martedì 13 dicembre 2011

Alla scoperta del petrolio - Prima parte: genesi, classificazione, individuazione.



Petrolio, gas naturale, idrocarburi… parole ormai entrate nell’immaginario collettivo, di uso comune, che spesso evocano scenari non proprio piacevoli, sia dal punto di vista economico che ambientale.
Da quando fu scoperto il petrolio come possibile fonte di energia, attraverso la produzione di carburanti per raffinazione, questa sostanza oleosa, dall’odore caratteristico, di colore scuro, tendente al nero, ha inciso in modo determinante sia sullo sviluppo industriale della nostra società, che nella scelta delle politiche ambientali su scala mondiale.
Ha permesso a nazioni quasi totalmente inospitali, sotto il profilo ambientale, spesso prive di risorse minerali o idriche, di assumere un potere economico e strategico di primissimo piano.
Deserti incandescenti, spianate di sabbia punteggiate a malapena da qualche sperduta, minuscola oasi, sono divenuti centri di estremo interesse, il fulcro dell’economia energetica su scala globale.
Ma... esattamente cos’è, e come si forma, il petrolio?
Come si riescono ad individuare i giacimenti, a chilometri di profondità al di sotto della superficie terrestre, o dei fondali oceanici?
Ma quanto costa andare in giro per il mondo a cercarlo?
È vero che le riserve si stanno esaurendo, e che nel giro di qualche decennio saremo costretti ad “inventarci” alternative a quello che – a tutt’oggi – continua ad essere l’oro nero?


Innanzitutto, vale la pena ricordare che il petrolio è noto all’uomo da secoli, e che non si tratta affatto di una scoperta di questi ultimi decenni. Infatti, il nome stesso “petrolio”, deriva dalle parole latine “petrae” ed “oleum”, che significano rispettivamente pietra ed olio. Dunque, “petrolio” significa letteralmente “olio delle pietre”.
Ai romani erano noti, infatti, i piccoli laghetti di idrocarburi, caratteristici di alcune zone dell’Italia meridionale (Lucania in particolare), originati dalla risalita di idrocarburi dal sottosuolo, in presenza di rocce permeabili.
Certo, i nostri progenitori non erano in grado neanche lontanamente di immaginarne, né tantomeno di sfruttarne, le proprietà energetiche. Ci sarebbero voluti quasi due millenni, prima che cio potesse accadere...
Ad ogni modo, da un punto di vista chimico-fisico, il petrolio è un liquido oleoso, di colore variabile dal giallo al nero (passando per il verde scuro, marrone, arancione), caratterizzato da una densità che oscilla tra 0,8 e 0,95 g/cm3, dunque inferiore a quella dell’acqua (1 g/cm3).
Composto essenzialmente da una miscela di idrocarburi (composti dell’idrogeno e del carbonio), contiene in realtà anche zolfo, in percentuale variabile tra 0,1 e 5% circa, ed una serie di gas, disciolti al suo interno.
Contrariamente a quel che si potrebbe credere, non esiste un solo tipo di petrolio: essendo costituito da una miscela di sostanze, è chiaro che esistano diverse possibili composizioni finali, per cui è ovvio che ne possano essere distinte varie tipologie.
La classificazione, in base alla tipologia di idrocarburi caratteristici, ne prevede la suddivisione in quattro varietà:

1)    Petrolio paraffinico: costituito essenzialmente da paraffine (alcani).
2)    Petrolio naftenico: costituito da idrocarburi appartenenti ai nafteni.
3)    Petrolio misto: costituito da percentuali pressoché equivalenti di alcani e nafteni.
4)    Petrolio aromatico: costituito da idrocarburi aromatici-policiclici.

La varietà più pregiata, tra quelle elencate, è certamente quella aromatica, contenente una minore quantità di impurità (come, ad esempio, lo zolfo), e che necessita di un processo di raffinazione meno dispendioso, e comunque più produttivo.
Le differenze chimico-fisiche tra i vari tipi di petrolio sono ascrivibili ai diversi ambienti in cui esso si forma.
Come tutti gli altri combustibili fossili (carbone e gas naturale), anche il petrolio si origina a partire dalla decomposizione di materia organica, quindi di origine biologica, in condizioni del tutto particolari.
Innanzitutto, affinché il possa formarsi, è necessario che si accumulino – in ambiente marino – enormi quantità di questo materia organica, rappresentata essenzialmente da fitoplancton e zooplancton, ovvero microorganismi di origine rispettivamente vegetale ed animale, che popolano le acque marine, e che rappresentano il menù d'elezione per le balene.
Questi microorganismi, che vivono in prossimità delle acque superficiali, non sono capaci di muoversi autonomamente, e vengono trasportati da correnti e moto ondoso (trasporto passivo).
Alla loro morte, decantano lentamente sul fondale, dove sedimentano lentamente, dando origine ad imponenti accumuli, i quali vengono rapidamente seppelliti dai sedimenti detritici, trasportasti in ambiente marino dai fiumi, e qui rimaneggiati dalle correnti, dalle torbide o dal moto ondoso.

Plancton osservato al microscopio.

 Ciò accade più facilmente lungo le shorelines (linee costiere) o presso le continental shelves (piattaforme continentali), dove l’apporto sedimentario è sufficientemente rapido e consistente, per la vicinanza a delta ed estuari fluviali.
A questo punto, affinché possano originarsi le trasformazioni chimico-fisiche che porteranno alla nascita del petrolio, il materiale organico depositatosi sul fondo dovrà essere sepolto e sottratto all’azione dell’ossigeno: solo un ambiente riducente (privo cioè di O2), può infatti innescare la serie di fenomeni di decomposizione organica, non ossidativi, che porteranno alla formazione di quello che viene chiamato in gergo cherogene o kerogene.
Si tratta di una miscela di sostanze derivanti dalla decomposizione di materiale organico (il plancton, appunto), che si accumula nelle rocce sedimentarie, e caratterizzata da un elevatissimo grado di polimerizzazione, e da un peso molecolare estremamente elevato, tali da rendere semi-solido il composto.
Il cherogene, man mano che aumenta il carico sedimentario soprastante, subisce un continuo aumento della temperatura e della pressione, fino al raggiungimento di valori di temperatura noti come finestre, oltre i quali libera il petrolio ed il gas naturale.

Penisola di Pakri (Estonia): un affioramento di rocce risalente all'Ordoviciano. 
In alto si notano calcari stratificati, più in basso argille contenenti chero-
gene, alla base, arenarie glauconitiche (di colore verde).

Il petrolio viene liberato dal cherogene in un intervallo di temperatura compreso tra i 60 ed i 160°C, mentre i gas (solitamente metano) vengono sprigionati tra i 150 ed i 200°C.
Oltre queste temperature, i gas vengono decomposti fino a perdere la loro natura di idrocarburi.
Ovviamente, se le condizioni del bacino sedimentario nel quale si è accumulata la materia organica in decomposizione, dovessero subire variazioni di rilievo (ad esempio una consistente diminuzione del tasso di sedimentazione) il riscaldamento del cherogene potrebbe non essere sufficiente da generare petrolio o gas, o potrebbero non essere garantite le condizioni proprie di un ambiente riducente. Nel primo caso, si originerebbero depositi di bitume (idrocarburi solidi o semi-solidi, ad elevato peso molecolare, prodotti da un basso grado di evoluzione chimica del cherogene). 
Nel secondo caso, verrebbe rallentata (fino eventualmente a cessare del tutto) la produzione del cherogeno.
Essenzialmente, il processo di maturazione chimica del petrolio (noto come oil cooking), consiste nella rottura delle catene polimeriche del cherogene, a seguito della elevata temperatura e pressione ambientale, con formazione di molecole sempre più leggere, di densità minore, costituenti il petrolio.
Tali molecole, una volta formatesi, tenderanno a subire una migrazione verso la superficie a seguito della minor densità rispetto alla materia circostante.
Abbandonata così la roccia madre, le molecole si sposteranno andando ad impregnare rocce caratterizzate da elevata porosità e permeabilità (dette in gergo reservoirs), nelle quali si accumuleranno, a patto che queste siano confinate superiormente da rocce impermeabili (solitamente argille), in grado di arrestare definitivamente la migrazione verso l’alto degli idrocarburi, sia liquidi che gassosi.
L’assenza di argille o rocce impermeabili contenitive, impedirebbe la formazione di un giacimento, con conseguente dispersione degli idrocarburi in ambiente subaereo (o marino), con ricadute ambientali disastrose.
Per questo, le zone di accumulo di idrocarburi, vengono definite trappole geologiche, e sono spesso associate a faglie, duomi di sale o altre strutture in grado di arrestare, o contenere, la migrazione verso l’alto di petrolio e gas.
È dunque all’interno delle rocce dette reservoir, porose e permeabili, che il petrolio si accumula: non esistono affatto laghi di idrocarburi imprigionati nelle rocce, all’interno della crosta terrestre!
Ovviamente i gas, essendo più leggeri e meno densi degli idrocarburi liquidi, tenderanno ad accumularsi nella parte superiore del reservoir.



 Esempi di trappole geologiche per gli idrocarburi.

Spesso, tuttavia, accade che il petrolio si accumuli in rocce caratterizzate da una scarsa permeabilità, o non sufficientemente fratturate da permetterne una risalita.
In questo caso occorre provocare una fatturazione artificiale degli strati rocciosi, impiegando cariche esplosive appositamente disposte in pozzi di profondità (rock cracking), ed aumentare la pressione dei fluidi (per facilitarne la risalita) attraverso il pompaggio di acqua all’interno delle rocce-serbatoio.


Schema dei processi di formazione del petrolio.


Niente paura: il petrolio e l’acqua hanno densità diverse, sebbene abbastanza prossime, per cui non si verificherà mai una miscelazione fisica tra le due sostanze (ricordate la goccia di olio d’oliva in un bicchiere d’acqua?).
Alla fine di questo lungo processo (della durata di milioni di anni), il petrolio è pronto per essere estratto.
Maturo al punto giusto per essere "raccolto" e "consumato", proprio come un frutto.
Ma c’è un piccolo problema…
Come si fa a trovarlo se, come abbiamo visto, è intrappolato a chilometri di profondità, al di sotto della superficie terrestre?
La risposta… nel prossimo articolo!


E per chi volesse approfondire...

1)  Basic Petroleum Geology and Log Analisys Book, realizzato dalla Hallyburton Inc., in lingua inglese (una delle maggiori compagnie al mondo nel campo delle prospezioni e perforazioni petrolifere). Potete trovarlo qui: http://www.scribd.com/doc/11376482/Basic-Petroleum-Geology-BOOK-by-HALLIBURTON
2)  Excerpts for Rock Talk Vol 7 No.2 Colorado Geological Survey, in lingua inglese (pubblicazione dello USGS, United States Geological Survey). Potete trovarlo qui: http://www.geotech.org/survey/geotech/Oil.pdf

Nessun commento: