超级电容器（即双层电容器）是一种新型储能装置，相比采用电化学原理的电池，其充放电过程完全没有涉及到物质的变化，所以其具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点，适合需要通过快速充电/放电循环获得峰值功率的应用场景。超级电容器应用于起下钻作业，可使钻机的基本负荷在几秒钟内增加4倍，实现钻机的瞬时提速，且在起下钻作业中能将钻柱或套管的重力势能回收，使钻井成本进一步降低，开采效率得到提升。
01. 案例背景
NABORS公司下属的CANRIG钻机技术公司在2023年IADC世界钻井大会上提出将超级电容器应用于起下钻作业，以缓解电气系统电压波动、回收钩载的重力势能，降低电气系统的运维成本及起下钻作业的能源消耗。从理论上讲，超级电容器能够缓解电压波动，进而有助于降低电气系统的运维成本。
02. 应用案例
1、CANRIG钻机技术公司
在钻机起下钻作业过程中，高电压的波动会影响驱动器与某些电气元件，并对系统造成严重破坏，从而导致过早故障。CANRIG公司将超级电容器运用于钻机的起下钻作业，缓解了电气系统中的电压波动，使钻机的电力质量大幅提高。此外，下放游车时游车减速停于钻台，超级电容器能在该过程回收钩载的重力势能，储存起来以供再次使用。采用超级电容器后，钻机的充放电速度是电池的10倍以上，游车空挂从顶端下放至钻台平均可储能2千瓦时。
图源：Nabors ESG 2022-Sustainability-report
2、中车株洲电力机车有限公司
中车株洲电力机车有限公司(中车株机公司)研发的国内第一个石油钻井机超级电容储能系统在中原油田投入应用，这是该系统在采油领域的一次成功尝试。该储能系统通过普通电网、势能回馈和1台电机进行补电，当钻井杆上提或其他需要时进行放电。在钻机下钻过程中，可将八成左右的钻井机下落势能转化为电能回馈再利用。该石油钻井机超级电容储能系统经一年时间研发成功，配备有1280只9500法拉单体超级电容，每次充电数十秒即可，充电次数达100万次，且无污染以及爆炸风险，是物理式储能装置的典型。
钻机绞车超级电容器储能系统现场应用图(中车株机公司)
3、中石化石油工程机械有限公司第四机械厂
中石化石油工程机械有限公司第四机械厂把超级电容器应用到钻修机绞车上，控制系统增加了双向DC-DC变换器，并使用超级电容器储存能量。在钻机起下钻作业时，柴油发电机组输出交流电经过整流和逆变过程变成了大小频率可控的交流电，这个过程中间存在着两次变换，过程为交流-直流-交流。超级电容器吸收多余的电能和下钻时电机反转产生的制动能量，实现能量的存储，在起钻作业时，也就是提升钻柱过程中超级电容器释放储存的能量，达到节能的目的。
石油钻修机绞车电控系统的拓扑结构图
4、国家油气钻井装备工程技术研究中心
国家油气钻井装备工程技术研究中心提出的储能控制系统采用了超级电容器和蓄电池组进行储能，系统中还包括 PLC、逆变器和制动电阻。采用模糊控制对储能单元进行管理分配，使得电能的峰值得到有效抑制，提高了钻机的可靠性和稳定性。该系统还可以对制动产生的再生能量进行较充分的回收和利用，降低了钻井成本。
钻机绞车超级电容器储能系统仿真
03.总体方案
钻机绞车超级电容器储能系统的作用是当钻机绞车下放钻柱(套管)时，电机反转，产生的制动能量由储能元件超级电容器以电能的形式进行存储；当钻机绞车提升钻柱时，电机正常工作，将超级电容器存储的能量以电能形式供给钻机绞车运行消耗。在实际工况中，电网电压也会产生波动，当电网电压降低或升高时，也可以使用超级电容器对其提供或回收能量，这样可以有效降低直流母线电压波动和减小超级电容器充放电过程带来的影响。大部分的钻机绞车控制系统在直流母线上并联了制动电阻，将电机反转产生的制动能量以热能方式消耗掉，可以有效避免直流母线电压泵升，使钻机绞车变频器系统正常工作。
钻机绞车超级电容器储能系统总体结构图
钻机绞车超级电容器储能系统主要包括电网、整流器、制动电阻电路、逆变器、电机、双向DC-DC变换器控制单元、双向DC-DC变换器和超级电容器模块。交流电网作用是给整个钻机系统提供电能；整流器主要是将电网传输过来的交流电转换为直流电；制动电阻电路是避免直流母线电压过高，起进行降压的功能，也可以消耗当超级电容器充满(或损坏)后剩余的能量；逆变器是将制动电阻降压后的直流电逆变为频率大小可控的交流电给电机使用；双向DC-DC变换器是储能系统的关键部分，它两侧分别接直流母线和超级电容器模块，使能量可以顺利存储到超级电容器模块；电机是给起升钻柱提供动力，双向DC-DC变换器控制单元可以控制双向DC-DC变换器对超级电容器模块进行充放电；超级电容器模块作为储能单元，具有充放电速度快、循环次数多、容量大等多种优点，可以有效地提高能量利用率。
超级电容器和双向DC-DC模型
04.总体结论
超级电容器可有效回收钻具或套管下放时产生的再生制动能量，而且通过储能系统的调节控制，使直流母线电压波动范围变小，电压更加稳定，钻进作业效率更高。从国内市场看，我国是最早成立超级电容产业联盟的国家，也是超级电容器的最大市场，超级电容器应用于油气开采领域发展潜力强劲。但是，超级电容器的能量密度相较电池低，价格却比电池高，因此，在油气开采领域，超级电容器更适合作为能量回收的工具而非储能工具使用。
