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(xué)原理的電池，其充放電過程完全沒有涉及到物質(zhì)的變化，所以其具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點，適合需要通過快速充電/放電循環(huán)獲得峰值功率的應(yīng)用場景。超級電容器應(yīng)用于起下鉆作業(yè)，可使鉆機的基本負荷在幾秒鐘內(nèi)增加4倍，實現(xiàn)鉆機的瞬時提速，且在起下鉆作業(yè)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(shù)公司在2023年IADC世界鉆井大會上提出將超級電容器應(yīng)用于起下鉆作業(yè)，以緩解電氣系統(tǒng)電壓波動、回收鉤載的重力勢能，降低電氣系統(tǒng)的運維成本及起下鉆作業(yè)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(tǒng)的運維成本。
02. 應(yīng)用案例
1、CANRIG鉆機技術(shù)公司
在鉆機起下鉆作業(yè)過程中，高電壓的波動會影響驅(qū)動器與某些電氣元件，并對系統(tǒng)造成嚴重破壞，從而導(dǎo)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(yè)，緩解了電氣系統(tǒng)中的電壓波動，使鉆機的電力質(zhì)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(fā)的國內(nèi)第一個石油鉆井機超級電容儲能系統(tǒng)在中原油田投入應(yīng)用，這是該系統(tǒng)在采油領(lǐng)域的一次成功嘗試。該儲能系統(tǒng)通過普通電網(wǎng)、勢能回饋和1臺電機進行補電，當(dāng)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(zhuǎn)化為電能回饋再利用。該石油鉆井機超級電容儲能系統(tǒng)經(jīng)一年時間研發(fā)成功，配備有1280只9500法拉單體超級電容，每次充電數(shù)十秒即可，充電次數(shù)達100萬次，且無污染以及爆炸風(fēng)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(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)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(yīng)用到鉆修機絞車上，控制系統(tǒng)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(yè)時，柴油發(fā)電機組輸出交流電經(jīng)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(zhuǎn)產(chǎn)生的制動能量，實現(xiàn)能量的存儲，在起鉆作業(yè)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(jié)能的目的。
石油鉆修機絞車電控系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)圖
4、國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心
國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心提出的儲能控制系統(tǒng)采用了超級電容器和蓄電池組進行儲能，系統(tǒng)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(wěn)定性。該系統(tǒng)還可以對制動產(chǎn)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(tǒng)仿真
03.總體方案
鉆機絞車超級電容器儲能系統(tǒng)的作用是當(dāng)鉆機絞車下放鉆柱(套管)時，電機反轉(zhuǎn)，產(chǎn)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(dāng)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(wǎng)電壓也會產(chǎn)生波動，當(dāng)電網(wǎng)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(tǒng)在直流母線上并聯(lián)了制動電阻，將電機反轉(zhuǎn)產(chǎn)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(tǒng)正常工作。
鉆機絞車超級電容器儲能系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
鉆機絞車超級電容器儲能系統(tǒng)主要包括電網(wǎng)、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(wǎng)作用是給整個鉆機系統(tǒng)提供電能；整流器主要是將電網(wǎng)傳輸過來的交流電轉(zhuǎn)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(dāng)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?yōu)轭l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(tǒng)的關(guān)鍵部分，它兩側(cè)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(huán)次數(shù)多、容量大等多種優(yōu)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(jié)論
超級電容器可有效回收鉆具或套管下放時產(chǎn)生的再生制動能量，而且通過儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制，使直流母線電壓波動范圍變小，電壓更加穩(wěn)定，鉆進作業(yè)效率更高。從國內(nèi)市場看，我國是最早成立超級電容產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的國家，也是超級電容器的最大市場，超級電容器應(yīng)用于油氣開采領(lǐng)域發(fā)展?jié)摿妱拧５牵夒娙萜鞯哪芰棵芏认噍^電池低，價格卻比電池高，因此，在油氣開采領(lǐng)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。
