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

為了支持鉆井承包商和運(yùn)營商實(shí)現(xiàn)未來的碳中和ESG（環(huán)境、社會(huì)和公司治理）目標(biāo)，美國卡特彼勒公司制定出一套有針對(duì)性的解決方案。其中包括該公司的新型儲(chǔ)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(jī)組集成的混合能源技術(shù)。隨著鉆井承包商努力降低運(yùn)營成本并同時(shí)滿足更為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，以天然氣為燃料的發(fā)電機(jī)組與儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)、捕獲和使用火炬氣并降低運(yùn)營成本——而所有這些都不會(huì)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(jī)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(tái)1兆瓦的Cat® G3512 發(fā)電機(jī)組組成，以天然氣為燃料，并搭配可存儲(chǔ)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(dòng)力解決方案的節(jié)省效果，并將其結(jié)果與沒有儲(chǔ)能功能和手動(dòng)控制的柴油發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)進(jìn)行了比較。卡特彼勒公司的這種新型儲(chǔ)能系統(tǒng)是完全集成化、自動(dòng)化和經(jīng)過了優(yōu)化的，可以有效地為鉆機(jī)供電。該系統(tǒng)的關(guān)鍵組件可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組和儲(chǔ)能之間的無縫銜接運(yùn)行，包括智能發(fā)動(dòng)機(jī)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(chǔ)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(jiān)固耐用且適合嚴(yán)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(duì)過去幾年間的陸上鉆井市場(chǎng)而言是一個(gè)很大的改變。這種打包的解決方案被封裝在一個(gè) 20 英尺的 ISO （集裝）箱內(nèi)，最大限度地減小了鉆井平臺(tái)的占地面積。G3512發(fā)電機(jī)組還可提供改裝選項(xiàng)。從占地面積的角度來看，G3512 發(fā)電機(jī)組與柴油發(fā)電機(jī)組的占地面積相差了幾英寸，這對(duì)鉆井客戶來說是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)組更大、更重，并且可能會(huì)需要重新設(shè)計(jì)鉆機(jī)，而燃?xì)馐紾3512發(fā)電機(jī)組則可輕松適應(yīng)鉆機(jī)的現(xiàn)有占地面積。
如何解決發(fā)電問題
 
天然氣發(fā)電機(jī)組符合EPA非道路移動(dòng)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(chǔ)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(shí)自動(dòng)使用電池電源，且自動(dòng)化控制裝置幾乎不需要現(xiàn)場(chǎng)操作人員的交互。
 
儲(chǔ)能組件包括一個(gè)雙向電源逆變器，用于確定何時(shí)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(shí)，卡特彼勒公司的MMC（微電網(wǎng)主控制器）可在儲(chǔ)能系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)組之間分配負(fù)載，以優(yōu)化性能、使用壽命和整體經(jīng)濟(jì)性。這種新型系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)有效的瞬態(tài)負(fù)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(jī)動(dòng)力系統(tǒng)提供的快速響應(yīng)性能。而借助于儲(chǔ)能系統(tǒng)，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)同樣可以通過快速響應(yīng)不斷變化的作業(yè)需求來實(shí)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(jī)通過電池儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS) 解決了這一挑戰(zhàn)，使發(fā)電機(jī)和電池能夠協(xié)同工作。當(dāng)發(fā)電機(jī)加速時(shí)，電池會(huì)迅速吸收能量負(fù)載。隨著發(fā)電機(jī)繼續(xù)增加活動(dòng)，ESS 系統(tǒng)則降低功率，使鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的功率傳輸。能量存儲(chǔ)允許發(fā)電機(jī)在更高的負(fù)載（銘牌容量的 70% 到 80%）下運(yùn)行，同時(shí)還可使用更少的發(fā)電機(jī)來處理瞬態(tài)負(fù)載。因此，如果出現(xiàn)快速負(fù)載峰值，電池將承擔(dān)該動(dòng)力，而不是發(fā)動(dòng)機(jī)。并且發(fā)動(dòng)機(jī)將在相對(duì)輕松的負(fù)載下繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，因?yàn)殡姵卣诔袚?dān)運(yùn)行鉆機(jī)所需的那些高瞬態(tài)負(fù)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(rèn)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(jī)組的性能來解決當(dāng)今鉆井工人面臨的多個(gè)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(duì)于迫切希望降低運(yùn)營成本的鉆井承包商和能源管理公司來說，混合動(dòng)力解決方案可提供的優(yōu)勢(shì)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(yùn)行時(shí)間；實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期高效；維護(hù)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(chǎng)天然氣實(shí)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(chǎng)天然氣，混合解決方案每年節(jié)省的燃料總計(jì)可達(dá)140萬美元。而通過消除用卡車將柴油送入現(xiàn)場(chǎng)的需要，還可實(shí)現(xiàn)額外的費(fèi)用節(jié)省。對(duì)于正在實(shí)施新法規(guī)以遵守嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)的地點(diǎn)、組織和特定場(chǎng)所，混合系統(tǒng)可以有效地幫助解決這些問題。儲(chǔ)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(jī)組的鉆機(jī)相比，NOx排放量減少了50%。同時(shí)，溫室氣體總排放量（以 CO2e 計(jì)）比標(biāo)準(zhǔn)柴油動(dòng)力系統(tǒng)減少了10%，這對(duì)于排放要求嚴(yán)格的客戶和場(chǎng)所來說是一項(xiàng)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(huì)進(jìn)一步減少。發(fā)電機(jī)組使用多種氣體，包括捕獲的現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)氣體處理系統(tǒng)的綜合解決方案。這樣，通常會(huì)被燃燒掉的現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)能系統(tǒng)讓鉆井更持久
 
混合儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了更長(zhǎng)的正常運(yùn)行時(shí)間和更高的資本效率，這是在正常運(yùn)行時(shí)間和為鉆井作業(yè)商提供瞬時(shí)功率方面的一種巨大改進(jìn)。當(dāng)由于跳閘期間的燃料供應(yīng)問題而使發(fā)電機(jī)組意外停機(jī)時(shí)，鉆機(jī)可繼續(xù)工作，由儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行供電。自動(dòng)控制系統(tǒng)能啟動(dòng)一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)并使另一個(gè)單元聯(lián)機(jī)工作。在鉆機(jī)的總功率需求暫時(shí)超過所有三臺(tái) G3512 發(fā)電機(jī)組的總額定功率的罕見情況下，多余的功率需求可由儲(chǔ)能系統(tǒng)滿足。
 
稀燃燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步降低了運(yùn)營底線，長(zhǎng)期提供可持續(xù)的效率。與使用手動(dòng)控制的動(dòng)力系統(tǒng)相比，集成自動(dòng)化技術(shù)在 14 天內(nèi)將發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間減少了24%。在更高的負(fù)載下運(yùn)行更少的發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)間需要有多少臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在線工作的爭(zhēng)論，因?yàn)橄到y(tǒng)使過程自動(dòng)化，從而優(yōu)化了性能并降低了運(yùn)營成本。運(yùn)行時(shí)間的減少意味著運(yùn)行燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組所需的維護(hù)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(jī)和未來的新設(shè)備中。此外，儲(chǔ)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(chǎng)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(shù)相結(jié)合的儲(chǔ)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(yùn)營商的綜合成本。（文獻(xiàn)源于《世界石油》2021年3月）