LE SCIENZE DEL PETROLIO:
GEOCHIMICA E GEOLOGIA E GEOSTATICA
Geochimica del petrolio
La geochimica del petrolio si occupa dello studio degli idrocarburi, liquidi e gassosi, prodotti
in natura. Gli studi sulle rocce madri generalmente forniscono informazioni sulla quantità di petrolio
o gas naturale che la roccia è potenzialmente in grado di generare e sul livello di maturità di un
particolare campione. Gli studi iniziali sono volti a identificare la tipologia della fonte, il grado di
maturità e le alterazioni associate agli idrocarburi. Tali determinazioni sono tipicamente eseguite
tramite metodiche analitiche che sfruttano gli isotopi del carbonio, biomarcatori e metodi
spettroscopici quali la spettroscopia IR. I dati ottenuti possono essere anche utilizzati per interpretare
la storia di un dato giacimento di petrolio, inclusi gli itinerari di migrazione verso le rocce serbatoio,
il tempo trascorso nella riserva e altri meccanismi di alterazione. Infine, una dettagliata indagine
geochimica può aiutare a identificare giacimenti il cui sfruttamento può essere particolarmente
ostacolato dalla struttura geologica.
Mentre la geologia degli idrocarburi tende a focalizzarsi maggiormente sugli aspetti geologici
legati al petrolio, la geochimica del petrolio si sofferma invece maggiormente sui fenomeni e
trasformazioni geochimiche correlate e sulla caratterizzazione chimica del petrolio e del gas naturale.
Geologia degli idrocarburi
Il termine di geologia degli idrocarburi è usato per indicare uno specifico gruppo di
discipline di scienze della Terra che si sono sviluppate ed applicate alla ricerca e produzione di
idrocarburi dal sottosuolo a partire dall'inizio del XX secolo.
Concetti base
Trappola strutturale: la faglia pone a contatto un reservoir poroso e permeabile contro un
livello impermeabile che funge da copertura del reservoir. Il petrolio (in rosso) si accumula al disotto
del livello poroso. Al riempimento dello spazio disponibile chiuso dal livello poroso, ogni successivo
arrivo di petrolio, in migrazione dalla "roccia madre" non sarà più intrappolato e sfuggirà in
superficie.
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Sezione sottile di una roccia serbatoio clastica, lo spazio dei pori e' colorato in viola
La geologia degli idrocarburi principalmente si occupa di individuare, definire e valutare
alcuni elementi chiave, che concorrono alla formazione di un giacimento di idrocarburi entro un
bacino sedimentario:
Condizioni necessarie per un giacimento
Affinché avvenga la formazione di un accumulo convenzionale di idrocarburi entro le rocce
della crosta terrestre è necessaria la combinazione di alcuni fattori litologici e l'accadere di una serie
di eventi geologici.
Tre sono gli elementi litologici che devono essere presenti nel bacino sedimentario:
1. Roccia madre (source rock), in cui si è originato l'idrocarburo, la sua assenza preclude la
possibile esistenza di giacimenti di idrocarburi. La roccia madre è caratterizzata da un elevato
contenuto di carbonio organico, rispetto alla media delle rocce sedimentarie, proveniente
dall'accumulo di organismi deposatisi sul fondo del bacino sedimentario assieme alle
componenti mineralogiche della roccia madre, che nella maggior parte dei casi è costituita da
argilla e altre componenti terrigene a granulometria molto fine, che permette una miglior
conservazione della materia organica.
2. Roccia serbatoio (reservoir), ossia una roccia dotata di porosità che nel sottosuolo può fungere
da "contenitore" per gli idrocarburi che riempiono lo spazio dei pori entro la roccia.
Solitamente si tratta di porosità intragranulare per le rocce di tipo clastico (come sabbie,
ghiaie) o di dissoluzione vacuolare per rocce carbonatiche. Contrariamente a quanto spesso
scritto nella stampa popolare non esistono grotte, caverne o laghi sotterranei contenenti
idrocarburi.
3. Roccia di copertura (cap rock), è una roccia impermeabile, quindi con bassa o nulla porosità,
in posizione geometrica sovrastante la roccia serbatoio, che confina l'idrocarburo in un
volume ben definito di roccia impedendone la sua migrazione verticale verso l'alto.
Tre sono anche gli eventi geologici che debbono essere avvenuti per permettere la formazione di
un giacimento:
1. Generazione dell'idrocarburo (Maturation) per degradazione della materia organica contenuta
nella roccia madre nel corso del tempo geologico per effetto della temperatura e pressione, a
cui si può aggiungere la generazione di metano per effetto di attività batteriologica sulla
materia organica. Il luogo di generazione dell'idrocarburo è gergalmente detto "kitchen".
2. Migrazione dell'idrocarburo (Migration) generato dalla roccia madre, tendenzialmente verso
l'alto per effetto del galleggiaento entro l'acqua presente nei pori della roccia, secondo il
percorso di miglior permeabilità, e suo accumulo nella roccia serbatoio, solitamente posta in
posizione superiore o lateralmente rispetto alla "kitchen".
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3. Presenza di una trappola (trap), ossia una combinazione di successioni rocciose, che includa
la roccia serbatoio, con un assetto strutturale tale da intrappolare gli idrocarburi nel sottosuolo
fermando la loro migrazione, impedendo quindi loro di risalire ulteriormente fino alla
superficie del suolo. Solitamente, a seconda della geologia locale si ha una trappola strutturale
a seguito degli eventi tettonici dell'area, o formazione di una trappola stratigrafica, oppure una
trappola mista creata dalla combinazione delle due condizioni precedenti.
Procedure della ricerca e studio di giacimenti
In generale, tutti questi elementi vengono riconosciuti e studiati attraverso osservazioni parziali
del sottosuolo, possibili con i dati e le informazioni che vengono raccolte prima con studi stratigrafici
regionali, osservazioni di eventuali manifestazioni in superficie di idrocarburi e se avvenuta e
disponibile, analisi della preesistente attività per ricerca e produzione di idrocarburi nell'area, quindi
seguono prospezioni geofisiche (principalmente rilievi sismici e gravimetrici) infine, se gli studi
confermano la possibilità di ritrovamenti economicamente utili con l'indicazione di prospetti di
ricerca, con la perforazione di uno o più pozzi esplorativi nella area investigata per verificare
direttamente l'esistenza del giacimento. Nel valutare questi dati occorre considerare che ogni pozzo
perforato fornisce informazioni lungo un segmento monodimensionale entro un universo
tridimensionale, caratterizzato da variazioni laterale delle proprietà geologiche. La capacità di
estrapolare informazioni a carattere tridimensionale, da dati monodimensionali rappresenta una delle
maggiori sfide interpretative degli studi geologici di sottosuolo. Recentemente la disponibilità di
registrazioni sismiche in 3D, aventi alta qualità come risoluzione e facilmente analizzabili al
computer ha notevolmente migliorato le possibilità interpretative della geologia del sottosuolo.
La valutazione della roccia madre richiede analisi geochimiche per quantificare la presenza del
carbonio di origine organica, entro la roccia, classificarlo in funzione della sua origine e valutarne la
sua qualità naftogenica. Da queste analisi è possibile dedurre quale sarebbe il tipo e la qualità di
idrocarburi che può o potrebbe essere stato generato.
Impianto di piattaforma offshore per la perforazioni di pozzi per la ricerca e produzione di idrocarburi in mare
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Caratteristiche petrofisiche delle rocce considerate
La roccia serbatoio o reservoir (quest'ultimo termine è il più comunemente usato), è una unità
litologica porosa e permeabile, che può essere costituita da un unico corpo roccioso, o una successione
di numerosi corpi, in grado di immagazzinare idrocarburi entro i suoi pori e con permeabilità tale da
permetterne l'emungimento tramite i pozzi di produzione. L'analisi di un reservoir richiede la
valutazione quantitativa della sua porosità, necessaria per determinare il volume in situ degli
idrocarburi nel giacimento. Tipiche rocce reservoir sono le sabbie, le arenarie e le rocce carbonatiche
(calcari e dolomie). Le discipline chiave per l'analisi dei reservoir includono la stratigrafia,
sedimentologia, la geologia strutturale la petrofisica e l'ingegneria dei giacimenti.
La roccia di copertura è una unità litologica, geometricamente sovrastante il reservoir,
caratterizzata petrofisicamente da permeabilità molto bassa o nulla, che ferma, impedendo il flusso
di fluidi, la migrazione verso l'alto degli idrocarburi, mantenendoli accumulati entro il reservoir. Le
rocce di copertura più comuni sono evaporiti come gessi, anidriti, salgemma e soprattutto le argille.
Il termine "trappola" indica una particolare conformazione geometrica, composizionale (sia
stratigrafica che strutturale) che assicura una sovrapposizione geometricamente verticale di un
reservoir e della roccia di copertura, che permette che gli idrocarburi rimangano intrappolati nel
sottosuolo, piuttosto che risalire, tramite la spinta di Archimede (essendo più leggeri dell'acqua
sempre presente nel sottosuolo), galleggiando fino alla superficie terrestre[1].
Studi di naftogenesi
L'analisi della genesi dell'idrocarburo include il riconoscimento della storia termica della
roccia madre per individuare i tempi geologici della sua maturazione, generazione degli idrocarburi
e loro espulsione dall'unità della roccia madre e stimare i possibili volumi di idrocarburi prodotti.
Il riconoscimento dei dettagli della migrazione dell'idrocarburo e del percorso seguito permette di
identificare possibili zone interessate da accumuli di idrocarburi, comprendere la ragione delle
possibili variazioni di qualità di idrocarburi tutti provenienti dalla stessa roccia madre ed infine di
identificare l'area di generazione degli idrocarburi.
Geostatistica
La geostatistica è quella branca della statistica che si occupa dell'analisi di dati geografici. Il
suo campo classico di applicazione sono le Scienze della Terra, in particolar modo nella Geografia,
Geologia, Geologia Ambientale, Ecologia, Meteorologia, Agronomia. Trova applicazione anche in
altri campi come le analisi economiche, studi epidemiologici, ecc.
La geostatistica si occupa di valutare l'autocorrelazione spaziale dei dati, cercando di
verificare se osservazioni effettuate in punti vicini presentano effettivamente una maggiore
correlazione rispetto ad osservazioni poste in punti distanti. L'obiettivo è quindi valutare come tale
autocorrelazione vari in funzione del vettore separazione considerato (quindi distanza e direzione).
La struttura di continuità spaziale viene di solito derivata dai dati mediante l'analisi ed inferenza del
semivariogramma.
Lo studio della continuità spaziale e il necessario studio esplorativo dei dati consentono di
analizzare in estremo dettaglio i fenomeni analizzati, permettendo di comprendere la struttura
statistico-spaziale dei dati in termini dei processi fisico-chimici coinvolti. Lo studio ed inferenza del
variogramma sono anche necessari per utilizzare gli algoritmi di interpolazione della famiglia del
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kriging. Il kriging, come altri interpolatori, utilizzano una combinazione lineare di dati noti per
stimare il valore della proprietà di interesse in un punto non campionato. In pratica si tratta di una
media pesata in cui il criterio di pesatura mira ad ottenere la minimizzazione e non distorsione
dell'errore. In questo senso il kriging viene detto BLUE (Best Linear Unbiased Estimator: alla fine ci
si ritrova con le equazione normali della regressione lineare). Dal punto di vista operativo, gli
interpolatori della famiglia del kriging effettuano le interpolazioni tenendo conto delle distanze tra il
punto di stima e i dati noti e delle interdistanze tra i dati noti stessi (quindi del loro grado di
addensamento o clustering). L'oggettività del metodo geostatistico risiede nel fatto che il criterio di
pesatura che tiene conto della geometria di campionamento è basato sulla struttura stessa di continuità
spaziale (variogramma ed in ultima funzione covarianza) e quindi sulle stesse caratteristiche di
variabilità spaziale dei dati.
Di seguito si riportano alcuni metodi di interpolazione tra cui anche il kriging:
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Inverso della distanza pesato (IDW)
kriging
regressioni polinomiali
regressioni spline
natural neighbour
triangolazione
Si esalta il lato applicativo di questa disciplina grazie allo sviluppo dei Sistemi d'Informazione
Geografica (GIS) che spesso offrono al loro interno strumenti statistici atti alla modellizzazione dei
fenomeni ambientali.
Il dottor Herbert Sichel ed il professor Danie Krige sono stati i pionieri della geostatistica, mentre
Georges Matheron è unanimemente riconosciuto come il padre della Geostatistica. È da ricordare lo
sviluppo parallelo dell'analisi oggettiva di L. S. Gandin, inizialmente applicata in campo
meteorologico e oceanografico.
Scisto bituminoso
Campione di scisto bituminoso del giacimento di Messel, in Germania
Gli scisti bituminosi sono sedimenti di colore nero estremamente ricchi di bitume derivante
dall’alto contenuto in sostanze organiche.
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A partire dal 2002 l'Oil & Gas Journal (OGI) li annovera tra le riserve petrolifere. È possibile,
infatti, estrarvi bitume, da cui è possibile ottenere petrolio, ma sono necessari complessi procedimenti
chimici che, in passato, non risultavano economicamente vantaggiosi. Dal 2003, all'aumentare del
prezzo del greggio, risultano utilmente sfruttabili.
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