Molekulární modelování vodných roztoků solí v minerálních mikropórech při termodynamických podmínkách hydraulického štěpení

Mgr. Martin SVOBODA

Doctoral thesis

Modelling Aqueous Dissolution of Salt in Mineral Micropores at Thermodynamic Conditions of Hydraulic Fracturing

Abstract:

Motivováni vysokou koncentraci soli ve vracející se vodě z vrtů při hydraulickém štěpení břidlic jsme použili molekulární simulace pro studium vodných roztoků NaCl solí v Na-montmorillonitových a pyrofylitových mikropórech. Mikro póry měly velikost od 10 do 32 A a pokrývaly systémy od téměř suchého jílu do jílových pórů s difuzní vrstvou ve středu póru. Studie zahrnuje termodynamické, strukturní a dynamické vlastnosti roztoku. Uvažujeme póry v rovnováze s nasyceným vodným roztokem NaCl soli při typických termodynamických podmínkách rezervoáru břidlicového plynu, tj. teplota 365 K a tlak 275 bar. Rovnovážné množství adsorbovaných iontů a molekul vody, získaných z grandkanonických Monte Carlo (GCMC) simulací, bylo použito v molekulárně dynamických (MD) simulacích pro výpočet stability jílových pórů, složení a rovnovážné šířky póru. Dále jsme použili MD simulace pro výpočet hydratační energie, hustotních profilů, profilů náboje, rozložení orientace, analýzu vodíkových vazeb a samodifuzních koeficientů vody a iontů. Výsledky simulací pro roztok v pórech jsme porovnali s odpovídajícími systémy obsahující čistou vodou. Součástí práce je i popis procesu rozpouštění krystalů NaCl soli v pórech v závislosti na koncentraci iontů v okolí krystalu.

Abstract:

To address the high salinity of flow-back water during hydraulic fracturing of shale rocks we use molecular level simulations to study aqueous NaCl solutions in Na-montmorillonite (Na-MMT) and pyfophyllite clay pores, including the thermodynamic, structural and dynamical properties. Interlayer separations of the clay pores range from about 10 to 32 A, covering clay pores from dry clay to clay pores with a diffusive water layer in the middle of the pore. We consider the clay in equilibrium with the saturated salt solution at a typical shale gas reservoir condition of a temperature of 365 K and a pressure of 275 bar. The equilibrium amount of the adsorbed ions and water molecules obtained from the Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) simulations are employed in molecular dynamics (MD) to simulate the disjoining pressure and in turn the swelling free energy curve which determines the number of stable states in the clay, their composition, and the corresponding equilibrium interlayer separations. In addition, using MD simulations, we evaluate the hydration energy, atomic and charge density profiles, orientation distribution, hydrogen-bond network, and in-plane self-diffusivity of the water and ions to provide insight into the microscopic behavior of the aqueous NaCl solution in the interlayer galleries of the hydrophilic Na-MMT and hydrophobic pyrophyllite pores. We compare the simulation results for the confined aqueous NaCl solutions with those obtained for the clay pores in equilibrium with a pure water reservoir at the same temperature and pressure. In addition we also describe the dissolution process of salt NaCl crystal in terms of the number of ions in the crystal and its shape.

Keywords

jíl, montmorilonit, pyrofylit, molekulární dynamika, Monte Carlo metody, simulace, NaCl, vodné roztoky

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 10. 2019

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Martin Lísal, DSc.

JAN EVANGELISTA PURKYNĚ UNIVERSITY IN ÚSTÍ NAD LABEM

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Computer Methods in Science and Technology