Por Dr. Claude St. Thomas, Departamento de Procesos de Polimerización

El desarrollo industrial, tecnológico y científico ha permitido el diseño de nuevos materiales para satisfacer las necesidades humanas y facilitar la manera de vivir. En general, existe un sinfín de materiales (sintéticos) empleados en diversas áreas primordiales como: cuidado de la salud, producción de energía, medios de transportes, manufactura etc. De manera general, los materiales como los polímeros y el petróleo pueden ser aplicados a diferentes ámbitos debido a su versatilidad y sus múltiples propiedades.

Los polímeros son macromoléculas formadas por la unión de unidades repetitivas (simples) llamados monómeros. De acuerdo a su naturaleza, estos materiales se pueden dividir en dos grupos: naturales o sintéticos (1).

Los polímeros naturales son aquellos que provienen del reino animal o vegetal como son las proteínas, los carbohidratos, la madera y algodón. Por su parte, los polímeros sintéticos son aquellos que se preparan a nivel de laboratorio e industrial, siendo los más comunes: el nylon, el PVC (policloruro de vinilo), el poliestireno, el poliácido acrílico, poliacrilamida, entre otros.

El proceso químico para sintetizar los polímeros es conocido como polimerización y a la fecha existen un gran número de métodos (laboratorio). [Hay que resaltar que este año 2020, se cumple un siglo de la publicación de la primera reacción de polimerización por Hermann Staudinger (2)].

Dependiendo de su solubilidad, los polímeros sintéticos pueden ser clasificados como: polímeros solubles en agua (hidrosolubles) y aquellos que son solubles en disolventes orgánicos. La obtención y procesamiento de los polímeros solubles en disolventes orgánicos propicia la liberación de compuestos orgánicos volátiles (volatile organic compounds, VOC por sus siglas en inglés) dañinos para el medio ambiente.

Por su parte, los polímeros hidrosolubles son obtenidos usando agua como medio de reacción por lo que se considera como un proceso amigable al medio ambiente. Debido a sus propiedades específicas, los polímeros hidrosolubles han atraído gran interés tanto en la investigación científica como la industria y son utilizados en diferentes áreas como: la liberación controlada de fármacos, los cosméticos, tratamiento de aguas residuales, espesantes en la formulación de pinturas y la extracción de petróleo (3).

Por otro lado, el petróleo se ha mantenido como la primera fuente de producción de energía a nivel mundial debido a su accesibilidad y bajo costo en comparación con otras tecnologías. Se pronostica que esta tendencia seguirá creciendo en las próximas décadas debido al incremento en la demanda de energía de diferentes sectores como la automotriz (coches), la urbanización, etc.4, 5 Actualmente, la extracción de crudo a partir de yacimientos de petróleo está dividida en tres etapas.

El primer paso o etapa inicial del procesamiento del petróleo comienza con el descubrimiento del yacimiento, utilizando los mismo recursos que la naturaleza provee para facilitar la extracción y la salida del crudo a la superficie (generalmente se utiliza la expansión de los componentes volátiles y/o el bombeo forzado para removerlo hacia la superficie).6 Cuando se produce una considerable disminución en la etapa inicial, es decir la producción declina, empieza la segunda etapa donde energía adicional es administrada al reservorio por inyección de agua.

Cuando la inyección de agua deja de ser efectiva, es decir una baja producción y alto costo de operación, se considera de mayor provecho aplicar otra etapa. En este punto, se inicia el tratamiento químico o recuperación asistida del pozo de petróleo. La recuperación asistida de petróleo (Enhanced Oil Recovery, EOR por su sigla en Inglés) es generalmente considerada la última etapa de la secuencia de procesamiento del petróleo.

En este caso, el pozo se encuentra en la etapa final de su historia utilizable, y por lo tanto, se comienza a suministrar energía química y/o térmica con el fin de aprovechar y aumentar la producción. La importancia de esta tercera etapa en la explotación de petróleo, se destaca teniendo en cuenta que el petróleo fácilmente recuperable está en declive y aún en los depósitos existe más del 50% del crudo después del uso de los métodos convencionales (etapa 1 y 2).

De acuerdo con Thomas et al. (9), aproximadamente 7,0 × 1012 barriles de petróleo permanecerán en los campos petrolíferos (mundial) después de la aplicación de los métodos convencionales, lo cual da la pauta para innovar e investigar nuevos productos químicos para aumentar esta producción. En el caso de México, la Comisión Nacional de Hidrocarburos (CNH) ha identificado 129 campos petrolíferos a nivel nacional con posibilidad potencial de usar los métodos EOR. (10).

Considerando la cantidad de crudo remanente, los expertos estiman que más de 10% de crudo podría ser extraído de estos pozos permitiendo un incremento de 1 millón de barriles diarios en los próximos 20 años. De acuerdo a lo anterior, México exhibe un gran potencial en cuanto a la producción de petróleo.

Sin embargo, el proceso de extracción de petróleo en estos pozos es una tarea compleja debido a los siguientes inconvenientes: una alta temperatura entre 140 y 160 ºC y alto contenido de sales (más de 200 000 ppm) en la salmuera. Por lo tanto, la búsqueda de polímeros capaces de soportar dichas condiciones representa un gran desafío científico-tecnológico.

En este contexto, una gran variedad de polímeros (naturales y sintéticos) han sido estudiados y evaluados como modificadores de flujo para la EOR. La inundación de polímeros a los pozos tiene como objetivo incrementar la viscosidad del agua facilitando la movilidad del petróleo incrustado en las rocas para su posterior recuperación. Por ejemplo, la goma de xantano (un polímero natural) ha demostrado buena resistencia al contenido de sales pero se degrada a una temperatura superior a 100 ºC.

Además, se ha confirmado que las bacterias o microorganismos degradan la estructura de la goma de xantano provocando una pérdida de la viscosidad (11) Desafortunadamente, otros polímeros naturales han sido examinados obteniendo resultados similares. Por ello, la comunidad científica se ha enfocado en preparar y estudiar las propiedades de los denominados polímeros hidrosolubles asociativos (PHA), los cuales se componen de largos segmentos de poliacrilamida y un pequeño segmento insoluble en agua.

Cabe recalcar que la presencia de esta fracción induce a la formación de redes tridimensionales provocando un aumento en la viscosidad del medio. Los resultados demuestran que los PHAs resisten a temperatura cercana a 120 ºC y no son afectados por las bacterias. Sin embargo, en presencia de gran cantidad de sales, los PHAs se desestabilizan (se precipitan en el medio) A pesar del éxito de la aplicación de estos polímeros (naturales o sintéticos) en pozos de otros países, los ensayos a nivel nacional no han sido eficientes debido a las condiciones extremas de los pozos mexicanos.

Para aprovechar los recursos petroleros del país, investigadores del Centro de Investigación en Química Aplicada en colaboración con colegas del Instituto Mexicano de Petróleo y otras instituciones nacionales e internacionales están diseñando, preparando y evaluando las propiedades de nuevos materiales poliméricos con características específicas para su posible aplicación en la EOR.

Referencias:

• G. Odian, Principles of polymerization, 4th Ed., 2004
• H. Frey, T. Johann, Polym. Chem, 2020, 8, 8-14
• Wever, D. A. Z., Picchioni, F., Broekhius A. A., Prog. Polym. Sci., 2011, 36, 1558-1628.
• P. H. S. Jazeyi, C. A. Miller, M. S. Wong, J. M. Tour, R. Verduzco, J. of Appl. Polym. Sci., 2014, 131, 40576.
• M. S. Kamal, A. A, Adewunmi, A. S. Sultan, M. F. Al-Hamad, U Mehmood, J of nanomaterials, 2017, 1-15.
• A. O. Gbadamosi, R. Junin, M. A. Manan, N. Yekeen, A. Agi, J. O. Oseh, J of Indust and Eng Chem., 2018, 66, 1-19
• X. Sun, Y. Zhang, G. Chen, Z. Gay, Z., Energies, 2017, 10, 345
• J. Patel, S. Borgohain, M. Kumar, V. Rangarajan, P. Samasundaran, R. Sen, Renew and Sustain Ener. Rev., 2015, 52, 1539-1558.
• S. Thomas, Oil Gas Sci. Technol., 2008, 63, 9–19
• Gaceta Comisión Nacional de Hidrocarburos, 2019
• P. Druetta, P. Raffa, F. Picchioni, Energy Applied, 2019, 252, 113480