光纖分布式地震波探測(cè)系統(tǒng)及其布設(shè)優(yōu)化研究

杜青臣， 王晨， 尚盈， 劉小會(huì)， 趙慶超， 曹冰， 趙文安， 倪家升， 王昌

(山東省光纖傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250014)

光纖分布式地震波探測(cè)系統(tǒng)及其布設(shè)優(yōu)化研究

杜青臣， 王晨*， 尚盈， 劉小會(huì)， 趙慶超， 曹冰， 趙文安， 倪家升， 王昌

(山東省光纖傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250014)

應(yīng)用光纖分布式聲波檢測(cè)與干涉探測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種用于油氣勘探開發(fā)的光纖分布式地震波探測(cè)系統(tǒng)，并在埋地布設(shè)的基礎(chǔ)上提出光纜附加尾椎的布設(shè)優(yōu)化方案。野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠完整探測(cè)到地震波沿光纜的分布情況，波形特性與傳統(tǒng)電子動(dòng)圈傳感器相似，埋地式布設(shè)最遠(yuǎn)探測(cè)距離20 m，尾椎式布設(shè)最遠(yuǎn)探測(cè)距離10 m，該研究為系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供了必要的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

分布式光纖傳感；地震波探測(cè)；相位敏感光時(shí)域反射技術(shù)；干涉技術(shù)

Abstract∶In this paper, a new type of distributed fiber seismic wave detection system for oil and gas exploration was designed. And based on buried layout mode, the advanced practical layout optimization scheme of adding caudal vertebrae to optical cable was put forward. Field test results showed that the system could completely detect the distribution of seismic waves along the cable and the waveform characteristics were similar to those of traditional electronic dynamic sensors. The buried layout mode has the maximum detection distance of up to 20 m and the maximum distance of the caudal vertebral layout mode can reach 10 m. The research provides necessary theoretical and technical support for the extensive application and transformation of the new system.

Key words∶distributed fiber sensing； seismic wave detection；phase sensitive optical time domain reflectometry； interferometry

石油是重要的戰(zhàn)略物資，被稱為工業(yè)的血液，對(duì)交通、國(guó)防、化工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域都起著舉足輕重的作用。地震勘探是目前應(yīng)用最廣泛、最有效的油氣資源勘探手段，即利用人工方法向地層發(fā)出強(qiáng)大的低頻聲波，聲波遇到不同的地層界面產(chǎn)生反射，通過布設(shè)在各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)上的檢波器采集聲波信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理后形成地震資料，再同其他地質(zhì)資料相結(jié)合，能夠?qū)τ筒剡M(jìn)行詳細(xì)描述和監(jiān)測(cè)。因而，地震檢波器是實(shí)現(xiàn)地層反射聲波采集的核心設(shè)備，也是油氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備。目前，我國(guó)生產(chǎn)的地震勘探設(shè)備多采用國(guó)產(chǎn)的電子傳感器，在精度、可靠性等方面無法滿足需求，高精度地震勘探儀器設(shè)備全部依賴進(jìn)口，且存在技術(shù)封鎖和價(jià)格壟斷，油氣勘探設(shè)備的嚴(yán)重缺乏和生產(chǎn)技術(shù)相對(duì)落后，已成為我國(guó)油氣勘探開發(fā)的重要限制因素。

1 光纖分布式地震波探測(cè)技術(shù)原理

地震波實(shí)際上是壓力波，聲場(chǎng)中的光纖受到壓力的作用會(huì)造成折射率變化進(jìn)而導(dǎo)致光纖內(nèi)光相位變化。當(dāng)一束光沿光纖軸向傳播L長(zhǎng)的距離后，光波相位φ為：

(1)

式中，nf為光纖中的折射率，λ為入射光波長(zhǎng)。當(dāng)光纖受到壓力作用時(shí)使傳播光的相位變化：

(2)

由光纖的彈光效應(yīng)所引起的折射率的變化可表示為：

(3)

式中，Δβm為逆介電張量的變化，pmn為彈光系數(shù)矩陣分量，Sn為光纖的應(yīng)變分量。當(dāng)光纖受到聲壓P作用時(shí)，光纖各方向的應(yīng)變可表示為：

S1=S2=-(1-μ)P/E,S3=2μP/E，

(4)

(5)

由于光沿軸向傳播，所以折射率變化Δnf=Δn1=Δn2。又因?yàn)楣饫w的軸向應(yīng)變?yōu)镾3=2μP/E，則光纖長(zhǎng)度變化ΔL=2 L μ P/E，因此得到：

選取2014年5月～2015年10月醫(yī)院收治的心內(nèi)科老年患者100例作為研究對(duì)象。其中，男60例，女40例，年齡60～83歲，平均年齡（68.26±3.98）歲。除此之外需要確定選取的100名老年患者在入院時(shí)均經(jīng)過臨床檢查別確診為心內(nèi)科病癥。

(6)

對(duì)于石英光纖，p11=0.13，p12=0.28，n=1.46，E=7.2×1010N/m2，μ=0.17，λ=1 550nm，則單位長(zhǎng)度光纖相位變化ΔφL與聲壓P的響應(yīng)關(guān)系為：

(7)

所以，測(cè)量光纖中某一位置的相位變化，就可以測(cè)量此位置接受到的外界的地震波信號(hào)。

為了測(cè)量探測(cè)光纖中每一個(gè)位置的相位變化，本文采用的光纖分布式地震波探測(cè)技術(shù)主要基于相位敏感光時(shí)域反射技術(shù)(φ-OTDR)，這里我們采用描述光纖背向瑞利散射的一維脈沖響應(yīng)模型來描述整個(gè)系統(tǒng)波形的特性，將長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖分成N個(gè)散射單元，Δl=L/N是散射單元的長(zhǎng)度，定義τ0=2nfΔl/c為單位散射時(shí)間。如圖1所示，當(dāng)有一束頻率為f、脈沖寬度為ω的高相干脈沖光E0cos(2πft)rect(t/w)從l=0處入射到光纖上，則在光纖輸入端獲得的背向瑞利散射信號(hào)振幅可表示為：

(8)

式中，α是光纖衰減常數(shù)，c是真空中光速，nf是光纖折射率，并且當(dāng)0≤[(t-τm)/w]≤1時(shí)矩形函數(shù)rect[(t-τm)/w]=1，其他情況rect[(t-τm)/w]=0。τm是光纖任意第m個(gè)散射點(diǎn)的時(shí)間延遲，其與從輸入端到光纖任意第m個(gè)散射點(diǎn)的光纖長(zhǎng)度lm的關(guān)系為：

(9)

這樣光纖上某一點(diǎn)的地震信息便由對(duì)應(yīng)某時(shí)刻的背向瑞利散射光信號(hào)來描述，散射光的變化就能反應(yīng)出此點(diǎn)上的地震信息所包含的內(nèi)容。

圖1 任意點(diǎn)的瑞利散射光Fig.1 Rayleigh backscattering at any certain point on the fiber

當(dāng)背向散射光回到環(huán)行器時(shí)，由于環(huán)行器的作用將發(fā)生干涉，此時(shí)的光強(qiáng)可表示為：

(10)

相對(duì)相位φij=4πfnfΔl(j-i)/c。

之后，將已經(jīng)干涉過一次的背向散射光輸入干涉儀臂長(zhǎng)差為s的麥克爾遜干涉儀，則會(huì)發(fā)生第二次干涉，如圖2所示，由干涉儀引入的延時(shí)τs=2nfs/c，則延時(shí)信號(hào)振幅可表示為：

(11)

第二次干涉與入射脈沖寬度是無關(guān)的，此時(shí)延時(shí)信號(hào)的時(shí)序與入射背向散射光信號(hào)一一對(duì)應(yīng)，滿足n=m+s，因此經(jīng)過干涉儀后所接收到的自、互干涉光強(qiáng)可表示為：

(12)

式中，相對(duì)相位φmns=4πfnfΔl(n-m)/c+4πfnfs/c。

圖2 背向瑞利散射光二次干涉的示意圖Fig.2 Schematic diagram of the secondary interference of Rayleigh backscattering

綜上所述，外部地震源造成了光纖上某些位置的后向散射光相對(duì)相位變化，通過相位敏感光時(shí)域反射技術(shù)和干涉探測(cè)技術(shù)解調(diào)相對(duì)相位的變化曲線, 就可以得到震源的位置、頻率、強(qiáng)度等信息。

2 現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)方案及測(cè)試結(jié)果

2.1現(xiàn)場(chǎng)光纜布設(shè)方案

光纖分布式地震波探測(cè)系統(tǒng)采用超窄線寬分布反饋式激光器，輸出的高相干連續(xù)光波長(zhǎng)為1 550 nm，聲光調(diào)制器斬波重復(fù)頻率為20 kHz、脈沖寬度為200 ns，采用高速示波器采集到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采樣頻率100 MHz。

對(duì)于光纖分布式地震波探測(cè)系統(tǒng)來說，使用光纖光纜測(cè)量地面以下的地震波信號(hào)，將光纜直接沿某一方向埋入地下是最直接的布設(shè)方式。但在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，待測(cè)地域環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)條件不一，有時(shí)需跨越村莊、農(nóng)田、道路等不能挖掘的區(qū)域。因此我們提出了另一種光纜附加尾椎的布放方式，尾椎設(shè)計(jì)如圖3所示，錐長(zhǎng)10 cm，能緊密夾緊光纜使得地震波可以通過尾椎傳遞到光纜上。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)示意圖如圖4所示，系統(tǒng)光纜有效使用長(zhǎng)度110 m，本次實(shí)驗(yàn)前10 m為埋地區(qū)，埋地深度10 cm，后100 m為尾椎陣區(qū)，尾椎間隔5 m，埋地與尾椎均緊密壓實(shí)地面保證采集效果，光纜布設(shè)方式如圖5所示。震源采用等高落槌方式，聲源與傳感光纜的垂直距離為L(zhǎng)，對(duì)比用電子動(dòng)圈傳感器放置于震源與傳感光纜的垂直交界處。

圖3 尾椎結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of the caudal vertebrae

圖4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.4 Diagram of field test

圖5 光纜布設(shè)方式Fig.5 Buried layout mode and caudal vertebral layout mode

2.2測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)首先選擇在圖4(1)處垂直距離埋地區(qū)光纜L處放置聲源，L分別選取了10 m和20 m，然后在圖4(2)處垂直距離尾椎L處放置聲源，L同樣分別選取了10 m和20 m，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到系統(tǒng)與電子動(dòng)圈傳感器采集信號(hào)的對(duì)比結(jié)果。

對(duì)于埋地區(qū)，當(dāng)L=10 m時(shí)，系統(tǒng)采集到此次震源信號(hào)及其隨時(shí)間的變化，可見系統(tǒng)能明顯測(cè)到震源信號(hào)，由于震源距離探測(cè)光纜較近，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ竭_(dá)探測(cè)光纜時(shí)，系統(tǒng)測(cè)量到寬度為10 m，并在纜上有隨時(shí)間擴(kuò)散的現(xiàn)象。此時(shí)時(shí)域、頻域?qū)Ρ葓D(圖6)中，系統(tǒng)測(cè)到的震源信號(hào)波形與動(dòng)圈檢波器有較大區(qū)別，25 ～80 Hz信號(hào)相差達(dá)30 dB，考慮是由于10 m時(shí)震源離光纜過近，使得系統(tǒng)在空間分辨率以下出現(xiàn)多波疊加，造成信號(hào)變形。

圖6 L=10 m時(shí)埋地區(qū)與動(dòng)圈時(shí)域、頻域數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.6 Time and frequency comparison between buried layout mode and moving coil at L=10 m

當(dāng)L=20 m時(shí)，系統(tǒng)采集到此次震源信號(hào)及其隨時(shí)間的變化，可見系統(tǒng)仍能測(cè)到震源信號(hào)，但由于震源距離探測(cè)光纜較遠(yuǎn)，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ竭_(dá)探測(cè)光纜時(shí)，系統(tǒng)測(cè)量到寬度已經(jīng)擴(kuò)散到20 m，且纜上分布和隨時(shí)間擴(kuò)散現(xiàn)象不明顯。此時(shí)時(shí)域、頻域?qū)Ρ葓D(圖7)中，系統(tǒng)測(cè)到的震源信號(hào)波形與動(dòng)圈檢波器非常相似。另外，我們還計(jì)算了埋地區(qū)系統(tǒng)靈敏度，由于本系統(tǒng)與動(dòng)圈傳感器具有相同的線性響應(yīng)，因而可以直接通過動(dòng)圈傳感器靈敏度換算系統(tǒng)靈敏度。這里使用的動(dòng)圈傳感器靈敏度為22.8 V·s/m，按20 m測(cè)的震幅比率算得埋地區(qū)系統(tǒng)靈敏度為46.4 rad·s/m。

圖7 L=20 m時(shí)埋地區(qū)與動(dòng)圈時(shí)域、頻域數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.7 Time and frequency comparison between buried layout mode and moving coil at L=20 m

對(duì)于尾椎區(qū)，當(dāng)L=10 m時(shí)，系統(tǒng)采集到此次震源信號(hào)及其隨時(shí)間的變化，可見系統(tǒng)能明顯在錐點(diǎn)位置測(cè)到震源信號(hào)，探測(cè)震源寬度7 m，但沒有在纜上出現(xiàn)連續(xù)的分布和隨時(shí)間擴(kuò)散的現(xiàn)象，地震波擴(kuò)散后再次探測(cè)出現(xiàn)在相鄰尾椎的位置，這是由于只有尾椎所夾光纜接收到了地震波信號(hào)。時(shí)域、頻域?qū)Ρ葓D(圖8)中，系統(tǒng)測(cè)到的震源信號(hào)波形與動(dòng)圈檢波器非常相似，頻域信噪比也與動(dòng)圈檢波器相似，0～25 Hz、80 ～120 Hz以及170 Hz以上頻域區(qū)間均比動(dòng)圈檢波器測(cè)量高20 dB以上，但50 ～80 Hz頻域區(qū)間不如動(dòng)圈檢波器，證明系統(tǒng)與動(dòng)圈檢波器相比探測(cè)成分更豐富。同樣計(jì)算尾椎區(qū)靈敏度，按10 m測(cè)的震幅比率計(jì)算，得到尾椎區(qū)靈敏度為22.6 rad s/m，弱于埋地區(qū)系統(tǒng)靈敏度。

圖8 L=10 m時(shí)尾椎區(qū)與動(dòng)圈時(shí)域、頻域數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.8 Time and frequency comparison between caudal vertebral layout mode and moving coil at L=10 m

當(dāng)L=20 m時(shí)，系統(tǒng)已不能在錐點(diǎn)位置測(cè)到震源信號(hào)，考慮是由于系統(tǒng)靈敏度和耦合程度不足造成的。

綜上所述，系統(tǒng)能夠完整探測(cè)到地震波沿光纜的分布情況，波形特性與單點(diǎn)式電子動(dòng)圈檢波器相比，埋地式布設(shè)可收集到更大范圍的聲波信號(hào)，而尾椎式布設(shè)方案在解調(diào)后聲波波形特性方面更具優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)語

本文綜合應(yīng)用光纖分布式聲波檢測(cè)與干涉探測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型光纖分布式地震波探測(cè)系統(tǒng)，并在野外現(xiàn)場(chǎng)埋地式布設(shè)的基礎(chǔ)上提出了光纜附加尾椎式布設(shè)的優(yōu)化方案，系統(tǒng)在兩種布設(shè)方式下均能夠完整測(cè)到地震波沿光纜的分布情況，波形特性與傳統(tǒng)電子動(dòng)圈傳感器相似。埋地式布設(shè)最遠(yuǎn)探測(cè)距離達(dá)20 m，靈敏度為46.4 rad·s/m；尾椎式布設(shè)最遠(yuǎn)探測(cè)距離10 m，靈敏度為22.6 rad·s/m，弱于埋地區(qū)系統(tǒng)靈敏度。系統(tǒng)與傳統(tǒng)電子動(dòng)圈傳感器相比，具有測(cè)量范圍大、頻帶寬、不受電磁場(chǎng)干擾等優(yōu)點(diǎn)，而光纜附加尾椎式布設(shè)的優(yōu)化方案也具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布放方便、易于施工等優(yōu)勢(shì)。

然而在實(shí)驗(yàn)過程中，由于系統(tǒng)本身對(duì)環(huán)境比較敏感、易受外界噪聲干擾，同步采集產(chǎn)生一定程度的時(shí)延，使解調(diào)后的波形發(fā)生嚴(yán)重的抖動(dòng)，且靈敏度還有提升的空間，相較于傳統(tǒng)電子動(dòng)圈傳感器還沒有體現(xiàn)出光纖傳感技術(shù)明顯的優(yōu)勢(shì)。野外實(shí)驗(yàn)環(huán)境也與真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)施工條件有較大差距，優(yōu)化的光纜附加尾椎式布設(shè)方案還需經(jīng)過實(shí)地的檢驗(yàn)，這都是今后著力改進(jìn)和研究的方向。

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Study on distributed fiber seismic wave detection system and its layout optimization

DU Qing-chen, WANG Chen*, SHANG Ying, LIU Xiao-hui,ZHAO Qing-chao, CAO Bing,ZHAO Wen-an, NI Jia-sheng, WANG Chang

(Shandong Provincial Key Laboratory of Optical Fiber Sensing Technologies, Laser Institute ， Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China)

TP212.9

A

1002-4026(2017)05-0055-07

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.05.010

2017-05-31

山東省科技發(fā)展計(jì)劃(2014GGX103019，2014GGX103005)

杜青臣(1960—)，男，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)楣饫w地震檢波傳感。

*通信作者。E-mail：wangchen@sdlaser.cn