為了支持鉆井承 包商和石油 公 司 的 ESG （Environment, Social and Governance： 環 境、社會與治理）以及未來碳中 和的目標，Caterpillar 公司（世 界領先的建筑和采礦設備、柴油 和天然氣發動機、工業燃氣輪機 和柴電機車制造商）創新研制了 一些有針對性的設備。其中包括 Cat 儲能設備，這是一種集天然 氣發電機組于一體的混合能源技 術應用，專用于陸上鉆井作業。 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 排放標準，以天然氣為燃料的發 電機組與儲能設備相結合正在徹 底改變陸上鉆井動力部署方式。
 
在 十 多 年 技 術 驗 證 的 基 礎 上， Caterpillar 公司正將 這些設備 專用于陸上鉆井，以達到降低成 本和滿足排放的目標。有了新系統，該公司正率先 幫助鉆井承包商實現減排目標， 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。在美國懷俄明 州，Ensign 能源服務公司鉆機 147 采用一個創新系統，該系統 由 三 臺 1-MW Cat® G3512 型 發電機組組成，這些發電機由天 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 公 司 的 鉆 機，利用 Caterpillar 公司的混 合 動 力 鉆 機 設 備， 展 示 了 其 成 本 節 省）。
 
（ 文 獻 作 者：Josh Morrison, Caterpillar 石油和 天然氣公司；2021 年 3 月發布于 世界石油網站，Josh Morrison 是 Caterpillar 公司陸上與海上 鉆井產品定義經理，在該公司工 作了 9 年，擁有豐富的工程、運營、 產品開發和市場營銷經驗。） Caterpillar 公 司 的 工 程 師 們正在展示 2019 年 4 月開始使 用的混合動力設備取得的成本節 省。與一個未配備儲能設備和人 工控制的柴油發電機供電的系統 進行了效果對比。 Caterpillar 公 司 的 儲 能 系 統是完全集成的、自動化和優化 的系統，可為鉆機高效提供電能。
 
該系統的關鍵組件包括一個智能 發電機管理系統、雙向電源逆變 器，以及一個 Cat 微電網主控制 器 MMC（Microgrid Master Controller），能在發電機組和 儲能設備之間無縫操作。 該 公 司 正 采 用 Caterpillar 內部已開發的技術（儲能 / 微電 網系統），并將其引入一項不同 的應用，一部堅固耐用的集裝箱 化的設備，適合鉆井現場的嚴苛 要求。所開發的設備需要燃燒更 多天然氣，而非柴油燃料。這是 陸上鉆井市場過去幾年出現的一 個轉變。
 
成套設備裝在一個 6.1m 的ISO標 準 的 集 裝 箱 內， 最 大 限 度 地 減 少 了 鉆 井 平 臺 的 占 地。G3512 型 發 電 機 組 也 可 提 供 改 裝 選 項。
 
 Caterpillar 公司鉆井客戶經理 Christopher Berrie 說：“ 從 底部面積來看，G3512 發電機組 底部輪廓小于柴油發電機組幾英 寸。這對我們的客戶來說是一個 巨大優勢，因為替代設備更大、 更重，需要對鉆機進行重新設計。 G3512 燃氣發電機組很容易適應 鉆機現有的占地”。
 
天然氣發電機組符合美國環 保署 EPA 非公路移動設備的排 放標準，發電機組與一個連接到 600-V 變壓器隔間的鋰離子儲能 系統配對。該組設備集成的控制 系統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 現場操作人員干預就可完成電源 的切換和規定的動作。 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。電力轉換系統提 供電網同步和形成功能。同時， Cat 微電網主控器在儲能系統和 發電機組之間分配負載，以優化系統性能、使用壽命和成本效益。
 
瞬態負載管理
 
由于鉆井作業的應用要求很 高，客戶需要柴油動力系統提供 的性能響應非常靈敏，而且還要 反應迅速。通過儲能系統，燃氣 發電機引擎可通過快速浪涌響應 不斷變化的要求來實現可比或類 似的瞬態性能。 在 懷 俄 明 州，Ensign 能 源 服務公司鉆機 147 采用電池儲能 系統解決了這一難題，使發電機 和電池能協同工作。當發電機轉 速爬升時，電池可快速拾取能量 載荷。隨著發電機持續提速運轉， 儲能系統會降低功率，鉆機可順 利進行功率傳輸。儲能系統能使 發電機在更高負載（標稱額定容 量的 70% 到 80%）情況下運行， 同時還可使用更少的發電機來處 理瞬態負載。
 
因此，如果出現一個快速的 負載峰值，電池會拾取這個峰值 功率，而不是發電機引擎來承受。 發電機引擎會繼續以輕松的負載 穩定運行，因為電池承擔了運行 鉆機所需的那部分高瞬態負載。 Ensign 能源服務公司運營 經 理 Nick Schaneman 表 示： “我認為，該系統可通過燃氣發 電降低排放、降低燃油消耗和燃 料成本，以及提高天然氣發電機 的性能來解決鉆井隊目前面臨的 幾個問題。在 Ensign 能源服務 公司，我們為我們自己能成為該 領域技術創新的領導者而感到驕 傲 和 自 豪。 我 們 非 常 高 興 能 與 Caterpillar 公 司 合 作， 在 這 個 項目上推動行業向前發展”。見 圖 2（Caterpillar 和 Ensign 能 源服務公司的工程師們與鉆井現 場的工作人員一直在進行合作， 以驗證下一代鉆井設備）。
 
多重優勢
 
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， 混合動力設備的優勢有很多，包 括： ·減少溫室氣體排放 ·降低了燃油消耗 ·減少了氣體燃燒 ·提高了動力質量 ·增加了設備正常運行時間 ·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 成可用的現場天然氣來大幅降低 燃 料 成 本，14 天 里 節 省 了 大 約 28000 加侖的柴油燃料。使用現 場天然氣，混合動力鉆機每年總 計可節省 140 萬美的燃料費用。 這個數字還不算柴油卡車向井場 運送燃料的費用，加起來可節省 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，遵守嚴 格的排放標準，混合動力系統可 在一定程度上幫助解決這個問題。 儲能系統可通過提供顯著的減排 效果來幫助應對這些內部目標和 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） 排放總量相比標準柴油動力系統 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。 如果該系統利用收集到的火 炬氣來發電，這樣一來生命周期 內的溫室氣體排放則會進一步減 少。發電機組燃氣發電可使用的 氣體種類很多，包括收集現場的 天然氣，這樣做可以顯著減少鉆 井作業期間燃燒的井產天然氣的 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 處理火炬氣的行業領軍者）合作， 為客戶提供利用 GTUIT 公司移 動氣體處理系統的全套設備。
 
通 常，準備燃燒的現場氣體會被收 集起來，然后被處理用于陸上鉆 井作業。 采用混合儲能系統來實現設 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。當一臺發電 機在正常運轉過程中因燃料供應 問題出現意外停機時，鉆機可用 儲能系統提供的電力繼續不間斷 地作業。自動控制系統啟動一臺 發電機，讓另一臺設備聯機。在 極少的情況下，當鉆機的總功率 需求暫時超過所有三臺 G3512 發 電機組額定功率之和時，儲能系 統可滿足超額電力的供電需求。
 
精益燃燒的燃氣發電機可進 一步降低設備運轉時燃氣消耗的 底線，提供長期可持續的效率。 與使用手動控制的電力系統相比，集成的自動化技術使發電機引擎 在 14 天里運轉的小時數減少了 24%。 在更高負載環境下運行更少 的發電機則是更高效和更具經濟 效益的。新技術消除了關于在給 定時間內需要多少臺發電機在線 運行的爭論，由于系統的工作流 程進行了自動化處理，從而優化 了設備運行過程中的性能和績效， 也降低了運營成本。運轉時間的 縮短還意味著燃氣發電機組所需 維護的次數也相應得到了減少。
 
混合系統的設備組件易于與 現有的鉆機和未來的新型鉆機集 成于一體。此外，儲能設備在不 同環境和海拔狀況下表現出了卓 越的性能；懷俄明州的鉆機現場 海拔 2134m，溫度變化還很大。 總而言之，集天然氣、雙燃 料、或柴油技術于一體的儲能設 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 放法規來重塑陸上鉆井作業。這 種混合動力系統大大降低了鉆井 承包商和運營商投入的總成本， 經濟效益十分顯著。