Esta investigación desarrolló, validó y escaló una tecnología basada en nanomateriales multifuncionales para mejorar la producción y la calidad de crudos pesados y extrapesados y, simultáneamente, generar hidrógeno y favorecer la captura y conversión de CO2.

El trabajo se desarrolló bajo condiciones de presión y temperatura representativas de procesos reales de recobro térmico y avanzó hasta niveles de madurez tecnológica cercanos a TRL 8, (Technology Readiness Level) - Nivel de Madurez Tecnológica, que va del 1 al 9, incluyendo su implementación en pozos de un campo petrolero colombiano. De esta manera, la investigación propone una nueva forma de entender los yacimientos: no únicamente como lugares de extracción de hidrocarburos, sino como reactores naturales en los que pueden desarrollarse procesos controlados de transformación y valorización energética.

Los crudos pesados contienen moléculas de gran tamaño y complejidad, principalmente asfaltenos (compuestos orgánicos más pesados, complejos y de mayor punto de ebullición presentes en el petróleo crudo) y resinas, que incrementan su viscosidad, dificultan su movilidad y hacen que su producción requiera cantidades importantes de energía. Durante procesos térmicos convencionales, estas moléculas pueden experimentar reacciones poco controladas que generan productos no deseados, como coque.

La investigación partió de una idea diferente: utilizar nanomateriales diseñados a medida para dirigir selectivamente estas transformaciones, favoreciendo la ruptura de las moléculas más pesadas hacia productos de mayor valor y aprovechando las reacciones que ocurren naturalmente durante la recuperación térmica.

Para comprender y controlar estos procesos se estudió cómo la presión, la temperatura, la agregación de las moléculas y su composición química determinan la reactividad del crudo. La combinación de experimentos y simulaciones de dinámica molecular permitió relacionar características como el tamaño de las estructuras aromáticas, la formación de agregados y la ubicación de diferentes grupos químicos con las rutas de transformación observadas. Este conocimiento permitió establecer criterios para diseñar nanomateriales capaces de interactuar selectivamente con las fracciones más complejas del petróleo y facilitar su conversión.

A partir de estos resultados se desarrollaron nanomateriales basados principalmente en óxido de cerio (CeO2), modificado con óxidos de metales de transición y metales nobles, además de materiales compuestos con estructuras carbonosas y aluminosilicatadas. Estos nanomateriales redujeron significativamente la energía necesaria para transformar asfaltenos y resinas, permitiendo alcanzar altas conversiones a temperaturas inferiores a las requeridas en ausencia de catalizador. Además, mostraron estabilidad y capacidad de regeneración durante múltiples ciclos, características fundamentales para su utilización prolongada en condiciones de yacimiento.

Uno de los principales aportes de la investigación fue demostrar que estas transformaciones pueden aprovecharse también para la producción de hidrógeno directamente en el subsuelo. Durante procesos de gasificación y reacciones asistidas por vapor, los nanomateriales favorecieron la ruptura selectiva de enlaces químicos presentes en las fracciones pesadas del crudo y promovieron la generación de corrientes gaseosas con mayores contenidos de hidrógeno que los sistemas sin catalizador. Este resultado demuestra que parte de los hidrocarburos más difíciles de producir y procesar puede convertirse, bajo condiciones controladas, en un vector energético estratégico para la transición energética.

La tecnología mostró además capacidad para capturar y convertir CO2 en presencia de vapor. Los nanomateriales desarrollados presentan superficies capaces de adsorber CO2 y posteriormente favorecer su transformación en productos como CO (cobalto), CH4 (metano), H2 (gas hidrógeno molecular) e hidrocarburos ligeros. De especial importancia, esta capacidad se mantuvo incluso después de la interacción de los materiales con asfaltenos y resinas. Así, procesos que tradicionalmente se analizan por separado —mejoramiento del crudo, producción de hidrógeno y utilización de CO2— pueden integrarse dentro de un mismo concepto tecnológico. En este enfoque, el yacimiento funciona como un reactor geológico multifuncional, capaz de transformar recursos existentes y corrientes gaseosas en productos de mayor valor mientras se busca reducir la huella ambiental de la producción.

Para llevar estos resultados más allá del laboratorio, los nanomateriales de mejor desempeño se formularon como nanofluidos y se evaluaron inicialmente en núcleos de roca bajo condiciones representativas de yacimiento. Mediante un esquema de inyección asociado al vapor se consiguió transportar y distribuir el nanomaterial dentro del medio poroso. Las pruebas mostraron incrementos en la recuperación de petróleo frente a la inyección convencional de vapor y, simultáneamente, una mejora de la calidad del crudo recuperado, evidenciada por el aumento de su gravedad API (medida de densidad que indica qué tan pesado o liviano es el petróleo en comparación con el agua) y la disminución de su viscosidad. Esto confirmó que los nanomateriales pueden actuar directamente dentro del yacimiento, facilitando tanto la movilización como la transformación del crudo durante su producción.

Uno de los aspectos más relevantes de la investigación fue la aplicación de la tecnología a escala real en un campo petrolero colombiano. Los nanofluidos fueron implementados en pozos operativos mediante estimulación cíclica con vapor, utilizando infraestructura y equipos convencionales de campo. La tecnología fue evaluada durante ciclos completos de inyección, remojo y producción, permitiendo comprobar su funcionamiento bajo condiciones reales de presión, temperatura, flujo y operación.

Los pozos intervenidos presentaron una respuesta productiva favorable, con mejoras sostenidas en la movilidad del crudo, mayor eficiencia del proceso térmico y cambios positivos en las propiedades del petróleo producido, sin evidenciar efectos negativos sobre la integridad del yacimiento, la estabilidad de los pozos o las operaciones de superficie. Esta validación permitió demostrar además la estabilidad de los nanomateriales y su compatibilidad con la infraestructura petrolera existente. Los beneficios de la tecnología también fueron evaluados desde una perspectiva ambiental mediante análisis de ciclo de vida (LCA –herramienta que evalúa el impacto ambiental de un producto, servicio o proceso durante toda su existencia).

Los resultados confirmaron impactos ambientales positivos asociados a la incorporación de los nanomateriales, principalmente por la mayor eficiencia del proceso, la reducción de requerimientos energéticos y el aprovechamiento de corrientes de CO2, reforzando el potencial de esta estrategia para avanzar hacia una producción de hidrocarburos con menor huella ambiental.

En conjunto, la investigación aporta una visión diferente sobre el papel que pueden desempeñar los yacimientos de hidrocarburos dentro de la transición energética. En lugar de limitar su función a la extracción convencional, propone aprovechar su infraestructura, sus condiciones naturales de presión y temperatura y los recursos que permanecen en el subsuelo para desarrollar procesos de transformación controlados mediante nanotecnología.

La integración del mejoramiento in situ de crudos pesados, la producción de hidrógeno y la captura y utilización de CO2, respaldada por una demostración a escala de campo, abre una ruta para avanzar hacia procesos de producción más eficientes y de menor impacto ambiental. El principal aporte del trabajo consiste, por tanto, en demostrar que la nanotecnología puede servir como puente entre la producción actual de hidrocarburos y sistemas energéticos más sostenibles, transformando el yacimiento de una fuente convencional de recursos en una plataforma de conversión y valorización energética.

Oscar Enrique Medina Erazo, Investigador Postdoctoral, Universidad de Antioquia

Comunicado de prensa:

¿Y si fuera posible transformar el petróleo antes de sacarlo a la superficie? Esa es la idea detrás de la investigación de Oscar Enrique Medina. Los crudos pesados y extrapesados son tan viscosos y contienen moléculas tan complejas que su extracción y procesamiento resultan especialmente difíciles. Medina desarrolló nanomateriales que pueden inyectarse con el vapor y actuar como catalizadores dentro del medio poroso del yacimiento: ayudan a romper las fracciones más pesadas del petróleo y mejorar su calidad mientras todavía está bajo tierra. En laboratorio, el mejor material consiguió convertir el 100 % de los asfaltenos en menos de 90 minutos a 220 °C y reducir en 80 % la energía necesaria para la reacción; en otro ensayo, el principal pico de descomposición de estas moléculas pasó de alrededor de 450 °C sin nanopartículas a 220 °C con el nanocatalizador. La misma reacción permitió además producir un gas con más de 40 % de hidrógeno a 220 °C y cerca de 55 % a 230 °C.

La investigación fue además del laboratorio al campo. En pruebas con roca que reprodujeron condiciones de yacimiento, la tecnología aumentó la recuperación de petróleo entre 25 % y 42 %, redujo hasta 85 % su viscosidad y hasta 71 % su contenido de asfaltenos. Después fue escalada hasta un nivel de madurez tecnológica cercano a TRL 8 y probada en cuatro pozos de un campo colombiano —dos con nanofluido en frío y dos acompañados de vapor—; las dos primeras pruebas reportaron 8.603 barriles adicionales de petróleo en 2022. El aporte está en conectar, dentro de una misma investigación, tres posibilidades que normalmente se estudian por separado: mejorar el crudo dentro del yacimiento, aumentar su recuperación y aprovechar sus fracciones más pesadas para producir hidrógeno. La aplicación en pozos validó la primera parte de esa tecnología en condiciones reales; la producción de hidrógeno quedó demostrada experimentalmente bajo condiciones representativas del proceso.

Más información:
Oscar Enrique Medina Erazo
oemedinae@unal.edu.co
(+57) 310 415 9520