聽李寧院士揭秘特深地球物理測井

授課時間：2023年8月23日

授課方式：公開課

地點(diǎn)：中國科技館

記錄人：王大銳

2023年5月30日，我國發(fā)生了兩件具有標(biāo)志性意義的科學(xué)事件：神舟十六號載人飛船發(fā)射圓滿成功、我國首口萬米科學(xué)探索井——“深地塔科1井”在新疆塔里木盆地開鉆。這兩項(xiàng)看似不相干的科學(xué)進(jìn)展，卻有著相似的科學(xué)意義——繼探測“深空”之后，我國科技界擂響了進(jìn)軍“深地”的戰(zhàn)鼓！

最近，中國工程院院士、中國石油勘探開發(fā)研究院李寧教授在中國科技館進(jìn)行了一場別開生面的講座。我在現(xiàn)場認(rèn)真學(xué)習(xí)，之后又專門采訪了李寧院士。愿意在這里和讀者一同分享地球物理測井是如何通過“反向探月”來實(shí)現(xiàn)地球深部奧秘的探索。

課前預(yù)習(xí)：進(jìn)入“深地”到底難在哪兒

地球深處到底什么樣？自古以來一直是人類十分好奇并試圖了解的“夢想境地”。上天、入地、下海，是人類為拓展生存空間向自然界發(fā)起挑戰(zhàn)的三大壯舉，一直吸引著科學(xué)家們孜孜不倦地探索。如今，人類的航天探測器已在月球留下足跡，深潛器也一次次突破洋底極限深度。相比“上天下海”，人類的“入地”之旅卻由于地殼巖石阻隔、鉆探技術(shù)和探測技術(shù)等原因而困難重重、格外艱難。

“深地”泛指地球的深部，是包括地殼、地幔（含軟流圈）、地核和地心在內(nèi)的整個地球?qū)尤ο到y(tǒng)?！吧畹亍毖芯糠譃閮纱髮哟危簬r石圈與上地幔，這是地球深部探測研究的首要層次，也是解決資源環(huán)境問題的關(guān)鍵；下地幔與地核，這是最終揭示地球動力學(xué)的核心?！吧畹亍笔且粋€大科學(xué)，是人類探知自然面臨的重大挑戰(zhàn)之一，需要全新的地質(zhì)理論指導(dǎo)、地球物理探測技術(shù)突破、地球化學(xué)原理創(chuàng)新、材料工程支持、反演理論和超強(qiáng)計(jì)算與模擬能力保障。

地下巖石層的溫度過高。2007年4月，美國科學(xué)家探測出地幔邊界的溫度基本上已經(jīng)高達(dá)3700攝氏度，地球核心內(nèi)部很可能在5000攝氏度左右?；旧吓c太陽表面的溫度相持平。僅僅是這一個條件，就已經(jīng)讓人類望而卻步了。顯然，對于深部鉆探和深部地球物理探測，溫度是一個大問題。

院士語錄：測井是油氣及其他礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)的關(guān)鍵手段

從李寧院士的講述中了解到，物理勘探是人類“窺探”地球深部奧秘的最早且最實(shí)用的技術(shù)手段。地球物理測井簡稱測井，是根據(jù)物理學(xué)的基本原理對地層進(jìn)行測量，并建立各物理測量參數(shù)與儲層特性之間關(guān)系的一門學(xué)科。通過測井能夠判斷地下深部巖石的類型、確定儲層的位置、計(jì)算油氣含量、預(yù)測油氣產(chǎn)量等，測井被譽(yù)為深入地下的“眼睛”，是油氣及其他礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)的關(guān)鍵手段。

自1927年斯倫貝謝兄弟發(fā)明測井以來，測井技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了模擬測井、數(shù)字測井、數(shù)控測井和成像測井四個階段，這四個階段是基于測井儀器及數(shù)據(jù)采集特點(diǎn)劃分的。由于測井技術(shù)的發(fā)展是以油氣勘探開發(fā)實(shí)際需求為主要驅(qū)動，因此上述歷程同時也是測井評價對象從簡單到復(fù)雜、從常規(guī)到非常規(guī)的發(fā)展歷程。特深儲層物性差，非均質(zhì)性強(qiáng)，有用油氣信號所占比例嚴(yán)重下降，再加之高溫高壓的惡劣測量條件，盡管測井?dāng)?shù)據(jù)采集及解釋評價的基本原理不變，但儀器的結(jié)構(gòu)、性能以及數(shù)據(jù)處理與評價的具體技術(shù)都將發(fā)生很大變化，這也是地球物理測井為了實(shí)現(xiàn)“洞察”萬米深井必須練就的武功。

劃重點(diǎn)啦：李寧院士梳理特深地鉆探3個核心難點(diǎn)：高溫、高壓和狹小空間

登月，30萬千米，1969年實(shí)現(xiàn)；入地，30千米，至今遙不可及。210℃高溫、170MPa高壓和直徑10余厘米井眼狹小空間限制，萬米深地勘探，到底有多難？萬米井下精準(zhǔn)定位、高溫高壓下毫秒級精確延時起爆、厘米射程內(nèi)穿透鋼套管并進(jìn)入地層近2米，類比反坦克導(dǎo)彈的萬米井下射孔器材裝備有多先進(jìn)？

李寧院士指出，地球物理測井是利用電磁波、聲波、放射性和核磁共振等地球物理方法在井中探測油氣、煤炭和其他礦產(chǎn)資源的工程技術(shù)學(xué)科，是國家實(shí)施“深地”戰(zhàn)略的重要技術(shù)支撐?，F(xiàn)代測井是石油工業(yè)中高科技含量最多的學(xué)科，它像是“深入地球內(nèi)部的窺測鏡”，在幾千米以下的井筒（洞）中，對地層性質(zhì)以及石油、天然氣等是否存在進(jìn)行準(zhǔn)確判識（察），給出準(zhǔn)確的解釋評價結(jié)果（洞察）。

為了形象說明測井是高新技術(shù)密集應(yīng)用行業(yè)，李寧院士分別以醫(yī)學(xué)心電圖、CT、核磁共振，軍用聲吶、雷達(dá)和氘氚熱核反應(yīng)等類比常規(guī)測井、微電掃描成像測井、核磁共振測井、有源相控聲波測井、多頻陣列感應(yīng)測井和中子能譜測井。近年來，中國石油測井公司率先突破全井壁高精度電成像技術(shù)，填補(bǔ)了由儀器下放上提過程中極板收縮和張開導(dǎo)致的探測空白；突破二維核磁共振測井技術(shù)，利用不同流體弛豫時間和擴(kuò)散系數(shù)的差異直接評價孔隙中油、氣、水等流體的性質(zhì)；研發(fā)遠(yuǎn)探測聲波測井技術(shù)，利用反射聲波對井旁縫洞進(jìn)行高精度成像，有效識別深部地層隱蔽儲層；發(fā)明元素分群逐步精細(xì)剝譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對礦物種類和含量的精細(xì)計(jì)算。

上述先進(jìn)方法技術(shù)已全部集成于中國石油全新一代測井軟件CIFLog中。補(bǔ)齊短板、打破封鎖，CIFLog軟件是國家油氣重大專項(xiàng)取得的首個標(biāo)志性成果，具有里程碑意義，提升了中國測井的整體實(shí)力。該軟件的最新版本CIFLog3.5以復(fù)雜巖性測井評價新技術(shù)體系為核心，已成為裝機(jī)量最大、年處理井最多，全部關(guān)鍵核心技術(shù)都掌握在中國手中的測井利器。

當(dāng)鉆井鉆至足夠垂深1.5萬米、2萬米或者更深，則有可能回答“可否無機(jī)成烴”這個懸而未決的重大科學(xué)問題。若發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)可以無機(jī)成烴，石油天然氣就是取之不盡、用之不竭的可再生能源。李寧院士強(qiáng)調(diào)了鉆萬米特深井的重大科學(xué)意義，并梳理了3個核心難點(diǎn)：高溫、高壓和狹小空間，相對于常規(guī)中淺層儲層而言，測井儀器要在萬米深井中承受5倍（即1500～1700個大氣壓），200～300攝氏度高溫，以及10余厘米井眼直徑限制。能夠獨(dú)立完成探月工程的國家有美國、俄羅斯和中國，而現(xiàn)階段中國、美國和俄羅斯無一例外，均不具備在萬米深井中實(shí)現(xiàn)全系列測井的能力。萬米特深地球物理測井可謂一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的“反向探月”工程。

展望未來：征途上不僅有星辰和大海，還有通向地球深處的隧道

在科學(xué)鉆探方面，自20世紀(jì)50年代末美國啟動“莫霍計(jì)劃”以來，蘇聯(lián)、德國、法國、英國、美國等國家先后實(shí)施多個大陸科學(xué)鉆探工程。中國從20 世紀(jì)60 年代開始籌備大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃，目前已經(jīng)實(shí)施了10 余個科學(xué)鉆探項(xiàng)目。通過對東海一井、松科二井等大陸科學(xué)鉆探井的測井解釋，在基礎(chǔ)地質(zhì)、巖石物性、深部資源探測等方面取得了諸多進(jìn)展。

在深層油氣探測方面，近年來塔里木盆地中深1 井、中深5 井等的鉆探，證實(shí)了寒武系深層、超深層白云巖儲集層具有廣泛的勘探前景。2019 年7月完鉆的輪探1 井，井深8882米，在8000米以深白云巖獲得工業(yè)油氣流。元素能譜、高清電成像和遠(yuǎn)探測聲波等測井新技術(shù)在輪探1、中秋1和克探1等重點(diǎn)井礦物與孔隙度精確計(jì)算、裂縫與儲集空間評價、井外隱蔽縫洞體識別等方面發(fā)揮了重要作用，在風(fēng)險勘探領(lǐng)域的油氣重大發(fā)現(xiàn)、博孜-大北萬億立方米大氣區(qū)和富滿10億噸級大油氣田增儲上產(chǎn)工程中發(fā)揮了不可替代的關(guān)鍵作用。

目前，僅塔里木油田超過8000米的超深井就有95口。隨著國家“深地”戰(zhàn)略的實(shí)施，更多超深井、特深井將要開鉆。作為深入地下的“眼睛”，地球物理測井必將在萬米鉆探時代發(fā)揮更大的作用，在弄清萬米深層巖石聲電核等物理性質(zhì)、儲層物性及含油氣性的同時，極大提升我國測井儀器裝備的整體研發(fā)水平。

人類的征途不僅有星辰和大海，還有通向地球深處的隧道，更加貼近地聆聽地球母親的“心跳”，人類探索地球深部奧秘的腳步不會也從未停止過。