十年前，SPE为该行业定义了关键的研发和技术挑战。为了应对21世纪20年代及以后更加不确定的环境，我们通过2023年1月的SPE研讨会更新了重大挑战。

石油和天然气行业面临着一个快速变化的世界，面临着多重挑战和机遇，尤其是在气候和可持续性问题日益严重的情况下。大约十年前，SPE举办了一系列研讨会，以确定未来十年上游石油和天然气行业在技术和研发方面的巨大挑战，它确定了5+1的重大挑战(表1)。

表1过去十年面临的重大挑战一览表

为了确定未来十年的一系列重大挑战，在一个更加不可预测的环境中，我们于2023年1月在美国德克萨斯州奥斯汀举行了SPE研讨会。来自国际石油公司、国家石油公司和服务公司的小组成员，以及新兴能源系统中的环境和金融利益相关者，调查了快速变化的能源格局。研讨会随后促成了120多名思想领袖参与者的会议，以确定对社会和我们的行业有影响的重大挑战，并具有与SPE成员能力相一致的重要研发或技术组成部分。

我们列出了五大技术挑战：提高致密油/页岩油资源的采收率、净零作业、碳捕获、利用和储存(CCUS)、地热能和数字化转型。此外，我们确定了第六个“额外”的非技术挑战—教育和宣传，因为我们认为，在这五个领域推进和部署新技术需要与行业外的思想领袖进行更有效的接触。表2总结了技术挑战及其影响。

表2技术挑战及其影响

我们相信，这项工作将有助于该行业将研发和技术工作集中在行业和社会的最高价值活动上。我们现在总结每一项新的重大挑战。

提高致密油/页岩油的采收率

尽管非碳氢化合物能源和运输工具快速增长，但预计到2050年，石油和天然气需求将继续增长。在过去的20年里，水平钻井和水力压裂相结合，从非常规页岩资源中提取碳氢化合物帮助我们满足了不断增长的全球石油需求。然而，现有页岩油井的产量迅速下降，最终采收率通常低于10%。为了满足全球需求，我们必须在对环境影响最小的情况下改善复苏。

致密油和页岩油储层面临着独特的挑战。例如，页岩储层会受到粘土膨胀和地层损害。渗透性是超低的，通常在纳米达西的数量级，这导致极低的流速和以扩散为主的传输。因此水力和天然裂缝是必要的，地质力学/岩石压实起着重要作用。

许多传统的提高采收率(IOR)策略在致密油气藏和页岩油气藏中具有挑战性。小孔隙使注水技术变得困难，低渗透率阻碍了井对井方法。因此，单井吞吐策略是最常见的IOR方法。注入剂包括混溶和不混溶气体(CO2、CH4和N2)和化学品(表面活性剂、溶剂和纳米颗粒)。此外，热方法可以允许控制油粘度和储层的加压。注入剂面临的挑战包括了解其在基质中的传输以及它们与裂缝的相互作用，以及在吞吐操作中找到最佳的注入剂、压力、浸泡时间和循环次数。气体吞吐的其他好处可能包括储存温室气体(CO2和CH4)。

上游运营净零

石油和天然气作业(包括废弃井)的减排机会规模巨大。根据国际能源署2023年的数据，2020年，经营和购买能源的范围1和范围2排放量达到了5.3Gt的二氧化碳当量，占全球能源衍生温室气体排放量的近15%。

这些排放大多归因于甲烷的释放、二氧化碳的排放和燃烧。这些排放量不仅与油气生产成比例，还取决于资产(例如重油)。开采和产品运输产生的排放起了次要作用。国际航运的排放量相对较小，但却是一个潜在的改进领域。

如今，检测无组织排放的技术已经存在，因此控制这些排放的技术路线图可以被归类为高技术准备水平。但检测只是第一步。需要做出重大努力来升级现有的基础设施，以最大限度地减少这些排放，并应用监测程序。有必要做出类似的努力，重新思考所有运营的能源消耗，并尽可能实施可再生能源和低碳解决方案。

解决无组织排放和扩大现有和新兴的低碳解决方案需要整个行业及其价值链的共同努力。然而，如果该行业不迅速、积极地解决自身的排放问题，那么它作为社会的合作伙伴，在整体解决排放问题方面将几乎没有信誉。

碳捕获、利用和储存(CCUS)

2019年，全球人为温室气体净排放量达到近60Gt二氧化碳当量，其中与能源相关的排放量贡献最大，接近40Gt(IPCC2022)。二氧化碳排放来自工业部门、交通部门以及分布广泛的住宅和商业建筑。尽管大规模使用电气化和氢气有望解决其中一些排放源问题，但减少工业部门排放的技术途径具有挑战性。

碳捕获被IPCC确定为一项关键技术，它将二氧化碳从许多工业过程排放的气体中分离出来。捕获技术的两个关键类别是燃烧后捕获和燃烧前捕获，第三个新兴类别是直接空气捕获。后燃烧技术包括胺吸收、吸附和膜分离。预燃烧技术在燃烧中使用纯氧。为了广泛的商业部署，需要减少二氧化碳捕获的能源使用和成本，必须制定大规模永久利用或储存二氧化碳的方案。

捕获的二氧化碳可以储存在含水层和枯竭的碳氢化合物储层中，需要加压并运输到地质储存地点。需要对含水层进行表征以确保储存。油气藏已经具备特征，但老井需要定位并可能密封，以确保永久储存。需要对储层进行监测以确保安全并进行补救。监测技术包括井内压力和地震监测、储层以上区域的化学监测以及4D地震监测。

如今，缺乏连接二氧化碳捕获点、管道和储存库的区域供应链。CCUS中心可以通过在几个排放商之间整合资源和共享二氧化碳运输和储存来利用规模经济，从而在几个行业之间分配规划、实施和运营全链CCUS过程的风险和成本。为了使这些解决方案在规模上取得成功，我们将需要新的商业模式和新的政策，包括解决二氧化碳封存的长期责任。

地热能

地热能提供了不依赖于一天中的时间或天气条件的低碳基本负荷电源的可能性。几十年来，像美国加利福尼亚Geysers这样的大型高焓系统已经提供了千兆瓦的电力。2022年，美国加利福尼亚州和内华达州的地热发电利用率分别为6%和9.4%。除了利用热、干岩石的第二代绿地项目外，将油气井重新用于地热发电的努力也在进行中。

碳氢化合物的生产和能源热水的生产之间存在协同作用。允许获得这些资源的基本钻探技术是相似的，尽管地热钻探成本很高，而且技术和工具都受到坚硬岩石和极端温度的挑战。由于相对于碳氢化合物的能量密度较低，目前的商业地热井需要循环大量的流体。

发电项目需要绘制地下热流和天然裂缝网络图。地热系统的主岩通常具有低孔隙度和基质渗透率，因此该过程需要裂缝来实现必要的高生产率。流体流动由裂缝网络控制，当流体穿过裂缝网络时，通过对流加热将热量从岩石提供给流体。在增强型地热系统中，通过刺激或其他方式增强整体渗透率，同时了解和减轻地震活动的风险。页岩和致密油气资源水力压裂的巨大发展和学习可以很容易地应用于地热系统。

数字化转型

尽管大宗商品价格最近让我们的行业松了一口气，但在过去十年的最后五年里，很明显，在低价环境下，运营和服务部门的商业模式都不健全。下一次价格下跌时，我们行业面临的这一长期挑战将迅速变得紧迫。

数字技术的快速发展是现代工业生活的陈词滥调，为从根本上改变石油和天然气行业的成本模式提供了一个独特的机会。在过去的20年里，从“数字油田”开始，通过“数字化转型”的概念逐渐成熟，石油和天然气行业一直在寻求利用数字技术来提高业务绩效。一路上，从“数字化”，即在现有流程中使用数字技术，到“数字化转型”，即重新定义这些流程，以及以新技术实现的方式创新新流程，发生了微妙但明确的转变。

在过去的十年里，数字技术硬件、软件、传感器、自动化、分析以及我们如何与机器互动的各个方面都取得了快速发展。该领域的具体技术包括应用于大型地震数据集的云计算、人工智能和机器学习、业务流程自动化、上游生产和下游处理的更复杂优化、机器人技术，以及现代IT和运营技术的合并，以支持大范围的无人值守设施等巨大的运营变化。数字技术还可以提供安全改进，例如使用射频ID标签对钻台人员进行监控。

在结合领域专业知识、数据科学、新分析和新计算模型方面存在许多技术挑战，尤其是在支持地震处理、解释和储层建模与模拟中计算密集型上游工作流程方面。

教育和宣传

石油和天然气行业没有跟上对其提出的指控。尽管该行业为全球能源安全提供了充足的保障，但我们未能教育公众了解满足世界能源需求的工程、科学和商业挑战。在许多国家，与能源生产相关的工程和地质项目的入学人数有所下降。公众不了解石油和天然气对基本负荷电力生产的贡献，也认识不到通过从煤炭转向天然气发电在减少二氧化碳排放方面取得的巨大进步。

简言之，作为一个对能源生产至关重要的行业，我们没有向社会证明我们的未来是合理的。如果我们缺乏公众对试点项目的支持，缺乏有能力进行研究或实施技术的科学家和工程师，或者舆论领袖忽视我们研发工作的成果，那么最好的研发或技术战略仍然会失败。

我们需要教育全球公众和舆论领袖了解能源生产的必要性和现实;吸引创新的新科学家和工程师加入我们的行业;以及教育我们自己的行业成员了解能源转型的方法和要素以及他们在其中的作用。

未来十年将是我们行业在全球能源安全中发挥关键作用的关键。推动基于科学的合理政策决策的情绪化声音可能会侵蚀并最终摧毁过去一个世纪建立的基于能源的文明。石油和天然气行业必须适应新技术和诚实而积极的宣传，反对上述能源结构中对石油和天然天然气行业的过时理解。