“海脈”給海底地層做高清“CT”
◎本報記者 操秀英
近日，由中國海油自主研發的我國首套海底地震勘探節點採集系統裝備——“海脈”順利完成渤海渤中8-3工區作業，這是“海脈”完成的首個大面積工區作業。
“海脈”集成高靈敏度檢波器和超低噪音採集電路等設備，大幅提升了對微弱信號的檢測能力，能夠捕捉到在萬米地層下相當於蚊子飛行聲1/150大小的地震波信號。根據這些信號，“海脈”便可獲得高清油氣藏數據信息。
“有了它，我國主要海域的海底精細地震勘探需求得到滿足，我國海洋油氣勘探開發能力將得到進一步提升。”中海油服物探裝備研究所研發團隊首席工程師阮福明表示。
不能走別人的老路
找油找氣，物探先行。
物探工作就像給海底做CT掃描，會得到一張標註着油氣埋藏具體位置的地圖。由於具備布放靈活、信號採集全面精細等特點，近年來，海底節點裝備研究越來越多應用於海洋油氣勘探領域。
“通俗來講，此前應用較多的拖纜地震勘探系統作業速度快，適合大面積初篩，可以大概搞清楚某個地方油氣藏情況怎麼樣。而海底節點裝備則用於在此基礎上進行更精細地勘探，它們之間的差異就彷彿是從1080P到4K的變化。”阮福明介紹道。
作爲採集海底地質信息的關鍵性技術裝備，我國的海底地震勘探節點採集裝備長期依賴進口，嚴重製約了我國海洋油氣勘探開發進程。
2019年，中國海油將海底地震勘探節點採集裝備的研發提上日程。
當年，中海油服物探裝備研究所立項研發海底節點裝備。“我們不可能做一個跟別人一模一樣的東西，這樣既沒有競爭力，還要給別人交大量專利許可費。”阮福明說，必須另闢蹊徑，走一條不一樣的技術路線。
海底節點裝備中最核心的器件是地震檢波器，即感知並接收地震波信號的零件。“拖纜設備只需水檢，海底節點裝備既要水檢還要陸檢，難度就大多了。”阮福明說。
國外成熟產品中用的是微機電系統(MEMS)，但國內的MEMS技術達不到所需精度。“反覆權衡摸索，我們決定使用有源力反饋技術。”阮福明說，該技術使用電子學手段改造常規檢波器，引入負反饋網絡。在負反饋的作用下，傳遞函數的線性度得到改善。
時鐘也是個重要零部件。一個作業區域通常要在海底布數千個節點，要實現這些節點的時間同步不是一件容易的事情。阮福明說，國外廠商使用的原子鐘技術雖然精度高，但造價昂貴。“我們最終使用了雙溫控時鐘。經過算法優化處理，雙溫控時鐘達到了跟原子鐘同樣的效果。”
就這樣一點點摸索，兩年後，研發團隊做出第一臺樣機。
此時，中國海油決定從集團層面推動海底節點裝備的產業化。
阮福明深知，從樣機到產品還有很長的路要走。此前，由他領銜研究的我國首套海上高精度拖纜地震勘探系統成套核心裝備用了十幾年才實現這一目標。
“由於有緊迫的作業需求，剛開始我們是想兩條腿走路，一方面加強跟國外公司的合作，儘快出產品，一方面儘快推進我們自己的產業化進程。”阮福明坦陳。
經過幾輪的談判，團隊與國外公司達成了合作意向。沒想到，項目設立不久，形勢突變。2021年底，對方拒絕合作。面對新形勢，科研團隊根據項目要求的成果倒排時間節點，加班加點。“團隊成員沒有休息日，每天都在和時間賽跑。”阮福明說，除了要完成集團的硬性任務，其實大家也憋着一口氣。“外方在拒絕合作的同時，還趾高氣揚地說，單憑我們自己不可能做出來，我們不能被人看扁了。”
已進入批量製造階段
於是團隊開啓了科研攻關之路。
有一段時間，研究人員發現，被固定在電路板上的雙溫控時鐘在強撞擊時容易壞。於是，科研人員將電路懸空，並加了很多防震措施，在室內各種拋、摔，終於讓它練就“金剛不壞之身”。
除了死磕，科研中還需要一些運氣。
研究團隊發現節點中正在工作的元器件突然變成初始狀態，罷工了。“我們各種測試、排查，分析原因，但毫無頭緒。”阮福明回憶，一籌莫展時，一位研發人員無意中拿着螺絲刀在外殼上劃了一下，突然發現示波器有反應，出現了脈衝，這讓他們意識到元器件罷工的原因會不會是摩擦引起的靜電？
“我們就拿布使勁擦外殼，發現還真是靜電搗的鬼。”阮福明笑稱，當時，外殼材料已經無法更改，後來他們通過優化軟件算法解決了這一問題。
2022年9月底，研究團隊投放320個節點進行海底測試。結果表明，其自主研發的節點裝備性能良好，尤其是在低頻上的勘探精度優於外方產品。
這個時候，大家才稍微鬆了口氣。
在不斷測試優化裝備的過程中，海底節點裝備的生產線和車間也在抓緊建設中。今年年初，歷時8個月，國內首條自主海底節點生產線建設完成。
“我們僅用了14個月，就實現了從實驗樣機到產品技術定型，併發布海底節點裝備‘海脈’。”阮福明表示。
今年4月份，“海脈”進入批量製造階段。兩個月時間內，中海油服生產出6000多個“海脈”。
7月份，“海脈”在渤海海域正式投入使用。作業人員將數千個“海脈”節點按照設計要求，通過專業收放裝備有規律地布放在海牀指定位置，形成一個覆蓋在海牀上的巨大信息採集網。這些節點就像一個個“聽診器”，接收着來自海底地層反射的地震波信號，並以數據的形式存儲記錄下來。作業完成後將其收回，下載分析採集到的數據信息，處理成地震剖面，最終可生成海底地層的清晰“CT影像”。
此次在渤海投用的“海脈”設計水深500米，實際作業能力可達700米。研究團隊透露，他們正在設計水深達千米級的海底節點裝備。（來源：科技日報）