En uno de los laboratorios de la Gerencia Química de la Comisión Nacional de Energía Atómica y el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología CNEA-CONICET (INN), ubicado en el Centro Atómico Constituyentes, se desarrolla una técnica que facilitará la explotación de yacimientos no convencionales de hidrocarburos. Se trata del análisis de pequeños fragmentos de roca provenientes de los pozos mediante nanoindentación, para así obtener información que permita optimizar el procedimiento de extracción de los hidrocarburos.
“Desde el año 2000, grupos formados por investigadores y tecnólogos de la CNEA y el CONICET trabajan juntos haciendo frente a distintos desafíos con nanotecnología. Esta disciplina nos abrió las puertas para desarrollar numerosas y originales soluciones para áreas tan diversas como la energética, la aeroespacial, la metalúrgica, la automotriz, la biomedicina y ahora, la industria petrolera”, señala la doctora en Física Laura Steren, vicedirectora del INN.
“Trabajar en la escala nanométrica generó la necesidad de crear nuevas técnicas experimentales de estudio, como la nanoindentación, y microscopios que pudieran ‘ver’ las propiedades físico-químicas en sistemas nanoestructurados -explica-. Recordemos que las distancias medias entre átomos en un material cualquiera son típicamente del orden de algunas décimas de nanómetro. Hablamos de investigar propiedades de materiales que poseen una o más dimensiones que comprenden solamente algunas capas atómicas”.
La nanoindentación es una técnica experimental que permite conocer los parámetros mecánicos de los materiales a partir de muestras de unos pocos milímetros de diámetro. Consiste en hacerle una impronta del orden del micrón a la superficie del material a analizar con una pequeña punta de diamante. Esa punta se va introduciendo en la muestra y se registra la carga que se aplica para ingresar y cuánto penetra. Así se obtiene una curva que relaciona la carga con la penetración, a partir de la cual se calculan los parámetros mecánicos del material: la dureza, que es su resistencia a ser deformado en forma permanente, y su módulo elástico, relacionado con la deformación elástica o reversible.
En 2018, un equipo de físicos y geólogos de Y-TEC, la empresa de investigación y desarrollo para la industria energética de YPF y CONICET, consultó si la nanoindentación se podía aplicar sobre rocas obtenidas de la perforación de pozos de petróleo. Les interesaba conocer las propiedades mecánicas de esos pozos, entre ellos, de los ubicados en el yacimiento de Vaca Muerta, a partir de muestras pequeñas o recortes de perforación que se obtienen rutinariamente, en lugar de tener que medir muestras más grandes, muy costosas y difíciles de extraer.
Vaca Muerta es un yacimiento no convencional de hidrocarburos, que se encuentran a más de 2.500 metros de profundidad. Estos hidrocarburos están encerrados en poros muy poco conectados entre sí y para extraerlos se utiliza la técnica de fractura hidráulica, que consiste en hacer una perforación e inyectar agua a alta presión. De esta manera, se generan microfisuras de menos de un centímetro de diámetro que crean una red interconectada de poros por donde los hidrocarburos pueden fluir hacia el pozo.
“Cada región que la empresa explora para realizar un pozo tiene distintos tipos de rocas y, en particular, cada roca tiene diferentes propiedades mecánicas según su composición, textura y porosidad. Los físicos de rocas necesitan saber a qué profundidad del pozo es más fácil realizar la fractura hidráulica. Para esto, tienen que conocer las propiedades mecánicas de los minerales presentes a cada profundidad del pozo perforado”, explica la ingeniera y doctora en Ciencia y Tecnología de los Materiales María Cecilia Fuertes.
Fuertes es la investigadora del CONICET al frente del desarrollo de la técnica de nanoindentación aplicada a evaluar residuos de la perforación de los pozos. “La técnica convencional que se utiliza para evaluar las propiedades de las rocas consiste en extraer testigos corona, que son cilindros completos de material del pozo. La obtención de las coronas es muy costosa y difícil de realizar, por eso se extraen muy pocas por pozo o área explorada. Además, estas muestras no representan la totalidad de la profundidad del pozo, sino que son segmentos extraídos a diferentes intervalos de profundidad”, señala.
La alternativa en la que se trabaja ahora es el estudio de pequeños fragmentos de roca que se desprenden cuando se perfora un pozo. “A medida que el trépano realiza la perforación, sale del pozo un residuo que contiene rocas muy pequeñas. Estas muestras, que se obtienen a todas las profundidades perforadas, se llaman cuttings y no pueden ser evaluadas mecánicamente con los métodos convencionales porque tienen unos pocos milímetros de diámetro. En nuestro laboratorio las estudiamos con nanoindentación, porque esta técnica sí permite determinar las características mecánicas de materiales de muy pequeñas dimensiones”, detalla Fuertes.
En los últimos tres años de trabajo, la información obtenida a partir de los residuos de la perforación fue comparada con la que se midió para las coronas obtenidas de los mismos pozos, y así se pudo validar el nuevo método.
“La técnica que estamos desarrollando es reciente, pero ya la hemos podido aplicar para muestras obtenidas de diferentes yacimientos no convencionales de la Argentina -dice Fuertes-. Estamos comenzando una segunda etapa, en la cual buscamos aumentar el número de muestras evaluadas en el menor tiempo posible. El desafío es desarrollar un protocolo simple, rápido y económico para que YPF y otras empresas petroleras puedan caracterizar las propiedades mecánicas de los pozos de yacimientos no convencionales”.