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石油能源建設(shè)對(duì)我們國(guó)家意義重大，中國(guó)作為制造業(yè)大國(guó)，要發(fā)展實(shí)體經(jīng)濟(jì)，能源的飯碗必須端在自己手里。

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那么，我們國(guó)家的石油都藏在哪兒？在石油勘探的過(guò)程中，專(zhuān)業(yè)人員需要結(jié)合地質(zhì)學(xué)知識(shí)，采用各種先進(jìn)的勘探技術(shù)與方法， 比如，用聲音給大地做 B 超的聲波測(cè)井技術(shù)。

找石油，總共分幾步？

石油勘探的步驟，我們可以用傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中的 " 望聞問(wèn)切 " 來(lái)概述。

首先地質(zhì)學(xué)家會(huì)結(jié)合地質(zhì)知識(shí)確定可能存在油氣田的地區(qū)和范圍，這一步叫做區(qū)域概查，相當(dāng)于 " 望聞問(wèn)切 " 中的 " 望 " 和 " 聞 "。

然后利用人工地震方法推斷地下巖石的結(jié)構(gòu)，這一步叫做區(qū)域普查，相當(dāng)于 " 問(wèn) "，可以大體確定地下哪些位置上存在油氣儲(chǔ)層；

接下來(lái)，工程師會(huì)鉆開(kāi)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 "，石油工程師們開(kāi)始體察地球 " 跳動(dòng)的脈搏 "。

僅僅打開(kāi)一口探井還不夠，如果想要了解油氣層的位置以及油氣的開(kāi)采價(jià)值則需要結(jié)合一些高科技的現(xiàn)代手段，這正是測(cè)井技術(shù)大展身手的時(shí)候。利用先進(jìn)的測(cè)井技術(shù)，我們可以給地球 " 做 B 超 "" 拍 CT"，對(duì)地下幾千米處的油氣層作出厘米級(jí)的精確判斷。

圖 1：聲波測(cè)井示意圖

圖片來(lái)源：中科院聲學(xué)所

測(cè)井，到底在測(cè)什么？

測(cè)井的過(guò)程相當(dāng)于醫(yī)院檢查的過(guò)程，而測(cè)井儀器就是一臺(tái)臺(tái)先進(jìn)的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備。通過(guò)先進(jìn)的測(cè)井方法可以確定地層的性質(zhì)，進(jìn)一步對(duì)地層進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，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(píng)估油氣可采量。

測(cè)井被稱(chēng)為 " 石油工業(yè)的眼睛 "，因?yàn)樵谄岷诙指邷氐牡叵拢瑹o(wú)法直接觀察到地層巖石信息，必須通過(guò)測(cè)井儀器記錄數(shù)據(jù)并傳輸?shù)降孛?，這個(gè)過(guò)程就好比人的眼睛接收到光信號(hào)，并處理成圖像供我們辨別。

通常測(cè)井方法分為四種：

聲學(xué)法（如圖 1、2 所示），類(lèi)似于醫(yī)院的 B 超檢查，向地層發(fā)射聲波，反射或折射回來(lái)的聲波就會(huì)攜帶著地層信息；電學(xué)法，類(lèi)似于給大地做心電圖，觀察其中的異常電信號(hào)來(lái)確定油氣藏位置；核物理方法，類(lèi)似于給大地拍 X 光片，利用放射性的方法檢測(cè)地層；核磁共振方法，類(lèi)似于醫(yī)院里的核磁共振檢查，可以很精細(xì)地檢測(cè)地層。

圖 2：橫波遠(yuǎn)探測(cè)成像測(cè)井儀器

圖片來(lái)源：中科院聲學(xué)所

給大地做個(gè) B 超

聲學(xué)測(cè)井方法較其他方法更環(huán)保、成本更低，并且能夠獲得許多至關(guān)重要的地層巖石力學(xué)參數(shù)。

當(dāng)我們走在沙灘和柏油路上時(shí)，腳下的感受是不同的。聲波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，它的 " 感受 " 也不盡相同，這是因?yàn)椴煌橘|(zhì)中聲波的速度、衰減及頻率變化等特性是不同的。

根據(jù)斯奈爾定律（如圖 3），反射波的折射角會(huì)根據(jù)反射界面上下介質(zhì)的密度（ρ）與傳播速度（v）的乘積的不同而變化，含有石油的地層與普通地層密度、傳播速度不同，其接收到的波形就會(huì)不同。

圖 3：聲波在界面處的傳播規(guī)律（斯奈爾定律）

圖片來(lái)源：中科院聲學(xué)所

聲波測(cè)井就是以探測(cè)巖石等介質(zhì)的聲學(xué)特性差異為基礎(chǔ)而提出的一種研究鉆井地質(zhì)剖面評(píng)價(jià)固井質(zhì)量等問(wèn)題的測(cè)井方法，主要分為聲波速度測(cè)井和聲波幅度測(cè)井。

聲波速度測(cè)井測(cè)量地層聲速（如圖 4 所示），接收到的波形與地層速度有關(guān)，地層聲速又與地層的巖性、孔隙度及孔隙流體性質(zhì)等因素有關(guān)。根據(jù)聲波在地層中的傳播速度，就可以判斷地層中是否存在含油氣。聲波幅度測(cè)井就是通過(guò)測(cè)量聲波幅度的衰減變化來(lái)認(rèn)識(shí)地層特點(diǎn)以及井筒自身情況的一種測(cè)井方法。

圖 4：聲波測(cè)井及四道接收波形示意圖

圖片來(lái)源：中科院聲學(xué)所

如何從 " 一孔之見(jiàn) " 到 " 一孔遠(yuǎn)見(jiàn) "？

兩個(gè)人說(shuō)話時(shí)，雙方距離越遠(yuǎn)，越難以聽(tīng)清對(duì)方的話。與我們小時(shí)候玩的游戲類(lèi)似，如果藏在柜子里說(shuō)話，外面人聽(tīng)到的聲音會(huì)小很多，同理，聲波在井孔中更容易沿著井軸方向傳播，而傳播到井外的聲波幅度是很小的，所以常規(guī)聲波測(cè)井的探測(cè)范圍通常在井周幾厘米到十幾厘米范圍內(nèi)，并不能探測(cè)很遠(yuǎn)的距離，因此測(cè)井技術(shù)常常被人們稱(chēng)為 " 一孔之見(jiàn) "。那么如何改變這一現(xiàn)狀呢？就要在聲波頻率和指向性上做文章。

一般來(lái)說(shuō)，在同一介質(zhì)當(dāng)中，聲波的頻率越高，衰減也就會(huì)越大，傳播距離就會(huì)變短。所以，第一個(gè)改進(jìn)點(diǎn)就是要把聲源頻率調(diào)低。此外，兩個(gè)人在交流時(shí)，如果正對(duì)著對(duì)方，那么說(shuō)話時(shí)彼此都能聽(tīng)得清楚，但是如果一個(gè)人轉(zhuǎn)過(guò)身去朝著另一個(gè)方向，那么對(duì)方就不太容易聽(tīng)清，這說(shuō)明聲波的定向發(fā)射和接收具有更好的效果，因此，第二個(gè)改進(jìn)點(diǎn)就是讓聲波的發(fā)射和接收具有方向性。

要想測(cè)得遠(yuǎn)且 " 聽(tīng)得清 "，就需要把聲源頻率調(diào)低，同時(shí)讓聲波 " 帶上瞄準(zhǔn)鏡 "，也就是具有指向性。

隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，使用低頻聲波的遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井技術(shù)實(shí)現(xiàn)了井周數(shù)十米甚至上百米的探測(cè)范圍，測(cè)井技術(shù)真正從 " 一孔之見(jiàn) " 走向了 " 一孔遠(yuǎn)見(jiàn) "。

聲波遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)分為單極縱波法和偶極橫波法。

單極縱波法和偶極橫波法

單極縱波法是利用井中單極子聲源向井外輻射縱波，并接收從井外地質(zhì)體反射回來(lái)的縱波確定地質(zhì)體位置。單極子發(fā)出的聲波的波形圖宛如水滴在平靜的湖面而泛起的漣漪，向四面八方傳播，各個(gè)方向的聲波是相同的（如圖 5 所示），故單極聲源無(wú)指向性，因此單極縱波遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)存在著探測(cè)深度淺、無(wú)法判斷反射體方位的技術(shù)局限性。

圖 5：?jiǎn)螛O子聲源聲場(chǎng)仿真

圖片來(lái)源：中科院聲學(xué)所

偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)使用的聲源頻率約為 2-5kHz，相較于普通聲學(xué)測(cè)井聲源 10-20kHz 的頻率范圍，頻率更低，故偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)較深的橫向探測(cè)距離。而且偶極子源的能量輻射是不對(duì)稱(chēng)的，偶極子源通過(guò)在一個(gè)方向上施加壓力，在對(duì)應(yīng)相反的方向上施加拉力（在一個(gè)方向上 " 吸氣 "，在另一個(gè)方向上 " 呼氣 "）（如圖 6 所示），故使井壁產(chǎn)生擾動(dòng)，形成輕微的撓曲，在地層中直接激發(fā)出縱波與橫波。

圖 6：偶極子聲源聲場(chǎng)仿真

圖片來(lái)源：中科院聲學(xué)所

與單極子聲源相比，偶極聲源相當(dāng)于由普通音響換成了立體聲音響，因此偶極聲源的指向性具有方向性（如圖 7 所示），偶極聲源的信號(hào)各個(gè)方向上有差異，采用多分量（多個(gè)接收方位）的偶極發(fā)射和接收，可以確定反射體界面的方位。

圖 7：?jiǎn)螛O（左）和偶極（右）聲源的輻射特性（偶極聲源具有指向性）

圖片來(lái)源：中科院聲學(xué)所

由于具有較遠(yuǎn)的探測(cè)距離和方位性（如圖 8 所示），偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)在實(shí)現(xiàn)單井成像的同時(shí)，由于實(shí)現(xiàn)了更遠(yuǎn)的探測(cè)范圍，多口相鄰井的探測(cè)范圍會(huì)相互補(bǔ)充，借此可以完成井間聯(lián)動(dòng)的多井遠(yuǎn)探測(cè)反饋體系，對(duì)區(qū)域地層實(shí)現(xiàn)比地面地震勘探更精準(zhǔn)的探測(cè)。

圖 8：偶極子遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井示意圖

圖片來(lái)源：中科院聲學(xué)所

這就好像是一個(gè)個(gè)孤立的城市向四面八方輻射出了公路網(wǎng)絡(luò)，我們可以借助交通工具領(lǐng)略其它城市的美麗風(fēng)光。

在儀器方面，橫波遠(yuǎn)探測(cè)成像測(cè)井儀已經(jīng)實(shí)現(xiàn)低頻、大功率的發(fā)射技術(shù)，具有良好的遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射覆蓋性及方位靈敏度，因此具有廣闊的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖 9：橫波遠(yuǎn)探測(cè)成像結(jié)果

圖片來(lái)源：中科院聲學(xué)所

結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)外在高端測(cè)井儀器方面一直對(duì)我國(guó)實(shí)行技術(shù)壟斷。2021 年，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所固體聲學(xué)和深部鉆測(cè)團(tuán)隊(duì)研制的多分量橫波遠(yuǎn)探測(cè)成像測(cè)井儀器創(chuàng)紀(jì)錄地在 8340 米的深度上成功獲取合格測(cè)井資料，得到了井中徑向 50 米范圍內(nèi)清晰的地質(zhì)構(gòu)造成像圖。

這是國(guó)產(chǎn)橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井儀首次在 8000 米以深地層中成功獲取聲學(xué)成像結(jié)果，創(chuàng)造了該類(lèi)國(guó)產(chǎn)儀器在深度探測(cè)方面的紀(jì)錄，達(dá)到了國(guó)際同類(lèi)儀器領(lǐng)先水平，對(duì)支撐我國(guó) " 深地 " 戰(zhàn)略目標(biāo)、保障國(guó)家能源安全具有重要的意義。