为了支持钻井承 包商和石油 公 司 的 ESG （Environment, Social and Governance： 环 境、社会与治理）以及未来碳中 和的目标，Caterpillar 公司（世 界领先的建筑和采矿设备、柴油 和天然气发动机、工业燃气轮机 和柴电机车制造商）创新研制了 一些有针对性的设备。其中包括 Cat 储能设备，这是一种集天然 气发电机组于一体的混合能源技 术应用，专用于陆上钻井作业。 随着钻井承包商努力降低运 营成本，同时还要达到更严格的 排放标准，以天然气为燃料的发 电机组与储能设备相结合正在彻 底改变陆上钻井动力部署方式。
 
在 十 多 年 技 术 验 证 的 基 础 上， Caterpillar 公司正将 这些设备 专用于陆上钻井，以达到降低成 本和满足排放的目标。有了新系统，该公司正率先 帮助钻井承包商实现减排目标， 收集和利用火炬气（废气燃烧塔 燃烧的天然气）来降低运营成 本，所有这些做法都不会牺牲耐 久性和绩效指标。在美国怀俄明 州，Ensign 能源服务公司钻机 147 采用一个创新系统，该系统 由 三 台 1-MW Cat® G3512 型 发电机组组成，这些发电机由天 然 气 提 供 燃 料， 并 配 备 有 储 存 电能的锂离子电池，见图 1（一 部 Ensign 能 源 服 务 公 司 的 钻 机，利用 Caterpillar 公司的混 合 动 力 钻 机 设 备， 展 示 了 其 成 本 节 省）。
 
（ 文 献 作 者：Josh Morrison, Caterpillar 石油和 天然气公司；2021 年 3 月发布于 世界石油网站，Josh Morrison 是 Caterpillar 公司陆上与海上 钻井产品定义经理，在该公司工 作了 9 年，拥有丰富的工程、运营、 产品开发和市场营销经验。） Caterpillar 公 司 的 工 程 师 们正在展示 2019 年 4 月开始使 用的混合动力设备取得的成本节 省。与一个未配备储能设备和人 工控制的柴油发电机供电的系统 进行了效果对比。 Caterpillar 公 司 的 储 能 系 统是完全集成的、自动化和优化 的系统，可为钻机高效提供电能。
 
该系统的关键组件包括一个智能 发电机管理系统、双向电源逆变 器，以及一个 Cat 微电网主控制 器 MMC（Microgrid Master Controller），能在发电机组和 储能设备之间无缝操作。 该 公 司 正 采 用 Caterpillar 内部已开发的技术（储能 / 微电 网系统），并将其引入一项不同 的应用，一部坚固耐用的集装箱 化的设备，适合钻井现场的严苛 要求。所开发的设备需要燃烧更 多天然气，而非柴油燃料。这是 陆上钻井市场过去几年出现的一 个转变。
 
成套设备装在一个 6.1m 的ISO标 准 的 集 装 箱 内， 最 大 限 度 地 减 少 了 钻 井 平 台 的 占 地。G3512 型 发 电 机 组 也 可 提 供 改 装 选 项。
 
 Caterpillar 公司钻井客户经理 Christopher Berrie 说：“ 从 底部面积来看，G3512 发电机组 底部轮廓小于柴油发电机组几英 寸。这对我们的客户来说是一个 巨大优势，因为替代设备更大、 更重，需要对钻机进行重新设计。 G3512 燃气发电机组很容易适应 钻机现有的占地”。
 
天然气发电机组符合美国环 保署 EPA 非公路移动设备的排 放标准，发电机组与一个连接到 600-V 变压器隔间的锂离子储能 系统配对。该组设备集成的控制 系统在需要时可自动使用电池电 源，这套自动控制装置几乎无需 现场操作人员干预就可完成电源 的切换和规定的动作。 储能组件包括一个双向电 源逆变器，逆变器可确定何时需 要充电或放电。电力转换系统提 供电网同步和形成功能。同时， Cat 微电网主控器在储能系统和 发电机组之间分配负载，以优化系统性能、使用寿命和成本效益。
 
瞬态负载管理
 
由于钻井作业的应用要求很 高，客户需要柴油动力系统提供 的性能响应非常灵敏，而且还要 反应迅速。通过储能系统，燃气 发电机引擎可通过快速浪涌响应 不断变化的要求来实现可比或类 似的瞬态性能。 在 怀 俄 明 州，Ensign 能 源 服务公司钻机 147 采用电池储能 系统解决了这一难题，使发电机 和电池能协同工作。当发电机转 速爬升时，电池可快速拾取能量 载荷。随着发电机持续提速运转， 储能系统会降低功率，钻机可顺 利进行功率传输。储能系统能使 发电机在更高负载（标称额定容 量的 70% 到 80%）情况下运行， 同时还可使用更少的发电机来处 理瞬态负载。
 
因此，如果出现一个快速的 负载峰值，电池会拾取这个峰值 功率，而不是发电机引擎来承受。 发电机引擎会继续以轻松的负载 稳定运行，因为电池承担了运行 钻机所需的那部分高瞬态负载。 Ensign 能源服务公司运营 经 理 Nick Schaneman 表 示： “我认为，该系统可通过燃气发 电降低排放、降低燃油消耗和燃 料成本，以及提高天然气发电机 的性能来解决钻井队目前面临的 几个问题。在 Ensign 能源服务 公司，我们为我们自己能成为该 领域技术创新的领导者而感到骄 傲 和 自 豪。 我 们 非 常 高 兴 能 与 Caterpillar 公 司 合 作， 在 这 个 项目上推动行业向前发展”。见 图 2（Caterpillar 和 Ensign 能 源服务公司的工程师们与钻井现 场的工作人员一直在进行合作， 以验证下一代钻井设备）。
 
多重优势
 
对于希望降低运营成本的钻 井承包商们和能源管理公司来说， 混合动力设备的优势有很多，包 括： ·减少温室气体排放 ·降低了燃油消耗 ·减少了气体燃烧 ·提高了动力质量 ·增加了设备正常运行时间 ·带来了长期效率 ·维护费用更低 ·噪声得到降低 其中一项主要好处是利用现 成可用的现场天然气来大幅降低 燃 料 成 本，14 天 里 节 省 了 大 约 28000 加仑的柴油燃料。使用现 场天然气，混合动力钻机每年总 计可节省 140 万美的燃料费用。 这个数字还不算柴油卡车向井场 运送燃料的费用，加起来可节省 的成本会更多。 各个州、各个组织和指定的 场所都在实施新的法规，遵守严 格的排放标准，混合动力系统可 在一定程度上帮助解决这个问题。 储能系统可通过提供显著的减排 效果来帮助应对这些内部目标和 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提供 动力的钻机相比，碳排放减少了 50%。同时，温室气体（二氧化碳） 排放总量相比标准柴油动力系统 减少了 10%，这对一些客户和有 严格排放要求的场所来说是一个 重要成果。 如果该系统利用收集到的火 炬气来发电，这样一来生命周期 内的温室气体排放则会进一步减 少。发电机组燃气发电可使用的 气体种类很多，包括收集现场的 天然气，这样做可以显著减少钻 井作业期间燃烧的井产天然气的 体积。此外，在气体需要处理的 情 况 下，Caterpillar 公 司 已 与 GTUIT 公司（一家在井场收集和 处理火炬气的行业领军者）合作， 为客户提供利用 GTUIT 公司移 动气体处理系统的全套设备。
 
通 常，准备燃烧的现场气体会被收 集起来，然后被处理用于陆上钻 井作业。 采用混合储能系统来实现设 备正常运行时间的延长和提高资 本运营效率，在正常运行时间和 为运营商提供瞬时电力方面，这是一个巨大的改进。当一台发电 机在正常运转过程中因燃料供应 问题出现意外停机时，钻机可用 储能系统提供的电力继续不间断 地作业。自动控制系统启动一台 发电机，让另一台设备联机。在 极少的情况下，当钻机的总功率 需求暂时超过所有三台 G3512 发 电机组额定功率之和时，储能系 统可满足超额电力的供电需求。
 
精益燃烧的燃气发电机可进 一步降低设备运转时燃气消耗的 底线，提供长期可持续的效率。 与使用手动控制的电力系统相比，集成的自动化技术使发电机引擎 在 14 天里运转的小时数减少了 24%。 在更高负载环境下运行更少 的发电机则是更高效和更具经济 效益的。新技术消除了关于在给 定时间内需要多少台发电机在线 运行的争论，由于系统的工作流 程进行了自动化处理，从而优化 了设备运行过程中的性能和绩效， 也降低了运营成本。运转时间的 缩短还意味着燃气发电机组所需 维护的次数也相应得到了减少。
 
混合系统的设备组件易于与 现有的钻机和未来的新型钻机集 成于一体。此外，储能设备在不 同环境和海拔状况下表现出了卓 越的性能；怀俄明州的钻机现场 海拔 2134m，温度变化还很大。 总而言之，集天然气、双燃 料、或柴油技术于一体的储能设 备可通过降低燃料成本、最大限 度地提高资本效率、满足更低排 放法规来重塑陆上钻井作业。这 种混合动力系统大大降低了钻井 承包商和运营商投入的总成本， 经济效益十分显著。