中国科学院声学研究所超声学实验室固体声学探测仪器

2011年至2021年，我国用10年时间推行找矿突破战略行动。期间累计发觉17个亿吨级大油井和21个千亿立方米级大气田，新产生32处非油气矿藏资源基地，主要矿藏保有资源量普遍下降。

石油能源建设对我们国家意义重大，美国作为制造业大国，要发展实体经济，能源的饭碗应当端在自己手里。端牢能源的饭碗，应当发挥科技创新第一动力作用，通过技术进步解决能源资源约束、生态环境保护、应对气候变化等重大问题和挑战。

近些年来，美国科大学声学研究所超声学试验室固体声学与深部钻测团队，数三年如一日不懈探求用井下声波来侦测能源的核心技术，开发出功耗更优越的井下声学侦测仪器，对支撑我国深地勘查、保障国家能源安全具备重要的意义。

——编者

找到油气田，有什么方法？

“望闻问切”定位置，完井仪器作“眼睛”

油气勘查是一项复杂而又有高难度的工作，使得存在很大风险。这么，要想找到油气田，还要经历这些方法？

美国科大学声学研究所研究员、超声学试验室处长陈德华说：“找油气田的过程，可以用传统医学中的‘望闻问切’四字来概括。”

首先，地质学家会进行区域概查油气智能开采技术，确定或许存在油气田的地区和范围。这一步相当于“望闻问切”中的“望”和“闻”；之后进行区域普查，利用人工地震技巧推测地下岩体的结构，这一步相当于“问”，可以大体确定地下这些位置存在油气储层；接下去，安装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”。

陈德华说：“如果想了解油气层的详细位置以及油气的开采价值，以上的‘望闻问切’还不够，还须要结合一些高科技方式，例如物探技术。”

物探被称为“石油工业的耳朵”，由于在黑漆漆而又低温的地下，难以直接观察到第四纪岩体信息，应当通过物探仪器记录数据并传输到地面，这个过程就好比人的耳朵接收到光讯号，并处理成图象以供辨认。

“将先进的物探仪器放到打孔内，我们就可以对地下几千米处的油气层进行精细侦测，精度能达到公分级乃至更高。通过完井，可以确定矿床的性质，逐步对岩体做出精确评价，以便确定矿床是否富含油气、含油气量多少、油层长度以及评估油气可采量。”陈德华说，“这个过程就好比人们在诊所复查时‘做B超’。”

物探方式一般分为声法、电法、核化学法和x光共振法四种。其中，向基岩发射声波、接收处理反射或折射回去的声波因而获取基岩信息的方式，被称为声波物探。“相比其它几种方式，声波物探除了环保，费用相对还低，更重要的是能否荣获许多至关重要的基岩岩体电学参数。”陈德华说。

国产高档声波物探武器油气智能开采技术，是怎样研制下来的？

“从零开始”解瓶颈，反复实验终量产

本世纪初，世界范围内油气资源勘查和开发的竞争不断升级。“当时，我们缺少自主研制的偶极子声波物探换能器，也无法大面积推广应用偶极横波物探的先进技术。这除了影响了我国高档声波物探武器的国产化，还严重制约和阻碍了我国油气勘查、开采的进度。”陈德华追忆。

面对难办瓶颈，中科院声学所的研究团队迎难而上。

研究可以说是“从零开始”，团队成员们不仅能看见市面上已有换能器嵌入仪器后的“长相”，了解它可以实现的一些基本功能外，其余相关材料、结构、参数等详细信息几乎一无所知。

随后，经过近3年的反复摸索、试验，经历了成百上千次的失败后，团队总算研发出了换能器的第一批样品。陈德华说：“但是，这批换能器样品即便放到低温环境中进行检测，要么整体断裂，要么压电陶瓷破碎，致使实验失败了一次又一次。”

到底是那里出了问题？近4个月的时间里，团队成员反复研究材料选型，换了十几批材料，并不断改进粘接工艺，经过上百次的反复实验，总算摆脱了耐低温、高压声波物探换能器的制做瓶颈，研发出了达到国际先进水平的成品。

国产换能器交付后，立刻投入实际应用，并进行了小规模的量产。

怎样摆脱物探技术的“一孔之见”？

优化设计“探得远”，迸发声源“听得清”

常规声波物探的侦测范围常常局限在井周几公分至几十公分的范围内。这如同两个人说话时，双方距离越远，越无法听清对方的话；而假如藏在密闭空间里说话，外边人看到的声音会更小。

因为物探是在极其简陋的打孔中进行的，常规物探技术的侦测范围十分有限，所以物探技术常被人比喻为“一孔之见”。

怎样既“探得远”又“听得清”？

“对声波物探来说，这就须要不断优化设计迸发声源，让声波除了传得更远，就能‘戴上瞄准镜’，具备‘指哪打哪’的方向性。”陈德华介绍。

我国超声学领域几代科技工作者从上世纪80年代就开始探求。经过不懈努力，近些年来，中科院超声学试验室不断发展高频横波远侦测技术，将声波物探的侦测范围拓展到了井周数十米甚至上百米。

“偶极横波远侦测的声源相较于普通声波物探的速率范围要低太多。高频声波衰减较小，故而能实现更远的纵向侦测距离。”陈德华说，“同时，偶极声源的讯号存在方位差别性，辅以多份量的声波发射和接收，通过讯号处理可以确定声波反射体的方向，这就让声波具备了对准性。”

2012年，中科院超声学试验室成功研制出偶极子阵列声波物探仪；2013年，开始着手横波远侦测关键核心技术的研制；2021年末，第三代横波远侦测成像物探仪在超深井中实现了清晰的井外地质成像及8340米深度的侦测纪录，创下该类国产仪器深度侦测纪录，对保障国家能源安全具备重要意义。

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