uDAS?分布式光纖傳感地震儀及其應用

冉曾令,饒云江,王熙明,肖彥波,余 剛,安樹杰,陳沅忠,吳俊軍

(1.電子科技大學,四川成都611730;2.中油奧博(成都)科技有限公司,四川成都611730)

分布式光纖聲波傳感(DAS)技術是一種可以實現(xiàn)聲波/振動信號連續(xù)分布式探測的新型傳感技術,具有連續(xù)在線監(jiān)測、靈敏度高、抗電磁干擾、可耐受極端環(huán)境等優(yōu)點,已被應用于多個領域,如油氣探勘[1]、邊界安防[2]、結構監(jiān)測[3]和交通運輸[4]等。

目前,分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)主要基于兩種構架:光時域反射技術[5-11]和光頻域反射技術[12-16]。這兩種構架各有特點:光時域反射技術傳感距離較長,實時性較高,適合于油氣勘探等工程應用;光頻域反射技術對系統(tǒng)硬件要求高,信號解調過程復雜,實現(xiàn)實時解調難度較高。所以,實用化的分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)多以光時域反射技術為基礎,結合不同相位解調方法實現(xiàn)聲波/振動信號的監(jiān)測。目前,最常用的相位解調方法有正交(IQ)解調[17]、基于3×3耦合器的相位解調[18]、Hilbert變換相位解調[19]和相位生產(chǎn)載波(PGC)相位解調[20]等。

我們設計了一種超靈敏分布式光纖地震儀——uDAS?(Ultra-sensitive Distributed Acoustic Sensing),以相敏型光時域反射儀為基本構架,結合干涉穩(wěn)定解調,精確獲取瑞利散射信號的相位以定量表征聲波/振動信號。uDAS?具有低噪聲、線性幅度響應、長工作距離等優(yōu)點。

1 uDAS?系統(tǒng)結構及工作原理

高性能分布式聲波傳感系統(tǒng)的實現(xiàn),必須克服以下幾個難題:①如何從極弱瑞利散射信號中精確提取相位信息;②光纖單頻瑞利散射存在的隨機衰落現(xiàn)象會導致低散射位置處光信噪比的嚴重劣化,甚至出現(xiàn)信號解調錯誤,嚴重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精度;③長距離傳感時光纖的損耗會導致光纖前后性能分布不均衡;④基于干涉工作原理的DAS系統(tǒng)對外界的影響極其敏感,必須抑制外界干擾引起信號解調失真或信噪比劣化。

為解決上述難題,我們設計了圖1所示的分布式光纖傳感地震儀:采用高功率超窄線寬激光器,經(jīng)調制器調制產(chǎn)生的脈沖光通過基于長周期光纖光柵濾波的低噪聲摻鉺光纖放大器(EDFA)放大,獲取高相干、高能量、低噪聲的探測脈沖光,為從光纖極弱瑞利散射光中精確提取干涉信號相位變化奠定基礎;利用多頻脈沖[21]抑制瑞利散射信號的隨機衰落;融合隨機光纖激光分布式拉曼放大[22]的方法,實現(xiàn)光纖不同位置瑞利散射信號的均衡放大;在干涉穩(wěn)定解調模塊中融合本地解調干涉儀[23],使干涉解調模塊主動工作在穩(wěn)定狀態(tài),降低外界振動及各種干擾信號對儀器相位解調精度的影響。

圖1 uDAS?分布式光纖傳感地震儀基本架構

uDAS?接收的聲波/振動信號具體解調過程如下。干涉穩(wěn)定解調模塊輸出3路光信號,相鄰兩路光信號相位之間相差2π/3,經(jīng)探測器探測后的3路光信號依次為:

(1)

式中:A表示一個與光源功率相關的常量;B表示與干涉對比度相關的常量;φ表示瑞利散射光的相位。

求解公式(1)所包含的多個方程,即可直接解調出相位φ,相位結果與信號幅度無關,可消除信號的幅度變化對解調信號的影響,適用于動態(tài)信號的測量。

當光纖受擾動時,其長度將被拉伸或壓縮,由于光彈效應,纖芯折射率也會發(fā)生變化,從而引起瑞利散射光信號光脈沖的相位φ變化。在地震波(聲壓)作用下,光纖會產(chǎn)生微小應變,引起相位φ變化,且相位φ的變化直接對應于地震波引起的位移變化,并呈線性關系。

2 uDAS?系統(tǒng)測試

2.1 uDAS?系統(tǒng)性能測試

uDAS?分布式光纖傳感地震儀的基本原理是傳感光纖受地震波(聲波)信號激勵產(chǎn)生微小的拉伸應變。為測試uDAS?的系統(tǒng)噪聲底、響應特性、傳感距離等指標,搭建如圖2所示的性能測試系統(tǒng),將一定長度的傳感光纖纏繞于壓電陶瓷(PZT)上,并用任意信號發(fā)生器(AWG)施加不同信號驅動PZT產(chǎn)生微小形變拉伸光纖,uDAS?解調PZT產(chǎn)生的應變信號。

圖2 uDAS?性能測試系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)噪聲底測試

根據(jù)圖2所示的性能測試系統(tǒng),uDAS?連接長度為1 km的傳感光纖,將傳感光纖置于安靜環(huán)境中,選取傳感光纖尾端的一點作為監(jiān)測點,即可獲得uDAS?系統(tǒng)的噪聲功率譜約為-73.5 dB rad/Hz(圖3)。

圖3 uDAS?系統(tǒng)的噪聲功率譜

噪聲功率譜與系統(tǒng)噪聲底NF的關系為:

(2)

式中:dφ=10NPS/20(NPS表示噪聲功率譜);λ表示激光器的波長;n表示纖芯折射率;G表示系統(tǒng)標距;ξ表示光彈系數(shù)。

圖4 uDAS?系統(tǒng)的噪聲底

2.1.2 響應特性測試

根據(jù)圖2所示的性能測試系統(tǒng),通過任意信號發(fā)生器依次向PZT施加頻率為5,10,50,100,500,1 000 Hz的正弦信號,uDAS?以相同的采樣率記錄并解調出各頻率的相位波形圖,并進行歸一化處理(圖5)。在5～1 000 Hz內(nèi)uDAS?可無失真地記錄各個頻率的波形,且響應幅度一致。此外,uDAS?可較好地恢復100 kHz的正弦信號。

將任意信號發(fā)生器的驅動頻率設置為100 Hz,逐步增大驅動電壓,使得PZT的拉伸幅度增加,記錄uDAS?信號響應幅度并進行線性擬合(圖6),隨著驅動電壓的增大(即信號幅度增大),uDAS?的相位響應幅度逐步增大,且呈線性關系,線性度達0.999 9。

圖6 100 Hz信號的幅度響應特性

2.1.3 工作距離測試

根據(jù)圖2所示的性能測試,傳感光纖長度約80 km,在傳感光纖尾端將約10 m長的光纖纏繞于PZT上。任意信號發(fā)生器施加20Hz的正弦信號于PZT用于產(chǎn)生應變拉伸光纖,結果如圖7所示,uDAS?監(jiān)測到由80 km傳感光纖尾端的PZT信號引起的光纖擾動。

圖7 80 km傳感光纖PZT信號

2.2 uDAS?與磁電式地震傳感器的對比

由于傳感光纖主要感應沿光纖方向的拉伸應變,為了實現(xiàn)在垂直向標準振動臺上同時進行磁電式地震傳感器和分布式光纖傳感地震儀系統(tǒng)的單頻振動信號的測試,搭建了對比實驗平臺(圖8),在振動臺振動部分與其上方固定裝置之間纏繞了一定長度光纖,振動臺垂向振動同步對傳感光纖的拉伸和對磁電式地震傳感器(PS-10R速度型磁電式地震傳感器)產(chǎn)生激勵。

圖8 振動測試對比實驗平臺

振動臺控制系統(tǒng)驅動振動臺在10 Hz、30 Hz的單頻振動模式下對uDAS?和PS-10R速度型磁電式地震傳感器施加不同幅度的振動信號激勵,并對二者時域波形進行歸一化對比(圖9),可以看出,在相同激勵條件下,uDAS?采集的振動波形與PS-10R速度型磁電式地震傳感器采集的振動波形幾乎完全一致,表明uDAS?系統(tǒng)在光纖軸向維度可無失真地記錄振動信號。

圖9 uDAS?與PS-10R速度型磁電式地震傳感器波形對比

3 DAS-VSP在油氣勘探中的應用

3.1 陸地DAS-VSP

在同一油井中,相同激發(fā)方式下,分別進行了常規(guī)電子檢波器和uDAS?資料采集工作,開展了uDAS?與電子檢波器的VSP資料對比實驗,其中uDAS?記錄道距為2 m,檢波器記錄道距為10 m。圖10為電子檢波器的Z分量與uDAS?采集資料對比結果,可見,uDAS?采集資料與電子檢波器記錄的Z分量地震波場整體一致,而且由于uDAS?的高密度采樣特性,在局部井段獲取了豐富的波場信息。

圖10 電子檢波器Z分量采集資料(a)和uDAS?采集資料(b)

對uDAS?采集資料和電子檢波器Z分量記錄初至提取地層速度信息,結果如圖11a所示,可以看出,二者平均速度基本吻合,層速度大體趨勢一致,驗證了uDAS?采集資料的準確性。圖11b為局部井段uDAS?與檢波器層速度的細節(jié)對比,在小尺度上uDAS?記錄提取的層速度信息更加豐富,這為VSP開展小層級別的處理解釋研究提供了數(shù)據(jù)基礎。

圖11 uDAS?與電子檢波器速度曲線對比(a)和層速度細節(jié)對比(b)

3.2 海上三維DAS-VSP

利用uDAS?在海上開展了VSP應用試驗,資料采集場景如圖12所示,采用氣槍作為激發(fā)源,光纜布設于套管內(nèi)壁進行全天候連續(xù)采集,光纜觀測深度為1～3 500 m,在GPS對時后,通過數(shù)據(jù)切分完成了海上VSP采集工作。

圖12 資料采集場景示意

圖13a是近井源距(785 m)激發(fā)的原始采集資料,uDAS?記錄初至連續(xù)穩(wěn)定,便于后續(xù)提取VSP井驅參數(shù),如層速度、地層吸收衰減因子Q、各向異性參數(shù)等,整體波場主要為多次波,可用于后續(xù)多次波偏移成像。對原始資料的淺層、中深層和深層地震波形進行頻譜分析,主頻均為30 Hz左右,淺層(500 m)頻寬為3～100 Hz,中深層(2 000 m)頻寬為3～85 Hz,深層(3 200 m)頻寬為3～80 Hz,頻譜分析結果表明,uDAS?系統(tǒng)采集的資料整體頻帶較寬,由淺到深高頻成分逐漸衰減,符合地層衰減規(guī)律(圖13b)。

圖13 原始采集資料(a)及不同觀測深度的頻譜分析結果(b)

圖14展示了不同深度共檢波點道集記錄,可以看出,共檢波點道集初至光滑,靜校正問題較輕,整體波場信噪比較高,波場主要成分為自由表面多次波,存在一定的氣泡干擾。

圖14 不同深度共檢波點道集記錄

在井源距-4 000～4 000 m內(nèi),使用氣槍激發(fā)超40 000次。圖15為多炮次采集資料分析結果,可以看出,uDAS?接收的地震波信號主頻多在30 Hz以上(圖15a);單炮資料信噪比較高,集中在20～45 dB(圖15b);初至能量較強,沿井口向周圍逐漸減弱(圖15c),且背景噪聲較弱(圖15d)。

圖15 主頻分布(a)、信噪比分布(b)、初至能量分布(c)及背景噪聲分布(d)

3.3 DAS深井微測井

利用uDAS?在黃土塬地區(qū)開展了深井微測井試驗(井深約122 m),用于調查表層巨厚黃土速度與吸收衰減系數(shù)。進行淺表層結構調查時,微測井井深通常遠小于VSP測井深度,可減小脈沖寬度而提高解調空間分辨率,調整uDAS?儀器的光脈沖寬度為8 ns,以1 m 的空間分辨率接收地震波。本次試驗采用50 kg重錘為激發(fā)源,uDAS?儀器同步觸發(fā)采集。

uDAS?采集的微測井數(shù)據(jù)如圖16所示,初至連續(xù)穩(wěn)定便于初至拾取,uDAS?一次布設全井段采集為子波提取Q值奠定了良好的采集環(huán)境。在井底120 m附近出現(xiàn)了明顯的虛反射,表明uDAS?記錄明顯識別出黃土與巖石地層分界面。

圖16 微測井原始數(shù)據(jù)(a)及速度曲線(b)

4 結論

本文設計了uDAS?分布式光纖傳感地震儀及其測試平臺,開展了uDAS?的性能測試實驗,對uDAS?的噪聲底、響應特性、工作距離等關鍵指標進行了測試,且在振動臺對比實驗中,uDAS?與電子檢波器記錄的振動波形高度一致。在不同場景進行了多炮次生產(chǎn)采集應用,通過與電子檢波器的同井VSP記錄提取的層速度等參數(shù)對比,驗證了uDAS?在井中地震應用的可靠性;海上三維DAS-VSP生產(chǎn)中,多炮次的高質量生產(chǎn)資料表明了uDAS?的實用性;uDAS?獲取的微測井資料初至連續(xù)穩(wěn)定,具備淺表層結構調查的能力。

uDAS?雖已初步成功應用于油氣勘探領域,但在光纖三分量地震采集、時移DAS-VSP的永置式光纖氫損問題、極端環(huán)境(如超深、超高溫、超高壓)的DAS-VSP采集等方面的難題仍亟需解決。