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”课题在北京顺利结题,我国科学家自主研发的“海洋可控源电磁勘探系统”顺利通过验收。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……一系列自主创新成果的问世,既标志着我国已跃居国际海洋电磁探测技术与装备研制的第一梯队,也使我国的深海油气资源勘探与开发工作翻开了崭新的一页。近日,记者实地探访该课题技术首席、中国海洋大学李予国教授及其团队成员,听他们讲述七年磨一剑、探海问底的曲折故事。

项目组自主研发的海底电磁采集站

源起:一心想“窥探”海底的人

1965年秋,李予国出生于甘肃省天水市一户普通的职工家庭,在“文革”动乱的年代里,他在母亲的陪伴下转到乡下读书,在西北内陆那个相对安宁平和的小山村里,他在维系自己学业的同时,也度过了一段难忘的童年时光。

因为中学时代酷爱数学、物理,1981年填报高考志愿时,他选择了西安地质学院(1996年更名为西安工程学院,2000年合并组建长安大学)勘查地球物理专业。“当时信息闭塞,报志愿不像现在有许多可以参考的信息,我看这个专业有‘物理’2字,就选了它。”李予国说。本科毕业后他留校任教,并于3年后继续攻读了本校应用地球物理专业的研究生,师从方文藻副教授从事电法勘探方面的研究,其硕士论文结集成《瞬变电磁测深法原理》一书出版,成为改革开放初期,该领域重要的参考书之一。

1993年春,正在实验室工作的李予国接到了来自青岛的电话,电话是青岛海洋大学海洋地质系教授徐世浙打来的。“1990年,海大的海洋地质博士学位授权资格获批,徐老师就写信给我的导师,请他推荐学生,方老师举荐了我。徐老师就把电话打到西安邀请我去一趟青岛与他面谈。”在青岛,这位国内最早将有限元法应用于地球物理勘探的学者与这位远道而来的西北小伙一见如故。1993年秋,李予国告别学习工作了12年之久的西安地质学院,投入到海洋的怀抱。

在青岛海洋大学,李予国不仅接触到了前沿的物探技术方法,而且也被这所因海而生的大学宽厚温润的文化品格所熏陶浸染着,并有幸在这里扬帆远行,见识外面的世界。经学校推荐和考试选拔,以及语言培训,1996年秋天,李予国前往德国留学,在国际电磁测深研究先驱、格廷根大学地球物理所Schmucker教授名下攻读博士学位。

在这所创建于18世纪的世界知名学府里,留下了高斯、海涅、格林兄弟、马克斯·韦伯等多位大师的身影。徜徉校园,沐浴在伟人的荣光里,李予国暗下决心一定要学有所成,不辜负母校和国家的厚爱与支持。

不同于其他德国教授的严谨与严厉,Schmucker教授为人随和、洒脱,不拘小节,并且乐于为学生提供宽松、自由的学习环境。时至今日,李予国依然记得第一次与导师见面的情景。“约的是下午4点见面,我到了之后,他正在机房里调程序,让我再等他一刻钟。这一等就是3个小时,后来天都黑了,他才想起我来,他是一个时间观念不太强的人。”当时德国地球物理学界针对电导率各向异性的研究异常火热,李予国成功说服Schmucker教授同意他放弃之前选定的方向,转攻这一领域。他巧妙地把在国内所学的有限单元法运用到这一领域中,历经无数次的修改完善,他建立了二维和三维电导率任意各向异性介质中大地电磁场模拟有限元算法,解决了该复杂条件下电磁场精确数值模拟的难题,伴随着这一曾被德国地球物理学会电磁分会主席Ritter博士称为“不可解决的问题”的迎刃而解,李予国顺利完成了学业,这令此前担心他不能如期毕业的Schmucker教授倍感高兴。此后,他先后任职于德国弗赖贝格矿业技术大学和柏林自由大学,提出了电阻率任意各向异性介质大地电磁场二维反演方法,发展了三维电阻率有限元模拟方法……这些新颖的方法很快在实践中得以应用并赢得了德国地球物理研究同行的认可。

美国Scripps海洋研究所是世界公认的全球顶尖海洋研究机构之一,20世纪70年代末80年代初,海洋电磁技术便是在这里起源,并很快发展成为世界一流的海洋电磁研究中心。“最初,Cox教授发明海洋电磁技术是用于海底地质构造研究,在2000年前后,有人利用此项技术在西非进行海底油气资源勘探,竟然成功地圈闭了油气层,瞬时间,这项技术就火了起来。”李予国说,传统主流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是油还是水。“海水的电阻率非常低,油、气的电阻率很高,两者具有明显的物性差异,很容易区分开来。”作为一名长期从事电法勘探研究的科技工作者,他也对这一新兴领域充满了好奇。

2004年底,他毅然离开德国,应聘到Scripps海洋研究所海洋电磁实验室工作。在这里,他不仅接触到了先进的海洋电磁技术,而且实现了学术生涯的一大转折——从陆地走向海洋。“1996年离开青岛海洋大学前往德国,近10年后,又重新回到海洋研究领域,既感到亲切,又觉得是一种缘分。”李予国说。

在Scripps海洋研究所工作期间,李予国不仅很快掌握了海洋电磁技术的基本原理与方法技术,并凭着出色的表现赢得了实验室负责人Costable教授以及其他同事的认可。他详细研究了海底地形变化对海洋可控源电磁响应的影响,将网格自动细化有限元技术应用到电磁场数值模拟领域,研发了2.5维海洋可控源电磁场有限元正演模拟算法,基于该算法的软件包已提供给近30家国际石油公司和从事海洋石油勘探的地球物理公司使用,受到了一致好评。

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。“我希望看到我们国家的代表团前来调研,因为我就在那儿工作,有这个便利条件。”李予国说,为了促成国内早日启动海洋电磁技术的研究工作,他曾于2006年初给中国有关部门写信呼吁此事。同年6月、7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,可是没想到后来我竟然成为国内海洋电磁研究队伍中的一员。”时至今天,谈起这段经历,李予国也颇感意外。

海底电磁采集站4000米水深试验成功,李予国(左五)与科研人员合影

团队:从“光杆司令”到精英团队

“在内心深处,一直有一种教书育人的情怀,总想培养几个好学生;再就是不甘心欧美国家在海洋电磁技术领域对我国进行技术封锁。”在这两方面的驱使下,2009年,李予国开始着手办理回国事宜。面对国内多所高校和研究机构抛出的橄榄枝,他最终选择了自己的母校,位于青岛的中国海洋大学。

“听说他要回来,我们十分欢迎,原来我们就相识、熟悉,在一起干事也方便。”时任海洋地球科学学院院长李广雪的真诚邀约更加坚定了他到母校工作的决心。

有学校和学院的大力支持,加上熟悉的环境,以及师友们的帮助,他很快构建了自己的实验室。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,只提供技术服务,不提供相应设备出口服务,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,都被他们拒绝了。”面对此种境地,只能走自主研发的道路,但长期以来在地球物理领域李予国主要从事数值模拟算法和资料解释方法的研究,谈及硬件制造也是知之甚少。如此以来,他就需要多个学科的人才,来组建一支交叉融合、协同创新的团队。“我把我的想法和科技处的同志讲,请他们帮助物色合适的人选,他们给予了我很大的帮助。”

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,他们大都与李予国素未谋面,此行便是专程来听他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要和他一起从事这方面的研究。”谈起那晚的“茶馆会谈”亓夫军副教授对于自己内心的那份担忧记忆犹新。在研读了相关学术资料,搞清了海洋电磁技术的相关原理和应用前景之后,再加上李予国回国干事创业的精神的鼓舞与感召,这位与李予国年龄相仿的科研人员欣然加入了这一团队。

“听完李予国教授的介绍后,特别是他在海外工作的丰富经历,我心里就有主心骨了,觉得海大要想干这件事的话,一定能成。”于新生教授说,虽然之前从未接触过海洋电磁技术,但通过这次交流他与李予国一拍即合。

“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样一个难度极大的项目,但为了团队的发展,他还是毅然决定带着我们去奋斗一次。”黎明教授说。

工程学院王建国教授团队承担采集电路设计、王树杰教授团队负责数据记录仪舱体设计加工,材料科学与工程学院付玉彬教授团队负责电场传感器、戴金辉教授团队负责中性浮力发射天线,信息学院亓夫军副教授团队负责电流发射系统,海洋地球科学学院于新生教授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……很快一个分工明确、学科交叉的精英团队便组建了起来。“离开母校十多年,尽管办学环境发生了翻天覆地的变化,但是优良的文化没有变,干事创业的氛围依然在。”李予国说,大家都拥护我、团结我,我很高兴,他们都是想干事、能干事的人。

项目组自主研发的大功率水下电流发射系统

创新:七年磨一剑,铸就探海“神器”

有了实验室,组建了团队,还要依托一个良好的项目开展研究工作。早在2007年前后,李予国就开始思考回国后的研究工作如何铺开了。2010年,其正式加盟中国海洋大学后,在学校、山东省、中国地质调查局和国家自然科学基金委等多方的支持下,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,许多工作都是从零开始,犹如摸着石头过河。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。“团队刚刚组建,都有一个交流磨合的过程,如何让大家尽快理解我的意图,实现我的想法,也是我常思考的问题。”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交流探讨研发过程中的难题。“中午吃饭时,李老师就给我打一个电话,一起吃饭吧,我们就边走边聊、边吃边聊。”亓夫军说,日久天长,团队成员都习惯了这种独特且高效的研讨方式。

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、更可靠,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。

尽管走得艰难曲折,但终归是在一点一滴的突破,且每天都有看得见的收获,就在他们以为胜利指日可待时,却遇到了最大的“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最大输出功率为500A的案例,也给自己设定了500A的研发目标,但在最后的论证评审时,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。”谈及答辩时的情景,他依然印象深刻。

“填报计划时,所有的技术指标、参数都是按照500A准备的,突然要翻倍,我整个人都懵了。”亓夫军说,因为这根最硬的骨头由他来啃。“当时还想分两步走,能不能先搞一个500A的,再去做1000A的;再就是能不能通融下把1000A降到750A。专家组不同意,必须一步到位。”

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。

大功率水下电流发射系统是整个海洋可控源电磁勘探系统的核心设备,如果突破不了,不仅项目无法结题,而且他们前期的付出和努力也将付之东流。“因为该难关迟迟攻不下来,我们甚至受到了项目办的批评和通报。”李予国说,海洋可控源电磁勘探装备研制是一项研究性强、难度大,具有一定挑战性的高科技研发。在研发过程中,出现方案的调整、设计思想的完善和改进是正常的,也是符合科研规律的,甚至个别部件研究计划的提前或滞后也是可以理解的。“科学研究应该有序稳妥地推进,不可能一蹴而就,更不能急于求成。”

尽管李予国一如既往地对团队成员进行鼓励与安慰,但是作为项目首席技术负责人他心里也承受着很大的压力。那段时间,亓夫军带领研究生在实验室里持续奋战,除了中午约他吃饭,李予国还会在上午、下午过去转两圈。“我去了什么也不说,只是看看就走。他们都在埋头工作,我不能再传输压力了。但是,我想我身上的压力他们也能感受得到。”

经过夜以继日地奋战,在与青岛海洋地质研究所的联合攻关下,他们率先突破了500A级,但要想达到1000A的目标,还需再接再厉。2015年11月11日,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,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中国海洋与湖沼十大科技进展”。

突破了整个项目中最大的技术难点,一年半时间里压在李予国和整个团队身上的石头终于落地了。此后,他们又进行了多次海试,并创造性地研发了集拖曳式可控源电磁发射系统、海底固定电磁采集站和拖曳式电场接收系统为一体的立体探测模式。

2017年3月21日,在南海海域,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,参与海试的“863计划”评审专家给予高度评价,并打出了97分的高分。首条剖面的成功获取,不仅标志着我国在海洋电磁技术创新和装备研制领域步入了世界先进行列,而且也为我国深海油气资源勘探与开发工作翻开了崭新的一页。

海底电磁采集站回收 (刘邦华摄)

展望:瞄准深海6000米直至覆盖全海域

2017年6月8日上午,北京裕龙大酒店,“863计划”项目“深水可控源电磁勘探系统开发”课题顺利结题。

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

海洋油气开采成本高昂,打一口探井动辄花费过亿资金,惟有尽可能找准海底含油构造,才会减少资金浪费。“依靠传统方法,在海底打三口井,只有一口含油气,另外两口往往是水井或干井,浪费了大量资金。依靠海洋电磁探测技术,可能打三口井有两口含油气,就能节约上亿资金。”李予国说,我不想只做一个样机,项目结题了就把它束之高阁。既然行业有需求,我们就要尽快推动实施产业化,为我国的海洋油气资源勘探与开发做贡献,为生产服务。

聚焦当下,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,除了用于海洋油气资源、天然气水合物的勘探以外,该技术还可应用于海底地质构造研究、硫化物等深海固定矿藏勘探。

当记者问起海洋电磁探测技术的不足时,他说,这一方法主要通过判别海底构造内部电阻率的高低来区分是含油气,还是含水,但电阻率高不一定就100%是油气,也有可能是碳酸盐、玄武岩等其它物质。这就需要在具体实施中,与海洋地震等多种探测方法互为补充、相互印证,进行综合判断。“目前来看,这只是海洋油气勘探的一种新颖方法,但它绝不是什么灵丹妙药,这一技术的成熟与完善还需广大地球物理工作者坚持不懈地努力。”

回首来时路,在归国的7年多时间里,李予国孜孜以求、为之奋斗的初心,正是寻找那枚打开海底油气宝藏的“金钥匙”。

风劲帆满,他依然在破浪前行。

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