Progetto Eccellenze
IIS Marconi (Dalmine)
14-16 aprile 2014
Il petrolio
petròlio s. m. [dal fr. pétrole, lat. mediev. petroleum,
cioè petrae oleum «olio di sasso»]. –
1. Nome con cui si indica comunemente il p. grezzo,
liquido di aspetto oleoso, più o meno viscoso, di colore
da giallastro a bruno-nero, dotato di odore
caratteristico e di fluorescenza verde-azzurra: è
costituito da una miscela complessa di idrocarburi
liquidi della serie paraffinica, naftenica e, in piccola
misura, aromatica (per cui si parla, a seconda della
prevalenza, di p. paraffinici, naftenici, ecc.), nei quali
sono disciolti altri idrocarburi, solidi o gassosi, e
contiene anche piccole quantità di composti
ossigenati, solforati, azotati, e misti (resinosi, asfaltici,
ecc.). È detto anche olio minerale
Gli utilizzi del petrolio
Utilizzi più comuni
•
•
•
•
•
•
•
•
Combustibile
Energia
Fertilizzanti
Medicinali e
cosmetici (trucchi,
deodoranti etc.)
Plastica
Tessuti
Asfaltatura strade
etc.
https://www.youtube.com/w
atch?v=drzqi5rZ_hY
Gli usi del petrolio
Carburante
Altro: energia, fertilizzanti, medicinali,
plastica, tessuti, strade etc.
35%
65%
Il petrolio in cifre
Consumo
• Italia: 4,5 l al giorno a testa =>
1.700.000 barili al giorno (~ 270
mil litri, ossia ~ 108 piscine
olimpioniche)
• Europa: 1 barile al mese a testa
(159l l).
• Mondo: 4.932.354.500.000 l al
giorno (~ 25 volte il Lago
Trasimeno) 26 milioni di km (~
68 volte la distanza Terra-Luna)
Produzione
• Mondo: 3.928.000.000 tonnellate
al giorno, ossia 28.057.142.857
barili al giorno (~ 654 piramidi di
Keope)
Gli utilizzi del petrolio (soluzioni)
Come sarebbe la nostra vita senza
petrolio?
Composizione chimica I
•
Il petrolio, in quanto
idrocarburo, è composto da:
– Carbonio : 85%
– Idrogeno : 13%
– Alti elementi : 2%
•
Sono presenti anche atomi
metallici in quantità modeste,
combinati con i composti
organici, o in sali disciolti in
tracce d'acqua:
– nichel, vanadio, molibdeno,
cobalto, cromo, cadmio,
piombo, arsenico, mercurio
Composizione chimica
Carbonio
Idrogeno
Altri elementi (zolfo, azoto, ossigeno)
2%
13%
85%
Composizione chimica II
Il greggio è un'emulsione di idrocarburi
(cioè composti chimici le cui molecole sono
formate da idrogeno e carbonio) con
acqua ed altre impurità
–
emulsióne s. f. [dal fr. émulsion, der. del lat.
emulsus, part. pass. di emulgēre «smungere»,
comp. di e-1 e mulgēre «mungere»]. – In
chimica fisica, miscela costituita dalla
dispersione di goccioline di un liquido (fase
dispersa o discontinua) in un altro (fase
disperdente o continua) nel quale sono insolubili
o quasi
Il petrolio è una miscela costituita
costituito principalmente da
idrocarburi appartenenti alle classi
degli alcani (o paraffine), cicloalcani (o
nafteni) e in quantità minore
idrocarburi aromatici, il cui rapporto
varia a seconda del giacimento.
–
miscèla s. f. [dal lat. miscellus (agg.) «misto»,
der. di miscere «mescolare», rifatto col suff. di
cautela, querela e sim.], in chimica, aggregato
(detto anche miscuglio) di due o più sostanze
(componenti della m.) mescolate tra loro, la cui
composizione può variare in un intervallo ampio
e nel quale ogni componente conserva le sue
proprietà chimiche essenziali
Composizione chimica del
petrolio
Alcani (o paraffine)
Cicloalcani (o nafteni)
Idrocarburi aromatici
Altre sostanze
5%
30%
25%
40%
Origine e formazione
• Origine non biologica (teorie abiogene)
• Origine biologica (teoria biogenica, naftogenesi)
Origine non biologica I
Formazione attraverso processi non biologici
•
•
Marcellin Berthelot e Dimitri Mendeleev secolo XIX: formazione di
depositi di carbonio nel mantello superiore della crosta terrestre.
Polimerizzazione delle molecole di metano, per azione di alte
temperature e forte pressione, fino a formare lunghe catene
idrocarburiche
Variante: l'idrolisi di rocce di origine magmatica del mantello, con
conseguente formazione di un fluido ricco in idrogeno e con
metalli catalizzatori (nichel, cromo, cobalto o vanadio). Questo
liquido risalendo, dilava le rocce sedimentarie calcaree superiori,
generando idrocarburi
Origine non biologica II
Ma come spiegare l’esistenza di giacimenti profondi di
idrocarburi?
• Thomas Gold (1992): Teoria della biosfera calda
• J. Kenney (2001): dimostrazione dell’impossibilità
della trasformazione a basse pressioni di carboidrati o
altro materiale biologico in catene idrocarburiche
(leggi della termodinamica)
Origine biologica I
Formazione attraverso processi biologici
Lomonosov, secolo XVIII: Trasformazione di materiale biologico in
decomposizione.
• Alfred E. Treibs (anni ‘30): evidenziazione dell'analogia strutturale
tra una molecola di metalloporfirina (rintracciata nel petrolio) e la
molecola della clorofilla (associata a processi biologici)
ruolo del processo di fotosintesi. Il materiale biologico dal quale
deriva il petrolio è costituito da organismi unicellulari marini vegetali
e animali (fitoplancton e zooplancton) rimasti sepolti nel sottosuolo
centinaia di milioni di anni fa
• Rocce madri: argillose, calcaree e dolomitiche, silicee e carboniose
•
Origine biologica II
• Parallelamente alle trasformazioni che subiscono i
sedimenti per diventare rocce sedimentarie, anche la
materia organica in essi contenuta si modifica e in
particolare i biomonomeri (molecole semplici, come
glicerolo, acidi grassi, amminoacidi, zuccheri, fenoli) si
ricondensano in molecole più complesse chiamate
geopolimeri
• Cherogene
Trasformazione del cherogene I
Stadio I: Diagenesi
•
•
•
•
•
•
Trasformazione del sedimento
in roccia e della sostanza
organica in cherogene
Profondità: 1000 m
Temperatura: 50 °C
Espulsione dell’acqua presente
nel sedimento per
compattazione e nella materia
organica
Distruzione (batteri) dei
biopolimeri e la formazione dei
geopolimeri
Possibile formazione di ligniti e
carboni bruni (quando la
materia organica è quasi
esclusivamente composta di
resti vegetali)
Stadio II: Catagenesi
•
•
•
•
•
•
•
Profondità: > 2000 m
Temperatura: fino a 150 °C
Pressione molto elevata (10001500 bar)
Trasformazione del cherogene
in petrolio (cracking)
Può esserci formazione di
metano
Compattazione delle rocce e dei
sedimenti, diminuzione della
porosità e permeabilità,
ulteriore espulsione di acqua
Maturazione del cherogene e
tempi di cottura
Trasformazione del cherogene II
Stadio III: Metagenesi
•
•
•
•
Proseguimento maturazione del
cherogene
Raggiungimento del punto di
overcooking (stracottura):
perdita ulteriore idrogeno e
ossigeno, arricchimento in
carbonio
Termine della formazione di
idrocarburi liquidi, generazione
si solo metano (in parte
derivata dal cracking termico
del petrolio che si era generato
durante lo stadio precedente)
Trasformazione dei carboni in
antracite
Trasformazione del cherogene III
Stadio IV: Metamorfismo
•
•
•
•
Temperatura: > 150-200 °C
Profondità: > 5-6.000 m si
entra nel campo del
metamorfismo
Assenza di idrocarburi
Trasformazione del residuato
di cherogene in grafite
I giacimenti
Trappola
• Rocce argillose,
impermeabili, di copertura
• Reservoir = rocciaserbatoio, porosa,
permeabile
Manifestazioni petrolifere
Possono essere:
• Superficiali: si evidenziano quando le rocce entro le quali il petrolio ha
migrato intersecano la superficie terrestre. Sono classificate in:
– liquide
– gassose: in genere consistono in un gocciolamento libero di olio, il
quale risale in superficie attraverso le fratture della roccia o
attraverso strati porosi e permeabili
– solide: tra queste particolare importanza rivestono gli scisti
bituminosi (shales)
•
Profonde: sono emissioni superficiali di gas (metano, anidride
carbonica, idrogeno solforato), sono generalmente associate a quelle
liquide e vi è spesso legato il fenomeno del vulcanismo sedimentario.
Le manifestazioni profonde si verificano a seguito di scavi di pozzi e
trincee di varia natura. Sono distinte in:
– liquide
– gassose
– solide
Perché i tubi sono importanti
nell’industria energetica?
Classificazione dei pozzi di estrazione
Pozzi esplorativi (Exploratory wells)
Per scopo
Pozzi di Valutazione (Appraisal Wells)
Pozzi di Sviluppo (Development Wells)
Onshore
Per locazione
Offshore
Verticali
Per direzione
Direzionali
Multilaterali
Classificazione per Locazione
Offshore
Onshore
Fino a 450 m
Fino a 900 m
Fino a 1800 m
Fino a 2100 m
Fino a 1100 m
Fino a 3000 m
Classificazione per Direzione
Verticali
Direzionali
Multilaterali
Ciclo di vita di un pozzo
Pianificazione
Perforazione
Completamento
Produzione
Abbandono
Ciclo di vita di un pozzo
Perforazione del Pozzo
Funzioni del fango di perforazione:
Rimuovere i detriti (fluido tissotropico)
Assicurare la stabilità del pozzo, fornendo una
pressione idrostatica tale da evitare l’ingresso di
fluidi di formazione
Evitare il collasso del pozzo fino all’inserimento
dei tubi di casing
Minimizzare il danneggiamento della formazione
Limitare la corrosione dei tubi di perforazione
Favorire le analisi geofisiche
Tipologie di punte
1) Perforazione per raggiungimento della massima resistenza a taglio
2) Perforazione per raggiungimento della massima resistenza a
compressione
Well Drilling
https://www.youtube.com/watch?v=ws_PhjdN
w7M
Casing Design
Funzioni del casing:
1) Prevenire il collasso delle pareti del pozzo
2) Prevenire la contaminazione dei fluidi di
superficie
3) Fornire supporto al sistema di deviazione
nel caso di una inaspettata riserva di gas
superficiale
Funzioni del tubing:
1) Guidare i fluidi di estrazione alla superficie
2) Consentire l’iniezione di altri fluidi nella
formazione
Sistema di controllo del pozzo
https://www.youtube.com/wa
tch?v=vaGDfagOgek
Produzione
•
•
Primary Recovery
Sfrutta l’energia naturale della riserva
Si estrae circa il 15 – 20% dell’original oil in place
(OOIP)
Secondary Recovery
Viene fornita energia tramite iniezione di acqua
o gas
Si estrae un ulteriore 15 – 20% do OOIP rispetto
al recovery primario
•
•
•
Tertiary Recovery
Si estrae un ulteriore 10 – 15% do OOIP rispetto
al recovery primario
Primary Recovery – Artificial Lift
Beam pumping with sucker rods
Gas Lift
Electro-submersible pump
Progressing cavity pump
Secondary Recovery
Un fluido esterno (i.e. acqua o gas) viene iniettato nel
giacimento attraverso un apposito pozzo di iniezione
• Waterflooding
• Gas Injection
Tertiary Recovery
Steam Flooding
Chemical Flooding
Applications
Shales
Deep Wells
Highly Corrosive Environments
Deepwater
HP/HT
Applications
