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圖 1. 一臺 Ensign能源服務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的節約

為了支持鉆井承包商和運營商實現未來的碳中和ESG（環境、社會和公司治理）目標，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用的、與天然氣發電機組集成的混合能源技術。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準，以天然氣為燃料的發電機組與儲能技術相結合，正在徹底改變陸上鉆井應用中電力的部署方式。在其十多年的成熟技術的基礎上，卡特彼勒公司研發出一種專門用于鉆井應用的高效解決方案。
 
新型鉆井系統的誕生
 
借助這種新型系統，該公司開創性地幫助鉆井承包商實現減排目標、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設備的耐用性和整體性能。在美國懷俄明州，Ensign能源服務公司的#147型鉆機使用了卡特彼勒公司的這種創新系統，該系統由三臺1兆瓦的Cat® G3512 發電機組組成，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省效果，并將其結果與沒有儲能功能和手動控制的柴油發電機供電系統進行了比較。卡特彼勒公司的這種新型儲能系統是完全集成化、自動化和經過了優化的，可以有效地為鉆機供電。該系統的關鍵組件可實現發電機組和儲能之間的無縫銜接運行，包括智能發動機管理系統、雙向電源逆變器和卡特彼勒微電網主控制器 (MMC)等。
 
該公司采用其已經開發出的技術（儲能/微電網技術），并將其引入不同的應用行業中——一種堅固耐用且適合嚴苛鉆井作業的一體化箱式解決方案。其所開發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，最大限度地減小了鉆井平臺的占地面積。G3512發電機組還可提供改裝選項。從占地面積的角度來看，G3512 發電機組與柴油發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勢，因為柴油發電機組更大、更重，并且可能會需要重新設計鉆機，而燃氣式G3512發電機組則可輕松適應鉆機的現有占地面積。
如何解決發電問題
 
天然氣發電機組符合EPA非道路移動排放限制標準，并與連接到 600 V變壓器艙的基于鋰離子的儲能系統配合使用。該解決方案的集成控制系統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。電源轉換系統提供電網同步和形成功能。同時，卡特彼勒公司的MMC（微電網主控制器）可在儲能系統和發電機組之間分配負載，以優化性能、使用壽命和整體經濟性。這種新型系統還能實現有效的瞬態負載管理。由于鉆井作業的苛刻應用工況，客戶需要眾所周知的柴油機動力系統提供的快速響應性能。而借助于儲能系統，燃氣發動機同樣可以通過快速響應不斷變化的作業需求來實現可比的瞬態性能。
 
在美國懷俄明州，Ensign能源服務公司的#147型鉆機通過電池儲能系統 (ESS) 解決了這一挑戰，使發電機和電池能夠協同工作。當發電機加速時，電池會迅速吸收能量負載。隨著發電機繼續增加活動，ESS 系統則降低功率，使鉆機實現平穩的功率傳輸。能量存儲允許發電機在更高的負載（銘牌容量的 70% 到 80%）下運行，同時還可使用更少的發電機來處理瞬態負載。因此，如果出現快速負載峰值，電池將承擔該動力，而不是發動機。并且發動機將在相對輕松的負載下繼續穩定運行，因為電池正在承擔運行鉆機所需的那些高瞬態負載。
 
新的鉆井系統能夠實現節能減排
 
Ensign能源服務公司認為，該系統可以通過降低發電排放、降低燃料消耗和成本以及提高天然氣發電機組的性能來解決當今鉆井工人面臨的多個問題。通過與卡特彼勒公司的合作，這種新型系統能夠實現許多鉆井業急需的好處。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；改善電能質量；增加正常運行時間；實現長期高效；維護需求低；降噪。
 
其主要好處之一是燃料成本的顯著降低，這是通過利用現成的油田現場天然氣實現的，在14天內少用了大約 28,000 加侖的柴油燃料。使用現場天然氣，混合解決方案每年節省的燃料總計可達140萬美元。而通過消除用卡車將柴油送入現場的需要，還可實現額外的費用節省。對于正在實施新法規以遵守嚴格的排放標準的地點、組織和特定場所，混合系統可以有效地幫助解決這些問題。儲能系統可以通過提供顯著的減排效益來幫助滿足這些內部目標和需求。
 
分析得出的結論是，與在相同應用中使用柴油發電機組的鉆機相比，NOx排放量減少了50%。同時，溫室氣體總排放量（以 CO2e 計）比標準柴油動力系統減少了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。發電機組使用多種氣體，包括捕獲的現場氣體，這可以顯著減少鉆井作業期間燃燒的井氣量。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的綜合解決方案。這樣，通常會被燃燒掉的現場氣體被收集起來，然后加以處理以用于陸地鉆井作業。
 
混合儲能系統讓鉆井更持久
 
混合儲能系統實現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商提供瞬時功率方面的一種巨大改進。當由于跳閘期間的燃料供應問題而使發電機組意外停機時，鉆機可繼續工作，由儲能系統進行供電。自動控制系統能啟動一個發動機并使另一個單元聯機工作。在鉆機的總功率需求暫時超過所有三臺 G3512 發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滿足。
 
稀燃燃氣發動機進一步降低了運營底線，長期提供可持續的效率。與使用手動控制的動力系統相比，集成自動化技術在 14 天內將發動機工作時間減少了24%。在更高的負載下運行更少的發動機更高效且更具成本效益。這種新技術消除了關于在給定時間需要有多少臺發動機在線工作的爭論，因為系統使過程自動化，從而優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電機組所需的維護也就更少。
 
新型混合系統組件很容易集成到現有的鉆機和未來的新設備中。此外，儲能解決方案在各種環境條件和海拔高度下均表現出卓越的性能；比如美國懷俄明州的鉆井現場海拔就為 7,000 英尺，且溫度變化也很大。總體而言，與天然氣、雙燃料或柴油技術相結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而重塑陸上鉆井作業的定義，且這種混合系統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）