CAPITOLO 1:
L’industria petrolifera
L’industria estrattiva: storia, situazione, trend
I prodotti principali dell’industria di estrazione di petrolio sono petrolio, liquidi da gas naturale e gas naturale. Il petrolio è una miscela di differenti idrocarburi che devono essere opportunamente trattati in modo da produrre una vasta gamma di prodotti secondari.
Per quanto riguarda il processo di raffinazione delle industrie americane circa il 40% dei prodotti vengono utilizzati per l’alimentazione dei motori, il 20% per il riscaldamento domestico il 10% per i motori dei getti e, a seguire in percentuali minori, per la produzione di cere, asfalti e altri prodotti “non carburanti”. /1/
Quando il petrolio è portato in superficie, può contenere una miscela di gas naturale, acqua di strato e di condensazione e solidi sia in soluzione che in sospensione. Sulla terraferma (e in molte operazioni di estrazione condotte su piattaforme galleggianti in mare aperto) il gas naturale viene separato dal petrolio liquido e convogliato in tubatura (o in altri veicoli di trasporto). Stessa sorte tocca all’acqua, che può rappresentare più del 90% del fluido estratto da pozzi maturi, e ai solidi. La separazione dell’acqua dal fluido estratto rappresenta però un processo che richiede notevoli ingombri che non tutte le
piattaforme riescono asoddisfare: per le piattaforme del Golfo del Messico ciò risulta possibile solo in un terzo della loro globalità.
Il gas naturale è anche prodotto da pozzi in cui l’estrazione del gas rappresenta l’obiettivo primario dell’operazione (gas condensati o secchi).
Il metano rappresenta il componente predominante del gas naturale ( approssimativamente ne costituisce intorno all’ 80%), ma anche l’etano (10%), il propano e il butano sono componenti significativi. I componenti più pesanti si trovano sotto forma di liquidi quando il gas viene raffreddato e compresso per permetterne il trasporto: questi vengono quindi separati e trattati come liquidi di gas naturale. /2/
Sempre per quanto riguarda gli Stati Uniti, l’industria dell’estrazione rappresenta un anello importante per la produzione di energia per gli stati stessi. Il petrolio ed il gas naturale forniscono il 65% dell’energia consumata negli stati uniti e la produzione interna (escluse quindi le importazioni) forniscono circa il 40% del petrolio e il 90% del gas naturale. /3/
A livello globale negli ultimi anni si sono verificate sensibili oscillazioni negli apporti delle varie aree geografiche alla produzione mondiale di petrolio.
A fronte di un iniziale abbassamento della produzione mondiale di greggio dei paesi dell’OPEC, che nel 1973 ne detenevano il 53% del mercato, fra la seconda metà degli anni ’70 e la prima degli anni ’80 si è avuto un andamento contrario.
Nelle prospezioni dello studio WETO /4/ della commissione europea la domanda mondiale di energia è destinata a crescere dell’1.8% all’anno fra il 2000 e il 2030. In effetti questo è solo un trend medio: la crescita della domanda risulterebbe essere maggiore per i paesi in via di sviluppo rispetto a quella nella comunità europea (stimata a +0.4%/anno).
Il sistema mondiale energetico continuerà ad essere dominato dai combustibili fossili che nel 2030 forniranno quasi il 90% di tutta la richiesta energetica mondiale. Il petrolio rimarrà la fonte principale (34%) seguito dal carbone (28%).
Il gas naturale rappresenterà circa un quarto delle fonti globali di energia, mentre salirà al secondo posto per quanto riguarda la Comunità Europea.
Le riserve petrolifere attuali soddisferanno la richiesta in maniera soddisfacente fino al 2030./5/ Oltre tale data il declino delle risorse convenzionali di carburanti di origine fossile sarà solo in parte compensata da un aumento delle riserve non convenzionali: le riserve di gas naturale sono abbondanti ed è previsto un loro aumento di circa il 10%.
La produzione di petrolio tenderà ad aumentare di circa il 65% raggiungendo la quota di 120 milioni di barili/giorno nel 2030. Nel 2000 i paesi OPEC coprivano da soli il 40% della domanda globale di petrolio, quota che è destinata a crescere fino al 60% per il 2030.
Il crescente fabbisogno energetico mondiale porterà inevitabilmente ad un aumento della ricerca di nuovi giacimenti da sfruttare, con il conseguente sviluppo della fase esplorativa. /5/
I processi dell’industria di estrazione di petrolio e gas
L’industria di estrazione di gas e petrolio può essere schematizzata in quattro processi fondamentali: /6/
• Esplorazione
• Sviluppo del pozzo
• Produzione
• Abbandono del sito
L’esplorazione riguarda la ricerca di formazioni rocciose associate con depositi di petrolio o di gas naturale e coinvolge prospezioni geofisiche e/o perforazioni di esplorazione.
Una volta individuato il giacimento si procede creando un pozzo esplorativo;
infatti solo questo potrà realmente accertare con sicurezza se le trappole identificate dalla prospezione contengano del petrolio. Lo sviluppo di un pozzo esplorativo è un passo fondamentale, anche se i suoi costi sono molto superiori a quelli imputabili alla fase di prospezione; infatti mentre un rilevamento sismico può costare tra i 2.000 e 10.000 dollari a Km (circa 400 in mare, perché il processo è più rapido e non necessita di esplosivi), il costo della struttura per perforare un pozzo esplorativo si aggira tra i 15.000 e 30.000 dollari al giorno in terra e può arrivare a 150.000 dollari al giorno in mare.
Considerando che per perforare un pozzo si può impiegare anche un anno, si capisce quanto possa essere onerosa questa attività.
La tecnica di perforazione più usata è chiamata a rotazione (rotary). E' costituito da una punta, chiamata scalpello, poggiata sul fondo del pozzo e collegata alla superficie attraverso una serie di aste cave avvitate l'una all'altra e tenute sospese mediante la torre di perforazione; facendo ruotare l'ultima asta, cioè quella che spunta in superficie, si trasmette la rotazione a tutto il sistema e quindi anche allo scalpello. Contemporaneamente dall'alto viene iniettato nelle aste un fluido a pressione (il fango), la cui composizione è studiata per rispondere a determinate caratteristiche di densità e viscosità. Il fango fuoriesce dallo scalpello e risale attraverso lo spazio vuoto tre le aste e la parete del foro, detto annulus, (il percorso può essere anche opposto, nel senso che il fango può fuoriuscire anche dalle aste) fino alla superficie dove viene filtrato e pompato nuovamente in circolo. Questo fango serve sia per portare in superficie i detriti provocati dalla frantumazione della roccia, che per
raffreddare lo scalpello; inoltre serve a controbilanciare la pressione dei fluidi contenuti nelle rocce permeabili attraversate che altrimenti entrerebbero nel foro. Generalmente comunque si sigilla il foro mediante rivestimenti di tubi in acciaio cementati alla roccia, il casing, anche se questo processo diminuisce sensibilmente il diametro del pozzo.
Lo sviluppo del pozzo ha luogo nel momento in cui l’esplorazione ha individuato un giacimento economicamente sostenibile in termini di costi/guadagni e riguarda la costruzione di più pozzi. Tali pozzi “iniziali” (detti spudding) possono essere portati al loro definitivo sviluppo, ma anche ad un abbandono nel caso in cui non vengano trovate sufficienti quantità di idrocarburi da estrarre.
La produzione è il processo di estrazione degli idrocarburi dal giacimento, dalla separazione dei componenti non utilizzabili e dalla vendita, intesa come distribuzione-trasporto, dei componenti di interesse commerciale. Il petrolio, è in linea generale, inviato alla raffinazione; il gas naturale può essere trattato per rimuovere le impurità sia direttamente nel sito di estrazione sia in un impianto specifico.
Infine il sito viene abbandonato chiudendo i pozzi e ripristinando lo stato iniziale del sito stesso quando il suo sfruttamento non risulta essere più economicamente sostenibile.
A lato di questi processi fondamentali, esistono altri aspetti presi in considerazione dall’industria estrattiva, in particolare: la manutenzione dei pozzi e del giacimento risultano essere attività essenziali al fine del mantenimento della sicurezza e della produttività dei pozzi. /6/
Rilascio di idrocarburi
I rilasci accidentali di idrocarburi da strutture di estrazione si presentano generalmente due forme distinte: fuoriuscite (spills) o eruzioni (Blowouts).
Le fuoriuscite di petrolio (principalmente sotto forma di crude oil o condensato) derivano da sorgenti diverse all’interno del sito di produzione stesso: perdite da serbatoi di stoccaggio, perdite durante il trasporto o il trasferimento da un serbatoio ad un altro attraverso tubi, valvole o giunti consumati. Gli spills rappresentano il più comune tipo di incidente, ma la quantità di inquinante rilasciato è spesso molto piccola. Inoltre la sorgente può essere facilmente individuata, permettendo così la sostituzione del componente malfunzionante o la prevenzione di un potenziale futuro incidente.
Le eruzioni o Blowouts, sono eventi rari (vedi il paragrafo successivo per una stima della loro frequenza di accadimento). La loro probabilità di accadimento è maggiore durante le operazioni di trivellamento nella la fase esplorativa (drilling Blowout) o durante i lavori di completamento e sviluppo del pozzo, ma in realtà si può verificare in qualsiasi momento del processo industriale completo, inclusa la fase di estrazione vera e propria (production Blowout). /7/
Gli eventi blowout accadono in tutto il mondo a prescindere dalle condizioni geologiche, operazionali e geografiche.
La durata di un evento Blowout è molto variabile. In passato si sono verificati incidenti che sono durati alcune ore, ma si sono verificati casi in cui, falliti i tentativi di controllo dell’eruzione, questa si è protratta per decine di giorni.
Analisi delle frequenze di Blowout
Lo sviluppo tecnologico degli ultimi anni delle tecniche di perforazione unito ad un incremento dell’esperienza di tutto il settore esplorativo ha portato ad una diminuzione della frequenza di perdita di controllo dei pozzi. E’ anche vero però che l’affinamento di queste tecniche ha spinto l’esplorazione sempre più in profondità, ed in luoghi, quali l’ambiente marino, che fino a pochi anni fa risultavano essere inaccessibili. Inoltre le nuove tecniche permettono di spingere in profondità il casing superficiale ovviando alle frequenti aggiunte che dovevano essere fatte alle aste di perforazione all’inizio dello sviluppo delle tecniche di perforazione. Queste nuove frontiere dell’esplorazione del sottosuolo portano, a differenza di quanto affermato prima, ad un generale aumento del rischio di Blowouts.
Per quanto riguarda gli Stati Uniti, non esistono dati precisi sulla frequenza dei Blowout antecedenti al 1973. /8/ Prima di tale data, infatti non esisteva un metodo standard per la catalogazione sistematica di questi eventi accidentali.
Inoltre non esiste una vera e propria distinzione fra normali e piccoli kicks (vedi CAP 2 paragrafo “Blowout: Le cause”), risultanti solo in una modificazione temporanea del processo di perforazione, e perdite totali di controllo del pozzo. I dati risultano essere anche frammentati per quanto riguarda il momento nel processo produttivo nel quale si sono verificati, ovvero se si tratta di Blowouts o Kicks avvenuti durante la perforazione o la fase di produzione del pozzo.
La seguente tabella riassume i Blowout avvenuti tra il 1960 e il 1996 in tre diverse zone geografiche degli stati uniti: Lousiana, Texas e sulle piattaforme galleggianti al largo delle costa del Golfo del Messico (OCS: Outer Continental Shelf). I dati sulla frequenza antecedente al 1960 sono stati esclusi poiché
affetti da notevoli imprecisioni e mancanza di consistenza nella registrazione e archiviazione degli stessi.
Area
N.
totale di BO
BO durante perforazione
N. pozzi perforati
BO durante perforazione ogni
100 pozzi
Lousiana 203 95 88˙399 0.107
Texas 186 123 35˙000 0.35
OCS 817 502 475˙400 0.11
TOTALE 1˙206 720 598˙799 0.12
La CONOCO dà una frequenza pari a 0.00196 ogni pozzo perforato e una frequenza simile è stata rilevata anche BP Amoco (2000). La MOBIL (1988) estrapola un valore di 1 evento blowout causa di rilevante inquinamento ogni 660.000 esplorazioni. L’estrema variabilità delle frequenze riportate in letteratura deriva dalle diverse definizioni date all’evento, nonché alla difficoltà di paragonare i risultati vista la loro variabilità di presentazione (eventi per pozzo, eventi per perforazione, eventi per processo produttivo…). /9/
Nella seguente tabella sono invece catalogati alcuni eventi Blowout a seconda del loro accadimento durante i vari processi produttivi /10/. Fra le cause
“esterne” (external causes) sono da includere eventi meteorologici che possono danneggiare le strutture o non permettere il normale sviluppo del processo estrattivo (tornadi, uragani, inondazioni…).
Production AREA Dev.
drlg Expl.
drlg Unk.
drlg Completion Workover External cause* No ext.
cause*
Wireline Unknown Total
7 22 3 3 5 1 1 1 1 44
North Sea (UK
&
Norway) 15.9% 50.0% 6.8% 6.8% 11.4% 2.3% 2.3% 2.3% 2.3% 100.0%
41 42 0 11 25 5 7 3 2 136
US GoM
OCS 30.1% 30.9% 0.0% 8.1% 18.4% 3.7% 5.1% 2.2% 1.5% 100.0%
48 64 3 14 30 6 8 4 3 180
Total
26.7% 35.6% 1.7% 7.8% 16.7% 3.3% 4.4% 2.2% 1.7% 100.0%
Blowout: le conseguenze
Le conseguenze degli eventi di Blowout sono frequentemente disastrose e molto onerose dal punto di vista economico.
Queste includono principalmente:
• Perdita di vite umane e/o infortuni.
• Danni all’ambiente
• Esaurimento del reservoir
• Problemi di sicurezza per il personale a causa della tossicità e dell’eventuale incendio del flusso risalente la conduttura del pozzo
• Perdita dell’attrezzatura
• Perdita di credibilità per l’industria estrattiva
Gli inquinanti immessi in atmosfera dipendono principalmente dalla caratteristiche dei composti che compongono il giacimento e dal fatto che il getto si possa incendiare.
Per quanto riguarda blowout incombusti i principali inquinanti sono:
• Idrocarburi di varia natura
• Materiale solido particellare
• Acido solfidrico
Qualora il getto si infiammi, i composti derivanti dal processo di combustione possono essere fortemente nocivi per l’ambiente circostante. Fra questi si ricordano NoX, SoX.
Il risultato di tale inquinamento è rilevabile sia a livello locale, ovvero nelle zone limitrofe all’installazione, sia a livello regionale. Molti degli inquinanti sopra descritti possono essere trasportati dal vento a grandi distanze e creare
perturbazioni dell’ambiente naturale nel momento in cui si depositano, favoriti dalle precipitazioni meteoriche.
Si può registrare un abbassamento locale della qualità dell’aria causato principalmente dagli ossidi di azoto, di zolfo e dai composti organici volatili che contribuiscono allo sviluppo dello smog fotochimico.
Alcuni di questi, principalmente gli ossidi di azoto e di zolfo, contribuiscono al fenomeno della formazione delle piogge acide, nocive a livello dei suoli e per la vegetazione. A rischio risultano essere anche gli edifici e le infrastrutture circostanti.
A livello globale, questi incidenti non hanno grande rilevanza data la loro scarsa frequenza di accadimento. Solo durante la prima guerra del golfo (1991), dato l’elevato numero di pozzi petroliferi volontariamente incendiati si sono registrate variazioni meteo-climatologiche della zona costiera del Kuwait.
/11/
I gas infiammabili
Talvolta il getto può incontrare condizioni favorevoli al suo innesco. Il modello sviluppato in questa tesi può, attraverso la stima delle concentrazioni, determinare a quale altezza si raggiungono i limiti di infiammabilità e quindi prevedere questa possibilità noti i limiti.
Un gas infiammabile (gas combustibile) è un qualunque gas che reagisce con l’ossigeno (puro o diluito come nell’aria), con produzione di calore e propagazione di fiamma.
Si definisce temperatura di innesco la temperatura minima alla quale si deve trovare la miscela combustibile (gas infiammabile) - comburente (aria) affinché si inneschi la combustione
Questa risulta essere funzione di parametri quali:
• la concentrazione del combustibile
• la natura del combustibile
• il tipo di comburente
• pressione
• modalità di riscaldamento
La combustione innescata in un punto si potrà propagare al resto della massa, se i rapporti volumetrici della miscela combustibile-comburente sono entro 2 limiti particolari:
• Limite di infiammabilità inferiore (LEL): la minima concentrazione di gas infiammabile al di sopra della quale vi è propagazione di fiamma; al di sotto la miscela è troppo “povera” per propagare la fiamma
• Limite di infiammabilità superiore (UEL): la massima concentrazione di gas infiammabile al di sotto della quale vi è propagazione di fiamma; al di sopra la miscela è troppo “ricca” per propagare la fiamma
Un innalzamento della temperatura comporta un allargamento dell’intervallo di infiammabilità
Miscele esplodibili
Una miscela si definisce esplodibile quando è composta da un comburente (aria, ossigeno, ozono, cloro, fluoro, perossidi organici, ecc.) e da un
combustibile (idrogeno, ossido di carbonio, idrocarburi, ammoniaca, polveri di carbone o di materiale organico, polveri metalliche, ecc.) che, in presenza di un adeguato innesco, dà luogo ad una esplosione.
Per il calcolo dei limiti di infiammabilità per una miscela di gas si può applicare la formula empirica di Le Chatelier:
[ ]
%...
100
3 3 2
2 1
1 + +
=
L c L
c L Lm c
Dove:
c ÷1 c : % in volume dei gas componenti la miscela combustibile n
L1 ÷L :limiti di infiammabilità (inferiori o superiori) n L : limite di infiammabilità (inf. o sup.) della miscela m
Se ad una miscela composta da gas infiammabile ed ossigeno viene aggiunto un gas inerte:
• l’intervallo di infiammabilità si modifica con spostamento di LEL e UEL
• se il gas inerte è in concentrazione sufficiente, nella miscela ternaria vi è l’eliminazione dell’intervallo di infiammabilità
