蒸気を利用した重力排水

蒸気補助重力排水法( SAGD、"Sag-D") は、重質原油とビチューメンを生産するための石油回収強化技術です。これは蒸気刺激法の高度な形式で、油層に2 つの水平井戸を、一方がもう一方より数メートル高い位置に掘削します。高圧蒸気が継続的に上部の井戸に注入され、石油を加熱して粘度を下げ、加熱された石油が下部の井戸に排出され、そこから汲み出されます。1955 年から 1982 年までインペリアル オイルのエンジニアを務めたロジャー バトラー博士は、1970 年代に蒸気補助重力排水法 (SAGD) プロセスを発明しました。バトラー博士は、「採掘するには深すぎると考えられていた特定のビチューメン鉱床を開発するために、水平の井戸と注入蒸気を使用するという概念を開発しました」。^{[1] [2] 1983年にバトラーは}アルバータ州オイルサンド技術研究局（AOSTRA）の技術プログラムディレクターに就任しました。 ^{[1] [3]アルバータ州}首相ローヒードがオイルサンドと重質原油生産の新技術を推進するために設立した国営企業です。AOSTRAはすぐにSAGDをオイルサンド抽出技術の有望な革新として支持しました。^[2]

蒸気補助重力排水法（SAGD）と循環蒸気刺激法（CSS）蒸気注入法（石油産業）は、西カナダ堆積盆地の地層範囲であるマンビルグループのグランドラピッズ層、クリアウォーター層、マクマレー層、ジェネラルペトロリアムサンド、ロイドミンスターサンドなどの地質学的層サブユニットのオイルサンド^[4]で使用されている商業的に適用されている主要な熱回収プロセスです。

カナダは米国にとって最大の輸入石油供給国であり、米国の輸入量の 35% 以上を供給している。これはサウジアラビアやベネズエラをはるかに上回り、OPEC加盟国全体の合計よりも多い。^[5]新規生産のほとんどは、アルバータ州の広大なオイルサンド鉱床から来ている。オイルサンドの回収には主に 2 つの方法がある。ストリップマイニング技術は一般によく知られているが、浅いビチューメン鉱床にしか使用できない。しかし、より新しい蒸気補助重力排水技術 (SAGD) は、浅い鉱床を取り囲むはるかに大きな深部の鉱床に適している。カナダのオイルサンドの生産量の今後の増加は、SAGD によるものと予測されている。^{[6] : 9}

「露天掘り技術で抽出されたカナダのオイルサンドの石油は、従来の石油掘削よりも20倍多くの水を消費する可能性があります。根本的なデータの弱点の具体例として、この数字には、ますます重要になっている蒸気補助重力排水技術（SAGD）法が含まれていません。」

— 水とエネルギーのつながり 2011

蒸気補助重力排水法による排出量は、カリフォルニア州カーンリバー油田や世界各地で重質油を生産するために長年使用されてきた蒸気圧入プロジェクトによる排出量と同等です。 ^[7]

重質油またはビチューメン生産のSAGDプロセスは、もともとカリフォルニア州カーンリバー油田から重質油を生産するために開発された蒸気圧入技術を改良したものである。 ^[8]すべての蒸気圧入プロセスの鍵は、生産層に熱を加えて重質油の粘度を下げ、生産井に向かって移動できるようにすることである。カリフォルニアの重質油田向けに開発された循環蒸気刺激（CSS）プロセスは、コールドレイクオイルサンドなどアルバータ州のオイルサンドの一部から石油を生産することができたものの、アルバータ州のオイルサンド埋蔵量の大半があるアサバスカオイルサンドとピースリバーオイルサンドのより重く深い鉱床からビチューメンを生産するにはうまく機能しなかった。これらのはるかに大きな埋蔵量を生産するために、SAGDプロセスは主にインペリアルオイルのロジャーバトラー博士^{[9]によって、}アルバータ州オイルサンド技術研究局と業界パートナーの支援を受けて開発された。^[10]国家エネルギー委員会は、SAGDプロセスは原油価格が1バレルあたり少なくとも30～35ドルの場合に経済的であると推定している。^[11]

SAGD プロセスでは、地層に2 つの平行な水平油井が掘削されます。一方は他方より約 4 ～ 6 メートル高い位置にあります。上部の油井は蒸気を注入し、下部の油井は重力によって流れ落ちる加熱された原油またはビチューメンと、注入された蒸気の凝縮から回収された水を収集します。SAGD プロセスの基本は、注入された蒸気が「蒸気室」を形成するように、貯留層との熱伝達を確立することです。蒸気の熱によって重質原油またはビチューメンの粘度が低下し、下部の油井に流れ落ちます。蒸気と随伴ガスは、下部の重質原油に比べて密度が低いため上昇し、下部の生産井で蒸気が生成されないようにするため、蒸気室で上昇する傾向があり、油が残した空間を埋めます。随伴ガスは、ある程度、蒸気の上 (および周囲) に断熱性の熱ブランケットを形成します。^[12]油と水の流れは、下部の油井への逆流の重力駆動排水によって行われます。凝縮された水と原油またはビチューメンは、浮遊物質を含む高粘度流体を移動させるのに適したプログレッシブキャビティポンプなどのポンプによって地表に回収されます。 ^[13]

サブクールとは、生産装置の圧力における水の飽和温度（沸点）と、圧力が測定される同じ場所での実際の温度との差です。生産装置の上の液面が高いほど、温度は低く、サブクールは高くなります。しかし、実際の貯留層は必ず不均質であるため、坑井の水平方向の長さ全体にわたって均一なサブクールを達成することは非常に困難になります。その結果、多くのオペレーターは、蒸気室の発達が不均一で阻害されている場合、少量の蒸気を生産装置に導入して坑井全体のビチューメンを高温に保ち、粘性を低く保ちます。さらに、坑井に沿った貯留層のより低温の部分に熱を伝達するという利点もあります。部分的 SAGD と呼ばれることもある別のバリ​​エーションは、オペレーターが長いシャットイン期間の後、または起動手順として、生産装置内で意図的に蒸気を循環させる場合に使用されます。サブクール値が高いと、一般に蒸気注入率が下がるため、熱効率の観点からは望ましいのですが、それに応じてビチューメンの粘度が上がり、温度が低いためにビチューメンの移動度が下がるため、生産量が若干減少します。サブクール値が非常に高い場合のもう 1 つの欠点は、蒸気圧が最終的にインジェクター上の蒸気室の発達を維持するのに十分でなくなる可能性があることです。その結果、蒸気室が崩壊し、凝縮した蒸気がインジェクターに溢れて、蒸気室のそれ以上の発達が妨げられることがあります。

注入井と生産井をほぼ貯留層圧力で連続的に操作することで、高圧および循環蒸気プロセスに付きものの不安定性の問題が解消され、SAGD は適切な貯留層に 70% から 80% もの原油を生産できる、滑らかで均一な生産を実現します。このプロセスは、シェール ストリークやその他の蒸気と流体の流れに対する垂直障壁の影響を比較的受けません。岩石が加熱されると、熱膨張差により蒸気と流体が重力で生産井に流れ込むためです。これにより、薄いシェール障壁が多数ある地層でも、原油の 60% から 70% の回収率が得られます。熱的には、SAGD は一般に従来の CSS プロセスの 2 倍の効率で、CSS に伴う高圧によって損傷を受ける油井がはるかに少なくなります。より高い原油回収率が得られることと合わせて、貯留層が適度に厚い場合、SAGD は循環蒸気プロセスよりもはるかに経済的です。^[14]

重力排水のアイデアは、もともと1970年代にインペリアル・オイルのエンジニアであったロジャー・バトラー博士によって考案されました^{[1] [2]} 1975年にインペリアル・オイルは、オンタリオ州サーニアからアルバータ州カルガリーにバトラーを転勤させ、重質油研究の責任者に任命しました。彼は1980年にコールドレイクで、業界初の水平井と垂直注入装置を備えたパイロット実験で、インペリアル・オイルと共にこのコンセプトをテストしました。

1974年、アルバータ州首相ピーター・ローヒードは、オイルサンドと重質原油生産の新技術の開発と利用、および従来型原油の増進回収を促進するため、アルバータ州政府公社としてアルバータ州オイルサンド技術研究局（AOSTRA）を設立した。最初の施設は10の産業参加者によって所有・運営され、アルバータ州文化遺産貯蓄信託基金[15]を含む政府からの十分な支援（Deutsch and McLennan 2005） ^[2]を受けていた。^{[15] [16] [17]} AOSTRAの主な目標の1つは、従来の露天掘り技術では回収できないアサバスカオイルサンドの部分に適した技術を見つけることであった。^[2]

1984年、AOSTRAはアサバスカ油砂層に地下試験施設を開設した。同層はマケイ川とデボン川の間に位置し、シンクルード工場の西側にある。この施設は、原位置SAGDビチューメン回収施設として利用されている。^{[2] [18]}ここで、水平方向のSAGD井の最初の試験が行われ、コンセプトの実現可能性が証明され、1992年には3組の井から1日あたり約2,000バレル（320 m3 /日）の生産量で一時的に黒字を達成し^た。

カナダのアルバータ州にあるフォスタークリーク発電所は、1996年に建設され、セノバス・エナジーによって運営されており、蒸気補助重力排水（SAGD）プロジェクトとしては初の商業用であり、2010年までにフォスタークリークは「アルバータ州でロイヤリティ支払いステータスに達した最大の商業用SAGDプロジェクトとなった。」^{[リンク切れ‍ ] [18] [リンク切れ‍ ] [19]}

当初の UTF SAGD 井は、石灰岩の下層に掘られたトンネルから水平に掘削され、垂直の坑道でアクセスされました。このコンセプトは、企業が水平井を正確かつ安価で効率的に掘削できる方向性掘削技術の開発と同時期に開発されたため、従来の垂直井の掘削を正当化することが難しくなりました。水平井ペアの掘削コストが低く、 SAGD プロセスの回収率が非常に高い(原油の最大 60%) ため、SAGD は石油会社にとって経済的に魅力的です。

^{フォスタークリークでは、セノバス社が特許取得済みの[20]} 「ウェッジウェル」技術を採用し、通常のSAGD作業では迂回される残留資源を回収しています。これにより、作業全体の回収率が向上しています。「ウェッジウェル」技術は、SAGD蒸気室が成熟して合流し流体が通じるようになったら、2組の既存のSAGD井戸の間に充填井を掘削し、通常のSAGD作業では迂回される残留ビチューメンにアクセスすることで機能します。その後、稼働中のSAGD井戸間の貯留層エリアで回収されるのは、迂回された残留石油の「ウェッジ」です。ウェッジ井戸技術は、蒸気室が流体連通する段階まで成熟すると必要な蒸気が少なくなるため、資本コストを削減しながら全体的な回収率を5％～10％向上させることが示されています。通常、回収プロセスのこの段階（一般に「ブローダウン」段階とも呼ばれます）で、^注入された蒸気がメタンなどの非凝縮性ガスに置き換えられ、生産コストがさらに削減されます。^[22]

この技術は当初は商業的に採算が取れませんでしたが、 2000 年代の原油価格の高騰により採算が取れるようになりました。1990 年代までは従来の掘削方法が一般的でしたが、21 世紀の原油価格の高騰により、原油抽出にはより非従来的な方法 (SAGD など) が奨励されています。カナダのオイルサンドでは、この地域が世界最大のビチューメン鉱床の 1 つである (世界最大の鉱床があるのはカナダとベネズエラ) ため、多くの SAGD プロジェクトが進行中です。

SAGD プロセスにより、アルバータ州エネルギー資源保護委員会 (ERCB) は、証明済みの石油埋蔵量を 1,790 億バレルに増やすことができました。これにより、カナダの石油埋蔵量はベネズエラとサウジアラビアに次いで世界第 3 位となり、北米の石油埋蔵量の約 4 倍になりました。2011 年現在、オイルサンドの埋蔵量は約 1,690 億バレルです。

SAGDは熱回収プロセスであり、大量の水と天然ガスを消費する。^{[6] : 4}

「露天掘り技術で抽出されたカナダのオイルサンドの石油は、従来の石油掘削よりも 20 倍多くの水を消費する可能性があります。根本的なデータの弱点の具体例として、この数字には、ますます重要になっている蒸気補助重力排水技術 (SAGD) 法が含まれていません。将来の研究者には、この穴を埋めるよう奨励します。」

— 水とエネルギーのつながり 2011

「露天掘り技術で採掘されたカナダのオイルサンドの石油は、従来の石油掘削の20倍の水を消費する可能性があります。」しかし、2011年までに、ますます重要になっている蒸気補助重力排水技術（SAGD）法で使用される水の量に関するデータが不十分でした。^{[6] ：4}蒸発器は、SAGD生産水を処理して、SAGD操作で再利用するための高品質の淡水を生成することができます。^[23]しかし、蒸発器は大量のブローダウン廃棄物を生成し、さらなる管理が必要です。^[23]

すべての熱回収プロセスと同様に、蒸気発生のコストは石油生産コストの大きな部分を占めます。歴史的に、オイルサンド地域には大量のガス埋蔵量があるため、カナダのオイルサンド プロジェクトの燃料として天然ガスが使用されてきました。しかし、カナダと米国の国外市場への天然ガス パイプラインの建設により、ガスの価格が重要な考慮事項になりました。カナダの天然ガス生産がピークに達し、現在は減少しているという事実も問題です。他の熱発生源、特に生産されたビチューメンの重質留分をガス化して合成ガスを製造すること、近くの（そして大量の）石炭鉱床を使用すること、さらには熱を生成するために 原子炉を建設することなどが検討されています。

SAGDプロセス用の蒸気を作るためには、大量の淡水と汽水の水源と大規模な水リサイクル施設が必要である。水は、水の使用と管理に関して議論されることが多いトピックである。2008年の時点で、米国の石油生産（SAGDに限定されない）では、毎日50億ガロンを超える生産水が生成されている。^{[24] [25]}大量の水を使用することに対する懸念は、使用される水の割合とはほとんど関係がなく、むしろ水質に関係している。伝統的に、SAGDプロセスで使用されていた水量の約7000万立方メートルは、淡水の表面水であった。2010年の時点で淡水の使用量は大幅に削減され、約1800万立方メートルが使用された。しかし、淡水使用量の大幅な削減を補うために、産業界は関与する塩分を含む地下水の量を大幅に増やし始めている。この技術と、その他のより一般的な節水技術により、オイルサンド事業における地表水使用量は、生産開始以来3倍以上減少しました。^[26] また、重力排水に依存するSAGDは、比較的厚く均質な貯留層を必要とするため、すべての重質油生産地域に適しているわけではありません。

2009年までに、商業的に応用された2つの主要な熱回収プロセス、蒸気補助重力排水（SAGD）と循環蒸気刺激（CSS）が、アルバータ州コールドレイク地域のクリアウォーター層とローワーグランドラピッズ層のオイルサンド生産に使用されました。^[4]

Canadian Natural Resources は、ビチューメン資源の開発に循環蒸気または「ハフ アンド パフ」技術を採用しています。この技術には 1 つの坑井が必要で、生産は生産段階の前に地層を破砕して加熱するための注入で構成されます。まず、数週間または数か月間、地層の破砕点より上に蒸気を注入して冷たいビチューメンを流動化させます。その後、坑井を数週間または数か月間閉じて、蒸気が地層に浸透できるようにします。次に、注入坑井の流れを逆にして、同じ注入坑井から石油を生産します。注入段階と生産段階を合わせて 1 つのサイクルを構成します。貯留層の冷却により石油生産率が臨界しきい値を下回ると、蒸気が再注入されて新しいサイクルが開始されます。^[27]サイクリックスチームスティミュレーションには、加圧およびブローダウン（PUBD）、混合井戸蒸気駆動および排水（MWSDD）、蒸気抽出（Vapex）、ビチューメン回収強化のための蒸気への液体添加（LASER）、HPCSS支援SAGDおよびハイブリッドプロセスなど、CSSフォローアップまたは強化プロセスも多数あります。^[4]

「アルバータ州のオイルサンドの原位置生産のおよそ35％は、高圧循環蒸気刺激（HPCSS）と呼ばれる技術を使用しており、これは2つの段階を繰り返す。まず、地下のオイルサンド鉱床に蒸気を注入して地層を破砕・加熱し、ビチューメンを軟化させる。これはCSSとまったく同じだが、圧力はさらに高い。次に、サイクルは生産に切り替わり、ビチューメンと蒸気の高温混合物（「ビチューメンエマルジョン」と呼ばれる）が、CSSと同様に同じ井戸から地表に汲み上げられ、圧力低下によって生産が経済的でない段階まで遅くなるまで続く。その後、このプロセスが複数回繰り返される。」^[28]アルバータ州エネルギー規制局（AER）のニュースリリースでは、高圧循環蒸気刺激（HPCSS）と蒸気補助重力排水（SAGD）の違いが説明されている。 「HPCSS は、アルバータ州で 30 年以上にわたって石油回収に使用されています。この方法では、貯留層周囲の圧力をはるかに上回る高圧蒸気を、長期間にわたって貯留層に注入します。熱によってビチューメンが軟化し、水によってビチューメンが希釈されて砂から分離されるため、圧力によって亀裂や割れ目、開口部が生じ、そこからビチューメンが蒸気注入井に逆流します。HPCSS は、貯留層を破壊せずに低圧で蒸気を継続的に注入する蒸気補助重力排水 (SAGD) 操作とは異なり、重力排水を主な回収メカニズムとして使用します。」^[29]

アルバータ州コールドレイク近郊のクリアウォーター層では、高圧循環蒸気刺激法（HPCSS）が使用されています。^[4]水平井と垂直井の両方があります。注入は破砕圧力で行われます。水平井の間隔は60 mから180 mです。垂直井の間隔は2から8エーカーです。開発は純生産高7 mまで低く抑えることができます。これは、一般に底層水または上部ガスがほとんどないかまったくない地域で使用されます。CSORは3.3から4.5です。最終的な回収率は15から35%と予測されています。^[4] SAGD熱回収法は、クリアウォーター層とローワーグランドラピッズ層でも水平井対（700～1000m）で使用されており、運転圧力は3～5MPa、バーントレイクSAGDは膨張圧に近いより高い運転圧力で開始され、75～120mの間隔で、純採収量はわずか10mまで開発され、底水の有無にかかわらず、CSOR：2.8～4.0（100%品質時）、予測される最終回収率：45%～55%。^[4]

アルバータ州コールドレイク近郊のクリアウォーター層にあるカナディアン・ナチュラル・リソーシズ・リミテッド（CNRL）のプリムローズ・アンド・ウルフ・レイク・オイルサンド・インサイチュ・プロジェクトは、CNRLの子会社ホライゾン・オイル・サンズが運営しており、高圧循環蒸気刺激法（HPCSS）を採用している。^[4]

代替的な石油回収強化メカニズムには、VAPEX（蒸気支援石油抽出）、電熱動的剥離プロセス（ET-DSP）、およびISC（原位置燃焼）があります。VAPEXは、蒸気ではなく蒸発した溶剤を使用して重質油を置換または生成し、粘度を下げる「重力排水プロセス」であり、バトラーによって発明されました。^[30]

ET-DSPは特許取得済みのプロセスで、電気を使ってオイルサンドの堆積物を加熱し、ビチューメンを流動化させて、単純な垂直井を使って生産できるようにします。ISCは酸素を使って熱を発生させ、油の粘度を下げます。重質原油によって生成された二酸化炭素とともに、油を生産井へと移動させます。ISCのアプローチの1つは、つま先からかかとまでの空気注入（THAI）と呼ばれています。サスカチュワン州のTHAI施設は、この場所で純粋な水素の分離を実証したプロトンテクノロジーズカナダ社によって2017年に購入されました。プロトンの目標は、炭素を地中に残し、炭化水素から水素のみを抽出することです。^[30]

eMSAGPはMEG Energyが特許を取得した^[31]プロセスであり、MEGはCenovus ^[32]と提携して「強化型修正蒸気およびガスプッシュ」（eMSAGP）と呼ばれる改良型回収プロセスを開発した。これはSAGPの改良版であり、隣接するSAGD井の中間、SAGD生産井と同じ高さに設置された追加の生産井を利用することでSAGDの熱効率を向上させるように設計された。これらの追加の生産井は一般に「インフィル」井と呼ばれ、eMSAGP回収システムの不可欠な部分である。

• 石油回収の強化
• 重質原油
• オイルサンド
• オイルシェール
• マズット

• リバースエマルジョンに重点を置いたSAGDプロセス
• SAGD の説明と SAGD の歴史
• SAGDコンポーネントのサプライヤー例
• SAGD コンポーネントの主要サプライヤー 2016-01-25 にWayback Machineでアーカイブ
• SAGDボイラーの主要サプライヤー