沈平平:油田开发专家的三个梦想

科技工作者之家06月06日

作者:严增民 崔玉波 刘庆杰 来源:中国科学报

沈平平(1941— )

油气田开发工程专家,教授级高工,1964年毕业于复旦大学数学系。曾任中国石油天然气股份有限公司副总裁、中国石油勘探开发研究院院长、胜利油田勘探开发研究院副总工程师等职务。

发表学术论文50余篇,出版专著6部,培养研究生50余人。曾担任国家“973”项目“大幅度提高石油采收率的基础研究”“温室气体提高石油采收率的资源化利用及地下埋存”首席科学家、“二氧化碳捕集、储存和资源化利用的基础研究”专家组组长、国家重大科技专项“大型油气田和煤层气开发”油田开发专业组组长,代表作有《油水在多孔介质中的运动理论和实践》《石油勘探开发中的数学问题》《二氧化碳地质埋存与提高石油采收率技术》等。

获国家科学技术进步奖二等奖3项,获得“求是杰出科学家奖”、孙越崎能源科学技术奖能源大奖、国际石油工程师学会亚太地区贡献奖以及国际石油工程师协会“杰出会员”、石油工业有突出贡献科技专家荣誉称号。

1962年,沈平平全家福(前排右三为沈父,左三为沈母,后排右三为沈平平)。

1984年,沈平平(右)与同事访问美国岩心公司。

2001年,沈平平(前排中)和研究人员在实验室。

2010年,“求是杰出科学家奖”颁奖现场(从左至右为沈平平、蒲慕明、诺贝尔奖获得者厄温·内尔、求是基金会顾问何大一、施一公)。

马克思曾说:“一种科学只有在成功地运用数学时,才算达到了真正完善的地步。”笛卡尔也说过,“一切问题都可以转化为数学问题”。我国油气田开发工程专家沈平平,就是一位善于用数学解决科学问题的人。

自幼在宽松的教育氛围中长大的他,喜欢上了读书,尤其痴迷数学,中小学阶段他的数学一直名列前茅。高考填写志愿时,他毫不犹豫地填写了数学专业,并如愿被复旦大学数学系录取。

沈平平怀揣用数学一展抱负的梦想,毕业后却被分配到大庆油田。他以为此后将与数学无缘,没想到数学竟帮助他在工作上大放异彩,并成功找到了运用数学提高石油采收率的方法。

在进入中国石油勘探开发研究院(以下简称勘探院)工作后,沈平平与刘明新、汤磊共同编写了《石油勘探开发中的数学问题》。沈平平的研究推动了我国化学驱提高石油采收率及二氧化碳作为驱油剂大幅度提高采收率与在油藏中埋存相结合的技术发展,获得多项国家科技奖励。

沈平平说,他是一个平凡的人,只想干点平平常常的事。就是这样一位从数学系走出来的大学生却成长为我国油田开发领域的大专家,干成了几件不平凡的大事,为我国石油工业发展作出了突出贡献。

1 数学梦:将数学用到石油研究中

沈平平的祖上以经商为主,祖父在浙江省宁波市慈溪县经营一家钱庄,生意兴隆,生活优渥。然而到了1915年,动荡的时局让钱庄一夜之间入不敷出,沈家家道中落。为了东山再起,祖父决定举家搬迁至上海,无奈生意未有起色,忧郁加上身体欠佳,祖父不幸病逝。作为家中长子,沈平平的父亲沈锦涛当了10年学徒后,租了一栋二层小楼开起烟纸店。经历了抗日战争的烟纸店几经周折和变换,艰难经营,虽不至于大富大贵,还是支撑了沈锦涛弟弟、妹妹3人及沈平平兄弟姐妹5人一大家子的食宿及教育支出。

1941年,沈平平在上海出生,是家中最小的孩子。沈平平4岁的时候,父亲开始经销煤油,年幼懵懂的他还曾表示长大后挖油给父亲卖。父亲对哥哥姐姐的学习管得紧,却对沈平平很宽松。受父亲影响,他养成了读书思考的习惯。初中时,他突然迷上了数学,加之高中数学老师的厚爱和培养,沈平平立下了与数学为伴、当科学家的志向。

由于对数学的热爱,高考报志愿时的12个志愿,沈平平全部选择了数学专业,并如愿被复旦大学数学系录取。大学期间,沈平平读书学习极为勤奋,积累了深厚的数学功底,并培养了良好的逻辑思维能力,以及独立思考、勤于学习的习惯。

1964年,沈平平大学毕业。正值大庆油田急需人才支援开发建设,沈平平以及后来成为其夫人的同班同学吴湘被分配到了大庆油田。一直怀揣从事“上天”——航空航天研究工作的梦想的他被拽到了“地下”,虽然多少有些不情愿,但仍接受组织的分配,奔赴大庆,“到祖国最需要的地方去”。大庆油田当时进入高速、大规模开发的新阶段,石油部从全国重点大学招收了二三十名数学、力学专业的高才生。

本以为数学专业和油田开发“不对口”,但勤于思考的沈平平到大庆油田没多久就意识到,石油开发中的很多科学问题都需要用数学方法解决。在采油厂实习期间,他下电缆、取数据、画水线,虽然工作很辛苦,但因有大量待解决的数学难题而乐此不疲。

1965年,胜利油田展开大会战,石油部紧急从大庆油田征调百名技术干部。沈平平和吴湘主动报名参战。于是,在大庆工作一年后,他们又匆匆赶赴胜利油田。沈平平被分配到地质指挥所开发实验室,先后开展了注入水水质优选、水驱油实验、三次采油评价实验等工作。

“博学之,审问之,慎思之,明辨之,笃行之。”进入工作状态的沈平平一直保持着博学慎思、勤学笃行的好习惯。他从事的油田开发研究,每天需要重复做大量的岩心实验。在别人眼中枯燥乏味的工作,对沈平平来说却充满了趣味。因为他总是像做数学题一样去问为什么,进而探究开发实验设计隐含的数学力学逻辑。

“文革”期间,沈平平躲到了油田的图书馆,“躲进小楼成一统,管他冬夏与春秋”。他利用几年时间翻遍了上世纪三四十年代以来美国矿业协会办的杂志,由此奠定了坚实的理论功底,完成了向石油工程师的人生转换。

大量的阅读让他收获了很多。如何清洗油基泥浆浸泡的岩心难住了老技术员,他们因局限于苏联式岩心处理方法而束手无策。沈平平根据阅读的印象到图书馆重新查阅了资料,通过实验对比验证,确定了不同润湿性岩心采用不同溶剂的方案,采用酒精和苯溶剂作为胜利油田亲水岩心洗油的优选溶剂。这种洗油方案后来推广到国内大部分油田并沿用至今。

在阅读中,沈平平读到了苏联人艾佛洛斯关于相似准数的一篇专著,在实际应用中,沈平平却发现艾佛洛斯的相似理论不符合胜利油田的油藏条件。经过复杂的理论推导和反复实验,他和同事桓冠仁一起完成了恒压条件下非稳态油水相对渗透率曲线计算公式。经多年实验和生产应用,1982年,他们在《石油勘探与开发》杂志上发表了《一种非稳态油水相对渗透率曲线计算方法》一文。后来这个公式被称为“胜利算法”。

2 提高石油采收率梦:创造多个“第一”

1980年,沈平平和吴湘被征召调入位于北京的勘探院。沈平平担任油田开发所副主任工程师兼开发实验室副主任,到职后的第一项任务是负责改革开放后第一批引进实验设备的接收、管理和调试。其间,他推动实验室逐步发展,为研究课题提供所需的实验参数和为油田提供分析测试服务,并开展地层流体高压物性实验、相对渗透率测试、孔隙体积压缩系数测试等。

在此期间,沈平平的研究兴趣从宏观油水运动规律转移到微观层次,完成了“砂岩孔隙结构对水驱油效率影响的试验研究”和“微观油水运动规律实验研究”项目。1982年9月,石油部和美国石油地质家协会(AAPG)共同组织了石油领域的第一次国际学术会议,经过层层选拔,国内一共有3篇论文入选,其中包括沈平平的《砂岩孔隙结构对水驱采收率的影响及其分类》,沈平平在会上作了报告。这是改革开放后石油领域中外专家学者的第一次接触,沈平平关于孔隙结构特征的认识与国外同行相比不遑多让。

1984年,石油部成立了第一家中外合资企业——中美合资中国岩心有限公司,主要负责引进外国先进技术和仪器设备,承包对外海洋合作由勘探开发的录井、试油、地球化学、岩心分析以及地层流体分析等测试化验任务。沈平平受石油部委派,担任该公司中方董事兼公司中方副总经理。岩心公司在获取地层数据的一手资料、认识地层特征、开发和生产油藏发挥了重要作用,并极大促进了国内油田开发实验技术与西方发达国家的接轨。

1986年4月,沈平平担任勘探院采收率研究所第一任所长,该所是全国第一家致力于提高采收率业务的研究单位。经过和同事们调研讨论,他们认为国内油田即将进入提高采收率时代,而以大庆、胜利油田为代表的陆相油藏提高采收率的主体技术将是化学驱。

基于此,沈平平把大部分时间用在推动化学驱、气驱等提高采收率的攻关上,组织开展了聚合物驱、表面活性剂驱、碱水驱、混相驱的实验和研究,打造了集化学驱配方研制、室内评价、数值模拟、油藏工程方案设计为一体的完整的提高采收率技术研发和推广应用体系,使勘探院的提高采收率研究一直走在全国前列。

1988年以后,沈平平先后担任勘探院的科研处处长、副院长、常务副院长和院长的职务,但他从未放弃喜爱的科研工作,牵头完成“分形几何学在储层孔隙结构描述中的应用”“中国注水开发油田提高原油采收率潜力评价及发展战略研究”等项目。

这一时期,沈平平开始将数学应用于石油勘探开发的更多思考,从应用分形几何的理论认识多孔介质的孔隙结构,到油藏数值模拟中的大规模线性方程组的求解算法,再到地震数据的反演求解。从应用中,他产生了数学与石油勘探开发深度结合的新思路。

2000年10月,以“现代科学与数学”为主题的第148次香山科学会议召开,数学家、中国科学院院士吴文俊邀请沈平平讲能源中的数学问题。经过与刘明新和汤磊两位同事讨论后,沈平平作了《石油勘探开发中的数学问题》的报告。2002年,《石油勘探开发中的数学问题》专著出版,意味着沈平平少年时的数学家梦想变成现实。

1993年,中国石油在大形势下开始走向海外。1999年,由勘探院和中国石油天然气勘探开发公司共同组建成立海外研究中心,自此,由沈平平领导的勘探院正式开始海外油田勘探开发研究工作。

海外研究中心承担着包括苏丹、委内瑞拉等国家所有油田勘探开发20多个项目的研究工作,其中“委内瑞拉边际油田的挖潜技术和应用”是技术难度最大的项目之一,而且,卡拉高乐斯油田已有50多年的开采历史,被西方认定为边际油田而放弃。

沈平平担任项目组组长,组织海外研究中心的精兵强将,经过研究确定先期进行试注,采用油藏数值模拟技术,准确模拟地下油气水变化历史,有效地预测了剩余油的分布,在老油田范围内“避气”“避水”,优选了一批高效井井位。项目组成员从国内到国外多次奔波,经过反复实验和现场验证,终于确定了卡拉高乐斯油田的开发调整方案。这项研究针对性强,技术应用效果显著,于2002年获得国家科学技术进步奖二等奖。

1996年,沈平平被任命为勘探院院长,2000年又被任命为中国石油天然气股份有限公司副总裁。对沈平平来说,他从来没有想过“当官”,始终想的是做研究。1999—2010年,逐渐从行政管理中脱身的沈平平连续牵头,并出色圆满地完成了两个国家“973”项目。

“973”项目的审批异常严格,能够连续两次获批,一是得益于沈平平牵头的三次采油全国性大普查,让他熟悉了我国陆上已开发油田的提高石油采收率潜力及大庆、胜利等主力油田的实际需求;二是得益于他多年来在提高采收率技术上所做的研究工作以及对大量外文文献的阅读。这些都让他敏锐地把握住了未来提高采收率的方向。

1999年,沈平平担任首席科学家牵头的第一个“973”项目“大幅度提高石油采收率的基础研究”正式启动。由于被称为“二次采油”的水驱采收率只有33%,必须转换采油方式,因此该项目聚焦化学复合驱技术,即利用注入油层的表面活性剂、聚合物、碱等化学剂改善地层原油—化学剂溶液—岩石之间的物理特性,从而提高原油采收率。

在项目立项设计阶段,沈平平便确定了以分子设计的先进理念设计油田适用的驱油化学剂为核心目标。该项目的基础研究成果,解决了廉价高效的工业表面活性剂国产化难题,拉开了中国大规模应用强碱和弱碱三元复合驱技术的序幕。

该项目创造了几个世界和国内的“第一”:第一次在化学驱油剂的研制中提出了以实验为基础的分子设计基本准则,在国际上开创了先例;研制的烷基苯磺酸盐在中国首次实现了工业化和精细化生产,基本解决了化学复合驱表面活性剂的国产化问题;国内生产的梳形抗盐聚合物产品性能首次优于日本的产品,至今其迭代产品在国内外同类产品中仍处于领先水平;结束了多年来形成的化学驱制剂分散研究、各自为政的局面,实现了联合化研究、攻关和工业化应用。2004年,项目结题验收,被评为优秀项目。

按规定,优秀科研项目可以进行第二个为期5年的研究,沈平平推荐了他的同事、油气田开发工程专家袁士义担任新一轮项目的首席科学家。他本人则瞄准了另一个领域:二氧化碳驱油与地质埋存的应用研究。2006年,经过项目组艰苦的申报、答辩,沈平平担任首席科学家的第二个“973”项目“温室气体提高石油采收率的资源化利用及地下埋存”获科技部批准。

3 CCUS梦:让世界更加美好

2005年左右,二氧化碳排放的快速增加以及全球气候变暖日益成为各国政府和民众关注的热点问题。2005年2月16日正式生效的《京都议定书》对参与减排的工业化国家提出了减排要求。经济的快速发展使能源生产和消耗需求日益增长,中国面临的二氧化碳减排压力形势严峻。在这种情况下,沈平平心中诞生了一个新梦想。

2016年的一天,沈平平到美国做学术访问。在美国大使馆办签证时,一位工作人员问他,你做研究有什么梦想?沈平平回答他,“我的梦想就是CCUS”。那位工作人员没有听懂,疑惑地望着他。沈平平又用英文告诉他,CCUS就是Carbon Capture,Utilization and Storage(二氧化碳捕集、利用与封存),“这是一名普通中国人的梦,一名石油科技工作者十年前的梦”。那位工作人员有所领悟,竖起了大拇指,连说“了不起”。

为了这个梦想,沈平平已经奋斗了十余年。CCUS是科学有效且规模化的减碳方式。早在2004年,沈平平便从提高采收率的角度出发,提出了将二氧化碳驱油和地下长期埋存一体化考虑的思路,在当时国外通行的CCS(Carbon Capture and Storage)概念上增加了利用的含义,由原有的 CCS 升级为 CCUS,由他担任首席科学家的“温室气体提高石油采收率的资源化利用及地下埋存”项目的英文名称就采用了CCUS。

沈平平说:“2005年,二氧化碳最大减排办法是国际上较为通用的CCS,第一个C是二氧化碳,第二个C是Capture,意为捕集;S就是Storage,意为封存,简称为CCS,即二氧化碳的捕集和封存。但我认为这种技术科学性不够,二氧化碳捕集了以后仅仅封存起来是不行的,在我们石油行业,还要把它注入到油田的地层中提高采收率,要将它利用起来,因此我提出加上Utilization。从那以后,这种提法得到了普遍认可。因此,我的中国梦中多了一个CCUS。”

沈平平是行动派,致力于将梦想变成现实。在中国的二氧化碳利用领域,他和他的团队率先进行了CCUS技术研究。

2006年4月25至27日,在北京召开了以“温室气体的地下埋存及在提高油气采收率中的资源化利用”为主题的第276次香山科学会议。作为大会执行主席,他在主题评述报告中介绍说:“将回收的二氧化碳注入油藏提高原油采收率,不仅可以长期储存二氧化碳,履行减排义务,还可以更好地提高原油和天然气的采收率,取得经济效益。此外,将二氧化碳注入煤层气藏,也将提高煤层气采收率;将二氧化碳注入盐水层可以长期埋存。”

二氧化碳高效利用与地质埋存相结合的技术思路已引起我国及世界各国的高度重视,二氧化碳提高石油采收率与地质埋存一体化技术已成为促进二氧化碳减排的发展方向。这就是他的CCUS之梦。

经过项目攻关,沈平平和他的团队发展完善了针对中国油藏地质特点的二氧化碳地下埋存理论技术体系,推动在吉林油田建成国内首个集二氧化碳捕集—驱油—埋存于一体的规模化示范工程,为中国制订二氧化碳减排计划、实现减排目标提供了可靠的技术保障。2010年11月,项目顺利通过国家科技部验收,项目团队获得“十一五”国家科技计划执行优秀团队荣誉称号。

CCUS既实现了减排的社会效益,又可以提高石油采收率,产生巨大的经济效益,可谓一举两得,使二氧化碳的减排和合理利用达到最佳平衡点。

推动人类找回原来那个清新自然的地球家园是一个长期的任务。沈平平谦虚地表示,对于CCUS的技术利用,已经年过八十的他只能出出主意了。他希望年轻科学家迎头赶上,产出更多的科技成果让我们的国家更加富强,让我们的世界更加美好。

2010年11月1日,第十二届中国科协年会在福州召开。开幕式上,因在“大幅度提高石油采收率的基础研究”和“温室气体提高石油采收率的资源化利用及地下埋存”两个“973”项目的杰出贡献,沈平平和生物学家蒲慕明、施一公共同获得了2010年“求是杰出科学家奖”,并荣获杰出科学家“民族之光”称号。

作为一位油气领域的科学家,沈平平至今活跃在油气田开发科学研究领域,经常被国家科技管理部门或企业聘请担任重大科研项目的咨询专家,为单位科技创新、学科发展出谋划策,或者受邀参加学术会议,与学界同人交流讨论技术发展的前沿问题。对此,80多岁的他乐在其中。

沈平平靠着勤奋,坚持不断学习和思考,从油田开发重大业务需求和实际生产问题中提炼总结出具有战略性、瓶颈性的共性科学问题,并提出解决问题的科学思路和技术路线。他将深爱的数学与钟爱的事业紧密结合起来,实现了自己的数学梦、提高石油采收率梦、CCUS梦。他是一位令人尊敬的科学家。

(作者严增民单位为中国石油勘探开发研究院,作者崔玉波、刘庆杰单位为中国石油学会)

《中国科学报》 (2024-06-06 第4版 印刻)


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