王秀明：“地下珠峰”攀登者

中國科學報記者 劉如楠

9月中下旬，2023年國際超聲大會在中國召開。閉幕式上的民樂表演完畢，大會主席、中國科學院聲學研究所（以下簡稱聲學所）研究員王秀明長舒了一口氣，“籌備4年的會議，終于圓滿結束了”。

在王秀明的推動下，此次大會特別設立了“應先生獎”，以紀念我國著名超聲學家、中國科學院院士應崇福。

不久后，王秀明便匆忙飛去了澳大利亞，趕著給小孫子過1周歲生日。

大洋此岸有事業(yè)，大洋彼岸有家人。10多年來，王秀明就這樣在兩國之間來回穿梭，即使已經退休兩年，也依然如此?！肮べY都花在機票上了！”他打趣說。

回國，從理論研究轉向國家急需

如今，王秀明已習慣了這樣的奔波，可在多年前，作出回國的決定并不容易。當時，已過不惑之年的王秀明是澳洲聯邦科學與工業(yè)研究組織（CSIRO）國立石油資源研究中心（ARRC）的首席科學家，做著自己喜歡的計算聲學研究。

但王秀明的博士生導師、中國科學院院士應崇福希望他回國發(fā)展?！艾F在國家處于大發(fā)展時期，需解決油氣勘探中聲波探測的核心技術問題，你回聲學所能做出一番成就！”

對于油氣勘探而言，首先需要地質學家進行區(qū)域概查，確定可能存在油氣田的地區(qū)和范圍，再進行區(qū)域普查，利用人工地震方法推斷地下巖石結構，大體確定地下油氣儲層位置。

在接下來的區(qū)域詳查中，則需要打井測量，利用專門的儀器確定油氣田的詳細信息。如橫波成像測井儀便可通過發(fā)射聲波后記錄聲波被巖體反射回來的數據，判定油層的位置、厚度和含油飽和度等。

“這就像是在井下給巖層做B超檢查，通俗地說，聲波聲音越大、頻率越高，探得越遠、油層分辨越清晰?！蓖跣忝髡f。

早期，我國的橫波成像測井儀依賴進口，到20世紀末21世紀初，世界各國油氣資源勘探開發(fā)競爭升級，國外油田技術服務公司不再向我國出售先進的測井儀器，儀器中的關鍵部件——聲波探頭更屬于嚴格控制的產品。

“當時一套聲波探頭要100萬元，后來國外公司干脆不賣了，只提供服務，最貴的時候，測一口3000米的井至少要10多萬元，全國油氣勘探測井的花費可想而知。”王秀明說。

無法采購新儀器，原有的進口測井儀便成了“香餑餑”。急需時該儀器在一個地區(qū)測完，馬上就得“坐”飛機到下一個地區(qū)開展作業(yè)。但這不是長久之計，突破“卡脖子”技術，研發(fā)具有自主知識產權的橫波成像測井儀迫在眉睫。

在副導師、聲學所研究員張海瀾的介紹下，王秀明于2006年正式回國，任聲學所超聲物理和探測實驗室主任。

王秀明在2023年國際超聲大會上發(fā)言。受訪者供圖

打破國外技術壟斷

不過，接下來對于研制偶極聲波探頭，王秀明并不被看好。加上他長期從事計算聲學研究，又是剛回國，質疑聲不斷傳來——“大家都做不出來，你能做出來？”“王秀明要去搞這個？他可是神算家，只能在計算機上翻翻跟頭吧?！?/p>

自1992年起，國內多家單位曾嘗試研制偶極聲波探頭，然而其耐溫性能、發(fā)射和接收效率以及體積、頻率和功率等技術指標都沒有過關。一位做了5年研制工作以失敗告終的同行對王秀明說：“我告訴你，搞不成的，一到高溫狀態(tài)就開裂?！?/p>

然而，王秀明不這么認為。哪怕沒有相關的研制經驗，他也在想：“外國人能做出來，我們?yōu)槭裁醋霾怀鰜?？?/p>

夸下海口容易，實際研究困難。與中海油田服務股份有限公司簽下兩年研制合同后，前一年多，研發(fā)團隊突破了高溫固化、一致性測試等一系列難題，可到了耐高溫高壓測試環(huán)節(jié)，卻怎么也通不過。

超聲探頭的結構就像“三明治”，兩片一模一樣的壓電陶瓷片夾著一個金屬片，通過高溫膠粘在一起。加電信號后，兩側的陶瓷片發(fā)生位移變化，產生機械振動，帶動金屬片發(fā)出響聲，聲波就此產生。

“進行測井時，超聲探頭需要深入地下幾千米甚至上萬米，溫度高、壓力大，讓它保持正常工作是核心技術之一。”王秀明說，做一批探頭要一個星期，幾十道工序，一批批做，一批批高溫模擬測試，不是陶瓷破碎就是脫膠開裂。

此時的固體聲學與深部鉆測團隊也像這種探頭一樣，面臨著高壓的考驗。大家一直疑惑，“‘三明治’的每一層，包括絕緣膠都是耐高溫高壓材料，拼到一起怎么就壞了？”

“當時，每天都很煎熬，備受折磨，經費也嚴重不足，可我們既然答應了人家，砸鍋賣鐵也要堅持把項目完成?！蓖跣忝髡f。更何況，這是他回國后負責的第一個項目，如果做不出來，局面就難以打開。

“經過一系列理論分析和數值模擬，大家認為，可能由于陶瓷片和金屬片的熱膨脹系數不同，高溫下應力集中，難以有效釋放，才導致探頭開裂?！蓖跣忝髡f。經過反復優(yōu)化設計、模擬仿真、測試分析后，研制團隊終于趕在合同到期前幾個月，解決了這一難題。

“偶極聲波探頭發(fā)出的聲音像青蛙‘呱呱’的叫聲，當加到175攝氏度的高溫，它仍連續(xù)叫了幾個小時，我想‘這事兒成了’。”王秀明說。

挑戰(zhàn)“地下珠峰”

聲學所攻克聲波探頭的消息很快傳遍了油氣勘探領域。幾乎同一時間，國外技術公司也松了口，表示愿意繼續(xù)向我國出售聲波探頭。

“價格一下子從100萬元一套降到了40萬元，后來甚至降到30萬元?！蓖跣忝髡f，“但我們的價格更低，這樣一來，打破了國外的技術封鎖和壟斷，為國家節(jié)約了大量外匯。”

后來，國內的油氣公司和油田的相關負責人接連找上門來，向聲學所訂購偶極聲波探頭。更大的挑戰(zhàn)也隨之而來。“既然最核心的探頭都做出來了，你們下一步就能把整臺儀器研制出來?！贝髴c油田的相關負責人對王秀明等人說。

橫波成像測井儀全長10多米，由多段細長鋼管串聯而成，按照下井的先后順序，結構依次是發(fā)射聲系、隔聲體、接收聲系、數據采集和通信短節(jié)，儀器各個部分通過每段鋼管之間的多芯插頭連接起來。下井前，儀器還要通過電纜與地面設備連接，保證信號順利傳輸。將成套設備國產化，意味著儀器的每個部分都要實現自主研發(fā)。

又經過3年的研制探索，2012年，固體聲學與深部鉆測團隊與大慶測井公司合作研發(fā)的第一代偶極橫波成像測井儀終于大功告成。

后來，他們與中石化經緯有限公司合作，研發(fā)了新一代橫波遠探測成像測井儀，在國內首次實現橫向探測深度80米、縱向探測8300多米。這已接近珠穆朗瑪峰的高度。

如今，固體聲學與深部鉆測團隊已從最初的3個人，發(fā)展成為一支34人的隊伍。王秀明的后輩們，正在組織月球鉆井測量的項目，要把聲波探測技術用到月球上。

看到大家逐漸成長起來，王秀明發(fā)自內心地高興。作為聲學所的首席科學家，團隊里有了事，他依然挺身而出。

“做事的初衷不是出名。先做事，等事做好了，名自然就跟著來了?！蓖跣忝鞒Υ蠹艺f。