百米跨欄(百米跨欄有幾個欄桿)

北京日報 | 記者 孫樂琪

“澤中有火”“上火下澤”——早在3000多年前的《易經》中，就有我國古人發現油氣燃燒的記載。而到了公元977年，北宋科學家沈括則在《夢溪筆談》中將這種可以燃燒的黑水命名為“石油”。

人們常把石油稱為“現代工業的血液”，可見其重要性。然而，我國對于石油勘探的探索從新中國成立以后才真正開始。

“石油能源建設對我們國家意義重大，中國作為制造業大國，要發展實體經濟，能源的飯碗必須端在自己手里。”去年，習近平總書記在勝利油田看望慰問石油工人時說。

為了將“能源的飯碗”端牢，被稱為超聲波研究“國家隊”的中國科學院聲學研究所超聲學實驗室固體聲學與深部鉆測團隊，數十年如一日地不懈探索著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。

上天、下海、入地，被稱為人類探索自然的三大壯舉。上天難，入地更難。想要在數千米的深地，探清“寶藏”的位置，可謂難上加難。

去年，團隊成功研制出多分量橫波遠探測成像測井儀器，并在8340米的深部地層井孔中成功獲取井外幾十米的清晰地質成像圖，相當于站在“地下珠峰”看清了附近的世界。

團隊成員中的超聲學實驗室主任陳德華、副主任何曉和研究員張秀梅介紹，5年內，團隊還將向萬米深地進軍。

給大地“做B超”

石井成像測量結果

茫茫大地，要想找到石油，總共分幾步？陳德華說，這可以借鑒傳統醫學中的“望聞問切”四字來概括。

首先，地質學家會確定可能存在油氣田的地區和范圍，這一步叫做區域概查，相當于“望聞問切”中的“望”和“聞”；然后利用人工地震方法推斷地下巖石的結構，這一步叫作區域普查，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，工程師會鉆開潛在油氣田的第一口井——探井，進行區域詳查，相當于“切”。

僅僅打開一口探井還不夠，如果想了解油氣層的位置以及油氣的開采價值，還需要結合一些高科技手段，這正是測井技術大展身手的時候。

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巖石信息，必須通過測井儀器記錄數據并傳輸到地面，這個過程就好比人的眼睛接收到光信號，并處理成圖像以供辨別。

“將先進的測井儀器放入鉆孔內，我們可以給地球深部‘做B超’‘拍CT’，對地下幾千米處的油氣層作出厘米級甚至更高精度的精細探測。”陳德華解釋，測井的過程相當于醫院檢查的過程，而測井儀器就是一臺臺先進的醫學影像設備。通過先進的測井方法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、含油氣量的多少、油層厚度以及評估油氣可采量。

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信息的方法，被稱為聲波測井。

“當我們走在沙灘和柏油路上時，腳下的感受是不同的。聲波在不同介質中傳播時，它的‘感受’也不盡相同，這是因為不同介質中聲波的速度、衰減及頻率變化等特性是不同的。”聲波測井就是以探測巖石等介質的聲學特性差異為基礎，研究鉆井地質剖面、評價固井質量等問題的測井方法。“相當于醫院里的B超檢查，既環保，成本相對還低，更重要的是能夠獲得許多至關重要的地層巖石力學參數。”陳德華說。

常規聲波測井的探測范圍往往局限在井周幾厘米至幾十厘米的范圍內。這就像兩個人說話時，雙方距離越遠，越難以聽清對方的話；而如果藏在柜子里說話，外面人聽到的聲音會小很多。同理，聲波從井孔中發射時，能量更容易集中在井內傳播，而傳播到井外的聲波的幅度是很小的。由于聲波測井范圍一度存在探測距離短的局限性，因此這種測井技術常被人形容為“一孔之見”。

為了改變測井“管窺蠡測”的現狀，超聲學實驗室幾代科技工作者從上個世紀80年代就開始孜孜探索，從探測方法和技術裝備上“做文章”，力圖破題——既“探得遠”又“聽得清”。這就需要不斷優化聲源頻率，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。

偶極橫波遠探測的概念是本世紀初提出的。實際應用中，它的聲源相較于普通聲波測井的頻率范圍要低很多。低頻聲波衰減較小，故而能實現更遠的橫向探測距離。而偶極聲源的信號存在方向上的差異性，采用多分量，即多個接收方位的偶極發射和接收，可以確定反射體界面的方位，這就讓聲波具有了指向性。

這就相當于把沒有方向性的“普通音響”，換成了具有“環繞”效果的“立體音響”，讓聲波探測具有了確定方位的能力。

偶極橫波遠探測技術在實現單井成像的同時，實現了更遠的探測范圍，多口相鄰井的探測范圍會相互補充，借此可以完成井間聯動的多井遠探測反饋體系，對區域地層實現比地面地震勘探更精準的探測。“這就好像是一個個孤立的城市由四面八方輻射出的公路網絡相連，我們可以借助交通工具領略其它城市的美麗風光。”陳德華說。

2012年，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，并創造了8340米深度的探測紀錄……

十年磨一劍。近年來，作為超聲波研究“國家隊”的超聲學實驗室，使用低頻橫波遠探測測井技術，將探測范圍拓展到了井周數十米甚至上百米，使測井技術真正從“一孔之見”拓展到“一孔遠見”。

在鍵盤上“翻跟頭”

說起中科院聲學所探索偶極橫波遠探測技術的開端，還要回溯到我國超聲學奠基人、中科院院士應崇福。

從1978年開始，應崇福就組織了一支精干的研究隊伍，開展了一系列高水平、具有較好應用前景的基礎性研究。20年間，他們在檢測用超聲壓電換能器、固體中超聲傳播與散射、功率超聲、聲表面波技術、激光超聲等方面取得了一系列成果，為超聲學實驗室的發展打下了堅實基礎。

時間來到2006年。當時，在國外從事聲學理論與方法研究的王秀明研究員以人才引進的方式回到國內，開始擔任超聲學實驗室負責人。為摸清領域內的研究熱點和應用進展，他積極到各油田進行技術交流。

當時，隨著世界范圍內油氣資源勘探和開發的競爭不斷升級，國外油田技術服務公司不再向我國出售油氣探測和評價的先進測井儀器裝備，并進行嚴格的技術封鎖。其中，正交偶極聲波測井儀器關鍵部件——低頻、小體積、耐高溫高壓的聲學測井換能器更屬于嚴格控制的產品。“這種換能器的價格居高不下，而且有價無貨。”陳德華回憶。

面對這種狀況，當時不同油田的技術專家異口同聲地提出同一個訴求：由于缺乏自主研發的偶極子聲波測井換能器，我國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、開采的進度。

“聲學所能否研發這種核心部件？”面對棘手的“卡脖子”問題，接還是不接，讓固體聲學與深部鉆測團隊感到兩難——

接，難度大。自1992年以來，國內有關單位曾多次嘗試研制這種換能器，但是這種高性能換能器的耐溫性能、發射和接收效率、小體積、低頻等技術一直沒有得到系統解決，團隊此前也沒有相關設計與制作的經驗。陳德華說，當時，課題組的優勢在聲學基礎理論與方法研究方面，“所內那些質疑的人將我們比喻為：一支在計算機鍵盤上翻跟頭的團隊。”

不接，油田急需，行業急需，國家急需！

最終，團隊決定迎難而上，與中海油田服務股份有限公司簽訂了研制高溫偶極子聲波測井換能器的技術合作協議。

“當時的研究可以說是‘從零開始’，我們除了能看到國外換能器嵌入儀器后的‘長相’和它可以實現的一些基本性能外，對它的材料、結構、參數等具體信息幾乎一無所知。”張秀梅說，經過近3年的反復摸索、試驗，經歷了成百上千次的失敗后，團隊終于研制出了換能器的第一個樣品。

但問題也隨之而來。這是一種由3個主要構件粘接在一起共同組成的“夾心式”聲學換能器，雖然制作換能器的各種材料都能滿足耐溫性能要求，可一旦將樣品加溫超過耐溫指標，換能器要么整體開裂，要么其中的陶瓷傳感材料破碎，導致試驗失敗了一次又一次。

張秀梅說，井下的環境溫度是隨深度遞增的，深度每增加100米，溫度就會升高3攝氏度左右。換能器在常溫下雖然性能達標，但不耐高溫，顯然無法在實地勘探的井下環境中發揮作用。

是換能器材料本身耐溫性能不行？還是粘接劑質量不夠？研制項目進入到“山重水復疑無路”的膠著期。近4個月的時間，團隊成員反復研究材料配方，不斷咨詢國內外換能器領域的專家，換了十幾批材料，又經過上百次的試驗，終于克服了耐高溫制作工藝的難題，研制出了可與進口產品媲美的成品。

“這才是中國科學院人該干的事！”時任中國科學院院長的路甬祥院士在現場觀看產品展示并聽取團隊匯報后，高興地說。

國產換能器交付中海油田公司后，隨即投入實際應用，并進行了小規模的量產。以此為契機，中科院聲學所又先后與中石油、中石化等下屬油田技術服務公司簽訂技術合作協議，低頻寬帶橫波換能器、超高溫高壓偶極橫波換能器等相繼問世，產品性能不斷優化迭代。

而偶極子聲波換能器的成功研制，不僅解決了聲波石油勘探關鍵核心部件依賴國外進口的“卡脖子”問題，也讓超聲學實驗室固體聲學與深部鉆測團隊由原來單一的測井理論與方法研究，開始向理論與核心部件及裝備研發并重轉型。

新一代橫波遠探測儀器的開發研制，呼之欲出。

路甬祥（左二）來聲學所調研現場。（資料圖）

向萬米深地進發

橫波遠探測成像測井儀整體結構。

1953年，新西蘭探險家艾德蒙·希拉里從喜馬拉雅山南坡登上“世界之巔”——珠穆朗瑪峰。人類第一次站在距離地表超過8000米的高度俯瞰這個世界。

而如果從地面往下“俯視”，在距離地表8000多米的深地層中，又將是怎樣一番景象呢？2021年，中科院聲學所研制的高性能橫波遠探測成像測井儀器，第一次利用聲波“看”清了周圍50米內的世界。

解決了換能器這一核心部件問題，如何研制具有自主知識產權的高性能儀器，特別是解決偶極橫波固有的180度方位探測不確定性問題，成了團隊面臨的又一難題。

通過大量的理論計算與分析，團隊提出了三分量橫波探測思路，并進一步發展了混合模式的多分量橫波遠探測技術，既解決了方位探測的難題，又無需對原有的儀器結構做出較大的改動，為油田的推廣應用奠定了良好的基礎。

為了探測井外更遠距離的反射體，團隊還有針對性地研發了集接收、采集、調理和就近數字化等功能于一體的接收器陣列，有效提高了探測弱反射信號的能力，使儀器具有良好的遠場聲輻射覆蓋性及方位靈敏度，井外橫向探測距離提高到80米至100米。

就這樣，經過一系列技術攻關以及集成優化和改進，2021年，具有國際領先水平的第三代多分量偶極橫波遠探測聲波測井儀器，終于誕生了！

驕人的成績背后，是團隊工作人員十年如一日不舍晝夜地求索。

探測器要想進入極深的地下，首先要面臨的就是高溫高壓、狹小空間的惡劣工作環境。在萬米的地下，壓力可能超過深海20000米處的靜水壓力，而地層溫度可能達到260攝氏度。相較高壓、高溫帶來的挑戰和限制甚至更大。

“研究高溫耐熱材料的專家也許要笑了：200多攝氏度，聽上去也不算太高的溫度呀！”陳德華笑著說。然而，大部分油氣探井直徑只有碗口大小，隨著深度增加，井孔大小一般還會呈現階梯式減小。工作在這么狹小的空間內，探測儀器難以進行非常有效的隔熱保護，加上周圍環境沒有足夠大的溫度差，無法進行必要的散熱處理。因此，探測儀器既要“忍耐”高熱的環境溫度，還要“抵御”儀器工作時自身發熱導致的熱量累積，難度遠比想象的大得多。

“探測得越深，難度就越大。就像百米跨欄的頂尖選手，提速1秒都是世界級的飛躍。”張秀梅說。團隊既要開展電子線路低功耗設計和元器件的篩選集成，又要對儀器進行隔熱保溫處理。針對作業時須完全暴露在高溫高壓環境中的換能器，還要通過不斷試驗，使材料、工藝、結構完全滿足指標要求。同時，更要解決儀器研發及應用過程中的各種其它技術難點。

為此，實驗室工作人員多年來不辭勞苦地奔波在油田與實驗室之間，反復進行測試。

數不清有多少個日日夜夜，都是在井場度過的。10月的內蒙古已寒氣逼人，團隊在野外測試，頂著小雪和低溫等待井下的測量數據，從白天等到白天，一站就是一宿。炎夏的山東東營郊外，蚊子密密匝匝，摘掉帽子就往人的鼻子嘴巴里鉆，陳德華開玩笑說，“有密集恐懼癥的人到了那兒肯定受不了！”

正是在這樣不停奔波、不計勞苦的全力探索中，經過多次優化迭代，多分量橫波遠探測成像測井儀器去年首次在8340米的深部地層中成功獲得了清晰的地質構造成像圖，創下了我國同類儀器在深度探測方面的紀錄，達到了國際領先水平。

這不僅對支撐我國“深地”戰略目標、保障國家能源安全具有重要的意義，同時也打破了國際知名油田技術服務公司在該領域內的壟斷。

5年來，橫波遠探測技術在中石化西北某油田應用，并取得了令人滿意的成績：已累計測試上百口油井，平均井深近7000米，實現直接經濟效益超過3000萬元，累計增產油氣量約200萬噸。

行者方致遠。

為了讓“石油工業的眼睛”看得更深、視野更廣，聲學所超聲實驗室固體聲學與深部鉆測團隊從未停下前行的腳步。“我們立下了5年內探測萬米深井的目標，就要步履不停，向萬米深地進軍！”陳德華說。