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独家!中国石油工业的“中国芯”!

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世界上第一块芯片是为石油工业设计的;研制世界第一块芯片的过程,实际上是一种石油仪器的研发过程。所以,石油工业科研项目组织模式,对于国家振兴国产芯片事业具有重要的参考意义。

作者 | 郭永峰

近来中兴遭美国封杀引发了一系列关于“中国芯”的热议。有痛惜体制的,有批判在国家“造芯”大计中浑水摸鱼的,还有揭露美国“醉翁之意”直指“中国智造2025计划”的,甚至有网友扒出美国封杀中兴,只不过是美国重演“东芝机床事件”使用过的套路。

迄今为止,国内媒体还无石油行业从业人员发声。其实,国内电子芯片行业所遭遇的切肤之痛,与国内石油工业也息息相关。

石油与世界第一块电子芯片

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说来令人难以置信,世界上第一块电子芯片的起源,是缘于石油工业的测井作业需要。国际上闻名遐迩的英特(Intel)公司,其于多年前为法国Schlumberger(斯伦贝谢)公司的子公司,专门设计制造石油测井使用的电子芯片。英特(Intel)公司后被Schlumberger(斯伦贝谢)公司出售。

关于Schlumberger(斯伦贝谢)公司,国内了解得不多,国内石油行业人员也仅知道此为全球最大的石油服务公司。其实,Schlumberger(斯伦贝谢)公司是2008年北京奥运会的电子记分仪器供货与赞助商。当中国中央电视台公布奥运会电子赞助商名单时,国人很难想到,这家包揽奥运会如此“利润丰厚”业务的公司,竟是一家国际石油服务公司,而且还是世界顶级芯片制造商、英特(Intel)公司的原“东家”。Schlumberger(斯伦贝谢)公司在2008年生产的磁卡产量,占当年全世界磁卡总产量的1/3(详见《漫谈西方石油工业与军事工业的关系》,《石油知识》,2004年第1期)。

所以,当国家电子通讯行业遭遇芯片“瓶颈”时,关注电子芯片的起源,及其研制与开发过程,汲取西方国家与公司,包括石油公司在研发芯片时,所采取的各种组织形式与研发资金的投入与分配形式,这些对于振兴国产芯片行业,推动国产芯片的量产,将有积极意义。

中国石油行业的“芯”之痛

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美国政府封杀中兴的决定,对于国内中兴公司这类高科技企业的正常科研与生产,无疑是巨大的冲击。而对于国内其他依赖于美国等西方高科技公司的高科技产品的企业,也无疑是一个警钟,引发国内石油行业相关人士的深刻思考。

尽管中国的石油行业并没有面临着像中兴那样险被对手“一招封喉”的“芯”之痛,但中国的石油行业也存在着一些技术与装备上的“短板”,需要在今后技术研发中逐步弥补

这些短板,究其原因是,相对于西方发达国家来说,我国石油行业起步较晚。加之上世纪80年代改革开放前,西方发达国家对于我国石油工业的技术与信息封锁,使得国内石油行业相对于主要发达国家石油行业,技术研发方面底子薄,基础差,故而形成石油勘探开发技术与装备方面的一些“短板”。

形成技术与装备“短板”的另一个原因,是由于国内机械,电子与有色金属材料工业,相对于西方发达国家也存在着差距。这样,即形成这样一种现象,既使石油行业科技人员有了新的创意,绘出设计图纸,国内相关行业也未必能够按照石油技术人员愿望,制造出相应装备或仪器来。

因此,与国内电子通讯行业类似,国内石油行业也存在如下这几大方面的技术与装备上的“短板”。国内石油行业应当在今后技术研发中,明确自身不足,利用科研人员的创新精神,逐步加以弥补。

1) 国内石油行业使用的计算芯片,基本上均产自于国外

石油行业属于技术密集性行业,各种装备与仪器,均安装有各种用途、各种尺寸与形状的计算芯片。这些芯片基本上全部来自西方发达国家。至目前为止,国内石油行业使用具有中国独立知识产权的计算芯片的情况,非常少。甚至在某些比较特殊石油部门,还没有开始尝试使用国产芯片。

其中原因,一是石油行业的计算芯片工作条件非常恶劣,常用于地下数千米深的井眼当中,高温与高压环境,经受强烈的冲击与振动。有的石油专家做出形象比喻,认为在石油行业使用的电子芯片,其可抵抗的外界环境,基本上与军用导弹的运行环境差不多,多数家用电器上使用的常温与常压电子芯片,均无法在石油行业使用。

二是国产芯片还存在一些技术指标的薄弱环节,例如芯片的温漂,即随温度变化的指标漂移问题,还有待于完善与解决。

三是石油行业的作业环境,常常是国际化性,即多个国家作业阶段共同协作;其他国家作业团队使用的计算芯片,必定是某几个西方公司生产的,而我国作业团队使用的芯片,若是仅具有国内特点,对于作业现场多方合作,必然带来不谐调与不方便之处。当然,此计算芯片问题的解决,还有待于国产芯片质量与性能稳定性的进一步提高,以及国内石油行业作业团队对国产芯片性能与用途的进一步熟悉。当然,这其中需要一个较为漫长的过程。

2) 国内石油行业在特殊油气井的勘探与开发作业方面,使用西方发达国家制造的特殊设备

以极深井为例,比如井深超过10000米的勘探井,其钻完井使用的防喷器,地面井口等,目前还不能实现国产化生产。再有,高温高压条件下的勘探与开发井,即温度超过150˚C(摄氏度),压力超过700个大气压,这样井的作业过程中,相关井口装置,测井与完井仪器机具等,基本上不能完全实现国产化生产。

3) 国内石油行业在深海勘探与开发作业中,使用西方发达国家制造的各种装备与工具

例如,在海洋水深超过300米的深海区域进行勘探开发作业,以及在水深超过1000米的超深海区域进行勘探开发作业,其相关装备,包括海床井口,水下BOP(防喷器),钻井用隔水管,LMRP(下部隔水管总成),钻井作业使用的绞车,井架顶部驱动装置,以及相关仪器与设备等,至今均无法进行国产。其他深水钻完井作业的辅助设备,如70马力以上的大型水下机器人(ROV),MQC(深水脐带缆快速联接器),深水用脐带缆等装备与机具,迄今无法国产化。

这其中原因,除了深水海域的石油钻探代表当今世界最前沿的科技水平,我们在较短时期无法赶上之外,另一个原因是深水石油钻探装备与海军的重型装备改进密切相关。故西方国家对于深水石油勘探的相当部分装备的研发与制造技术,实行严格的禁运措施

例如,西方国家对我国的禁运装备中,包括100马力以上的水下机器人(ROV),就是认为这一装备既能应用在深海石油勘探上,也有可能应用在军事方面。虽然近年国产大马力水下机器人已经有国内厂商研制出来,但距离成熟深海应用,还有一段距离。

关于国内石油行业的国产装备应用方面,有个观念性问题易于被人误解。即不少石油装备,国内厂商已经试生产出来,但是石油行业在作业中,还是无法或不敢应用。这其中主要存在国产石油装备的可靠性问题。实际情况是,若国产石油装备达不到很高的运行可靠性,则石油业界人士就不敢使用。

例如,一条深水钻井平台在海上作业时,每天的作业费用约为100万美元。这样,每小时作业费用约为4万美元。如果国内厂商提供某种石油装备,在平台作业过程中发生故障,这家厂商需要每小时向钻井平台支付耽误作业费用,约30万人民币。

显然,这对于国内厂商来说都无法承受的。所以,有关石油行业使用的装备或仪器,若无法做到运行绝对可靠,作业过程中“万无一失”,是不敢运到钻井平台使用的。这也是国内石油行业在海洋石油勘探与开发时,使用国产装备与仪器的比率不太高的原因之一。

在全世界范围内看,富国不一定是产油大国,也不一定是石油工业强国,然而产油大国或石油工业强国,就一定是富国。所以,尽力发展石油工业,对于强国计划来说,是极为重要途径。世界各大国均下大力气发展石油工业。美国,英国、法国、意大利、挪威、俄罗斯与荷兰分别是产油大国,或者石油工业强国,或者兼而有之。仅从石油行业来说,全世界没有任何国家可以自己单独生产全部石油装备与机具。石油工业有着典型的“全球化”装备与机具生产问题。所以,单纯追求我国的石油装备与机具国产化,并不是最优选择,也不符合石油工业发展的自身规律。

中国石油工业的“自主”之“芯”

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令人欣慰的是,中国的石油工业已经取得巨大成绩,并不存在类似中兴公司那样的致命短板。原因是石油工业起步于改革开放前,经历“白手起家”,积累了足够多的自主知识产权和自主研发能力,有了自主之“芯”。

1.自主知识产权

与中兴公司条件相比,国内石油行业拥有较高的自主知识产权份额。

国内电子通讯行业,特别是国内芯片制造行业,是伴随着改革开放而兴起的新型行业。相比较来说,国内石油行业则在国家改革开放前20年,就形成较为完善与强劲的石油装备与技术的自主研发能力。

从宏观上看,新中国的石油工业是“从无到有”,“从小到大”,经历了系列大型油田的发现与开发,如1959年发现大庆油田、1964年发现胜利油田与大港油田,以及1976年发现华北油田。这些国内大型油田的发现与开发,共同特点为均处于西方国家对于新中国的经济技术封锁时期,故均为“货真价实”地为中国自主研发与勘探,并且成功进行油气开发,成为中国现阶段的国民经济支柱产业,即能源工业的强大与牢固的基础。

由于中国石油工业的这一特殊背景,故国内石油工业,与以中兴公司为代表的中国电子通讯行业,特别是国内计算机芯片行业相比,中国石油行业主体的装备、工艺与技术,均印有很深的“自主研发”、“自主生产”,以及“中国特色”印迹。

当前,中国石油行业不仅使用具有中国自主知识产权的各种石油勘探与开发技术,工艺与装备,而且从上世纪末开始,还毅然走出国门,在世界的约70个国家和地区进行油气勘探与开发

具体说来,涉及3个方面

1) 陆地地球物理勘探工艺与装备,以及钻完井作业能力,包括10000 米以内井深的勘探井与生产井的钻完井工艺编制与作业能力,以及相关装备的设计制造能力。

2) 浅海地球物理勘探工艺与装备,以及钻完井作业能力,包括水深在300米以内的海洋勘探井与生产井的钻完井工艺编制与作业能力,以及大部分相关装备的设计制造能力;包括海洋自升式钻井平台与半潜式钻井平台的设计与制造能力,部分钻完井水下井口,水下防喷器,以及采油树等。

3) 在陆地10000米以内井深的勘探井与开发井,在海洋水深300米以内的勘探井与开发井的范围内,大部分配套油田服务工艺与装备,包括测井,录井,钻井液,各种油田增产措施等,以及陆地油田所需的各类特种工程车,与海洋油田所需的各类钻完井作业支持船等。

作为国内石油行业的自主创新与科技研发支持基地,主要表现在石油行业科研院所、大型装备制造基地,以及成套石油仪器的开发与生产基地。例如,国内石油大学、西南石油大学、大庆石油大学,西安石油大学等院校不仅培养高质量石油专业人才,而且还与各油田科研人员一起,承担解决勘探开发现实问题的重任;陕西宝鸡成为生产陆地石油钻机与大型装备的基地;西安则成为石油仪器研发与生产的基地;甘肃兰州则成为石油化工重型装备制造基地等。

这些国内石油装备的科研与制造基地,与当今国际上发达国家的石油工业科技水平相比,虽然也有一定差距,但没有国内电子芯片行业与国际顶尖芯片行业,所表现出的那么大的差距。用百姓容易理解的话说,国内外石油行业的科技水平,是“大与小”之别,而不像国内外电子芯片业的科技水平,几乎是“有与无”之别。

2.自主研发能力

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由于国内石油行业起源于西方国家对新中国的封锁时期,故石油行业的各级领导与专家,将大部分精力放在依靠国内自身能力,刻苦钻研,奋发图强,研制具有中国特色的石油作业工艺与装备,形成行业内较为健全的自主知识产权体系。

1) 国内石油行业的某些科技术研发水平,已经接近或达到世界石油行业的前列

例如,近年来中海油服自主研发的石油钻井作业使用的旋转导向系统与随钻测井系统,联合在渤海与南海完成钻井作业。这两项技术可以引导钻头像“贪吃蛇”一样,在地下几千米坚硬的岩石里自由穿行,准确命中油藏。

这两项技术代表着当今世界石油钻井、测井技术的最高水平,我国在这两个技术领域打破了国际垄断,成为全球第二个同时拥有这两项技术的国家。中国海洋石油总公司(简称“中国海油”)也成为全球第四、国内第一个同时拥有这两项技术的企业。

此外,今年4月22日,中海油服油田技术事业部(油技)收到了道达尔(Total)公司总部发来的电缆测井资质预审证书,标志着油技电缆测井服务成功通过了道达尔全球资质审核。由此,油技将获得参与道达尔在全球范围内(陆地、海上、深水)探井、开发井技生产井的电缆测井及套管井服务资质。

电缆测井体现了海洋石油科技水平,也代表着中国石油界科研水平。不仅能获得国外服务,还能把设备卖回当年的师傅,这是海洋石油测井历经几代人取得的成果。

2) 国内石油行业的相当部分研发成果,已经以申请国内外专利形式,取得法律形式上的保留或保护

国内石油工业经过多年努力,获得一大批具有中国自主知识产权的国内外技术发明专利。根据美国专利及商标局(USPTO)网站显示,目前国内大型石油企业在美国成功获批的石油方面技术专利约40项,专利内容多为石油装备某一结构的发明与改进。

更值得关注的是,作者原来所在中海油服的南海深水钻井团队成功申请并获得授权的专利,涉及到一种全新的整套深水钻井工艺与装备(美国专利号US 8,899,333 B2,2014年)。此石油专利在美国的申请过程长达8年,期间经过3次美国专利局组织的答辩,美国方面指定的首席答辩专家为2011年美国总统石油顾问、美国墨西哥湾漏油事故政府调查组主要成员K.K.Milheim先生(参见《美国政府墨西哥事故调查委员会得到的启示》,《石油知识》,2011年第4期)。此专利同时获得澳大利亚专利(2008342468)与印尼专利(IDP000034481)。此专利被业界人士誉为中海油总公司系统最有价值的西方发达国家专利之一

由于国内石油行业的各级领导与专家高度重视在自主研发的基础上,尽可能将石油勘探与开发的核心技术,在中国及西方发达国家,特别是在美国申请发明专利,使得我国石油行业相当部分经过技术人员呕心沥血研发出来的技术创新成果,以各种发明专利形式在各国专利局进行展示,从而使中国自主知识产权受到国内外法律形式的保护。

石油行业为“中国芯”引路

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正如一开始提及的,世界上第一个电子芯片是源于石油测井仪器的需要,而世界上第一个芯片的制造商,也曾从属于一家石油服务公司。

目前世界上无处不在的电子芯片,仅是千千万万石油行业仪器组件中的一个。从世界石油行业来看,其近200年的历史,即是各种石油仪器的研发与制造史。世界石油行业仪器产品的创新与制造历史,当然能够为当前的国产芯片途径,开辟一条新的思路。

(1)推进国产芯片量产工程,应当回顾或参考国内外石油行业的科研方式,特别是欧美石油行业的科研方式

自中兴公司事件发生后,国内民众在媒体上对于繁荣国产芯片提出的善意建议,无非是两个途径,一是由国家巨额投资,振兴国产芯片产业;二是引入民营资本,重建国产芯片产业。实际上,欧美公司在推进类似芯片工程时,使用的是第三种途径。这一途径是利用国家(大型投资商)与民营资本,共同进行国产芯片的振兴事业。

欧美石油公司在进行新的装备或仪器研发时,既不是我们国内这样全部由国家(大型投资商)出资,也不是全部由民营资本(小型资本)出资,而是建立一套严格程序,共同出资完成。这套程序,至今美国能源部仍在使用(美国石油行业归美国能源部管理)。

具体方法是,例如,国家要完成芯片的产业化项目,可以将程序进行过程分为10个阶段或更多。在第一阶段,找到有意愿、且有资格的20家厂商,每家拨款10万元(举例),厂商自筹10万元。半年以后,对20家厂商进行阶段性成果检查,筛选出完成进度并获得满意成果的15家厂商,其余5家淘汰。进入第二阶段,15家厂商每个厂商拨款200万元,厂商自筹200万元……最后第10阶段,留下最后一个厂商,同样是拨款与厂商自筹,最终完成项目。

其中每个阶段的淘汰依据,按照专家评审结果。美国的石油行业科技项目运作,基本上依靠此程序。由于美国的石油行业与军工行业重大科研项目,均统一在美国能源部管理之下,所以,实际上美国军工行业,比如美国的隐形军机工程,也是采用这一科研协作模式。

实施这一科研协作模式的重点,是对于阶段项目评审专家选聘、审查与淘汰制度。担任评审专家的名单,是在固定网站进行公布;一旦某位专家的评审结果失误或不理想,则项目主持部门会通过某一途径,向全行业进行通报,不会再找这位专家作评审。类似国内前些年开展芯片项目,项目启动时,评审专家是这几位,项目失败,国家巨额科研经费打了水漂,新的项目启动,评审专家还是这几位。这种情况在欧美科技界是不可能发生的。至今,美国的军用飞机等重大项目,均是美国能源部按照这一程序逐级进行,直至最后完成。

(2)推进国产芯片量产工程,要严格审查海外归国相关技术人员的资历

欧美科研人员分工非常细,汽车研究院技术人员工作10年,从没见过整车测试的例子比比皆是。还要考虑欧美科研部门实际存在的种族歧视“潜规则”。无论是从肤色考虑,还是从华人“安全系数”考虑,华人工程师在欧美的芯片研发与制造部门,做到要害部门总管可能性微乎其微。前些年国内的芯片工程受阻,原因之一是主管部门用看待国内研究人员的眼光,看待欧美归国人员,以为他们应是芯片工程的“全才”。实际情况不是这样。

(3)推进国产芯片量产工程,要将研发团队组织结构,由现有的“金字塔”结构,改变为网格结构(或称矩阵结构)

欧美石油行业的科研团队,一直是采用“网格”结构。实际上,欧美的各行业科研团队,均是近似网格结构形式,只不过欧美石油行业更为典型而已。

而国内的科研团队,从大专院校到各家公司,基本上均为“金字塔”结构。所谓“金字塔”结构,是类似政府机构那样的管理体系,由顶层领导到中层领导,直至底层员工。而“网格结构”,则是研发团队各位成员全方位沟通,原则上是各个成员均处于同等重要位置,层级不同,仅是团队内部分工不同而已。

美国能源部在管理某一石油科研项目,或者某一军工科研项目时,管理人员会拿到一份项目网格图,项目推进中各个结点的工程师联系方式,管理人员会一清二楚。美国能源部管理人员若想要查询项目进展,或者对项目进展情况存在疑问,则会随时打电话给项目某一结点工程师,予以查询或核对。这种欧美的项目管理方法,被用于其驻各国大使馆对于申请签证人员的审查方面。国人都知道,当欧美某国使馆需要核对某申请签证人情况时,会按照申请人所填表格的联系方式,直接打电话给申请人的单位或家人,以核对资料的真伪。

前些年国内个别海归人员,利用开发芯片,骗取国家巨额科研资金,几年内都没有败露。究其原因,是研发团队采用的是“金字塔”形式结构。若此团队放在欧美石油行业,则研发团队采用的是“网格”结构,则负责项目的美国能源部管理人员,可以直接打电话给项目某一结点的工程师,询问项目进展情况;这样,骗取国家科研资金的行为会很快暴露无遗。

(4)推进国产芯片量产工程,研发人员要讲究奉献精神,为民族振兴而努力奋斗

实施国产芯片的量产工程,当然需要国家与社会各方面资金,还需要巨额资金。但是在工程实施中,还是需要研发人员要讲究奉献精神,为民族振兴而努力奋斗。即使在欧美石油行业研发团队中,也不是事事要求科研经费到位,事事向上级管理者要钱。

在与中国海洋石油系统共同工作的海上钻井平台欧美工程师,工作间隙时间都在写技术论文,申报技术专利,这些都是没有专门科研经费的。欧美的石油工程师,每年申请大量专利与发表大量论文,多数是利用工作间隙进行的,不像国内那样,遇到发明创造,首先想的是要国家拨款经费,有的甚至是拿到经费还不做科研事情。这种情况在欧美科技界是无法想像的。

中国海洋石油系统,近20年来部分人员利用工作间隙,研究国际石油价格预测的计算机算法问题,于2017年1月,在《石油圈》网站联络下,有关专家赴上海、广州与深圳的15个基金与金融公司,进行2018年国际油价预测讲座(包括招商、摩根及南方基金等全国最大的10家基金公司)。讲座提出国际油价的40年曲线,经过数学处理后,存在6~8年一个正弦周期问题,并预测2018年国际油价为70美元/桶,为一个新的油价周期的开始(详见《用广义离散傅立叶变换解析国际油价(WTI)曲线以探讨国际油价的周期性》,《天津科技》,2017年11期)。听讲座的一位学者说,国内多个单位为此课题立项拨经费,还没有做到这种程度。

(5)推进国产芯片量产工程,应从较为简单与实用芯片做起,积累经验,争取全面突破

推动国产芯片的量产,是个宏大的工程。需要有关方面仔细规划,分头实施。可以从较为简单、实用,并且可以迅速收到效益的项目开始做起。例如,2017年Schlumberger(斯伦贝谢)公司在加拿大重油油田,推广一种“微流控”芯片技术(详见《微流控芯片-可放在手掌上的微缩油藏实验室》,《石油科技论坛》,2018年第1期)。

其原理是在电子计算芯片基础上,开出一个流道,将原油或天然气的“微滴”注入流道,从而直接获得油或气的各项物理特性参数,例如,温度,压力,饱和度,渗透率及气液比率等。以前世界各地的油气田都设置专门的“油藏实验室”,首先将从地下油气层采集的原油或天然气进行化验分析,然后将参数送入计算机进行计算,再提供给油气田管理者使用。

这种方法不仅将原来数天的油气化验缩短到一瞬间,还提高油气化验精度。微流控芯片的出现,使芯片不仅具有计算功能,还有分析解读功能。类似这样的电子芯片种类还很多。虽然其复杂程度与目前常用的电子计算芯片不能相比,但是非常实用,可以在工农业生产中发挥出意想不到的作用。

国内在开发这类实用性电子芯片的同时,集中力量,攻克常规电子芯片的难关。在不远的将来,定会研制成功具有中国特色,功能强大的新型电子计算芯片。从而为中国智造“补芯加魂”,为世界科技发展,做出中国人自己的贡献。

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评论 1

  1. #1

    Перезвоните пожалуйста по телефону 8 (499) 322-46-85, Извините подвисла Станция, дождитесь ответа оператора, Олег.

    匿名6天前回复