Dados do Trabalhos de Conclusão

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
FÍSICA (33144010001P7)
Estudo de nanopartículas em interfaces fluido/fluido via dinâmica molecular: aplicações às tecnologias do petróle
LUCAS STORI DE LARA
TESE
07/06/2013

Diversos procedimentos relacionados a recuperação melhorada de petróleo (RMP) são fortemente influenciados pelas interfaces fluidos/óleo. A determinação das propriedades físico-químicas nestas interfaces é pouca conhecida em escala nanométrica e motivo de vários estudos na atualidade. Neste trabalho, através de cálculos de dinâmica molecular, estudamos as interfaces fluidos/óleo sob condições de pressão, temperatura e salinidade encontradas em reservatórios. Consideramos vários potenciais de interação para os diferentes modelos atomísticos tal que: para a salmoura utilizamos o potencial SPCE/FH incluído às interações H2O-íons em solução, para os fluidos CO2, N2 e CH4 utilizamos os potenciais EPM2 e CHARMM, para o modelo de óleo descrevemos as interações entre os hidrocarbonetos por potenciais na base CHARMM. A partir dos sistemas isolados, as interfaces fluidos/óleo foram modeladas. No caso das interfaces salmoura/óleo, nossos cálculos indicam um aumento na tensão interfacial com o aumento da pressão e da concentração salina. Já para os demais fluidos a tensão interfacial diminui com o aumento da pressão e da temperatura. Além disto,com a redução da tensão interfacial, um aumento da difusividade dos fluidos na fase de óleo é observado. Investigamos a utilização de nanopartículas (NPs) de SiO2 (hidroxiladas e funcionalizadas com grupos ácidos sulfônicos (AS) [Si-(OH)3-(CH2)3-SO3H], hidrofóbico, ou grupos polietilenos glicóis (PEG) [(Si-(OH)3-(CH2CH2O)n-H]), hidrofílico, em vista de resultados experimentais promissores na alteração da molhabilidade em interfaces salmoura/óleo/rochas. Para a NPs hidroxilada (NP-H), garantimos uma distribuição realista dos grupos hidroxilas (Si-(OH) = 83%, Si-(OH)2 = 17% e Si-(OH)3 = 0%), de acordo com observações experimentais, sendo que as interações atômicas são descritas pelo potencial conhecido como Cruz-Chu. A partir da NP-H, funcionalizamos as NPs através da inclusão de grupos hidrofóbicos (AS) ou hidrofílicos (PEG) sobre sua superfície, com parâmetros de potencias descritos na base CHARMM para estes grupos funcionais. Com as interações entre a salmoura e as NPs, verificamos a estabilidade destas soluções bem como as propriedades de hidrofilicidade das NPs. Para as concentrações salinas (NaCl, CaCl2 e MgCl2), observamos a formação de duplas camadas elétricas (DCE) e consequente redução na tensão interfacial NPs/salmoura conforme o tipo de sal em solução, além disso, com a formação de DCE, identificamos uma concentração crítica de sal antes da qual uma precipitação de NPs ocorre. Estudamos soluções contendo NPs em um modelo de óleo leve onde identificamos um acúmulo de moléculas aromáticas sobre as NPs. Este acúmulo decresce conforme a presença vii dos grupos hidrofóbicos e hidrofílicos nas NPs variando também a tensão interfacial NPs/óleo. Finalmente, estudamos a alteração da molhabilidade nas interfaces óleo/salmouras mediante inclusão de NPs. Uma redução na tensão interfacial é observada tal que, em superfícies hidrofílicas, observa-se um menor ângulo de contato NPs-óleo. Também investigamos as propriedades eletrostáticas nas soluções óleo-NPs-salmouras através da observação das formações de DCE próxima as interfaces, sugerindo um mecanismo de formação de emulsões em diferentes concentrações salinas. Com os resultados provenientes desta tese, mostramos que a utilização de simulações atomísticas trazem informações relevantes sobre as diferentes interfaces fluidos/óleo, sendo que, por meios experimentais, tais análises tornam-se complicadas e em alguns casos impraticáveis. Em resumo, mostramos as potencialidades das NPs de SiO2 como um agente na RMP

Salinidade; hidrofilicidade das NPs
Enhanced oil recovery techniques (EOR) can be strongly influenced by fluid/oil interfaces. Nowadays, the understanding of interfacial properties at nanoscale is still ill determined and poorly understood which has motivated several studies on this direction. In this work, fluid-oil interfaces were studied by Molecular Dynamics under realistic oil reservoir conditions of pressure, temperature and salinity. Interatomic potentials were applied to describe the fluid-oil interfaces. For brine, SPCE/FH potential has been used including ions in solution. While, EPM2 and CHARMM potentials were applied to describe CO2, N2 and CH4 fluids. Additionally, the hydrocarbon interactions were described by CHARMM based force fields. The fluid/oil interfaces were modeled starting from the isolated systems. For brine/oil interfaces, our calculations indicate an increase in the interfacial tension with increasing of the salt concentration and pressure. However, for the other fluids studied, the interfacial tension decreases with increasing pressure and temperature. Moreover, by reducing interfacial tension, an increasing in diffusivity of the fluids in the oil phase was observed. Promising experimental results reported a wettability change within brine/oil/rocks interfaces due to SiO2 nanoparticles (NPs). In order to better understand this process, we have investigated the use of SiO2 NPs (hydroxylated and functionalized with sulfonic acid (SA) [Si-(OH)3-(CH2)3-SO3H], hydrophobic, and polyethylene glycol [(Si-(OH)3-(CH2CH2O)n-H] groups), hydrophilic. For hydroxylated NP (NP-H). Based on a Monte Carlo scheme, a realistic distribution of the hydroxyl groups (-Si(OH) = 83%, Si(OH)2 = 17% and Si(OH)3 = 0%) has been obtained, in agreement with experimental observations. For silica systems, the atomic interactions were described by the potential known as Cruz-Chu. Based on the NP-H models, the NPs have been functionalized by the substitution of silanol groups on its surface for hydrophobic (SA) or hydrophilic (PEG) ones. The force field parameters for these functional groups were based on the CHARMM potential. The stability and hydrophilic effects were determined for NPs within brine solution. For different salt concentrations (NaCl, CaCl2 e MgCl2), the formation of electrical double layers (EDL), which leads to a reduction of NPs/brine interfacial tension. According to the salt type in solution and, with the EDL formation, we could predict the critical salt concentration before which the NPs precipitation can occurs. The solution containing NPs within light oil was also modeled. In this case, we could identify an accumulation of aromatic molecules near the NPs surface’s. This accumulation decreases with the presence of hydrophobic and hydrophilic groups, which ix modifies the NPs/oil interfacial tension. Finally, we study wettability modification on oil/brine interfaces due to the presence of NPs. A reduction in the interfacial tension is observed, such that for hydrophilic surfaces, a smaller contact angle between NPs-oil has been observed. We also study the electrostatic properties due to the ions distribution in oil/NPs/brine solutions by taking in account the EDL formations within the interfaces. This effect suggests a mechanism for emulsion formation at different salt concentrations. Based on the results obtained in this thesis, it has been show that atomistic simulations can indeed provide relevant information about fluid/oil interfaces, whereas, it can be by experimentally difficult and time resource consumed. In summary, our results suggest a potentiality of SiO2 based NPs as a promising EOR agent.
-
1
250
PORTUGUES
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
O trabalho possui divulgação autorizada

Contexto

FÍSICA
FÍSICA DA MATÉRIA CONDENSADA
-

Banca Examinadora

CAETANO RODRIGUES MIRANDA
DOCENTE - PERMANENTE
Sim
Nome Categoria
GUSTAVO MARTINI DALPIAN Docente - PERMANENTE
ALEX ANTONELLI Participante Externo
RITA DE CASSIA COMIS WAGNER Participante Externo
ANTONIO JOSE ROQUE DA SILVA Participante Externo

Financiadores

Financiador - Programa Fomento Número de Meses
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC - Pró reitoria de Pós Graduação 48

Vínculo

-
-
-
Não