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我国首套大功率海洋可控源电磁勘探系统成功研发纪实

来源:中国海洋报    星期日 2017-08-06 21:15:13


  日前,国家高技术研究发展计划(“863计划”)项目“深水可控源电磁勘探系统开发”课题在北京顺利通过专家验收。

  该系统的成功研发,不仅填补了我国深海可控源电磁探测的空白,而且其中的核心设备1000A大功率水下电流发射系统和4000米海底电磁采集站使我国成为继美国、挪威之后又一个有能力在水深超过3000米海域进行可控源电磁场测量和研究的国家。

  缘起:一心想“窥探”海底的人

  20世纪70年代末80年代初,美国Scripps海洋研究所的教授率先在海底地质构造领域开启了海洋电磁技术研究的先河。2000年前后,有人运用此项技术在西非进行海底油气资源勘探,成功地圈闭了油气层,一时间,这项技术引起了科学界和产业界的极大关注。中国海洋大学海洋地球科学学院副院长李予国教授说,传统的地震成像技术能探测到潜在的油气构造圈闭,但是要区分圈闭内是含油的、含气的还是含水的,目前还没有有效的方法。而海洋电磁技术却可以利用导电性来判断里面到底是油还是水。

  李予国早年曾在国际电磁测深研究先驱、德国格廷根大学地球物理所教授名下攻读博士学位。2004年底,他应聘到Scripps海洋研究所海洋电磁实验室工作。

  在美工作期间,李予国所在的海洋电磁实验室时常接待前来调研学习的各国代表团,身为中国人他觉得自己的祖国也应该有人从事这方面的研究工作,并于2006年初给中国有关部门写信呼吁此事。同年六七月,两支中国代表团前往Scripps海洋研究所调研,李予国向带队的时任山东省副省长王军民、中国科学院院长路甬祥建议尽快在国内开展这一领域的研究。

  “当时,只是觉得国内应该尽早启动这方面的工作,不要被国外落的太远,没想到后来我竟然成为国内海洋电磁研究队伍中的一员。”时至今日,谈起这段经历,李予国颇为感慨。

  团队:从“光杆司令”到精英团队

  2009年,李予国回到了自己的母校中国海洋大学。在有关各方的大力支持下,他很快建起了自己的实验室。场地有了,计算机等基础设备也有了,可是搞研究的人去哪儿找,在组建团队上,李予国犯了愁。

  “海大在海洋地质、地震勘探等领域的研究已经十分成熟完善,但是在电法勘探领域却少有人涉猎,更不必说在国内刚刚起步的海洋电磁技术方向了。”李予国说,从事海洋电磁技术研究首先要有这方面的硬件设备,但欧美对中国进行严密的技术封锁,没有相应设备研究工作也就无从谈起。“回国前,我曾希望Scripps的同事,把以前使用过的传感器送给我一个,但被他们拒绝了。”如此一来,就需要组建一支交叉融合、协同创新的团队从零开始,进行自主研发。

  2010年春的一个夜晚,在青岛市江西路上的一家茶馆里,来自中国海洋大学不同学科领域的多位专家学者聚在了一起,他们是专程来听李予国讲述海洋电磁技术研究的意义与前景的。

  “这是一个全新的领域,之前我从未接触过,心里没底。当时我并没有直接答应他。”谈起那晚的“茶馆会谈”,亓夫军副教授对于当时自己内心的那份担忧记忆犹新。在研读了相关学术资料和应用前景,再加上李予国回国干事创业精神的感召下,他毅然决定加入这个团队。

  “当时,王建国教授是我们团队的负责人,即将面临退休,他本可以不用这么辛苦,冒这么大风险去接这个难度极大的项目,但为了团队的发展,他还是决定带着我们去奋斗一次。”黎明教授说。

  王建国团队承担采集电路设计、王树杰团队负责数据记录仪舱体设计加工、付玉彬团队负责电场传感器、戴金辉团队负责中性浮力发射天线、亓夫军团队负责电流发射系统、于新生负责采集站投放与回收系统、李予国带领裴建新等青年教师进行方法研究……很快,一个融合4个学院,多个学科方向的精英团队便组建了起来。

  创新:七年磨一剑,铸就探海“神器”

  2010年,李国予他们在有关各方支持下,拉开了中国海洋大学“海洋可控源电磁勘探系统”研发的大幕。

  起步阶段,只能摸着石头过河。李予国把自己想要的设备的形状、功能、参数讲出来,然后团队成员根据自己的理解和认知去琢磨、去试验、去实现。因为团队成员分属不同学院,平时还有各自的教学和科研任务,专门聚到一起比较困难,李予国就利用吃饭的时间和大家一起交流探讨研发过程中遇到的难题。

  2011年秋,“863计划”项目“深水可控源电磁勘探系统开发”课题论证评审会在北京举行。中国海洋大学提交的项目申请和研究规划获得了专家的一致好评,因项目涉及能源资源勘探与开发,国家倡议进行产学研用结合,走强强联合之路,由潜在用户单位组织执行,并指定东方地球物理公司作为牵头单位,中国海洋大学负责总体技术方案的实施。

  有了国家重大项目的支持,大家干事创业的信心更足了,但也开始面对创新路上的艰难险阻。

  2011年1月21日深夜,自动化及测控系实验室的灯依然亮着,王建国教授正在带领团队成员对海底电磁采集站的总体设计方案进行研讨,并最终敲定。“7年来,我们虽然做了很多改进,但总体框架一直没有变化。王老师的专注、执着、敬业一直是我们项目组的精神标杆。”黎明教授说,虽然以前开展过高精度测量研究,但是面对这种颇具挑战性的“超低频、宽带、低噪声放大器”还是首次。7年时间里,他们共设计了5个版本的海底电磁采集站的主控板,最终使各项性能指标均达到了设计要求。

  为了确保海底电磁采集的数据更精确、可靠,于新生教授独辟蹊径,设计了一套依靠熔断丝触发的冗余释放系统,成功避免了以往机械式释放产生的电磁干扰,并实现了100%成功回收。

  尽管一路走得艰难曲折,但难关在一点一点被攻破,就在他们以为成功已指日可待时,却遇到了更大的“瓶颈”。

  项目申报时,李予国参考美国Scripps海洋研究所研制的海洋可控源电磁勘探系统的最大输出功率,也给这个项目设定了500A的研发目标,但在论证评审时,专家委员会建议提升到1000A。“目前,世界上只有挪威的EMGS公司达到了1000A的水平,专家说要做就做世界领先的,但是科研经费不能增加。”

  承压舱,是一个长度不到3米,内径不到0.6米的密闭舱体,可以承受深海里的超大压强,被称为大功率水下电流发射系统在“海底的家”。“从500A增加到1000A,意味着其输送功率要增加3倍,发热量也会增加3倍,如何提高电子元器件的耐热指标,以及把热量散出去是个不小的挑战。”亓夫军说。

  为了这个久攻不下的难题,那段时间,亓夫军带领研究生在实验室里持续奋战。在与青岛海洋地质研究所的联合攻关下,他们终于率先突破了500A级,但要想达到1000A的目标,还需再接再厉。

  2015年11月11日,这是一个在中国海洋电磁技术发展史上值得记录的日子。在青岛海域,我国自主研发的融合了1000A级大功率水下电流发射系统和4000米水深电磁采集站的“海洋可控源电磁勘探系统”浅海联调测试获得成功。中国成为继挪威之后,世界上第二个拥有最大输出功率为1000A级的海洋可控源电磁勘探系统的国家,这也标志着我国的海洋电磁探测技术研究已经达到世界领先水平。同年,该成果入选“2015年中国海洋与湖沼十大科技进展”。

  2017年3月21日,在南海海域,科研人员利用该系统成功获取了我国首条深海可控源电磁探测剖面。此举为我国深海油气资源勘探与开发工作翻开了崭新的一页。

  历时7年的研究终于告一段落,但李予国丝毫没有要歇一歇的意思,他正在绘制更长远的蓝图。

  聚焦当下需求,在青岛海洋科学与技术国家实验室、中国地质调查局的支持下,他们正在朝着6000米水深发起冲击,下一步是10000米海深,直至南北极,实现全海域覆盖。“在这一领域,既然我们已经代表国家进入世界第一梯队,就要保持住这种优势。”李予国说。作者:通讯员冯文波)

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