摘要：北京日报 | 记者 孙乐琪“泽中有火”“上火下泽”——早在3000多年前的《易经》中，就有我国古人发现油气燃烧的记载。而到了公元977年，北宋科学家沈括则在《梦溪笔谈》中将这种可以燃烧的黑水命名为“石油”。人们常把石油称为“现代工业的血液”...
北京日报 | 记者 孙乐琪
“泽中有火”“上火下泽”——早在3000多年前的《易经》中，就有我国古人发现油气燃烧的记载。而到了公元977年，北宋科学家沈括则在《梦溪笔谈》中将这种可以燃烧的黑水命名为“石油”。
人们常把石油称为“现代工业的血液”，可见其重要性。然而，我国对于石油勘探的探索从新中国成立以后才真正开始。
“石油能源建设对我们国家意义重大，中国作为制造业大国，要发展实体经济，能源的饭碗必须端在自己手里。”去年，习近平总书记在胜利油田看望慰问石油工人时说。
为了将“能源的饭碗”端牢，被称为超声波研究“国家队”的中国科学院声学研究所超声学实验室固体声学与深部钻测团队，数十年如一日地不懈探索着用井下声波来探测能源的核心技术，开发出性能更优越的井下声学探测仪器。
上天、下海、入地，被称为人类探索自然的三大壮举。上天难，入地更难。想要在数千米的深地，探清“宝藏”的位置，可谓难上加难。
去年，团队成功研制出多分量横波远探测成像测井仪器，并在8340米的深部地层井孔中成功获取井外几十米的清晰地质成像图，相当于站在“地下珠峰”看清了附近的世界。
团队成员中的超声学实验室主任陈德华、副主任何晓和研究员张秀梅介绍，5年内，团队还将向万米深地进军。
给大地“做B超”
石井成像测量结果
茫茫大地，要想找到石油，总共分几步？陈德华说，这可以借鉴传统医学中的“望闻问切”四字来概括。
首先，地质学家会确定可能存在油气田的地区和范围，这一步叫做区域概查，相当于“望闻问切”中的“望”和“闻”；然后利用人工地震方法推断地下岩石的结构，这一步叫作区域普查，相当于“问”，可以大体确定地下哪些位置存在油气储层；接下来，工程师会钻开潜在油气田的第一口井——探井，进行区域详查，相当于“切”。
仅仅打开一口探井还不够，如果想了解油气层的位置以及油气的开采价值，还需要结合一些高科技手段，这正是测井技术大展身手的时候。
测井被称为“石油工业的眼睛”，因为在漆黑而又高温的地下，无法直接观察到地层岩石信息，必须通过测井仪器记录数据并传输到地面，这个过程就好比人的眼睛接收到光信号，并处理成图像以供辨别。
“将先进的测井仪器放入钻孔内，我们可以给地球深部‘做B超’‘拍CT’，对地下几千米处的油气层作出厘米级甚至更高精度的精细探测。”陈德华解释，测井的过程相当于医院检查的过程，而测井仪器就是一台台先进的医学影像设备。通过先进的测井方法可以确定地层的性质，进一步对地层作出准确评价，从而确定地层是否含有油气、含油气量的多少、油层厚度以及评估油气可采量。
测井方法通常分为声法、电法、核物理法和核磁共振法四种。其中，向地层发射声波、接收处理反射或折射回来的声波从而获取地层信息的方法，被称为声波测井。
“当我们走在沙滩和柏油路上时，脚下的感受是不同的。声波在不同介质中传播时，它的‘感受’也不尽相同，这是因为不同介质中声波的速度、衰减及频率变化等特性是不同的。”声波测井就是以探测岩石等介质的声学特性差异为基础，研究钻井地质剖面、评价固井质量等问题的测井方法。“相当于医院里的B超检查，既环保，成本相对还低，更重要的是能够获得许多至关重要的地层岩石力学参数。”陈德华说。
常规声波测井的探测范围往往局限在井周几厘米至几十厘米的范围内。这就像两个人说话时，双方距离越远，越难以听清对方的话；而如果藏在柜子里说话，外面人听到的声音会小很多。同理，声波从井孔中发射时，能量更容易集中在井内传播，而传播到井外的声波的幅度是很小的。由于声波测井范围一度存在探测距离短的局限性，因此这种测井技术常被人形容为“一孔之见”。
为了改变测井“管窥蠡测”的现状，超声学实验室几代科技工作者从上个世纪80年代就开始孜孜探索，从探测方法和技术装备上“做文章”，力图破题——既“探得远”又“听得清”。这就需要不断优化声源频率，让声波不仅传得更远，还能“戴上瞄准镜”，具有“指哪打哪”的方向性。
偶极横波远探测的概念是本世纪初提出的。实际应用中，它的声源相较于普通声波测井的频率范围要低很多。低频声波衰减较小，故而能实现更远的横向探测距离。而偶极声源的信号存在方向上的差异性，采用多分量，即多个接收方位的偶极发射和接收，可以确定反射体界面的方位，这就让声波具有了指向性。
这就相当于把没有方向性的“普通音响”，换成了具有“环绕”效果的“立体音响”，让声波探测具有了确定方位的能力。
偶极横波远探测技术在实现单井成像的同时，实现了更远的探测范围，多口相邻井的探测范围会相互补充，借此可以完成井间联动的多井远探测反馈体系，对区域地层实现比地面地震勘探更精准的探测。“这就好像是一个个孤立的城市由四面八方辐射出的公路网络相连，我们可以借助交通工具领略其它城市的美丽风光。”陈德华说。
2012年，超声学实验室成功研发出偶极子阵列声波测井仪；2013年，开始着手横波远探测关键核心技术的研发；2021年底，第三代横波远探测成像测井仪在超深井中实现了清晰的井外地质成像，并创造了8340米深度的探测纪录……
十年磨一剑。近年来，作为超声波研究“国家队”的超声学实验室，使用低频横波远探测测井技术，将探测范围拓展到了井周数十米甚至上百米，使测井技术真正从“一孔之见”拓展到“一孔远见”。
在键盘上“翻跟头”
说起中科院声学所探索偶极横波远探测技术的开端，还要回溯到我国超声学奠基人、中科院院士应崇福。
从1978年开始，应崇福就组织了一支精干的研究队伍，开展了一系列高水平、具有较好应用前景的基础性研究。20年间，他们在检测用超声压电换能器、固体中超声传播与散射、功率超声、声表面波技术、激光超声等方面取得了一系列成果，为超声学实验室的发展打下了坚实基础。
时间来到2006年。当时，在国外从事声学理论与方法研究的王秀明研究员以人才引进的方式回到国内，开始担任超声学实验室负责人。为摸清领域内的研究热点和应用进展，他积极到各油田进行技术交流。
当时，随着世界范围内油气资源勘探和开发的竞争不断升级，国外油田技术服务公司不再向我国出售油气探测和评价的先进测井仪器装备，并进行严格的技术封锁。其中，正交偶极声波测井仪器关键部件——低频、小体积、耐高温高压的声学测井换能器更属于严格控制的产品。“这种换能器的价格居高不下，而且有价无货。”陈德华回忆。
面对这种状况，当时不同油田的技术专家异口同声地提出同一个诉求：由于缺乏自主研发的偶极子声波测井换能器，我国难以大面积推广应用偶极横波测井的先进技术。这不仅影响了我国高端声波测井装备的国产化，还严重阻碍和制约了我国油气勘探、开采的进度。
“声学所能否研发这种核心部件？”面对棘手的“卡脖子”问题，接还是不接，让固体声学与深部钻测团队感到两难——
接，难度大。自1992年以来，国内有关单位曾多次尝试研制这种换能器，但是这种高性能换能器的耐温性能、发射和接收效率、小体积、低频等技术一直没有得到系统解决，团队此前也没有相关设计与制作的经验。陈德华说，当时，课题组的优势在声学基础理论与方法研究方面，“所内那些质疑的人将我们比喻为：一支在计算机键盘上翻跟头的团队。”
不接，油田急需，行业急需，国家急需！
最终，团队决定迎难而上，与中海油田服务股份有限公司签订了研制高温偶极子声波测井换能器的技术合作协议。
“当时的研究可以说是‘从零开始’，我们除了能看到国外换能器嵌入仪器后的‘长相’和它可以实现的一些基本性能外，对它的材料、结构、参数等具体信息几乎一无所知。”张秀梅说，经过近3年的反复摸索、试验，经历了成百上千次的失败后，团队终于研制出了换能器的第一个样品。
但问题也随之而来。这是一种由3个主要构件粘接在一起共同组成的“夹心式”声学换能器，虽然制作换能器的各种材料都能满足耐温性能要求，可一旦将样品加温超过耐温指标，换能器要么整体开裂，要么其中的陶瓷传感材料破碎，导致试验失败了一次又一次。
张秀梅说，井下的环境温度是随深度递增的，深度每增加100米，温度就会升高3摄氏度左右。换能器在常温下虽然性能达标，但不耐高温，显然无法在实地勘探的井下环境中发挥作用。
是换能器材料本身耐温性能不行？还是粘接剂质量不够？研制项目进入到“山重水复疑无路”的胶着期。近4个月的时间，团队成员反复研究材料配方，不断咨询国内外换能器领域的专家，换了十几批材料，又经过上百次的试验，终于克服了耐高温制作工艺的难题，研制出了可与进口产品媲美的成品。
“这才是中国科学院人该干的事！”时任中国科学院院长的路甬祥院士在现场观看产品展示并听取团队汇报后，高兴地说。
国产换能器交付中海油田公司后，随即投入实际应用，并进行了小规模的量产。以此为契机，中科院声学所又先后与中石油、中石化等下属油田技术服务公司签订技术合作协议，低频宽带横波换能器、超高温高压偶极横波换能器等相继问世，产品性能不断优化迭代。
而偶极子声波换能器的成功研制，不仅解决了声波石油勘探关键核心部件依赖国外进口的“卡脖子”问题，也让超声学实验室固体声学与深部钻测团队由原来单一的测井理论与方法研究，开始向理论与核心部件及装备研发并重转型。
新一代横波远探测仪器的开发研制，呼之欲出。
路甬祥（左二）来声学所调研现场。（资料图）
向万米深地进发
横波远探测成像测井仪整体结构。
1953年，新西兰探险家艾德蒙·希拉里从喜马拉雅山南坡登上“世界之巅”——珠穆朗玛峰。人类第一次站在距离地表超过8000米的高度俯瞰这个世界。
而如果从地面往下“俯视”，在距离地表8000多米的深地层中，又将是怎样一番景象呢？2021年，中科院声学所研制的高性能横波远探测成像测井仪器，第一次利用声波“看”清了周围50米内的世界。
解决了换能器这一核心部件问题，如何研制具有自主知识产权的高性能仪器，特别是解决偶极横波固有的180度方位探测不确定性问题，成了团队面临的又一难题。
通过大量的理论计算与分析，团队提出了三分量横波探测思路，并进一步发展了混合模式的多分量横波远探测技术，既解决了方位探测的难题，又无需对原有的仪器结构做出较大的改动，为油田的推广应用奠定了良好的基础。
为了探测井外更远距离的反射体，团队还有针对性地研发了集接收、采集、调理和就近数字化等功能于一体的接收器阵列，有效提高了探测弱反射信号的能力，使仪器具有良好的远场声辐射覆盖性及方位灵敏度，井外横向探测距离提高到80米至100米。
就这样，经过一系列技术攻关以及集成优化和改进，2021年，具有国际领先水平的第三代多分量偶极横波远探测声波测井仪器，终于诞生了！
骄人的成绩背后，是团队工作人员十年如一日不舍昼夜地求索。
探测器要想进入极深的地下，首先要面临的就是高温高压、狭小空间的恶劣工作环境。在万米的地下，压力可能超过深海20000米处的静水压力，而地层温度可能达到260摄氏度。相较高压、高温带来的挑战和限制甚至更大。
“研究高温耐热材料的专家也许要笑了：200多摄氏度，听上去也不算太高的温度呀！”陈德华笑着说。然而，大部分油气探井直径只有碗口大小，随着深度增加，井孔大小一般还会呈现阶梯式减小。工作在这么狭小的空间内，探测仪器难以进行非常有效的隔热保护，加上周围环境没有足够大的温度差，无法进行必要的散热处理。因此，探测仪器既要“忍耐”高热的环境温度，还要“抵御”仪器工作时自身发热导致的热量累积，难度远比想象的大得多。
“探测得越深，难度就越大。就像百米跨栏的顶尖选手，提速1秒都是世界级的飞跃。”张秀梅说。团队既要开展电子线路低功耗设计和元器件的筛选集成，又要对仪器进行隔热保温处理。针对作业时须完全暴露在高温高压环境中的换能器，还要通过不断试验，使材料、工艺、结构完全满足指标要求。同时，更要解决仪器研发及应用过程中的各种其它技术难点。
为此，实验室工作人员多年来不辞劳苦地奔波在油田与实验室之间，反复进行测试。
数不清有多少个日日夜夜，都是在井场度过的。10月的内蒙古已寒气逼人，团队在野外测试，顶着小雪和低温等待井下的测量数据，从白天等到白天，一站就是一宿。炎夏的山东东营郊外，蚊子密密匝匝，摘掉帽子就往人的鼻子嘴巴里钻，陈德华开玩笑说，“有密集恐惧症的人到了那儿肯定受不了！”
正是在这样不停奔波、不计劳苦的全力探索中，经过多次优化迭代，多分量横波远探测成像测井仪器去年首次在8340米的深部地层中成功获得了清晰的地质构造成像图，创下了我国同类仪器在深度探测方面的纪录，达到了国际领先水平。
这不仅对支撑我国“深地”战略目标、保障国家能源安全具有重要的意义，同时也打破了国际知名油田技术服务公司在该领域内的垄断。
5年来，横波远探测技术在中石化西北某油田应用，并取得了令人满意的成绩：已累计测试上百口油井，平均井深近7000米，实现直接经济效益超过3000万元，累计增产油气量约200万吨。
行者方致远。
为了让“石油工业的眼睛”看得更深、视野更广，声学所超声实验室固体声学与深部钻测团队从未停下前行的脚步。“我们立下了5年内探测万米深井的目标，就要步履不停，向万米深地进军！”陈德华说。
