Dalla formazione alla raffinazione: il ciclo degli idrocarburi

Qual è la formazione degli idrocarburi?

Gli ambienti più favorevoli alla formazione di idrocarburi sono le aree con scarsa circolazione sui fondali e continui apporti di detriti da parte dei fiumi in bacini sedimentari dove la crosta terrestre si abbassa in modo graduale o accelerato in seguito a processi geologici naturali.
Qui vivono numerosi organismi, che dopo la morte si depositano sul fondo e vengono continuamente ricoperti da detriti. Gli strati di fango ricchi di sostanza organica sprofondano lentamente sotto il peso di nuovi sedimenti. A determinate profondità e temperature la materia organica “matura", cioè si trasforma prima in “kerogene” e poi in idrocarburi veri e propri. La durata del processo varia da10 a 100 milioni di anni a seconda che le temperature siano più o meno alte.

Se la sostanza organica è abbondante, si possono avere notevoli giacimenti di carbone e metano. Se il kerogene non matura, ma lo si trova concentrato a percentuali superiori all’8%, è possibile produrre petrolio liquido riscaldandolo artificialmente. Alle profondità maggiori si producono metano e idrocarburi leggeri. A diversi chilometri dalla superficie e con temperature tra i 150 e i 200 gradi centigradi, il kerogene si trasforma in carbonio puro cristallizzato (grafite).

Ricerca e indagini geologiche

La ricerca di nuovi giacimenti è molto costosa. Le prime informazioni si ottengono dallo studio di foto aeree o da satellite, che forniscono una mappa delle rocce di superficie. Successivamente la geochimica, la micropaleontologia e la petrografia forniscono tutte le informazioni necessarie sulle caratteristiche fisico-chimiche delle rocce, la loro età e composizione. Una volta localizzata un’area molto interessante, è necessaria una serie di indagini per studiare la natura delle rocce e la loro struttura geologica in profondità, nel sottosuolo, fino a diverse migliaia di metri di profondità. In particolare, lo scopo delle indagini è individuare la presenza di rocce che contengono idrocarburi e delle trappole che le stanno intorno: per questo si utilizzano indagini geofisiche, e, in particolare, la sismica a riflessione. Si generano onde sismiche con piccole cariche di esplosivo e con sistemi che mettono in vibrazione il terreno (sulla superficie terrestre) o con l’espansione rapida d'aria compressa (in mare). Le onde si propagano nel terreno o in acqua, venendo riflesse in modo diverso a seconda di ciò che incontrano. Al loro ritorno in superficie vengono registrate dai geofoni. L’elaborazione delle registrazioni fornisce una specie di “mappa” della composizione del sottosuolo, da cui ricavare l’eventuale presenza di trappole. Lo scopo finale delle indagini preliminari è il calcolo del volume di idrocarburi presenti nel giacimento, che viene calcolato studiando la struttura e le dimensioni della trappola: con sofisticati software in grado di gestire tutti i dati raccolti nella fase di ricerca, vengono per questo ricostruiti modelli tridimensionali delle strutture, che permettono di calcolarne il volume e che serviranno poi per decidere il numero dei pozzi di esplorazione. Non tutte le trappole, infatti, contengono petrolio e solo la realizzazione di pozzi esplorativi può confermarne la presenza.

Produzione e sfruttamento

Nella fase di produzione, si realizza un numero di pozzi sufficiente a migliorare lo sfruttamento dei depositi. Ogni giorno per circa 20-30 anni, un pozzo produce da 500 a 1.000 tonnellate di petrolio (qualche migliaio di barili) e qualche centinaio di migliaia di metri cubi di gas naturale. Inizialmente, il petrolio risale il tubo, spinto dalla pressione dell’acqua e del gas presente nel deposito. In questo modo si può recuperare il 30% del petrolio e il 90% del gas. Circa il 40% del petrolio contenuto in un deposito, però, rimane nella roccia e non può essere estratto con le tecnologie attualmente a disposizione: la ricerca petrolifera si sta concentrando sulla possibilità di poter estrarre una maggior quantità di petrolio dai depositi, a costi vantaggiosi.

Circa un quinto della produzione mondiale di petrolio viene dal mare. Qui, in un primo momento, si realizzano tanti pozzi a distanza di pochi metri l’uno dall’altro. Poi, per far passare bene tutto il giacimento anche in senso orizzontale, i medesimi pozzi vengono messi in un'altra direzione per raggiungere posizioni che distano fino a qualche chilometro.

Durante la fase di produzione del petrolio, insieme agli idrocarburi si prendono grandi quantità di parti liquide, che devono essere trattate in maniera adeguata per evitare una contaminazione dell’ambiente. I liquidi che vengono prodotti durante la fase di estrazione sono formati essenzialmente dalle acque di produzione e dalle acque di iniezione. Le acque di produzione contengono composti organici e inorganici, spesso tossici, che devono essere eliminati dalle acque prima che queste vengano eliminate.

Le acque di iniezione derivano dal ritorno in superficie delle acque pompate nel pozzo per mantenere adeguati i livelli di pressione. Nella maggior parte dei casi le acque vengono iniettate nuovamente nel deposito, nel caso di impianti offshore possono essere smaltite in mare, ma solo se non contengono sostanze inquinanti, in altri casi possono essere riutilizzate ad esempio per scopi agricoli.

Trasporto e impatto ambientale

Ci sono due modi di trasportare il petrolio, gli oleodotti e le petroliere. Gli oleodotti sono formati da un complesso di condotte formate da tubi in acciaio della lunghezza di 10-12 metri saldati elettricamente tra loro. In genere vengono interrati a una profondità di 3-15 metri o posti sui fondali marini.

La fase del trasporto del petrolio via mare è molto delicata, siccome può trasformarsi in una delle principali fonti d’inquinamento per mari e oceani, se le navi naufragano e si spezzano. Una moderna petroliera è una nave cisterna con compartimenti separati e doppio scafo (cioè dotate di un doppio guscio metallico per la protezione del petrolio trasportato) e dotata di vari sistemi di prevenzione degli incidenti, al fine di ridurre al minimo il rischio di versare il petrolio nel mare. Prima della crisi degli anni Settanta, le petroliere erano enormi, ma questa tendenza è stata frenata sia per la riapertura dello stretto Canale di Suez, sia per i cambiamenti del mercato, sia, negli ultimi anni, per ragioni di sicurezza e tutela ambientale. Per ridurre l’impatto ambientale di queste navi, sono stati introdotti anche nuovi sistemi di ripulitura delle cisterne che permettono di raccogliere i resti petroliferi per piantarli direttamente a terra, anziché scaricarli in mare.

Raffinazione e prodotti derivati

Le principali fonti industriali da cui ricavare gli alcani sono i gas naturali e il petrolio. Il petrolio greggio è una miscela di idrocarburi che sono principalmente degli alcani, ma esso può contenere anche quantità variabili di nafteni (cicloalcani) e composti aromatici. Essi possono venire separati tramite distillazione frazionata, in una serie di frazioni a seconda dei rispettivi punti di ebollizione e massa molecolare. Ogni frazione così ottenuta è una miscela di idrocarburi contenente alcani in un intervallo di atomi di carbonio abbastanza ampio.

I prodotti derivati dal petrolio vengono ottenuti tramite la raffinazione del greggio. A seconda della composizione del greggio e della domanda, le raffinerie possono produrre derivati del petrolio in quantità differenti, anche se la maggior parte della raffinazione è orientata alla produzione di carburanti: olio combustibile e benzina. Tra i prodotti raffinati di notevole importanza ha la produzione di sostanze chimiche per la realizzazione di materie plastiche ed altri materiali.

Si può affermare che la nostra moderna società industriale è basata principalmente sul petrolio; e forse un indizio dell’avvicinarsi al massimo della produzione globale è costituito dalla diminuzione del PIL (Prodotto Interno Lordo) mondiale, come ce lo rileva il Fondo Monetario Internazionale.