超級電容器（即雙層電容器）是一種新型儲能裝置，相比采用電化學原理的電池，其充放電過程完全沒有涉及到物質的變化，所以其具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節約能源和綠色環保等特點，適合需要通過快速充電/放電循環獲得峰值功率的應用場景。超級電容器應用于起下鉆作業，可使鉆機的基本負荷在幾秒鐘內增加4倍，實現鉆機的瞬時提速，且在起下鉆作業中能將鉆柱或套管的重力勢能回收，使鉆井成本進一步降低，開采效率得到提升。
01. 案例背景
NABORS公司下屬的CANRIG鉆機技術公司在2023年IADC世界鉆井大會上提出將超級電容器應用于起下鉆作業，以緩解電氣系統電壓波動、回收鉤載的重力勢能，降低電氣系統的運維成本及起下鉆作業的能源消耗。從理論上講，超級電容器能夠緩解電壓波動，進而有助于降低電氣系統的運維成本。
02. 應用案例
1、CANRIG鉆機技術公司
在鉆機起下鉆作業過程中，高電壓的波動會影響驅動器與某些電氣元件，并對系統造成嚴重破壞，從而導致過早故障。CANRIG公司將超級電容器運用于鉆機的起下鉆作業，緩解了電氣系統中的電壓波動，使鉆機的電力質量大幅提高。此外，下放游車時游車減速停于鉆臺，超級電容器能在該過程回收鉤載的重力勢能，儲存起來以供再次使用。采用超級電容器后，鉆機的充放電速度是電池的10倍以上，游車空掛從頂端下放至鉆臺平均可儲能2千瓦時。
圖源：Nabors ESG 2022-Sustainability-report
2、中車株洲電力機車有限公司
中車株洲電力機車有限公司(中車株機公司)研發的國內第一個石油鉆井機超級電容儲能系統在中原油田投入應用，這是該系統在采油領域的一次成功嘗試。該儲能系統通過普通電網、勢能回饋和1臺電機進行補電，當鉆井桿上提或其他需要時進行放電。在鉆機下鉆過程中，可將八成左右的鉆井機下落勢能轉化為電能回饋再利用。該石油鉆井機超級電容儲能系統經一年時間研發成功，配備有1280只9500法拉單體超級電容，每次充電數十秒即可，充電次數達100萬次，且無污染以及爆炸風險，是物理式儲能裝置的典型。
鉆機絞車超級電容器儲能系統現場應用圖(中車株機公司)
3、中石化石油工程機械有限公司第四機械廠
中石化石油工程機械有限公司第四機械廠把超級電容器應用到鉆修機絞車上，控制系統增加了雙向DC-DC變換器，并使用超級電容器儲存能量。在鉆機起下鉆作業時，柴油發電機組輸出交流電經過整流和逆變過程變成了大小頻率可控的交流電，這個過程中間存在著兩次變換，過程為交流-直流-交流。超級電容器吸收多余的電能和下鉆時電機反轉產生的制動能量，實現能量的存儲，在起鉆作業時，也就是提升鉆柱過程中超級電容器釋放儲存的能量，達到節能的目的。
石油鉆修機絞車電控系統的拓撲結構圖
4、國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心
國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心提出的儲能控制系統采用了超級電容器和蓄電池組進行儲能，系統中還包括 PLC、逆變器和制動電阻。采用模糊控制對儲能單元進行管理分配，使得電能的峰值得到有效抑制，提高了鉆機的可靠性和穩定性。該系統還可以對制動產生的再生能量進行較充分的回收和利用，降低了鉆井成本。
鉆機絞車超級電容器儲能系統仿真
03.總體方案
鉆機絞車超級電容器儲能系統的作用是當鉆機絞車下放鉆柱(套管)時，電機反轉，產生的制動能量由儲能元件超級電容器以電能的形式進行存儲；當鉆機絞車提升鉆柱時，電機正常工作，將超級電容器存儲的能量以電能形式供給鉆機絞車運行消耗。在實際工況中，電網電壓也會產生波動，當電網電壓降低或升高時，也可以使用超級電容器對其提供或回收能量，這樣可以有效降低直流母線電壓波動和減小超級電容器充放電過程帶來的影響。大部分的鉆機絞車控制系統在直流母線上并聯了制動電阻，將電機反轉產生的制動能量以熱能方式消耗掉，可以有效避免直流母線電壓泵升，使鉆機絞車變頻器系統正常工作。
鉆機絞車超級電容器儲能系統總體結構圖
鉆機絞車超級電容器儲能系統主要包括電網、整流器、制動電阻電路、逆變器、電機、雙向DC-DC變換器控制單元、雙向DC-DC變換器和超級電容器模塊。交流電網作用是給整個鉆機系統提供電能；整流器主要是將電網傳輸過來的交流電轉換為直流電；制動電阻電路是避免直流母線電壓過高，起進行降壓的功能，也可以消耗當超級電容器充滿(或損壞)后剩余的能量；逆變器是將制動電阻降壓后的直流電逆變為頻率大小可控的交流電給電機使用；雙向DC-DC變換器是儲能系統的關鍵部分，它兩側分別接直流母線和超級電容器模塊，使能量可以順利存儲到超級電容器模塊；電機是給起升鉆柱提供動力，雙向DC-DC變換器控制單元可以控制雙向DC-DC變換器對超級電容器模塊進行充放電；超級電容器模塊作為儲能單元，具有充放電速度快、循環次數多、容量大等多種優點，可以有效地提高能量利用率。
超級電容器和雙向DC-DC模型
04.總體結論
超級電容器可有效回收鉆具或套管下放時產生的再生制動能量，而且通過儲能系統的調節控制，使直流母線電壓波動范圍變小，電壓更加穩定，鉆進作業效率更高。從國內市場看，我國是最早成立超級電容產業聯盟的國家，也是超級電容器的最大市場，超級電容器應用于油氣開采領域發展潛力強勁。但是，超級電容器的能量密度相較電池低，價格卻比電池高，因此，在油氣開采領域，超級電容器更適合作為能量回收的工具而非儲能工具使用。
