Будущее гибридных буровых установок, сочетающих обычные и возобновляемые источники энергии

Новая парадигма мощности для буровых операций

Нефтегазовая промышленность уже давно ассоциируется с высокими выбросами и высоким потреблением топлива. Но на буровых площадках по всему миру происходит тихая революция. Гибридные буровые установки — системы, которые сочетают обычную дизельную или природную энергию с возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечная энергия, ветер и аккумуляторные батареи — доказывают, что экологическая ответственность и эксплуатационная эффективность могут сосуществовать. Эти буровые установки представляют собой прагматичный мост между традиционными методами добычи и более низким уровнем выбросов в будущем, предлагая немедленное сокращение выбросов, не жертвуя надежностью, которую требуют буровые операции.

По данным Международного энергетического агентства (FLT:0) IEA Global Energy Review, на энергетический сектор приходится примерно три четверти глобальных выбросов парниковых газов. Буровые установки, особенно работающие в удаленных или морских средах, исторически полагались на дизельные генераторы, работающие непрерывно — часто при частичной нагрузке, что крайне неэффективно. Гибридные системы устраняют эти отходы путем оптимизации производства и хранения энергии, позволяя буровым установкам работать чище, тише и экономичнее.

Что такое гибридные буровые установки?

Гибридная буровая установка - это не одна машина, а интегрированная система, которая объединяет по крайней мере два различных источника энергии - обычно первичный двигатель на ископаемом топливе (дизель или двигатель на природном газе) и одну или несколько технологий хранения энергии. Основная идея заключается в использовании наиболее подходящего источника питания для каждой фазы бурения и вспомогательных операций. Например, в то время как фактическое бурение может потребовать высокого, устойчивого крутящего момента, лучше всего поставляемого дизельным двигателем, другие виды деятельности, такие как освещение, HVAC и обработка труб, могут поступать из батарейных банков или солнечных батарей, которые были заряжены в периоды низкого спроса.

Ключевые компоненты гибридной системы

Большинство гибридных установок сконфигурированы как серии гибридов (двигатель работает генератор, который заряжает батареи; электродвигатели приводят в движение ничьи и насосы) или параллельные гибриды (двигатель и батареи могут обеспечивать механическую мощность трансмиссии). Архитектура серии более распространена в более новых конструкциях, потому что она позволяет двигателю работать с постоянной, оптимизированной скоростью.

Основные технологии вождения гибридных свиней

Расширенное хранилище батарей

Технология аккумуляторов быстро созрела в последнее десятилетие. Литий-ионные пакеты, предназначенные для стационарного хранения, теперь предлагают плотность энергии 200-250 Втч / кг и срок службы цикла, превышающий 5000 циклов при глубоком разряде. Производители, такие как Siemens Energy , разработали модульные аккумуляторные контейнеры, которые могут быть уложены на буровых установках, обеспечивая мощность от 500 кВтч до 3 МВтч — достаточно для удовлетворения требований к запасу пикового бритья и прядения. Новые твердотельные и литий-железо-фосфатные химические вещества обеспечивают повышенную безопасность и долговечность для суровых условий бурения.

Высокоэффективные солнечные панели

Монокристаллические панели PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) теперь достигают эффективности модулей выше 22%, а двухсторонние панели, которые захватывают свет с обеих сторон, могут повысить выход энергии еще на 10-15%. Для типичной наземной установки солнечная батарея мощностью 500 кВт (занимающая примерно 2500 м2) может обеспечить до 40% вспомогательных потребностей в электроэнергии в светлое время суток в таких местах, как Пермский бассейн или Ближний Восток. Такие компании, как ] First Solar , развернули прочные панели специально для использования на нефтяных месторождениях.

Умные системы управления энергией (EMS)

EMS, возможно, является наиболее важным компонентом. Современные системы используют машинное обучение для анализа исторических данных о нагрузке, прогнозов погоды и состояния батареи в режиме реального времени для создания графика распределения мощности. Например, если EMS прогнозирует тихий период с низкой активностью бурения (например, во время небольшого изменения), он будет командовать двигателем, чтобы выключить и полагаться исключительно на батареи и возобновляемые источники энергии. Когда ничья требует пиковой мощности, EMS сочетает выход двигателя с увеличением батареи для удовлетворения спроса мгновенно. Эти контроллеры уменьшают расход топлива на дополнительные 5-10% сверх того, что может достичь только оборудование.

Преимущества объединения обычной и возобновляемой энергии

Преимущества гибридных буровых установок распространяются на экологические, экономические и эксплуатационные аспекты. Ниже приведены наиболее значительные преимущества.

Сокращение выбросов и меньший углеродный след

Полевые испытания, опубликованные Международной ассоциацией охраны окружающей среды нефтяной промышленности (IPIECA) , показывают, что гибридные установки могут сократить выбросы CO 2 на 25-40% по сравнению с эквивалентными установками только для дизельного топлива. При использовании двухтопливных двигателей (дизель + природный газ) сокращение может превышать 50%. NO x и выбросы твердых частиц также существенно снижаются, помогая операторам соблюдать ужесточение местных правил, таких как стандарты Совета по воздушным ресурсам Калифорнии или норвежский режим налога на выбросы углерода.

Экономия операционных затрат

Дизельное топливо является основным эксплуатационным расходом для подрядчиков по бурению. В отдаленных районах логистика топлива может добавить 50-100% к цене насоса. Сократив потребление дизельного топлива на 20-30%, гибридная установка может сэкономить сотни тысяч долларов за скважину. Кроме того, сокращение времени работы двигателя снижает затраты на техническое обслуживание - более длинные интервалы между заменой масла, заменой фильтров и капитальным ремонтом двигателя. В тематическом исследовании из Rigzone сообщили, что один оператор в Западном Техасе сэкономил более 400 000 долларов на топливе и расходах на техническое обслуживание во время 45-дневной программы бурения с использованием гибридной системы.

Повышение надежности и качества электроэнергии

Гибридные установки обеспечивают более стабильное напряжение и частоту, поскольку аккумуляторный банк может мгновенно компенсировать колебания нагрузки. Это улучшенное качество питания защищает чувствительное электронное оборудование, такое как элементы управления верхнего привода и забойная телеметрия, от провисаний напряжения и пиков, уменьшая незапланированные простои. В местах со слабыми сетевыми соединениями или отсутствием доступа к сети гибридная конфигурация действует как буфер, обеспечивая непрерывные операции даже при изменении выходной мощности из возобновляемых источников.

Повышение безопасности и снижение шума

Аккумуляторно-электрическая работа на маломощных фазах (например, ночью или во время осмотров оборудования) резко снижает уровень шума на полу буровой установки, улучшая связь и безопасность рабочих. Устранение холостых дизельных двигателей также снижает тепловое воздействие и снижает риск ингаляции выхлопных газов дизельного топлива. Некоторые гибридные буровые установки могут работать в «тихом режиме» в течение нескольких часов, что является ключевым преимуществом при бурении вблизи жилых районов или экологически чувствительных зон.

Регуляторное соответствие и эффективность ESG

Инвесторы и регулирующие органы все чаще требуют отчетности по экологическим, социальным и управленческим вопросам (ESG). Гибридные буровые установки помогают операторам продемонстрировать ощутимый прогресс в достижении целей по сокращению выбросов. Несколько европейских операторов, включая Equinor и Shell, взяли на себя публичные обязательства по развертыванию только гибридных или электрических буровых установок в своих новых проектах к 2030 году.

Реальные приложения и тематические исследования

Земельные кабаны в Пермском бассейне

В 2021 году Nabors Industries заключила партнёрство с Nabors для развертывания гибридной наземной установки в Пермском бассейне. Буровая установка интегрировала банк литий-ионных батарей мощностью 1 МВтч с дизельным двигателем мощностью 1800 лошадиных сил. Во время испытания гибридная система сократила расход топлива на 22% и сократила выбросы CO2 на 600 тонн за шестимесячный период. Батарея обрабатывала все вспомогательные нагрузки во время операций спотыкания, а двигатель работал только во время фактического бурения. Nabors сообщил об отсутствии потерь производительности и намерен модернизировать ещё 15 буровых установок.

Оффшорные операции: Maersk Discoverer

Оффшорные буровые установки представляют собой более сложную задачу из-за ограничений пространства и суровых морских условий. Однако Maersk Drilling (теперь часть Noble Corporation) преобразовала сверхглубоководный буровой корабль Maersk Discoverer в гибридную конфигурацию. Шесть дизель-генераторов корабля были дополнены аккумуляторной системой на 1,5 МВтч. Батарея обеспечивает запас вращения, позволяя генераторам работать при оптимальной нагрузке, а не на холостом ходу. Maersk сообщил о 15% сокращении расхода топлива и пропорциональном снижении выбросов NOx и SOx.

Канадские нефтяные пески: солнечный + дизельный гибрид

Канадский оператор в регионе нефтяных песков Атабаски развернул гибридную установку на солнечном дизельном топливе во время зимнего бурения. Хотя в северных широтах выработка солнечной энергии ниже зимой, система использовала массив мощностью 500 кВт на соседнем расчищенном участке в паре с батареей 2 МВтч. Гибридная установка устранила необходимость в специальном генераторе для питания лагеря, экономя 80 000 литров дизельного топлива в месяц. EMS буровой установки была запрограммирована на максимальное использование солнечной энергии в течение нескольких часов дневного света, заряжая батарею для вечернего использования.

Проблемы и ограничения

Несмотря на свои обещания, гибридные буровые установки еще не являются решением для каждого сценария. Следующие проблемы должны быть решены для широкого распространения.

Высокий первоначальный капитал инвестиции

Модернизация существующей буровой установки с аккумулятором, солнечными батареями и EMS может стоить от 2 до 8 миллионов долларов США в зависимости от масштаба. Гибридные буровые установки Newbuild имеют премию 10-20% по сравнению с обычными. Для небольших подрядчиков по бурению с тонкой маржой эта авансовая стоимость является значительным барьером, даже если сроки окупаемости составляют 3-5 лет. Варианты финансирования, государственные гранты и углеродные кредиты могут помочь, но не являются общедоступными.

Технологическая сложность и обучение экипажа

Гибридные системы требуют сложного программного обеспечения управления и квалифицированных технических специалистов для обслуживания. Многие бригады буровых установок привыкли к простым дизель-генераторам и могут быть незнакомы с протоколами управления батареями, устранением неполадок инвертора или диагностикой EMS. Операторы должны инвестировать в обучение и, возможно, нанимать специалистов, увеличивая эксплуатационные расходы.

Вес и космические ограничения

Аккумуляторы тяжелые. Литий-ионный аккумуляторный блок мощностью 1 МВтч весит примерно 8-10 тонн, а солнечные батареи требуют значительной палубы или прилегающей площади. На мобильной наземной установке ограничения веса на грузовом транспорте и пространства на полу буровой установки являются ограничивающими факторами. Оффшорные буровые установки сталкиваются с еще более строгими ограничениями веса и площади. Инновационные конструкции, такие как контейнеры для батарей с заносом и складные солнечные батареи, смягчают эти проблемы, но не каждая буровая установка может быть размещена.

Зависимость от погоды и местоположения

Солнечная и ветровая выработка переменчивы. В облачных регионах или на высоких широтах вклад возобновляемых источников энергии может быть небольшим. Хранение аккумуляторов может компенсировать краткосрочные колебания, но длительные периоды низкой возобновляемой генерации по-прежнему требуют запуска дизельного двигателя. Экономическая ценность гибридной системы, следовательно, сильно зависит от местного солнечного излучения, ветровых моделей и цен на дизельное топливо. Для каждого участка требуется тщательное технико-экономическое обоснование.

Регулирующие препятствия и стимулирующие пробелы

В некоторых странах отсутствуют четкие правила для гибридных систем, связанных с сетями, в буровых операциях. Процессы выдачи разрешений на установку солнечных батарей на месте могут быть медленными. Кроме того, углеродные кредиты или налоговые льготы для сокращения выбросов еще не стандартизированы во многих нефтедобывающих регионах. Неоднородный комплекс политики затрудняет принятие международным подрядчиками единого гибридного подхода в их парках.

Будущий прогноз: увеличение и снижение затрат

Траектория гибридных буровых установок обнадеживает. Несколько тенденций ускорят принятие в ближайшие годы.

Падение батареи и солнечные затраты

BloombergNEF (]Bloomberg New Energy Finance) прогнозирует, что к 2024 году цены на литий-ионные аккумуляторы упадут ниже $100/кВт-ч — сокращение на 80% по сравнению с уровнями 2010 года. По мере снижения затрат на аккумуляторы период окупаемости гибридных модернизаций сокращается. Аналогичным образом, цены на солнечные модули продолжают снижаться, что делает еще более мелкие установки экономически жизнеспособными.

Альтернативы двухтопливной и водородной

Многие будущие гибридные установки заменят чистое дизельное топливо на двигатели с двойным топливом, которые могут сжигать природный газ с помощью небольшого дизельного пилота, обеспечивая почти нулевые выбросы SOx и более низкий уровень CO2. Кроме того, водородные топливные элементы становятся вариантом с нулевым уровнем выбросов для вспомогательной мощности. В Северном море осуществляются пилотные проекты с использованием водородного топлива или выделенных водородных генераторов. В то время как водород по-прежнему дорог, серые и синие водородные пути (производимые из природного газа с CCS) могут обеспечить переходное топливо для буровых установок вблизи трубопроводов.

Электрификация бурового оборудования

Производители разрабатывают полностью электрические топ-приводы, грязевые насосы и выдвижные механизмы, работающие на средневольтном постоянного тока. В сочетании с большими аккумуляторными банками и одним генератором на природном газе в качестве резервного, эти системы могут устранить несколько дизельных двигателей, еще больше сократив выбросы и сложность. Первая полностью электрическая установка ожидается на Ближнем Востоке к 2026 году.

Цифровые близнецы и прогнозная оптимизация

Передовые цифровые двойные модели могут имитировать всю систему питания буровой установки в различных сценариях бурения, позволяя инженерам оптимизировать размер батареи, отправку генератора и интеграцию с возобновляемыми источниками энергии до строительства. Поток данных в режиме реального времени и облачный ИИ будут постоянно совершенствовать EMS, потенциально достигая 40% целей по сокращению топлива. Владельцы Rig смогут сравнивать свои гибридные характеристики со средними показателями в отрасли и получать рекомендации по дальнейшей экономии.

Мандаты и давление ESG

Крупные нефтегазовые компании устанавливают нулевые цели для своей собственной деятельности к 2030–2050 гг. Для достижения этих целей они должны декарбонизировать свои буровые флоты. Отчеты МЭА указывают на то, что нефтегазовой отрасли необходимо будет сократить свои эксплуатационные выбросы на 50% к 2030 г. Гибридные установки предлагают один из самых быстрых и экономически эффективных способов достижения краткосрочных сокращений, особенно в сочетании с сетевыми подключениями в электрифицированных бассейнах. По мере того, как все больше национальных нефтяных компаний (НОК) принимают критерии ESG для выбора подрядчиков, гибридные возможности станут конкурентным дифференциатором.

Заключение

Гибридные буровые установки, которые сочетают в себе традиционное дизельное топливо или природный газ с возобновляемыми источниками энергии и аккумуляторами, представляют собой прагматичный и мощный шаг к будущему с более низким уровнем выбросов для нефтегазовой промышленности. Они обеспечивают немедленные выгоды: снижение затрат на топливо, снижение технического обслуживания, повышение надежности питания и меньший экологический след. В то время как первоначальные затраты, техническая сложность и зависимость от конкретной площадки остаются барьерами, быстрое снижение затрат на батареи и солнечную энергию, наряду с растущим давлением со стороны регулирующих органов и инвесторов, будет стимулировать более широкое поглощение.

В следующем десятилетии гибридные установки, вероятно, станут стандартом для новых зданий и крупных модернизаций, особенно в регионах с сильными возобновляемыми ресурсами или строгими правилами выбросов. Технология не является панацеей - в конечном итоге полная электрификация с возобновляемыми сетями или водородом может заменить ее, - но в ближайшем будущем смешивание проверенного ископаемого топлива и возобновляемых технологий предлагает наиболее реалистичный путь для декарбонизации буровых работ при сохранении энергетической безопасности, от которой зависят современные экономики.