低碳技术从概念走向现实

时间:2022-06-07 09:59 来源:《石油与装备》 作者:编译 周颉

工业不断开发新的方 法来减少排放,不 仅通过发动机,而 且通过钻井废料, 液压环形管线。 石油和天然气行业已经充分 意识到适应低碳未来的必要性。
 
近年来,随着对净零排放的推动 日益紧迫,油气行业已不再仅仅 讨论可持续解决方案的必要性, 而是转向提供有效的技术,减少 或消除钻井作业中的有害排放。 中海油服钻井欧洲首席执行 官弗兰克·托勒夫森表示 :“我 们看到了一个巨大的转变。“我 们行业的每个人都意识到,我们 需要尽可能地可持续经营,但监 管机构、投资者和公众对我们的 关注和压力越来越大。它一直在 增长,如果我们想成为能源组合 的一部分,那么我们需要提供可 持续的解决方案。” 许多现有的低碳技术都专注 于减少范围 1(范围 1 排放为直 接排放,即企业直接控制的燃料 燃烧活动和物理化学生产过程产 生的直接温室气体排放。)的排 放,或直接由组织拥有的排放。
 
发动机管理系统是这一领域的主 要发展重点,图 1 为中海油服欧 洲钻井公司最初在北海的两艘半 潜船上安装了能源控制系统。许 多钻井承包商最近推出了旨在通 过减少钻机主动发动机数量来提 高燃油效率的系统。此外,市场 上的新技术专注于最大限度地减 少钻井作业中周边排放器的影响, 如液压环管或运输和处理钻井岩屑废料。 无论采用何种系统,钻井承 包商和制造商的首要任务是获得 客户的支持,以便大规模采用新 技术,这对于一个接受新技术通 常较慢的行业来说是很困难的。
 
实现采用的关键是展示他们在该 领域的能力,并向公司展示他们 可以提供的价值。 全球最大的海上钻井承包商 瓦拉瑞斯高级副总裁兼首席运营 官吉尔斯·卢卡表示 :“我们必须 在运营上建立这些解决方案的可 靠性,这样你才能获得更多的支 持。“你需要采取一种保守的方法, 包括谨慎地将钻井人员和作业人 员带到旅程中,并向他们展示这些 解决方案的良好操作和工程基础。 推动这一进程的最佳方式是缓慢 但坚定地前进,并利用这些技术 建立成功的操作记录,这样人们 就会有信心和意愿使用它们。”
 
能源控制系统
 
2020 年,经过 6 年的开发, 中海油服欧洲钻井平台启动了能 源控制项目,旨在为在挪威北海作 业的中海油服钻井平台节省能源。 该项目主要致力于减少中海油服 钻机发动机和发电机的燃料使用, 进而减少温室气体 (GHG) 排放。 能源控制项目的主要产品是 能源控制系统,这是一个自动化的 软件程序,可以在给定的运行过程 中监测电力消耗。该系统会向用户 提供所需电量、所需燃料以及随后 的二氧化碳和氮氧化物排放等方面 的建议,从而减少电力消耗。
 
这些评估结果显示在一个仪表板上,用 户可以从任何地方访问。 该系统与钻井平台的控制系 统相连,因此可以根据控制系统 的指示进行操作,而无需钻井人 员的任何输入,中海油服钻井的 能源控制系统在仪表板上显示燃 料消耗和排放数据。然而,它也 有手动控制不可预见情况的能力,比如天气事件,用户可能需 要关闭比预期更多的发电机。 中海油服欧洲钻井公司 ICT 和 OT 经理托尔芬·卡尔斯托表示, 能源控制系统的监测和咨询能力 提供了必要的见解,并帮助钻机 实现效率最大化。“我们希望发 电机能产生最有效的千瓦小时。 这就是整个想法。这一切都是为了保持高性能,同时降低功耗。”

图 2 为中海油服钻井的能源控制系统在仪表板上显示燃料消耗和排放数据。由于与钻井平台的控制系统连接,该软件可以自动根据自己的建议采取行动,无需钻井人员的任何输入,但用户也可以在任何不可预见的情况下超越系统。该系统目前已部署在中海油服在北海的所有三个签约钻井平台上。
 
2020 年,中海油服在北海的 两艘半潜船上安装了能源控制系 统,一艘是为挪威国家石油公司 工作的中海油服 Promoter,另 一艘是为 Chrysaor 工作的中海油服 Innovator。每个钻机由六 台最大容量 4,800 千瓦的柴油发 电机提供动力。这些发电机以前 在钻井作业期间连续运行,但安 装前的分析表明,这些发电机很 少满负荷使用。通过运行能源控 制软件,中海油服钻井发现,在 运行过程中,平均可以关闭 6 台 柴油发动机中的 4 台。 该公司已经发现这些钻机的 燃料消耗显著下降。在安装之前, 这 些 钻 机 在 Posmoor/ATA 模 式 ( 钻机运行推进器辅助系泊控 制系统 ) 下平均每天消耗 27 吨 燃 料, 在 全 DP3 模 式 下 平 均 每 天消耗 29 吨燃料。安装后,在 Posmoor/ATA 模式下,中海油 服钻井的平均日产量为 14 吨,在 DP3 模式下为 20 吨。
 
根据作业情况,该公司报告的燃料消耗低 至 7.6 吨 / 天。自安装以来,两 台钻机的二氧化碳和氮氧化物排 放量也下降了约 50%。 托勒夫森表示 :“看到我们 在正常钻井作业中消耗的能源, 我们几乎惊呆了。”“甚至在我 们第一次开发这种技术时,我们 认为需要所有这些能源,但在正 常的钻井作业中,实际需求可能 会降至一个发电机的能力之内。 平均来说,我们可以运行两个或 三个,但有时我们只需要一个发 电机。这在业内几乎是闻所未闻 的,因为你总是认为需要一些额 外的储备。” 中海油服钻井也于 2021 年 12 月在英国大陆架运营的中海油服 Pioneer 号上安装了该系统。在安 装后的三个月里,这艘半潜式潜艇 比前三个月节省了 904 吨燃料。这 相当于减少了约 2.85 吨二氧化碳。 该能源控制系统目前在中海 油服北海的三个签约钻井平台上 运 行。
 
2022 年 3 月, 中 海 油 服 Pioneer 根据与伊萨卡能源公司 签订的新合同开始工作,预计该 合同将持续到 2024 年第二季度。 中海油服推广方将为挪威国油工 作到 2024 年第一季度,而中海 油服创新方将于 2022 年 4 月开 始与中海油欧洲公司签订新合同。 托勒夫森表示,虽然能源控制系 统是为中海油服北海钻井平台开 发的,但该公司也在寻求扩大在 其他地区的部署。
 
引擎管理
 
瓦拉瑞斯希望将增强型动力 管理系统作为其技术组合中的低 碳产品,图 3 为瓦拉瑞斯升级了 钻井平台的电气系统,只需两台 发电机即可安全运行。
 
图 3 为 去年 10 月,瓦拉瑞斯 DS-12 钻井船成为第一个获得 ABS 增强型电气系统符号 EHS-E 的钻井平台。瓦拉瑞斯升级了钻井平台的电气系统,只需两台发电机即可安全运行。
 
2021 年 10 月,瓦拉瑞斯 DS-12 钻井船 成为世界上第一艘获得 ABS 增强 型电气系统符号EHS-E的船舶。 瓦拉瑞斯升级了钻机的电气系统 以确保符号的安全,该符号认可 了电力系统的冗余性和可靠性得 到了改善。增强的系统使钻机能 够在只有两台发电机在线的情况 下安全运行,从而减少排放。
 
瓦拉瑞斯 DS-12 在 2021 年 第四季度和 2022 年第一季度为安 哥拉的一家大型运营商工作,预 计在 2022 年剩余时间为毛里塔尼 亚和塞内加尔的海上运营商工作。在安哥拉项目中,与升级前的配 置相比,瓦拉瑞斯实现了 5% 的燃 料消耗和约 600 吨的二氧化碳排 放量的减少,升级前的配置需要 至少 3 台发电机在线。
 
卢卡指出, 安哥拉海上温和的环境条件使其 成为这项新技术的理想试验场。 该公司希望未来在更多的浮 动设备上安装增强的电源管理系 统,但进一步的部署也将取决于客 户的需求。“让钻井平台停运一段 时间并安装这个系统是一项投资, 所以我们希望找到合适的合作伙 伴,他们愿意投资改善钻井平台, 从而使他们自己的操作更节能。” 发动机优化系统是瓦拉瑞斯 减少温室气体排放的一种解决方 案。
 
为了全面查看和跟踪这些排 放,该公司利用了瓦拉瑞斯智能 平台 (VIP),这是一个监测程序, 可以汇总和显示其车队中每个被 监测钻机的燃料消耗和温室气体 排放。该项目有助于根据钻机和 发动机类型建立油耗和排放基准, 从而帮助公司量化其选择的各种 解决方案对整个车队的影响。 VIP 系统不仅可以监测关键 任务钻机设备,还可以实时监测 油 耗、CO2、NOx 和 SOx 排 放 情况。了解钻机现场的功率需求, 并与钻机发电厂的可用功率进行 比较,使技术团队能够在任何给 定时间根据操作条件优化两者之 间的差距。 目前,超过一半的瓦拉瑞斯 钻机可以使用 VIP 系统,并将在 年底前部署到剩余的现役钻机上。
 
 “VIP 主要是将系统数据流 到一个聚合器和分析解决方案中, 从而告诉我们钻机的运行情况。 这使我们能够更好地监控我们的 系统和发电厂。从那里,我们可 以实时可视化特定发动机的负载, 优化发动机负载,优化燃料,并 确定我们可以在哪里减少排放,” 卢卡表示。 除 了 VIP 系 统 和 增 强 型 电 源管理系统,瓦拉瑞斯还在 4 艘 钻井船上安装了选择性催化还原 (SCR) 系 统 —— 瓦 拉 瑞 斯 DS- 15、DS-16、DS-17 和 DS- 18,以及一艘自升式平台——瓦 拉瑞斯 123。SCR 是一种排放控 制技术,可以过滤掉发动机排气 系统中的某些潜在有害元素。向 废气中加入一种添加剂,引发化 学反应,将氮氧化物转化为氮、 水和少量的二氧化碳。
 
虽然目前 还没有来自四艘钻井船的 NOx排放数据,但瓦拉瑞斯报告称, 自安装 SCR 以来,瓦拉瑞斯 123 自升式平台的 NOx 排放量减少 了 90%。 “SCR 系 统 正 在 为 我 们 做 这项工作。就去除氮氧化物副产 品而言,这是一个非常有效的系 统——你无法否认排气系统减少 了 90%,”卢卡说。
 
基于人工智能的系统
 
2021 年 12 月, 纳 伯 斯 推 出了纳伯斯能源转型解决方案 (NETS),这是一个旨在提高能源 效率、降低燃料消耗和降低排放的 技术组合,图 4 展示了纳伯斯的软 实力咨询系统整合了来自多个数据 点的数据。该产品组合的核心是软 实力咨询和控制引擎管理软件。该 咨询系统可部署在纳伯斯和第三方 钻机上,将基于人工智能 (AI) 的 算法应用于实时钻井数据,建议钻 井人员在钻井作业中运行给定任务 的最佳发动机数量。
 
软实力控制系 统预计将于 2022 年第二季度推出, 根据这些建议自动启动和停止单个 钻机发动机。 纳伯斯子公司 Canrig 钻井 技术产品线总监詹姆斯·霍尔表 示,该软件具有将众多外部因素 纳入其咨询机制的独特能力,图 5 为 Canrig 动力流系统,它将 于 2022 年第二季度投入使用。 软实力专注于通过电子钻井记录 仪 (EDR) 接 收 到 的 真 实 钻 井 数 据,并使用专有的 AI,为当前和 预计的钻井活动推荐发动机和发 电机的最佳运行数量。 除了实时钻井数据外,该系统 中还有一个单独的模块,用于记录 海拔、冷却剂温度、机油状况和发 动机内部的过滤器状况,从而进一 步优化决策。
 
该系统还包括发动机 的使用寿命和最大容量。 霍尔表示 :“我们的系统会 评 估 发 动 机 状 况 和 其 他 因 素, 以确定哪些发动机的容量最 大。”“知道要运行哪些引擎和 知道要运行多少引擎一样重要。” 该咨询系统于 2022 年第一 季度在纳伯斯钻机上进行了现场 测试,结果显示,在某些应用中, 与内部模型一致,柴油消耗量减 少了 20%,同时二氧化碳排放量 也相应减少。在没有发电机人工 干预的情况下,这一减少与运行 所有可用发动机期间的平均燃料 消耗基准设定有关。
 
在 2022 年第二季度,纳伯 斯计划推出一款超级电容储能系 统 Canrig 动力流。 动力流的功 能与其他能源存储系统类似,它 使用超级电容为跳闸和其他操作 期间的负载峰值提供即时电力, 最大限度地提高绞车制动期间的 能量捕获,并减少基本负载以上 的柴油发电需求。 超级电容与电池储能的区别 在于,超级电容几乎能瞬间存储 已提供的电力,以及向系统供电的速度。动力流的充放电速率 ( 额 定 C 值 ) 在 25 ~ 50℃之间,这 意味着它可以在一分钟多一点的 时间内提供 3500 安培的功率, 而 系 统 可 以 在 9.5 分 钟 内 支 持 1000 安培的放电。电池储能系统 的 C 值通常在 3~ 5℃之间,这意 味着它可以在最大容量下放电最 多 1500 安培,最长 12 分钟。 更高的 C 等级意味着系统可 以以更快的速度提供更多的功率, 这对于高功率需求的任务是有价 值的。这也意味着系统可以更快 地进行充电,根据钻井活动的不 同,充电时间在 1 到 6 秒之间。
 
由于动力流的快速充电特性,该 系统能够充分利用“免费”再生 电源充电,而不是从发电机充电。 这一功能使用户更容易保持峰值 剃须,避免电力需求的峰值,而 峰值会导致柴油使用量增加,进 而导致排放增加。 当软实力和动力流结合使用 时,另一个可用的功能是将超级 电容电源推送到交流总线的能力。 可以监测交流母线频率,当交流 母线上感觉到大的交流或直流负 载时,如果频率下降,动力流可 以向交流母线注入交流电压。这 可以确保发电机保持恒定的负载, 因此,在任何操作过程中不会发 生发动机突涌。 “想象一个系统,你可以快 速充满电力和放电。这就是超级 电容器的价值所在,”霍尔表示。 “通过使用这些超级电容,你可 以监测和控制放电率。对于我们 的钻井作业来说,能源储存并不 是在其他能源被移除后为钻机提 供动力;它能让你更高效地发电。 你使用超级电容来补充发电,你 可以在恒定负载下运行你的引擎, 即使你有这些高需求峰值。”
 
消除钻屑废料运输
 
国民油井华高最近推出的低 碳技术旨在减少或彻底消除钻井 作业中的浪费活动,图 6 展示了 国民油井华高的 iNOVaTHERM 是 一 种 便 携 式 设 备。 该 公 司 关 注的一个领域是石油钻井废弃 物的处理。
 
去年,该公司推出了 iNOVaTHERM 便 携 式 处 理 设 备,允许公司在钻井平台上处理 和处置钻井废弃物,而不是传统 的将废弃物运到岸上处理和处置, 从而消除了钻井作业中一个显著 的排放源。该系统的工作原理是将钻屑 送入进料斗。然后这些岩屑被转 移到一个热交换模块进行处理。 在热交换器模块内部,钻屑与加 热的内表面积保持恒定的接触, 以确保取得一致的废物分离效果。 凝析模块回收较重的油相, 然后将其返回泥浆系统。
 
然后, 冷凝模块内的蒸汽冷凝被输送到 水处理模块,水处理模块回收较 轻的油相。然后将回收的水从钻 机中排出。 iNOVaTHERM 系统消除了 传统摩擦加热废物处理系统中的 驱动模块,将电能直接送入高效 热交换器。国民油井华高东半球 高级销售总监戈登杜蒂表示,由 于钻机不需要为变速箱、转子和 锤头提供动力,因此该功能减少 了占地面积,有助于节约钻机的 电力和排放。
 
然而,最大的排放节约来自 于取消了通常用于将岩屑从钻井 现场运输到海岸供应船,以及将 岩屑从船只运输到陆上处理设施 所需的卡车。 “无论是在陆地还是海上, 在源头进行处理,真正消除了许 多在偏远地区作业带来的后勤挑 战。任何常规的废物处理都需要 使用一艘供应船到钻井平台,并 将岩屑容器收回。从减少碳足迹 的 角 度 来 看, 该 系 统 消 除 了 所 有这些活动的必要性,我们正在 消除陆上处理和垃圾填埋的必要 性,”杜蒂说。 来自国民油井华高项目场 景数据的数据表明,在钻井现场 使用该系统可以减少排放。与传 统的密封和废物处理方法相比, iNOVa-THERM 取消了海上使 用的供应船和陆上使用的卡车, 将废物运输到处理设施,以及陆 上 处 理 和 处 置 作 业。 在 该 项 目 中,通过现场处理钻井废弃物, 可以减少大量的排放 ( 每次钻井 作 业 减 少 280,264 公 斤 二 氧 化 碳 )。总的来说,传统方法产生了 319,063 公斤的二氧化碳排放和 4,720 公斤的氮氧化物排放。
 
有 了 iNOVaTHERM 系 统, 这 一 数字下降到 186,436 公斤二氧化 碳和 3,107 公斤氮氧化物。 “这些数字表明,处理海上 钻井废弃物对于实现我们客户承 诺的减排目标和目标大有帮助。 一旦我们开始取消供应船和其他 陆上加工物流,将大大节约环境 和成本。”杜蒂表示。 在国民油井华高位于阿伯丁 的热处理工厂进行了 18 个月的开 发和测试后,该技术于 2021 年 1 月在英国北海地区投入商业应用。 此后,两家大型油气公司在北海 进行了四次钻探活动。第四个运 动开始于 2022 年 4 月。
 
提高液压泵效率
 
另一个不稳定的电力消耗是 液压环管。该系统为钻机上的几 件液压设备提供动力,包括铁钻 工、动力套管钳、立柱钻杆和猫 道机。环管系统中的流量和压力 通常设置为能够容纳这些设备同 时运行的水平。 国民油井华高装卸工具产品 线经理理查德·韦尔霍夫将环管 系统的液压泵与发电机组进行了 比较。
 
图 7 为 国民油井华高去年推出的 Eco Booster 系统包含一个蓄能器橇 ( 如图所示 ),它可以将能量存储并分配给驱动钻 机环形管路系统的液压泵,从而减少需求 高峰期的电力消耗。
 
为了应对峰值使用时潜在 的液压需求,在很大程度上,运 行的泵比实际需要的更多。泵一 天 24 小时闲置运行,消耗大量的 电力和燃料,持续排放二氧化碳 和氮氧化物。然而,当液压泵被 激活时,泵需要能够处理突然增 加的流量要求。已经运行的液压 设备也将受到这种压降的影响。为了帮助作业者更有效地 使用液压泵,从而减少电力消耗 和排放,国民油井华高去年推出 了 Eco Booster 系 统, 图 7 为 国 民 油 井 华 高 去 年 推 出 的 Eco Booster 系统。Eco Booster 是 一种液压储能系统,通过在需求 低时存储液压动力,在需求高时 释放液压动力,优化液压环线性 能。当需要额外流量时,该技术 将从蓄能器转移液压能量,从而 限制启动时对额外液压泵的需求。
 
 “该系统基本上消除了压降。 Eco Booster ™ 提供了短峰值的 液压动力,而不是增加泵的转速 来提高系统中的压力。而不是让 你所有的泵一直运行,你可以减 少数量的马达和泵运行。这就是 节 能 的 来 源。 这 就 是 减 排 的 来 源,”韦尔霍夫表示。 该技术由四个充氮蓄能器的 蓄能器滑块、助推器滑块和自动 控制系统组成。当环管流量消耗 低时,蓄能器由增压机充电。 当充电时,蓄能器匹配的流量 要求和设备的要求,即使这些要求 和要求超过环管泵的能力。蓄能器 还可以在液压设备负载较轻的时候 储存电力——这一过程被称为负载 平衡——从而使液压泵的使用更加 优化。
 
生态助推器还可以抑制突然 功率需求引起的变化,为环管提供 即时流量和压力。 国民油井华高根据历史用电 量数据,估算了 Eco Booster 的 节能效果。一台钻机通常每天 24 小时运行 6 台液压泵,每台泵每 天消耗 55 千瓦的电力。每台泵 的 平 均 耗 油 量 为 0.2875 升 / 千 瓦,NOV 计算出,在钻机上燃烧 的每升燃料排放 3.23 kg CO2 和 4.2gNOx。 安装 Eco Booster 系统后, 钻机在运行过程中 65% 的时间可 以由4台发电机驱动。在一整年里, 这意味着每年可以节省 180072 升 燃料。就排放而言,每年节省的 燃料将导致每年节省 581 吨二氧 化碳和 756 公斤氮氧化物。
 
 一些国家已经对二氧化碳和 氮氧化物排放征税,导致这些地 区钻井平台的运营成本更高。韦 尔霍夫先生指出,即使该系统在 没有排放税的地区使用,运营商 也可以在几年内弥补安装成本。 “如果你每年在燃料成本上节省 数万美元,这个系统对客户来说 就变成了一个相对较小的投资, 但有相当好的投资回报。下线的 泵越多,节能效果越好,液压系 统越稳定,排放也就越好。” 自 2021 年投入商业运营以 来,该生态助推器系统已被安装 在北海一家大型运营商的一台 钻机上。韦尔霍夫先生表示, 国民油井华高承诺在今年晚些 时候为不同的运营商安装 4 台 额外设备。
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