能源行业巨头抢占量子计算新赛道

  [中国石化报?2024-04-26]
  核心阅读2024年政府工作报告提出，积极培育新兴产业和未来产业，制定未来产业发展规划，开辟量子技术新赛道。量子信息技术是培育未来产业、构建新质生产力、推动高质量发展的重要方向之一，其中量子计算由于具备实现计算能力跨越式发展的可能性，成为受关注度极高的领域。
  量子计算是一种遵循量子力学规律，进行高速运算、存储、处理信息的新型计算。应用在石油化工领域，可在极短时间内处理、分析油气勘探中的海量数据，提高建模精度，使油气业务更安全高效。量子计算未来将对能源行业带来颠覆性影响，也将为我国能源行业发展增添新动力。
  ●李兰
  近日，量子计算服务领域的全球领先企业牛津量子电路公司（OQC）宣布，能源行业巨头雪佛龙旗下的雪佛龙技术风险投资公司已加入其1亿美元的B轮融资。
  牛津量子电路公司首席执行官伊莲娜·维斯比在评论这一消息时表示：“雪佛龙的投资标志着能源领域利用量子计算的一个重要里程碑。我们很高兴能在勘探和可再生能源领域推动创新和提升效率，并在能源领域开创企业级量子技术。”
  牛津量子电路公司的官方声明表示，该公司的技术为石油和天然气行业提供了几个潜在的突破性机会，包括催化剂的开发和优化，以及运输和分销网络效率的提高等。量子计算有望通过模拟复杂分子加速石油和天然气行业对新材料的发现和开发，从而实现产品低碳化。
  能源行业巨头纷纷入局量子计算
  除了雪佛龙外，包括bp、埃克森美孚、挪威国家石油公司（Equinor）、壳牌、道达尔、沙特阿美等在内的能源巨头正在研究量子计算如何帮助其应对最复杂的业务挑战。国际咨询公司GlobalData发布了一份关于量子计算技术及其对石油和天然气行业潜在影响的报告。该报告概述了量子计算技术，并分析了大型石油公司在处理复杂业务问题中对量子计算所做的探索。
  “尽管该技术仍处于研发探索阶段，但其在油气行业的潜在应用案例非常多，并且可能会扩大。”GlobalData油气分析师拉温德拉·普拉尼克表示，“已经确定了几个有前景的应用领域，公司正在与技术参与者合作推进他们的研究。”
  根据GlobalData的《石油和天然气中的量子计算报告》，许多公司正在优先考虑将其应用在上游领域，他们已经注册了许多量子计算在钻井应用方面的专利。拉温德拉·普拉尼克补充道：“将量子计算用于上游仍然是大多数公司的重点领域。”
  2022年3月，沙特阿美与法国量子技术开发商Pasqal公司签署谅解备忘录，就量子计算和能源领域的应用进行合作。Pasqal公司将基于中性原子阵列的应用技术，提供量子领域专业知识，并开发量子计算平台，沙特阿美则提供能源产业知识与产业环境，双方共同实现量子计算在能源领域的应用开发。这项合作还将用于开发量子机器学习，探索量子计算和人工智能在能源领域的应用。沙特阿美表示，由于在全球能源领域率先使用量子计算，已成为量子计算超越经典计算机优势的早期受益者。
  2022年11月，意大利能源巨头埃尼集团与Pasqal公司合作，开发下一代高性能计算解决方案，以增强正在研究的各种能源应用（包括上游和可再生能源领域）的现有高性能计算工作流程。
  量子计算在能源行业大有可为
  量子计算具有超快的并行计算能力，可在极短时间内处理、分析油气勘探中的海量数据，提高建模精度，使油气业务更高效、更快、更安全。未来量子计算不仅影响地质勘探、油藏模拟等涉及大量数据处理、分析和建模的领域，也将给能源行业带来颠覆性影响。
  GlobalData的调研报告显示，目前油气行业对量子计算的应用重点在上游领域。根据权威机构发布的量子计算在油气行业上游领域地质方面的应用及研究，主要包括地球科学解释工作、地震处理以及二氧化碳捕集与封存三个方面。
  一是在地球科学解释工作流中的应用。大多数地下地球科学解释都是以串行方式进行的，解释过程基本上是逐步进行的。自20世纪80年代末以来，地震解释已从2D数据发展到3D数据，再到4D数据。机器学习使解释人员能够同时处理大量数据，确定多种数据之间的关系，提高效率和准确性，并实现解释过程的自动化。其中一些机器学习方法已被用于解决许多地质难题。较为成功的应用包括断层/断裂划分、地层相分布、岩性分类、测井记录关联和预测以及地震直接碳氢化合物指标（DHI）识别。
  如今，机器学习所需的计算机能力和相关架构基本上都围绕着CPU和GPU配置、高性能计算和云计算进行。利用量子计算机挖掘机器学习过程中的潜力，有望将众多不同类型的机器学习和数字孪生应用结合在一起。量子计算有可能帮助识别并结合多种不同类型的机器学习，从而提供更准确的答案，甚至找到科学数据中尚未发现的地质元素。使用量子计算的合成数据集和数字孪生，可以模拟极其复杂的系统，其中包含目前无法应用的组件。对勘探前景和钻探组合进行量子模拟，可以更准确地进行风险分析，优化投资决策。
  二是在地震处理中的应用。目前油气行业对计算机能力的最大需求之一是3D叠前深度偏移地震处理。地震处理公司通常使用世界上最大的超级计算机。然而，即使拥有包括云计算在内的大量计算设施，使用最新算法处理海量数据也会受到计算机能力的限制。
  随着量子计算机和相关新处理算法的发展，计算机能力的限制将得到放宽。一些高级处理算法需要对模型进行迭代，量子计算机能够在极短时间内获得最佳解决方案。量子计算的使用将使地球物理学家能够完成地震处理的“圣杯”，即使用全弹性波场数据进行地震成像，其中包括震源产生的所有波，如主波反射、透射波、转换模式及其倍数。
  利用这些新的建模技术，可以将地球成像为异性的弹性固体。如果量子计算能使地震处理取得相应进步，那么地震采集和设计也必须随之发展。人工智能技术与量子计算的结合是一种独特的、令人振奋的组合，可分析和识别各种沉积盆地的地震反射模式。
  三是在碳捕集与封存中的应用。地质封存涉及将液态二氧化碳注入深层多孔岩石，然后对岩石系统进行监测，以确保注入的二氧化碳在所处的岩层中保持液态。使量子计算在二氧化碳封存中变得至关重要的关键因素是收集、处理和解释严格的二氧化碳监测所需数据的时间范围。
  在监测封存的二氧化碳方面有一项重要概念是“二氧化碳封存必须是永久性的”。这一永久性要求意味着，对全球每个二氧化碳封存地点封存的二氧化碳的监测必须跨越数千年。可以说，监测每个二氧化碳封存点所积累的数据量超出地球科学家所经历过的规模。因此，量子计算对于管理和利用二氧化碳封存活动也至关重要。
  量子计算应用面临的挑战和前景
  GlobalData在报告中指出量子计算等新计算机策略的重要性将是不言而喻的。如果第10代的二氧化碳储层管理者需要回溯到第1代至第9代，并将之前获取的所有三维地震数据卷纳入最新的储层条件分析中，以描述储层稳定性，此时，量子计算的作用至关重要。
  虽然量子计算在地下评估中展现了广泛的应用前景，但仍然存在许多需要克服的困难。其中最大的困难之一是开发能够有效解决地质解释问题的量子算法。这项任务的复杂性和挑战性在于需要兼具量子计算和地球物理学领域的专业知识。此外，目前的量子硬件仍处于初级阶段，量子比特数有限，且错误率较高。这使得将量子计算应用于地震分析等大规模问题变得困难。
  尽管面临这些挑战，但量子计算和地震分析领域已经取得了一些令人瞩目的进展。在2019年，IBM的研究人员为FWI开发了一种量子算法，虽然该算法在同一问题上无法超越经典算法，但它展示了量子计算在地震分析中的潜力。与此同时，得克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员为RTM开发了一种受量子启发的算法，并在合成数据上取得了令人鼓舞的成果。
  为了满足未来石油和天然气资源勘探开发、碳捕集与封存，以及寻找地热能、氦气和氢气的需求，必须显著提升计算机性能。利用量子力学效应，量子计算有望同时处理数百万个计算。总之，量子计算正以其独特的优势，为能源行业带来变革。随着技术的不断发展和应用的不断拓展，它将在能源领域发挥越来越重要的作用，助力能源行业实现更高效率、更可持续的发展，也将为我国能源行业发展带来新的机遇和挑战。
  延伸阅读：革新油气行业的十大技术
  本报讯自1999年以来，石油和天然气行业的全球供应量增长了36%，其中大部分新增供应量都来自复杂或难采油藏。那么，在过去25年里，哪些重大技术突破并重塑了石油和天然气行业？国际石油工程师协会（SPE）筛选出过去25年的十大技术突破。
  水力压裂和水平井
  水平井及分段水力压裂技术扭转了美国石油产量的下降趋势，帮助其成为世界最大的天然气生产国。加拿大、阿根廷、中国和沙特阿拉伯等国也实现了非常规油气产量的大幅增长。
  深水勘探
  从钻井船的设计到新型海底电子设备、防喷器以及各类高压高温技术，使油气勘探向深水、超深水领域迈进。钻井水深从约6000英尺（约1828.8米）向13,000英尺（约3962.4米）发展。目前深水油气产量约占全球产量的6%，未来有望持续增长。
  自动钻井
  通过将先进的自动化软件与现有的钻机技术和控制系统相结合，自动钻井取得突破性进展，大大节省了钻井时间和费用。但在大多数情况下，人工监督仍然发挥着至关重要的作用。
  光纤
  井下光纤传感技术主要应用于井下压裂过程中的裂缝检测，有助于校准井下裂缝和储层模型。目前，光纤的应用还扩展到生产分析、泄漏检测等方面。
  地震处理
  三维地震采集和成像技术的进步带来了世界各地的重大海上发现，解决了复杂地质成像难题。利用海底节点的4D地震技术，为大型海上项目带来了巨大的价值。
  高级断裂建模
  裂缝建模技术的发展考虑了更多的地质和地质力学复杂性，可以模拟更真实的地下裂缝网络，为作业者决策提供更准确的依据。
  旋转导向系统
  旋转导向系统（RSS）是远程定向钻井作业的关键推动因素，它允许一名钻井人员同时监督多台钻机作业，是进一步实现自动化钻井的关键组成部分。
  射孔
  射孔技术的进步包括射孔枪可靠性、有效性的提升和成型炸药的改进，使作业者能够确定射孔的尺寸、方向和数量等最佳参数，从而提高射孔效率和单井产量。
  储层表征
  储层表征是一种定量确定储层性质、识别地质信息及空间变化的方法。微流体技术的进步可以实现更快、更完善的压力-体积-温度(PVT)分析，地球化学分析可以确定页岩油气的实际产出层数，机器学习模型则可以实时预测气油比。
  大位移钻井
  大位移钻井（ERD）技术通常被用作从陆上钻井地点获取海上储量的一种方式。2022年，阿联酋ADNOC公司以一口5万英尺（9.4英里）长的井创造了新的ERD纪录。（子衿）
  链接：伊利斯与雪佛龙合作开发用于地震解释的人工智能算法
  本报讯伊利斯（Eliis）公司已与雪佛龙公司签订合作协议，共同开发用于地震解释、地下表征和建模的先进人工智能算法，并将其商业化。
  通过将雪佛龙用于自动断层检测的人工智能模型与伊利斯用于高级地震解释的方法相结合，有望使所有地质环境中执行结构解释所需的时间减少几个数量级，同时实现地下数据的无缝管理、可视化和分析。
  伊利斯首席营收官弗朗索瓦·拉费里埃表示：“将雪佛龙尖端的人工智能技术与伊利斯古生物扫描自动化功能相结合，将为高级地震和地质解释市场提供一套完整且强大的解决方案，为从地震到模拟的整个自动化工作流程铺平道路。”
  他还提到：“此类解决方案对于碳封存研究至关重要，全面断层解释是评估潜在封存地点的密封完整性以及二氧化碳通过传导断层泄漏至地表风险的关键因素。我们的综合方法有助于实现未来项目的成功。”
  伊利斯产品经理洛朗·苏什表示，通过此次合作，将雪佛龙先进的人工智能算法集成到伊利斯在市场上领先的地震解释平台中，为客户提供更高的效率和独特的见解来应对地下挑战。
  对于这一领域的未来进展和人工智能的实施，拉费里埃说：“在地球科学领域，伊利斯认为人工智能成果不是最终产品，更多是支持现实应用的关键技术。”（古岳盛）