作者:刘如楠 来源:中国科学报 发布时间:2023/11/21 17:10:47
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他从澳大利亚全职回国,2年让仪器降价70万

 

9月中下旬,2023年国际超声大会在中国召开。闭幕式上的民乐表演完毕,大会主席、中国科学院声学研究所(以下简称声学所)研究员王秀明长舒了一口气,“筹备4年的会议,终于圆满结束了”。

在王秀明的推动下,这次大会特别设立了“应先生奖”,以纪念我国著名超声学家、中国科学院院士应崇福。

不久后,他便匆忙飞去了澳大利亚,赶着给小孙子过1周岁的生日。

大洋此岸有事业,大洋彼岸有家人。十多年来,王秀明就这样在两国之间来回穿梭,今年已是他退休的第2年,仍然如此。“工资都花在了机票上!”他打趣道。

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王秀明在2023年国际超声大会发言 受访者供图(下同)

回国,从理论研究转向国家急需

如今他已习惯了这样的奔波,可在多年前,做下回国的决定并不容易。当时王秀明已过不惑之年,已是澳洲联邦科学与工业研究组织(CSIRO)国立石油资源研究中心(ARRC)的首席科学家,做着自己喜欢的计算声学研究。

王秀明的博士导师、中国科学院院士应崇福希望他回国发展,“现在国家处于大发展时期,需解决油气勘探中声波探测的核心技术,你回声学所能做出一番成就!”

对于油气勘探而言,首先需要地质学家进行区域概查,确定可能存在油气田的地区和范围,再进行区域普查,利用人工地震方法推断地下岩石结构,大体确定地下油气储层位置。

在接下来的区域详查中,需要打井测量,利用专门的仪器确定油气田的详细信息。如横波成像测井仪,便可通过发射声波,记录声波被岩体反射回来的数据,判定油层的位置、厚度和含油饱和度等。

“这就像是在井下给岩层做B超检查,通俗地说,声波声音越大、频率越高,也就探得越远、油层分辨越清晰。”王秀明说。

早期阶段,我国的横波测井仪依赖进口,到了20世纪末21世纪初,世界各国油气资源勘探开发竞争升级,国外油田技术服务公司不再向我国出售先进的测井仪器,仪器中的关键部件——声波探头更属于严格控制的产品。

“当时一套声波探头要100万元,后来国外公司干脆不卖了,只提供服务,最贵的时候,测一口3千米的井至少要10多万元,全国油气勘探测井的花费可想而知。”王秀明说。

无法采购新的仪器,原有的进口测井仪成了“香饽饽”,急需时在一个地区测完,马上“坐”飞机到下一个地区开展作业。但这不是长久之计,突破“卡脖子”技术,研发具有自主知识产权的横波成像测井仪迫在眉睫。

在副导师、声学所研究员张海澜的介绍下,王秀明于2006年正式回国,任声学所超声物理和探测实验室主任。

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王秀明在2023年国际超声大会

打破国外技术垄断,解决“卡脖子”难题

选择研制偶极声波探头,让王秀明很不被看好。加上他长期从事计算声学研究、又是刚回国,质疑声不断传来,“大家都做不出来,你能做出来?”“王秀明要去搞这个?他可是神算家,只能在计算机上翻翻跟头吧。”

自1992年起,国内多家单位曾多次尝试研制偶极声波探头,然而,其耐温性能、发射和接收效率、小体积、低频大功率等技术都没有过关。一位做了5年研制、以失败告终的同行对王秀明说,“我告诉你搞不成的,一到高温状态就开裂。”

然而,王秀明不这么认为。哪怕没有相关的研制经验,他想,“外国人能做出来,我们为什么做不出来?”

夸下海口容易,实际研究困难。当与中海油田服务股份有限公司签下2年研制合同,前1年多,研发团队突破了高温固化、一致性测试等一系列难题,到了耐高温高压测试环节,怎么也通不过。

超声探头的结构就像“三明治”,两片一模一样的压电陶瓷片夹着一片金属片,通过高温胶粘在一起。加电信号后,两侧的陶瓷片发生位移变化,产生机械振动,带动金属片发出响声,声波就此产生。

“进行测井时,超声探头需要深入地下几千米甚至上万米,温度高、压力大,怎么让它保持正常工作?这是核心技术之一。”王秀明说,做一批探头要一个星期,几十道工序,一批批地做,一批批高温模拟测试,不是陶瓷破碎、就是脱胶开裂。

此时的固体声学与深部钻测团队也像这种探头一样,面临着高压的考验。大家一直疑惑,“‘三明治’的每一层、包括绝缘胶都是耐高温高压的材料,拼到一起,怎么就坏了呢?”

“当时,每天都很煎熬、很受折磨,经费也严重不足,可我们既然答应了人家,砸锅卖铁也要坚持把项目完成。”王秀明说。更何况,这是他回国后负责的第一个项目,如果做不出来,局面就难以打开。

“经过一系列理论分析和数值模拟,大家认为,可能由于陶瓷片和金属片的热膨胀系数不同,高温下应力集中,难以有效释放,才导致了探头的开裂。”王秀明说。后来,又经过反复优化设计、模拟仿真、测试分析后,研制团队终于赶在合同到期前几个月,解决了这一难题。

“偶极声波探头发出的声音像青蛙的叫声,呱——呱——,当加到175摄氏度的高温,它仍连续叫了几个小时,我想:这事儿成了!”王秀明说。

王秀明回忆,2009年,时任中国科学院院长路甬祥到声学所考察,拿着研制出的探头说:“这是典型的中国科学院应该干的事!”

挑战“地下珠峰”

声学所攻克声波探头的消息很快传遍了油气勘探领域。几乎同时,国外技术公司也松了口,表示愿意继续向我国出售声波探头。

“价格一下子从100万一套降到了40万,后来甚至降到30万。”王秀明说,“但我们价格更低,这样一来,打破了国外的技术封锁和垄断,为国家节约了大量外汇。”

后来,国内的油气公司、油田接连找上门来,向声学所订购偶极声波探头。更大的挑战也随之到来,“既然最核心的探头都做出来了,你们下一步就能把整个仪器研制出来。”大庆油田的相关负责人对王秀明等人说。

横波成像测井仪全长十多米,由多段细长钢管串联而成,按照下井的先后顺序,结构依次是发射声系、隔声体、接收声系、数据采集和通信短节,每段钢管之间由多芯插头把仪器各个部分连接起来。下井前,仪器还要通过电缆与地面设备连接,保证信号顺利传输。将成套设备国产化,就意味着这里面的每个部分都要实现自主研发。

2012年,又经过3年的研制探索,固体声学与深部钻测团队与大庆测井公司合作研发的第一代偶极横波成像测井仪获得成功。

后来,他们与中石化经纬有限公司合作,研发了新一代横波远探测成像测井仪,在国内首次实现横向探测深度80米,纵向探测8300多米。在地上,这已接近珠穆朗玛峰的高度。

如今,固体声学与深部钻测团队已从最初的3个人,变成了一支34人的队伍。王秀明的后辈们,正在组织月球钻井测量的项目,要把声波探测技术用到月球上去。

看到大家逐渐成长起来,王秀明发自内心地高兴。作为声学所的首席科学家,团队里有了事儿,他依然挺身而出。

“做事的初衷不是出名,是得先做事儿,等事做好了,名自然就跟着来了。”王秀明常对大家说。

 
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