发布日期：2021年11月24日
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（国际标准化组织）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。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）。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：
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。
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