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国之重器 科技相托

来源:  发布时间:2023-04-11

——记中国石油勘探开发研究院智能控制与装备研究所团队

祝传海

 

从工业4.0、中国制造2025,到智慧城市、智能交通,再到数字银行、电力物联网,各行各业都在进行数字化转型。在云计算、物联网、人工智能等新一代信息技术的驱动下,以数字化为基础的数字经济更是成为新时代众多领域发展的趋势。身处新一轮工业革命,油气行业同样面临着信息技术与行业深度融合的新形势与新挑战。

“作为油气行业中最基础的领域,装备是油气数字化转型的重要抓手和着力点,也是保障国家能源安全及未来整个行业数字化进程具体成果落地的关键所在。”中国石油勘探开发研究院智能控制与装备研究所所长曹刚认为,目前,世界油气工业已经走过近160年的发展历史,油气资源的高质量发展已成为保障国家能源安全的重要途径。然而,随着主力油田全面进入产量递减期,我国油气资源勘探开发的重心逐步转向低渗透、陆相深层、深水油气藏,以及非常规油气藏等难动用储量。油气资源品质劣质化程度不断加剧,开采难度不断加大,也给油气装备的研发与应用带来前所未有的机遇和挑战。他说:“特别是在数字化转型与绿色低碳的大背景下,一方面,要采用新技术、新材料、新工艺,完成设备智能化、高端化的转型;另一方面,造就大国重器不能拘泥于传统基础学科的束缚,要以交叉学科研究为抓手,不断创新突破,用颠覆性科研成果突破关键技术瓶颈,满足保障国家能源安全供应的迫切需求。”

 

装备升级是立所之基

 

“钻头不到,油气不冒。”油气装备从来都是制约油气行业发展的关键,20世纪70年代开始,我国油气装备与工具大部分依赖进口,油气开采因此非常受限。

工欲善其事,必先利其器。始建于1976年的智能控制与装备研究所(以下简称“智能装备所”)就是在这样的环境下诞生的,其前身为石油机械研究所,隶属于中国石油勘探开发研究院(以下简称“勘探院”),主要从事油气开采装备与工具的技术研发、技术支持、技术服务及宏观战略决策研究,是我国油气田开发重要的装备与工具研究机构,为我国油气装备的发展建设作出了重要贡献。

2006年,油气“低成本时代”到来。同年9月,“石油机械研究所”更名为“采油采气装备研究所”,研究方向从石油钻井装备转向采油采气装备及工具,形成了分层注采、人工举升、修井作业系列新技术新装备,先后研发出顶驱、盘刹、电子司钻、第四代分层注水工艺技术等重大油气装备,填补了多项国内技术空白。

“智能装备所取得的成绩,主要得益于之前的积累,是前几任领导和同事共同努力的结果,是他们一起奋斗,研发出了有影响力的产品。”曹刚介绍说,多年来,在全所同仁的共同努力下,包括膨胀管井筒综合治理工具、缆控分层注水实时监测与控制技术、分段压裂系列工具、电潜直驱螺杆泵无杆举升技术,以及增材制造和先进表面处理技术等在内的一系列具有自主知识产权的新技术、新工具,相继在各油田推广应用,成效显著。

其中,缆控分层注水实时监测与控制技术实现了单井/区块分层注水参数和注水动态的实时监测、实时调配及优化分析,在大庆等油田开辟了5个示范区,支撑了我国细分注水技术持续保持国际领跑地位。分段压裂系列工具集成了可溶金属材料体系、可溶高分子密封材料体系、快速可溶解橡胶、可溶卡瓦等关键技术,仅钻塞就为油田节省费用近千万元,且大幅度降低了压裂施工风险。膨胀管井筒综合治理工具适用于全系列套管规格的膨胀管补贴工具,满足胀捞一体快速作业、大通径封堵调层、350℃高温热采井和水平段重复压裂井筒再造等生产需求,并在13家油气田应用超过1700井次,成功率超过98%。电潜直驱螺杆泵无杆举升技术能有效解决杆管磨损问题,为中国石油天然气集团有限公司(以下简称“中石油”)机械采油降本增效增添了新利器。增材制造采用EOS M290金属3D打印机,可实现模具钢、不锈钢、钛合金、镍合金等材料高质量3D打印。先进表面处理技术包括表面织构和先进涂层处理技术,解决了摩擦磨损、结垢结蜡、腐蚀冲蚀等系列问题,已在往复和旋转运动的多个案例中成功应用。

虽比高飞雁,犹未及青云。尽管已经取得了诸多成绩,但是智能装备所团队在院领导的指导下,始终紧跟时代步伐,不断开拓进取,关注国际前沿技术发展趋势。近年来,油气行业面临勘探难度加大、开发成本上涨、油价不稳定、安全节能环保以及“双碳”目标等一系列挑战,根据油气行业转型升级的形势需要,20224月,采油采气装备研究所更名为智能控制与装备研究所(交叉学科研究中心),以智能化油气开采工具和装备的技术研发、技术支持、技术服务及宏观战略决策研究为主要任务,同时负责交叉学科融合与协同发展。

装备升级是立所之基。作为油气行业中最基础的领域,装备是油气数字化转型的重要抓手和着力点,也是保障国家能源安全以及未来整个行业数字化进程具体成果落地的关键所在。曹刚告诉记者,目前,油气行业面临数字化转型,而作为具有最基本支撑作用的领域,所有的科技创新和发明创造最终能否发挥作用,关键要通过相应的装备和工具来实现验证。所以,必须通过装备的数字化升级、复合型团队建设和多学科研究的颠覆性交叉融合,来加快数字化转型的步伐。“在数字化和绿色低碳的大背景下,智能装备所将以数字化设计和先进制造方法为手段,以交叉学科研究和应用为基础,开展油气开采智能装备研究,形成以智能分层注采、数字化采油、智能化修井为代表的关键技术装备,支撑公司稳油增气、数字化转型、绿色低碳的发展战略。”

 

数字转型是未来之重

 

作为世界第一大制造业国家,我国石油天然气装备的应用规模位居世界前列。但我国油气装备行业大而不强,存在运行效率低、维护成本高、高端装备大量依赖进口等“短板”。抓住新一轮科技革命与产业变革深度融合、加速演进的发展机遇,将现代信息技术与石化工业深度融合,通过数字化转型构建石化产业数字经济发展新格局,助力国家“双碳”目标的实现,是油气装备行业高质量发展的关键。

事实上,早在2000年,中石油信息化建设就坚持“六统一”原则,按照信息技术总体规划持续推进。“十三五”以来,中石油更是不断深化对数字化转型的认识,围绕数字化转型、智能化发展进行顶层设计、前瞻布局,建设“数字中国石油”被提到了前所未有的高度。

201711月,曹刚从大庆油田采油工程研究院来到中国石油勘探开发研究院,也带来了大庆石油人的“三敢三严”精神。“我是1123日从大庆开车到北京,晚上11点多到的勘探院,第二天报到。”直到今天,他依然清晰记得初到勘探院时的情景,“领导的殷切关怀、同事们的团结协作,以及团队那种敢于开拓创新、勇闯无人区的科研氛围都让我备感振奋”。这期间,他在刘合院士的指导下,开始从事人工智能在采油采气工程应用场景的研究,积累了数字化转型的经验。20225月,他通过勘探院公开遴选,成为智能装备所正式更名后的第一任所长。

“面对数字化转型和绿色低碳发展的大趋势,既要不断提高油气田采收率水平,又要控制生产运营成本,就必须有大的颠覆性技术做支撑。”曹刚介绍说,目前,作为勘探院数字化转型的重要组成部分,智能装备所有两个重点项目正在推进攻关。

一个项目是由刘合院士牵头、裴晓含首席和贾德利专家主要负责的智能分层注采技术攻关。此项目可以说是分层注采工艺智能化、数字化的升级。“这个技术最早发源于大庆油田,经过了多年的迭代,目前发展到第四代分层注水技术。”此技术的突破将充分发挥数字油田的降本提效潜力,通过研发应用智能互联产品和技术,深度挖掘油田开发过程中产生的海量数据,实现基于油藏分析、采油工程、修井作业等多学科、跨部门数据充分共享和高效协同条件下的科学决策与分析,不断提高油藏开发方案的设计和实施水平。和传统分层注水开发模式相比,此技术在控制综合成本和提高采收率挖潜空间等方面具有突出优势。同时,此技术与我国能源行业降本增效、数字化转型和绿色低碳的发展规划高度契合。目前,已在大庆油田第四采油厂初步建成智能分层注采工程示范区,为我国水驱老油田的数字化建设起到重要示范引领作用。

另一个是由郑立臣专家主导的井下流量波项目,也是由智能装备所主导的一个解决“卡脖子”问题的项目。井下流量波技术,是基于流动液体的连续性原理和质量守恒定律,通过独特的编码算法,将注水系统的采集和控制信息加载到流量波上,实现注水井的井下无线远程通信与控制。经过多年攻关,项目组突破了两大科学难题:一是信号与水流的耦合与解耦难题;二是井下数据低功耗、高精度传输技术。目前,此项目现场先导试验取得初步成效,为水驱老油田低成本开采提供重要技术储备。

在装备升级方面,智能装备所也是“两条腿走路”:一方面要将原有的硬件设备打造成智能互联的装备;另一方面是打造油气装备的信息管理平台。智能装备所数字化转型的重点任务之一就是搭建“设备信息管理平台”。当前,由张立新博士负责的数字化转型重点项目——石油设备信息管理平台,正在加紧筹备中。“不光是硬件设备,还要把核心的有价值数据管起来,让数据资产的价值能够充分被挖掘出来。”曹刚说,平台首先要满足业务上的需求,满足整个集团公司的设备管理需求,提供全面、准确、真实的数据,实现全生命周期的运维管理。其次,作为集团总部的技术支撑单位,平台建成后能够对整个行业的设备应用水平、应用现状做出宏观分析与梳理、预测,为最终决策做好支撑储备。最后,从科研创新的角度,技术人员必须时刻关注在用设备的运行状况,以及核心装备、核心部件与核心产品的失效形式和失效机理,通过对关键数据的长期跟踪和深入分析,及时发现油气装备在实际生产中面临的痛点和难点,从而找到科研创新的切入点。“我相信,这个平台建成后将成为智能装备所一个新的技术增长点,以后也将是我们的核心技术。”

 

交叉融合是强所之本

 

重任未变,情怀不改。

“我为祖国献石油”的主旋律回荡在大庆油田,融入所有石油人的血液里,也激荡在曹刚心底。20多年大庆油田的工作经历深深感染着他,也让他将这种精神传递给了智能装备所的团队成员。如今,一个机构两块牌子,向着同一个目标奔赴,用他的话来说就是“所有的工艺技术和创新技术能不能起作用,最后得通过装备工具来实现”。

随着油田开发不断深入,面对近年来油藏类型及开发矛盾呈现多元化和复杂化趋势,常规采油技术“单打独斗”的优势正在遭遇挑战,为老油田挖潜增效和新油田高效开发成为摆在所有石油人面前的首要任务。

如何为高效益、高效率的油气田勘探开发提供一流装备?对智能装备所来说,不仅要持续提升传统油气装备的性能水平,更要通过开展多学科交叉融合攻关研究,实现油气装备的转型升级。为此,勘探院早已布局谋篇,用“数字化+智能化”融合赋能,实现油田高质量可持续发展;以交叉融合引领学科发展,实现未来技术的突破。为此,智能控制与装备研究所的第二块牌子就是“交叉学科研究中心”。

“这是院里给智能装备所的新定位,希望团队能突破传统工艺的束缚,有创新、有突破、有颠覆,解决现在面临的技术难题。既然是学科研究,从字面定义来看,就不是简单地将不同领域知识加以综合应用,而是对不同学科一起融合应用后产生的新学科开展研究,这与目前油气装备的发展也是很契合的。”在接受采访时,曹刚告诉记者。

技术创新始终是世界石油工业发展进步的动力源泉,要高效勘探、效益开发、降本增效,就要有颠覆性的新技术出现。基础研究是颠覆性技术创新乃至整个创新体系的关键源头,“新材料、新工艺、新手段等全都要跟得上,所以我们需要从基础开始,从材料和工艺上入手来做”。曹刚坦言,难度非常大,但团队成员将全力以赴。

为了满足交叉学科研究的需求,智能装备所相继引进了不同学科的人才,涉及智能装备所下设5个研究部的4大研究方向:井筒控制与仿生技术研究、采油装备研究、井下工具研究、基础实验研究。另外,组建的“井下流量波远程通迅项目部”由郑立臣专家带队,主攻关键技术。“第四代分层注水技术”由贾德利专家带队,重点攻关高含水油田分层注水开发技术难题。“我们团队中有清华大学机械、摩擦专业的,有北京科技大学冶金、控制专业的,有哈尔滨工业大学电器电子专业的,还有德国、美国留学回来的专业人才,硕士博士占比多,人员素质很高。”这支年轻精干的高素质优秀团队也是智能装备所最大的财富。

目前,全所共有员工55名,党员占比63.6%,年龄主要集中在3140岁,平均年龄39岁,硕士以上占比87.3%,高工以上占比60%。“我们在党建工作中注重以高质量党建引领高质量发展。大家都很有冲劲,很有想法,每个人都有自己独立的课题。”作为团队的领头雁,曹刚希望能为大家做好“沟通协调桥梁”“后勤服务保障”的角色,搭建好这个凝心聚力、团结协作的平台,也希望能整合全所资源,集中力量做大事。

在大庆油田深耕多年的曹刚,先后担任采油工程研究院的举升工艺室主任、海外中心主任、副总师、企业技术专家,以及大庆油田海外提高石油采收率项目经理部总工程师等职,经历过多种角色的转变,也曾亲历团队从01、从无到有,所以在管理中也有自己独有的方法。20225月初到智能装备所,曹刚做的第一件事就是组织制订全所的数字化转型战略规划。经过科委会全体成员一个多月的深入研究和论证,明确了数字化转型战略的目标、原则和实施路径。大家一致认为,数字化转型的目的绝不是抛弃传统业务,而是进一步强化、提升和拓展核心业务能力。目标和原则明确了,今后的工作方向和具体抓手就清晰了。在此基础上,统一规范部门管理制度和业务流程,突出管理岗位的服务保障功能,让科研工作者集中精力思考和解决生产一线的关键难题,尽量少一些时间花在沟通协调、跑业务流程等辅助性工作上,所谓“好钢用在刀刃上”。

公平公正、公开透明也是管理一个团队需要遵循的原则,“所有工作摆在桌面上,特别是涉及个人利益时需要与本人充分沟通,为团队每一位成员着想”,这也是曹刚作为更名后第一任所长的初心。曹刚不计较个人的付出,但他在乎团队成员对他的信任,他希望这个团队的每一个人“不是打着自己的小算盘”,而是一个大家庭,家庭和谐是个人发展的坚实后盾。

万事开头难。经历半年多的磨合,团队运行基本走入预期的正轨。曹刚坦言,团队成员有着不同的专业背景,专业跨度大导致沟通融合的难度更大。开展综合性、智能互联项目时,很多传统的设计理念、目标和路径都需要推倒重来。一切都是新的,“交叉融合也不是说说就能实现的,需要更深入的交流、更多的融合”。

立足当下,布局未来。

将我国油气产量长期保持在4亿吨油当量的年产量水平,需要年均新增地质储量不低于20亿吨油当量,这不是一件轻而易举的事情。这是我国油气行业上游板块“十四五”面临的主要矛盾和必须面对的战略选择。曹刚说,希望智能装备所在勘探院的总体部署规划下,勠力同心,攻坚克难,努力打造国际一流的油气装备研发中心,用科技创新推动油气装备的升级换代,用数字化手段提高生产管理与决策支撑水平,为保障我国能源安全供应打造高水平的装备利器。

(责编:黄雪霜)


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