UNIVERSIDAD AUTONOMA DEL CARMEN
Ciudad del Carmen, Campeche, México DEPENDENCIA ACADEMICA DE CIENCIA QUIMICA Y PETROLERA
GEOLOGIA DE EXPLOTACION DE PETROLEO, AGUA Y VAPOR PROFESOR: ING. VICTOR MANUEL GARDUZA RUEDA TEMA: HIDROCARBUROS PRESENTAN: PATRICIA TREJO YUDICHE MICHELLE HARO PEÑA GUILLERMO LIRA GUZMAN
HIDROCARBUROS
Contenido
Introducción ................................................................................................................................................... 2 Componentes de la materia orgánica (macérales) ............................................................................................. 3 Procesos para la transformación de la materia orgánica ................................................................................... 3 -Diagénesis ..................................................................................................................................................... 3 Kerogeno ........................................................................................................................................................ 4 Tipo I .............................................................................................................................................................. 5 Tipo II ............................................................................................................................................................. 5 Tipo III ............................................................................................................................................................ 5 Tipo IV ............................................................................................................................................................ 6 -Catagénesis ................................................................................................................................................... 6 Profundidad de 2,100 a los 5,500 m .............................................................................................................. 6 -Metagénesis.................................................................................................................................................. 7 Clasificación de los hidrocarburos ...................................................................................................................... 8 Clasificación según API ................................................................................................................................... 8 Clasificación según el número de carbonos ................................................................................................... 9 Clasificación según su estructura ................................................................................................................. 10 Hidrocarburos alifáticos saturados................................................................................................................... 10 Alcanos o parafinas ...................................................................................................................................... 10 Hidrocarburos cíclicos saturados...................................................................................................................... 11 Cicloalcanos o naftenos ............................................................................................................................... 11 Hidrocarburos alifáticos insaturados................................................................................................................ 13 Alquenos (olefinas) ...................................................................................................................................... 14 Alquinos (Acetilenos) ................................................................................................................................... 14 Hidrocarburos Cíclicos Insaturados ................................................................................................................ 15 Cicloalquenos ............................................................................................................................................... 15 Cicloalquinos ................................................................................................................................................ 15 Aromáticos ................................................................................................................................................... 15 Hidrocarburos Aromáticos ............................................................................................................................... 16 Conclusiones ................................................................................................................................................ 17
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Introducción
Los hidrocarburos son compuestos orgánicos formados únicamente por átomos de carbono e hidrógeno. La estructura molecular consiste en un armazón de átomos de carbono a los que se unen los átomos de hidrógeno. El petróleo en la naturaleza se encuentra esencialmente en los siguientes estados: como gas natural (no condensa al ser llevado a las condiciones de presión y temperatura de la superficie terrestre); como condensado (fracción gaseosa del petróleo en el yacimiento la cual pasa al estado líquido bajo las condiciones de presión y temperatura de la superficie terrestre); como crudo (petróleo líquido que alcanza la superficie a través de una perforación); como mene (petróleo líquido que alcanza la superficie de modo natural) y como asfalto o bitumen. Este último es petróleo solido que puede estar concentrado en formas de lagos de asfalto o difuso en rocas sedimentarias. Es necesario que la roca generadora se encuentre dentro de una Cuenca Sedimentaria que sufra procesos de subsidencia (hundimiento por su propio peso) y enterramiento, con un aporte suficiente de sedimentos. La roca generadora debe ser enterrada a una profundidad suficiente (más de 1000 m) para que la materia orgánica contenida pueda madurar hasta convertirse en aceite y/o gas. Estas medidas limitan el número de cuencas en el mundo que tienen interés petrolero al 50% de las existentes.
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Componentes de la materia orgánica (macérales)
Fragmentos orgánicos diseminados, que pueden agruparse en las siguientes unidades: • Vitrinita: principal tipo de maceral en muchos kerógenos y componente esencial del
carbón. Aparece en casi cualquier medio de depósito. • Exinita: derivada de algas, esporas, polen y ceras. No es muy común. Indica un
medio lacustre o marino somero. • Inertinita: proviene de varias fuentes de materia orgánica (marina o continental)
que han sido muy oxidadas durante la depositación. • Amorfinita: no es un componente "real" de los macérales, ya que incluye todos los
componentes amorfos. Son los componentes más interesantes para la formación de petróleo, pues al estar más comprimidos, madura a menores temperaturas. Procesos para la transformación de la materia orgánica
-Diagénesis
Cambios químicos y físicos en sedimentos, ulteriores a su depósito, por los cuales se convierten en rocas consolidadas. Según las facies de su entorno, comprenden compactación, cementación, recristalización y, raras veces, reemplazamiento iónico. El metano generado en esta fase recibe el nombre de biogénico o biológico, corresponde con gas seco y es producido por el proceso de descomposición de la materia orgánica. El O2 se pierde rápidamente durante la diagénesis, en forma de CO 2 y H2O. Se presenta generalmente la consolidación del sedimento, es decir, las fracciones sueltas se convierten en rocas sedimentarias. La mayor parte de la materia orgánica que se conserva se transforma en Kerógeno. El hidrocarburo más importante que se forma durante la diagénesis es el metano. Uno de los principales agentes de la transformación durante la diagénesis temprana es la actividad microbiana.
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Diagénesis temprana
Los biopolímeros (compuestos orgánicos, tales como carbohidratos, proteínas, etc.) son sometidos a un ataque microbiano, que se realiza a poca profundidad (con presiones litostáticas entre 0 y 300 bares) y bajas temperaturas (entre 0° y 50 °C). Este ataque origina la degradación de los biopolímeros (ácidos grasos, aminoácidos, etc.); estos al ser sometidos a procesos de condensación y polimerización, se convierten en una serie de compuestos estructurados que reciben el nombre de geopolímeros (precursores del kerógeno). Kerogeno
Es la fracción de la materia orgánica en las rocas sedimentarias que es insoluble en ácidos, bases (solventes alcalinos acuosos) y en solventes orgánicos comunes, ya que está compuesto básicamente de grasas y ceras. Los kerógenos ricos en lípidos son propensos a generar hidrocarburos líquidos, mientras que los que son pobres en lípidos generarán principalmente gas. En términos químicos los compuestos del petróleo pueden dividirse en 2 clases:
Hidrocarburos saturados (alifáticos). Es una mezcla de diferentes tipos
estructurales (Petrov, 1987).
Hidrocarburos insaturados (fracción compuesta). No son encontrados en
aceites crudos normales y en la acumulación de gas natural. Desde que estos compuestos son inestables bajo condiciones geológicas, sólo trazas insignificantes son observados en algunos casos. El análisis del tipo de kerógeno sirve para determinar la calidad y el tipo de hidrocarburo que puede generar, en función de establecer las relaciones atómicas H/C y O/C. En función de estas relaciones, de su origen y composición, se puede dividir en cuatro tipos:
Tipo I Tipo II Tipo III Tipo IV
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Tipo I
alto valor de H/C (cerca de 1.5 o más) bajo O/C, (generalmente menor de 0.1) derivado de productos algáceos (medios marinos) potencial generador de hidrocarburos líquidos común en lutitas petrolíferas, Ej. Lutita Green River (Eoceno)Wyoming, Utah, Colorado. poco común (difícil de encontrar) alto rendimiento en la pirolisis de compuestos volátiles.
Tipo II
Relativamente alto valor de H/C Bajo de O/C, Menor calidad Menor calidad de materia orgánica Derivado de fitoplancton, zooplancton, microorganismos (bacterias), plantas y animales superiores (mezcla de material continental y marino) (algas marinas, polen, esporas, ceras de hojas y resinas fósiles, lípidos bacteriales) Frecuente en muchas rocas generadoras y en lutitas aceitíferas, Ej. Lutitas del Kimmeridgiano (Jurásico Superior), del Mar del Norte, del Toarciano (Jurásico Inferior), en París, Cenomaniano-Turoniano (Cretásico Superior), del Medio Oriente, Fm. Monterrey del Mioceno, USA. Jurásico Superior del Golfo de México. Menor rendimiento en la pirolisis que el de tipo I En la catagénesis produce aceite y gas (hidrocarburos líquidos ricos en Aromáticos, nafténicos y n-alcanos) Genera la mayor parte de los aceites de los yacimientos de hidrocarburos actuales El azufre se encuentra presente en cantidades notables.
Tipo III
Bajo valor de H/C (menos de 1.0) Alto de O/C (0.2 o 0.3). Se compone de Materia orgánica terrestre (celulosa y lignina) Carente de compuestos grasos o cerosos. Provisto por restos muy macerados de plantas terrestres, o marinos, pero sometidos a una fuerte oxidación. Tiene muy bajo potencial generador, principalmente de gas o carbón Con inclusiones de kerógeno tipo II puede generar algo de líquidos. 5
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Tipo IV
Muy bajo valor de H/C Medio de O/C Consiste principalmente de material orgánico retrabajado y de compuestos altamente oxidados de cualquier origen. Materia orgánica rica en inertinita, por lo que no produce aceite o gas. Se le considera como un kerógeno sin potencial para generar hidrocarburos.
El H2 se pierde más rápidamente durante la catagénesis y metagénesis, por la generación de hidrocarburos. Con la pérdida de H 2 la capacidad de generación de hidrocarburos disminuye hasta agotar su potencial petrolífero. -Catagénesis
Los sedimentos ya están consolidados Profundidades mayores a 1, 000 m. El Kerógeno sufre transformación térmica y genera el petróleo (geomonómero), gas húmedo y condensado. A condiciones más drásticas de temperatura y profundidad, se produce la generación de gas seco o metano catagénico.
Profundidad de 2,100 a los 5,500 m
A los 2.6 Km se alcanza el máximo pico de generación de hidrocarburos líquidos. Entre los 3.0 y 3.5 km se pasa a la catagénesis tardía, produciéndose menos aceite y más gas; por lo tanto es la principal zona de formación de gas (seco y húmedo), originándose pequeñas fracciones de hidrocarburos condensados. La temperatura juega un papel muy importante en los cambios que experimenta la materia orgánica por el incremento del gradiente geotérmico. A los 60° C empieza la generación principal de hidrocarburos líquidos, los cuales son pesados y ricos en nitrógeno, azufre y oxígeno. Con el incremento de temperatura los aceites se van haciendo sucesivamente más ligeros: a los 100 °C se produce la máxima generación. Por encima de los 100°, la generación de hidrocarburos disminuye y se forman hidrocarburos condensados y gases. 6
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La ventana de generación de hidrocarburos líquidos se cierra a los 175 °C. Es importante señalar que la generación directa desde el kerógeno termina en los 225 °C
-Metagénesis
Se realiza generalmente a grandes profundidades y altas temperaturas. En esta etapa la materia orgánica residual se transforma en metano y el carbón en antracita. Existe algo de generación adicional de hidrocarburos (principalmente metano) a partir del Kerógeno. Los hidrocarburos líquidos generados previamente también se desintegran y se convierten en gas. Es la etapa de rearreglo estructural del Kerógeno residual.
La metagénesis está considerada también como el inicio del metamorfismo. Se desarrolla a temperaturas mayores a los 225 °C y es la última etapa dentro de la transformación de la materia orgánica, considerada importante para la generación de gas. 7
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En esta etapa la materia orgánica residual se transforma en metano y el carbón en antracita. Existe algo de generación adicional de hidrocarburos (principalmente metano) a partir del kerógeno.
Los hidrocarburos líquidos generados previamente también se desintegran y se convierten en gas. Es la etapa de rearreglo estructural del kerógeno residual.
Cuando el sepultamiento es mayor a los 10 km, inicia el proceso de metamorfismo, teniendo como resultado la transformación del carbón en meta-antracita y del kerógeno residual en grafito. En estas condiciones, es imposible considerar la producción aun mínima de hidrocarburos gaseosos. Clasificación de los hidrocarburos
Los crudos tienen características físicas y químicas muy variables de un campo de producción a otro e incluso dentro de un mismo yacimiento. El petróleo crudo y las fracciones que provienen de él están conformados de moléculas denominadas hidrocarburos y por una combinación de átomos de carbono tetravalentes con átomos de hidrógeno monovalentes. Por otro lado, el petróleo crudo contiene, azufre, oxígeno y nitrógeno bajo la forma de compuestos tales como sulfuro de hidrógeno, mercaptanos, disulfuros y polisulfuros, ácidos nafténicos, etc. También se observan en el petróleo crudo, sedimentos y agua salada, provenientes del yacimiento o del transporte en buques petroleros. Clasificación según API
La densidad API (definida por el American Petroleum Institute) es una clasificación en la que se basan muchos petroleros para definir el tipo de crudo. La propia clasificación nos da una idea de la viscosidad o fluidez de cada crudo. Clasificación del crudo según API
Crudos Livianos 30-40°
Crudos Medianos 22-29.9°
Crudos Pesados 10-21.9° Crudos Extrapesados Menos 10° 8
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Los métodos de clasificación constituyen elementos indicativos de las características generales de un tipo de crudo. Uno de los sistemas más utilizados es el de gravedad específica o grado API. Por ejemplo, dentro de los crudos de un área específica, un crudo de 40 API (gravedad específica igual a 0.825) tiene, por lo general, un valor mayor que un crudo de 20 API (gravedad específica igual a 0.934) debido a que contiene más fracciones ligeras por ejemplo, gasolinas y menor cantidad de constituyentes pesados tales como los residuos asfalténicos. Así, se pueden encontrar cuatro tipos de crudos: Crudos Mexicanos
Maya-22° pesado Istmo-34° ligero Olmeca-39° extra ligero La valoración de un crudo también depende de su contenido de azufre. Cuanto mayor sea el contenido de azufre, menor será su precio en el mercado.
Clasificación según el número de carbonos
Gases
Líquidos
Solidos
C 1 – C 4
C 5 – C 17
C 18 – C 70…
Metano Etano Propano n-butano
n-pentano n-hexano n-heptano n-octano n-nonano
n-octadecano n-nonadecano n-eicosano n-heneicosano n-docosano n-tricosano
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n-decano n-undecano n-dodecano n-tridecano n-tetradecano
n-tetracosano n-pentacosano n-triacontano n-pentatriacontano n-hexacontano n-hexacontano
n-pentadecano n-hexadecano n-heptano
n-dohexacontano ntetrahexacontano n-heptacontano
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Clasificación según su estructura Las cadenas moleculares carbono-carbono pueden ser:
•
Unidos por enlace simple:
•
Unidos por enlace múltiple:
Doble:
Triple:
Hidrocarburos alifáticos saturados
Alcanos o parafinas Están constituidos por una cadena de átomos de carbono enlazados cada uno de 0 a 3 átomos de hidrógeno, excepto en el más sencillo, el metano: (CH 4). Cada carbono está ligado siempre a otros cuatro átomos (carbono o hidrógeno); y su fórmula general es: C n H 2n+2
1. Cadena recta única: parafínicos o n-alcanos, ( …ano). 2. Cadena ramificada: isoparafinas. (iso…ano) 3. Cadena cerrada: Naftenos o clicloanos.
Cuando su estructura es de cadena recta se llaman parafinas normales o n-alcanos Los átomos de hidrógeno pueden ser sustituidos por carbonos o cadenas hidrocarbonadas, formando las isoparafinas o isoalcanos. 10
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Estas ramificaciones pueden situarse en diferentes puntos de la cadena, lo que da lugar a moléculas diferentes, con igual número de carbonos, llamados isómeros. Algunas constantes física de alcanos
Hidrocarburos cíclicos saturados
Cicloalcanos o naftenos
En estos hidrocarburos hay una ciclación total o parcial del esqueleto carbonado. El número de átomos de carbono del anillo formado puede ser variable Tienen temperaturas de ebullición y densidades superiores a los de los aléanos del mismo número de átomos de carbono. En los petróleos crudos, los anillos más frecuentes son los de cinco o seis átomos de carbono. En estos anillos, cada átomo de hidrógeno puede ser sustituido por una cadena parafínica recta o ramificada, llamada alquilo. La fórmula general de los cicloalcanos de un sólo ciclo es : C n H 2n
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Existen, igualmente, cicloalcanos formados por 2,3,4... anillos condensados. Así la decalina: La formula para estos casos es: C n H 2n-2
Algunas constantes física de cicloalcanos
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Hidrocarburos alifáticos insaturados
En esta familia, algunos átomos de carbono de la molécula están ligados sólo a tres átomos, lo que implica la presencia de uno o varios dobles enlaces carbono-carbono. Esta existencia de dobles enlaces da lugar a una situación mucho más compleja en la formación de isómeros que en las familias precedentes. Algunos hidrocarburos insaturados
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Alquenos (olefinas) Las olefinas apenas se encuentran en el petróleo crudo o en los productos de destilación directa (llamados «straight run» en inglés) pero pueden estar presentes en los productos del refino particularmente en las fracciones procedentes de los procesos de conversión de fracciones pesadas, ya sean térmicos o catalíticos. Los primeros componentes de esta familia son también materias básicas de gran importancia en petroquímica (etileno, propileno, butenos...). Etileno Propileno Buteno 1 Buteno 2 Iso Butileno Penteno 1 2-Metil-Buteno-1 3-Metil-Buteno-1 Hexeno-1 Hepteno-1 Octeno-1
Alquinos (Acetilenos) Los alquinos son hidrocarburos que contienen enlaces triples carbono-carbono. La fórmula molecular general para alquinos acíclicos es C nH2n-2 y su grado de insaturación es dos. El acetileno o etino es el alquino más simple, fue descubierto por Berthelot en 1862.
Los alquinos tienen unas propiedades físicas similares a los alcanos y alquenos. Son poco solubles en agua, tienen una baja densidad y presentan bajos puntos de ebullición.
Acetileno Metil-acetileno Etil-acetileno Dimetil-acetileno Pentino-1 Pentino-2 3 Metil-butino-1
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Hidrocarburos Cíclicos Insaturados
Teniendo en cuenta sólo el ciclo de seis átomos de carbono, la instauración puede darse en tres formas: simple, doble o triple, ya que en este núcleo resulta imposible que se den dos dobles enlaces consecutivos. 1 doble enlace: cicloolefínicos, como el ciclohexeno; 2 dobles enlaces: ciclodiolefínicos, como el ciclohexadieno; 3 dobles enlaces: bencénicos o aromáticos. Cicloalquenos Son hidrocarburos cuyas cadenas se encuentran cerradas y cuentan con al menos un doble enlace covalente, como es el caso del ciclopropeno. Al ser cadenas cerradas, se presenta la insaturación de dos átomos de hidrógeno, además, por presentar enlaces covalentes dobles, cada enlace de estos supone dos insaturaciones menos.
1.-ciclopropeno 2.-ciclobuteno 3.-ciclopenteno 4.-ciclohexeno 5.-ciclohepteno 6.-ciclooctaeno 7.-ciclononeno 8.-ciclodeceno Cicloalquinos
Son los alquinos cíclicos, es decir, cadenas hidrocarbonadas cíclicas con enlaces triples entre carbonos. Se les clasifica dentro de los hidrocarburos aliciclicos. 1.-ciclopropino 2.-ciclobutino 3.-ciclopentino 4.-ciclohexino 5.-cicloheptino 6.-ciclooctino 7.-ciclononino 8.-ciclodecino Aromáticos
Esta última estructura cíclica no saturada responde a una forma estable de la molécula, motivo por la que es mucho más frecuente que las dos anteriores. Los hidrocarburos bencénicos se encuentran en los petróleos crudos en proporciones variables; los crudos de Borneo y Sumatra poseen una naturaleza aromática muy pronunciada.
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Hidrocarburos Aromáticos
Son hidrocarburos cíclicos poliinsaturados que están presentes en una gran proporción en los crudos de petróleo. La presencia en su fórmula de uno o más ciclos con tres dobles enlaces conjugados les confiere unas notables propiedades. Así, los primeros compuestos (benceno, tolueno, xilenos) son materias primas fundamentales de la petroquímica (además contribuyen igualmente a aumentar el número de octano de las gasolinas). Su formula general es: C n H 2n-6
La base elemental común a todos estos hidrocarburos aromáticos es el anillo bencénico (fórmula de Kekulé):
Alguna información de hidrocarburos aromáticos
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Conclusiones
Los hidrocarburos constituyen los elementos esenciales del petróleo; sus moléculas no contienen más que carbono e hidrógeno y se dividen en varias familias químicas según su estructura. La materia orgánica experimenta procesos geológicos como sepultamiento, compactación y químicos tales como polimerización y ataque microbiano a ciertas profundidades, los biopolímeros (materia orgánica) se degradan dando paso a materiales tipo húmico. Las fracciones sueltas se convierten en rocas sedimentarias y la materia orgánica se transforma en kerógeno, la fracción insoluble y el bitumen que es la parte soluble. Es muy importante comprender y analizar la clasificación de los hidrocarburos, para interpretar y analizar estudios sobre yacimientos petroleros.
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Bibliografía McCain, W. “The Properties of the Petroleum Fluids”. Gulf Publishing Co. 1988. Berkowitz Norbert. 1997. Fossil Hydrocarbons. Chemistry and Technology. Academic Press, United States of America. 30 años al servicio de la industria petrolera nacional, IMP, México, 1995, 104 p. Pazos, Luis, Mitos y realidades del petróleo mexicano, Ed. Diana, 1989, 152 p
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