中科院聲學所團隊不斷探索發展橫波遠探測成像測井技術 給大地「做B超」，用聲波找油氣
2023-05-06 08:26 作者：吳月輝 來源：人民網－人民日報 閱覽：
2011年至2021年，中國用10年時間實施找礦突破戰略行動。其間累計發現17個億噸級大油田和21個千億立方米級大氣田，新形成32處非油氣礦產資源基地，主要礦產保有資源量普遍增長。
石油能源建設對我們國家意義重大，中國作為製造業大國，要發展實體經濟，能源的飯碗必須端在自己手裡。端牢能源的飯碗，必鬚髮揮科技創新第一動力作用，通過技術進步解決能源資源約束、生態環境保護、應對氣候變化等重大問題和挑戰。
近年來，中國科學院聲學研究所超聲學實驗室固體聲學與深部鑽測團隊，數十年如一日不懈探索用井下聲波來探測能源的核心技術，開發出性能更優越的井下聲學探測儀器，對支撐我國深地勘探、保障國家能源安全具有重要的意義。
——編 者
找到油氣田，有哪些步驟？
「望聞問切」定位置，測井儀器作「眼睛」
油氣勘探是一項複雜而又有高難度的工作，並且存在巨大風險。那麼，要想找到油氣田，需要經歷哪些步驟？
中國科學院聲學研究所研究員、超聲學實驗室主任陳德華說：「找油氣田的過程，可以用傳統醫學中的『望聞問切』四字來概括。」
首先，地質學家會進行區域概查，確定可能存在油氣田的地區和範圍。這一步相當于「望聞問切」中的「望」和「聞」；然後進行區域普查，利用人工地震方法推斷地下岩石的結構，這一步相當于「問」，可以大體確定地下哪些位置存在油氣儲層；接下來，工程師會鑽開潛在油氣田的第一口井——探井，進行區域詳查，相當于「切」。
陳德華說：「如果想瞭解油氣層的具體位置以及油氣的開採價值，以上的『望聞問切』還不夠，還需要結合一些高科技手段，比如測井技術。」
測井被稱為「石油工業的眼睛」，因為在漆黑而又高溫的地下，無法直接觀察到地層岩石資訊，必須通過測井儀器記錄數據並傳輸到地面，這個過程就好比人的眼睛接收到光信號，並處理成圖像以供辨別。
「將先進的測井儀器放入鑽孔內，我們就可以對地下幾千米處的油氣層進行精細探測，精度能達到厘米級甚至更高。通過測井，可以確定地層的性質，進一步對地層作出準確評價，從而確定地層是否含有油氣、含油氣量多少、油層厚度以及評估油氣可采量。」 陳德華說，「這個過程就好比人們在醫院體檢時『做B超』。」
測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，向地層發射聲波、接收處理反射或折射回來的聲波從而獲取地層資訊的方法，被稱為聲波測井。「相比其它幾種方法，聲波測井不僅環保，成本相對還低，更重要的是能夠獲得許多至關重要的地層岩石力學參數。」陳德華說。
國產高端聲波測井裝備，是如何研發出來的？
「從零開始」解難題，反複試驗終量產
本世紀初，世界範圍內油氣資源勘探和開發的競爭不斷升級。「當時，我們缺乏自主研發的偶極子聲波測井換能器，也難以大面積推廣應用偶極橫波測井的先進技術。這不僅影響了我國高端聲波測井裝備的國產化，還嚴重阻礙和制約了我國油氣勘探、開採的進度。」陳德華回憶。
面對棘手難題，中科院聲學所的研究團隊迎難而上。
研究可以說是「從零開始」，團隊成員們除了能看到市面上已有換能器嵌入儀器後的「長相」，瞭解它可以實現的一些基本功能外，其餘相關材料、結構、參數等具體資訊幾乎一無所知。
此後，經過近3年的反復摸索、試驗，經歷了成百上千次的失敗後，團隊終於研製出了換能器的第一批樣品。陳德華說：「但是，這批換能器樣品一旦放入高溫環境中進行測試，要麼整體開裂，要麼壓電陶瓷破碎，導致試驗失敗了一次又一次。」
究竟是哪裡出了問題？近4個月的時間裡，團隊成員反復研究材料選型，換了十幾批材料，並不斷改進粘接工藝，經過上百次的反複試驗，終於克服了耐高溫、高壓聲波測井換能器的製作難題，研製出了達到國際先進水準的成品。
國產換能器交付後，隨即投入實際應用，並進行了小規模的量產。
如何克服測井技術的「一孔之見」？
優化設計「探得遠」，激發聲源「聽得清」
常規聲波測井的探測範圍往往局限在井周幾厘米至幾十厘米的範圍內。這就像兩個人說話時，雙方距離越遠，越難以聽清對方的話；而如果藏在密閉空間里說話，外面人聽到的聲音會更小。
由於測井是在非常狹小的鑽孔中進行的，常規測井技術的探測範圍非常有限，因此測井技術常被人形容為「一孔之見」。
如何既「探得遠」又「聽得清」？
「對聲波測井來說，這就需要不斷優化設計激發聲源，讓聲波不僅傳得更遠，還能『戴上瞄準鏡』，具有『指哪打哪』的方向性。」陳德華介紹。
我國超聲學領域幾代科技工作者從上世紀80年代就開始探索。經過不懈努力，近年來，中科院超聲學實驗室不斷發展低頻橫波遠探測技術，將聲波測井的探測範圍拓展到了井周數十米甚至上百米。
「偶極橫波遠探測的聲源相較於普通聲波測井的頻率範圍要低很多。低頻聲波衰減較小，故而能實現更遠的橫向探測距離。」陳德華說，「同時，偶極聲源的信號存在方位差異性，採用多分量的聲波髮射和接收，通過信號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。」
2012年，中科院超聲學實驗室成功研發出偶極子陣列聲波測井儀；2013年，開始著手橫波遠探測關鍵核心技術的研發；2021年底，第三代橫波遠探測成像測井儀在超深井中實現了清晰的井外地質成像及8340米深度的探測紀錄，創下該類國產儀器深度探測紀錄，對保障國家能源安全具有重要意義。
石油能源建設對我們國家意義重大，中國作為製造業大國，要發展實體經濟，能源的飯碗必須端在自己手裡。端牢能源的飯碗，必鬚髮揮科技創新第一動力作用，通過技術進步解決能源資源約束、生態環境保護、應對氣候變化等重大問題和挑戰。
近年來，中國科學院聲學研究所超聲學實驗室固體聲學與深部鑽測團隊，數十年如一日不懈探索用井下聲波來探測能源的核心技術，開發出性能更優越的井下聲學探測儀器，對支撐我國深地勘探、保障國家能源安全具有重要的意義。
——編 者
找到油氣田，有哪些步驟？
「望聞問切」定位置，測井儀器作「眼睛」
油氣勘探是一項複雜而又有高難度的工作，並且存在巨大風險。那麼，要想找到油氣田，需要經歷哪些步驟？
中國科學院聲學研究所研究員、超聲學實驗室主任陳德華說：「找油氣田的過程，可以用傳統醫學中的『望聞問切』四字來概括。」
首先，地質學家會進行區域概查，確定可能存在油氣田的地區和範圍。這一步相當于「望聞問切」中的「望」和「聞」；然後進行區域普查，利用人工地震方法推斷地下岩石的結構，這一步相當于「問」，可以大體確定地下哪些位置存在油氣儲層；接下來，工程師會鑽開潛在油氣田的第一口井——探井，進行區域詳查，相當于「切」。
陳德華說：「如果想瞭解油氣層的具體位置以及油氣的開採價值，以上的『望聞問切』還不夠，還需要結合一些高科技手段，比如測井技術。」
測井被稱為「石油工業的眼睛」，因為在漆黑而又高溫的地下，無法直接觀察到地層岩石資訊，必須通過測井儀器記錄數據並傳輸到地面，這個過程就好比人的眼睛接收到光信號，並處理成圖像以供辨別。
「將先進的測井儀器放入鑽孔內，我們就可以對地下幾千米處的油氣層進行精細探測，精度能達到厘米級甚至更高。通過測井，可以確定地層的性質，進一步對地層作出準確評價，從而確定地層是否含有油氣、含油氣量多少、油層厚度以及評估油氣可采量。」 陳德華說，「這個過程就好比人們在醫院體檢時『做B超』。」
測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，向地層發射聲波、接收處理反射或折射回來的聲波從而獲取地層資訊的方法，被稱為聲波測井。「相比其它幾種方法，聲波測井不僅環保，成本相對還低，更重要的是能夠獲得許多至關重要的地層岩石力學參數。」陳德華說。
國產高端聲波測井裝備，是如何研發出來的？
「從零開始」解難題，反複試驗終量產
本世紀初，世界範圍內油氣資源勘探和開發的競爭不斷升級。「當時，我們缺乏自主研發的偶極子聲波測井換能器，也難以大面積推廣應用偶極橫波測井的先進技術。這不僅影響了我國高端聲波測井裝備的國產化，還嚴重阻礙和制約了我國油氣勘探、開採的進度。」陳德華回憶。
面對棘手難題，中科院聲學所的研究團隊迎難而上。
研究可以說是「從零開始」，團隊成員們除了能看到市面上已有換能器嵌入儀器後的「長相」，瞭解它可以實現的一些基本功能外，其餘相關材料、結構、參數等具體資訊幾乎一無所知。
此後，經過近3年的反復摸索、試驗，經歷了成百上千次的失敗後，團隊終於研製出了換能器的第一批樣品。陳德華說：「但是，這批換能器樣品一旦放入高溫環境中進行測試，要麼整體開裂，要麼壓電陶瓷破碎，導致試驗失敗了一次又一次。」
究竟是哪裡出了問題？近4個月的時間裡，團隊成員反復研究材料選型，換了十幾批材料，並不斷改進粘接工藝，經過上百次的反複試驗，終於克服了耐高溫、高壓聲波測井換能器的製作難題，研製出了達到國際先進水準的成品。
國產換能器交付後，隨即投入實際應用，並進行了小規模的量產。
如何克服測井技術的「一孔之見」？
優化設計「探得遠」，激發聲源「聽得清」
常規聲波測井的探測範圍往往局限在井周幾厘米至幾十厘米的範圍內。這就像兩個人說話時，雙方距離越遠，越難以聽清對方的話；而如果藏在密閉空間里說話，外面人聽到的聲音會更小。
由於測井是在非常狹小的鑽孔中進行的，常規測井技術的探測範圍非常有限，因此測井技術常被人形容為「一孔之見」。
如何既「探得遠」又「聽得清」？
「對聲波測井來說，這就需要不斷優化設計激發聲源，讓聲波不僅傳得更遠，還能『戴上瞄準鏡』，具有『指哪打哪』的方向性。」陳德華介紹。
我國超聲學領域幾代科技工作者從上世紀80年代就開始探索。經過不懈努力，近年來，中科院超聲學實驗室不斷發展低頻橫波遠探測技術，將聲波測井的探測範圍拓展到了井周數十米甚至上百米。
「偶極橫波遠探測的聲源相較於普通聲波測井的頻率範圍要低很多。低頻聲波衰減較小，故而能實現更遠的橫向探測距離。」陳德華說，「同時，偶極聲源的信號存在方位差異性，採用多分量的聲波髮射和接收，通過信號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。」
2012年，中科院超聲學實驗室成功研發出偶極子陣列聲波測井儀；2013年，開始著手橫波遠探測關鍵核心技術的研發；2021年底，第三代橫波遠探測成像測井儀在超深井中實現了清晰的井外地質成像及8340米深度的探測紀錄，創下該類國產儀器深度探測紀錄，對保障國家能源安全具有重要意義。
