給大地“做B超”，用聲波找油氣（主題）

2011年至2021年，我國(guó)用10年時(shí)間實(shí)施找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)。其間累計(jì)發(fā)現(xiàn)17個(gè)億噸級(jí)大油田和21個(gè)千億立方米級(jí)大氣田，新形成32處非油氣礦產(chǎn)資源基地，主要礦產(chǎn)保有資源量普遍增長(zhǎng)。

石油能源建設(shè)對(duì)我們國(guó)家意義重大，中國(guó)作為制造業(yè)大國(guó)，要發(fā)展實(shí)體經(jīng)濟(jì)，能源的飯碗必須端在自己手里。端牢能源的飯碗，必須發(fā)揮科技創(chuàng)新第一動(dòng)力作用，通過(guò)技術(shù)進(jìn)步解決能源資源約束、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、應(yīng)對(duì)氣候變化等重大問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

(相關(guān)資料圖)

近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所超聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室固體聲學(xué)與深部鉆測(cè)團(tuán)隊(duì)，數(shù)十年如一日不懈探索用井下聲波來(lái)探測(cè)能源的核心技術(shù)，開發(fā)出性能更優(yōu)越的井下聲學(xué)探測(cè)儀器，對(duì)支撐我國(guó)深地勘探、保障國(guó)家能源安全具有重要的意義。

——編 者

找到油氣田，有哪些步驟？

“望聞問(wèn)切”定位置，測(cè)井儀器作“眼睛”

油氣勘探是一項(xiàng)復(fù)雜而又有高難度的工作，并且存在巨大風(fēng)險(xiǎn)。那么，要想找到油氣田，需要經(jīng)歷哪些步驟？

中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所研究員、超聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任陳德華說(shuō)：“找油氣田的過(guò)程，可以用傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中的‘望聞問(wèn)切’四字來(lái)概括。”

首先，地質(zhì)學(xué)家會(huì)進(jìn)行區(qū)域概查，確定可能存在油氣田的地區(qū)和范圍。這一步相當(dāng)于“望聞問(wèn)切”中的“望”和“聞”；然后進(jìn)行區(qū)域普查，利用人工地震方法推斷地下巖石的結(jié)構(gòu)，這一步相當(dāng)于“問(wèn)”，可以大體確定地下哪些位置存在油氣儲(chǔ)層；接下來(lái)，工程師會(huì)鉆開潛在油氣田的第一口井——探井，進(jìn)行區(qū)域詳查，相當(dāng)于“切”。

陳德華說(shuō)：“如果想了解油氣層的具體位置以及油氣的開采價(jià)值，以上的‘望聞問(wèn)切’還不夠，還需要結(jié)合一些高科技手段，比如測(cè)井技術(shù)?！?/p>

測(cè)井被稱為“石油工業(yè)的眼睛”，因?yàn)樵谄岷诙指邷氐牡叵?，無(wú)法直接觀察到地層巖石信息，必須通過(guò)測(cè)井儀器記錄數(shù)據(jù)并傳輸?shù)降孛?，這個(gè)過(guò)程就好比人的眼睛接收到光信號(hào)，并處理成圖像以供辨別。

“將先進(jìn)的測(cè)井儀器放入鉆孔內(nèi)，我們就可以對(duì)地下幾千米處的油氣層進(jìn)行精細(xì)探測(cè)，精度能達(dá)到厘米級(jí)甚至更高。通過(guò)測(cè)井，可以確定地層的性質(zhì)，進(jìn)一步對(duì)地層作出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，從而確定地層是否含有油氣、含油氣量多少、油層厚度以及評(píng)估油氣可采量?！?陳德華說(shuō)，“這個(gè)過(guò)程就好比人們?cè)卺t(yī)院體檢時(shí)‘做B超’。”

測(cè)井方法通常分為聲法、電法、核物理法和核磁共振法四種。其中，向地層發(fā)射聲波、接收處理反射或折射回來(lái)的聲波從而獲取地層信息的方法，被稱為聲波測(cè)井?！跋啾绕渌鼛追N方法，聲波測(cè)井不僅環(huán)保，成本相對(duì)還低，更重要的是能夠獲得許多至關(guān)重要的地層巖石力學(xué)參數(shù)?！标惖氯A說(shuō)。

國(guó)產(chǎn)高端聲波測(cè)井裝備，是如何研發(fā)出來(lái)的？

“從零開始”解難題，反復(fù)試驗(yàn)終量產(chǎn)

本世紀(jì)初，世界范圍內(nèi)油氣資源勘探和開發(fā)的競(jìng)爭(zhēng)不斷升級(jí)?！爱?dāng)時(shí)，我們?nèi)狈ψ灾餮邪l(fā)的偶極子聲波測(cè)井換能器，也難以大面積推廣應(yīng)用偶極橫波測(cè)井的先進(jìn)技術(shù)。這不僅影響了我國(guó)高端聲波測(cè)井裝備的國(guó)產(chǎn)化，還嚴(yán)重阻礙和制約了我國(guó)油氣勘探、開采的進(jìn)度?！标惖氯A回憶。

面對(duì)棘手難題，中科院聲學(xué)所的研究團(tuán)隊(duì)迎難而上。

研究可以說(shuō)是“從零開始”，團(tuán)隊(duì)成員們除了能看到市面上已有換能器嵌入儀器后的“長(zhǎng)相”，了解它可以實(shí)現(xiàn)的一些基本功能外，其余相關(guān)材料、結(jié)構(gòu)、參數(shù)等具體信息幾乎一無(wú)所知。

此后，經(jīng)過(guò)近3年的反復(fù)摸索、試驗(yàn)，經(jīng)歷了成百上千次的失敗后，團(tuán)隊(duì)終于研制出了換能器的第一批樣品。陳德華說(shuō)：“但是，這批換能器樣品一旦放入高溫環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，要么整體開裂，要么壓電陶瓷破碎，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗了一次又一次。”

究竟是哪里出了問(wèn)題？近4個(gè)月的時(shí)間里，團(tuán)隊(duì)成員反復(fù)研究材料選型，換了十幾批材料，并不斷改進(jìn)粘接工藝，經(jīng)過(guò)上百次的反復(fù)試驗(yàn)，終于克服了耐高溫、高壓聲波測(cè)井換能器的制作難題，研制出了達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的成品。

國(guó)產(chǎn)換能器交付后，隨即投入實(shí)際應(yīng)用，并進(jìn)行了小規(guī)模的量產(chǎn)。

如何克服測(cè)井技術(shù)的“一孔之見”？

優(yōu)化設(shè)計(jì)“探得遠(yuǎn)”，激發(fā)聲源“聽得清”

常規(guī)聲波測(cè)井的探測(cè)范圍往往局限在井周幾厘米至幾十厘米的范圍內(nèi)。這就像兩個(gè)人說(shuō)話時(shí)，雙方距離越遠(yuǎn)，越難以聽清對(duì)方的話；而如果藏在密閉空間里說(shuō)話，外面人聽到的聲音會(huì)更小。

由于測(cè)井是在非常狹小的鉆孔中進(jìn)行的，常規(guī)測(cè)井技術(shù)的探測(cè)范圍非常有限，因此測(cè)井技術(shù)常被人形容為“一孔之見”。

如何既“探得遠(yuǎn)”又“聽得清”？

“對(duì)聲波測(cè)井來(lái)說(shuō)，這就需要不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)激發(fā)聲源，讓聲波不僅傳得更遠(yuǎn)，還能‘戴上瞄準(zhǔn)鏡’，具有‘指哪打哪’的方向性?！标惖氯A介紹。

我國(guó)超聲學(xué)領(lǐng)域幾代科技工作者從上世紀(jì)80年代就開始探索。經(jīng)過(guò)不懈努力，近年來(lái)，中科院超聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室不斷發(fā)展低頻橫波遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)，將聲波測(cè)井的探測(cè)范圍拓展到了井周數(shù)十米甚至上百米。

“偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)的聲源相較于普通聲波測(cè)井的頻率范圍要低很多。低頻聲波衰減較小，故而能實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的橫向探測(cè)距離。”陳德華說(shuō)，“同時(shí)，偶極聲源的信號(hào)存在方位差異性，采用多分量的聲波發(fā)射和接收，通過(guò)信號(hào)處理可以確定聲波反射體的方向，這就讓聲波具有了指向性?！?/p>

2012年，中科院超聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)出偶極子陣列聲波測(cè)井儀；2013年，開始著手橫波遠(yuǎn)探測(cè)關(guān)鍵核心技術(shù)的研發(fā)；2021年底，第三代橫波遠(yuǎn)探測(cè)成像測(cè)井儀在超深井中實(shí)現(xiàn)了清晰的井外地質(zhì)成像及8340米深度的探測(cè)紀(jì)錄，創(chuàng)下該類國(guó)產(chǎn)儀器深度探測(cè)紀(jì)錄，對(duì)保障國(guó)家能源安全具有重要意義。

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