数字孪生与增材制造的未来可能性
数字孪生、增材制造……小到设备工具，大到产业布局，当新生态系统不断涌现、行业边界渐趋模糊，越来越多的传统企业都在试图通过拥抱新技术，重构自身业务模式，以从容应对企业的周期问题和行业变革的挑战。数字技术驱动作为其共有的特性，通过协助人工提升工作效率、改善作业链流程、节约生产成本，给未来带来新的可能性。
据中国石油经济技术研究院发布的《2050年世界与中国能源展望》，以数字化、智能化和纳米技术为主要特征的第五次油气生产技术革命正在来临。在此情景下，2020年数字化和智能化技术开始在油气生产领域规模化应用，可以提高油气采收率20%以上，成本下降20%以上。
物理世界和虚拟世界的“桥梁”
数字孪生(Digital Twin)，字面意思是指物理产品在虚拟空间中的“数字化双胞胎”。在“双胞胎中”，一个是存在于现实世界的实体，它可以小到一枚零件，又可以大到一家工厂甚至是一座城市；而另一个则是利用数字化技术营造出来的与现实世界相对称的虚拟镜像。因而有人生动地将其比一座能够在物理世界和数字世界之间全面建立准实时联系的桥梁。数字孪生的建立与成熟，有赖于大数据、云计算、人工智能等一系列技术的集成。可以说，数字孪生将引发设计和流程的颠覆式创新。
数字孪生一大亮点，在于其能够贯穿产品的全生命周期，从设计、采购到施工、调试再到运营，复杂资产或流程建模均可适用。传统的复杂资产或流程会与周围的环境发生不同形式的交互作用，因而很难在整个产品的生命周期内开展结果预测。数字孪生的创建可结合各种不同的实际情况，通过实时更新数字拷贝，监测操作的完整性和运营流程、运转设施等性能，还可以通过分析收集到的信息，模拟并评估相应行为，不断优化从油井到处理设施的操作。
因此，在建立数字孪生的过程中，油气公司保持工程信息和过程数据的实时更新至关重要。在不久前的长三角一体化论坛上，国家工信部相关负责人提出，加强5G、大数据、人工智能等新一代信息技术与制造业的技术融合，加快企业全链条数字化改造，加强各业务环节数字化应用和数字的集成共享，面向重点行业产品全生命周期打造数字孪生系统。
在能源领域，数字孪生将成为推进油气行业转型的加速器。一方面，数字孪生能够搭建物理事物或系统的动态软件模型，并依赖传感器数据理解其状态，对变化做出及时响应。简言之，数字孪生通过模拟一系列工艺流程，能够在不涉及物理实体的情况下提供解决方案。由于油气工业资产密集型的性质以及对大量昂贵仪器设备的依赖，再加上这些设备通常在偏远、不安全的地方运行，尤其是对海上作业来说，一经开始就不能轻易关井停产，但各种作业调整、防护及突发事件往往又影响到实际生产，业内人士分析数字孪生最终将成为技术人员与传统监测控制设备组合的代理，有效解决上述难题。
另一方面，数字孪生可以帮助油气企业对设备故障提前响应，使业主运营商能够在故障发生之前预判风险并实施纠正性防护措施，缩短故障停机时间，减少运营成本。今年10月，康士伯数字化公司签署了一项协议，旨在将挪威的Nyhamna天然气处理厂设施实现数字化，作为Nyhamna的技术服务提供商，A/S挪威壳牌公司董事总经理Johnsgaard-Lewis表示，壳牌的数字化战略由价值驱动，其基础是找到更好的解决方案，以推动业务成果的改进，进一步提高天然气设施的生产效率和稳定性。
利用数字孪生驱动价值创造，在油气行业目前已有实际应用。BP公司应用油田生产模拟与监控系统APEX，创建了生产系统的虚拟副本，以优化上游生产。从海底岩石流到井筒立管，再到复杂的石油管道网络，最后到原油加工基础设施，开采石油的流动路径庞大复杂。石油工程师每天都要经过大量计算，确定打开哪些阀门、施加哪些压力、注入多少水。在以往，这些操作都需要个人凭借技能和经验，决策制定相应措施，却也埋藏着潜在的风险。而利用数字孪生模拟与监视系统，能够以数字化形式重现真实世界设施的每个元件，快速模拟即将发生的后果，提升了作业的稳定性与安全性。
尖端制造业发展的重要方向
增材制造(Additive Manufacturing)是近年来工业制造领域的又一变革，是指通过运用计算机辅助设计(CAD)或三维物体扫描仪，以分层制造、逐层叠加的方法制造实体零件。增材制造可分为快速原型制造和金属构件直接制造两大类。
快速原型制造的主要方法有3D打印、立体印刷、叠层实体造型、熔融沉积造型、选择性激光烧结等，主要用于制造尺寸较小的原型样件或模型。快速原型制造具备生成复杂几何图形的能力，从而减少了零件数量和装配时间，提升机械性能。而传统的制造方式是将整体拆分成不同的零部件，以便进行后续安装，比如许多部件被分为两半，再最终焊接成一个完整的构件。相比之下，3D打印则可以直接生成部件，减少损耗。GE(美国通用电气)在其位于意大利的石油天然气工厂开设了一条增材制造零部件生产线，用于制造以激光为基础的燃气轮机，其打印的最大燃气涡轮机运作效率高达64%。
快速原型制造的另一优势体现在能够实现“零库存”。传统情况下，油气工业所需的一些备件使用频率不高，但却对生产至关重要。一方面，由于故障停机所产生的高成本，使得及时交付高质量的部件进行维护维修，成为成本控制的重要环节。
油气公司只能通过储存大量的关键部件，以努力将非计划停机时间缩至最少，却也造成了大量闲置资源的浪费。另一方面，由于很多大油气公司的业务遍布世界各地，如果部件没有足够的库存支撑，而在调度部件上花费过多时间，又将产生昂贵的停机费用。增材制造正是解决这一困境的有效方法。通过按需打印的方式，缩短了备件生产和调配的时间，更减轻了库存压力，优化了设备维护流程。
除快速原型制造外，增材制造的另一类型——金属构件直接制造，采用高功率激光束、电子束、等离子束等对粉末或丝材进行逐层熔化或凝固堆积，直接制造出致密金属零件。相较于传统的大规模生产，这种生产方式在小批量定制产品的生产上更具优势，已在航天、核工业等领域成功应用。尽管金属材料的增材制造技术实现难度较大，但作为整个增材制造体系中最具前沿性的技术，已成为未来先进制造技术发展的重要方向。
探索场景下的多个应用可能
中国石油集团石油管工程技术研究院正朝着此方向进行深入探索，曾联合南方增材科技有限公司，在国内首次将电熔增材技术应用于高钢级、大口径、厚壁三通的制造，产品性能满足“中俄东线站场低温环境用OD1422 X80热挤压三通”的标准要求。据参与此项目的技术专家吉玲康介绍，电熔增材制造技术是对传统制造技术的一次重大变革，通过采用数字化、智能制造技术，无需模具加工，克服了制造能力的壁厚壁垒和无厚度局限，使产品质量更加稳定，同时具有优异的综合性能，力学性能达到甚至超过锻件的水平，其各部位、各方向、壁厚心部和表面的性能和组织均匀，无方向性和厚度效应。
“电熔增材技术通过提升三通的材料性能，使其能够较好适应零下40摄氏度的环境。”吉玲康表示，大口径高强度厚壁三通一直都是我国高压长输管线建设的瓶颈之一。传统的热挤压三通制造方法，受到设备热加工能力的局限性，无法满足标准的壁厚要求。在支管热拔过程中，多次的高温热处理与后续热处理造成表面和中心部位的组织、性能差异明显，中心部位的屈服强度和夏比冲击吸收能量显著下降，屈服强度下降意味着更易发生不可恢复的永久变形，冲击吸收能量下降意味着韧性更低，更易发生脆性断裂。三通管体的焊缝采用手工电弧焊接，焊接效率低、焊缝冲击韧性差制约着管件的整体性能提升。而油气工业的复杂机械需具备鲁棒性能(robust performance)并且满足当地的环境条件，因而采用电熔增材技术成为破解这个难题的有效措施，目前石油管工程技术研究院还在进行相关技术的验证实验。
尽管增材制造的应用场景丰富，并体现出诸多优势，但在法律和监管方面仍需注意，尤其是行业内的认证问题。传统生产模式下，制造商既拥有知识产权，同时又在集中设施中生产零部件。而在增材制造的新模式下，制造商得以在不同地方使用数据实现生产，因而引发了对合理使用知识产权的争议。业界专家认为，解决这一问题可以参照“iTunes”模式，即艺术家通过授权数字媒体播放应用程序，使得公众可以下载音乐，油服公司也可以通过授权使用CAD数据，实现相关零件的3D打印。
油气行业拥抱智能化 迎接新挑战
12月上旬，由北京市人民政府和国务院发展研究中心主办的“2019全球能源转型高层论坛”在京召开。论坛主题是能源技术革命引领产业发展和新业态，物联网、人工智能、大数据、云计算、5G等新一代智能化技术成为会议探讨的热点，技术的快速发展，为全球能源转型提供了强有力的支撑，正在重塑油气工业的格局，带来新的发展机遇和价值。
行业挑战呼唤良策
由于油气资源禀赋差及外界环境因素，我国油气工业在经历多年高速发展后，近年来正面临多个方面的严峻挑战。
我国主力油田普遍进入特高含水后期开发阶段，采出液含水率超过90%，剩余油高度分散，产量呈严重递减趋势，开采难度日益增大，成本大幅提高，严重影响石油产量，全国石油产量连续3年下滑至2018年的1.89亿吨。控制产量递减幅度成为老油田的迫切任务。
随着勘探程度不断加深，常规油气田大型发现的几率很小，非常规资源成为重要的接替，新发现的优质资源越来越少，特低、超低渗透和致密等低品位资源占70%以上。非常规油气的大规模开发需要借鉴北美的新技术。在斯伦贝谢北亚区总经理赵刚看来，开发非常规油气时，思维方式、利用新技术新设备的方式，以及商业模式也需要相应变化。因为各个职能部门之间的协调机制不完善，国内油气产业形成碎片化的布局，制约上游生产效率。
当前，油气生产外部环境形势依然严峻。一方面面临低油价困境，国际油价于2014年下半年断崖式下跌，此后持续低迷，近期虽有回升，但中低油价仍可能持续相当长的时间。在低油价下，油田必须降本增效，才能盈利。另一方面，安全环保压力加大，安全环保标准提高，成本增加。“环保区域内的生产井要全部关闭，全国每年大体影响1000万吨产量。”中国工程院院士韩大匡说。
尽管面临诸多挑战，国内油气勘探开发力度仍不断加大，以缓解逐年攀升的油气对外依存度，保障国家能源安全。解决上述难题，需要大幅提高效率、降低成本，在油气生产中引入智能化技术是重要手段。如利用大数据、人工智能技术可以有效增加勘探的科学性，减少不确定性，从而增加高品位储量的发现，缓解石油资源劣质化的趋势。
智能化带来新变化
油气勘探开发要入地，俗话说，上天容易入地难，这是因为地下看不见摸不着，不确定性太大，但是随着新技术的发展，透视地下已经不再是神话。在论坛上，潜能恒信能源技术股份有限公司董事长周锦明，用动画演示了雄安新区地下整个立体结构，透视深度可达一万米以下。他介绍，这是采用目前最先进的多震源的传感器，采集地下数据，利用人工智能与三维WEFOX成像技术透视获得的结果。“目前消费的能源85%以上来源于地下，地面仅占14%，地下的东西看不见摸不着，都需要透视地球，融合现在的人工智能，地下资源的勘探开发将更加智慧。”
尽管透视地球融合人工智能技术目前并未应用于油气勘探开发，但已有的实践表明，智能化建设确实能给油气生产带来红利。华为公司中国区企业方案首席技术官董伟嗣介绍，基于AI知识计算平台，测井油气层识别效果显著，实例显示，新井解释效率从数天降至1天，新井识别符合率提升15%，解释时间减少80%，综合成本下降50%。
智能化技术飞速发展，为石油企业的转型升级提供了一条全新的进阶之路。可以看到，目前全球的大型石油公司也都为迎接这场智能化转型做了大量准备。例如，壳牌就宣布在石油行业大规模推行AI应用，方向为机器学习和问答/对话机器人领域；英国石油也在认知计算和知识图谱领域重金投入，开发了基于知识图谱的问答式查询服务以及基于深度神经网络的仿真建模；而哈里伯顿则聚焦边缘计算、智能机器人、自然语言处理等方向，希望能够将AI技术整合到油气勘探和生产生命周期中。
国内各大石油公司也在不断探索智能油气田的建设模式。中国石油11月27日发布了勘探开发梦想云平台2.0版本，其上游业务信息化迈入一个更高阶段，开启数字化转型新篇章。截至目前，梦想云平台统一数据湖已管理48万口井、600个油气藏、7000个地震工区、4万座站库，共计1.7PB。中国石化在国内石化行业率先开展智能工厂，生产运行管理水平有效提升，生产数据自动采集率提高10个百分点。中国海油目前正在开展数字化转型顶层设计工作，将在2025年基本建成智能油田。
加快推进智能化发展
招商局集团海洋工程技术中心总经理刘建成在演讲中表示，海洋钻井平台自动化智能化的进程确实比较慢，虽然钻井技术有了显著发展，但是很多操作还是停留在人工干预上面。近20年来，平台上配置的人员基本没有变化，甚至有的还增多。
事实上，不仅是海洋钻井领域，整个油气行业的智能化程度都不足。斯伦贝谢展示了国外研究机构对全世界各行业数字化程度的研究结果，数据显示，油气行业数字化程度几乎排在最末端，远远落后于旅游、媒体和电信等行业。目前我国油气行业的信息化处于较高级阶段，数字化技术已经起步，但距离真正的智能化还相差很远，亟须加快发展步伐。
刘建成表示，尽管低油价等因素减缓了钻井智能化发展，但是不能否定的是，数字化、智能化在石油钻井中的应用降低人员操作风险，使系统的可靠性和操作性得以提升。预计在2030年左右有望实现全自动钻井，如果油价回升更多，会更早实现。为了适应深水、北极、沙漠等恶劣环境的需求，2050年前后会有望实现无人化钻井，给钻井平台带来一次新的革命。
中国石油集团经济技术研究院的预测显示，到2020年，数字化和智能化技术开始在全球油气生产领域规模化商业应用；2025年前后，在全球油气生产领域大规模推广；2030年后，将得到全面应用。数字化和智能化技术在油气生产领域的应用可以提高油气采收率20%以上，而成本可以下降20%以上。这将大大增加全球油气资源量，提升油气竞争力。
全球能源行业都在呼唤着油气生产效率得到革命性提升，国内出于国家能源安全的考虑，近几年油气大规模增储上产，提速增效更加紧迫，很多可动用资源是非常规的。“智能化会驱动能源行业在短时间内产生革命性、爆发性的变化，蕴藏着巨大的商机。”赵刚对能源行业的智能化前景充满信心。（记者 李小松）
人工智能对于油气行业发展影响深远
现代工业的血液、人类工业发展的支柱等等溢美之词，用来形容石油对于人类社会发展的贡献并不为过。自内燃机替代蒸汽机以来，石油在能源界的统治地位无可撼动，作为现代工业最重要的组成部分，影响着社会发展的方方面面。从衣食住行都离不开石油工业的影子，实体经济的发展依赖于石油行业发展。然而，时代的变迁促使人类利用化石能源的节奏需要改变，科技时代互联网的进步让人们体会到了前所未有的亲近感，网络技术几乎渗透到了生活的每个方面，去哪里加油、加什么型号的油早已成为了每个个体在网络时代留下的痕迹，这一切综合因素的总合，就是未来数字化、智能化、人工智能、网络等多方面、多维度的影响，将传统能源行业同这些部分相融合在一起。如果想象力足够，这甚至会对行业发展产生颠覆性的创新。
近年来，国际石油天然气公司会在各种场合提及并重点关注人工智能、数字化发展的问题。目前，两个行业的互融互通依旧相对有限，处在较为初级阶段。互联网将数字化快速地数据分析转化为有型的数据资产，油气行业由于全产业链较长各部分业务差异较大，因此数字资产整合更加繁琐，如何能通过网络和人工智能综合性提升油气行业全产业链发展，需要更大胆的创新与探索。但可以肯定的是，人工智能未来对于油气行业的影响是巨大的，油气勘探开发行业引入的数字化模型技术，已经让地下那个未知的世界正在如实地还原其本来面貌，3D技术随时可以了解地下油气藏的分布，钻井效率大幅提升，成本随之下降；炼油化工行业则通过数字化整合，将各生产环节的物料配比达到最优，从而使得成本下降，产品质量更有保障，对于市场的需求反映也更加快速；销售行业同互联网、人工智能的衔接则更加紧密，直面消费市场的敏感，让数据更加人性化服务于客户消费体验。这些可以想象到的场景，实际已经在逐步实现了，未来更大的全景式互动场景将产生更加巨大的革新性变化。(苏子开)
