听李宁院士揭秘特深地球物理测井

授课时间：2023年8月23日

授课方式：公开课

地点：中国科技馆

记录人：王大锐

2023年5月30日，我国发生了两件具有标志性意义的科学事件：神舟十六号载人飞船发射圆满成功、我国首口万米科学探索井——“深地塔科1井”在新疆塔里木盆地开钻。这两项看似不相干的科学进展，却有着相似的科学意义——继探测“深空”之后，我国科技界擂响了进军“深地”的战鼓！

最近，中国工程院院士、中国石油勘探开发研究院李宁教授在中国科技馆进行了一场别开生面的讲座。我在现场认真学习，之后又专门采访了李宁院士。愿意在这里和读者一同分享地球物理测井是如何通过“反向探月”来实现地球深部奥秘的探索。

课前预习：进入“深地”到底难在哪儿

地球深处到底什么样？自古以来一直是人类十分好奇并试图了解的“梦想境地”。上天、入地、下海，是人类为拓展生存空间向自然界发起挑战的三大壮举，一直吸引着科学家们孜孜不倦地探索。如今，人类的航天探测器已在月球留下足迹，深潜器也一次次突破洋底极限深度。相比“上天下海”，人类的“入地”之旅却由于地壳岩石阻隔、钻探技术和探测技术等原因而困难重重、格外艰难。

“深地”泛指地球的深部，是包括地壳、地幔（含软流圈）、地核和地心在内的整个地球层圈系统。“深地”研究分为两大层次：岩石圈与上地幔，这是地球深部探测研究的首要层次，也是解决资源环境问题的关键；下地幔与地核，这是最终揭示地球动力学的核心。“深地”是一个大科学，是人类探知自然面临的重大挑战之一，需要全新的地质理论指导、地球物理探测技术突破、地球化学原理创新、材料工程支持、反演理论和超强计算与模拟能力保障。

地下岩石层的温度过高。2007年4月，美国科学家探测出地幔边界的温度基本上已经高达3700摄氏度，地球核心内部很可能在5000摄氏度左右。基本上与太阳表面的温度相持平。仅仅是这一个条件，就已经让人类望而却步了。显然，对于深部钻探和深部地球物理探测，温度是一个大问题。

院士语录：测井是油气及其他矿产资源勘探开发的关键手段

从李宁院士的讲述中了解到，物理勘探是人类“窥探”地球深部奥秘的最早且最实用的技术手段。地球物理测井简称测井，是根据物理学的基本原理对地层进行测量，并建立各物理测量参数与储层特性之间关系的一门学科。通过测井能够判断地下深部岩石的类型、确定储层的位置、计算油气含量、预测油气产量等，测井被誉为深入地下的“眼睛”，是油气及其他矿产资源勘探开发的关键手段。

自1927年斯伦贝谢兄弟发明测井以来，测井技术的发展经历了模拟测井、数字测井、数控测井和成像测井四个阶段，这四个阶段是基于测井仪器及数据采集特点划分的。由于测井技术的发展是以油气勘探开发实际需求为主要驱动，因此上述历程同时也是测井评价对象从简单到复杂、从常规到非常规的发展历程。特深储层物性差，非均质性强，有用油气信号所占比例严重下降，再加之高温高压的恶劣测量条件，尽管测井数据采集及解释评价的基本原理不变，但仪器的结构、性能以及数据处理与评价的具体技术都将发生很大变化，这也是地球物理测井为了实现“洞察”万米深井必须练就的武功。

划重点啦：李宁院士梳理特深地钻探3个核心难点：高温、高压和狭小空间

登月，30万千米，1969年实现；入地，30千米，至今遥不可及。210℃高温、170MPa高压和直径10余厘米井眼狭小空间限制，万米深地勘探，到底有多难？万米井下精准定位、高温高压下毫秒级精确延时起爆、厘米射程内穿透钢套管并进入地层近2米，类比反坦克导弹的万米井下射孔器材装备有多先进？

李宁院士指出，地球物理测井是利用电磁波、声波、放射性和核磁共振等地球物理方法在井中探测油气、煤炭和其他矿产资源的工程技术学科，是国家实施“深地”战略的重要技术支撑。现代测井是石油工业中高科技含量最多的学科，它像是“深入地球内部的窥测镜”，在几千米以下的井筒（洞）中，对地层性质以及石油、天然气等是否存在进行准确判识（察），给出准确的解释评价结果（洞察）。

为了形象说明测井是高新技术密集应用行业，李宁院士分别以医学心电图、CT、核磁共振，军用声呐、雷达和氘氚热核反应等类比常规测井、微电扫描成像测井、核磁共振测井、有源相控声波测井、多频阵列感应测井和中子能谱测井。近年来，中国石油测井公司率先突破全井壁高精度电成像技术，填补了由仪器下放上提过程中极板收缩和张开导致的探测空白；突破二维核磁共振测井技术，利用不同流体弛豫时间和扩散系数的差异直接评价孔隙中油、气、水等流体的性质；研发远探测声波测井技术，利用反射声波对井旁缝洞进行高精度成像，有效识别深部地层隐蔽储层；发明元素分群逐步精细剥谱技术，实现对矿物种类和含量的精细计算。

上述先进方法技术已全部集成于中国石油全新一代测井软件CIFLog中。补齐短板、打破封锁，CIFLog软件是国家油气重大专项取得的首个标志性成果，具有里程碑意义，提升了中国测井的整体实力。该软件的最新版本CIFLog3.5以复杂岩性测井评价新技术体系为核心，已成为装机量最大、年处理井最多，全部关键核心技术都掌握在中国手中的测井利器。

当钻井钻至足够垂深1.5万米、2万米或者更深，则有可能回答“可否无机成烃”这个悬而未决的重大科学问题。若发现并确认可以无机成烃，石油天然气就是取之不尽、用之不竭的可再生能源。李宁院士强调了钻万米特深井的重大科学意义，并梳理了3个核心难点：高温、高压和狭小空间，相对于常规中浅层储层而言，测井仪器要在万米深井中承受5倍（即1500～1700个大气压），200～300摄氏度高温，以及10余厘米井眼直径限制。能够独立完成探月工程的国家有美国、俄罗斯和中国，而现阶段中国、美国和俄罗斯无一例外，均不具备在万米深井中实现全系列测井的能力。万米特深地球物理测井可谓一项极具挑战的“反向探月”工程。

展望未来：征途上不仅有星辰和大海，还有通向地球深处的隧道

在科学钻探方面，自20世纪50年代末美国启动“莫霍计划”以来，苏联、德国、法国、英国、美国等国家先后实施多个大陆科学钻探工程。中国从20 世纪60 年代开始筹备大陆科学钻探计划，目前已经实施了10 余个科学钻探项目。通过对东海一井、松科二井等大陆科学钻探井的测井解释，在基础地质、岩石物性、深部资源探测等方面取得了诸多进展。

在深层油气探测方面，近年来塔里木盆地中深1 井、中深5 井等的钻探，证实了寒武系深层、超深层白云岩储集层具有广泛的勘探前景。2019 年7月完钻的轮探1 井，井深8882米，在8000米以深白云岩获得工业油气流。元素能谱、高清电成像和远探测声波等测井新技术在轮探1、中秋1和克探1等重点井矿物与孔隙度精确计算、裂缝与储集空间评价、井外隐蔽缝洞体识别等方面发挥了重要作用，在风险勘探领域的油气重大发现、博孜-大北万亿立方米大气区和富满10亿吨级大油气田增储上产工程中发挥了不可替代的关键作用。

目前，仅塔里木油田超过8000米的超深井就有95口。随着国家“深地”战略的实施，更多超深井、特深井将要开钻。作为深入地下的“眼睛”，地球物理测井必将在万米钻探时代发挥更大的作用，在弄清万米深层岩石声电核等物理性质、储层物性及含油气性的同时，极大提升我国测井仪器装备的整体研发水平。

人类的征途不仅有星辰和大海，还有通向地球深处的隧道，更加贴近地聆听地球母亲的“心跳”，人类探索地球深部奥秘的脚步不会也从未停止过。