分布式光纖聲波地震波勘探技術

王昌，尚盈，王晨,王英英,劉小會

(1.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)，山東 濟南 250014；2.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)山東省科學院激光研究所，山東 濟南 250014)

石油天然氣是我國重要的戰(zhàn)略資源，是國家經濟發(fā)展的命脈和國計民生的重要支柱。近年來中國石油對外依賴度逼近70%，嚴重超過了國際警戒線(50%)，已成為制約經濟、社會發(fā)展的主要瓶頸之一，迫切需要加大國內油氣資源勘探開發(fā)力度[1]。在石油天然氣勘探中，地震勘探是地球物理勘探最重要的方法。其原理是由人工制造強烈的震動，所引起的彈性波在巖石中傳播時，當遇著巖層的分界圖面，便產生反射波或折射波，在其返回地面時用高靈敏的儀器記錄下來，根據波的傳播路線和時間，確定發(fā)生反射波或折射波的巖層界面的埋藏深度和形狀，認識地下地質構造，以尋找油氣圈閉[2-3]。

常規(guī)的國產地震傳感器，例如動圈傳感器[5]、壓電傳感器[6]和MEMS傳感器[7]由電子組件制成，容易受到電磁干擾，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備目前全部依賴進口，且存在技術封鎖和價格壟斷。光纖傳感器具有動態(tài)范圍大、靈敏度高、多路復用的可行性高、抗電磁干擾能力強的特點[8-9]。分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)(distributed acoustic sensing，DAS)[10-11]是目前最先進的光纖聲波檢測技術，使用光纜作為傳感器來檢測聲音信號，通過檢測光纖中瑞利反向散射的變化來檢測光纜上幾乎任何點的聲音信息。 光纜不僅用作信號傳輸介質，而且還用作傳感器介質，普通的通信光纖無需任何處理即可實現(xiàn)此功能。相比較其他地震檢波器，DAS具有結構簡單，易于布設，性價比高，能實現(xiàn)大范圍、高精度測量等獨特優(yōu)勢，是現(xiàn)有油氣資源勘探中最有應用前景的技術。

1 DAS測試原理

1.1 相位調制原理

當一束光沿光纖軸向傳播長度L的距離后，光波相位Φ為：

Φ=βL,

(1)

式(1)中，β為傳播常數(shù)，如光纖中的折射率為nf，光的波長為λ，那么β=2nfπ/λ。當光纖受到聲波壓力作用，傳播光的相位變化為[12]：

(2)

式(2)中，第一項為因光纖折射率改變的相位變化，第二項為因光纖長度改變的相位變化。

當擾動信號為聲波信號，且聲波信號作用在光纖上，聲波實際上是壓力波，聲場中的光纖受到壓力作用，將會改變光纖的折射率、直徑以及長度大小，進而改變光纖中的光波相位：

(3)

由式(3)可以得出，光纖受到聲波壓力P作用時，光波相位發(fā)生變化ΔΦ，從而實現(xiàn)了聲波信號P到光波相位變化ΔΦ的調制。

1.2 瑞利散射檢測原理

光纖在拉制的過程中，熱擾動造成光纖壓縮性的不均勻或壓縮性的起伏，從而使得傳輸介質的折射率不均勻。這種不均勻性或起伏在冷卻過程中被固定下來，并且這種不均勻結構的尺寸遠小于入射光波長。傳輸介質折射率的不均勻，導致光在光纖中傳輸時發(fā)生瑞利散射。此外，光纖中含有多種氧化物，氧化物濃度的不均勻或起伏也會造成傳輸介質折射率的不均勻，這也會產生瑞利散射。瑞利散射在整個介質空間都有功率分布，存在沿光纖軸向向前或向后的散射，沿軸向向后的散射光稱為背向瑞利散射。光纖背向瑞利散射光的能量非常微弱，大約只有入射光能量的十萬分之一，同時背向瑞利散射光只改變光在光纖中的傳輸方向，不改變光在光纖中的傳輸頻率以及偏振特性等，因而背向瑞利散射光的偏振方向與頻率和入射光在這一散射點的偏振方向與頻率是完全相同的[13]。

如圖1所示，當有一束脈沖寬度為Δt(對應光纖上傳播距離為l，即ωΔt=βl，β為光在光纖中傳播常數(shù))的脈沖光E0ej(ωt-βx)(0≤(ωt-βx) ≤βl)從x=0處入射到光纖上時，光到達光纖任意點xi的時間ti為

吐哈油田采出水處理后回注量占油田總注水的72.33%。管道輸送處理后的油田采出污水，不可避免地產生結垢問題，管道結垢不但會加速管道腐蝕，而且加大了管道沿程摩阻系數(shù)，導致系統(tǒng)壓力損失較大，注水系統(tǒng)單耗上升。如雁木西聯(lián)合站到雁20配水間φ114×13的配水支干線，管線長度3738 m，起點壓力為23.8 MPa，沿程壓降達1.8 MPa，理論計算壓力損失不應大于0.08 MPa。建議采取污水處理裝置，提高注水的水質質量，或者在介質中加入防腐劑，減少管線結構和腐蝕。

圖1 任意點的散射光Fig.1 Scattered light at any point

(4)

xi點的后向散射光可表示為：

F(xi)E0ej[ω(t-ti)+β(x-xi)]，(0≤ω(t-ti)+β(x-xi) ≤βl)

,

(5)

式(5)中，F(xiàn)(xi)表示xi點的散射幅度和相位因子。光纖上各點的后向散射光返回到x=0處的時間不一致，在某一時刻，只有一部分點的散射光返回到x=0處，并疊加形成該時刻光纖上總的散射光，如圖2所示。在t=2βxi/ω時刻，只有xi-l/2至xi(長度為l/2)的光纖上的點的散射光返回到x=0處。

圖2 x=0處某一時刻的散射光Fig.2 Scattered light at a certain moment at x=0

在不同時刻，光纖反射回的散射光是由不同位置的散射光疊加而成。當將光纖置于聲場中，受到聲波的交替作用，其折射率和應變隨之變化，相位差也隨時間變化。因此，可以采用光纖干涉儀檢測光纖上不同時刻散射光的相位差，實現(xiàn)光纖上的聲場分布檢測。

2 DAS系統(tǒng)設計

DAS系統(tǒng)原理圖如圖3所示，主要由窄線寬激光器、聲光調制器(AOM)、脈沖光功率放大器(EDFA)、環(huán)形器以及相位匹配干涉儀組成。窄線寬激光器發(fā)出線寬小于10 kHz，功率為10 mW、波長為1 550.12 nm的激光，注入到聲光調制器，調制為重復頻率為f，脈寬為W的脈沖光序列，經過第一光放大器的功率放大，脈沖峰值功率為幾百毫瓦，經過帶寬為0.08 nm的超窄帶第一光濾波器，濾除光放大器的ASE噪聲，經過第一環(huán)形器注入到長度為L的傳感光纖(L≤c/2fnf)；后向瑞利散射信號返回到第一環(huán)形器處，進入到第二光放大器和超窄帶寬帶第二光濾波器進行瑞利散射信號的放大與ASE噪聲信號的濾除，經過處理后的后向瑞利散射信號進入到第二環(huán)形器，沿著端口C23端進入到一個隔聲隔震相位匹配干涉儀，調節(jié)相位匹配干涉儀的臂長差可以調整不同長度范圍內的后向瑞利散射信號的空間差分干涉，經過空間差分干涉后的瑞利散射信號分別由第一、第二、第三光電探測器轉換為電信號，進入到相位解調系統(tǒng)進行相位解調運算。

圖3 DAS系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic of DAS system

3 DAS實驗結果

3.1 空間分辨率測試

空間分辨率定義為當系統(tǒng)同時出現(xiàn)兩個事件，能夠區(qū)分辨別出兩個事件之間的最近距離。DAS系統(tǒng)的空間分辨率由OTDR系統(tǒng)理論分辨率和DAS系統(tǒng)的相位匹配干涉儀的臂長差共同決定。

OTDR系統(tǒng)的理論分辨率為SR：

(6)

式(6)中，W是脈沖光的脈寬，c是光速，nf是光纖折射率。

DAS系統(tǒng)的實際空間分辨率SA的表達式為：

(7)

DAS系統(tǒng)的空間分辨率測試實驗裝置如圖4所示，DAS系統(tǒng)的脈沖寬度為50 ns，相位匹配干涉儀的臂長差S=5 m，在光纖長度約為210 m和220 m處分別纏制PZT組成約為1 m長度的相位拉伸器，兩個PZT之間連接光纖長度約為10 m，信號發(fā)生器產生兩個不同頻率的正弦信號分別驅動PZT產生相位變化，DAS系統(tǒng)采集解調拉伸器信號。三維解調結果如圖5所示，x軸為距離，y軸為時間，z軸為解調相位，在200 m處有明顯的相位變化信息。圖6是距離200 ～225 m放大后的相位信息圖，圖中兩個拉伸器的相位信息長度約為10 m，并且兩個PZT之間連接的10 m光纖正好將兩個不同頻率的相位信號分辨開來，兩個不同頻率的相位時域信號如圖7所示。

圖4 DAS系統(tǒng)空間分辨率測試實驗裝置Fig.4 DAS system spatial resolution test experiment device

圖5 DAS系統(tǒng)解調結果三維圖Fig.5 3D diagram of demodulation result of DAS system

圖6 相位信號放大圖Fig.6 Phase signal magnification diagram

圖7 相位時域圖Fig.7 Phase diagram of time domain

測試結果表明，DAS系統(tǒng)在脈沖寬度為50 ns，相位匹配干涉儀的臂長差S=5 m的情況下，空間分辨率SA=10 m。

3.2 DAS系統(tǒng)靈敏度測試

DAS系統(tǒng)靈敏度Sp表達式由式(3)推出：

。

(8)

DAS系統(tǒng)靈敏度測試裝置如圖8所示，由信號發(fā)生器驅動水下?lián)P聲器發(fā)出聲波信號，距離水下?lián)P聲器5 cm處放置光纖環(huán)，作為聲波傳感器，DAS系統(tǒng)解調光纖環(huán)處的聲波信號，標準壓電水聽器放置在光纖環(huán)位置處，測試聲壓值作為基準值。

圖8 DAS系統(tǒng)靈敏測試實驗裝置Fig.8 DAS system sensitivity test experiment device

信號發(fā)生器發(fā)出不同幅值的120 Hz的正弦信號驅動水下?lián)P聲器，壓電水聽器作為標準水聽器記錄聲壓值，壓電水聽器的靈敏度為500 Pa/V。DAS實驗數(shù)據如表1所示，DAS解調弧度與聲壓的關系圖如圖9所示，關系表達式為：yrad=0.054xPa-0.023，得出DAS系統(tǒng)靈敏度Sp= 0.054 rad/Pa，即Sp=-145.35 dB (參考單位 rad/μPa)。

表1 DAS實驗數(shù)據

圖9 DAS系統(tǒng)弧度-聲壓關系圖Fig.9 Radian-sound-pressure relationship diagram of DAS system

3.3 地震波測試

項目組與勝利油田合作開展了放炮地震波現(xiàn)場實驗，現(xiàn)場如圖10所示。

圖10 實驗現(xiàn)場圖Fig.10 Experimental site

圖11所示為地震彈炮測試數(shù)據，橫坐標為通道數(shù)，道間距1 m，通道0～960對應著傳感光纜0～960 m，縱坐標為時間，是地震波傳播到傳感光纜的時間。在現(xiàn)場垂直于480通道的位置進行彈炮引爆，地震波傳播向兩邊擴展，通道480～0以及通道480～960依次探測到初至波，如圖中紅線區(qū)域，地震波的初至波很明晰，并且獲得了清晰的地層反射波，如圖11中黃線區(qū)域。現(xiàn)場實驗結果證明DAS技術實現(xiàn)了地震勘探，是一種新型可靠的物探方法。

圖11 DAS地震波測試數(shù)據Fig.11 DAS seismic wave test data

4 結論

本文設計了一種用于油氣地震波勘探開發(fā)的分布式光纖聲波監(jiān)測系統(tǒng)，使用光纜作為傳感器來檢測聲音信號，采用基于背向瑞利散射的相位調制解調技術，實現(xiàn)了10 m空間分辨率、-145.35 dB聲壓靈敏度的測試，并進行了地震彈炮實地勘探，完成了地震波信號采集處理，獲得了清晰的地層反演信息，為地震波勘探生產提質、降本、增效奠定了重要的技術裝備基礎。該研究有助于推動復雜地質油氣勘探領域的技術進步，加速新技術在復雜地質油氣勘探行業(yè)的推廣，推進行業(yè)整體裝備水平的提高并帶動光纖傳感技術在相關產業(yè)的發(fā)展。