聽李寧院士揭秘特深地球物理測(cè)井

授課時(shí)間：2023年8月23日

授課方式：公開課

地點(diǎn)：中國(guó)科技館

記錄人：王大銳

2023年5月30日，我國(guó)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(hào)載人飛船發(fā)射圓滿成功、我國(guó)首口萬(wàn)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(cè)“深空”之后，我國(guó)科技界擂響了進(jìn)軍“深地”的戰(zhàn)鼓！

最近，中國(guó)工程院院士、中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院李寧教授在中國(guó)科技館進(jìn)行了一場(chǎng)別開生面的講座。我在現(xiàn)場(chǎng)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(cè)井是如何通過(guò)“反向探月”來(lái)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(lái)一直是人類十分好奇并試圖了解的“夢(mèng)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(cè)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?！?，人類的“入地”之旅卻由于地殼巖石阻隔、鉆探技術(shù)和探測(cè)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(gè)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(cè)研究的首要層次，也是解決資源環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵；下地幔與地核，這是最終揭示地球動(dòng)力學(xué)的核心。“深地”是一個(gè)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(cè)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(guò)高。2007年4月，美國(guó)科學(xué)家探測(cè)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(yáng)表面的溫度相持平。僅僅是這一個(gè)條件，就已經(jīng)讓人類望而卻步了。顯然，對(duì)于深部鉆探和深部地球物理探測(cè)，溫度是一個(gè)大問(wèn)題。

院士語(yǔ)錄：測(cè)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(cè)井簡(jiǎn)稱測(cè)井，是根據(jù)物理學(xué)的基本原理對(duì)地層進(jìn)行測(cè)量，并建立各物理測(cè)量參數(shù)與儲(chǔ)層特性之間關(guān)系的一門學(xué)科。通過(guò)測(cè)井能夠判斷地下深部巖石的類型、確定儲(chǔ)層的位置、計(jì)算油氣含量、預(yù)測(cè)油氣產(chǎn)量等，測(cè)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(cè)井以來(lái)，測(cè)井技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了模擬測(cè)井、數(shù)字測(cè)井、數(shù)控測(cè)井和成像測(cè)井四個(gè)階段，這四個(gè)階段是基于測(cè)井儀器及數(shù)據(jù)采集特點(diǎn)劃分的。由于測(cè)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(dòng)，因此上述歷程同時(shí)也是測(cè)井評(píng)價(jià)對(duì)象從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從常規(guī)到非常規(guī)的發(fā)展歷程。特深儲(chǔ)層物性差，非均質(zhì)性強(qiáng)，有用油氣信號(hào)所占比例嚴(yán)重下降，再加之高溫高壓的惡劣測(cè)量條件，盡管測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集及解釋評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)的具體技術(shù)都將發(fā)生很大變化，這也是地球物理測(cè)井為了實(shí)現(xiàn)“洞察”萬(wàn)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(gè)核心難點(diǎn)：高溫、高壓和狹小空間

登月，30萬(wàn)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(wàn)米深地勘探，到底有多難？萬(wàn)米井下精準(zhǔn)定位、高溫高壓下毫秒級(jí)精確延時(shí)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(wàn)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(cè)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(cè)油氣、煤炭和其他礦產(chǎn)資源的工程技術(shù)學(xué)科，是國(guó)家實(shí)施“深地”戰(zhàn)略的重要技術(shù)支撐。現(xiàn)代測(cè)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(cè)鏡”，在幾千米以下的井筒（洞）中，對(duì)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(shí)（察），給出準(zhǔn)確的解釋評(píng)價(jià)結(jié)果（洞察）。

為了形象說(shuō)明測(cè)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(cè)井、微電掃描成像測(cè)井、核磁共振測(cè)井、有源相控聲波測(cè)井、多頻陣列感應(yīng)測(cè)井和中子能譜測(cè)井。近年來(lái)，中國(guó)石油測(cè)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(guò)程中極板收縮和張開導(dǎo)致的探測(cè)空白；突破二維核磁共振測(cè)井技術(shù)，利用不同流體弛豫時(shí)間和擴(kuò)散系數(shù)的差異直接評(píng)價(jià)孔隙中油、氣、水等流體的性質(zhì)；研發(fā)遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井技術(shù)，利用反射聲波對(duì)井旁縫洞進(jìn)行高精度成像，有效識(shí)別深部地層隱蔽儲(chǔ)層；發(fā)明元素分群逐步精細(xì)剝譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guó)石油全新一代測(cè)井軟件CIFLog中。補(bǔ)齊短板、打破封鎖，CIFLog軟件是國(guó)家油氣重大專項(xiàng)取得的首個(gè)標(biāo)志性成果，具有里程碑意義，提升了中國(guó)測(cè)井的整體實(shí)力。該軟件的最新版本CIFLog3.5以復(fù)雜巖性測(cè)井評(píng)價(jià)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(guó)手中的測(cè)井利器。

當(dāng)鉆井鉆至足夠垂深1.5萬(wàn)米、2萬(wàn)米或者更深，則有可能回答“可否無(wú)機(jī)成烴”這個(gè)懸而未決的重大科學(xué)問(wèn)題。若發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)可以無(wú)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(wàn)米特深井的重大科學(xué)意義，并梳理了3個(gè)核心難點(diǎn)：高溫、高壓和狹小空間，相對(duì)于常規(guī)中淺層儲(chǔ)層而言，測(cè)井儀器要在萬(wàn)米深井中承受5倍（即1500～1700個(gè)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(guó)家有美國(guó)、俄羅斯和中國(guó)，而現(xiàn)階段中國(guó)、美國(guó)和俄羅斯無(wú)一例外，均不具備在萬(wàn)米深井中實(shí)現(xiàn)全系列測(cè)井的能力。萬(wàn)米特深地球物理測(cè)井可謂一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的“反向探月”工程。

展望未來(lái)：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(guó)啟動(dòng)“莫霍計(jì)劃”以來(lái)，蘇聯(lián)、德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、美國(guó)等國(guó)家先后實(shí)施多個(gè)大陸科學(xué)鉆探工程。中國(guó)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(gè)科學(xué)鉆探項(xiàng)目。通過(guò)對(duì)東海一井、松科二井等大陸科學(xué)鉆探井的測(cè)井解釋，在基礎(chǔ)地質(zhì)、巖石物性、深部資源探測(cè)等方面取得了諸多進(jìn)展。

在深層油氣探測(cè)方面，近年來(lái)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(chǔ)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(cè)聲波等測(cè)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(chǔ)集空間評(píng)價(jià)、井外隱蔽縫洞體識(shí)別等方面發(fā)揮了重要作用，在風(fēng)險(xiǎn)勘探領(lǐng)域的油氣重大發(fā)現(xiàn)、博孜-大北萬(wàn)億立方米大氣區(qū)和富滿10億噸級(jí)大油氣田增儲(chǔ)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(guò)8000米的超深井就有95口。隨著國(guó)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(cè)井必將在萬(wàn)米鉆探時(shí)代發(fā)揮更大的作用，在弄清萬(wàn)米深層巖石聲電核等物理性質(zhì)、儲(chǔ)層物性及含油氣性的同時(shí)，極大提升我國(guó)測(cè)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(huì)也從未停止過(guò)。