Un nouveau paradigme de puissance pour les opérations de forage

L'industrie pétrolière et gazière est depuis longtemps associée à des émissions élevées et à une consommation de carburant lourde, mais une révolution silencieuse est en cours sur les sites de forage à travers le monde. Les plates-formes de forage hybrides, qui combinent le diesel ou le gaz naturel classique et les sources d'énergie renouvelables comme l'énergie solaire, l'énergie éolienne et le stockage de batteries, prouvent que la responsabilité environnementale et l'efficacité opérationnelle peuvent coexister.

Selon l'Agence internationale de l'énergie (IEA Global Energy Review[), le secteur de l'énergie représente environ les trois quarts des émissions mondiales de gaz à effet de serre. Les plates-formes de forage, en particulier celles qui fonctionnent dans des environnements éloignés ou en mer, ont toujours compté sur des générateurs diesel fonctionnant en continu, souvent à une charge partielle, ce qui est très inefficace.

Qu'est-ce que les gréements de forage hybrides?

Un système de forage hybride n'est pas une seule machine mais un système intégré qui combine au moins deux sources d'énergie distinctes, généralement un moteur à moteur diesel ou à gaz naturel à combustible fossile et une ou plusieurs technologies renouvelables ou de stockage d'énergie. L'idée principale est d'utiliser la source d'énergie la plus appropriée pour chaque phase de forage et d'exploitation auxiliaire. Par exemple, alors que le forage réel peut exiger un couple élevé et soutenu le mieux fourni par un moteur diesel, d'autres activités comme l'éclairage, le CVC et la manutention des tuyaux peuvent puiser dans des batteries ou des réseaux solaires qui ont été chargés pendant les périodes de faible demande.

Composantes clés d'un système hybride

  • Moteur diesel ou bicarburant:[ Fournit une puissance de référence de sortie et de redondance élevée. Les moteurs modernes peuvent fonctionner au gaz naturel ou un mélange pour réduire davantage les émissions.
  • Système de stockage d'énergie de batterie (BESS):[ Généralement des batteries au lithium-ion ou à flux qui stockent l'énergie du freinage régénératif (p. ex. pendant les opérations de trébuchage) ou de sources renouvelables.
  • Plaques solaires photovoltaïques:[ Déployées sur des ponts de plate-forme, des terrains voisins, ou même intégrées dans la structure de la plate-forme.
  • Turbines à vent:[ Les éoliennes à petite échelle à axe vertical peuvent être montées sur le gréement ou les plates-formes adjacentes. Bien que non une source primaire, elles contribuent à la charge diurne et réduisent le temps de fonctionnement du diesel.
  • Système de gestion de l'énergie (SGE):[ Un contrôleur intelligent qui prévoit la demande de charge, gère les cycles de charge/décharge de batterie et décide quand activer le moteur. Le SGE est le cerveau du système hybride.

La plupart des plates-formes hybrides sont configurées comme des hybrides series[ (moteur qui fait fonctionner un générateur qui charge les batteries; moteurs électriques qui conduisent les drawworks et les pompes) ou hybrides parallèles (moteur et batteries peuvent fournir une puissance mécanique à la transmission).L'architecture de série est plus courante dans les conceptions plus récentes car elle permet au moteur de fonctionner à une vitesse constante et optimisée.

Les technologies de base conduisant à des fours hybrides

Stockage avancé de batteries

Les batteries ont connu une maturité rapide au cours de la dernière décennie.Les packs de lithium-ion conçus pour le stockage stationnaire offrent maintenant des densités d'énergie de 200 à 250 Wh/kg et une durée de vie de cycle supérieure à 5 000 cycles à décharge profonde.Des fabricants tels que Siemens Energy ont développé des conteneurs modulaires pouvant être empilés sur des plates-formes, offrant entre 500 kWh et 3 MWh de capacité, suffisamment pour répondre aux besoins de pointe en matière de rasage et de réserve de filage.

Panneaux solaires à haute efficacité

Les panneaux monocristallins PERC (Attractions passives et Cellules Arrière) permettent désormais d'atteindre des rendements supérieurs à 22 %, et les panneaux bifaciaux qui captent la lumière des deux côtés peuvent augmenter le rendement énergétique de 10 à 15 %. Pour un appareil terrestre typique, un réseau solaire de 500 kW (occupant environ 2 500 m2) peut fournir jusqu'à 40 % des besoins d'énergie auxiliaire pendant les heures de lumière du jour dans des endroits comme le bassin de Permian ou le Moyen-Orient.

Systèmes intelligents de gestion de l'énergie (SME)

Les systèmes modernes utilisent l'apprentissage automatique pour analyser les données historiques de charge, les prévisions météorologiques et l'état de santé de la batterie afin de créer un programme d'expédition de puissance en temps réel. Par exemple, si l'EMS prévoit une période calme avec une activité de forage faible (comme pendant un changement de petit), il commande au moteur de s'arrêter et de compter uniquement sur les batteries et les énergies renouvelables. Lorsque les drawworks appellent une puissance maximale, l'EMS mélange la puissance du moteur avec un boost de batterie pour répondre à la demande instantanément.

Avantages de la combinaison des énergies classiques et renouvelables

Les avantages des plates-formes de forage hybrides s'étendent sur les dimensions environnementale, économique et opérationnelle.

Réduction des émissions et réduction de l'empreinte carbone

Les essais sur le terrain publiés par International Petroleum Industry Environmental Conservation Association (IPIECA) indiquent que les plates-formes hybrides peuvent réduire les émissions de CO[2 de 25 à 40 % par rapport aux plates-formes diesel équivalentes. Lorsque des moteurs bicarburant (diesel + gaz naturel) sont utilisés, la réduction peut dépasser 50 %.

Économies de coûts opérationnelles

Dans les régions éloignées, la logistique du carburant peut ajouter 50 à 100 % au prix de la pompe. En réduisant la consommation de diesel de 20 à 30 %, une plate-forme hybride peut économiser des centaines de milliers de dollars par puits. De plus, la réduction du temps d'exécution du moteur réduit les coûts d'entretien, soit des intervalles plus longs entre les changements d'huile, les remplacements de filtres et les révisions de moteurs.

Fiabilité et qualité de l'énergie accrues

Les plates-formes hybrides offrent une tension et une fréquence plus stables car la banque de batteries peut compenser instantanément les fluctuations de charge.Cette amélioration de la qualité de l'alimentation protège les équipements électroniques sensibles, tels que les commandes de conduite et la télémétrie par abaissement, des pics et des glissières de tension, réduisant ainsi les temps d'arrêt imprévus.

Amélioration de la sécurité et réduction du bruit

L'utilisation de batteries électriques pendant les phases de faible puissance (p. ex. la nuit ou pendant les inspections d'équipement) réduit considérablement le niveau de bruit sur le plancher de la plate-forme, améliorant la communication et la sécurité des travailleurs. L'élimination des moteurs diesel au ralenti réduit également l'exposition à la chaleur et réduit le risque d'inhalation de gaz d'échappement diesel.

Conformité réglementaire et rendement de l'ESG

Les opérateurs de plates-formes hybrides aident les opérateurs à démontrer des progrès mesurables vers des objectifs de réduction des émissions. Plusieurs opérateurs européens, dont Equinor et Shell, ont pris l'engagement public de ne déployer que des plates-formes de forage hybrides ou électriques dans leurs nouveaux projets d'ici 2030.

Applications et études de cas dans le monde réel

Rigs terrestres dans le bassin permien

En 2021, Nabors Industries s'est associée à Nabors pour déployer une plate-forme hybride dans le bassin de Permian. La plate-forme a intégré une batterie au lithium-ion de 1 MWh avec un moteur diesel de 1 800 chevaux. Pendant l'essai, le système hybride a réduit la consommation de carburant de 22 % et réduit les émissions de CO[2 de 600 tonnes sur une période de six mois. La batterie a géré toutes les charges auxiliaires pendant les opérations de trébuchage, et le moteur n'a fonctionné que pendant le forage réel.

Opérations offshore : Le Découvreur Maersk

Les plates-formes offshore présentent un défi plus difficile en raison des contraintes spatiales et des environnements marins difficiles. Cependant, Maersk Foring (maintenant partie de Noble Corporation) a converti le vaisseau de forage ultra-deepwater Maersk Discoverer en une configuration hybride. Le navire a complété six générateurs diesel avec un système de batterie de 1,5 MWh. La batterie fournit une réserve de rotation, permettant aux générateurs de fonctionner à une charge optimale plutôt qu'au ralenti. Maersk a signalé une réduction de 15% de la consommation de carburant et une diminution proportionnelle des émissions de NOx et de SOx.

Sands pétroliers canadiens : hybride solaire + diesel

Bien que la production solaire dans les latitudes nordiques soit plus faible en hiver, le système utilise un réseau de 500 kW sur un site défriché à proximité, jumelé à une batterie de 2 MWh. L'installation hybride élimine le besoin d'un générateur dédié pour l'alimentation en camp, ce qui permet d'économiser 80 000 litres de diesel par mois. La plateforme EMS a été programmée pour maximiser l'utilisation du solaire pendant les quelques heures de la journée, et charge la batterie pour utilisation en soirée.

Défis et limites

Malgré leur promesse, les plates-formes de forage hybrides ne sont pas encore une solution de branchement pour chaque scénario. Les défis suivants doivent être relevés pour une adoption généralisée.

Investissement initial élevé en capital

La remise en état d'une plate-forme existante avec stockage de batteries, panneaux solaires et EMS peut coûter entre 2 et 8 millions de dollars, selon l'échelle. Les plates-formes hybrides Newbuild commandent une prime de 10 à 20 % par rapport aux plates-formes conventionnelles. Pour les petits entrepreneurs de forage avec des marges minces, ce coût initial constitue un obstacle important, même si les périodes de récupération sont de 3 à 5 ans.

Complexité technologique et formation des équipages

Les systèmes hybrides nécessitent un logiciel de contrôle sophistiqué et des techniciens qualifiés pour l'entretien.De nombreux équipages de plate-forme sont habitués à des générateurs diesel simples et peuvent ne pas être familiers avec les protocoles de gestion de batterie, le dépannage des onduleurs ou le diagnostic EMS.

Contraintes de poids et d'espace

Les batteries sont lourdes. Un pack de batteries lithium-ion de 1 MWh pèse environ 8-10 tonnes, et les réseaux solaires nécessitent un pont ou une surface terrestre adjacente. Sur un terrain mobile, les limites de poids sur le transport par camion et l'espace sur le plancher de la plate-forme sont des facteurs limitants. Les plates-formes offshore font face à des restrictions encore plus strictes de poids et d'empreinte.

Dépendance par rapport au temps et à l'emplacement

Les sorties solaires et éoliennes sont variables. Dans les régions nuageuses ou à des latitudes élevées, la contribution des énergies renouvelables peut être faible. Le stockage des batteries peut compenser les fluctuations à court terme, mais de longues périodes de faible production d'énergie renouvelable nécessitent encore le fonctionnement du moteur diesel. La valeur économique du système hybride est donc fortement dépendante de l'irradiation solaire locale, des modèles d'éoliennes et des prix du diesel.

Les obstacles réglementaires et les lacunes en matière d'incitation

Certains pays ne disposent pas de réglementations claires pour les systèmes hybrides raccordés au réseau dans les opérations de forage. Les processus d'autorisation des réseaux solaires ou des installations de batteries sur place peuvent être lents. De plus, les crédits carbone ou les incitations fiscales à la réduction des émissions ne sont pas encore normalisés dans de nombreuses régions productrices de pétrole.

Perspectives d'avenir: Élargir et réduire les coûts

La trajectoire des plates-formes de forage hybrides est encourageante. Plusieurs tendances accéléreront l'adoption dans les années à venir.

Pertes de la batterie et des coûts solaires

BloombergNEF (Bloomberg New Energy Finance) prévoit que les prix des batteries lithium-ion chuteront en dessous de 100 $/kWh d'ici 2024, soit une réduction de 80 % par rapport aux niveaux de 2010.

Alternatives à double combustible et à hydrogène

De nombreux futurs appareils hybrides remplaceront le diesel pur par des moteurs bicarburant qui peuvent brûler du gaz naturel par un petit pilote diesel, produisant des émissions de SOx proches de zéro et moins de CO2. Par ailleurs, les piles à hydrogène apparaissent comme une option à émissions nulles pour l'énergie auxiliaire. Des projets pilotes utilisant du carburant à mélange d'hydrogène ou des générateurs d'hydrogène spécialisés sont en cours en mer du Nord.

Électrification du matériel de forage

Les fabricants développent des moteurs à haut rendement entièrement électriques, des pompes à boue et des installations de traction fonctionnant en courant continu à moyenne tension. Combinés à de grandes batteries et à un seul générateur alimenté au gaz naturel, ces systèmes pourraient éliminer plusieurs moteurs diesel, réduisant encore les émissions et la complexité.

Jumelles numériques et optimisation prédictive

Les modèles numériques avancés peuvent simuler l'ensemble du système d'alimentation de la plate-forme selon divers scénarios de forage, permettant aux ingénieurs d'optimiser le calibrage de la batterie, l'expédition des générateurs et l'intégration des énergies renouvelables avant construction.

Mandats et pressions exercées par les GES

Les grandes compagnies pétrolières et gazières fixent des objectifs nets de zéro pour leurs propres opérations d'ici 2030-2050. Pour atteindre ces objectifs, elles doivent décarboner leurs flottes de forage. Selon les rapports de l'AIE, l'industrie pétrolière et gazière devra réduire ses émissions opérationnelles de 50 % d'ici 2030 pour s'aligner sur l'Accord de Paris. Les plates-formes hybrides offrent l'un des moyens les plus rapides et les plus rentables de réaliser des réductions à court terme, en particulier lorsqu'elles sont associées à des connexions réseau dans des bassins électrifiés.

Conclusion

Les plates-formes de forage hybrides qui combinent le diesel classique ou l'énergie au gaz naturel avec les énergies renouvelables et le stockage de batteries représentent une étape pragmatique et puissante vers un avenir moins éjectable pour l'industrie pétrolière et gazière. Elles offrent des avantages immédiats : des coûts réduits du carburant, une maintenance réduite, une meilleure fiabilité de l'énergie et une empreinte environnementale plus faible.

Dans la prochaine décennie, les plates-formes hybrides deviendront probablement la norme pour les nouveaux bâtiments et les rénovations majeures, en particulier dans les régions à ressources renouvelables fortes ou à des règles d'émission strictes. La technologie n'est pas une panacée — éventuellement une électrification complète avec des réseaux renouvelables ou de l'hydrogène peut la remplacer — mais pour l'avenir immédiat, le mélange de combustibles fossiles éprouvés et de technologies renouvelables offre la voie la plus réaliste pour décarboniser les opérations de forage tout en maintenant la sécurité énergétique dont dépendent les économies modernes.