量子计算机在油气田的应用

美国能源部（DOE）国家能源技术实验室专家，计算科学与工程高级研究员，Madhava Syamlal先生于2025年5月发表谈话，综述量子计算机在油气勘探与开发中的应用。

专家阐明量子计算的基础是量子物理学，量子物理提供了激光器和晶体管。其同样是手机、电脑和电视等常见设备的基础。

2023年，美国IBM公司在克利夫兰诊所，安装了一台27“量子位”的量子计算机。2025年，美国Pasqal公司计划在沙特阿美工厂，安装一台200比特量子计算机。用户可以从Amazon Braket、Microsoft Azure和IBM Q模块，购买量子计算时间。

量子计算机预计在石油和天然气行业有较为广泛的应用。油气行业一直需要高级计算解决方案。油气行业需要处理大量地震勘探数据，反过来也有助于超级计算机的开发和应用。

同样，量子计算通过对地层地质的高度复杂模拟、储层流体的分子模拟和开采过程的优化，有可能提高石油和天然气产量。例如，油气行业的油藏工程，岩石物理反演，测井解释，取决于较先进的带状线性解算器。这其中显示量子计算的潜力。

量子计算与传统计算有很大不同。在传统计算中，文本或视频等信息，由一系列二进制数字或位表示，每个二进制数字或位都是0或1。计算机通过在两种可能的状态，如打开（0）或关闭（1）之间，快速改变可编程开关，来处理信息。

量子比特是量子计算中比特的等价物。与经典比特只能是0或1不同，一个量子比特可以同时存在于0和1态的叠加态中。量子比特是通过操纵和测量诸如电子、光子或超导电路等量子物体而产生的。

N量子位系统可以存在于2N个态的叠加中，用称为振幅的（2N—1）复数表示。存储这些数字，将压倒超级计算机的存储容量，即使N低至60。因此，量子计算提供了相当大的计算能力，但只依赖于少量的量子位。

然而，量子计算机的功能比经典计算机更复杂。与0和1的确定二元态不同，量子态的测量结果是随机态。获得特定态的概率由其振幅的平方决定，振幅可以通过量子干涉来控制。

基本硬件和软件的区别。与经典计算机和存储设备中代表比特的成熟硬件不同，目前正在开发多种技术来代表一个量子位。

美国Google公司和IBM公司正在开发超导电路，而IonQ公司和Quantinum公司则专注于捕获离子。原子计算和折射正在探索“中子”。PsiQuantum公司和Xanadu公司正在利用光子实现预定功能。此外，迄今没有一个经典的硬盘驱动器可以永久存储量子位。

Quantum（量子）程序是用经典编程语言（如Python）编写。这些语言调用诸如IBM公司的Qiskit数据库，或Google公司的Cirq之类的Quantum库，或者调用诸如微软Microsoft的Q#之类的专用语言。

量子计算机可用于商业销售或通过云进行访问。

任何可以在经典计算机上运行的算法，也可以在量子计算机上运行，但通常量子计算机计算效率不高。量子计算最适合“小数据，大计算”问题。小数据集是首选，因为加载和读取数据，在量子计算机来说是缓慢的。

此外，量子门操作缓慢。只有通过减少算法中所需的步数，利用量子叠加、干涉和纠缠，才能获得量子优势。

总的说来，行业集中在3个主要应用领域：仿真、优化和机器学习。量子计算机可以解决经典上难以解决的化学问题，从而可以设计新的药物或材料，从原子水平上构建新材料。Grover的搜索等量子算法，可以为非结构化搜索提供2次加速。

专家认为量子计算有助于找出金融、物流和能源领域的最优解决方案。不久的将来，人们利用量子计算机的能力，来表示难以用经典计算模拟的复杂数据结构，也有可能带来创新的机械学习算法。

西方石油公司在北海重新试用有线钻杆系统

美国Reelwell（雷尼格尔集团（香港）有限公司）成立于2021年，从事全球石油勘探作业新技术开发。其总部坐落在香港九龙，而有线钻杆的技术研发基地，则设在挪威。

Reelwell公司首席执行官表示，最近随着欧洲北海的海上石油钻井新技术推广，在与Var Energi公司合作中，Reelwell公司的DualLink系统有线钻杆首次亮相，被部署在挪威大陆架海上钻井平台作业。

这是世界钻井行业标志性里程碑。有望承担有线钻杆实际钻井任务的公司，有来自中国的钻井公司，即COSL（中海油田服务公司）的半潜式钻井平台Pioneer（先锋号）。

有线钻杆是本世纪初开始研制，迄今有20多年。由于受到有线钻杆的高成本与集成困难的挑战，早期的有线钻杆从未得到广泛采用。近期Reelwell公司新推出的DualLink（双向连接）系统，具有实时遥测功能，并首次实现井底大功率动力钻进。公司第一步在挪威钻井，下一步是将此技术推向挪威海外。

Reelwell公司DualLink系统，将高速数据从井底钻具组合（BHA）传输至地面，并将高功率，从地面传输至井底BHA（下部钻具组合），从而实现数据和电力的实时传输。

创新的钻井数据传输，其速率高达每秒56千比特（kbps）。这与目前钻井公司通常使用的数据环境，在1～30bps之间工作的传统泥浆脉冲系统相比，产生重大飞跃。这种带宽水平为更合理，还为更频繁的钻井工具更新开辟了道路。

常规钻杆与有线钻杆的区别在于井底钻具的电力供应。目前，公司的有线钻杆可在井下输送高达500W的电力，从而实现了仅凭遥测无法实现的工具功能。

在钻井作业中，无论是钻井液流量控制，钻头切削驱动，还是高功率传感器，均依靠此技术获得可靠的电源，从而增加系统应用成功的概率。

对于当前钻井方面诸多应用，向井底输送500W电力，已经足以提高各种井下钻具性能参数。

这就是Reelwell公司认为下一代井下工具优势的关键所在。DualLink系统不仅仅是提供更快的数据，还提供更加智能、功能更强大的井下环境。实践证明，使用DualLink系统使得作业现场在钻井、循环和起下钻效率方面提高了15%，这主要归功于系统提供的实时数据和遥测。

除了中海油田服务公司的半潜式钻井平台Pioneer（先锋号），将于2025年四季度在挪威海上进行有线钻杆作业外，Reelwell公司将与Nabors Industries公司在美国休斯顿密切合作，在钻机上运行DualLink有线钻杆系统。

欧美石油公司完井至采油阶段使用可控缓释阻垢剂

英美石油公司在油田开发时，由于复杂水化学和多变工艺条件，无机垢沉积是油田生产中普遍存在的问题。鉴于这种风险，油井作业者通常会在其生产化学处理包中加入阻垢剂。

西方石油公司使用的最常见类型的抑制剂，为有机膦酸盐、阴离子低分子量聚合物，或者其组合。从机理过程上看，阻垢剂通过抑制结垢晶体的成核，阻止晶体形成的生长，或防止沉淀固体沉积到井下表面来起作用。

总之，从完井到采油投产全阶段，或者从完井到油井开采的性能控制策略。

英美石油公司在使用油井的结垢抑制剂时，偏向于增加其拥有缓释的功能。或者说，以前作业者大多使用抑制剂，通过连续、分批或挤压处理，或者以液体形式应用。

现在公司也有另一种选择，是使用缓释固体阻垢剂。近年来，全球各油田服务商开发和测试了各种不同的方案，并不断报告新的方法。

公司作业者认为，缓释固体阻垢剂产品，旨在通过向井内缓慢释放活性抑制剂分子，提供长时间的防垢保护。活性分子、保留和释放机制，以及阻垢保护的时间范围变化很大，因此，一种固体阻垢剂可能无法与另一种固体阻垢剂互换。

公司作业者提出，应仔细衡量所考虑产品的特性，以确保其与所处理的井下环境兼容。不正确的应用不仅不能达到预期的阻垢效果，而且还会通过额外的地层损害，和固体沉积对油井性能产生负面影响。

Finoric公司开发出系列缓释固体阻垢剂，产品有两个版本。

一是固体缓释阻垢剂。油田作业中通常设计有聚合物涂层，这对世界各地各类油田水垢有效。具体说，这类阻垢剂包含由惰性聚合物材料所包裹的缓慢溶解活性成分；聚合物涂层在活性成分和在井筒中的流体之间提供额外的“阻垢屏障”。

二是包含与第一类阻垢剂相同的缓溶活性成分，但没有聚合物涂层。由于两种配方均包含高浓度的活性阻垢成分，但未涂覆版本中不存在聚合物涂层，因此可为该产品提供更高水平的活性。

（编译：郭永峰 编译自美国《JPT（石油技术报道）》杂志）