【儀表網 產業報道】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。
那么，我們國家的石油都藏在哪兒？在石油勘探的過程中，專業人員需要結合地質學知識，采用各種先進的勘探技術與方法， 比如，用聲音給大地做B超的聲波測井技術。
找石油，總共分幾步？
石油勘探的步驟，我們可以用傳統醫學中的“望聞問切”來概述。
首先地質學家會結合地質知識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，這一步叫做區域普查，相當于“問”，可以大體確定地下哪些位置上存在油氣儲層；
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”，石油工程師們開始體察地球“跳動的脈搏”。
僅僅打開一口探井還不夠，如果想要了解油氣層的位置以及油氣的開采價值則需要結合一些高科技的現代手段，這正是測井技術大展身手的時候。利用先進的測井技術，我們可以給地球“做B超”“拍CT”，對地下幾千米處的油氣層作出厘米級的精確判斷。
圖1：聲波測井示意圖
測井，到底在測什么？
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，進一步對地層進行準確的評價，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，并處理成圖像供我們辨別。
通常測井方法分為四種：
聲學法(如圖1、2所示)，類似于醫院的B超檢查，向地層發射聲波，反射或折射回來的聲波就會攜帶著地層信息；電學法，類似于給大地做心電圖，觀察其中的異常電信號來確定油氣藏位置；核物理方法，類似于給大地拍X光片，利用放射性的方法檢測地層；核磁共振方法，類似于醫院里的核磁共振檢查，可以很精細地檢測地層。
圖2：橫波遠探測成像測井儀器
給大地做個B超
聲學測井方法較其他方法更環保、成本更低，并且能夠獲得許多至關重要的地層巖石力學參數。
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。
根據斯奈爾定律(如圖3)，反射波的折射角會根據反射界面上下介質的密度(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不同。
圖3：聲波在界面處的傳播規律(斯奈爾定律)
聲波測井就是以探測巖石等介質的聲學特性差異為基礎而提出的一種研究鉆井地質剖面評價固井質量等問題的測井方法，主要分為聲波速度測井和聲波幅度測井。
聲波速度測井測量地層聲速(如圖4所示)，接收到的波形與地層速度有關，地層聲速又與地層的巖性、孔隙度及孔隙流體性質等因素有關。根據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。聲波幅度測井就是通過測量聲波幅度的衰減變化來認識地層特點以及井筒自身情況的一種測井方法。
圖4：聲波測井及四道接收波形示意圖
如何從“一孔之見”到“一孔遠見”？
兩個人說話時，雙方距離越遠，越難以聽清對方的話。與我們小時候玩的游戲類似，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，所以常規聲波測井的探測范圍通常在井周幾厘米到十幾厘米范圍內，并不能探測很遠的距離，因此測井技術常常被人們稱為“一孔之見”。那么如何改變這一現狀呢？就要在聲波頻率和指向性上做文章。
一般來說，在同一介質當中，聲波的頻率越高，衰減也就會越大，傳播距離就會變短。所以，第一個改進點就是要把聲源頻率調低。此外，兩個人在交流時，如果正對著對方，那么說話時彼此都能聽得清楚，但是如果一個人轉過身去朝著另一個方向，那么對方就不太容易聽清，這說明聲波的定向發射和接收具有更好的效果，因此，第二個改進點就是讓聲波的發射和接收具有方向性。
要想測得遠且“聽得清”，就需要把聲源頻率調低，同時讓聲波“帶上瞄準鏡”，也就是具有指向性。
隨著技術的發展進步，使用低頻聲波的遠探測測井技術實現了井周數十米甚至上百米的探測范圍，測井技術真正從“一孔之見”走向了“一孔遠見”。
聲波遠探測技術分為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，并接收從井外地質體反射回來的縱波確定地質體位置。單極子發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，各個方向的聲波是相同的(如圖5所示)，故單極聲源無指向性，因此單極縱波遠探測技術存在著探測深度淺、無法判斷反射體方位的技術局限性。
圖5：單極子聲源聲場仿真
偶極橫波遠探測技術使用的聲源頻率約為2-5kHz，相較于普通聲學測井聲源10-20kHz的頻率范圍，頻率更低，故偶極橫波遠探測技術能實現較深的橫向探測距離。而且偶極子源的能量輻射是不對稱的，偶極子源通過在一個方向上施加壓力，在對應相反的方向上施加拉力(在一個方向上“吸氣”，在另一個方向上“呼氣”)(如圖6所示)，故使井壁產生擾動，形成輕微的撓曲，在地層中直接激發出縱波與橫波。
圖6：偶極子聲源聲場仿真
與單極子聲源相比，偶極聲源相當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)，偶極聲源的信號各個方向上有差異，采用多分量(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。
圖7：單極(左)和偶極(右)聲源的輻射特性(偶極聲源具有指向性)
由于具有較遠的探測距離和方位性(如圖8所示)，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。
圖8：偶極子遠探測測井示意圖
這就好像是一個個孤立的城市向四面八方輻射出了公路網絡，我們可以借助交通工具領略其它城市的美麗風光。
在儀器方面，橫波遠探測成像測井儀已經實現低頻、大功率的發射技術，具有良好的遠場聲輻射覆蓋性及方位靈敏度，因此具有廣闊的實際應用價值。
結語
長期以來，國外在高端測井儀器方面一直對我國實行技術壟斷。2021年，中國科學院聲學研究所固體聲學和深部鉆測團隊研制的多分量橫波遠探測成像測井儀器創紀錄地在8340米的深度上成功獲取合格測井資料，得到了井中徑向50米范圍內清晰的地質構造成像圖。
這是國產橫波遠探測測井儀首次在8000米以深地層中成功獲取聲學成像結果，創造了該類國產儀器在深度探測方面的紀錄，達到了國際同類儀器領先水平，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。
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