朱日祥院士:技术创新推动能源革命

来源: 紫荆网  作者: 冯琳
朱日祥院士:技术创新推动能源革命

[导读]能源是国民经济和社会发展的重要支撑,直接关乎国家安全、社会稳定及可持续发展。虽然目前世界各国都在竭力开发新能源,然而石油依然且仍将长期占据世界能源板块中的主导地位。

图为大港油田页岩油水平井——官东1701H井、官东1702H井勘探开发现场(图:新华社)

图为大港油田页岩油水平井——官东1701H井、官东1702H井勘探开发现场(图:新华社)

文|本刊记者      冯琳

能源是国民经济和社会发展的重要支撑,直接关乎国家安全、社会稳定及可持续发展。虽然目前世界各国都在竭力开发新能源,然而石油依然且仍将长期占据世界能源板块中的主导地位。2019年11月14日,国际能源署发布了最新展望报告,称中国在2040年之前将成为世界最大的石油消费国。面对能源供需格局新变化、国际能源发展新趋势,习近平总书记早在中共十八大后就明确提出了“四个革命、一个合作”的重大能源战略思想,其中包括“推动能源技术革命,带动产业升级”这一要求。

地球物理学家、全国政协委员、中国科学院院士朱日祥,长期从事地球科学基础理论和实验研究。围绕习总书记提出的能源战略要求,朱日祥一直在深入思考并躬行实践如何以技术创新推动能源革命。

解决中国能源安全的出路是技术革命

记者:目前全球的能源现状如何?尤其中国的能源结构是怎样的?

朱日祥:我们首先要知道,从1950年至2050年这一百年间,世界人口将呈持续增长态势。这也就意味着除非我们想过原始人的生活,否则我们就必须得有能源。那么能源从哪儿来?根据美国方面的预测,一直到2040年化石能源仍然不可或缺,化石能源将是人类最主要的能源消耗来源,其中石油和天然气占比还是约70%。我们再来看看中国的能源现状。目前,我们国家的能源消费还是以煤炭为主,约占能源结构的60%以上。我们的能源结构比世界平均水平要差一些,比欧美就更差了。

当前,我们国家的经济建设已经进入一个高质量的发展阶段,能源结构也随之面临巨大的挑战。比如说,2018年,我国的石油消费量是6.5亿吨,天然气消费量2,787亿方;原油的对外依存度达到71%,天然气对外依存度也达到40%以上。根据预测,到2035年,我国的石油消费量或将大于7亿吨,天然气消费量将大于7,000亿方。如果是这样的话,可能到那个时候,我国的石油和天然气对外依存度都会高于80%。

这是一个值得注意的问题。为什么?因为2018年我国80%的原油是通过马六甲海峡进口的,而这80%里边大概有60%是来自沙特阿拉伯和伊朗这些中东国家的。这些国家和地区的安全形势时而动荡不安,若我国石油进口长期依存于这些地区,未来可能会存在能源安全隐患。

记者:那么基于这些情况,您认为解决中国能源安全的出路在哪里?

朱日祥:要回答这个问题,其实我们可以回顾一下石油工业百年发展史,就会发现石油工业的发展始终是与科技创新相伴而行的。

20世纪初,反射地震等勘探技术的革命,带动了全球油气产量的翻番。20世纪60年代到70年代,注水开采、喷射钻井等技术的发展,推动了全球油气年产量从10亿吨增加到20亿吨。到了20世纪80、90年代,三维地震、水平钻井、三次采油等技术的进步,又推动了全球油气保持在年产量30亿吨的稳产水平。进入21世纪,旋转导向、水平井分段压裂、随钻测井等技术,进一步助推全球油气产量再上一个新的台阶,使得现在原油年产量已经达到40亿吨。

总结一下就可以看出,当今世界能源发展的趋势,应该说已经由“资源为王”转向到了“技术为王”的时代。过去的石油能源发展是“资源扩张”型,未来则是一个“降本增效”的时代。

如果我们不计成本的话,中国是不缺石油的。但问题是,经济发展就是要讲成本。在现有石油勘探开发的理论与技术条件支撑下,到2035年我国国内的原油产量预计可能要下降到1.5亿吨。这与我们预测那时7亿吨的原油消费量相比差距甚大,或许会导致我国的能源安全隐患更大。

我们可以借鉴一下美国的页岩气革命,它给予全世界的启示是,技术创新改变了世界的能源观,使我们对什么是能源有了一个新的认识。所以,解决中国能源安全的出路也是技术革命。若再展望一下未来石油工业中的技术革新点,我认为主要集中在智能导钻、智慧油田、纳米催化、原位改质等新技术方面。

向地球深部进军,找寻能源突破口

记者:您刚刚提到了智能导钻技术,我们也了解到,近年来您作为中国科学院A类战略性先导科技专项——“智能导钻技术装备体系与相关理论研究”的专项负责人、总体组组长,一直在推动智能导钻技术的创新突破。我们国家为什么要在这项技术上发力?

朱日祥:在2016年5月30日的国家科技创新大会上,习近平总书记明确指出,从理论上讲,地球内部可利用的成矿空间分布在从地表到地下1万米,目前世界先进水平勘探开采深度已达2,500米至4,000米,而我国大多小于500米,向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题。2018年,习近平总书记又进一步提出,要站在保证国家能源安全战略高度,加大油气资源勘探开发力度。

从习总书记的指示中可以看出,深地、深海油气资源的开发已经成为国家科技战略。那么,我们再看看国内深层—超深层油气调查现状,就会发现深部油气将是未来的能源突破口。

近年来,我国陆上油气调查已在塔里木、准噶尔、四川、松辽等盆地4,500—8,000米深层发现了油气。然而对应的我国技术现状是,深层钻井精确制导能力弱,钻井周期长,探井成功率低,勘探开发效益差,所以是有资源也用不上。

再来看海洋石油资源的调查情况,在近海待探明的石油资源中深层占65%,南海中南部的原油资源量59%位于深水地区。可是中国在深层/深水、稠油方面是不具备国际先进勘探开采能力的,深层/超深层、稠油在我国油气资源占比越来越大,成本越来越高,导致高效开发越来越难。

由于深部物理化学状态复杂,深层水平钻井制导能力一直是我国深层—超深层油气资源勘探开发面临的重大科学难题和技术瓶颈。我们国内企业包括石油公司早已深刻意识到这一点,国家863项目不断支持这方面的技术研发。不过我国在这方面的已有研发多是以引进、消化、跟踪国外技术为主,进行单一参数、单一功能的技术攻关,总体技术尚处于欧美上世纪末的水平。

其中,水平井是深层—超深层油气勘探开发的关键技术,但水平井开发涉及的核心技术装备主要由斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯等大型油田服务公司垄断,占据了全球高端服务市场90%左右的份额。而且这些外国公司对我国长期实施技术封锁,他们不销售高端产品,只提供“打包式服务”。 

所以,我们必须走核心技术自主创新之路。只要我们瞄准深层油气勘探开发、占领国际能源战略的制高点,我们也同样可以引领下一场全球能源革命,这就需要攻克“深地智能导钻理论与技术体系”。正是在这一背景下,2017年7月18日,中国科学院正式把它作为A类战略性先导科技专项来攻关研发。

记者:所以根据您的介绍,智能导钻技术就是未来勘探开发深地、深海油气资源的“金钥匙”。那么它与现有的旋转地质导向技术相比,性能会有哪些提升?

朱日祥:我们可以解剖一下导钻技术体系,其中地质导向就像“眼睛”,进入地下后既要看得远、还要看得清;旋转导向像“四肢”,行动要灵活,试想一下不管是采油采气,我们都是要在固体介质打钻,这就肯定要用一个刚性的东西去打,而且需要这个刚性物能够灵活转向、灵活行动;导向决策就是一个“大脑”,你想让它去哪儿就去哪儿,对比在空气介质中的空中制导,在介质密度更高的地下环境制导其实要难得多,这也是我们今天仍然不能对地下像在空中导弹一样有那么好的智能和一些智能系统的原因。

我们现有的地质导向看得不够远和清晰,旋转导向行动不够灵活,导向决策又依赖于人的经验。对比之下,智能导钻技术能够精准刻画、摸清目标,高效执行、打准目标,且能依据地质认识和实时观测数据实现智能控制。

智能导钻技术是从深层石油地质理论出发,辅以高精度油储刻画,以精密随钻地质导向系统为手段,通过新型旋转导向钻井工具,实现深部钻井智能“巡航”。简单概括它的性能亮点,就是“圈得准”、“定得准”、“打得准”。

记者:智能导钻技术对保障我国的能源安全以及提升我国的科技创新能力会产生哪些积极影响?

朱日祥:智能导钻这项关键技术一旦攻克,就能够破解深层油气勘探开发难题,形成地下6,000米深层油气资源开发整体技术解决方案,从而支撑我国未来20年深层油气和地热能勘探开发,保障国家能源安全。

不仅如此,智能导钻技术还是一个国家科学技术创新水平的标志,可以有力地解决我国石油工业“卡脖子”与“走出去”的问题。因为我们的石油工业和石油公司要“走出去”,总不能拿着别人的装备“走出去”。

研发智能导钻技术装备体系与相关理论,应该形成解决石油工业创新的完整技术链条,这是我们这代人必须解决的问题。同时,为中国的能源战略立足国内、开拓海外提供理论和技术支撑,这也是我们必须要面对和必须着力解决的问题。

我认为,未来智能导钻技术创新将主导新的能源革命。因为智能导钻涵盖了地质、地球物理、电子、机械、材料、自动控制、计算机、通信等多学科领域范畴,因此需要多学科的尖端人才和研发平台来共同参与。另外,我们研发智能导钻技术的核心是“用”字当头,强调“产—学—研—用”,发挥举国体制的综合优势,突破技术壁垒,实现技术创新。

其实我们过去很多仪器研制在实验室中的技术参数并不比欧美的差,那么我们又是差在哪里呢?我们差在没有把实验室的研发走到生产实践中去。所以,我们现在要致力于能源装备“理论研究有进口,成果转化有出口”,真正建立“产—学—研—用”相结合的战略合作平台,使技术创新“用得上”,也要在国际上“有影响”。

时不我待,我们一定要把握引领下一场能源革命的历史机遇。错过了的话,可能十年以后,我们这一代人还得说外国人取得了哪些能源革命成就,我们还得去接受别人的启示。

走好创新道路上的“最后一公里”

记者:把创新科技从实验推广到生产实践中去,这条路要怎么走?

朱日祥:我认为,技术推广是我国创新路上的一个难题,也就是“最后一公里”不容易走。不过我现在有充分的信心,我们正在研制的智能导钻会比我们在申请项目立项时承诺的做得更好。样机是能看不能实际用的,真正有价值的是要在生产实践中使用,哪怕指标比国外的差一点,但是只要它能用,就能解决实际问题。

要想达到实用,仅有国家的科研经费和科研人员的努力是不够的。科研团队不具备企业家的素质,也就是我们不具备把技术向市场推广的素质,所以任何创新技术的实际应用还需要依靠市场,有投资人和企业家来推动。

我们可以回想一下中国家电业的发展过程。上世纪80年代初,那时候能买到一台日本彩电的可不是一般家庭,但是今天这种东西你还珍惜吗?中国厂家制造的家电不比日本的差啊。可这条路也是走了很长时间,所以我们不要期望一上来就能比别人做得好,这对我们的科研要求太高了。但是我们中国人应该有这个信心,现在已经有了国家前期的经费投入和对科研人才的培养,我们有能力、有信心经过若干年的努力,能把智能导钻技术做得和欧美一样好。

我们希望在国家“十三五”规划结束的时候,能把智能导钻项目的实验室技术完成。然后在接下去的五年,把它推广、做到欧美今天的水平,这将意味着我们国家在这方面与欧美的技术差距能够缩小15年。

记者:您又如何看待创新技术对未来石油工业的市场化影响?

朱日祥:我们经常说科技是第一生产力,但是我认为科技要成为第一生产力,必须是“科技创新+金融+市场”,必须有金融和市场的双轮驱动,缺一不可。

首先,页岩气革命把我们带入了一个新的能源世界,使我们今天再看这个世界的时候,似乎感觉化石能源和过去不一样了。所以石油工业需要重新思考商业模式与战略定位,而不仅是要考虑再生新能源,也就是说化石能源本身也需要新的定位。

其次,技术进步让油气工业焕发活力。美国通过水力压裂井使得石油产量逐年增加,甚至从过去世界第一能源进口大国变为了能源可以自给。这是一次革命,也给予了我们很多的启迪。我们今天所说的非常规油气,也许到了下一个十年都会成为常规油气。

那么我们展望一下,下一个十年以后的非常规化石能源是什么呢?也许我们还没有想明白。所以,这就需要科技界、金融界和市场共同开动脑筋,去想想未来究竟会是什么。

记者:按照这样一个科技创新的发展路径,您认为未来中国能不能出现大型的世界级油服公司去参与全球竞争?

朱日祥:这是一个富有挑战性的问题。世界上大多数石油公司都没有自己的勘探服务队伍,可中国的情况不一样,中国最早搞石油工业的时候是举国体制,我们的石油公司啥都有,样样都能做。我个人理解,正是由于中国的石油公司和世界其它石油公司原本的模式不太一样,所以要想在中国这片土地上造就一个和世界其它大型油服公司一样的企业可能有难度。

但是随着全球经济市场化步伐的加快,我们非得走专业化油服公司这条路。大家注意到,现在我国的三大石油公司都开始搞自己的油服板块,油服业务的相对独立性比过去要强。所以我认为,只要我们努力,总有公司能长成为世界级的油服巨头。

责任编辑:赵珊