrolíferas mundiales y calcularon que llegarían a su declive hacia 2010. Esa fecha se redujo debido a la demanda, que se duplicó en menos de una década, se considera que el cenit del petróleo llegó en el 2006. Esto significa, que ya la humanidad ha consumido la mitad de las reservas totales conocidas hasta hoy. Significa que la producción de petróleo ha alcanzado su punto máximo, y extraerlo del subsuelo resultará cada vez más costoso hasta su agotamiento.

Los grandes y fáciles descubrimientos de hidrocarburos quedaron atrás; el reto es perforar a grandes profundidades (mayores a 16.000 pies), costa afuera o en yacimientos no convencionales (crudo pesado, shale gas, arenas bituminosas, gas del carbón, gas de hidratos), en donde el costo es muy alto; además, se debe contar con tecnología de punta. En las últimas décadas, la industria también se ha enfocado principalmente en campos maduros, en donde se concentra el 70 % de la producción actual y el 60 % de las reservas, porque se conoce su existencia y potencial, se tiene la infraestructura y se cuenta con el equipo humano calificado y nuevas herramientas como la sísmica 3D y perforación horizontal para enfrentar el reto de aumentar el factor de recobro de este valioso recurso no renovable. En este tipo de yacimientos, es recomendable implementar, entre otra acciones, el aseguramiento de flujo, que está relacionado con mitigar los problemas en la producción y transportes de los hidrocarburos, como precipitación de escamas orgánicas e inorgánicas para asegurar su entrega a las refinerías o centros de despacho, y otra acción será aplicar los métodos de recobro secundario y mejorado.

Según la Agencia Internacional de Energía, actualmente los hidrocarburos representan el 54 % de la canasta energética mundial, y las energías renovables (solar, eólica, de biomasa e hidráulica) el 15 %; para el año 2050 se proyecta que los hidrocarburos seguirán siendo actores con el 49 % mientras las energías renovables el 26 %. Se habla de la transición energética, pero los expertos coinciden en que realmente es diversificación o coexistencia energética, dado que el incremento en la demanda de energía requiere ser cubierta con todas las fuentes de energía posible. Es necesario implementar la transición energética para disminuir la huella de carbono utilizando energía renovables, pero se requiere implementar un modelo energético sostenible, es decir, la distribución de la matriz energética irá cambiando los porcentajes al implementar estas energías alternativas, pero es necesario hacerlo de manera responsable, segura, gradual, con eficiencia y autosuficiente, para que se garantice la energía para una población creciente del planeta, que actualmente alcanzó los 8000 millones de habitantes, y que se prevé que antes del año 2100 alcance los 10.000 millones, para lo cual es necesario utilizar los recursos energéticos fósiles, como el petróleo y, en especial, el gas declarado en junio de 2022 por el Parlamento Europeo como una energía verde.

En el caso de Colombia, la historia del petróleo se remonta a 1905, cuando don José Joaquín Bohórquez, colonizador y soldado de la guerra de los Mil Días, descubrió las fuentes petrolíferas de Infantas (corregimiento del Centro, Barrancabermeja). Los grandes descubrimientos de Colombia son La Cira, en 1925 (El Centro- Santander); Caño Limón, en 1983 (Arauca); Cusiana, en 1989 (Casanare), y Cupiagua, en 1993 (Casanare). A partir del surgimiento de esta importante industria, el país ha logrado un gran desarrollo. En los últimos 4 años (2018-2021) la contribución fue en promedio cercano a 25 billones de pesos por año. La situación de la industria de los hidrocarburos en Colombia podrá continuar siendo representativa si se implementan medidas para aumentar la exploración y el recobro de hidrocarburos de los yacimientos existentes; en caso contrario, se proyecta que, acorde a la demanda/producción del país, hacia los años alrededor de 2030 se pierde la autosuficiencia, por lo cual tendrá que hacer importación de petróleo para abastecer las refinerías; en cuanto al gas, actualmente se está en el límite, y se tendrá que importar gas natural a precios internacionales.

El propósito de este libro, desde una perspectiva analítica y crítica es proporcionar información para ilustrar la cadena productiva de los hidrocarburos, desde su origen, acumulación y migración; sus características, pasando por los procesos de exploración, perforación y completamiento de pozos para lograr su producción; análisis de reservas e implementación de tecnologías para aumentar el recobro; tratamiento de los fluidos (aceite, gas y agua) hasta dejarlos con la calidad adecuada para su venta, procesamiento, uso o disposición final, como en el caso del agua; luego el transporte y transformación mediante refinación y petroquímica en productos útiles para la humanidad y el desarrollo industrial con los cambios y expectativas en las industria del petróleo y el gas que es cambiante, pero fundamental dentro de la matriz energética, que seguirá siendo protagónica en el futuro, también brindar conocimiento sobre los hidrocarburos no convencionales y las energías alternativas.

Principalmente está dirigido a los estudiantes de Ingeniería de Petróleos, estudiantes y profesionales de otras carreras que laboran en la industria de los hidrocarburos o que quieren incursionar en realizar posgrados en esta área; también para aquellos que estén interesados en tener un panorama sobre la industria del petróleo y el gas dentro de los recursos energéticos, que les sirva como una fuente de información y material de consulta y referencia.

Geología del petróleo

La geología del petróleo es una aplicación especializada de la geología; estudia todos los aspectos relacionados con la formación de yacimientos petrolíferos y su prospección.

Rocas

Se define la roca como una masa de material sólido inorgánico u orgánico que ocurre de manera natural y forma parte significativa de la corteza terrestre. La mayoría de las rocas son agregados de minerales. Las rocas son los materiales estudiados por los geólogos de campo, quienes diferencian un tipo de roca de otro y representan los límites o contactos en un mapa que se denomina mapa geológico. Existen tres grupos básicos de rocas que se diferencian por su composición mineralógica y textura: ígneas, sedimentarias y metamórficas.

Ciclo de rocas: es una representación esquemática cíclica de los tres tipos de rocas y los procesos que llevan a su formación y transformación (figura 1).

El magma, masa de material fundido que existe en la astenósfera terrestre (capa del interior de la Tierra que se extiende aproximadamente entre los 50 y los 150 km de profundidad, formada principalmente por rocas plásticas parcialmente fundidas que pueden deformarse), puede subir hasta la superficie a través de fracturas, sufriendo un proceso de enfriamiento denominado solidificación que genera las rocas ígneas, como la obsidiana y el basalto.

Los materiales sobre la superficie terrestre incluyen rocas ígneas, sedimentos y rocas de todas clases. Estos materiales son meteorizados, transportados y acumulados en áreas subsidentes como cuerpos de sedimentos en un proceso que se denomina sedimentación. Después de la compactación y cementación de los sedimentos, proceso que se realiza dentro de la corteza y se denomina de manera general como litificación o diagénesis, se generan las rocas sedimentarias. En profundidades mayores en la corteza, las rocas sedimentarias o de otro tipo sufren un proceso denominado metamorfismo, que ocurre a gran presión y temperatura y deforma las rocas originales, generando un tipo de roca conocido como roca metamórfica; un ejemplo de ellas es el mármol y la cuarcita. Cuando la presión y la temperatura sobrepasan los límites del metamorfismo, las rocas metamórficas sufren una fusión y la posterior solidificación las transforma en rocas ígneas, completándose de esta manera este ciclo de rocas.

Figura 1. Ciclo de las Rocas

Las rocas sedimentarias, en las cuales se ha encontrado la mayoría de los hidrocarburos en el mundo, provienen de la consolidación de sedimentos formados sobre la superficie de la tierra o ambientes marinos, originados por descomposición mecánica de fragmentos de rocas preexistentes por efecto de meteorización, erosión y transporte, que frecuentemente fueron depositados en capas o estratos.

Existen varias clases de rocas sedimentarias, pero relacionadas con el almacenamiento de hidrocarburo se encuentran las areniscas, calizas, dolomitas y arcillas.

Arenisca. De origen detrítico, su color es variable, contiene clastos de tamaño arena (menores a 70 micrones); es de grano grueso, fino o mediano, bien redondeados, de textura detrítica o plástica. Sus partículas están unidas entre sí por una pasta o cemento llamada matrix.

Caliza. Compuesta mayoritariamente por carbonato de calcio, generalmente calcita, puede contener pequeñas cantidades de minerales como arcilla, hematita, siderita, cuarzo, etc. Son fáciles de reconocer por ser monominerales. Su textura puede ser clástica o no clástica. Las calizas son orgánicas formadas por granos delgados de calcita de medios lacustres o marinos, y son bioquímicas, ya que se forman por acumulación de residuos de animales y plantas.

Dolomita. Es de origen químico inorgánico, de textura clástica y no clástica. Está compuesta por carbonato de magnesio, originado por el reemplazo de los calcios en la caliza por magnesio presentes en el agua salada. Son de alta resistencia y poca plasticidad y al ser sometidos a grandes esfuerzos se pueden quebrar causando la creación de grandes fracturas en el sistema.

Arcilla. Es una variedad de la roca sedimentaria detrítica, compuesta por sedimentos de grano fino (menor a 2 micrones). Son formadas por la consolidación del lodo o fango. Las arcillas son sedimentos graneados finamente, de estructura estatificada paralela a su capa formadora. Son rocas sello.

Origen de los hidrocarburos

Desde los comienzos de la explotación del petróleo (año 1859), científicos han dedicado esfuerzos y aplicado tecnología en el estudio de su origen; durante las pasadas quince décadas, recopilando información de diversos análisis e investigaciones de los elementos y procesos que dan su origen, constitución, características físicoquímicas, entre otros aspectos, se han planteado dos teorías: la orgánica y la inorgánica, aclarando que no es la verdad absoluta y se continúa con esa tarea investigativa.

Teoría inorgánica. En esta teoría defendida por los químicos, se describe que el hidrocarburo se forma por reacciones químicas, señalando dos corrientes: la primera, denominada la teoría del carburo, que se fundamenta en experimentos de laboratorio y plantea que los carburos de calcio, aluminio, hierro y otros elementos en presencia de agua caliente producen hidrocarburo. Se presume que en el interior de la tierra existían grandes cantidades de estos compuestos, que a grandes profundidades en presencia de agua caliente formaban hidrocarburos líquidos y gaseosos que través de grietas llegaban a la superficie.

La segunda corriente, denominada teoría de los carbonatos,