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焦點(diǎn)短訊!給大地“做B超”,用聲波找油氣
2023-05-06 08:58:08來源: 人民日報(bào)

給大地“做B超”,用聲波找油氣(主題)

2011年至2021年,我國用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。

石油能源建設(shè)對我們國家意義重大,中國作為制造業(yè)大國,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)對氣候變化等重大問題和挑戰(zhàn)。


(相關(guān)資料圖)

近年來,中國科學(xué)院聲學(xué)研究所超聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室固體聲學(xué)與深部鉆測團(tuán)隊(duì),數(shù)十年如一日不懈探索用井下聲波來探測能源的核心技術(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(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:“找油氣田的過程,可以用傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中的‘望聞問切’四字來概括?!?/p>

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”,可以大體確定地下哪些位置存在油氣儲(chǔ)層;接下來,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:“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‘望聞問切’還不夠,還需要結(jié)合一些高科技手段,比如測井技術(shù)。”

測井被稱為“石油工業(yè)的眼睛”,因?yàn)樵谄岷诙指邷氐牡叵?,無法直接觀察到地層巖石信息,必須通過測井儀器記錄數(shù)據(jù)并傳輸?shù)降孛?,這個(gè)過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)的測井儀器放入鉆孔內(nèi),我們就可以對地下幾千米處的油氣層進(jìn)行精細(xì)探測,精度能達(dá)到厘米級(jí)甚至更高。通過測井,可以確定地層的性質(zhì),進(jìn)一步對地層作出準(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,“這個(gè)過程就好比人們在醫(yī)院體檢時(shí)‘做B超’?!?/p>

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(fā)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。“相比其它幾種方法,聲波測井不僅環(huán)保,成本相對還低,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。

國產(chǎn)高端聲波測井裝備,是如何研發(fā)出來的?

“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)的競爭不斷升級(jí)?!爱?dāng)時(shí),我們?nèi)狈ψ灾餮邪l(fā)的偶極子聲波測井換能器,也難以大面積推廣應(yīng)用偶極橫波測井的先進(jìn)技術(shù)。這不僅影響了我國高端聲波測井裝備的國產(chǎn)化,還嚴(yán)重阻礙和制約了我國油氣勘探、開采的進(jìn)度?!标惖氯A回憶。

面對棘手難題,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所知。

此后,經(jīng)過近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:“但是,這批換能器樣品一旦放入高溫環(huán)境中進(jìn)行測試,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?!?/p>

究竟是哪里出了問題?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)過上百次的反復(fù)試驗(yàn),終于克服了耐高溫、高壓聲波測井換能器的制作難題,研制出了達(dá)到國際先進(jìn)水平的成品。

國產(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(nèi)。這就像兩個(gè)人說話時(shí),雙方距離越遠(yuǎn),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(huì)更小。

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

如何既“探得遠(yuǎn)”又“聽得清”?

“對聲波測井來說,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。”陳德華介紹。

我國超聲學(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)過不懈努力,近年來,中科院超聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室不斷發(fā)展低頻橫波遠(yuǎn)探測技術(shù),將聲波測井的探測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(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的橫向探測距離。”陳德華說,“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井儀;2013年,開始著手橫波遠(yuǎn)探測關(guān)鍵核心技術(shù)的研發(fā);2021年底,第三代橫波遠(yuǎn)探測成像測井儀在超深井中實(shí)現(xiàn)了清晰的井外地質(zhì)成像及8340米深度的探測紀(jì)錄,創(chuàng)下該類國產(chǎn)儀器深度探測紀(jì)錄,對保障國家能源安全具有重要意義。

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