矢志創新步履穩 交叉學科譜新篇
——記中國石油勘探開發研究院金旭博士及納米油氣團隊

蔡巧玉 呂騰波

金旭

油氣資源是保障國家能源安全、支撐工業生產和社會民生的重要戰略物資。然而，作為不可再生的傳統化石資源，由于長年累月的高強度開發，我國油氣資源面臨劣質化趨勢凸顯、勘探開發成本不斷攀升、油氣開采效率亟須提高等諸多難題，油氣對外依存度逐年攀升，國家能源安全受到威脅。如何突破勘探開發關鍵技術瓶頸，推動非常規油氣的高效勘探和效益開發，成為國內外業界共同關注的熱點和難點。誰能率先找到突破口，誰就能在這場“非常規油氣革命”中占據制高點。

作為面向全球石油天然氣勘探開發的綜合性研究機構——中國石油勘探開發研究院的一員，金旭自2010年加入之日起，就以強烈的使命感和責任感，致力于微納米新技術及新材料在非常規油氣地質和采油工程領域的跨學科創新應用，從單槍匹馬獨自攻關到招賢納士團隊協作，經過近十年的創新探索，他和團隊在非常規油氣研究領域開辟出了新的天地，成為我國油氣上游實驗技術和工程材料研發領域的中堅力量。進入2021年，中國石油正處于戰略轉型和低碳綠色發展關鍵時期，金旭轉戰新戰場，擔任中國石油勘探開發研究院新能源研究中心副主任，正帶領多學科交叉創新團隊以滿腔的熱忱積極投身于這場新的能源革命中。

獨辟蹊徑 找準學科交叉點

2007年，油氣田開發工程專家、時任大慶油田董事長王玉普教授受邀前往加拿大滑鐵盧大學，作關于中國油氣工業發展歷程和未來趨勢的交流報告。他回顧了大慶油田對我國工業發展的巨大貢獻，細數科技攻關對油氣產業發展的推動作用。特別是當他看到講臺下有很多中國留學生時，他不無憂慮地介紹了當下采油面臨的困境：采上來的大部分都是水，只有百分之二三是油，需要用納米材料和仿生工程等新技術把地下原油高效提取出來。隨后他熱情地鼓勵留學生們用自己的才智和學到的技術，擇機報效祖國，解決中國老油田采收率低的難題，實現中國油氣勘探開發新突破。

彼時，金旭年方25歲，從北京大學化學與分子工程學院畢業后，在加拿大滑鐵盧大學理學院攻讀碩士研究生，主要從事功能性碳納米管可控以及在半導體器件和藥物緩釋領域的應用研究。時隔多年，回憶起當時的場景，金旭依然記憶猶新，備感震撼。王玉普教授的這場演講，就像一粒種子，在金旭的心里扎下了根。他第一次知道納米技術可以應用于石油領域，開始有了讓科學探索在工程實踐中落地的想法。

“如果納米技術在石油領域真能有用武之地，能夠幫助國家開采出更多的油氣，這將是一件多么酷的事情，這才是值得一輩子從事的事業！因為它是有實在意義的。”懷抱這樣的想法，2010年，碩士畢業后，金旭毅然選擇回到祖國一展拳腳。

進入21世紀以來，油氣勘探開發面臨日益嚴峻的挑戰，多學科交叉融合、多專業協同創新已經成為推動油氣勘探開發技術發展的大趨勢，也為未來油氣行業創新發展提供了更多的可能性。全球各大石油公司已經將招聘基礎學科人才定為發展策略，以期碰撞思維、激發創新。為推動我國石油勘探開發技術的長遠發展、強化多學科交叉技術創新，中國石油勘探開發研究院也開始在全球范圍內招募非石油專業背景的優秀人才。金旭此時回國，可謂恰逢其時。他順利地進入了中國石油勘探開發研究院采油采氣裝備所，開啟了與石油的親密接觸和不解之緣。

萬事開頭難。作為學材料出身且初出茅廬的年輕人，金旭對石油這個龐大的系統工程領域知之甚少，對機械設計和裝備開發更是毫無頭緒。專業跨度極大，研究對象十分復雜，思維模式、研究手段更是需要全盤轉變。和同事交流聽不懂，看專業材料看不懂，但是這并沒有讓他退縮。金旭從小就對新鮮事物充滿了好奇和興趣。他在求學期間還是一個愛玩、愛鬧，閑不住的人。他在高中理科實驗班時酷愛足球和臺球，本科期間還擔任過北大未名論壇站務。他畢業后從事過儀器設備投資咨詢，碩士留學期間因經費限制自己動手從eBay上買零件成功搭建了個性化的實驗平臺。正是這些豐富的興趣愛好和人生閱歷造就了他對于陌生領域毫不畏懼、勇于挑戰自我的個性。面對石油工程這個全新的領域，他首先擺正了心態，沒有停留在原專業獲得的成果上，而是始終保持虛心請教的態度。所謂“三人行，必有我師焉”，遇到不懂的問題，他就立刻向同事們請教，鄭立臣博士就是他虛心求教的第一位“老師”。鄭博士不僅將井筒控制工程裝備的需求一一告知，還不吝將仿生振動波信號傳輸系統的原理和設計思路和盤托出，使金旭很快了解到材料科學在石油工程領域的用武之地。他還主動自學專業知識，入院之初便旁聽了多門專業基礎課程，積極參加各類高端學術講座和交流，及時了解了學術前沿的最新動態。凡是不懂的地方，他就記錄下來，針對性地尋找答案，幾個月下來，各種筆記和講稿資料都積累了不少。正是這種如饑似渴的求知欲，讓金旭在短時間內完成了石油專業基礎知識的儲備，掌握了大量專業術語，基本完成了知識大框架的建立，金旭的科研思路和研究切入點也慢慢成形。帶著問題求教求索，外化于行，內化于心，讓金旭順利地敲開了石油專業的大門，快速融入了“石油朋友圈”。

與此同時，金旭始終沒有放棄尋找納米材料與技術在石油地質和工程領域應用的切入點，始終牢記將基礎創新成果轉化為工程應用實踐的初心。“念念不忘之事，必有回響相報”。2012年，中國石油勘探開發研究院采油采氣裝備所與北京航空航天大學化學學院開展仿生工程材料合作開發項目。金旭為了能夠更好地理解和完成這個項目，以更加深入的視角打開這個全新的領域，決定攻讀該領域基礎研究的在職博士。經過高強度的緊張復習，他成功通過北京航空航天大學材料物理與化學專業的博士入學考試，師從江雷院士。

有了江院士和其他老師的指導啟發，有了在國際一流科研團隊中的耐心磨煉和勤奮思考，他很快就準確地找到了仿生學與石油工程的結合點，開發了高性能防砂篩網和仿生防腐涂層等先進材料，研究成果發表在影響因子15以上的國際高水平期刊上，并獲授權國家發明專利2項。

這個成功嘗試讓金旭看到了科學與工程結合的點點亮光，也找到了他苦苦求索的落腳點，成功邁上了傳統石油工程與新興仿生材料學交叉創新的新臺階。

納米油氣創新研發團隊2020年合影

精誠合作 年輕團隊共奮進

隨著北美頁巖氣革命的爆發，主要儲集在微納米孔隙中的非常規油氣成為業界研究熱點。在上級領導的推薦支持和直接領導下，熟悉納米材料和微觀表征技術的金旭開始著手組建中國石油首個納米油氣工作室，立足實驗室開展基礎應用和實驗技術創新研究，服務我國非常規油氣勘探與開發。金旭堅信這是納米技術得以應用的一片新天地，他始終關注著非常規油氣領域的科研進展，廣泛閱讀大量相關文獻并參加學術講座。一次，在聽取美國工程院院士、斯坦福大學Amos Nur教授關于“美國頁巖氣勘探開發進展與啟示”的報告交流會時，他受到極大啟發。隨后，他針對頁巖物性和頁巖油氣儲量難以準確定量評價的現實難題，梳理出數字巖石技術和納米材料人造巖心物理模擬兩個研究方向。

事實證明，金旭的判斷非常準確，在兩個技術方向上的創新研發使得納米油氣團隊在短時間內取得重要突破。針對非常規油氣資源主要賦存在非均質微納米儲集空間的特性，金旭帶領團隊建立了多尺度數字巖石綜合評價平臺，將巖心表征分辨率從傳統的厘米尺度下探到亞納米尺度，全景多角度探視儲集空間三維展布、裂縫結構特征、礦物元素組成、有機質類型和油氣賦存狀態等，自主開發了電化學3D打印、剩余油荷電微觀顯影、納米多孔材料物理模擬等原創技術，形成一整套儲層多尺度多維度綜合評價的數字巖石技術體系，探索了儲層非均質性、固液界面微觀作用機制、流體微觀流動規律、剩余油分布機制等科學問題，在非常規油氣地質基礎研究和工程應用中發揮了重要作用。

在前沿技術取得原創性突破的同時，金旭和團隊也時刻牢記服務油田生產的實際需要。在一次項目交流會中，長慶油田專家提到由于頁巖的強非均質性和狹小孔隙，頁巖油資源量的計算方法還比較籠統，充注下限與常規原油有何區別、潤濕性約束下的孔徑閾值到底是多少都很難確定，這成為頁巖油儲量計算與提交的重要參數。

“既然是納米級孔隙，是否能用納米材料解決問題呢？”說者無心，聽者有意，金旭馬上來了靈感。針對這些問題，金旭和團隊探索了多種不同基質微納多孔材料可控制備和潤濕性調控方法，獲得了逼近真實頁巖物性的標準人造巖心，通過示蹤實驗和物理模擬，他們提出頁巖油充注下限為20納米和可自由運移下限為200納米，準確判斷了頁巖儲層的儲油能力，突破了經典油氣儲層理論孔喉下限，為地質儲量及經濟可采儲量準確測算提供了依據，對全球頁巖系統資源潛力準確計算也有重要借鑒意義。他還帶領團隊利用掃描電鏡荷電效應，開發了背散射截面二次成像法，在國際上首次獲取了10納米級二維和三維頁巖油分布的直接成像和定量評價。成果為頁巖油地質儲量和經濟可采儲量準確測算提供了重要依據。

據不完全統計，金旭帶領團隊研發的復雜儲層多尺度數字巖石技術，分別在鄂爾多斯、松遼、準噶爾、四川等盆地不同類型非常規油氣儲層實現了成功應用，累計分析達80多井次、超4000多塊巖樣，獲取數據近7000組，有效解決了復雜儲層類型判識、資源賦存空間描述、流體微觀流動特征刻畫等技術難題，降低了勘探風險，為我國非常規油氣勘探的持續突破提供了重要技術支撐。

十年鑄劍，鋒芒初試。多年來，金旭主持各類研發課題20余項，先后獲得高等學校科學研究優秀成果獎自然科學獎一等獎等省部級科技及管理獎勵5項，榮獲孫越崎青年科技獎、第四屆杰出工程師青年獎、優秀青年能源科技工作者、國際石油工程師協會（SPE）杰出青年貢獻獎和《中國科學-化學》年度最佳論文等多項個人榮譽，發表SCI論文70多篇，授權國際發明專利6項和國家發明專利30余項。短短十年時間，金旭從一個石油領域的門外漢，硬是在傳統學科中開辟出全新研究領域，成長為將新興納米科學融入傳統地質科學進行交叉研究的代表人物，取得了重大技術創新和系列研究成果。

即便如此，每次有人問起金旭取得創新成果的秘訣時，他自然而然地將功勞歸功于身處一支特殊的優秀團隊。的確，金旭所在的納米油氣工作室，確實是一支“特種部隊”。這是中國石油勘探開發研究院唯一以“工作室”命名的科室，團隊中不乏國內外頂級院校畢業的高才生，專業背景包括化學、材料、數學、力學和地質等，能力和個性都很突出。這樣一支來自不同學科的優秀團隊，剛開始聚在一起時，也曾遇到過如何協作共進的難題，金旭對此并沒有急于求成，而是別出心裁地探索出“先發散探能力、再聚焦顯本事”的組織思路，讓大家先根據自己的專業能力和關注點去尋找感興趣的研究方向，從不同專業角度了解石油科研領域整體框架后，再“聚焦”油田需求和攻關目標，通過多學科交叉創新實現重點突破。

帶領團隊開展數字巖石實驗技術開發

工作中，金旭鼓勵團隊成員間開展頭腦風暴式的科研交流，學習自己未知的領域知識，加強對不同學科的認知，從而建立團隊高效溝通和有效糾偏機制。工作之余，他還經常帶領團隊成員開展交流活動，建立個人情感和友誼基礎。這樣的團隊氛圍，既尊重了每個人的研究興趣，充分發揮了每個人的特長，又能增進彼此間的了解和理解。

一枝獨秀不是春，百花齊放春滿園。在這樣的和諧氛圍和科研環境中，團隊年輕骨干迅速得到鍛煉和成長，頻繁獲得重要獎項。北京大學畢業的李建明博士多年來埋頭骨干，一直堅守在實驗室，榮獲勘探院“十三五”創新標兵和技術發明獎一等獎；清華大學畢業的王曉琦更是被評為“中國石油集團公司十大杰出青年”和“中央企業青年崗位能手”，成為中國石油80萬青年人中的佼佼者。金旭歷數著團隊成員的各項榮譽，如數家珍，與有榮焉。

2015年前后，全球進入第四次工業革命和第三次能源轉換革命的疊合期。2016年，為應對信息化產業變革和能源轉型需求，在院領導和知名專家的建議下，以金旭為首的一批來自各個單位不同領域的年輕科研骨干，自發組建勘探院首個“創客”小組。他們針對油氣資源劣質化、信息孤島化和能源低碳化，以及大數據、人工智能、先進材料和3D打印等技術進步等現狀，共同創建了“1個平臺、1項突破、1個導向、1項支撐”技術研發組織管理新模式，以科學問題和工程需求為導向，在頁巖油多尺度儲層評價、第四代智能分層注水技術、油藏納米探測技術、大數據平臺建設，以及新能源關鍵材料開發等領域大膽設想、協同攻關，取得了一系列高水平研究成果和工程應用實效。相關科學探索和管理實踐受到院領導、多位院士專家的廣泛好評，榮獲2020年度石油石化企業管理現代化創新優秀成果獎一等獎。

開疆拓土 踏上新的征程

當前，全球范圍內能源結構轉型已經成為大勢所趨，新能源逐步取代傳統能源將呈現不可逆的加速過程。中國的石油工業長期立足“油和氣”，正在直面新能源革命挑戰與轉型機遇，積極探索向低碳環保能源轉型的生產模式和發展理念，也迫切需要開展新能源關鍵技術和專業人才的超前儲備。

2020年，中國石油勘探開發研究院新能源研究中心應運重組而生，納米油氣團隊成員被“征召入伍”，金旭出任研究中心副主任，這讓他感到前所未有的壓力。對他而言，新能源技術競爭日趨激烈和白熱化，必須實時跟進，與時間賽跑，才有可能勉強跟上技術迭代的步伐，如果想產出原創性成果更是難上加難。新能源在中國石油和勘探院不是主流業務，總會有“在這做新能源沒戲”和“這個方向做兩年就做死了”的聲音，如何在夾縫中找到與油田需求結合的創新點，是金旭和新能源團隊面臨的難題。

“當一片黑暗時，哪個角落有暗流涌動，便可能在那里找到希望的光”，金旭經常在心中重復這句名言。壓力即是動力，越是難，越要往前沖，越是不被看好，就越要做出成績來。為此，他迅速轉變角色，捋順工作內容和流程，將研究方向鎖定為適合中國石油獨特應用場景的新能源技術研發，比如將全天候高安全儲能技術、可再生能源電解水制氫技術和固體氧化物燃料電池系統開發等方向作為突破點。面對新能源研究中心業務范圍覆蓋廣、科研創新與工程示范挑戰眾多、專業人員短缺的現狀，金旭不畏困難，努力做好行政事務性工作，同時擔負氫能、儲能、燃料電池和新材料等方向的研發工作，時間根本不夠用，每天凌晨一點準時響起的《莫失莫忘》樂曲，是他提醒自己該睡覺的鬧鐘……王曉琦感慨道：“金主任是一個充滿活力的創新者和不知疲倦的領導者，他能給團隊帶來的不僅是信心與正能量，還有披荊斬棘、不舍晝夜的堅持。”他的這種堅持還得益于攻讀博士期間，導師江雷院士的一席話。江院士說：“所謂一生一事，就是一個人一輩子能把一件事做好就已經很不容易了，我這輩子堅持著把仿生界面做好就是最大的成功。”直到現在，金旭仍將這句話牢記于心，并將其飽含的精髓轉化為激勵自己和團隊認準一件事情不懈前行的動力源泉。如今，金旭和團隊成員認準了“將納米技術開發與能源工業應用結合”這份要不懈探索的事業。“涓滴之水終能夠磨損大石，不是因為它氣力富強，而是由于晝夜不舍的滴墜。”有“一生一事”的堅持，也有團隊的力量，金旭和他的團隊的未來充滿了希望，在多學科交叉創新的道路上砥礪前行。