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融合:影响油气行业未来的十大跨界科技

日期:2019-10-11    来源:中国石化报

国际石油网

2019
10/11
11:24

关键词: 油气 人工智能 AR装备 5G通信

  编者按:
  对油气行业来说,吸收借鉴其他行业技术的例子数不胜数,如物探利用卫星遥感技术、钻井液利用纳米技术、三次采油利用聚合物技术等。但随着油气行业对“舶来技术”的深入研究及应用,这些技术“反哺”其他行业的潜力也逐步显现,实现了技术引入和技术输出同步发展。本版分两期推出专题《油气行业的“黑科技”》,细数影响油气行业的跨界科技,以及油气行业技术的“反哺”促进。
  人工智能
  如果要问油气行业的第一生产力是什么,人的智能可能是最佳答案。“石油存在于地质学家的大脑里”,这句广为流传的名言正好反映了这一观念。
  如果能增强油气行业的智能力量,无疑可让其跃升到一个新水平。而当下,人工智能技术则提供了这样一个契机。
  人工智能技术集合了计算机、心理学、生物学等众多领域科技,目的在于使机器承担那些通常需要人类智能才能完成的工作。在某些时候,人工智能甚至可表现出超越人类智能的水平。
  已有应用表明,人工智能具备的“深度学习能力”能发现一些人类不能发现的关联或规律。谷歌的人工智能程序阿尔法狗在同人类的围棋大战中屡次获胜,充分展现了这一点。
  在油气领域,人们也试图利用人工智能寻找一些现实的石油人“看不见”的规律。利用这些规律,可找到一些地质工程师无法找到的隐秘油气藏、预知一些普通工人无法预见的设备故障。
  目前,人工智能已开始在油气领域蔓延。如2018年谷歌就和道达尔开展了战略合作,研发用人工智能技术处理地质数据;油服公司贝克休斯已推出用于优化油气生产的人工智能软件,并在北美的油田开始实际应用。
  技术主要研究者:微软、谷歌、C3 IoT、IBM、NVIDIA、Belmont Technology、埃森哲、甲骨文
  3D打印
  定向井钻井、深水油气生产等作业都需要使用一些极特殊的装备。这些装备的生产对精密度有极高要求,而且工序复杂,无形中增加了石油公司的经营成本和风险。为了简化特殊装备的生产过程,增材制造技术逐渐进入油气行业的视野。
  增材制造技术目前也被称为“3D打印”,这一技术采用材料逐渐累加的方法制造实体零件,可实现特殊零件或复杂形状的快速制造。
  3D打印目前在工业领域推进颇有成果,已被应用于飞机零件生产等高端制造领域,在石油领域也有不错的商业化应用。
  如通用电气就借助增材制造技术生产燃气轮机的部件,将产品测试和验证的时间缩短近50%;中国石油还和南风股份合作,利用重型金属3D打印技术制造高压长输管线的三通,解决了手工焊接三通效率低、焊缝冲击韧性差的传统问题。
  3D打印对装备制造过程的改变未来可能重塑整个装备供应链结构。这种定制化的生产方式可减少石油企业的产品库存,大幅降低经营风险。
  技术主要研究者:通用电气(GE)、澳大利亚Aurora Labs、中国南方增材科技有限公司、西门子、德国eos公司
  AR装备
  油气设备的维修保养一直是令企业头疼的问题,因为其拆解组装过程复杂,往往需要经验丰富的人员到现场指导,费时费力。而借助增强现实技术(AR)则有望改变这一状况。
  增强现实技术是把原本在现实世界中难体验到的信息,通过计算机模拟仿真后叠加到真实世界中的技术。佩戴上AR装备,虚拟信息可被转化成视觉、听觉等信息,由此被人类感官感知,从而得到超越现实的感官体验。
  借助增强现实技术,可将油气设备维修工作程序导入AR智能眼镜工作辅助系统内,使用者可获得生动、形象的维修教程,为维修工作提供实时指导,减少人为差错、提高维修质量。
  另外,资深工程师还可以通过AR系统远程对现场人员进行指导,无须千里迢迢赶赴现场。
  目前,AR技术在油气行业的应用已开始。2019年4月,壳牌宣布,将在12个国家推广AR耳机应用,实现对员工作业的远程指导。贝克休斯也已尝试应用AR头盔,开展燃气轮机的远程维修工作。
  技术主要研究者:RealWear、VRMedia、Upskill、MIT 、Fieldbit 、微软
  量子计算
  三维地震勘探、随钻测井,这些油气行业关键技术无不是基于计算机诞生的。计算机技术一旦迎来大变革,油气行业势必也将随之风起云涌。而商用量子计算机的问世,正在掀起这样一场风暴。
  在传统计算机中,信息单元为比特位,其不是处于“0”态就是处于“1”态。而在二进制量子计算机中,信息单元称为量子位,它除了处于“0”态或“1”态,还可处于叠加态。配合量子力学演化的并行性,量子计算机计算速度可达到传统计算机难以企及的程度。
  量子计算机未来除了影响地质勘探、油藏模拟等涉及大量数据处理的领域,也可能颠覆石油化工行业。
  目前,量子计算机一个极被看好的商用领域是用于分子模拟,通过精确建模找到化学反应的最佳结构,有望大幅提高石化产品的生产效率。
  2019年1月,埃克森美孚宣布和IBM合作,探索量子计算在油气领域的应用。同期,IBM也推出全球首款可商用的量子计算系统Q System One。
  技术主要研究者:IBM、中国科学技术大学、D-Wave、Rigetti、Lockheed Martin
  金属有机框架材料
  天然气的存储运输一直是其发展的重大阻碍。因为相对于液体和固体,气体的运输存储极为不便。虽然液化天然气(LNG)产业的出现改善了这一局面,但储运的便捷程度仍有限。
  天然气的储运未来还会有突破吗?金属有机框架材料(MOFs)可能就是未来。
  金属有机框架材料是一种具有微孔结构的结晶有机—无机杂化物,由于其微孔特性,这种材料具有很大的内比表面积,可吸附大量气体,能在有限体积内储存高密度的气体。这种材料的出现未来有望让天然气的储存更便捷。
  目前在汽车领域,天然气的存储主要通过压缩或液化方式。但压缩天然气(CNG)存储量有限,限制了汽车的续航能力,而LNG储罐体积较大,不适用于小型汽车,所以天然气燃料汽车至今难普及。
  目前有不少研究者在攻坚金属有机框架材料存储气体技术,尝试用其取代传统的压缩和液化存储方式。此外,不少研究人员在探索用金属有机框架材料进行天然气的净化处理,即利用吸附作用去除硫化氢、二氧化碳,以降低天然气的生产处理成本。
  技术主要研究者:巴斯夫、Immaterial Labs Ltd、Immaterial 、新加坡国立大学、佛罗里达州立大学、劳伦斯伯克利国家实验室、匹兹堡大学
  区块链
  石油是全球贸易量最大的大宗商品,不仅贸易规模大,而且贸易环节多、频率高。这意味着,石油贸易需要消耗大量时间,且石油公司和投资者难以实时追踪贸易数据。
  如果能简化石油贸易流程,并增加贸易数据的透明度,将为石油公司和投资者节省巨大成本。区块链技术因此备受油气行业青睐。
  区块链是一种去中心化的数据库,也被称为分布式账本技术。采用这种技术可实现数据库共享,自动实时更新,并可借助计算机演算法在极短时间内处理交易并结算,无须第三方验证。过去一年,全球不少大型石油公司都已尝试应用区块链优化贸易流程。
  2018年,荷兰银行、柯氏集团、贡沃尔集团、摩科瑞、BP、壳牌、Equinor(挪威国家石油公司)等联合推出了基于区块链的大宗商品交易平台Vakt,雪佛龙、道达尔、印度信任工业也在2019年加入该平台。Vakt的组建者表示,该平台预计可将石油贸易效率提高30%~40%,并把能源交易费用降低40%。
  同年,阿布扎比国家石油公司也推出了基于区块链的自动记账系统,该系统适用于油气全产业链。从油气出井到消费终端每个环节的交易都可利用该系统进行跟踪、确认和执行,从全产业链上提高石油公司的运作效率。
  技术主要研究者:Linux基金会、蚂蚁金服、以太坊基金会、EthHub、摩根大通、R3CEV
  新一代工业机器人技术
  提高生产的无人化水平一直是油气行业所追求的,因为这不仅可将石油工人从艰苦的岗位解放出来,而且能降低企业运营成本。近年来,新一代工业机器人技术发展的加速为实现这一目标打开了新窗口。
  传统的工业机器人大多只能在流水线上工作,且可控性有限,而新一代工业机器人则突破了这些限制。新材料、物联网等技术的进步使新一代工业机器人具备更强的环境感知力和灵活性,可以进入复杂的环境从事更精准细致的操作。
  2018年,ANYbotics公司推出了一款自动机器人ANYmal,用于在海上平台执行巡检工作。
  ANYmal拥有灵巧的四肢和自动导航系统,可以奔跑、跳跃或上下台阶。这款机器人可替代人工在海上平台进行日常巡检,包括监测机器运行状况、监测油气泄漏等。
  除了用于巡检,机器人取代部分钻工也成为趋势。通常情况下,在钻台上完成一次钻具的抓取组装操作至少需要3名以上钻工,而借助更灵活的机器人,只需要一名操控人员。NOV、Canrig Robotics等公司目前都已生产出此类机器人。
  技术主要研究者:ANYbotics、Canrig Robotics、NOV、Eelume AS、Kongsberg Maritime、Oceaneering、Taurob、麻省理工学院
  5G通信
  物联网是油气行业未来最重要的基础设施之一,但传统物联网主要采用有线方式连接设备,这使得物联网的建设成本较高。而且按照传统的信息传输方式,信息的传输速度较慢。
  受制于这些因素,虽然油气行业物联网建设已呼吁多年,但成效和规模目前有限。而5G通信的兴起,有望扭转这一局面。
  相比4G网络,5G网络不仅具有高带宽、低时延的“增项能力”,更具有低能耗、大连接、深度覆盖的低成本优势,这一特点更符合物联网需要的基本特性。
  借助5G网络,油气领域的物联网建设可承载更多设备连接、传输更大流量,这将推动油气行业物联网建设进入真正的大规模时代。
  2018年,华为展示了基于4.5G面向5G的无线窄带离散频谱聚合创新技术eLTE-DSA离散载波聚合解决方案,助力油气行业构建能源物联网。
  技术主要研究者:华为、爱立信、中兴、高通、诺基亚、三星、英特尔
  石墨烯材料
  提高油气装备材料抗高温、高压、腐蚀性气体和液体的能力,一直是油气行业技术研发的热点。近年来,石墨烯材料的出现为实现这一目标提供了新的可能。
  石墨烯是目前已知强度最高的材料之一,并具有很好的韧性,可以弯曲,还具备良好的阻隔性能和屏蔽性能。
  研究适用于油气管道的石墨烯防腐涂层是油气行业当下一大技术热点。2018年,英国曼彻斯特大学就公布了一种将石墨烯掺入聚合物衬里的方法,可适用于海底油气管道内部防腐。
  研究人员通过将石墨烯纳米层压到一种常用油气管道塑料衬里聚酰胺11(PA11)上,生产出一种阻隔性能极好的结构。
  测试结果显示,这种阻隔结构将二氧化碳的渗透率降低逾90%,硫化氢的渗透率则降到无法检测的水平。
  除了应用于油气管道,石墨烯防腐材料在钻井、采油领域也有广阔的应用前景,尤其是用于增强井下工具的耐腐蚀能力。
  技术主要研究者:GRAPHENEA、北京碳世纪科技有限公司、AGM、HAYDALEGRAPHENE、NanoXplor
  智能材料
  阀门、管道等常见油气设备在遭受意外损坏时,能否实现自我修复,而不依靠人工检测和维修?这一设想听起来不可思议,但智能材料的出现有望将其变为现实。
  智能材料是指可感知外部环境并随环境变化做出可控响应的新型材料,具有自诊断、自修复、自适应等能力。
  如随着外界温度、压力的改变,智能材料可自动改变形状;当材料出现裂缝或损坏时,智能材料可像生物一样自动“愈合伤口”。
  目前,智能材料已在油气行业有初步的应用。一些油服公司利用记忆材料生产完井工具和设备。贝克休斯曾利用具有记忆性的聚合物开发出新型的防砂系统。压缩后的多孔记忆性聚合物在下到井底后,可膨胀并贴合井壁,起到防砂功能。相比传统砾石防砂作业,流程大大简化。
  类似的记忆材料还可能用于实现无水地层压裂、输油管道修复等。除了记忆材料,智能材料种类还包括电(磁)致流变流体、电致伸缩材料等,这给制造新型的油气阀门、传感器、灵巧石油机器人等都提供了可能。 
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