Application of multi-scale modeling techniques to relevant technological challenges involving alkanes - Silva, Guilherme Carneiro Queiroz da (UFRJ, 2021)
[PT] O presente trabalho aplicou métodos de simulação molecular multiescala para estudar questões de relevância tecnológica na indústria petrolífera. Especificamente, foram investigados dois fenômenos: a solidificação de alcanos e o deslocamento fluido-fluido de óleo por uma mistura água/surfactante. O primeiro fenômeno é um problema cuja solução envolve a compreensão do mecanismo de agregação de alcanos. Como a composição do petróleo apresenta grande variabilidade, é importante investigar os efeitos de diferentes compostos na estruturação de alcanos, uma vez que isso determinará distintos comportamentos de solidificação e gelificação. Já o segundo fenômeno ocorre nos processos de recuperação avançada de petróleo e seu entendimento, de um ponto de vista microscópico, é de grande utilidade no desenvolvimento de melhores estratégias de recuperação. Dessa maneira, é importante compreender como diferentes aditivos químicos podem influenciar seus mecanismos. O trabalho se dividiu em três segmentos. Primeiramente, foram analisados diferentes campos de força empregados em simulações moleculares para a descrição de alcanos, onde diversas propriedades foram calculadas para alcanos lineares usando diferentes modelos. Os resultados foram confrontados com dados experimentais retirados da literatura e os campos de força foram classificados quanto à capacidade de reprodução desses dados. Essa etapa do projeto serviu de respaldo para as simulações atomísticas empregadas nos outros dois segmentos. Em um deles, essas simulações foram empregadas para descrever estruturação de alcanos na presença de fenol e ácido carboxílico de cadeia longa sob intenso sub-resfriamento. Já a outra vertente do trabalho desenvolveu, com o auxílio de informações extraídas desse mesmo tipo de simulação, um modelo mesoescala para descrever o deslocamento fluido-fluido de óleo por uma mistura de água/surfactante.Através dos estudos sobre a estruturação dos alcanos em diferentes meios, constatou-se que a presença do ácido e fenol limitou a fração de alcanos em núcleos de fase sólida. Além disso, a mistura alcano e ácido resultou em um padrão de organização envolvendo grandes domínios sólidos próximos uns dos outros, enquanto que o sistema contendo fenol resultou em domínios sólidos menores e mais esparsos. Já para as investigações do deslocamento de óleo pela mistura água/surfactante, observou-se que o processo do deslocamento fluido-fluido é sensível à concentração de surfactante e à velocidade de injeção. O balanço entre as interações água-superfície e água-óleo pode ser afetado de tal maneira que moléculas de óleo fiquem presas na região entre a parede e a frente de avanço da água. Portanto, os resultados dos estudos aqui apresentados evidenciam efeitos importantes de serem considerados na elaboração de soluções de inibição de solidificação e recuperação de óleo.[EN] The present work employed multiscale simulation techniques to study relevant aspects related to technological challenges in the oil industry. More specifically, two phenomena were addressed: the solidification of alkanes and the fluid-fluid displacement of oil by an injection fluid. The first phenomenon is related to the pipe clogging in oil production lines and depends on the aggregation of alkane molecules. Since there is a large variation in oil composition, it is relevant to investigate the effects of different compounds on the structuration of alkane molecules. Such effects lead to different solidification and gelification behaviours. The second phenomena is the process behind many enhanced oil recovery techniques. Its comprehension from a molecular point of view is useful for the development of improvements in such techniques. Therefore, it is interesting to analyze how different chemical additives may impact the process. The present work was divided in three parts: the first one consisted of a comparison between different force fields commonly employed in the molecular simulations of alkanes. Different physical-chemical properties were calculated for many linear alkanes in the liquid phase using different models and the results were compared with experimental data retrieved from the literature. Following these results, the force fields were ranked accordingly to their capability of reproducing the available experimental data. This first part of the work gave support to the atomistic simulations performed for all the subsequent investigations. In the second part of the thesis, such simulations were carried out to analyze the structuration of alkanes in the presence of long chain phenols and carboxylic acids under high subcooling conditions.The third part of the work combined information from molecular dynamics simulations together with experimental data to develop a mesoscale model for studying the fluidfluid displacement of oil by an water/surfactant mixure. Through the simulation of the structuration of alkanes, it was possible to observe that the presence of phenols and acids limited the extension of alkane solidification. Moreover, the mixture containing acid and alkane displayed a molecular organization consisting of large and closely packed solid domains, while the the phenol/alkane mixture resulted in the formation of smaller and sparser solid domains. Finally, the studies concerning the fluid-fluid displacement showed that the process is greatly influenced by the amount of surfactant and by the injection velocity. Such factors impact the balance between water-wall and water-oil interactions in a way that oil molecules may become trapped between the wall and the advancing front of the fluid. In conclusion, the results presented here highlight relevant effects that should be considered in order to develop inhibitors for wax crystallization and additives for enhanced oil recovery techniques.