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，終於圓滿結束了”。

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。

不久後，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，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。“工資都花在機票上了！”他打趣説。

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，作出回國的決定並不容易。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展。“現在國家處於大發展時期，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！”

對於油氣勘探而言，首先需要地質學家進行區域概查，確定可能存在油氣田的地區和範圍，再進行區域普查，利用人工地震方法推斷地下岩石結構，大體確定地下油氣儲層位置。

在接下來的區域詳查中，則需要打井測量，利用專門的儀器確定油氣田的詳細資訊。如橫波成像測井儀便可通過發射聲波後記錄聲波被岩體反射回來的數據，判定油層的位置、厚度和含油飽和度等。

“這就像是在井下給岩層做B超檢查，通俗地説，聲波聲音越大、頻率越高，探得越遠、油層分辨越清晰。”王秀明説。

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——聲波探頭更屬於嚴格控制的産品。

“當時一套聲波探頭要100萬元，後來國外公司乾脆不賣了，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。”王秀明説。

無法採購新儀器，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測完，馬上就得“坐”飛機到下一個地區開展作業。但這不是長久之計，突破“卡脖子”技術，研發具有自主智慧財産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言。受訪者供圖

打破國外技術壟斷

不過，接下來對於研製偶極聲波探頭，王秀明並不被看好。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，只能在電腦上翻翻跟頭吧。”

自1992年起，國內多家單位曾嘗試研製偶極聲波探頭，然而其耐溫性能、發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年研製工作以失敗告終的同行對王秀明説：“我告訴你，搞不成的，一到高溫狀態就開裂。”

然而，王秀明不這麼認為。哪怕沒有相關的研製經驗，他也在想：“外國人能做出來，我們為什麼做不出來？”

誇下海口容易，實際研究困難。與中海油田服務股份有限公司簽下兩年研製合同後，前一年多，研發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節，卻怎麼也通不過。

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。加電信號後，兩側的陶瓷片發生位移變化，産生機械振動，帶動金屬片發出響聲，聲波就此産生。

“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。”王秀明説，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鑽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，拼到一起怎麼就壞了？”

“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。”王秀明説。更何況，這是他回國後負責的第一個項目，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，可能由於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。”王秀明説。經過反覆優化設計、模擬倣真、測試分析後，研製團隊終於趕在合同到期前幾個月，解決了這一難題。

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

挑戰“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，表示願意繼續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，後來甚至降到30萬元。”王秀明説，“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，為國家節約了大量外匯。”

後來，國內的油氣公司和油田的相關負責人接連找到府來，向聲學所訂購偶極聲波探頭。更大的挑戰也隨之而來。“既然最核心的探頭都做出來了，你們下一步就能把整台儀器研製出來。”大慶油田的相關負責人對王秀明等人説。

橫波成像測井儀全長10多米，由多段細長鋼管串聯而成，按照下井的先後順序，結構依次是發射聲係、隔聲體、接收聲係、數據採集和通信短節，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。將成套設備國産化，意味著儀器的每個部分都要實現自主研發。

又經過3年的研製探索，2012年，固體聲學與深部鑽測團隊與大慶測井公司合作研發的第一代偶極橫波成像測井儀終於大功告成。

後來，他們與中石化經緯有限公司合作，研發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，固體聲學與深部鑽測團隊已從最初的3個人，發展成為一支34人的隊伍。王秀明的後輩們，正在組織月球鑽井測量的項目，要把聲波探測技術用到月球上。

看到大家逐漸成長起來，王秀明發自內心地高興。作為聲學所的首席科學家，團隊裏有了事，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。”王秀明常對大家説。