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圖 1. 一臺 Ensign能源服務(wù)公司的鉆機展示了通過使用特彼勒公司混合動力鉆機解決方案所實現(xiàn)的節(jié)約

為了支持鉆井承包商和運營商實現(xiàn)未來的碳中和ESG（環(huán)境、社會和公司治理）目標(biāo)，美國卡特彼勒公司制定出一套有針對性的解決方案。其中包括該公司的新型儲能解決方案，這是一種專門用于陸地鉆井應(yīng)用的、與天然氣發(fā)電機組集成的混合能源技術(shù)。隨著鉆井承包商努力降低運營成本并同時滿足更為嚴格的排放標(biāo)準(zhǔn)，以天然氣為燃料的發(fā)電機組與儲能技術(shù)相結(jié)合，正在徹底改變陸上鉆井應(yīng)用中電力的部署方式。在其十多年的成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，卡特彼勒公司研發(fā)出一種專門用于鉆井應(yīng)用的高效解決方案。
 
新型鉆井系統(tǒng)的誕生
 
借助這種新型系統(tǒng)，該公司開創(chuàng)性地幫助鉆井承包商實現(xiàn)減排目標(biāo)、捕獲和使用火炬氣并降低運營成本——而所有這些都不會犧牲相關(guān)設(shè)備的耐用性和整體性能。在美國懷俄明州，Ensign能源服務(wù)公司的#147型鉆機使用了卡特彼勒公司的這種創(chuàng)新系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三臺1兆瓦的Cat® G3512 發(fā)電機組組成，以天然氣為燃料，并搭配可存儲電能的鋰離子電池，見圖 1。
 
卡特彼勒公司的工程師從 2019年4月開始就開始展示其混合動力解決方案的節(jié)省效果，并將其結(jié)果與沒有儲能功能和手動控制的柴油發(fā)電機供電系統(tǒng)進行了比較。卡特彼勒公司的這種新型儲能系統(tǒng)是完全集成化、自動化和經(jīng)過了優(yōu)化的，可以有效地為鉆機供電。該系統(tǒng)的關(guān)鍵組件可實現(xiàn)發(fā)電機組和儲能之間的無縫銜接運行，包括智能發(fā)動機管理系統(tǒng)、雙向電源逆變器和卡特彼勒微電網(wǎng)主控制器 (MMC)等。
 
該公司采用其已經(jīng)開發(fā)出的技術(shù)（儲能/微電網(wǎng)技術(shù)），并將其引入不同的應(yīng)用行業(yè)中——一種堅固耐用且適合嚴苛鉆井作業(yè)的一體化箱式解決方案。其所開發(fā)的解決方案涉及燃燒更多的天然氣而不是柴油。這對過去幾年間的陸上鉆井市場而言是一個很大的改變。這種打包的解決方案被封裝在一個 20 英尺的 ISO （集裝）箱內(nèi)，最大限度地減小了鉆井平臺的占地面積。G3512發(fā)電機組還可提供改裝選項。從占地面積的角度來看，G3512 發(fā)電機組與柴油發(fā)電機組的占地面積相差了幾英寸，這對鉆井客戶來說是一個巨大的優(yōu)勢，因為柴油發(fā)電機組更大、更重，并且可能會需要重新設(shè)計鉆機，而燃氣式G3512發(fā)電機組則可輕松適應(yīng)鉆機的現(xiàn)有占地面積。
如何解決發(fā)電問題
 
天然氣發(fā)電機組符合EPA非道路移動排放限制標(biāo)準(zhǔn)，并與連接到 600 V變壓器艙的基于鋰離子的儲能系統(tǒng)配合使用。該解決方案的集成控制系統(tǒng)可在需要時自動使用電池電源，且自動化控制裝置幾乎不需要現(xiàn)場操作人員的交互。
 
儲能組件包括一個雙向電源逆變器，用于確定何時需要充電或放電。電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供電網(wǎng)同步和形成功能。同時，卡特彼勒公司的MMC（微電網(wǎng)主控制器）可在儲能系統(tǒng)和發(fā)電機組之間分配負載，以優(yōu)化性能、使用壽命和整體經(jīng)濟性。這種新型系統(tǒng)還能實現(xiàn)有效的瞬態(tài)負載管理。由于鉆井作業(yè)的苛刻應(yīng)用工況，客戶需要眾所周知的柴油機動力系統(tǒng)提供的快速響應(yīng)性能。而借助于儲能系統(tǒng)，燃氣發(fā)動機同樣可以通過快速響應(yīng)不斷變化的作業(yè)需求來實現(xiàn)可比的瞬態(tài)性能。
 
在美國懷俄明州，Ensign能源服務(wù)公司的#147型鉆機通過電池儲能系統(tǒng) (ESS) 解決了這一挑戰(zhàn)，使發(fā)電機和電池能夠協(xié)同工作。當(dāng)發(fā)電機加速時，電池會迅速吸收能量負載。隨著發(fā)電機繼續(xù)增加活動，ESS 系統(tǒng)則降低功率，使鉆機實現(xiàn)平穩(wěn)的功率傳輸。能量存儲允許發(fā)電機在更高的負載（銘牌容量的 70% 到 80%）下運行，同時還可使用更少的發(fā)電機來處理瞬態(tài)負載。因此，如果出現(xiàn)快速負載峰值，電池將承擔(dān)該動力，而不是發(fā)動機。并且發(fā)動機將在相對輕松的負載下繼續(xù)穩(wěn)定運行，因為電池正在承擔(dān)運行鉆機所需的那些高瞬態(tài)負載。
 
新的鉆井系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排
 
Ensign能源服務(wù)公司認為，該系統(tǒng)可以通過降低發(fā)電排放、降低燃料消耗和成本以及提高天然氣發(fā)電機組的性能來解決當(dāng)今鉆井工人面臨的多個問題。通過與卡特彼勒公司的合作，這種新型系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)許多鉆井業(yè)急需的好處。對于迫切希望降低運營成本的鉆井承包商和能源管理公司來說，混合動力解決方案可提供的優(yōu)勢很多，其中包括：降低溫室氣體 (GHG) 排放；降低油耗；減少氣體燃燒；改善電能質(zhì)量；增加正常運行時間；實現(xiàn)長期高效；維護需求低；降噪。
 
其主要好處之一是燃料成本的顯著降低，這是通過利用現(xiàn)成的油田現(xiàn)場天然氣實現(xiàn)的，在14天內(nèi)少用了大約 28,000 加侖的柴油燃料。使用現(xiàn)場天然氣，混合解決方案每年節(jié)省的燃料總計可達140萬美元。而通過消除用卡車將柴油送入現(xiàn)場的需要，還可實現(xiàn)額外的費用節(jié)省。對于正在實施新法規(guī)以遵守嚴格的排放標(biāo)準(zhǔn)的地點、組織和特定場所，混合系統(tǒng)可以有效地幫助解決這些問題。儲能系統(tǒng)可以通過提供顯著的減排效益來幫助滿足這些內(nèi)部目標(biāo)和需求。
 
分析得出的結(jié)論是，與在相同應(yīng)用中使用柴油發(fā)電機組的鉆機相比，NOx排放量減少了50%。同時，溫室氣體總排放量（以 CO2e 計）比標(biāo)準(zhǔn)柴油動力系統(tǒng)減少了10%，這對于排放要求嚴格的客戶和場所來說是一項重要成就。如果系統(tǒng)使用捕獲的火炬氣供電，則生命周期溫室氣體還會進一步減少。發(fā)電機組使用多種氣體，包括捕獲的現(xiàn)場氣體，這可以顯著減少鉆井作業(yè)期間燃燒的井氣量。此外，在氣體需要處理的情況下，卡特彼勒還與 GTUIT公司合作，為客戶提供利用 GTUIT公司的移動氣體處理系統(tǒng)的綜合解決方案。這樣，通常會被燃燒掉的現(xiàn)場氣體被收集起來，然后加以處理以用于陸地鉆井作業(yè)。
 
混合儲能系統(tǒng)讓鉆井更持久
 
混合儲能系統(tǒng)實現(xiàn)了更長的正常運行時間和更高的資本效率，這是在正常運行時間和為鉆井作業(yè)商提供瞬時功率方面的一種巨大改進。當(dāng)由于跳閘期間的燃料供應(yīng)問題而使發(fā)電機組意外停機時，鉆機可繼續(xù)工作，由儲能系統(tǒng)進行供電。自動控制系統(tǒng)能啟動一個發(fā)動機并使另一個單元聯(lián)機工作。在鉆機的總功率需求暫時超過所有三臺 G3512 發(fā)電機組的總額定功率的罕見情況下，多余的功率需求可由儲能系統(tǒng)滿足。
 
稀燃燃氣發(fā)動機進一步降低了運營底線，長期提供可持續(xù)的效率。與使用手動控制的動力系統(tǒng)相比，集成自動化技術(shù)在 14 天內(nèi)將發(fā)動機工作時間減少了24%。在更高的負載下運行更少的發(fā)動機更高效且更具成本效益。這種新技術(shù)消除了關(guān)于在給定時間需要有多少臺發(fā)動機在線工作的爭論，因為系統(tǒng)使過程自動化，從而優(yōu)化了性能并降低了運營成本。運行時間的減少意味著運行燃氣發(fā)電機組所需的維護也就更少。
 
新型混合系統(tǒng)組件很容易集成到現(xiàn)有的鉆機和未來的新設(shè)備中。此外，儲能解決方案在各種環(huán)境條件和海拔高度下均表現(xiàn)出卓越的性能；比如美國懷俄明州的鉆井現(xiàn)場海拔就為 7,000 英尺，且溫度變化也很大?？傮w而言，與天然氣、雙燃料或柴油技術(shù)相結(jié)合的儲能解決方案可以通過降低燃料成本、最大限度地提高資本效率和滿足較低的排放法規(guī)而重塑陸上鉆井作業(yè)的定義，且這種混合系統(tǒng)顯著降低了鉆井承包商和運營商的綜合成本。（文獻源于《世界石油》2021年3月）