Kvalifisering av membraner for bulkseparasjon av CO₂ for havbunnsprosessering av brønnstrøm fra CO₂-flømmet oljefelt (COMPMEM)

Bakgrunn
Det er store oljereserver i offshore felt som ikke kan produseres med konvensjonelle metoder, men som kan produseres med flømming av CO₂, såkalt CO₂ EOR. CO₂ EOR er ansett som en bærekraftig måte å produsere denne oljen på ettersom det innebærer lagring av all den injiserte CO₂ gassen. Samtidig vil de store offshore reservoarene kunne benyttes til lager for CO₂ fra eksterne fangst kilder etter oljeutvinnings fasen.

Mange studier har imidlertid konkludert med at et av hindrene til å benytte CO₂ flømming offshore er de store kostnadene forbundet med ombygging av eksisterende offshore installasjoner for å håndtere den CO₂ rike tilbake strømmende brønn strømmen samt det korrosive miljøet som blir forårsaket av CO₂ innholdet.

Prosjektet har derfor vurdert å benytte subsea teknologi for å separere CO₂ gassen i et subsea prosessanlegg og injisere gassen før den når topside installasjonene. Den største usikkerheten for en slik prosessløsning har vært antatt å være funksjonaliteten til en gass separasjonsprosess med selektive membraner. En viktig hensikt med prosjektet har derfor vært å teste relevante membraner samt gjøre en vurdering av om en slik subsea løsning kan muliggjøre en bærekraftig bruk av CO₂ EOR i offshore oljeutvinning.

Mål
Oppnå kunnskap og data for en gass separasjonsprosess med selektive membraner i et prosessvindu for et subsea basert separasjons og injeksjons tog. Det var også viktig å etablere kunnskap om hvor robuste membran systemene er når de eksponeres for kondenserbare komponenter som karbonsyre og hydrokarbon blandinger.

Basert på den kunnskapen som ville bli skapt gjennom disse testene skulle også prosjektet gjøre en oppdatert vurdering av det teknisk – økonomiske grunnlaget for en slik subsea basert prosessløsning for å avklare grunnlaget for videre utvikling og kommersialisering.

Aktiviteter
Det er gjennomført omfattende tester i liten skala av separasjons egenskapene til ulike membran kvaliteter. Testene har hovedsakelig blitt utført av Sintef i Trondheim og Oslo. Membranene har blitt testet systematisk ved å endre på ulike eksterne faktorer som påvirker separasjonen, slik som trykk, temperatur, differansetrykk over membranen, gass hastighet og gassblandinger med ulikt CO₂ og CH4 innhold. Det har også vært hjort tester hvor membranene har blitt eksponert for H2S og H20 samt undersøkt effekten av membraner som har blitt eksponert for kondenserende væsker.

Et systematisk test program har også vært utført for å eksponere de ulike komponentene i en membran modul for kondenserende væsker. Materialene har blitt testet før og etter disse eksponeringene for å vurdere mekanisk holdbarhet og om det eventuelt kunne oppstå irreversible nedbrytninger av polymermaterialene som resultat av eksponeringen.

Basert på resultatene fra småskala separasjon testene og materialtestene ble to av fire membran kvaliteter kvalifisert som relevante for subsea separasjon. Disse kvalitetene ble derfor testet i representativ skala i et pilotanlegg. Pilotanlegget ble designet og drevet av Sintef på Tiller. Testene ble gjennomført ved å variere systematisk de eksterne parameterne, men med et mer begrenset test program enn i små skala testene.

Prosjektet benyttet metoder for statistisk forsøksdesign av eksperimenter i planleggingen av testene og utviklet empiriske modeller for å beskrive sammenhenger mellom de eksterne parameterne og membran funksjonalitet målt som permeans og selektivitet. Prosjektet utarbeidet også fysikalske modeller som beskriver de fundamentale prosessene for masse og energi balanser rundt en membran separasjon prosess.

Prosjektet har utført omfattende engineering arbeider for å designe et kompakt membran separasjons system for en modulær topside løsning. I tillegg har fokuset vært på engineering arbeide for subsea konseptet for å finne frem til optimale driftsbetingelser og separasjons data for prosesstoget.

Resultater
Prosjektet har fremskaffet viktig informasjon om ulike membran kvaliteters egnethet for- og egenskaper for separasjon av CO₂ fra en CO₂ rik gass strøm under betingelser som er relevante for et subsea prosessløsning. Det betyr i praksis kunnskap om hvilke begrensninger det må tas hensyn til ved design av et subsea gass separasjons anlegg og konsekvensene av å operere anlegget ved ulike betingelser for behovet for utsyr og kompresjons løsninger.

Fra analysene som er gjort basert på resultatene er det dokumentert at opp mot 97 – 98 % av CO₂ som innføres i gass separasjons toget kan separeres for videre kompresjon og reinjeksjon til reservoaret.

Det er også beskrevet effekten av de ulike prosessbetingelsene har på hvor mye CO₂ som medfølger resterende brønnstrøm til topside.

Fra materialtestene er det også fremskaffet kunnskap om effekten av de kondenserende væskene har på ulike polymer materialer som igjen dikterer krav til betingelser som bør unngås i subsea prosessanlegget. Væske eksponeringene viser at polymer materialene til dels sveller og noen blir irreversibelt ødelagt av eksponeringen.

Prosjektet har levert en løsning for et modulært prosessanlegg for en konvensjonell topside anvendelse med estimater for vekt og kostnader.

Det er også levert en studie som beskriver en fullstendig subsea løsning for et prosess tog. Denne prosesspakken gir informasjon om de tekniske løsningene, vurderinger av teknologi gapene, masse og energibalanse for alle komponentene i brønnstrømmen og et estimat for karbon fotavtrykket.

Prosjektet har dermed oppnådd de oppsatte målsettingene med unntak av ikke utførte cash flow analyser. Den primære årsaken til dette er at den design basisen som ble benyttet var rettet mot å i størst mulig grad teste membran funksjonalitet ved ulike betingelser og var ikke relevant for en generisk case med kvalifiserte estimater for verdien av økte oljeproduksjon, kostnader for CO₂, osv.

Videre arbeid
Aker selskapene er i fortløpende diskusjoner med aktuelle stakeholdere som ser den kommersielle anvendelsen av teknologien. Den videre kvalifiseringen vil derfor være avhengig av den kommersielle interessen.

Klientene anser at den mest kortsiktige kommersielle bruken er mot utbygging av CO₂ rike gass felt som er vurdert å ha veldig relevans og enklere teknologiske løsninger enn for den hoved casen som er benyttet i COMPMEM prosjektet.

Det viktigste området for kvalifisering av konseptet anses å være den kompakte løsningen for å arrangere membran moduler i en trykktank som er egnet for installasjon i et subsea prosess tog.