Design and Optimisation of a Steam Assisted Gravity Drainage (SAGD) Facility for Improved Recovery from Canadian Oil Sands

As conventional oil production becomes limited, transportation fuels are being produced from other unconventional fossil resources such as oil sands. Oil sands are a combination of clay, sand, water and bitumen. Vast quantities of oil sands resources have been found worldwide. The largest known reservoir of oil sands in the world is located in the province of Alberta (Canada). Several techniques for the extraction of the oil from oil sands have been developed in recent decades. Steam- Assisted Gravity Drainage (SAGD) is the most promising approach for recovering heavy and viscous oil resources. In SAGD, two closely-spaced horizontal wells, one above the other, form a steam-injector and producer pair. The reservoir oil is heated by the injected steam and drains to the producer under the effect of gravity. The general aim of this dissertation is a detailed study of optimisation of an hypothetical industrial scale facility (named LINK), located in Alberta. All data relating to LINK plant have been obtained from a review of the existing literature references or have been assumed. The facility employs Steam Assisted Gravity Drainage (SAGD) technology to recover bitumen and deliver a multiphase mixture of bitumen, water, steam and gas to the CPF (Central Processing Facility). The main purpose of this work is to present a detailed technical optimisation of the pipeline system based on the Flow Assurance discipline. Flow Assurance analysis has been carried out through the use of the multiphase flow simulation tool OLGA (SPT) for four systems: emulsion, steam, natural gas and source water pipeline systems. An additional underground pipeline has been considered to connect the CPF to a private station (called NGS Metering Station) in order to supply natural gas tor the facility. On the basis of the collected data and assumptions, the Flow Assurance study has been carried out by performing simulations in steady state and transient conditions. They have been performed after a detailed thermodynamic characterization of the different fluids, carried out by the software PVTsim (Calsep). Results have been obtained in terms of systems configurations and selected diameters, thermal, chemical and hydraulic behaviors, operability characteristics, design and operating parameters, mechanical integrity, system deliverability, systems performance, possible uncertainties and criticalities that can occur. The second aim of this Thesis is an economic optimisation and evaluation of the hypothetical system studied. Discounted Cash Flow Analysis (DCFA) of LINK Facility has been performed in a MS Excel spreadsheet. Cost (capital and operating) of existing projects have been found in literature. The results show that the hypothetical plant LINK is a good investment. Third and last purpose of the present work is an environmental analysis of the LINK plant: in order to evaluate GHG emissions from LINK plant, an Excel spreadsheet has been developed for the LCA analysis. The calculated emissions from oil sand production by SAGD technology have been compared with values relating to conventional crude oil pathways and to recovery and extraction of bitumen through surface mining from literature. The comparison demonstrated that SAGD is a promising technology also from an environmental point of view.

La sempre più limitata disponibilità di olio prodotto da fonti convenzionali sta valorizzando la produzione di combustibili da fonti non convenzionali quali le sabbie bituminose. Le sabbie bituminose sono una combinazione di sabbia, argilla, acqua e bitume, ovvero petrolio. Il più grande accumulo conosciuto si trova nella regione dell’Alberta (Canada). Numerose tecniche di estrazione di olio da sabbie bituminose sono state sviluppate negli ultimi decenni. La tecnica “Steam Assisted Gravity Drainage” è la più promettente tra quelle utilizzate per la produzione di oli viscosi. La tecnologia SAGD si basa sulla riduzione della viscosità delle sabbie bituminose operata attraverso la diluizione con vapor d’acqua in combinazione con il drenaggio per gravità che utilizza una coppia di lunghi pozzi orizzontali, configurata in modo che dal pozzo superiore si possa iniettare il vapore e da quello inferiore produrre l’olio diluito. L’obiettivo generale di questo lavoro di Tesi è di presentare un dettagliato studio di ottimizzazione di un ipotetico impianto, di scala industriale, di recupero di bitume da oil sands canadesi tramite SAGD, chiamato ipoteticamente LINK. Tutti i dati relativi all’impianto LINK sono stati ricavati da un’attenta analisi della letteratura relativa ad impianti SAGD esistenti oppure coerentemente ipotizzati. L’impianto LINK permette di estrarre una miscela multifase di bitume, acqua, vapore e gas e di recuperarne il bitume in un CPF (Central Processing Facility). Scopo principale di questo lavoro di Tesi è una dettagliata ottimizzazione tecnica del sistema di pipeline dell’impianto ipotizzato basata sulla disciplina della Flow Assurance. Lo studio di “Flow Assurance” è stato condotto tramite l’utilizzo del software OLGA (SPT) for quattro sistemi principali: il sistema emulsione, quello vapore, quello gas naturale ed il sistema acqua. Una linea aggiuntiva è stata considerata per il trasporto del gas naturale da una stazione erogatrice (considerata privata e chiamata NGS) all’impianto LINK. Sulla base dei dati raccolti e delle assunzioni fatte e dopo una corretta caratterizzazione termodinamica dei fluidi studiati tramite l’utilizzo del software PVTsim (Calsep), lo studio di Flow Assurance è stato condotto per mezzo di simulazioni in condizioni stazionarie e transitorie. Dall’analisi svolta, sono stati ottenuti i seguenti risultati: configurazione dei sistemi, diametri delle pipeline, comportamento termico, idraulico e chimico dei sistemi, integrità meccanica, performance del sistema e possibili problematiche relative ad alcune operazioni transitorie. Secondo obiettivo della presente Tesi è la valutazione economica del sistema studiato secondo il metodo dei Flussi di Cassa Attualizzati, condotto su un foglio Excel opportunamente sviluppato. I costi (di investimento e operativi) di impianti basati sulla tecnologia SAGD già esistenti sono stati trovati in letteratura. Gli indici di valutazione della redditività degli investimenti calcolati mostrano che l’investimento relativo all’impianto LINK è economicamente conveniente. Terzo ed ultimo obiettivo della presente Tesi è un’analisi di tipo ambientale dell’impianto studiato. Al fine di valutare le emissioni di gas serra (GHG) dell’impianto LINK, un ulteriore file Excel è stato sviluppato basandosi su dati di letteratura. Dalla comparazione dei risultati ottenuti con i valori di emissioni di olio prodotto da fonti convenzionali e tramite tecnologia in situ è evidente che la tecnologia SAGD è molto promettente anche dal punto di vista ambientale