图 1. 一台 Ensign能源服务公司的钻机展示了通过使用特彼勒公司混合动力钻机解决方案所实现的节约

为了支持钻井承包商和运营商实现未来的碳中和ESG（环境、社会和公司治理）目标，美国卡特彼勒公司制定出一套有针对性的解决方案。其中包括该公司的新型储能解决方案，这是一种专门用于陆地钻井应用的、与天然气发电机组集成的混合能源技术。随着钻井承包商努力降低运营成本并同时满足更为严格的排放标准，以天然气为燃料的发电机组与储能技术相结合，正在彻底改变陆上钻井应用中电力的部署方式。在其十多年的成熟技术的基础上，卡特彼勒公司研发出一种专门用于钻井应用的高效解决方案。
 
新型钻井系统的诞生
 
借助这种新型系统，该公司开创性地帮助钻井承包商实现减排目标、捕获和使用火炬气并降低运营成本——而所有这些都不会牺牲相关设备的耐用性和整体性能。在美国怀俄明州，Ensign能源服务公司的#147型钻机使用了卡特彼勒公司的这种创新系统，该系统由三台1兆瓦的Cat® G3512 发电机组组成，以天然气为燃料，并搭配可存储电能的锂离子电池，见图 1。
 
卡特彼勒公司的工程师从 2019年4月开始就开始展示其混合动力解决方案的节省效果，并将其结果与没有储能功能和手动控制的柴油发电机供电系统进行了比较。卡特彼勒公司的这种新型储能系统是完全集成化、自动化和经过了优化的，可以有效地为钻机供电。该系统的关键组件可实现发电机组和储能之间的无缝衔接运行，包括智能发动机管理系统、双向电源逆变器和卡特彼勒微电网主控制器 (MMC)等。
 
该公司采用其已经开发出的技术（储能/微电网技术），并将其引入不同的应用行业中——一种坚固耐用且适合严苛钻井作业的一体化箱式解决方案。其所开发的解决方案涉及燃烧更多的天然气而不是柴油。这对过去几年间的陆上钻井市场而言是一个很大的改变。这种打包的解决方案被封装在一个 20 英尺的 ISO （集装）箱内，最大限度地减小了钻井平台的占地面积。G3512发电机组还可提供改装选项。从占地面积的角度来看，G3512 发电机组与柴油发电机组的占地面积相差了几英寸，这对钻井客户来说是一个巨大的优势，因为柴油发电机组更大、更重，并且可能会需要重新设计钻机，而燃气式G3512发电机组则可轻松适应钻机的现有占地面积。
如何解决发电问题
 
天然气发电机组符合EPA非道路移动排放限制标准，并与连接到 600 V变压器舱的基于锂离子的储能系统配合使用。该解决方案的集成控制系统可在需要时自动使用电池电源，且自动化控制装置几乎不需要现场操作人员的交互。
 
储能组件包括一个双向电源逆变器，用于确定何时需要充电或放电。电源转换系统提供电网同步和形成功能。同时，卡特彼勒公司的MMC（微电网主控制器）可在储能系统和发电机组之间分配负载，以优化性能、使用寿命和整体经济性。这种新型系统还能实现有效的瞬态负载管理。由于钻井作业的苛刻应用工况，客户需要众所周知的柴油机动力系统提供的快速响应性能。而借助于储能系统，燃气发动机同样可以通过快速响应不断变化的作业需求来实现可比的瞬态性能。
 
在美国怀俄明州，Ensign能源服务公司的#147型钻机通过电池储能系统 (ESS) 解决了这一挑战，使发电机和电池能够协同工作。当发电机加速时，电池会迅速吸收能量负载。随着发电机继续增加活动，ESS 系统则降低功率，使钻机实现平稳的功率传输。能量存储允许发电机在更高的负载（铭牌容量的 70% 到 80%）下运行，同时还可使用更少的发电机来处理瞬态负载。因此，如果出现快速负载峰值，电池将承担该动力，而不是发动机。并且发动机将在相对轻松的负载下继续稳定运行，因为电池正在承担运行钻机所需的那些高瞬态负载。
 
新的钻井系统能够实现节能减排
 
Ensign能源服务公司认为，该系统可以通过降低发电排放、降低燃料消耗和成本以及提高天然气发电机组的性能来解决当今钻井工人面临的多个问题。通过与卡特彼勒公司的合作，这种新型系统能够实现许多钻井业急需的好处。对于迫切希望降低运营成本的钻井承包商和能源管理公司来说，混合动力解决方案可提供的优势很多，其中包括：降低温室气体 (GHG) 排放；降低油耗；减少气体燃烧；改善电能质量；增加正常运行时间；实现长期高效；维护需求低；降噪。
 
其主要好处之一是燃料成本的显着降低，这是通过利用现成的油田现场天然气实现的，在14天内少用了大约 28,000 加仑的柴油燃料。使用现场天然气，混合解决方案每年节省的燃料总计可达140万美元。而通过消除用卡车将柴油送入现场的需要，还可实现额外的费用节省。对于正在实施新法规以遵守严格的排放标准的地点、组织和特定场所，混合系统可以有效地帮助解决这些问题。储能系统可以通过提供显着的减排效益来帮助满足这些内部目标和需求。
 
分析得出的结论是，与在相同应用中使用柴油发电机组的钻机相比，NOx排放量减少了50%。同时，温室气体总排放量（以 CO2e 计）比标准柴油动力系统减少了10%，这对于排放要求严格的客户和场所来说是一项重要成就。如果系统使用捕获的火炬气供电，则生命周期温室气体还会进一步减少。发电机组使用多种气体，包括捕获的现场气体，这可以显著减少钻井作业期间燃烧的井气量。此外，在气体需要处理的情况下，卡特彼勒还与 GTUIT公司合作，为客户提供利用 GTUIT公司的移动气体处理系统的综合解决方案。这样，通常会被燃烧掉的现场气体被收集起来，然后加以处理以用于陆地钻井作业。
 
混合储能系统让钻井更持久
 
混合储能系统实现了更长的正常运行时间和更高的资本效率，这是在正常运行时间和为钻井作业商提供瞬时功率方面的一种巨大改进。当由于跳闸期间的燃料供应问题而使发电机组意外停机时，钻机可继续工作，由储能系统进行供电。自动控制系统能启动一个发动机并使另一个单元联机工作。在钻机的总功率需求暂时超过所有三台 G3512 发电机组的总额定功率的罕见情况下，多余的功率需求可由储能系统满足。
 
稀燃燃气发动机进一步降低了运营底线，长期提供可持续的效率。与使用手动控制的动力系统相比，集成自动化技术在 14 天内将发动机工作时间减少了24%。在更高的负载下运行更少的发动机更高效且更具成本效益。这种新技术消除了关于在给定时间需要有多少台发动机在线工作的争论，因为系统使过程自动化，从而优化了性能并降低了运营成本。运行时间的减少意味着运行燃气发电机组所需的维护也就更少。
 
新型混合系统组件很容易集成到现有的钻机和未来的新设备中。此外，储能解决方案在各种环境条件和海拔高度下均表现出卓越的性能；比如美国怀俄明州的钻井现场海拔就为 7,000 英尺，且温度变化也很大。总体而言，与天然气、双燃料或柴油技术相结合的储能解决方案可以通过降低燃料成本、最大限度地提高资本效率和满足较低的排放法规而重塑陆上钻井作业的定义，且这种混合系统显著降低了钻井承包商和运营商的综合成本。（文献源于《世界石油》2021年3月）