第一章 石油工程跨界融合技术创新现状
在能源加速转型、技术跨界融合的深度和广度不断深入的大背景下，石油工程面临资源类型多元化、开发条件复杂化、环保要求严格化、技术发展加速、发展环境不确定性增加等一系列挑战，新材料技术、数字技术、机械电子光学技术与石油工程技术深入融合，为石油工程技术创新的需求导向、成本效益导向和竞争发展导向的行业特色赋予了新的内涵。
第一节 石油工程发展面临的挑战
能源消费由黑色高碳向绿色低碳发展是历史发展的必然趋势，2014年以来的油价暴跌和新冠肺炎疫情的暴发在一定程度上成为了能源转型的助推器，加速了能源的低碳化，为石油工程发展带来了新的挑战。
一、油气资源劣质化的挑战
（一）勘探目标复杂化带来的施工难度提升
国家油气战略研究中心和中国石油勘探开发研究院联合发布的《全球油气勘探开发形势及油公司动态（2021年）》显示，全球海域油气勘探开发步伐明显加快，海上油气新发现超过陆地，储产量实现稳步增长，成为全球油气资源的战略接替区，全球海域油气逐步进入深水开发阶段。2020年，全球海上共发现油气田65个，合计可采储量14.4亿 t油当量，占全球新增总储量的74.6%，高于2019年的68%。其中，超深水区（水深大于1500m的水域）占33%，深水区（水深400～1500m的水域）占38%，浅水区占29%。陆上新发现占新增总储量的25.4%，主要在极地高寒地区，传统勘探领域油气新发现逐渐减少，主要靠老区精细挖潜。随着中浅层油气勘探开发程度不断提高，油气发现难度加大，全球深层油气的新增储量呈明显增长趋势。我国从20世纪60年代开始探索深层油气勘探，目前已经发展到规模增储上产阶段，以塔河油田等海相油田、库车山前克拉2气田为代表的一批深层油气田相继被发现和开发[1]。
油气勘探目标向非常规、深层、超深层、深水、超深水、极地等类型资源推进，对石油工程提出了更高的要求。以深层、超深层油气开发为例，深层地质高温高压，环境复杂，难钻地层多，井下不可预知性增加，对石油工程技术和装备的要求大幅升级：深度增加，压力体系复杂导致井身结构层次增多，施工难度上升，施工效率下降；钻穿多套地层，深部地层古老、研磨性强、硬度高，钻井速度慢，需要进一步强化钻井参数、提升破岩工具性能；高温环境对钻井液、固井水泥浆的耐温性能和井下测量控制仪器、测试工具等的寿命和可靠性均带来巨大挑战；高压环境必须使用高密度钻井液及超高密度水泥浆，影响破岩效率，增加固井难度。
（二）资源品质劣质化带来的弱经济性
随着常规油气田普遍进入开发中后期，资源条件变差，“多井低产”不断加剧，非常规资源地质条件差、开采成本高、效益开发难度大。图1-1为油气资源金字塔结构，常规油气资源易于开发，但资源量少，非常规油气开发难度大，但资源量多，是未来的勘探开发重点[2]。随着勘探进程的推进，优质资源越来越少，低渗透和致密储层等低品位资源在新增资源中占70%以上[3]。近几年，中国石油新增石油探明储量90%以上来自低渗透和特低渗透油藏。美国石油炼制协会年会统计显示，世界石油探明可采储量中以重质和中质油居多，原油产量中以轻质和中质居多。未来新增原油供应将以中质和重质油为主。
图1-1 油气资源金字塔
低渗透、低压、低丰度、重质和含硫、高硫原油比例增加，对石油工程技术和装备水平提升提出了更高要求。据美国地质调查局估计，全球重油储量为3万亿 bbla，以目前全球石油消费速度，将可以维持消费100年，但利用现有技术只能开采其中的3000亿 bbl。我国的致密油气资源分布广泛、储量较多，关键技术已基本成熟，部分地区已建成规模产能，但不论是高温、高压、高含硫的超深层“三高”油气藏，还是低渗、低压、低丰度的“三低”致密油气藏，在当前技术经济环境下都难以实现效益开发。
二、能源转型的挑战
（一）能源转型带来的石油工程市场规模缩小
能源消费由黑色高碳向绿色低碳发展是历史发展的必然趋势，随着时间推移，太阳能、风能等新能源在全球能源消费中的比例不断增大，煤炭、石油等传统化石能源在全球能源消费中的比例呈现下降趋势，天然气占比稳中有升，图1-2为全球能源消费构成变化趋势[4]。2019年以来，新冠肺炎疫情一定程度上成为推动能源转型的助推器。参与氢能、储能、光伏发电、陆上风电、海上风电等各类可再生能源和碳捕集、封存与利用投资，追求碳中和、低碳排放、绿色清洁能源，从传统石油公司向综合能源公司转型已成为越来越多石油公司的共识。
图1-2 全球能源消费构成[3]
石油公司根据自身的资源特征和技术组合优势，缩减油气投资，向非油气领域拓展。挪威国家石油公司依托其海上油气勘探开发的经验，结合区域作业特征，选择海上风电业务作为公司转型发展主要方向。BP公司正式宣布增加对非石油和天然气业务的投资比例。壳牌公司坚持执行“压油、增气、拓绿”战略，计划购入可再生能源领域的技术公司，将电力等融入公司新的商业模式。
石油公司压缩油气投资特别是风险程度较高的上游投资，导致石油工程市场规模缩减，很难回到2014年峰值时期的规模，如图1-3所示。2020年全球勘探开发投资比2019年下降约30%。全球动用钻机数量大幅回落，2020年动用3392台，同比下降22%。北美地区勘探开发投资降幅*大，同比下降44%，比2014年的峰值下降了71%，中东地区降幅较小。从专业来看，物探装备和服务、油田生产服务、钻完井服务降幅超过30%，测录试服务降幅为28%，油田工程建设服务降幅*小，为14.9%[5]。
图1-3 全球油田服务市场规模[5]
（二）石油工程研发要以更少的资金来应对更紧迫的需求
2014年，原油价格发生断崖式骤跌，从115.19美元/bbl下跌到48.11美元/bbl，2015～2016年一路狂跌并一度维持在25美元/bbl上下，2017～2019年有缓慢上涨，但在2020年又出现了史无前例的负油价。低油价不仅打击了石油公司在油气领域的投资热情，也促使他们不断压低工程服务的价格来保障项目的经济性。
2014年以来，石油工程各类服务价格都呈下降趋势[6]，如图1-4所示。虽2016～2019年有小幅上涨，但2020年又有大幅下降。其中钻完井的降幅*大，相对2014年下降43%；超深水钻井平台的日费率已经非常接近海上钻井公司的运营支出。
图1-4油田服务价格指数
在石油工程市场量价齐跌的态势下，油田服务公司整体收入严重下滑，都面临资产缩水、现金流紧张、经营亏损的情况。油田服务行业净债务水平不断攀升，2020年比2018年上涨了67%。美国页岩油气产业总体上处于亏损状态，30%的页岩气运营商资不抵债，行业减记资产价值高达3000亿美元。2020年成为了油田服务行业破产备案创纪录的一年，其中钻井承包商、海上施工业务处于困境的比重*大。
在经营状况窘迫的情况下，国际油田服务公司的研发投入强度均有所缩小。贝克休斯公司、斯伦贝谢公司、哈里伯顿公司的研发投入强度分别从2015年的3.07%、3.08%和2.79%，下降到了2.87%、2.5%和2.13%。与收入下降的趋势叠加，研发投入的绝对数额都有所下降。在需求提升和投入收紧的双重压力下，石油工程行业要用更少的科研投入来驱动更多的资源，服务于更紧迫的需求。这要求石油工程在技术创新的同时，必须不断创新管理模式和运营方式[7]。
三、低碳发展的挑战
（一）碳排放约束下的合规性难度提升
当前，应对气候变化、推动温室气体减排已经成为世界各国的共同责任，在各国政府、私营部门和民间团体广泛认识到实现温室气体净零排放的紧迫性。在全球一半以上的国家承诺碳排放在2060年之前实现中和的背景下，碳排放成为能源发展的约束目标，减少碳排放已成为企业的首要考量，成为政策和战略制定的前提条件。壳牌、 BP、道达尔、埃尼、雷普索尔等石油公司都做出了净零排放的承诺，提出了分阶段实现净零碳排放的战略路径，开始采取严格措施控制污染排放和碳排放，将环境治理融入公司日常管理决策过程，加快调整生产方式，加强油气全生命周期减碳管理，关注碳利用，采取将高管和员工的薪酬与减排目标挂钩、内部碳价机制等措施来确保公司减排目标的实现。石油工程作为油气生产环节的重要构成部分，必将面对更严格的碳排放要求，合规工作将变得越来越严格和复杂。随着碳税、碳排放交易机制在全球逐渐增多，这种合规性将转化为经济性的重要影响因素。石油工程需要对技术装备进行升级改造，不断提升低碳运营能力，以减少油气生产产业链的碳足迹。
（二）碳排放约束下保障供应及油气资源竞争力的挑战
全球主要能源智库都对未来能源发展作出展望，在21世纪中叶以前，石油与天然气在世界一次能源中的占比仍将保持在55%以上。虽然能源清洁低碳转型的方向得到广泛认可，但在2050年以前，石油与天然气作为主导能源的地位仍难以撼动。石油工程投资约占据油气上游投资的60%，石油工程技术及装备的水平决定了可开采资源量及开采的经济性，也决定了油气资源与新能源的相对竞争力水平。要保证油气在能源行业的竞争地位，保证能源供应，低成本石油工程技术需进一步升级；要实现油气产业链的低碳化，需全面启动相关脱碳、零碳、负排放技术的全局性部署；要抓住战略转型的窗口期，打造绿色低碳竞争力，率先制定低碳运营行业规则和技术标准。这些都对石油工程技术发展的方向和目标提出了更具体的要求[8]。
四、技术融合带来的挑战
大数据、云计算、人工智能、机器人、3D打印、虚拟现实、量子计算、量子通信、物联网等高新技术快速发展，催生新一轮科技及产业革命。高新技术蓬勃发展及其交叉融合、群体发展的协同效应，使得打破学科界限、推进知识大融合成为了科学技术发展的重要趋势。石油工程以应用为导向，承载了多学科多专业的发展成果和技术成就，交叉融合了材料、信息、机械、电子、物理、化学、化工等多学科领域的理论和技术。目前，信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术等高新技术快速发展，并向石油工程不断渗透与融合，推动油气产业加速转型升级和工程技术升级换代。
技术交叉融合缩短了技术发展周期，增加了颠覆性技术产生的概率，前沿技术的交叉融合导致产业边界不断模糊，领先者历经几十年所构建的竞争优势可能瞬间被颠覆，这要求石油工程行业必须对前沿技术发展保持敏感。
技术融合也为石油工程技术的科技创新提供了机遇。据 BP公司预测，到2050年，石油工程技术创新可再增加2×1012bbl油当量的可采资源量、增产35%的同时降本24%[9]，如图1-5所示。
图1-5 技术创新提高油气产量降低作业成本[9]
五、发展环境不确定性的挑战
油气资源分布的不均衡性及其在全球经济发展中的战略意义，决定了其受地缘政治、能源结构和供需基本面变化、金融政策、贸易争端、技术进步，以及价格因素等多重因素影响，这些因素深度关联而又表面无序，使得油气行业处在典型的 UVCA（复杂、不确定、不可预测、模棱两可）环境中。新冠疫情的爆发再一次让世界见证了“黑天鹅”事件的威力。如今，油气企业所处外部环境变化的动态性、复杂性、难以预测性、不连续性是空前的，需要油气企业不断打破原有的能力体系，建立新的能力体系，支撑企业可持续发展。在当前逆全球化趋势下，美国以保护知识产权和国家安全为由，限制对中国高新技术产品出口及外商直接投资技术转让等，中国油气企业采用引进消化吸收的技术路线实现创新发展的不确定性增大。
第二节 石油工程技术创新特点
石油工业自诞生以来，始终围绕提高“资源发现率、油气采收率、资源利用率”不断进行技术创新。石油工程技术具有专属性高、系统性强、技术突破难度大、研发周期长、商业化推广难度大等特点。能源转型和技术融合加速，为石油工程技术需求导向、成本效益导向、
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