給大地“做B超”,用聲波找油氣
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(duì)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(duì)氣候變化等重大問題和挑戰(zhàn),。
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(duì)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),?!?/p>
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)降孛妫@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(duì)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(duì)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(duì)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,。”陳德華回憶,。
面對(duì)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(duì)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(duì)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,?!标惖氯A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,。”
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(duì)保障國家能源安全具有重要意義,。
《 人民日報(bào) 》( 2023年05月06日 07 版)
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