為了支持鉆井承 包商和石油 公 司 的 ESG （Environment, Social and Governance： 環(huán) 境、社會與治理）以及未來碳中 和的目標(biāo)，Caterpillar 公司（世 界領(lǐng)先的建筑和采礦設(shè)備、柴油 和天然氣發(fā)動機、工業(yè)燃氣輪機 和柴電機車制造商）創(chuàng)新研制了 一些有針對性的設(shè)備。其中包括 Cat 儲能設(shè)備，這是一種集天然 氣發(fā)電機組于一體的混合能源技 術(shù)應(yīng)用，專用于陸上鉆井作業(yè)。 隨著鉆井承包商努力降低運 營成本，同時還要達到更嚴格的 排放標(biāo)準，以天然氣為燃料的發(fā) 電機組與儲能設(shè)備相結(jié)合正在徹 底改變陸上鉆井動力部署方式。
在 十 多 年 技 術(shù) 驗 證 的 基 礎(chǔ) 上， Caterpillar 公司正將 這些設(shè)備 專用于陸上鉆井，以達到降低成 本和滿足排放的目標(biāo)。有了新系統(tǒng)，該公司正率先 幫助鉆井承包商實現(xiàn)減排目標(biāo)， 收集和利用火炬氣（廢氣燃燒塔 燃燒的天然氣）來降低運營成 本，所有這些做法都不會犧牲耐 久性和績效指標(biāo)。在美國懷俄明 州，Ensign 能源服務(wù)公司鉆機 147 采用一個創(chuàng)新系統(tǒng)，該系統(tǒng) 由 三 臺 1-MW Cat® G3512 型 發(fā)電機組組成，這些發(fā)電機由天 然 氣 提 供 燃 料， 并 配 備 有 儲 存 電能的鋰離子電池，見圖 1（一 部 Ensign 能 源 服 務(wù) 公 司 的 鉆 機，利用 Caterpillar 公司的混 合 動 力 鉆 機 設(shè) 備， 展 示 了 其 成 本 節(jié) 省）。
（ 文 獻 作 者：Josh Morrison, Caterpillar 石油和 天然氣公司；2021 年 3 月發(fā)布于 世界石油網(wǎng)站，Josh Morrison 是 Caterpillar 公司陸上與海上 鉆井產(chǎn)品定義經(jīng)理，在該公司工 作了 9 年，擁有豐富的工程、運營、 產(chǎn)品開發(fā)和市場營銷經(jīng)驗。） Caterpillar 公 司 的 工 程 師 們正在展示 2019 年 4 月開始使 用的混合動力設(shè)備取得的成本節(jié) 省。與一個未配備儲能設(shè)備和人 工控制的柴油發(fā)電機供電的系統(tǒng) 進行了效果對比。 Caterpillar 公 司 的 儲 能 系 統(tǒng)是完全集成的、自動化和優(yōu)化 的系統(tǒng)，可為鉆機高效提供電能。
該系統(tǒng)的關(guān)鍵組件包括一個智能 發(fā)電機管理系統(tǒng)、雙向電源逆變 器，以及一個 Cat 微電網(wǎng)主控制 器 MMC（Microgrid Master Controller），能在發(fā)電機組和 儲能設(shè)備之間無縫操作。 該 公 司 正 采 用 Caterpillar 內(nèi)部已開發(fā)的技術(shù)（儲能 / 微電 網(wǎng)系統(tǒng)），并將其引入一項不同 的應(yīng)用，一部堅固耐用的集裝箱 化的設(shè)備，適合鉆井現(xiàn)場的嚴苛 要求。所開發(fā)的設(shè)備需要燃燒更 多天然氣，而非柴油燃料。這是 陸上鉆井市場過去幾年出現(xiàn)的一 個轉(zhuǎn)變。
成套設(shè)備裝在一個 6.1m 的ISO標(biāo) 準 的 集 裝 箱 內(nèi)， 最 大 限 度 地 減 少 了 鉆 井 平 臺 的 占 地。G3512 型 發(fā) 電 機 組 也 可 提 供 改 裝 選 項。
Caterpillar 公司鉆井客戶經(jīng)理 Christopher Berrie 說：“ 從 底部面積來看，G3512 發(fā)電機組 底部輪廓小于柴油發(fā)電機組幾英 寸。這對我們的客戶來說是一個 巨大優(yōu)勢，因為替代設(shè)備更大、 更重，需要對鉆機進行重新設(shè)計。 G3512 燃氣發(fā)電機組很容易適應(yīng) 鉆機現(xiàn)有的占地”。
天然氣發(fā)電機組符合美國環(huán) 保署 EPA 非公路移動設(shè)備的排 放標(biāo)準，發(fā)電機組與一個連接到 600-V 變壓器隔間的鋰離子儲能 系統(tǒng)配對。該組設(shè)備集成的控制 系統(tǒng)在需要時可自動使用電池電 源，這套自動控制裝置幾乎無需 現(xiàn)場操作人員干預(yù)就可完成電源 的切換和規(guī)定的動作。 儲能組件包括一個雙向電 源逆變器，逆變器可確定何時需 要充電或放電。電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提 供電網(wǎng)同步和形成功能。同時， Cat 微電網(wǎng)主控器在儲能系統(tǒng)和 發(fā)電機組之間分配負載，以優(yōu)化系統(tǒng)性能、使用壽命和成本效益。
瞬態(tài)負載管理
由于鉆井作業(yè)的應(yīng)用要求很 高，客戶需要柴油動力系統(tǒng)提供 的性能響應(yīng)非常靈敏，而且還要 反應(yīng)迅速。通過儲能系統(tǒng)，燃氣 發(fā)電機引擎可通過快速浪涌響應(yīng) 不斷變化的要求來實現(xiàn)可比或類 似的瞬態(tài)性能。 在 懷 俄 明 州，Ensign 能 源 服務(wù)公司鉆機 147 采用電池儲能 系統(tǒng)解決了這一難題，使發(fā)電機 和電池能協(xié)同工作。當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn) 速爬升時，電池可快速拾取能量 載荷。隨著發(fā)電機持續(xù)提速運轉(zhuǎn)， 儲能系統(tǒng)會降低功率，鉆機可順 利進行功率傳輸。儲能系統(tǒng)能使 發(fā)電機在更高負載（標(biāo)稱額定容 量的 70% 到 80%）情況下運行， 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)一個快速的 負載峰值，電池會拾取這個峰值 功率，而不是發(fā)電機引擎來承受。 發(fā)電機引擎會繼續(xù)以輕松的負載 穩(wěn)定運行，因為電池承擔(dān)了運行 鉆機所需的那部分高瞬態(tài)負載。 Ensign 能源服務(wù)公司運營 經(jīng) 理 Nick Schaneman 表 示： “我認為，該系統(tǒng)可通過燃氣發(fā) 電降低排放、降低燃油消耗和燃 料成本，以及提高天然氣發(fā)電機 的性能來解決鉆井隊目前面臨的 幾個問題。在 Ensign 能源服務(wù) 公司，我們?yōu)槲覀冏约耗艹蔀樵?領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的領(lǐng)導(dǎo)者而感到驕 傲 和 自 豪。 我 們 非 常 高 興 能 與 Caterpillar 公 司 合 作， 在 這 個 項目上推動行業(yè)向前發(fā)展”。見 圖 2（Caterpillar 和 Ensign 能 源服務(wù)公司的工程師們與鉆井現(xiàn) 場的工作人員一直在進行合作， 以驗證下一代鉆井設(shè)備）。
多重優(yōu)勢
對于希望降低運營成本的鉆 井承包商們和能源管理公司來說， 混合動力設(shè)備的優(yōu)勢有很多，包 括： ·減少溫室氣體排放 ·降低了燃油消耗 ·減少了氣體燃燒 ·提高了動力質(zhì)量 ·增加了設(shè)備正常運行時間 ·帶來了長期效率 ·維護費用更低 ·噪聲得到降低 其中一項主要好處是利用現(xiàn) 成可用的現(xiàn)場天然氣來大幅降低 燃 料 成 本，14 天 里 節(jié) 省 了 大 約 28000 加侖的柴油燃料。使用現(xiàn) 場天然氣，混合動力鉆機每年總 計可節(jié)省 140 萬美的燃料費用。 這個數(shù)字還不算柴油卡車向井場 運送燃料的費用，加起來可節(jié)省 的成本會更多。 各個州、各個組織和指定的 場所都在實施新的法規(guī)，遵守嚴 格的排放標(biāo)準，混合動力系統(tǒng)可 在一定程度上幫助解決這個問題。 儲能系統(tǒng)可通過提供顯著的減排 效果來幫助應(yīng)對這些內(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)電機組提供 動力的鉆機相比，碳排放減少了 50%。同時，溫室氣體（二氧化碳） 排放總量相比標(biāo)準柴油動力系統(tǒng) 減少了 10%，這對一些客戶和有 嚴格排放要求的場所來說是一個 重要成果。 如果該系統(tǒng)利用收集到的火 炬氣來發(fā)電，這樣一來生命周期 內(nèi)的溫室氣體排放則會進一步減 少。發(fā)電機組燃氣發(fā)電可使用的 氣體種類很多，包括收集現(xiàn)場的 天然氣，這樣做可以顯著減少鉆 井作業(yè)期間燃燒的井產(chǎn)天然氣的 體積。此外，在氣體需要處理的 情 況 下，Caterpillar 公 司 已 與 GTUIT 公司（一家在井場收集和 處理火炬氣的行業(yè)領(lǐng)軍者）合作， 為客戶提供利用 GTUIT 公司移 動氣體處理系統(tǒng)的全套設(shè)備。
通 常，準備燃燒的現(xiàn)場氣體會被收 集起來，然后被處理用于陸上鉆 井作業(yè)。 采用混合儲能系統(tǒng)來實現(xiàn)設(shè) 備正常運行時間的延長和提高資 本運營效率，在正常運行時間和 為運營商提供瞬時電力方面，這是一個巨大的改進。當(dāng)一臺發(fā)電 機在正常運轉(zhuǎn)過程中因燃料供應(yīng) 問題出現(xiàn)意外停機時，鉆機可用 儲能系統(tǒng)提供的電力繼續(xù)不間斷 地作業(yè)。自動控制系統(tǒng)啟動一臺 發(fā)電機，讓另一臺設(shè)備聯(lián)機。在 極少的情況下，當(dāng)鉆機的總功率 需求暫時超過所有三臺 G3512 發(fā) 電機組額定功率之和時，儲能系 統(tǒng)可滿足超額電力的供電需求。
精益燃燒的燃氣發(fā)電機可進 一步降低設(shè)備運轉(zhuǎn)時燃氣消耗的 底線，提供長期可持續(xù)的效率。 與使用手動控制的電力系統(tǒng)相比，集成的自動化技術(shù)使發(fā)電機引擎 在 14 天里運轉(zhuǎn)的小時數(shù)減少了 24%。 在更高負載環(huán)境下運行更少 的發(fā)電機則是更高效和更具經(jīng)濟 效益的。新技術(shù)消除了關(guān)于在給 定時間內(nèi)需要多少臺發(fā)電機在線 運行的爭論，由于系統(tǒng)的工作流 程進行了自動化處理，從而優(yōu)化 了設(shè)備運行過程中的性能和績效， 也降低了運營成本。運轉(zhuǎn)時間的 縮短還意味著燃氣發(fā)電機組所需 維護的次數(shù)也相應(yīng)得到了減少。
混合系統(tǒng)的設(shè)備組件易于與 現(xiàn)有的鉆機和未來的新型鉆機集 成于一體。此外，儲能設(shè)備在不 同環(huán)境和海拔狀況下表現(xiàn)出了卓 越的性能；懷俄明州的鉆機現(xiàn)場 海拔 2134m，溫度變化還很大。 總而言之，集天然氣、雙燃 料、或柴油技術(shù)于一體的儲能設(shè) 備可通過降低燃料成本、最大限 度地提高資本效率、滿足更低排 放法規(guī)來重塑陸上鉆井作業(yè)。這 種混合動力系統(tǒng)大大降低了鉆井 承包商和運營商投入的總成本， 經(jīng)濟效益十分顯著。
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