Subsea System for CO2 Injection

Abstract

Interessen og investeringene i karbonfangst og lagring øker, og det skaper et behov for spesialiserte løsninger for å effektivisere prosessen. For øyeblikket benytter industrien utstyr som er designet for produksjonsformål. Denne oppgaven utforsker mulige designløsninger for undervannssystemer brukt til CO2-injeksjon, med fokus på å utvikle et modul basert konsept for templatestrukturen. Målet er å oppnå et kompakt design med gjenbrukbare moduler for å redusere både kostnader og utslipp.

For å undersøke potensialet i dette konseptet, er det konstruert en CAD-modell basert på industristandarder og krav. Modellen er delt inn i tre moduler: den ytre beskyttelsesrammen, den indre rammen og sugeankeret. Alternative materialer som aluminiumlegering 5083 er blitt brukt i den ytre beskyttelsesskallet for å redusere vekten og utslippene fra templaten. Modellen ble utsatt for en rekke standardiserte lasttilfeller som kreves for installasjon på den norske kontinentalsokkelen for å vurdere strukturens oppførsel og integritet. Denne vurderingen er utført ved hjelp av FEM-analyser av hele templatestrukturen. Basert på analyse resultatene blir nødvendige designendringer og optimaliseringer gjennomført før den endelige modellen er presentert.

I tillegg inkluderer oppgaven en tidlig designfase for juletreet som er ment for installasjon i templaten. Ingen CAD-modell eller strukturanalyse er utført for juletreets design, men en mulig konfigurasjon er diskutert for å vise potensialet i et godt integrert ramme- og juletre system.

Det endelige konseptet viser gode verdier under forskjellige lastforhold og tilbyr konkurransedyktige egenskaper når det gjelder størrelse og vekt. Den totale vekten av den endelige templatestrukturen ekskludert sugeankeret er 24.596 kilogram, som er omtrent 75% lettere enn den integrerte templatestrukturen som brukes for injeksjonsbrønnen i Northern Lights prosjektet. Selv om det hovedsakelig er brukt en aluminiumslegering for konstruksjonen, er materialkostnadene også redusert med omtrent 15% på grunn av den lavere massen. Konseptets produksjonsfase, installasjonsfase og delenes gjenbrukbarhet blir også diskutert og sammenlignet med eksisterende løsninger.

Interest and investments in carbon capture and storage (CCS) are increasing, creating a need for specialized solutions to streamline the process. Currently the industry utilizes equipment designed for production purposes. This thesis explores possible design solutions for subsea systems used for CO2 injection, focusing on developing a modularized concept for the template structure. The goal is to achieve a compact design with reusable modules to reduce both cost as emissions.

To investigate the potential of this design concept, a CAD model is created based on industry standards and requirements. The model is divided into 3 modules with the outer protective frame, inner frame and suction anchor. Alternative material such as aluminum alloy 5083 has been incorporated for the outer protective shell to lower the weight and emissions for the template. The model is subjected to a series of standardized load cases required for installation on the Norwegian continental shelf to assess the behavior and structural integrity of the structure. This assessment is performed using FEM analysis of the complete template structure. Based on the analysis results, necessary design changes and optimizations is made before a final model is presented.

Additionally, the thesis includes an early design phase for the x-mas tree intended for installation within the template. No CAD model or structural analysis is conducted for the tree design, but a possible configuration is discussed to showcase the potential of a well-integrated template and x-mas tree system.

The final concept demonstrates strong performance under various loading conditions and offers competitive properties in terms of weight, size and cost. The total weight of the final template design excluding the suction anchor is 24.596 kilograms, which is approximately 75% lighter than the integrated template structure used for the injection well in the Northern Lights project. Despite primarily using an aluminum alloy for the template frame, the material cost is also reduced with an estimated 15% due to the lower mass. The concepts production phase, installation phase, and part reusability is also discussed and compared to existing solution.