Influência da temperatura sobre a energia livre superficial de shales e tight gas sands

Abstract

Com o aumento da necessidade de combustíveis fósseis para impulsionar o desenvolvimento econômico mundial, novas fontes energéticas são cada vez mais exploradas. Dentre elas, gás natural de reservatórios não-convencionais se apresentam como algumas das fontes mais promissoras. No entanto, reservatórios não-convencionais apresentam vários desafios, e um melhor entendimento da interação de fluidos com a superfície se faz necessária. Um dos fatores que regem a interação de fluidos com a superfície de sólidos é sua molhabilidade, que pode ser definida como a afinidade de uma superfície com água. A molhabilidade depende de vários fatores, como a composição química do sólido, os aditivos adicionados ao líquido, pressão, temperatura, e outra miríade de fatores. A temperatura é um dos fatores que apesar de ser bem entendida e controlada, é pouquíssima estudada no contexto de reservatórios não-convencionais. Para um melhor entendimento de como a temperatura modifica a interação de um fluido com a superfície sólida de um reservatório de gás, é necessário estudar como a própria superfície do sólido se altera. Por isso, o entendimento da alteração da energia livre superficial de reservatórios não convencionais com a temperatura pode elucidar vários enigmas quanto ao comportamento destes em relação a diversos líquidos. Este trabalho visa o entendimento de como a temperatura altera a molhabilidade, energia livre superficial e suas componentes, polar e dispersa, de shales e tight gas sands. Quatro amostras de shales e tight gas sands foram submetidas à medidas de ângulos de contato, na faixa de 10 a 90 °C, utilizando água e diiodometano como líquidos no modelo de Owens-Wendt-Rable-Kaelbe (OWRK), e comparadas com uma rocha mais simples, bastante estudada na literatura, a calcita. Utilizando este modelo, foi possível quantificar a variação de polaridade das rochas com a temperatura. Nota-se uma tendência geral para cada grupo de rochas, apesar de haver diferenças entre rochas do mesmo grupo. A composição química de cada grupo foi utilizada para explanar os resultados, e estes comparados com os obtidos na literatura para diferentes materiais sob diversas condições térmicas. A variação da energia livre superficial com a temperatura é discutida com base nos dados da literatura, e com base nesses dados o autor argumenta ser necessário um novo modelo para explicar a variação da energia livre superficial com a temperatura, baseado em mudanças nas interações intermoleculares.

Abstract : With the rise in need of fossil fuels to push forward global economic development, new energy sources are explored more thoroughly. Amongst them, non-conventional gas reservoirs are shown to be some of the most promising ones. However, non-conventional gas reservoirs present several challenges, and a better understanding of the fluid dynamics at their surface is required. One of the many factors that dictate the fluid interaction with a solid surface is its wettability, which can be defined as the affinity of a surface with water. Wettability is dependent upon several parameters, like chemical composition, additives added to the liquid, pressure, temperature and a myriad of other factors. Temperature is one of the parameters that, although is well understood and controlled, is very rarely studied in the context of non- conventional reservoirs. To better understand how the temperature affects the interaction of a fluid with the solid surface of a gas reservoir, it is needed to study how the very surface of the solid changes with it. For that matter, the understanding of the change in surface free energy with temperature of non-conventional reservoirs can elucidate countless paradoxes surrounding the behavior of those concerning several liquids. This work seeks to understand how the temperature affects the wettability, surface free energy and their components, polar and dispersive of shales and tight gas sands. Four samples of shales and tights gas sands were subjected to contact angle measurements, in the range of 10 ? 90°C, using water and diiodomethane as test liquids with the Owens-Wendt-Rable-Kaelbe (OWRK) model, and compared to a much simpler and well-studied rock, calcite. Using this model, it was possible to quantify the change in rock surface polarity with temperature. A general predisposition for each group of rocks is observed, although there are individual differences between rocks in the same group. Rock chemical composition were used to help explain the results, and compared to other material surfaces from the literature, measured within various different thermal conditions. The change in surface free energy with temperature is discussed based on literature data. This author argues that a new model is necessary to explain the change in surface free energy temperature, based on intermolecular forces.