Il petrolio grezzo è una miscela complessa di sostanze organiche, prevalentemente di idrocarburi, che si trova in natura e che costituisce una fonte di energia non rinnovabile. A seconda dei luoghi da cui è estratto, il petrolio si presenta sostanzialmente con la stessa serie di composti, ma a diversa concentrazione.
La formazione del petrolio è il risultato di processi complessi che si sono succeduti durante le varie ere geologiche che vanno dal Precambriano al Pleistocene. La genesi del petrolio è molto dibattuta ma l’ipotesi prevalente è quella in cui si ritiene che i giacimenti si siano formati secondo le seguenti fasi:
- Formazione dei costituenti del petrolio
- Migrazione primaria
- Accumulo in un bacino
- Maturazione
Circa l’origine dei componenti del petrolio sono avanzate due teorie, una inorganica e una organica.
Teoria inorganica
La teoria inorganica si fonda sull’ipotesi che, ad alte temperature e pressioni, si siano formati dei carburi metallici e che questi, a contatto con le acque del sottosuolo, fossero stati decomposti nei corrispondenti idrossidi e idrocarburi. Così, ad esempio:
CaC2 + 2 H2O → Ca(OH)2 + C2H2
Tale teoria, tuttavia, è stata completamente abbandonata quando nel petrolio furono ritrovati complessi porfirinici quali la emina, la clorofilla e le emovanadine che sono alla base di ogni processo vitale.
Teoria organica
L’ipotesi organica è oggi universalmente accettata e gli studi sono rivolti a correlare ogni componente del petrolio con la sua sostanza organica progenitrice. Per esempio è stato dimostrato che i benzocarbazoli contenuti nel petrolio derivano da alcuni alcaloidi e che molti idrocarburi ramificati della serie delle paraffine presenti nel greggio si ritrovano anche nelle piante.
Il materiale organico che ha dato origine al petrolio si è accumulato nel fondo dei mari come dimostra il fatto che la maggior parte dei giacimenti petroliferi sono associati a sedimenti di origine marina. Siccome il plancton è il materiale organico più abbondante dell’oceano si può ritenere che anche la sua composizione sia rappresentativa della materia prima che ha dato origine al petrolio. Il plancton ha subito le prime modificazioni in bacini chiusi dove si realizzano condizioni riducenti. L’ossidazione, infatti, avrebbe rapidamente decomposto le sostanze organiche in acqua e anidride carbonica. In condizioni anaerobiche, invece, i sedimenti organici vengono decomposti dai batteri e il prodotto di questa trasformazione costituisce il cherogene.
Reazioni
L’ulteriore trasformazione in petrolio comporta complesse reazioni su cui si possono fare solo delle ipotesi. Queste reazioni devono essere avvenute molto lentamente e a temperature inferiori a 200°C; infatti nel petrolio si rinvengono composti solforati che si decompongono oltre tale temperatura.
Un tipo di reazione che può aver dato luogo alla formazione del petrolio è il cracking termico in seguito a collisione una n-paraffina può perdere un idrogeno formando un radicale:
– CH2 – CH2– CH2– CH2– CH2 – CH2– CH2– → – CH2 – CH2– CH2– C· H– CH2 – CH2– CH2– + H
Il radicale si spezza formando un’olefina e un nuovo radicale primario:
– CH2 – CH2– CH2– C· H– CH2 – CH2– CH2– → – CH2 – CH2– CH2– C· H2 + CH2 =CH- CH2 –
Il radicale primario può subire un’ulteriore scissione e produrre etilene e un altro radicale primario:
– CH2 – CH2– CH2– C· H2 → CH2=CH2 + – CH2– C· H2
o può isomerizzare o provocare l’estrazione di un atomo di idrogeno. La terminazione della reazione avviene con l’unione di due radicali. In seguito a tali reazioni si formano soprattutto α-olefine, etilene e n-paraffine a peso molecolare minore di quelle di partenza. Tali reazioni, tuttavia, avvengono a reazioni elevate ma si può ritenere che alcuni minerali potrebbero agire da catalizzatori permettendo la reazione in tempi geologici.
Migrazione primaria
La migrazione primaria comporta il trasferimento dei componenti del petrolio da rocce sedimentarie di bassa permeabilità, in cui sono presenti in tracce, verso zone porose e permeabili. Un progressivo sprofondamento delle rocce sedimentarie comporta, infatti, un aumento di pressione sui sedimenti. Essi perdono così le loro acque interstiziali, le quali a loro volta trascinano via in soluzione o in sospensione finissima i componenti del petrolio. Quando queste soluzioni o dispersioni invadono rocce porose si realizzano condizioni chimico-fisiche che determinano la separazione del petrolio sotto forma di minutissime particelle che si aggregano, aumentando il loro volume fino a non essere più capaci di entrare nei pori delle rocce circostanti.
Si ha così la formazione di deposito. Successivamente alla fase di migrazione e di accumulo si ha la maturazione del petrolio, ovvero una serie di reazioni che determinano la formazione di componenti termodinamicamente più stabili. I petroli di origine più antica sono, infatti, più ricchi di paraffine a basso peso molecolare rispetto a quelli di età più recente.