Jul 28, 2022

Relevancia de la Ingeniería Petrolera

Bajo las Incertidumbres Actuales

Por S.M. Farouk Ali y Mohamed Y. Soliman/University of Houston

Este artículo técnico, clasificado SPE-210310-MS, será presentado en la SPE 2000 ATCE, que se realizará en Houston del 03 al 05 de Octubre. Por su suprema importancia sobre la permanencia del petróleo y el gas por muchos años más, la vigencia de la ingeniería de petróleo y como un estímulo a la asistencia al magno evento de la industria petrolera mundial, publicamos la versión en Español.


 

Resumen

La ingeniería petrolera seguirá teniendo relevancia y renovada importancia en los escenarios emergentes de emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI) y las previsiones de cambio climático, que están repletas de incertidumbres. Se describe el papel cambiante de la industria petrolera y la academia en este marco durante los próximos 100 años. Los obstáculos para alcanzar el cero neto (uso de combustibles fósiles con captura y almacenamiento completo de carbono y el uso de energías renovables) se ilustran a través de una hoja de cálculo. El desarrollo de energías renovables es costoso y tiene una huella ambiental 10 veces mayor que la del petróleo y el gas por la misma cantidad de energía. La captura de carbono y el almacenamiento subterráneo son una mejor opción, y los ingenieros petroleros son los más adecuados para abordar eso. También están bien posicionados para desarrollar energía utilizando pozos de inyección y producción y crear espacio de almacenamiento. La ingeniería petrolera, con su combinación única de habilidades y tecnologías, es inigualable y necesaria durante mucho tiempo.

Introducción

La acumulación de CO2 y las implicaciones del cambio climático y su efecto sobre el futuro de la tierra son motivo de gran preocupación para todos nosotros. Este documento trata sobre las incertidumbres subyacentes a los desafíos que se avecinan. El tema del documento es investigar lo que se necesitaría para alcanzar Net Zero en 2050, o en algún momento futuro, y su impacto en la educación en ingeniería petrolera. Esto implica necesariamente una previsión del papel futuro de los combustibles fósiles, en particular el petróleo y el gas, para suplir las necesidades energéticas del mundo. Se proporciona una hoja de cálculo de Excel en la que el lector puede ingresar sus propios números y sacar sus propias conclusiones. Los números de la Administración de Información de Energía de EE. UU. (EIA) para la demanda de energía en el 2050 se utilizan en el ejemplo que se muestra. También se abordan las habilidades especiales que se enseñan a los ingenieros petroleros que van mucho más allá del petróleo y el gas. Los números citados en el texto se tomaron de varias fuentes a lo largo de 30 años y pueden ser cuestionados por algunos. Creemos que la industria del petróleo será necesaria y está aquí para quedarse en la mezcla energética final que emergerá en los próximos 100 años o más. Es posible que en el futuro se desarrollen nuevas tecnologías y fuentes de energía que cambien el panorama.

Acumulación de CO2 y GEI en la Atmósfera

El CO2 es el gas de efecto invernadero (GEI) más prominente; otros son el metano, el vapor de agua, el óxido de nitrógeno y los fluorocarbonos. La Figura 1 muestra la concentración de CO2 en la atmósfera durante los últimos 60 millones de años (Lee, [1]).

Actualmente la concentración de CO2 atmosférico es de 401 ppm. El CO2 es tan importante para la existencia humana como el oxígeno y el agua, pero una alta concentración sería fatal. A modo de comparación, la concentración de CO2 en un invernadero es de 1000 ppm (cerca del nivel óptimo para las plantas) y en los submarinos es de unas 20 000 ppm. Sin embargo, 50.000 ppm se considera fatal. El metano es 28 veces más potente como GEI que el CO2, pero no entraremos en eso. La principal preocupación es que el CO2 atmosférico atrapa la radiación infrarroja causando un calentamiento global de 2 a 4°C por siglo. Existe un desacuerdo considerable al respecto, según el modelo climático utilizado.

Las emisiones globales actuales de CO2 superan los 39 mil millones de toneladas métricas/año (China 11,7, EE. UU. 4,5, India 2,4 mil millones de toneladas). Curiosamente, las emisiones per cápita son constantes o están disminuyendo. Existen unos 40 lugares de captura y almacenamiento subterráneo de CO2 en todo el mundo, que almacenan un total del 0,1% del CO2 emitido. (Si todo el CO2 del mundo liberado en un año pudiera capturarse, comprimirse y licuarse, y bombearse a reservorios de petróleo agotados, se necesitarían 8 reservorios del tamaño de Ghawar, el más grande del mundo, suponiendo que todo el espacio poroso esté disponible para almacenamiento). Luego hay varios proyectos de captura directa de aire (DCA), como Orka en Islandia, que está capturando CO2 del aire atmosférico a una tasa de 4000 t/año, a un costo de $600 por t (en comparación con el costo de la UE de $60/t). En Canadá, el impuesto al CO2 es de $ 40, y está previsto que suba a $ 300 / t). El Departamento de Energía gastó casi $ 3 mil millones en plantas CCUS, con pocos resultados: solo una planta está en funcionamiento cerca de una instalación eléctrica (Patel [2]). Una planta DCA utiliza el 25% de la energía que implica el CO2 producido en la operación en particular.

Incertidumbres del pronóstico climático

“Con cuatro parámetros puedo encajar un elefante, y con cinco puedo hacer que mueva la trompa”. Juan von Neumann.( Hay un código de Python en Internet para exactamente eso.)

Se han realizado muchas conferencias climáticas internacionales, la primera fue en 1979 en Ginebra. Ahora conocida como COP (Conference of Parties), la primera COP se llevó a cabo en 1995 en Kyoto, la más reciente COP 26 se llevó a cabo en el 2021 en Glasgow; una COP destacada es la de París. Durante esos años, el CO2 atmosférico ha aumentado en 40 ppm. Los COP son simplemente viajes (más de 200 aviones fletados en el COP de Glasgow). Los MOU firmados en estas conferencias carecen en gran medida de sentido, ya que los países no toman medidas concretas. En países de bajos ingresos como India (de donde proviene uno de los autores), 950 millones de personas viven con menos de $2/día, y la mitad de ellas con alrededor de $1/día. Hasta que el nivel de vida allí, y en otros países en desarrollo, se acerque al de América del Norte y Europa, hay pocas posibilidades de reemplazar los combustibles baratos (madera, carbón, tortas de estiércol de vaca), y mucho menos el petróleo y el gas, con energía renovable.

Los países ricos han llegado hasta aquí gracias al aceite de ballena, el carbón, el petróleo y el gas, más o menos en ese orden, y difícilmente están en condiciones de instar a la población que vive por debajo del umbral de la pobreza a cambiar a la energía solar y eólica. A menudo, se promociona el ejemplo de los países nórdicos como un camino hacia el descarte de combustibles fósiles. Pero la población de los cuatro países nórdicos (~ 20 millones) es casi la misma que la de Bombay. El problema en los países de bajos ingresos es unas 100 veces mayor (la población total de China, India y África subsahariana es de unos 4.000 millones).

Los modelos utilizados en el pronóstico del clima tienen algunos problemas, uno de los cuales es una gran cantidad de parámetros. En la conferencia de Río en 1992 hubo 4 modelos; en la conferencia de Glasgow, el número de modelos saltó a más de 100. Hay un gran desacuerdo en los resultados. Koonin [3], un antiguo modelador, analiza algunos de los modelos, p. uso de grillas de 100 km x 100 km para cubrir el globo. Una cuadrícula de 10 km x 10 km tomaría un siglo del tiempo de la supercomputadora actual. También hay una tercera dimensión para 30,000 a 60,000 pies de atmósfera. Entonces hay demasiados parámetros para considerar razonablemente en el modelado. El último desarrollo aterrador es que se descubrió (Wall Street J., 7 de febrero de 2021) que el tratamiento de las nubes en los modelos es incorrecto, lo que invalida todos los pronósticos: las nubes deben mirarse desde ambos lados. Joni Mitchell se adelantó a su tiempo cuando escribió: “Ahora he mirado las nubes desde ambos lados” [1969].

Todo lo anterior (acumulación, captura y almacenamiento de CO2 y tal vez utilización, y modelado climático) ha tenido un efecto nefasto en los programas académicos de ingeniería petrolera en los EE. UU. y el mundo. Hay un barril de cerdo de 2 billones de dólares por un lado para esas tecnologías y hay alarmismo para mantenerlo en marcha por el otro: el tema recurrente es que todos los combustibles fósiles se eliminarán gradualmente para 2050, o antes. Si creyera a Al Gore hace 15 años, hoy Florida estaría bajo 12 pies de agua y el hielo del Ártico habría desaparecido en 2013. Ahora veremos cuál es la realidad detrás de la eliminación gradual prevista de los combustibles fósiles para cualquier fecha, y si que tiene sentido. Pero primero se requieren algunos comentarios relevantes sobre la energía renovable.

Breve nota sobre energías renovables

La energía renovable consta de muchas opciones, las más accesibles son la solar, la eólica y quizás la nuclear en las condiciones adecuadas. En algunas áreas puede haber potencial hidroeléctrico, geotérmico y mareomotriz. La geotermia en roca caliente profunda a través de un fluido como agua, CO2, etc. todavía no está al alcance. Tanto la energía solar como la eólica requieren respaldo: una planta nuclear o una planta convencional de combustibles fósiles, o una gigantesca instalación de almacenamiento de baterías. Luego hay muchas otras ideas, como el uso de hidrógeno, que está recibiendo mucha atención del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y el Medio Oriente.

La densidad de instalación de energía solar depende de varios factores. Es del orden de 1 MW en 4,8 hectáreas. Una granja solar de 100 MW costaría entre 30 y 40 millones de dólares. Puede amortizarse en 10-15 años, que es aproximadamente la vida útil de los paneles. La generación variaría con varios factores.

Las turbinas eólicas necesitan alrededor de 85 acres por MW con una eficiencia del 20-40% y una vida útil de 20 años. La clasificación es de 5 kW a 8MW, incluso más alta. El costo es de $ 1000 a 2000 por kW para un gran parque eólico. Un parque eólico de 7,5 MW puede costar 12,5 millones de dólares o más. Una turbina eólica típica produce energía equivalente a 2 B/D de petróleo, una grande puede acercarse a 30 B/D de petróleo equivalente. Además de ser una plaga en el horizonte, ya sea en Tehachapi, California, o en la costa de Copenhague, las turbinas eólicas mataron a millones de aves, incluidos varios cientos de águilas calvas el año pasado.

La energía hidrotermal (producción de vapor) se produce en muchos lugares a una profundidad de 2000 a 6000 pies (Utah) y de 8000 a 10 000 pies (Nueva Zelanda). Uno de los autores trabajó en este último en 1967-68, publicó el primer modelo geotérmico de depósito y pozo (Toronyi y Farouq Ali [4]), y luego colaboró ​​en el diseño de un pozo profundo (35,000 pies) de roca caliente en Indonesia. Todo eso se hizo porque las habilidades de ingeniería petrolera son adecuadas para el desarrollo de dichos depósitos, no porque el precio del petróleo fuera alto (era de $3,12) o porque hubiera un impulso para desarrollar recursos geotérmicos.

La energía nuclear es otro reemplazo potencial de los combustibles fósiles. Sin duda jugará un papel cada vez más importante en el futuro. Los mayores yacimientos de uranio se encuentran en Australia, Kazajstán y, cerca de EE. UU., en Canadá (564.900 t, el 9% del mundo). Todavía hay problemas difíciles de resolver, uno de los cuales es la eliminación de residuos nucleares (90.000 t de 55 plantas en EE. UU., 250.000 t de 440 plantas en todo el mundo). La hermosa planta de energía nuclear de Bruce, Canadá, (6 GW ≡ 82 000 B/D de petróleo), tardó 17 años en construirse. Recientemente fue renovada a un costo de $ 13 mil millones. (Una planta de energía típica alimentada con combustibles fósiles tarda ~10 años en construirse, y se requieren más permisos para una planta nuclear). Los reactores modulares pequeños (<300 MW) tienen los mismos problemas. El más pequeño está en Chukotka, Rusia, con 12 MW de salida, casi lo mismo que un aerogenerador, pero con una mayor eficiencia.

Otro tema que merece atención son los vehículos eléctricos. El CO2 producido en la fabricación de las baterías de un solo automóvil es aproximadamente la mitad del CO2 producido por un automóvil de gasolina durante toda su vida útil. Además, existen severas restricciones con respecto a las estaciones de carga y los tiempos, incluso en los EE. UU., sin mencionar el resto del mundo. EIA estima que la cantidad global de automóviles en el 2050 alcanzaría los 2.200 millones y el 31% de ellos serán eléctricos. Las baterías de un automóvil eléctrico pesan alrededor de 1000 lb, pero requieren la excavación de 500 000 lb de minerales [Mills,7], afortunadamente no en nuestro patio trasero. Las energías renovables requieren una cantidad gigantesca de minerales, pero la minería está moribunda en los EE. UU.

Necesidades de combustibles fósiles del futuro

Varias organizaciones han hecho sus propias proyecciones para el futuro consumo de energía hasta 2050. En las Figs. 2 y 3. Las cantidades graficadas son diferentes, por lo que los factores de conversión se dan en las leyendas de las figuras. Las cifras de consumo de petróleo para 2020 son 100 y 98 millones de B/D, respectivamente. El consumo total de combustibles fósiles para 2050 para los dos gráficos es de 310 (EIA) y 208 millones (Li) B/D de petróleo equivalente, muy diferente. Tenga en cuenta que la EIA pronosticó un consumo de petróleo de 120 millones de B/D para 2050, pero citó un rango de 125 a 150 millones de B/D. Presumiblemente, la EIA no tuvo en cuenta ninguna captura y almacenamiento de CO2 en sus estimaciones. Los pronósticos varían ampliamente. Como cuestión de interés, Shell predijo un consumo global total de energía de 600 millones de B/D equivalentes de petróleo para 2060 en un informe de 1997. El pronóstico de la EIA muestra un consumo total de energía de 428 millones de B/D equivalentes de petróleo para 2050.

“Es difícil hacer predicciones, especialmente sobre el futuro”. Yogui Berra.

Net Zero: ¿Qué está realmente involucrado?

Significa que no se libera CO2 a la atmósfera en todo el mundo, aunque se utilicen combustibles fósiles, a saber. 100% captura y almacenamiento. En algunos casos, como en los países nórdicos, el uso de combustibles fósiles se eliminará por completo alrededor del 2050, o antes. Como se señaló anteriormente, un requisito para considerar tal escenario es que el nivel de vida en los países en desarrollo debe elevarse a algo similar al de los países desarrollados. Pero hay otras limitaciones. Esto se muestra en la hoja de cálculo de Excel desarrollada para este propósito (Ver pdf).

Un caso particular se ilustra en la Fig. 4. Este enfoque se basa en el artículo de Geraedts [6]. El lector puede ingresar sus propios números en las celdas amarillas. El caso que se muestra en la Fig. 4 utiliza el pronóstico de EIA para el consumo de petróleo, gas y carbón en 2050, que debe eliminarse gradualmente y reemplazarse por energía renovable y/o el CO2 resultante se captura y almacena. Calculando el número de días desde hoy hasta 2050 para lograrlo, se pueden determinar las fuentes de energía renovable (solo consideramos turbinas eólicas, paneles solares y plantas nucleares) que se deben instalar todos los días. Se puede introducir el porcentaje de CO2 que se captura, lo que reduciría el consumo proporcionalmente. El cálculo de la Fig. 4 muestra que implicaría la instalación de 1664 turbinas eólicas de 8 MW, o la instalación de paneles solares en 93 950 acres (147 millas cuadradas, aproximadamente la mitad del área de Dallas), o la construcción de 2/3 de los 6,5 GW. Planta nuclear de Bruce en Ontario, TODOS LOS DÍAS, durante el número de días (10.464 días en el ejemplo) desde hoy hasta 2050, con cero captura de CO2. También se muestran los costos astronómicos de cada opción. Nuevamente, el lector puede ingresar otros números, pero la respuesta será la misma: simplemente no es factible. (Los autores están mejorando la hoja de cálculo para incluir otros factores). Al mismo tiempo, en el futuro pueden surgir nuevas tecnologías de reducción de CO2 y fuentes de energía que no estamos teniendo en cuenta.

Una opción interesante es que el lector ingrese la cantidad de días para construir lo anterior en una cierta cantidad de días, en lugar de todos los días. Para el ejemplo que se muestra, si cualquiera de los anteriores se realiza cada 100 días, no todos los días, ¡entonces Net Zero se logrará en el año 4880! Mills [7] ofrece una descripción sorprendente de los materiales necesarios para construir fuentes de energía renovable y muestra que su eliminación y la huella ambiental es mucho mayor que la de los yacimientos de petróleo y gas: aproximadamente 10 veces mayor para la misma cantidad de energía.

En cuanto a los recursos de combustibles fósiles, son bien conocidos y colosales. Apenas estamos comenzando a explotar los hidratos de gas, que contienen entre 100 y 1000 veces todos los demás combustibles fósiles combinados. Si la teoría abiogénica del petróleo es cierta, entonces tenemos hidrocarburos para mucho tiempo.

Lo que aprenden los ingenieros petroleros y para qué sirven

El petróleo, el gas y el carbón están aquí para quedarse por mucho tiempo. La ingeniería petrolera también será necesaria durante mucho tiempo, como se muestra a continuación. Discutiremos brevemente cómo pueden contribuir los ingenieros petroleros.

La ingeniería petrolera es única, ya que involucra todas las demás disciplinas de ingeniería, así como factores sociales y ambientales. Solo hablaremos del lado de la ingeniería. Se trata del subsuelo: qué hay en la tierra y cómo extraerlo o, lo que es igualmente importante, cómo inyectar fluidos para lograr una función deseada (por ejemplo, inundación con agua, creación de cavernas de sal, eliminación de CO2: es una lista enorme). Los ingenieros tienen un profundo conocimiento de la geología y la geofísica y trabajan en estrecha petroleros colaboración con geólogos y geofísicos. Saben determinar qué rocas se encuentran bajo tierra y sus innumerables propiedades. Son los maestros en la perforación de pozos profundos en la tierra (el pozo de Kola en Rusia tenía 8 millas de profundidad; perforaremos pozos mucho más profundos en el futuro) para explotar recursos, perforar pozos mineros y pozos térmicos en diversas formas, y también para inyectar fluidos. También aprenden a producir fluidos: es una función compleja, nadie más puede hacerlo. Luego está la gestión de yacimientos subterráneos utilizando las herramientas clásicas y las más nuevas. Al mismo tiempo, los ingenieros petroleros también han sido muy conscientes de los problemas ambientales y sociales. Por ejemplo, las áreas minadas a cielo abierto en Athabasca se están restaurando a la condición prístina original completa con bisontes, la construcción de tuberías se mantiene en suspenso durante años hasta que se consulte a todas las poblaciones nativas.

No existe una disciplina como la ingeniería petrolera, y se necesitan ingenieros petroleros para abordar la producción de energía del subsuelo, así como la reducción de CO2.

Observaciones finales

Hemos demostrado que el petróleo y el gas llegaron para quedarse durante muchos años, y se necesita ingeniería petrolera para capacitar a los ingenieros para liderar la producción de recursos de hidrocarburos. Al mismo tiempo, los ingenieros petroleros están mejor calificados para abordar la eliminación de CO2 en el subsuelo, producir calor de la tierra, etc. No solo saben cómo perforar cualquier tipo de pozo, sino también cómo administrar el depósito subyacente. También saben cómo producir geotermia y otros pozos de extracción de calor.

Se seguirá extrayendo petróleo y gas, y los ingenieros petroleros son los más adecuados para abordar las preocupaciones ambientales resultantes. ¡On Coogs!

Expresiones de gratitud

Deseamos agradecer a nuestros colegas, el Dr. Kyung Jae Lee, la Dra. Christine Ehlig-Economides, el Dr. Ahmad Sakhaee-Pour, el Dr. Michael Myers, el Dr. George Wong, el Dr. Lori Hathon, el Dr. Zeinab Zargar y el Dr. Guan Qin por sus valiosos comentarios. Se agradece al Dr. Ali Daneshy por revisar el artículo. Gracias al Sr. Ed Behm de Cobblestone Energy por sus comentarios detallados.

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Referencias

  1. Lee, Leslie: Ancient Deepsea Shells Reveal 66 Million Years of Carbon Dioxide Levels, Department of Geosciences, Texas A&M U., June 14, 2021.
  2. Patel, Sonal: DOE Sank Billions of Fossil Energy R&D Dollars in CCS Projects. Most Failed., Power, Oct 9, 2018.
  3. Koonin, Steven E.: Unsettled – What Climate Science Tells Us, What It Doesn’t, Ben Bella Books, Inc., Dallas, 2021.
  4. Toronyi, R.M. and Farouq Ali, S.M.: Two-Phase, Two-Dimensional Simulation of a Geothermal Reservoir, SPEJ (June 1977) 171-184.
  5. Li, Minqi:World Energy 2017-2050: Annual Report, Department of Economics, University of Utah Jun. 22, 2017.
  6. Geraedts, Henry: What really happened in Glasgow, Financial Post, Jan 13, 2022.
  7. Mills, Mark: Mines, Minerals and “Green” Energy: A Reality Check, Manhattan Institute, July, 2020.