DAS技術(shù)在井中地震勘探的應(yīng)用

李彥鵬,李 飛,李建國,金其虎,劉聰偉,吳俊軍

(中國石油集團東方地球物理勘探有限責(zé)任公司,河北涿州072751)

1966年,KAO等[1]首次從理論上分析證明了用石英基光導(dǎo)纖維進行長距離光通信的可能性,并提出當(dāng)玻璃纖維衰減率下降到20dB/km時,光纖通訊即可成功。光纖通訊技術(shù)飛速發(fā)展帶動了光纖傳感技術(shù)的進步,分布式光纖聲波傳感技術(shù)(distributed acoustic sensing,DAS)以連續(xù)的光纖本身作為傳感器,利用相位解調(diào)技術(shù)還原傳感光纖感知的外界振動信號。分布式光纖傳感技術(shù)最早應(yīng)用于石油管線溫度、振動監(jiān)測等工程領(lǐng)域,在地震勘探中的應(yīng)用才剛剛興起,還需要通過與常規(guī)檢波器的采集效果對比,驗證其適用性。

在常規(guī)VSP井中地震勘探中,三分量耐高溫、耐高壓磁電式檢波器在井筒中通過機械推靠裝置與地層產(chǎn)生良好的耦合,從而采集到高品質(zhì)的地震記錄[2],但受大陣列常規(guī)檢波器成本高和布設(shè)施工難度大等因素的限制,常規(guī)檢波器在井中地震勘探的應(yīng)用受到了一定的制約,分布式光纖傳感技術(shù)以其低成本、大陣列和可重復(fù)采集等優(yōu)勢更適合進行VSP井中地震勘探[3-5]。近幾年國外石油公司進行了大量的基于DAS的井中地震、地面地震勘探以及微地震監(jiān)測試驗,采集了較好的井中地震記錄[6-10],WEBSTER等[10]和MATEEVA等[11-12]指出DAS在VSP應(yīng)用中最大的優(yōu)點是一次布設(shè)多次重復(fù)觀測;BAKKU[13]對影響DAS采集的因素進行了全面綜合研究;FOLLETT等[14]展示了不同光纜類型的DAS采集試驗結(jié)果,ANDREAS等[15]指出了對光纖冗余長度進行深度校正的必要性,并提出了引入?yún)⒖嘉锢砩疃赛c的光纜實際深度校正的方法,提高了光纜深度校正的精度;HARTOG等[16-17]對DAS系統(tǒng)的線性度進行了相關(guān)研究。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者開展了DAS與常規(guī)檢波器的室內(nèi)測試對比分析工作[18],進行了基于相位敏感原理的DAS光纖井中地震采集[19]、光纖傳感地震波接收對比試驗的初步探索[20],證明DAS初步具備了井中地震勘探的能力。本文描述了基于DAS技術(shù)的光纜布設(shè)與光纖井中地震采集過程,對比了不同光纜布設(shè)方式采集的資料,同時與常規(guī)檢波器采集資料及處理成果進行了對比分析,驗證DAS技術(shù)在井中地震勘探的應(yīng)用效果。

1 分布式光纖傳感技術(shù)的原理

分布式光纖傳感基于激光在光纖中傳播的后向散射效應(yīng),即光在不均勻介質(zhì)中傳播時偏離原來的傳播方向而散開到各個方向的現(xiàn)象。光與介質(zhì)相互作用時,發(fā)生的散射主要有瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射3種。在光纖的散射光中,絕大部分散射成分都與入射光的波長相同,這類散射被稱為彈性瑞利散射。窄線寬激光脈沖在光纖中傳播,光纖的每個位置都會產(chǎn)生后向散射光,傳感光纖的某個位置受外界的振動、聲波、溫度、壓力等作用,對應(yīng)位置的光纖產(chǎn)生應(yīng)變導(dǎo)致折射率或光纖長度發(fā)生改變,從而改變?nèi)鹄⑸涔庑盘柕恼穹拖辔?通過相位解調(diào)技術(shù)即可間接恢復(fù)傳感區(qū)域內(nèi)振動信號的動態(tài)信息。

根據(jù)DAS的原理,光脈沖需要在每個時間采樣間隔內(nèi)完成在傳感光纖中的雙程旅程,即光脈沖傳播到傳感光纖的末端,散射回光再傳回傳感光纖的起始端。激光脈沖信號傳播至傳感光纖的不同位置,不同位置產(chǎn)生的散射回光沿反方向經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器、采集卡完成數(shù)字化,然后在計算模塊中完成相位解調(diào)工作。DAS系統(tǒng)的最大振幅探測能力受系統(tǒng)時間采樣間隔的限制,在單位時間內(nèi)傳感光纖拉伸應(yīng)變變化量越大,所需時間采樣率越高。以10km的采集長度計算,光在光纖中的傳播速度約為2×105km/s,光脈沖需要100μs才能完成在傳感光纖中的雙程傳播,實際探測井深一般不超過10km,100μs的光脈沖間隔時間,即100μs的DAS系統(tǒng)時間采樣間隔基本滿足目前所有井深探測需求。應(yīng)用DAS技術(shù)進行井中地震采集施工時還需要結(jié)合井況提前完成光纜的布設(shè)與安裝,并保證光纜與地層介質(zhì)的良好耦合,地震波傳播過程中不同地層介質(zhì)質(zhì)點的位移會對光纜產(chǎn)生拉伸,導(dǎo)致光信號的相位發(fā)生變化,DAS系統(tǒng)通過相位解調(diào)恢復(fù)地震波波動信息,實踐證明分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于地震勘探是可行的。

2 基于DAS技術(shù)的VSP數(shù)據(jù)采集

基于DAS技術(shù)的井中地震采集首先要實現(xiàn)光纜的成功布設(shè)。光纖的布設(shè)方式分為套管內(nèi)懸置和套管外水泥固井兩種。套管內(nèi)懸置布設(shè)即通過重錘將光纜下放到井中,光纜受重力作用貼在套管壁上,處于井液或泥漿中。套管外水泥固井布設(shè)方式即完鉆后光纜固定在套管外,隨套管一起續(xù)接下井,用水泥固結(jié)在套管與地層之間,光纜與地層直接耦合,耦合效果好于套管內(nèi)懸置;常規(guī)檢波器采集過程中采用機械推靠臂在套管內(nèi)使檢波器與套管壁和地層耦合。DAS光纖一次布設(shè)成功后即可長期進行時移觀測,一次激發(fā)即可完成全井段采集接收工作,而常規(guī)檢波器采集由于級數(shù)限制,一般需要幾次才能完成全井段的采集接收工作,增加了地面激發(fā)次數(shù)和施工成本。套管外固井光纜布設(shè)施工過程中需要在套管接箍位置對光纜進行保護,防止套管接箍變徑位置與井壁對光纜產(chǎn)生擠壓,使光纜中的光纖折斷損壞,造成布設(shè)失敗,目前布設(shè)施工工藝還需持續(xù)改進,以提高套管外固井光纜布設(shè)成功率。

2018年12月在華北油田某井進行了DAS光纖井中地震現(xiàn)場試驗,完成了DAS光纖井中地震與常規(guī)檢波器的對比采集工作,采用0～1800m井段的采集資料進行對比?？煽卣鹪磼呙栝L度為14s,起止頻率為3～88Hz,掃描類型為線性掃描;炸藥震源激發(fā)井深為25m,藥量為6kg;DAS儀器空間采樣間隔為0.85m,時間采樣間隔為1ms。常規(guī)井下檢波器采用Sercel Maxiwave速度型檢波器,空間采樣間隔為20m,時間采樣間隔為1ms。

3 采集資料對比分析

3.1 不同震源激發(fā)、不同布設(shè)方式的DAS采集資料對比

采用可控震源激發(fā),DAS光纖井中地震儀與常規(guī)檢波器兩種采集儀器接收,DAS與常規(guī)檢波器Z分量地震記錄較為一致(圖1),下行直達波與上行反射波波組形態(tài)符合實際規(guī)律,常規(guī)檢波器受套管內(nèi)井筒波的干擾較為嚴(yán)重,套管外固井光纖由于采用水泥固結(jié)在套管外與地層之間,受井筒內(nèi)因素的干擾較弱,這也是利用固井光纖進行井中地震采集的一大優(yōu)勢。

圖1 可控震源激發(fā)DAS采集記錄(a)與常規(guī)檢波器Z分量采集記錄(b)

采用固井光纖接收,采集到可控震源與炸藥震源不同激發(fā)條件下的地震記錄如圖2所示,下行直達波走時一致,上行反射波相對吻合,可控震源采用35次掃描疊加,炸藥震源激發(fā)藥量為6kg,炸藥震源激發(fā)采集資料信噪比相對較高,可控震源施工較為方便,通過多臺組合多次激發(fā)可以有效提高采集資料信噪比。此外,由于兩種激發(fā)源的激發(fā)條件存在一定差異,兩個記錄中的子波形態(tài)也有一定差異。

圖2 可控震源激發(fā)(a)與炸藥震源激發(fā)(b)的DAS采集記錄

不同光纜布設(shè)方式采集到的記錄差異較大,套管內(nèi)懸置布設(shè)光纜是采用重錘自身的重力將光纜下放到井里,自由懸置在井液或泥漿中,類似測井檢波器下井過程。假設(shè)套管垂直向下,光纜在井中受重力作用將貼在套管壁上,實際鉆井過程并不能保證套管絕對垂直,造成部分井段光纜沒有緊靠在套管壁上,當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑ブ吝@部分井段時,沒有貼壁的光纜會在兩個貼壁點之間來回振蕩,形成電纜耦合諧振干擾[2]。在進行零井源距觀測時,套管中布設(shè)光纜也容易受井筒波干擾,而固井光纜接收記錄受井筒內(nèi)因素的干擾較弱(圖3)。

3.2 常規(guī)檢波器與DAS采集的振幅、頻譜和波形對比

采用可控震源激發(fā),DAS和常規(guī)檢波器Z分量采集到的直達P波歸一化振幅衰減曲線如圖4和圖5(RMS振幅取log10)所示,可以看出,在不同深度位置兩者的振幅衰減規(guī)律有很好的一致性,在淺層200m以內(nèi)二者差異較大,這主要是由于零井源距淺層不同深度位置直達P波入射角度較大,而DAS與常規(guī)檢波器Z分量對大入射角度的直達P波振幅響應(yīng)原理不同。理論上常規(guī)檢波器對直達波的振幅響應(yīng)與入射角的余弦成正比,而DAS對直達波的振幅響應(yīng)與入射角余弦的平方成正比[13]。DAS采集共接收點記錄直達波振幅隨入射角變化曲線如圖6所示，入射角根據(jù)速度模型射線追蹤得到,藍(lán)色圓圈為DAS采集的經(jīng)過球面擴散補償處理的直達波波峰振幅,紅色曲線為常規(guī)檢波器Z分量對應(yīng)不同入射角度的理論振幅響應(yīng),綠色曲線為DAS沿著光纖軸向?qū)?yīng)不同入射角度的理論振幅響應(yīng)[13]。隨著偏移距的變大,DAS記錄的直達波沿光纖軸向的振幅響應(yīng)相對理論的cos2θ衰減更快,入射角大于50° 時直達波振幅相對垂直入射時衰減到了1/10。實際上,DAS沿著光纖軸向?qū)?yīng)不同入射角度的振幅響應(yīng)還會受光纖成纜結(jié)構(gòu)和光纜布設(shè)方式等條件的影響[13]。

不同布設(shè)方式的光纜與地層的耦合條件不同,以零井源距炸藥震源激發(fā)為例,套管外水泥固井布設(shè)與套管內(nèi)懸置不同布設(shè)方式DAS采集直達P波真振幅對比如圖7所示,紅色曲線為光纖在套管外水泥固結(jié)的結(jié)果,與地層耦合良好,藍(lán)色曲線為光纖在套管內(nèi)井液泥漿懸置布設(shè)的結(jié)果,兩種布設(shè)方式的光纖采集的記錄在500m以下深度顯示出較為一致的衰減規(guī)律,套管內(nèi)布設(shè)光纜在淺層段沒有響應(yīng)到較大級別的振幅,這是由于光纜與地層耦合較差引起的,振幅曲線的抖動是由于井筒內(nèi)噪聲干擾和曲線平滑處理引起的。可控震源激發(fā)時DAS與常規(guī)檢波器Z分量單炮記錄頻譜曲線如圖8所示,二者頻寬與可控震源掃描起止頻率基本一致,-30dB以上功率譜曲線顯示DAS相對常規(guī)檢波器Z分量頻寬相當(dāng),不同頻率成分相對衰減趨勢較為一致。

圖3 炸藥震源激發(fā)套管內(nèi)(a)和套管外(b)布設(shè)光纖接收的采集記錄

圖4 可控震源DAS光纖井中地震采集數(shù)據(jù)與常規(guī)檢波器Z分量振幅衰減曲線

圖5 可控震源DAS光纖井中地震采集數(shù)據(jù)與常規(guī)檢波器Z分量振幅衰減曲線(RMS振幅取log10)

圖6 不同入射角直達波振幅響應(yīng)

圖7 套管外、套管內(nèi)DAS采集直達波振幅

圖8 可控震源激發(fā)DAS與常規(guī)檢波器Z分量采集頻譜

DAS測量的物理量是在標(biāo)準(zhǔn)長度光纖內(nèi)的平均軸向應(yīng)變或應(yīng)變率[13]。DAS采集到的波形反映了沿光纖方向的應(yīng)變拉伸,同時也受單位解調(diào)空間長度內(nèi)平均效應(yīng)的影響[16];常規(guī)檢波器則反映對應(yīng)介質(zhì)質(zhì)點位移的速度或加速度?？煽卣鹪醇ぐl(fā)時DAS與常規(guī)檢波器在500m同一深度位置記錄的直達P波波形曲線對比如圖9所示,與掃描信號相關(guān)后的記錄經(jīng)過了歸一化處理,在起跳和波谷位置兩者顯示出較好的一致性,波峰幅度和后續(xù)波形差異較大,這可能是常規(guī)磁電式檢波器彈簧的彈性勢能與質(zhì)量塊的慣性等綜合影響。采用炸藥震源激發(fā)DAS與常規(guī)檢波器在1000m同一深度位置記錄的直達P波波形記錄對比如圖10所示,經(jīng)過歸一化處理后,二者同樣在起跳和波谷位置都顯示出較好的一致性,與可控震源不同,炸藥震源為脈沖源脹縮波,由于在一定埋藏深度激發(fā),會產(chǎn)生復(fù)雜的近地表鳴振干擾,續(xù)至波形較為復(fù)雜。

圖9 可控震源激發(fā)常規(guī)檢波器Z分量與DAS記錄的直達P波波形

圖10 炸藥震源激發(fā)常規(guī)檢波器Z分量與DAS記錄的直達P波波形

4 效果分析

以炸藥震源激發(fā)為例,分別對常規(guī)檢波器和DAS采集的零井源距資料進行波場分離,得到上行波場,然后分別對上行波進行零井源距NMO拉平處理得到上行波剖面和走廊疊加剖面(圖11),不同采集資料經(jīng)處理后在走廊剖面上顯示出相對較好的一致性,在NMO剖面上存在一定差異。常規(guī)檢波器是由不同炮點激發(fā)不同組檢波器采集的,不同炮點激發(fā)條件不一致導(dǎo)致子波存在一定差異,另外常規(guī)檢波器原始記錄中存在較強的井筒波干擾,去除井筒波的過程中對同相軸連續(xù)性造成了影響。而DAS采集記錄是由同一個炮點一次激發(fā)DAS光纖全排列采集,激發(fā)條件完全一致,同時由于采集光纖用水泥固結(jié)在套管外與地層耦合良好,套管內(nèi)的井筒波對其影響相對有限。

圖11 炸藥震源激發(fā)常規(guī)檢波器Z分量NMO剖面與走廊(a)及DAS記錄NMO剖面與走廊(b)

5 結(jié)束語

本文對比了可控震源激發(fā)條件下DAS與常規(guī)檢波器采集的地震記錄,可控震源與炸藥震源不同激發(fā)條件下、套管內(nèi)懸置與套管外固井不同光纜布設(shè)方式采集資料,分析了DAS與常規(guī)檢波器Z分量的振幅衰減規(guī)律和頻譜波形特征、以及常規(guī)井中地震檢波器與DAS采集地震記錄的處理結(jié)果,主要有以下幾點認(rèn)識:

1) DAS采集到的沿光纖方向記錄與常規(guī)檢波器Z分量記錄在振幅衰減規(guī)律、記錄頻譜和子波形態(tài)方面均顯示出了較好的一致性,存在的差異主要是由于DAS與磁電式檢波器工作原理不完全相同所致;

2) 隨著偏移距的增大,直達波入射角隨之增大,DAS直達波振幅響應(yīng)衰減較快,設(shè)計DAS采集觀測系統(tǒng)時應(yīng)該考慮偏移距的影響;

3) 套管外固井布設(shè)光纜采集資料質(zhì)量優(yōu)于套管內(nèi)懸置布設(shè),減少了井筒波的干擾,同時也避免了由于光纜與井壁的耦合條件較差形成的電纜諧振干擾,套管內(nèi)布設(shè)光纜的主要優(yōu)勢在于施工便捷、適用多種井況條件;

4) 當(dāng)采用可控震源激發(fā)時,震源激發(fā)的一致性好,可以采用多次激發(fā)多炮垂直疊加來提高地震記錄的信噪比;

5) 常規(guī)檢波器由于級數(shù)限制,需要多次激發(fā)分井段接收才能完成采集工作,而DAS一次激發(fā)即可完成全井段的接收,在實際生產(chǎn)中能有效地提高生產(chǎn)效率,減少地面激發(fā)次數(shù)以降低施工成本。

分布式光纖傳感技術(shù)以其自身的諸多優(yōu)勢在地震勘探領(lǐng)域正得到越來越廣泛的重視,但在實施過程中還有很多具體工程問題需要解決,如套管外固井光纜在深井中的布設(shè),套管內(nèi)光纜與井壁和地層的耦合問題,隨著技術(shù)的不斷進步其實際應(yīng)用將擴展到微地震監(jiān)測和長期儲層動態(tài)監(jiān)測等更多領(lǐng)域。