信息智慧开启能源宝藏“黑箱”

  哪束光能唤醒沉睡的油气藏
  [中国石油报2019-08-27]去年我国工业机器人消费总量为13.5万台，连续第6年成为全球最大的消费市场，2014年以来全球特种机器人产业规模年均增速达12.3%，2019年全球特种机器人市场规模将达到40.3亿美元。至2021年，预计全球特种机器人市场规模将超过50亿美元。
  国内石油行业率先开展了MES、智能油田、智能管线的研发和建设。随着5G的到来，更多沉睡的油藏将加速奔向曙光。
  1993-2012年，超级计算机的性能以每10年提高1000倍的速率增长，从2013年起，上升速率变缓，如果没有大的突破，可能降低为每10年100倍左右。2025年全球企业高性能计算市场将达到315亿美元。传统HPC应用案例AI的HPC应用案例
  数据处理能力1976年超级计算机浮点运算1.6亿次/秒，2017年台式电脑浮点运算超过1万亿次/秒。2019年，人类的最强超算，是《三体》描述的297.2倍,人类算力的发展速度，比科幻还科幻。
  每一天，我们都在创造10的18次方字节数据，相当于1000万张蓝光碟片，叠起来的高度是埃菲尔铁塔的四倍!
  当前全世界90%的数据都是在过去2年创造的！
  经过长达百年的开采，全球油气勘探开发对象已逐步从常规转向非常规、从陆地转向海洋、从浅层浅水转向深层深水，开采难度越来越大，对技术及装备的要求越来越高。在当下的油气技术框架里，油藏仍然是一个“黑箱”。目前，探开成功率仅30%左右，而受技术限制,海洋的油田采收率更低。
  如何唤醒更多的油气藏？聚焦能源行业，全世界信息技术精英使出了浑身解数。能源行业每天都产生的数以亿计的大数据，高性能计算（HPC）等一批“国产犁”，深耕沃土，攻克中国“上天”“入地”的一道道难题……面对能源短缺，哪束光能照亮能源宝藏的“黑箱”，唤醒更多的油气资源？
  人工智能工业领域快速集结
  欲全面“武装”高危石油石化行业
  机器人被称作“制造业皇冠上的明珠”。8月20日开幕的2019世界机器人大会暨展览会上，走进特种机器人展区，在中信重工开诚智能的展台，记者惊奇地看到了已在中国石油长庆油田采气厂上岗的智能巡检机器人。
  2014年，由日本亿万富翁孙正义创办的科技集团软银，正在与阿里巴巴、富士康成立机器人合资企业，大举押注智能个人机器人的未来增长。孙正义称：“在30年的时间内，我希望机器人将成为软银集团产生利润的核心业务之一。”2014年下半年至2016年年末，石油天然气行业经历了快速衰退、持续萧条阶段。2017年上半年，石油天然气行业缓慢复苏，下半年加快复苏，行业进入新一轮的景气周期。机器人行业快速集结，开始“武装”石油石化行业。
  随着计算机技术的发展，油气勘探从以前只能给地球拍X片进步到现在可以做B超、做CT，呈现在地质学家面前的地下图像越来越清晰，越来越深入，人们的认识不断深化。新一轮科技革命和产业变革正在重构全球创新版图和经济结构，以人工智能为代表的新一代信息技术加速突破，机器人在全球范围内的研究、开发和应用快速发展，并向生产生活各个领域深度渗透。机器人正从搬运、装配等传统应用领域向更加智能化、精细化的先进制造、医疗健康、生活服务等领域快速延伸。
  在两三年前世界机器人大会上，记者发现还只有很少的几款机器人适合高危巡检，询价时价格还高达几百万元，让人望而生畏。2017年上半年，石油天然气行业缓慢复苏，下半年加快复苏，行业进入新一轮的景气周期。如今，很多公司都瞄准石油石化领域，加上中国制造，已使巡检机器人价格正在快速平民化。
  当前，机器人技术正在发生重大变革。聚焦于工业制造领域，机器人技术正快速拓展并积极应对各种全新挑战。各种新兴机器人与人类之间开展互动和探索，并且为人类提供协助和服务，将日益影响人类及其工作和生活。
  如今，机器人技术发展强劲。从新材料和制造方法、机电一体化、驱动和传感器到功能强大的计算系统，算法和方法论的重大进步以及关键技术的显著融合，证明了相关领域已日趋成熟。中瑞福宁展台，一款四足机器人赚足了眼球，目前世界上仅有波士顿动力的可与其媲美。手术机器人、脑控外骨骼机器人等在临床医学和康复领域大显身手……智能机器人时代正在加速到来，在医疗健康、服务业、工业以及场地机器人技术等众多领域，有望为全球经济、生产和文化带来巨大的潜在效益。
  中国科协党组书记怀进鹏介绍，变革时代的机器人技术日新月异，网络化、智能化和融合化趋势日益显著，带动了新旧动能转换加速，促进了数字经济与智能制造协同发力，并不断改变着我们的工作与生活。许多前沿核心技术突破涌动，新产品爆发性增长，产业欣欣向荣。据统计，2019年上半年全球机器人市场规模达到144亿美元，而中国机器人市场规模为42.5亿美元。产品结构不断丰富，应用场景持续延伸。机器人产业链逐步向中高端聚集，新材料、核心零部件、主控芯片、操作系统以及自主学习、协同算法等领域的创造能力已经成为全球在机器人领域竞争的核心要素和专业方向。从今年的会展来看，产业研发更系统、应用创新更深入，人才队伍快速发展，正引领我们开启智能时代的大门。
  工业和信息化部部长苗圩介绍，伴随着全球机器人的快速发展，中国机器人产业也取得了长足的进步。2018年中国工业机器人的产量达到了14.8万台套，占全球产量的比重超过了38%。服务机器人产品类型也日益丰富，已深入到了家居生活和日常工作的各个方面。今年以来，受国际经济发展环境的影响，全球工业机器人增长放缓，同时机器人产业在发展过程当中也面临着自身许多问题和挑战。关键核心技术需要进一步提升，应用场景和领域需要进一步拓展，风险防控和法律法规体系需要进一步完善等等。但总体来看，作为新一轮科技革命与制造业融合创新的重要载体，机器人仍然是推动新旧动能转换，推动经济高质量发展的重要动力。随着全球产业转型升级步伐的加快，消费升级的加速，特别是机器人技术创新和应用领域的拓展，供给能力的提升和需求规模的扩大，机器人产业将继续保持快速发展势头。
  机器人大会主论坛上，去年首次出现负增长的中国机器人市场成为关注的焦点：多年来一直保持着全球最快增速的中国市场去年首次出现了3.75%的负增长，全球机器人市场也由以往的两位数增长变成为1%的增速。
  这些增长大多集中在大量使用机器人的智能化工厂，具有高度的灵活性和多功能性，为快速满足新任务和生产活动的需求，工业AR可用于监控流程和生产流程。
  服务机器人的泡沫开始破灭，但在高危行业有不可替代价值的特种工业机器人正在崛起。2019世界机器人大会开幕式上，由中国电子学会编写的《中国机器人产业发展报告2019》亦同期发布。报告显示，近年来，全球特种机器人整机性能持续提升，不断催生新兴市场，引起各国政府高度关注。2014年以来全球特种机器人产业规模年均增速达12.3%，2019年全球特种机器人市场规模将达到40.3亿美元，至2021年，预计全球特种机器人市场规模将超过50亿美元。
  新松机器人自动化股份公司总裁曲道奎认为，机器人市场的调整只是一场“倒春寒”，未来5到10年，机器人的替代率要到30%以上，而如今全球机器人密度只有0.85%，技术突破、制造模式变革、生产要素变化将为机器人提供新的机遇，新一轮爆发式增长正在酝酿中。在国家深空、深海、深地等战略实施引导下，很多航天企业如北京航天自动控制研究所、航天新长征大道科技等携先进控制技术“落地”，而机器人创业公司如博雅工道等，也纷纷“下海”，其水下机器人智能仿生鲨鱼无人潜航器ROBO-SHARK，可完成水下高速追踪、海洋科考、地貌测绘、水文监测等任务，对深海资源开发跃跃欲试。
  大考面前企业未雨绸缪
  数字技术驱散油藏工程“迷雾”
  尽管在近年来尝试了各种努力，但世界第四大油服巨头威德福国际（下简称“威德福”）最终还是走向了破产重组。2019年5月10日，威德福在其官网发布公告表示，计划提交《美国破产法》，开启破产重组工作。这一决议的宣布，意味着这家有71年历史的油服巨头，迎来了生死攸关的大考。
  面对生存挑战的，恐怕不只有威德福。每次技术革命，都有企业在倒下，但也有企业在崛起。近年来，一批中国石油服务企业包括民企依靠自主技术研发，发展势头迅猛。在某些领域，已经逐步具备与国际石油巨头一较高下的实力与底气。
  “对行业有深刻的洞见，能够预测未来的发展趋势，科学决策。很多研发、新项目一时看不到效应，但终会守得云开见月明。”出身中国科学院的海默科技(集团)股份有限公司(以下简称“海默科技”)董事长兼CEO窦剑文介绍。
  2014年下半年至2016年年末，石油天然气行业经历了快速衰退、持续萧条阶段。当AlphaGo在2016年3月打败世界围棋冠军李世石，在全世界掀起一股人工智能热潮时，一些有眼光的公司开始考虑如何将人工智能引入油服行业。
  深水勘探对技术要求很高，勘探风险和投入都很大。特别是用于井流检测与计量的水下多相流量计，一直是中国石油企业严重依赖进口的“卡脖子”技术产品。中国企业每年需要从国际水下多相流量计生产商手中，以每台约800万-1000万元人民币的价格进口，这增加了深水勘探的成本支出与潜在风险。
  针对于此，在多相流量计深耕多年的海默科技，2016年承担了中国海油研究总院牵头的国家科技部“十三五”水下生产技术子课题“水下多相流量计样机研制”项目研发。该项目旨在打破国外技术垄断、实现1500米水深范围内的水下多相流量计的国产化。
  多相流量计宛如一台工业CT机，通过放射性横切面扫描，实时监测油井出来的原油、天然气和水的产量。这是一次重要的技术革新。在此之前，油田一直是把原油、天然气、水分离开，分别计量。随着研究的深入，2017年，海默科技研究院又成立了大数据研发部，聚焦于智能仪表开发及生产优化智能决策应用。同时，作为工信部重点项目水下两相湿气流量装置研制的课题负责人，海默科技将首次在国内开发出适用500米水深、可应用于气田的湿气流量计，打破国外垄断。目前，大数据研发部已开发出多相流大数据应用平台和多个AI模型。结合已有的分注分采井下工具，利用AI技术开发出智能分注分采生产优化整体解决方案。
  今年8月上旬，海默科技召开了油气生产智能化技术研讨暨新产品发布会，发布会推出了石油领域数款黑科技，其中最让人震撼的莫过于国内首台水下多相流量计工程产品。远在苏格兰的英国国家工程实验室是国际上多相流技术最权威的机构，正式出具的测试报告认为，海默创业初期研发的第一款产品代表了该领域“当前的技术发展水平”。凭着这块敲门砖，海默进入了素以严苛而著称的壳牌的供应商名单，并以此为契机，逐步打开了阿曼、阿联酋、科威特、南美、印度和马来西亚等国际市场，也让海默科技引入风投、上市、再融资、并购……驶入了发展快车道。
  在油气市场竞争主体日趋多元化之际，不断涌现的海默科技等石油科技民企，不仅用数字技术驱散油藏工程“迷雾”，更给中国油气行业特别是海洋油气开发注入了一剂强心剂。
  除了油服企业，还有很多传统产业的石油公司，一方面通过生产模式变革“触网瘦身”，另一方面在加大科研投入，增加对地下油气藏的认识。
  油藏工程因其数据量大、信息杂、分析难等特点，被认为是充满“迷雾”的领域。
  如今，针对油气勘探开发中另一个重要环节面临挑战，数字岩芯技术横空出世。
  数字岩芯技术通过扫描电镜、CT或离子束等设备获得岩芯的平面、立体图像，图像精度可以达到纳米级别，能够区分油气分子可以通过的最小孔径。在此基础上，可以利用AI从图像中识别岩芯中的各种矿物成分、孔隙等，构建数字岩芯模型，继而利用数字岩芯模型，模拟计算岩芯孔隙度、渗透率等各种结果，进而获得测井解释需要的各种基础数据，以及油田采收率、化学驱替关系等。利用数字岩芯技术，可以在油田开发不同阶段用同一块岩芯数字模型重复模拟，这在实物岩芯实验中不可能完成。实物岩芯实验周期长，经常赶不上决策需求，然而数字岩芯配上超级计算机，时间不再是问题。
  数字岩芯可以作为认识岩石的DNA，构成数字油田的基础数据，助力油田大数据分析。中海油难海西部石油研究院油藏研究人员从各类数据中总结出了大量规律。其中，储量及规划一体化研究平台通过大数据分析，完成储量构成与增长规律、采收率等参数预测，进行未动用储量定量分类和排序，并通过优选形成科学高效的油气田开发中长期规划编制方法，指导海上油气资产高效利用，引领勘探开发生产。
  中国工程院院士韩大匡牵头的中国工程院重点咨询项目“大数据驱动的油气勘探开发发展战略研究”启动，他率领中国石油勘探开发研究院、工程技术研究院、清华大学等的相关研究团队，分地震、钻井、测井、油藏描述及油藏工程一体化、及智慧油田和装备的健康管理5个课题进行攻关，旨在开发更多油气资源。
  在智慧油藏、纳米驱油等领域，全球新一轮科研合作已经展开。中国石油一批科研人员还承担了沙特阿美石油公司相关科研项目。前些年，中国石油已提前启动一批油田物联网实时采集数据、勘探开发梦想云、油藏精细描述及大数据研究项目，旨在揭开地下油气藏的神秘面纱。
  ICT“国产犁”深耕石油数据
  高性能超级计算播种能源转型
  聚焦能源行业的智能化转型，全世界技术精英使出了浑身解数。特别是机器人搭载的计算架构日益先进，并能够与高性能云计算基础设施相联通，实现对海量异构数据的集成、存储与计算，切实解决工业数据爆炸式增长与现有工业系统计算能力不相匹配的瓶颈问题，加快制造业以数据为驱动的网络化、智能化进程。有了高性能计算为基础，未来企业控制机器人团队比管理人类员工要容易许多。
  面对能源特别是油气行业每天产生的数以亿计大数据，中国一批企业如联想、华为等利用大量处理单元的聚合计算能力来解决油气勘探领域物探数据分析解释、油藏数据模拟等复杂问题，特别是高性能计算（HPC）的“国产犁”，攻克中国“上天”“入地”的难题。
  HPC高性能计算集群也被称为“超级计算机”。高性能计算已成为继理论科学和实验科学之后科学探索的第三范式，被广泛应用在高能物理研究、核武器设计、航天航空飞行器设计、国民经济的预测和决策、能源勘探、天气预报、卫星图像处理、情报分析、互联网服务、工业仿真等领域，对国民经济发展和国防建设具有重要的价值。它作为世界高技术领域的战略制高点，已经成为科技进步的重要标志之一，同时也是一个国家科技综合实力的集中体现。第二次世界大战时期，靠人力计算火炮的弹道非常困难，战争对计算能力的需要促进了第一台电子计算机的诞生；早期的高性能计算机主要应用于解决军事领域的计算问题，如美国在上世纪60年代使用CDC超级计算机进行弹道计算、火箭设计等工作。20世纪90年代中期以后，随着机群技术构建的高性能计算机的普及，高性能计算的成本和编程的复杂度大幅度下降，为高性能计算的广泛使用创造了条件。现在高性能计算已经渗透到各个学科领域，不仅在气候模拟、石油勘探、天体物理这些传统应用领域保持强劲的生命力，在生命科学、人工智能、大数据处理这些新兴领域也有广泛的应用。据悉，国家海洋局搭建了一套高效的海洋环境监测预警高性能平台，提升了国家海洋局对西太平洋海域的环境监测能力、管理能力及预警能力。
  HPC高性能计算和油气勘探密切不可分。中国石油已在东方地球物理公司部署了HPC集群。在部署之后解决了哪些问题？在生产中带来了哪些改变？为能源行业的智能化转型提供了哪些借鉴呢？今年7月中旬在京召开以“融合计算”为主题的2019联想全球超算峰会上，中国石油东方地球物理研究院数据中心总工程师赖能和介绍，过去的40年，计算机从小型机、大型机、巨型机到现在的超级计算机四个阶段，计算机发展推动了整个油气勘探发展的四个阶段：从当年的光电、全数字、全三维，到今天的高精度勘探，这就是计算机发展以后，物探技术相互促进。
  赖能和介绍，油气勘探实际上就是给地球的近地表做CT，计算量很大，如果没有高性能计算机的话，物探很多算法是实现不了的，也谈不上高精度勘探，也谈不上高精度成像。现在已经进入海量数据采集的时代，采集点非常密。海量数据采集主要是为了提升勘探精度，很多场景都会用到高性能计算机：30年前高性能计算就是高大上的，只用在数字处理这一个环节，今天第一个环节就要用到高性能计算机了。比如说采集设计，就会用到AI技术，通过高性能服务器来做设计的轨迹。第二，在采集的过程中的数据质量控制，从过去的常规勘探到了高精度勘探，又到了高密度勘探，今天又有了混采技术，这些都需要强大的计算机技术的支持。第三个阶段就是处理，海量数据对计算有很高的要求，这不仅在数量上，还有性能上，不仅是CPU，还有存储，还有前期的一些算法。解释方面，现在必须用到高性能计算，过去都是一些小的工作站就可以做解释工作了，现在不行了，现在需要有非常高性能的服务器，因为还有很多做叠前反演，做叠前反演也是并行计算。
  未来，进入大数据时代以后，对能效、成本、存储、算法优化等提出了非常高的要求，海量计算的并行数据特别多，对存储的并行能力要求很高，需要低延迟。在传统石油勘探应用领域，计算问题一般采用划分网格的方式来解决，随着应用的物理建模不断精细，数值模拟分辨率越来越高，对计算能力的要求也越来越高。随着油气行业勘探难度加大以及改革进程的加快，石油行业需要的高性能系统,要具有强大的硬件性能表现及能耗比、有优秀的开发应用软件技术配套、符合石油石化行业发展需求、符合开放标准，并且有广泛的合作伙伴支持。HPC高性能计算对于整个能源行业的发展都起到推动作用。特别是中国石油借助联想后台强大的开发能力，对中国石油云管理平台提供的服务接口与各业务部门间不同应用进行了无缝整合，实现了云管理平台对整个资源池自下而上的统一调度和管理。如大庆油田通过HPC系统进行勘探开发和油藏模拟计算，帮助大庆油田进行深层天然气勘探的地块资料的处理。
  中国的超算在崛起。作为诞生于中国科学院的民族企业，联想今年发布了“深腾X9000融合计算平台”。不管是高性能计算还是融合计算，都是利用先进的计算能力去理解和解决复杂问题。联想数据中心业务集团能源行业总监郭鹏介绍，面对未来的融合发展趋势，联想将以HPC为核心，聚焦技术融合、行业融合、生态融合，从三个方面助力行业破局发展。在刚结束的国际超算大会（ISC2019）上，联想再次蝉联HPCTOP500榜单的世界第一、中国第一。
  在石油石化行业，依托极具潜力的信息和通信技术（ICT）市场，华为与越来越多的合作伙伴紧密合作：在中国石油，华为S12800数据中心交换机独家承建了中国石油两地三中心的核心网络，华为SAPHANA服务器服务于中国石油ERP应用，华为存储进入了中国石油灾难恢复系统等；在中国石化，华为存储、服务器已成为中国石化的主要供应商，SAPHANA一体机高效支撑中国石化海量销售数据统计，云计算应用于安全桌面云；在中国海油，华为敏捷网络解决方案支撑广域网高效稳定运行……这一切正加速华为成为油气企业ICT最紧密的合作伙伴。
  我们相信，今天科技领域的播种，日后定将造福更多的油气资源。