【节能低碳】质的跨越！井场低碳技术由概念变为现实

一、油气行业不断开发新方法来减少排放，涉及领域包括发动机、钻井废料、液压环线等。

油气行业已经充分意识到拥抱低碳未来的必要性。近年来，随着愈发紧迫地推动净零排放，行业已经不再局限于讨论可持续解决方案的必要性，而是转向提供有效技术，以减少或消除钻井作业中的有害排放。

COSL欧洲钻井公司首席执行官Frank Tollefsen说：“我们行业的每个人都认识到，我们需要尽可能地可持续运营，但监管机构、投资者和公众的关注度越来越高，压力也越来越大。这点还在不断增长，如果我们想成为能源结构的一部分，它只会强调提供可持续解决方案的重要性。”

目前，许多低碳技术侧重于减少范围1的排放，即公司拥有和控制的资源的直接排放。发动机管理系统是该领域研发的主要重点。最近许多钻井承包商推出了新型系统，通过减少钻机上的现役发动机数量来提高燃油效率。此外，市场上的新技术侧重于最大限度地减少钻井作业期间外部排放源的影响，如液压环形管线或岩屑废物的运输与处理。

无论采用何种系统，钻井承包商与设备制造商的首要任务是获得客户的支持，以大规模采用新技术，这对于接受新技术较慢的油气行业来说是困难重重的。只有在现场展示出这些新技术的价值，才能让油气公司欣然接纳它们。

Valaris高级副总裁兼首席运营官Gilles Luca说：“我们必须在作业中确立这些解决方案的可靠性，这样才能获得更多的认可。需要采取保守的方法，包括吸引钻井人员和作业人员，向他们展示这些解决方案的易用性与工程基础。要推动这一进程，最好是缓慢但稳妥地前进，并利用这些技术建立成功的作业记录，这样人们就会有信心和意愿使用它们。”

二、 能源控制系统

2020年，COSL欧洲钻井公司启动了其能源控制项目，旨在为挪威北海作业的钻井平台节省能源。该项目主要致力于减少COSL的钻机发动机与发电机的燃料使用，进而减少温室气体（GHG）排放。

▲COSL的钻井能源控制系统可在仪表板上显示燃料消耗与排放数据。由于连接至钻井平台的控制系统，该软件可根据自己的建议自动采取行动，无需钻井人员的任何输入，用户也可以拒绝执行该系统的建议。目前，该系统已部署于COSL服役于北海的所有三个钻井平台上。

该能源控制项目的主要成果是能源控制系统——一个自动化的软件程序，用于监控规定运行期间的功耗。能源控制系统可向用户建议可能需要最小功耗的行动方案，估计所需的千瓦数、所需的燃料量以及相应的二氧化碳和氮氧化物排放量。这些评估结果都会显示在仪表板上，用户可在任何地方访问这些信息。

    欧洲钻井公司信息通讯和培训经理Torfinn Kalstø表示，该能源控制系统的监测与咨询能力提供了必要的分析，可帮助钻机实现效率最大化。他说：“我们希望发电机能最高效地发电。这一切都是为了保持获得高性能的同时降低功耗。”

2020年，COSL钻井公司在北海的两艘半潜式平台上安装了该能源控制系统，分别是在Troll油田为挪威国家石油公司工作的COSL进取号钻井平台和为Chrysaor工作的COSL创新号钻井平台。这两部钻机均由六台柴油发电机供电，最大功率为4800KW。这些发电机以前在钻井作业期间连续运行，但安装前的分析表明，这些发电机很少满负荷运行。

通过应用该能源控制软件，COSL钻井公司发现，在作业期间，平均可关闭6台柴油发动机中的4台。同时发现，这些钻井平台的燃料消耗显著下降。

安装之前，在Posmoor/ATA模式（钻机运行推进器辅助系泊控制系统）下，钻机平均每天消耗27吨燃料，在全DP3模式下，平均每天消耗29吨燃料。安装该系统后，在Posmoor/ATA模式下，COSL钻井公司的平均日消耗燃料为14吨，在DP3模式下为20吨。根据不同作业，该公司报告的燃料消耗低至7.6吨/天。自安装以来，两个钻井平台的二氧化碳和氮氧化物排放量也下降了约50%。

2021年12月，COSL钻井公司还在先锋号钻井平台上安装了该系统，该平台正在英国大陆架作业。在安装后的三个月内，该半潜式钻井平台比前三个月节省了904吨燃料。这相当于减排了约2.85吨二氧化碳。

目前，该能源控制系统已应用于COSL在北海的所有三个钻井平台上。2022年3月，COSL先锋号与伊萨卡能源公司签订了一份新合同，预计合同将持续到2024年第二季度。进取号将为挪威国家石油公司服务到2024年第一季度，而创新号将于2022年4月开始与中海油欧洲公司履行新合同。

Tollefsen表示，虽然该能源控制系统是为COSL北海钻井平台而开发，但该公司也在寻求扩大在其他地区的应用。

三、引擎管理

Valaris公司正在寻求将新型电源管理系统作为其技术组合中的低碳产品。2021年10月，VALARIS DS-12钻井船成为全球第一艘安装ABS Notation EHS-E新型电气系统的船舶。Valaris对钻机的电气系统进行了升级，以确保安全性，并提高了电力系统的冗余性与可靠性。改进后的系统使钻机可在运行2台发电机的情况下安全作业，从而减少排放。

▲去年10月，VALARIS DS-12钻井船成为全球第一艘安装ABS Notation EHS-E新型电气系统的船舶。Valaris升级了钻机的电气系统，使其能够在只运行2台发电机的情况下安全作业。

在2021年第四季度与2022年第一季度，VALARIS DS-12为安哥拉的一家大型作业公司工作，在2022年剩余时间为毛里塔尼亚和塞内加尔的海上作业公司工作。升级前该钻井船至少需要同时运行3台发电机，在安哥拉作业期间，与升级前相比，降低了5%的燃料消耗，减少了约600吨的二氧化碳排放。Luca指出，安哥拉海上环境温和，正是这项新技术的理想试验场。

该公司希望未来在其更多的浮式平台上安装这种新型电源管理系统，但进一步的部署也将取决于客户的需求。Luca说：“让钻井平台停运一段时间，来安装这套系统是一项投资，所以我们希望找到合适的合作伙伴，他们愿意投资升级钻井平台，从而使他们的作业更节能。”

引擎优化系统是Valaris减少温室气体排放的一种解决方案。为了全面了解与跟踪这些排放，该公司利用监测程序Valaris智能平台（VIP），可以汇总和显示其船队中每台被监测钻机的燃料消耗与温室气体排放。

该项目有助于根据钻机和发动机类型，建立燃料消耗与排放的基准，从而帮助公司量化其选择的各种解决方案对整个船队的影响。

VIP系统在监测关键钻井设备的同时，还可实时监测油耗、二氧化碳、氮氧化合物与硫氧化物的排放情况。了解钻机现场的功率需求，并与钻机发电设备的可用功率进行比较，技术团队能够在任何特定时间，根据作业条件，优化两者之间的差距。

目前，超过一半的现役Valaris钻机已使用VIP系统，并将在年底前部署到剩余的现役钻机上。

Luca说：“VIP真正的目的是将系统数据整合到聚合模块与分析解决方案中，从而告知我们钻机的运行情况。这使我们能够更好地监控我们的系统和发电设备。利用该系统，我们可以实时可视化特定发动机的负载，优化发动机负载，优化燃料，并确定我们可减少排放的方法。”

除了VIP系统与新型动力管理系统外，Valaris公司还在4艘钻井船和Valaris 123自升式钻井平台上安装了选择性催化还原（SCR）系统。SCR是一种排放控制技术，可过滤掉发动机排气系统中的某些潜在有害元素。向废气中加入添加剂，引发化学反应，将氮氧化物转化为氮气、水和少量的二氧化碳。虽然目前还没有四艘钻井船的氮氧化物的排放数据，但Valaris报告称，自安装SCR以来，Valaris 123自升式平台的氮氧化物排放量减少了90%。

Luca最后说：“SCR系统正在为我们完成减排工作。就去除氮氧化物副产品而言，这是一套非常有效的系统。该排气系统减少了90%排放量是无可争辩的成绩。”

四、 人工智能系统

2021年12月，Nabors公司推出了Nabors能源转型解决方案（NETS），这是一套以提高能源效率、降低燃料消耗、降低排放为目的的技术组合。该产品组合的核心是SmartPOWER引擎管理咨询与控制软件。该咨询系统可部署于Nabors公司和第三方的钻机，将AI算法应用于实时钻井数据，就钻井作业中特定任务的最佳发动机数量，向钻井人员提供建议。SmartPOWER控制系统则会根据这些建议自动启动、停止各台钻机发动机。

▲Nabors公司SmartPOWER咨询系统整合了多个数据源的数据，包括发动机内部冷却液温度和滤清器状态，向钻井人员提供钻机运行特定作业所需的最佳发动机数量的建议。

Nabors子公司Canrig钻井技术公司的产品总监James Hall表示，该软件的独特之处在于，它能够将众多外部因素纳入其咨询机制。SmartPOWER专注于利用电子钻井记录仪（EDR）接收到的真实钻井数据，并使用独有的人工智能技术，为当前和后续钻井作业推荐最佳数量的发动机与发电机。

除了钻井实时数据外，该系统中还有一个单独模块，可以记录发动机内的冷却液温度、机油和滤清器状况，以进一步优化决策。该系统还考虑了发动机的使用寿命与最大能力。

Hall说：“我们的系统会评估发动机状况与其他因素，以确定哪些发动机的能力最大，知道要运行哪些发动机与知道要运行多少发动机一样重要。” 

2022年第一季度，该咨询系统在Nabors公司的钻机上进行了现场测试。结果表明，在某些应用中，与运行所有可用发动机期间的平均燃料消耗基准相比，实际情况与内部模型一致，柴油消耗量减少了20%，二氧化碳排放量也相应减少，而且发电机无需手动干预。

2022年第二季度，Nabors公司计划推出一款超级电容储能系统Canrig PowerFLOW。PowerFLOW的功能与其他储能系统类似，它使用超级电容器为起下钻和其他作业期间的用电峰值提供即时电力，最大限度地提高绞车制动期间的能量捕获，并减少对高于基本负载的柴油发电的需求。

▲Canrig PowerFLOW系统于2022年第二季度投入使用，该系统使用超级电容器存储电力，并立即将电力分配给钻机的发动机，以减少起下钻作业期间的负载峰值。

超级电容器与电池储能之间的区别在于，超级电容器能够近乎瞬时存储所提供的电力，并能快速给系统供电。PowerFLOW的充放电速率（C值）在25至50C之间，这意味着它可以短短一分钟内提供3500安培的功率，该系统可支持9.5分钟的1000安培放电。电池储能系统的C值通常在3到5C之间，这意味着它在最大容量下放电1500安培，可最长持续12分钟。

更高的C值意味着系统能够以更快的速度向钻机系统提供更高功率，这对于高功率需求的任务很有价值。这也意味着该系统可以更快地充电，根据钻井作业的不同，充电时间在1至6秒之间。由于PowerFLOW的快速充电特性，该系统能够从“免费”再生电源中完全充电，而不是从发电机中获取电能。这一功能使用户更容易维持调峰，避免可能导致柴油使用量增加以及随后排放量增加的电力需求高峰。

当将SmartPOWER与PowerFLOW结合使用时，附加功能是可将超级电容器的电力推送到交流母线。可以监测交流母线频率，当交流母线上觉察到较大的交流或直流负载时，如果频率下降，PowerFLOW可将交流电压注入交流母线。这可以确保发电机保持恒定的负载，因此，在任何作业过程中都不会发生发动机喘振。

Hall最后说：“想象有一套系统，您可以充满电并快速放电。这就是超级电容器的价值所在。通过使用这些超级电容器，你可以监测与控制放电速率。对于我们的钻井作业而言，能源存储并不是在移除其他动力源后，为钻机提供动力，这是为了让你能够更高效地发电。若你正使用超级电容器来补充发电，即使有这些高需求峰值，也可在恒定负载下运行发动机。”

四、 杜绝岩屑废物运输

国民油井推出的低碳技术旨在减少或彻底消除钻井作业中的废弃物工作。该公司关注的领域是石油钻井废弃物的处理。2021年，该公司推出了iNOVaTHERM便携式处理装置，允许作业公司在钻井平台上处理和处置钻井废弃物，而不是传统的将废弃物运到岸上再进行处理和处置，从而消除了钻井作业中的一个显著排放源。

▲国民油井的iNOVaTHERM是一种便携式设备，用于处理钻井平台上的钻井废弃物，自2021年1月投入商业运营以来，已在北海进行了四次钻井作业。

该系统的工作原理是将岩屑送入进料斗，然后再转移到热交换器模块进行处理。在热交换器模块内部，岩屑与加热的内表面保持恒定接触，以确保获得一致的废物分离结果。冷凝模块可回收较重的油相，然后将其返回泥浆系统。冷凝模块内的蒸汽冷凝被输送到水处理模块，水处理模块可回收较轻的油相。最后将回收的水从钻机中排出。

iNOVaTHERM系统摒弃了传统摩擦加热废物处理系统中的驱动模块，电力直接进入高效热交换器。国民油井东半球高级销售总监Gordon Duthie表示，由于钻机不需要为常规的摩擦变速箱、转子和破碎锤提供动力，因此该功能减少了占地面积，有助于节约钻机的电力与排放。

最显著的减排来源于取消了通常用于将岩屑废物从钻井现场运输到岸上的供应船，以及将岩屑废物从船上运输到岸上处理设施所需的卡车。

Duthie说：“无论是陆地还是海上，在源头进行处理确实解决了偏远地区作业带来的诸多后勤难题。所有传统的废物处理方法都需要使用补给船到钻井平台，取回装满岩屑的容器。从减少碳足迹的角度来看，该系统消除了所有这些作业的必要性，并且也消除了陆地处理和处置的必要性。”

国民油井的项目数据证明，在钻井现场使用该系统可以减少排放。在该项目中，通过现场处理钻井废弃物，可以减少大量的排放，每次钻井作业可减排280,264千克二氧化碳。总的来说，传统方法会产生319,063公斤的二氧化碳排放与4720公斤的氮氧化物排放。使用iNOVaTHERM系统后，这一数字下降到186,436公斤二氧化碳与3,107公斤氮氧化物。

Duthie说：“这些数据表明，在海上处理钻井废弃物有助于实现客户承诺的减排目标。一旦我们开始取消补给船和其他陆上处理物流，将会大幅节省成本，并保护环境。”

2021年1月，该技术在英国北海海域进行了商业化应用，此前在位于阿伯丁的国民油井热处理厂进行了18个月的开发与测试。此后，两大油气公司在北海的四次钻探作业中都使用了该技术。第四次作业始于2022年4月。

五、 提高液压泵效率

钻机上另一个不稳定的耗电装置是液压环线。这些管线为钻机上的多台液压设备供液，包括铁钻工、套管动力吊钳、垂直立柱排管器以及猫道机。环线系统中的流量与压力通常设置为能够满足这些设备同时运行的水平。

国民油井装卸工具产品经理Richard Verhoef将驱动环线系统的液压泵与发电机组进行了比较。为了应对高峰使用时潜在的液压需求，在很大程度上，泵的运行数量超出了实际需要。一天24小时的闲置液压泵会消耗大量的电力与燃料，并持续排放二氧化碳和氮氧化物。然而，当液压泵启动时，该泵需要能够快速应对流量需求的突然增加。运行中的其他液压设备也会受到这种压降的影响。

▲国民油井的Eco Booster系统拥有一个蓄能器滑橇，如上图所示。它可将动力储存并分配给为钻机环线系统提供动力的液压泵，从而减少高峰需求期间的电力消耗。

为了帮助作业者更有效地使用液压泵，从而减少电力消耗和排放，国民油井去年推出了Eco Booster系统。该系统是一套液压储能系统，通过在需求低时存储液压动力，在需求高时释放液压动力，以优化液压环线性能。当需要额外流量时，该技术可从蓄能器转移液压能量，从而限制启动额外液压泵的需要。

Verhoef说：“该系统基本上避免了这种压降。Eco Booster提供的是短期峰值液压动力，而不是让增加泵的转速，以提高系统中的压力。您可减少正在运行的电机与泵的数量，而不是让所有泵一直运行。这就是节省用电的原因，也是减少排放的原因。”

该技术由四个充氮蓄能器组成的蓄能器滑橇、增压滑橇和自动控制系统组成。当环线流量消耗较低时，蓄能器由增压装置充能。

充能期间，蓄能器可满足流量需求与设备要求，即使这些要求超出了环线泵的能力。蓄能器还可在液压设备负载较轻的时候存储电力（这一过程称为平衡负载），从而更优化地使用液压泵。Eco Booster还可抑制功率需求突增引起的变化，为环线提供瞬时流量和压力。

国民油井根据历史用电数据，估算了Eco Booster的节能效果。一台钻机通常每天24小时运行6台液压泵，每台泵每天消耗55千瓦的电力。每台泵的平均燃料消耗为0.2875升/千瓦，国民油井计算出，钻机上燃烧每升燃料，会排放3.23千克的二氧化碳和4.2 克的氮氧化物。

安装Eco Booster系统后，钻机有可能在65%的作业时间内仅运行四台发电机。这意味着每年可以节省180,072升燃料。就排放而言，每年节省的燃料将每年减排581吨二氧化碳和756公斤氮氧化物。

一些国家已经对二氧化碳与氮氧化物排放征税，导致这些地区钻井平台的作业成本更高。Verhoef先生指出，即使该系统应用于不征收排放税的地区，作业公司在几年内也可赚回安装成本。他说：“如果每年节省数万美元的燃料成本，那么该系统对客户来说是一笔相对较小的投资，而且投资回报率很高。不使用的泵越多，节省的成本就越高，液压系统越稳定，排放量也就越少。”

自2021年投入商业应用以来，Eco Booster系统已安装在北海一家大型作业公司的钻机上。Verhoef先生表示，国民油井已承诺，今年晚些时候将该系统安装于不同作业公司的4台钻机。