Introdução à Engenharia de Petróleo Apostila atual

Introdução à Engenharia de Petróleo Apostila atual

(Parte 1 de 4)

UNISUAM Raquel G. Gonçalves

INTRODUÇÃO À ENGENHARIA DE PETRÓLEO

CAPÍTULO I – O PETRÓLEO

O petróleo foi um dos primeiros recursos naturais que nossos antepassados aprenderam a usar, sua participação remota a tempos bíblicos. No entanto, sua utilização mais intensa se deu, realmente, em torno de 1847, quando um comerciante de Pittsbourg, na Pensilvânia, EUA, começou a engarrafar e vender petróleo de vazamentos naturais, oil seeps, para ser utilizado como lubrificante. Cinco anos depois, em 1852, um químico canadense descobriu que o aquecimento e a destilação do petróleo produzia querosene, um líquido que podia ser utilizado em lâmpadas. Essa descoberta condenou as velas e as lâmpadas de óleo de baleia. Em 27 de agosto de 1859, em Titusville, Pensilvânia foi perfurado o primeiro poço de petróleo, com profundidade de apenas 21,2 metros, do qual se obteve 2 m3 por dia de óleo. O petróleo foi rapidamente descoberto em outros locais dos EUA, como West Virginia (1860), Colorado (1862), Texas (1866) e Califórnia (1875).

O Petróleo e sua Origem

Do latim petra (pedra) e oleum (óleo), o petróleo no estado líquido é uma substância oleosa, inflamável, menos densa que a água, com cheiro característico e cor variando entre o negro e o castanho-claro. O termo petróleo é utilizado para designar tanto o óleo quanto o gás natural.

O petróleo é um combustível fóssil, originado da decomposição não-oxidante de matéria orgânica armazenada em sedimentos, que migra através de aqüíferos e fica aprisionado em reservatórios. A interação dos fatores – matéria orgânica, sedimento e condições termoquímicas apropriadas – é fundamental para o início da cadeia de processos que leva à formação do petróleo. A matéria orgânica proveniente de vegetais superiores também pode dar origem ao petróleo, todavia sua preservação torna-se mais difícil em função do meio oxidante onde vivem.

O tipo de hidrocarboneto gerado, óleo ou gás, é determinado pela constituição da matéria orgânica original e pela intensidade do processo térmico atuante sobre ela. A matéria orgânica proveniente do fitoplâncton, quando submetida a condições térmicas adequadas, pode gerar hidrocarboneto líquido. O processo atuante sobre a matéria orgânica vegetal lenhosa poderá ter como conseqüência a geração de hidrocarbonetos gasosos.

Acumulações de Petróleo

A existência de acumulações de petróleo depende das características e do arranjo de certos tipos de rochas sedimentares no subsolo. Basicamente, é preciso que existam rochas geradoras que contenham a matéria-prima que se transforma em petróleo e rochas-reservatório, ou seja, aquelas que possuem espaços vazios, chamados poros, capazes de armazenar o petróleo. Essas rochas são envolvidas em armadilhas chamadas trapas, compartilhamentos isolados no subsolo onde não tem condições de escapar.

A ausência de qualquer um desses elementos impossibilita a existência de uma acumulação petrolífera. Logo, a existência de uma bacia sedimentar não garante, por si só, a presença de jazidas de petróleo.

As rochas geradoras são assim chamadas por tratar-se de um mineral formado principalmente pelo acúmulo de fragmentos de outros minerais e detritos orgânicos, e que, quando se encontra num ambiente de pouca permeabilidade – o que inibe a ação de água circulante e diminui a quantidade de oxigênio existente – cria as condições necessárias para a formação do petróleo.

Após o processo de formação do petróleo, para que o mesmo se acumule, formando posteriormente um reservatório, é necessário que após a geração ocorra a migração do petróleo, e que no percurso desta migração exista alguma armadilha geológica que permita a acumulação do óleo. Esta “migração” ainda é um assunto que gera certa polêmica entre os geólogos; no entanto, o que se percebe é que o petróleo é expulso da rocha onde foi gerado, talvez pelo microfraturamento já observado nas rochas geradoras ou devido ás altas pressões de compactação existentes.

A

Detalhe – rocha reservatório

ssim, o petróleo migra da rocha geradora para outra rocha, porosa e permeável, chamada Rocha Reservatório, e continua seu fluxo no interior da mesma, até ser contido por uma armadilha, isto é, uma estrutura geológica compreendida dentro de uma rocha selante (impermeável), que permita que o óleo ali se confine.

Não havendo a presença de uma rocha selante e de uma armadilha (trapa), o petróleo não se acumularia, e continuaria seu fluxo rumo a áreas de menor pressão, culminando em exsudações ou perda por degradação bacteriana e oxidação.

Armadilha estrutural. É a forma mais comum de acumulação de petróleo. Ocorre em regiões em que a crosta esteve sujeita a compressão horizontal.

Armadilha estratigráfica. Essas armadilhas ocorrem em regiões em que a crosta esteve sujeita a compressão vertical

O Petróleo e seus Constituintes

O petróleo é constituído, basicamente, por uma mistura de compostos químicos orgânicos: hidrocarbonetos parafínicos, isoparafínicos, naftênicos e aromáticos. Além dos hidrocarbonetos mencionados, o petróleo apresenta outros constituintes em menor percentual, compostos orgânicos contendo elementos químicos como nitrogênio, enxofre, oxigênio (chamados genericamente de compostos NSO) e metais, principalmente níquel e vanádio. Tais constituintes são considerados nocivos aos produtos, equipamentos e ao meio ambiente, sendo por isso considerados impurezas, devendo ser removidos em processos de tratamento específicos. Juntamente com o petróleo são também encontradas outras impurezas, como a água, sais e sedimentos.

A presença destes contaminantes irá implicar numa maior ou menor qualidade do petróleo. Quanto mais contaminantes, orgânicos ou inorgânicos, pior será sua qualidade. O quadro abaixo mostra alguns prejuízos a constituição dos produtos derivados dos hidrocarbonetos:

CONTAMINANTE:

ELEMENTO QUÍMICO PRESENTE:

PREJUÍZO:

Compostos Orgânicos Sulfurados

Enxofre (S)

Corrosão, Toxidez, Poluição.

Compostos Orgânicos Nitrogenados

Nitrogênio (N)

Retenção de água emulsionada, Contaminação de catalisadores, Alteração da coloração de produtos finais.

Compostos Orgânicos Oxigenados

Oxigênio (O)

Acidez, Corrosividade, formação de gomas, odor.

Compostos Orgânicos Metálicos

Metais (principalmente Ni e V)

Agressão a materiais, Contaminação de catalisadores.

Quando a mistura contém uma maior porcentagem de moléculas pequenas seu estado físico é gasoso e quando a mistura contém moléculas maiores seu estado físico é líquido, nas condições normais de temperatura e pressão.

O petróleo contém centenas de compostos químicos, e separá-los em componentes puros ou misturas de composição conhecida é praticamente impossível. O petróleo é normalmente separado em frações de acordo com a faixa de ebulição dos compostos. A tabela a seguir mostra as frações típicas que são obtidas do petróleo.

Fração

Temperatura de Ebulição (ºC)

Composição aproximada

Usos

Gás Residual

-

C1 – C2

Gás combustível

Gás liquefeito de petróleo – GLP

Até 40

C3 – C4

Gás combustível engarrafado, uso doméstico e industrial.

Gasolina

40 – 175

C5 – C10

Combustível de automóveis, solvente.

Querosene

175 – 235

C11 – C12

Iluminação, combustível de aviões a jato.

Gasóleo leve

235 – 305

C13 – C17

Diesel, fornos.

Gasóleo pesado

305 – 400

C18 – C25

Combustível, matéria-prima para lubrificantes.

Lubrificantes

400 – 510

C26 – C38

Óleos lubrificantes.

Residuo

Acima de 510

C38+

Asfalto, piche, impermeabilizantes.

Os óleos obtidos de diferentes reservatórios de petróleo possuem características diferentes. Alguns são pretos, densos, viscosos, liberando pouco ou nenhum gás, enquanto que outros são castanhos ou bastante claros, com baixa viscosidade e densidade, liberando quantidade apreciável de gás. Outros reservatórios, ainda podem produzir somente gás.

A Classificação do Petróleo

Dependendo de sua densidade (gravity), os óleos são classificados pelo American Petroleum Institute – API – em vários graus (specific gravity), sendo que os com maior graduação são os melhores, ou seja, são petróleos mais leves. Como exemplo, um óleo de 17º API é muito pesado e um de 30º API é mais leve.

Alguns fatores podem afetar o ºAPI dos óleos, tais como:

  • A idade geológica: as rochas antigas tendem a ter maior graduação; mas, rochas terciárias podem ter cerca de 40º API, como as do Mar do Norte.

  • Profundidade do reservatório: quanto maior a profundidade, maior a graduação.

  • Tectonismo: altas graduações são mais comuns em regiões com muitas tensões nas camadas geológicas.

  • Salinidade: os reservatórios de origem marinha tendem a ter maiores graduações do que os de origem de ambientes com água salobra ou fresca.

  • Teor de enxofre: este teor é alto em óleos de baixa graduação.

A classificação do petróleo, de acordo com seus constituintes, interessa desde os geoquímicos até os refinadores. Os primeiros visam caracterizar o óleo para relacioná-los à rocha-mãe e medir o seu grau de degradação. Os refinadores querem saber a quantidade das diversas frações que podem ser obtidas, assim como sua composição e propriedades físicas.

Assim, os óleos parafínicos são excelentes para a produção de querosene de aviação (QAV), diesel, lubrificante e parafinas. Os óleos naftalênicos produzem frações significativas de gasolina, nafta petroquímica, QAV e lubrificantes, enquanto que os óleos aromáticos são mais indicados para a produção de gasolina, solventes e asfalto.

FAMÍLIA

PRODUTO

CARACTERÍSTICA

Parafínicos

QAV

Combustão limpa

Diesel

Facilidade ignição

Lubrificantes

Constância da viscosidade com temperatura

Parafinas

Facilidade na cristalização

Naftênicos

Gasolina

Solução de compromisso entre a qualidade e a quantidade do derivado.

Nafta petroquímica

QAV

Lubrificantes

Aromáticos

Gasolina

Ótima resistência à detonação

Solventes

Solubilização

Asfaltos

Agregados moleculares

Coque

Elevado

  • CLASSE PARAFÍNICA (75% ou mais de parafinas)

Nesta classe estão os óleos leves, fluidos ou de alto ponto de fluidez, com densidade inferior a 0,85. A maior parte dos petróleos produzidos no Nordeste brasileiro é classificada como parafínica.

Este tipo de petróleo produz subprodutos com as seguintes propriedades:

  • Gasolina de baixo índice de octanagem.

  • Querosene de alta qualidade.

  • Óleo diesel com boas características de combustão.

  • Óleos lubrificantes de alto índice de viscosidade, elevada estabilidade química e alto ponto de fluidez.

  • Resíduos de refinação com elevada percentagem de parafina.

  • CLASSE PARAFÍNICO-NAFTÊNICA (50 – 70% parafinas, >20% de naftênicos)

Os óleos desta classe são os que apresentam densidade e viscosidade maiores do que os parafínicos, mas ainda são moderados. A maioria dos petróleos produzidos na Bacia de Campos, RJ, é deste tipo.

  • CLASSE NAFTÊNICA (>70% de naftênicos)

Nesta classe enquadra-se um número muito pequeno de óleos. Apresentam baixo teor de enxofre se originam da alteração bioquímica de óleos parafínicos e parafínico-naftênicos. Alguns óleos da América do Sul, da Rússia e do Mar do Norte pertencem a esta classe.

O petróleo do tipo naftênico produz subprodutos com as seguintes propriedades principais:

  • Gasolina de alto índice de octonagem.

  • Óleos lubrificantes de baixo resíduo de carbono.

  • Resíduos asfálticos na refinação.

  • CLASSE AROMÁTICA INTERMEDIÁRIA (>50% de hidrocarbonetos a aromáticos)

Compreende óleos freqüentemente pesados, contendo uma densidade usualmente é maior que 0,85. Alguns óleos do Oriente Médio (Arábia Saudita, Catar, Kuwait, Iraque, Síria e Turquia), África Ocidental, Venezuela, Califórnia e Mediterrâneo (Sicília, Espanha e Grécia) são desta classe.

  • CLASSE AROMÁTICO-NAFTÊNICA (>35% de naftênicos)

Óleos deste grupo sofreram processo inicial de biodegradação, no qual foram removidas as parafinas. Eles são derivados dos óleos parafínicos e parafínico-naftênicos. Alguns óleos da África Ocidental são deste tipo.

  • CLASSE AROMÁTICO-ASFÁLTICA (>35% de asfaltenos e resinas)

Estes óleos são oriundos de um processo de biodegradação avançada em que ocorreria a reunião de monocicloalcenos e oxidação. Podem também nela se enquadrar alguns poucos óleos verdadeiramente aromáticos não degradados da Venezuela e África Ocidental. Entretanto, ela compreende principalmente óleos pesados e viscosos, resultantes da alteração dos óleos aromáticos intermediários. Nesta classe encontra-se os óleos do Canadá ocidental, Venezuela e sul da França.

CAPÍTULO II – O HISTÓRICO DO PETRÓLEO NO MUNDO E NO BRASIL

A indústria do petróleo é um dos setores que mais tem registrado avanços tecnológicos nos últimos tempos, sobretudo no segmento upstream. Este segmento, relativo às atividades de exploração e produção, consiste em uma série de atividades complexas, que demandam vultosos investimentos e profissionais altamente qualificados para em prática seu objetivo: descobrir e produzir petróleo.

A partir da industrialização do petróleo, em 1859, o dinamismo experimentado pelo setor fez com que novas tecnologias evoluíssem. Hoje, as atividades de pesquisa têm início em satélites que captam dados geológicos e indicam a provável localização de bacias petrolíferas. Uma coisa, no entanto, não mudou: o espírito aventureiro daqueles que se dedicam a esta atividade. Embrenhar-se em matas ou em regiões inóspitas ainda é tarefa de técnicos, pesquisadores e geólogos, que têm de ir a campo realizar testes sísmicos e geológicos, delimitar a área e até perfurar poços para mensurar a qualidade e quantidade do reservatório. É com este mesmo espírito de aventura que as páginas seguintes deste capítulo convidam você a uma incursão neste apaixonante mundo da indústria do petróleo.

A História do Petróleo no Mundo

Existem relatos da existência e utilização do petróleo que remontam à antiguidade. Muitos povos utilizavam-se dos vazamentos naturais e os registros dão conta da utilização na Torre de Babel e na Arca de Noé, no embalsamento de mortos ilustres pelos egípcios, na pavimentação de estradas pelos Incas, como aglutinante de tijolos pelos Sumérios, para fins bélicos por gregos e romanos, entre outros.

Desde o século XVI, o principal motivo das expansões marítimas e das atividades econômicas européias, como é sabido, foi á busca do ouro. Reis, navegantes, soldados e mercadores de Portugal, da Espanha, da Holanda e da Inglaterra, cada um por si, lançaram-se na localização e exploração do precioso mineral em qualquer parte do mundo. Entretanto, a partir do século XIX, um outro tipo de ouro vai atiçar a cobiça humana.

Em torno de 1847, o petróleo começou a ser utilizado comercialmente, quando um comerciante de Pittsbourg, na Pensilvânia, EUA, começou a engarrafar e vender petróleo de vazamentos naturais (oil seeps) para ser utilizado como lubrificante. Cinco anos depois, em 1852, um químico canadense descobriu que o aquecimento e a destilação do petróleo produzia querosene, um líquido que podia ser utilizado em lâmpadas.

As primeiras tentativas de perfuração de poços de petróleo aconteceram nos Estados Unidos, com Edwin L. Drake. Após meses de perfuração, Drake encontra petróleo, a 27 de agosto de 1859, em Titusville, Pensilvânia. O poço encontrado possuía uma profundidade de apenas 21,2 metros, do qual se obteve 2 m3 por dia de óleo. Passados cinco anos, achavam-se constituídas nos Estados Unidos, nada menos que 543 empresas entregues ao novo e rendoso ramo de atividades.

É fácil perceber o rápido avanço da indústria em função da enorme demanda. Para começar, as principais matérias-primas utilizadas na época eram o óleo de baleia para a iluminação, bem como velas de cera, carvão e alcatrão. O uso do querosene obtido com a destilação do petróleo, bem mais barato, revolucionou a sociedade da época. Com a posterior criação da indústria automobilística e do avião, somada à sua utilização nas guerras, o petróleo tornou-se o principal produto estratégico do mundo moderno, sedimentando-se de vez seu uso como matriz energética.

De 1908 a 1950, as companhias multinacionais formaram verdadeiros impérios monopolizando todas as zonas produtoras de petróleo espalhadas pelo mundo, mas concentradas basicamente no Oriente Médio. Vale ressaltar que a supremacia americana como maior produtor mundial de petróleo se deu, em parte, à atuação do empresário John Rockefeller (fundador da Standar Oil, em 1870) que, de modo bastante arrojado, conduziu seus negócios tendo sempre em vista a expansão de suas atividades, aperfeiçoando produtos, investindo em tecnologia, construindo novas refinarias e abrindo novos mercados. No período situado entre 1920 e 1930, Rockfeller viu sua Standard Oil (mais tarde Exxon) liderar o grupo que ficou conhecido no mundo como “as sete irmãs”: Exxon, Chevron, Móbil, Texaco, Gulf, British Petroleum e Shell.

Durante a Segunda Guerra Mundial a demanda por petróleo e derivados atingiu proporções gigantescas; afinal, as forças armadas necessitavam de combustíveis para movimentar suas máquinas de guerra. Também no pós-guerra a procura se intensificou e, à medida que um novo quadro geopolítico se desenhava, alguns fatos pertinentes à indústria do petróleo se desenvolviam.

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