Öljyhiekka

Öljyhiekka on nimitys bitumille, joka on sitoutunut hiekanjyviin. Maailmanlaajuisesti öljyhiekassa olevan öljyn määrä on samaa suuruusluokkaa kuin tavanomaisen maaöljyn määrä. Öljyhiekkaa on alettu laajamittaisesti käyttää vasta 1900-luvun parina viimeisimpänä vuosikymmenenä, sillä sitä on tavallista öljyä hankalampi hyödyntää.
Bitumi on muodostunut maaöljystä siten, että maaöljy on menettänyt kevyemmät hiilivetynsä ja jäljelle jäänyt raskain osa on osittain bakteerien hajottama. Bitumi on siis osittain hajonnutta raakaöljyä. Öljyhiekka sisältää bitumia 1–20 prosenttia.
Hiekanjyviä ympäröi vesivaippa, jossa on erilaisia pienhiukkasia kuten savea ja muita mineraaleja. Vesivaippaa ympäröivä bitumikalvo täytyy erotella hiekasta, vedestä ja pienhiukkasista, ennen kuin sitä voidaan edelleen jalostaa.
Öljyhiekan talteenotto ja käsittely edelleen raakaöljyksi vaatii enemmän energiaa ja rahaa, kuin vastaavan öljymäärän poraaminen perinteisistä esiintymistä. Käytettävä tekniikka on myös uutta. Tämän takia öljyhiekan laajamittainen hyödyntäminen ei aiemmin ole ollut kannattavaa, mutta öljyn hinnan nousun ja tekniikan kehittymisen myötä toiminta on muuttunut taloudellisesti kannattavaksi. Mahdollisesti tulevaisuudessa nykyisten öljylähteiden ehtyessä tullaan siirtymään öljyhiekan käyttöön pääasiallisena raakaöljyn lähteenä. On kuitenkin esitetty, että öljyhiekka ei pysty estämään maailman öljyntuotannon kääntymistä laskuun. Öljyhiekan jalostamisen ympäristövaikutukset ovat suuremmat kuin tavallisessa öljyntuotannossa.

Esiintyminen

Suurimmat öljyhiekan esiintymät sijaitsevat Kanadassa ja Venezuelassa, mutta sitä esiintyy myös kymmenissä muissa maissa. Kanadan Albertassa oleva öljyhiekkaesiintymä on maailman suurin öljyesiintymä ja ylittää siis öljyvarannollaan suurimmat perinteiset öljyesiintymät.

Kanada

Mm. Athabascan öljyhiekka-alueella Albertassa Kanadassa on arvioitu olevan 2,7×10¹¹ m³ varanto öljyhiekkaa ja hyvin raskasta maaöljyä.
Kanada on yli 120 000 m³ päivittäisellä viennillään Yhdysvaltain suurin raakaöljyn ja öljyjalosteiden toimittaja.

Venezuela

Petróleos de Venezuela S.A. on arvoinut Orinoco Belt-alueella olevan 37,5 miljardia m³ hyvin raskasta maaöljyä, mikä tekisi siitä maailman suurimman öljyvarannon ennen Saudi-Arabiaa. Hyödynnettävissä oleviksi varannoiksi on arvioitu 13 miljardia m³.

Öljyhiekan hyödyntäminen

Öljyhiekan sisältämä bitumi on mustaa, tervamaista, tavallista raakaöljyä viskoosimpaa ja raskaampaa ainetta, ja se virtaa hyvin hitaasti normaalissa huoneenlämmössä. Sitä ei pysty pumppaamaan ilman käsittelyä normaalille raakaöljylle tarkoitetussa putkistossa. Bitumi täytyy erotella öljyhiekasta, ennen kuin sitä voidaan jatkojalostaa.
Öljyhiekan laajamittainen ja kaupallinen hyödyntäminen alkoi Kanadassa 1967.

Avolouhos

Öljyhiekkaa on kaivettu avolouhoksessa Athabascassa lähes neljäkymmentä vuotta. Öljyhiekka esiintyy Antabascassa 40-60 metriä paksuna kerroksena kalkkikivikerroksen päällä. Öljyhiekan päällä sijaitsee poistettava maa-aines. Athabascassa 10-20% öljyhiekasta sijaitsee niin lähellä maan pintaa, että pintakaivuu on taloudellisesti järkevää. Pintakaivuuta käytetään Athabascassa 130 metrin syvyyteen saakka. Suurin osa öljyhiekasta hyödynnetään tällä hetkellä avolouhoksien avulla.
Athabascan avolouhoksissa käytetään maailman suurimpia kaivureita ja kuorma-autoja. Näiden avulla tuotantokustannukset ovat noin 15 $ barrelia kohti.
Kaivuun jälkeen öljyhiekkaan lisätään kuumaa vettä ja natriumhydroksidia ja syntyvä seos kuljetetaan putkia pitkin erotuslaitokseen ja edelleen jatkokäsiteltäväksi. Erotussolussa bitumiin kiinnittyy ilmakuplia ja bitumi nousee pinnalle, josta se voidaan kuoria. Yhden barrelin tuottaminen vaatii noin kaksi tonnia öljyhiekkaa ja useita barreleita vettä, joskin vettä voidaan kierrättää.
Öljyn erottamisen jälkeen hiekka palautetaan kaivokseen.
Koska 80-90 % Kanadan öljyhiekasta ja lähes kaikki Venezuelan öljyhiekka sijaitsee niin syvällä, että avolouhoksen käyttö ei ole taloudellisesti mahdollista, on öljyhiekan hyödyntämiseksi kehitetty useita in situ -tekniikoita.

Kylmä virtaus (Cold flow)

Tässä tekniikassa öljy yksinkertaisesti pumpataan ylös perinteisin menetelmin. Tätä tekniikkaa voi käyttää ainoastaan alueilla, jossa öljyn viskositeetti on riittävän alhainen. Tekniikkaa käytetään Venezuelassa ja määrätyillä alueilla Kanadassa.
Tekniikan etu on sen halpuus, mutta haittapuoli se, että vain 5-6 % öljystä saadaan tällä menetelmällä ylös.

Kylmä raskaanöljyntuotanto hiekalla (Cold Heavy Oil Production with Sand, CHOPS)

Perinteisesti öljynporauksessa on pyritty pitämään hiekan määrä maanpinnalle saatavassa öljyssä mahdollisimman vähäisenä käyttäen erilaisia tekniikoita, muun muassa suodattimia. Jo 1920-luvulla Kanadassa havaittiin, että öljyhiekan hyödyntämisessä kaivo tuotti sitä enemmän öljyä, mitä enemmän hiekkaa tuli ylös. 1980-luvun lopulla otettiin kehittyneen pumppaustekniikan myötä käyttöön CHOPS-menetelmä, jossa tarkoituksella pyritään pumppaamaan mahdollisimman suuri hiekkamäärä öljyn mukana maan pinnalle. Tällä menetelmällä kaivon tuottoa on saatu suuresti kasvatettua ja suurempi määrä öljystä (enimmillään 10%) saadaan talteen.

Syklinen höyrystimulaatio (Cyclic Steam Stimulation, CSS)

Höyryn ruiskutus raskaan öljyn hyödyntämisessä on ollut käytössä Kalifornian öljykentillä 1950-luvulta lähtien. Syklistä höyrystimulaatiota on käytetty Kanadassa kaupallisesti 1985 alkaen. Syklisessä höyrystimulaatiossa öljyhiekkaan porattuun satojen metrien syvyiseen reikään pumpataan 300-340 asteista höyryä viikkojen tai kuukausien ajan. Tämän jälkeen odotetaan päiviä tai viikkoja ja odotusvaiheen jälkeen aloitetaan öljyn pumppaus. Kun öljyn tuotantovauhti alkaa pudota, tehdään uusi höyrystimulaatiosykli. Tämä toistetaan niin monta kertaa, kuin on taloudellisesti tuottavaa.
Höyry lisää lähteen tuottoa useilla tavoilla. Kuumuus alentaa bitumin viskositeettia ja vesi irrottaa bitumin hiekasta. Höyrynpaine synnyttää maan alle murtumia, jotka lisäävät öljynvirtausta tuotantoreikään.
Syklisellä höyrystimulaatiolla pystytään hyödyntämään 20-25 % hiekan sisältämästä öljystä, mutta haittapuolena on menetelmän kalleus.

Höyryavusteinen painovoimaojitus (Steam Assisted Gravity Drainage, SAGD)

Höyryavusteisen painovoimaojituksen idea esiteltiin 1978, ja kenttätestauslaitos aloitti toimintansa 1984. 1990-luvulla kehittynyt suuntaporaustekniikka on mahdollistanut menetelmän tehokkaan toteuttamisen.
Höyryavusteisessa painovoimaohjauksessa maan alle porataan horisontaalisesti päällekkäin kaksi kaivoa. Yksi öljyhiekkaesiintymän alaosaan ja toinen 5 metriä ylemmäs. Kaivoja porataan tyypillisesti säteittäisesti moneen suuntaan pareittain keskuskaivosta lähtien. Kaivojen pituus on suurusluokkaa kilometri ja ne kulkevat horisontaalisesti öljyhiekassa. Aluksi kaivoparin molempiin kaivoihin pumpataan korkeapaineista höyryä. Korkeapaineinen kuuma höyry muuttaa bitumin juoksevaksi. Tuotantovaiheeseen siirryttäessä höyryn pumppaamista ylempään kaivoon jatketaan. Sulanut bitumi valuu alas alempaan tuotantokaivoon, josta se pumpataan ylös. Tällä tekniikalla öljyhiekan sisältämästä bitumista saadaan kannattavasti hyödynnettyä 55 %. SAGD on osoittautunut läpimurroksi öljyhiekan hyödyntämisessä, koska se on CSS:ää halvempi, ja sillä saadaan suuri määrä öljystä talteen.

VAPEX

VAPEXissa öljyhiekkakaivoon injisoidaan höyrymäistä liuotinta. Tekniikkaa voidaan käyttää SAGD:n tapaan, mutta vesihöyryn tilalla on höyrystetty liuotin. VAPEX-tekniikka on tutkimusvaiheessa. VAPEXin etuina olisivat SAGD:tä parempi energiatehokkuus ja se, että osa bitumin edelleen jalostuksesta tapahtuu jo maan alla liuottimien vaikutuksesta.
Edellä kuvatut tekniikat eivät ole toisensa poissulkevia, vaan niitä voidaan yhdistää toisiinsa. Hyödynnettävän öljyhiekan ja muun maaperän koostumus vaikuttaa menetelmän valintaan.

Jalostus

Bitumi täytyy käsitellä erityisjalostamoissa. Bitumi koostuu suurista hiilivetymolekyyleistä, joissa on tavallista raakaöljyä enemmän hiiltä ja vähemmän vetyä. Jalostuksessa bitumin suuret hiilivetymolekyylit pilkotaan ja niihin lisätään vetyatomeita ja/tai poistetaan hiiliatomeja ja näin saadaan tavanomaista raakaöljyä muistuttava tuote.

Energiatehokkuus

Kanadan öljyhiekan tuotannon EROEI-luku on vuonna 2008 noin 5 - 6. Tuotannossa käytettävä energia saadaan pääasiassa maakaasua polttamalla.