Estimación mediante simulación molecular de las propiedades interfaciales de fluidos implicados en la extracción forzada de gas natural

Zusammenfassung

En la actualidad los combustibles fósiles siguen constituyendo uno de los pilares fundamentales en la producción de energía a escala global. Sin embargo, esta posición predominante como principal fuente de producción no sería explicable sin el constante desarrollo en el que está inmerso este sector y que provoca la creciente aparición de nuevas técnicas de explotación, que han transformado en rentable la explotación de yacimientos inaccesibles tradicionalmente debido a su difícil acceso o bajo rendimiento y que son conocidos hoy en día como yacimientos no convencionales. Entre los distintos tipos de hidrocarburos fósiles, el gas natural juega un papel fundamental. El creciente aumento de su demanda a nivel mundial ha provocado la búsqueda de nuevas fuentes de explotación, por ejemplo aquellas donde el gas se encuentra retenido en estructuras geológicas de porosidad elevada. En esta situación se distinguen varios casos diferentes: el gas de esquisto o shale gas, que se extrae de terrenos donde abundan los esquistos, el denominado tight gas, donde el gas se encuentra atrapado en sustratos de arenas compactas, y el coal bed methane, que se sitúa en mantos de carbón. Los métodos de extracción necesarios para explotar estos yacimientos no convencionales son complejos, y las soluciones técnicas son un desafío de ingeniería de primera magnitud, todavía no resuelto de forma completamente satisfactoria. Una de las técnicas extractivas implicadas en las que más se ha avanzado es la conocida como fractura hidráulica, o fracking, que es un procedimiento para optimizar la extracción que consiste en la inyección a presión de agua con arena en el terreno, con el objetivo de ampliar las fracturas existentes en el sustrato rocoso que encierra el gas o el petróleo, provocando así su flujo y salida al exterior. Este fluido inyectado de base acuosa se combina con la adición de componentes polares como el CO2 para producir una adsorción selectiva sobre el sustrato sólido, induciendo la desorción y por tanto, la mejora en la recuperación del gas natural (donde el metano es el compuesto mayoritario) retenido en el depósito. Esta adición de CO2 proporciona otra de las claves del interés del proceso, ya que la extracción podría llevar asociado el almacenaje en depósitos geológicos profundos del CO2 utilizado, como efecto asociado. En este escenario como primera aproximación el análisis detallado del equilibrio de fases y propiedades interfaciales de una mezcla fluida conteniendo al menos metano, agua y dióxido de carbono, en condiciones de fluido libre y de confinamiento, es un objetivo de utilidad incuestionable, a pesar de que el gas natural real incluye muchas otras moléculas además del metano. Como se ha demostrado a lo largo de este trabajo, a pesar de tratarse de moléculas ubicuas y estudiadas en profundidad desde muchas perspectivas, el objetivo planteado está lejos de haber sido resuelto de forma satisfactoria. Así, de entre las herramientas disponibles para abordar el estudio de este tipo de sistemas se ha seleccionado en este trabajo la técnica de simulación molecular de Monte Carlo. Este método proporciona información microscópica sobre el comportamiento de estas tres moléculas, y permiten como se verá determinar las propiedades interfaciales con gran fiabilidad en amplios rangos de presión y temperatura. El trabajo se inició con un estudio preliminar de los fluidos puros objeto de interés, agua, metano y dióxido de carbono, con el objetivo de seleccionar los modelos moleculares más eficaces en la determinación precisa de sus propiedades interfaciales, incluyendo tensión superficial, perfiles de densidad y presión, coeficientes de adsorción, en condiciones de presión y temperatura accesibles experimentalmente, para realizar la comparación directa con información experimental. Este trabajo previo también lleva asociada la puesta a punto de los procedimientos disponibles en literatura para el cálculo de las propiedades mencionadas usando simulación molecular, como por ejemplo, el método de coexistencia directa en cajas de simulación bifásicas para el estudio explícito de las interfases, el método del Test-Area para el cálculo de la tensión interfacial, o el método de Janecek para el tratamiento de las correcciones de largo alcance en sistemas inhomogéneos. Se concluye que el comportamiento del metano es descrito de forma adecuada por un modelo sencillo compuesto únicamente por un centro Lennard-Jonnes. Sin embargo, para el caso del dióxido de carbono y agua, la ineficacia de estos modelos sencillos obliga a la utilización de modelos más complejos, donde deben considerarse explícitamente cargas eléctricas puntuales, destacando modelos como el TIP4P/2005 y el EPM2 por encima de otros, respectivamente para el caso de ambas sustancias. Una vez encontrados los modelos moleculares más eficaces para cada una de las sustancias consideradas, se realizó un estudio detallado del comportamiento interfacial de las mezclas binarias: CH4+H2O y CO2+H2O en condiciones adecuadamente seleccionadas en su diagrama de fases, que fue estimado en ambos casos mediante la ecuación de estado SAFT-VR. De este análisis se obtuvo como resultado más destacable la identificación de las condiciones de presión y temperatura óptimas en las cuáles la afinidad de las moléculas de metano y dióxido de carbono por situarse en la superficie de contacto con el agua era máxima. Este hecho se constató al determinar mediante simulación molecular una anomalía en sus respectivos perfiles de densidad interfacial, que con picos de adsorción en la interfase. Todos los resultados obtenidos fueron comparados con los obtenidos teóricamente a través de otro método de cálculo, resultante de la combinación de una teoría de fluidos inhomogéneos, la Teoría de Gradiente, combinada de nuevo con una ecuación de estado de tipo SAFT. Los resultados estimados mediante simulación molecular y teoría se compararon a su vez con datos experimentales disponibles en literatura. Posteriormente, y una vez obtenido teóricamente el diagrama de fases de la mezcla ternaria CH4+CO2+H2O, se estudió el comportamiento de éstos en estas mismas condiciones que en el caso anterior. En este caso se obtuvo como resultado la estimación de la adsorción selectiva simultánea de metano y dióxido de carbono en contacto con agua como resultado más relevante. Para concluir el trabajo, se reprodujo la coexistencia en condiciones de equilibrio de fases trifásico predicho por la ecuación de estado SAFT-VR a 275 K y 6 MPa en este sistema tan complejo, debido a la extrema proximidad entre las concentraciones molares de cada fase que dificulta enormemente su obtención mediante la simulación molecular.