基于弱光柵陣列相位載波解調(diào)的分布式井中地震勘探技術(shù)研究

王 晨,呂公河,徐雷良,牟風(fēng)明,尚 盈

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)激光研究所,山東濟(jì)南250104;2.中石化石油工程地球物理公司,北京100020;3.中石化石油工程地球物理公司勝利分公司,山東東營(yíng)257086)

油氣地震勘探利用人工震源或天然地震產(chǎn)生地震波,地震波傳播過(guò)程中遇到性質(zhì)不同的巖層分界面將發(fā)生反射與折射,在地面或井中用檢波器接收這種地震波并進(jìn)行處理和反演,可以推斷地下的地質(zhì)構(gòu)造,是油氣勘探中應(yīng)用最廣泛的技術(shù),并且在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警中也發(fā)揮了重要作用[1]。隨著地震勘探技術(shù)研究的深入和精細(xì)化,研發(fā)高密度、高靈敏度、長(zhǎng)探測(cè)距離的地震勘探技術(shù)與設(shè)備成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)[2-5]。光纖分布式聲波傳感(distributed fiber acoustic sensor,DAS)技術(shù)將光纖同時(shí)作為海量的傳感器陣列和傳輸媒介,不僅可以測(cè)量傳感光纖上任意位置的信息實(shí)現(xiàn)全分布式的測(cè)量,還以自身作為傳輸媒介天然完成組網(wǎng)。此技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量光纖沿線(xiàn)的參數(shù)變化,具有空間連續(xù)性,能夠精準(zhǔn)定位事件位置,又兼具光纖耐惡劣環(huán)境、抗電磁干擾、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),相比其它地震檢波器,DAS系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于布設(shè)、性?xún)r(jià)比高、能實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度測(cè)量等獨(dú)特優(yōu)勢(shì),是現(xiàn)有油氣勘探方法技術(shù)中最有應(yīng)用前景的技術(shù)[6-8]。國(guó)內(nèi)DAS系統(tǒng)研究起步較晚,但成果顯著,如電子科技大學(xué)[9]、重慶大學(xué)[10]、天津大學(xué)[11]、中科院上海光機(jī)所[12]等,在系統(tǒng)傳感距離和頻帶范圍方面走在了世界前列。

然而傳統(tǒng)光纖分布式地震勘探利用的光纖本征瑞利散射,其本質(zhì)上仍是一種隨機(jī)過(guò)程,存在隨機(jī)漲落等問(wèn)題,雖然通過(guò)相位解調(diào)技術(shù)可以提高解調(diào)穩(wěn)定性,但仍受偏振衰落等問(wèn)題的困擾,導(dǎo)致解調(diào)聲場(chǎng)不穩(wěn)定,系統(tǒng)噪聲較高,不能探測(cè)極微弱的地震波信號(hào)。

為了解決這一問(wèn)題,武漢理工大學(xué)[13]、山東省科學(xué)院激光研究所[14]、華中科技大學(xué)[15]等單位提出在光纖中插入大量反射率不足1/1 000的無(wú)源全同弱光纖光柵(passive weak fiber Bragg gratings)替代瑞利散射,使得后向光穩(wěn)定性顯著增強(qiáng),降低了系統(tǒng)噪聲。本文將全同弱光柵陣列應(yīng)用于井中地震勘探,并采用相位載波解調(diào)實(shí)現(xiàn)了DAS系統(tǒng)噪聲的壓制,在井中VSP地震資料采集實(shí)驗(yàn)中獲得高信噪比的地震數(shù)據(jù),為下一代新型光纖分布式地震勘探技術(shù)提供了一種有效解決方案。

1 全同弱光柵陣列分布式測(cè)量理論與算法

1.1 全同弱光柵陣列空間差分干涉理論

全同弱光柵陣列波形的特性可以采用一維脈沖響應(yīng)模型來(lái)描述[16],陣列長(zhǎng)度為L(zhǎng),全同弱光柵數(shù)量為N個(gè),假設(shè)全同弱光柵等間距,則柵間距Δl=L/N,如圖1所示,當(dāng)有一束窄線(xiàn)寬激光入射到光纖上,則獲得的全同弱光柵反射信號(hào)振幅可表示為:

圖1 全同弱光柵陣列空間差分干涉示意

(1)

式中:Er(t)為全同弱光柵反射信號(hào)振幅;f為入射光頻率;w為入射脈沖寬度;am為第m個(gè)弱光柵反射光振幅;τm為第m個(gè)弱光柵到接收點(diǎn)的時(shí)間延遲,其與輸入端到第m個(gè)弱光柵位置的距離lm的關(guān)系為:

(2)

式中:c為真空中光速;nf為光纖折射率。

將全同弱光柵反射光輸入麥克爾遜干涉儀,干涉儀臂長(zhǎng)差為s,發(fā)生空間差分干涉,則延時(shí)信號(hào)振幅可表示為:

(3)

式中:Ed(t)為延時(shí)信號(hào)振幅;τn=2nfln/c為第n個(gè)弱光柵到接收點(diǎn)的時(shí)間延遲;τs=2nfs/c為干涉儀引入的延時(shí)。

因此經(jīng)過(guò)干涉儀后所接收到的總干涉光強(qiáng)I(t)可表示為:

(4)

如(4)式所示,干涉信號(hào)包含由外地震波信號(hào)引起的相位差φnj、φmi、φmns,只要解調(diào)相位差φnj、φmi、φmns,則可以定量地恢復(fù)外地震波的信號(hào)幅度、相位和頻率等相關(guān)信息。

1.2 全同弱光柵陣列復(fù)用分析

全同弱光柵陣列復(fù)用能力直接影響井中地震波探測(cè)的范圍,由前文可知,由于采用的是一維脈沖響應(yīng)模型,接收到的第N個(gè)弱光柵反射光強(qiáng)為:

IN=I0R(1-R)2(N-1)

(5)

其中,IN為反射光強(qiáng),I0為入射光強(qiáng),R為光柵反射率。

由于弱反射光纖光柵反射率極低,其反射串?dāng)_情況如圖2所示,其一階反射串?dāng)_光強(qiáng)為:

圖2 全同弱光柵陣列反射串?dāng)_示意

IN,1=I0R3(1-R)2(N-1)

(6)

光柵個(gè)數(shù)越多,需要考慮的一階反射串?dāng)_光強(qiáng)的個(gè)數(shù)就越多,則N個(gè)復(fù)用光柵上的一階反射串?dāng)_總光強(qiáng)為:

(7)

實(shí)際應(yīng)用中,弱光柵個(gè)數(shù)在1 000個(gè)以?xún)?nèi),反射率一般為千分之幾,所以(7)式遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于(6)式,可以忽略掉,不影響系統(tǒng)的性能[15,17]。

1.3 相位載波解調(diào)(PGC)技術(shù)

圖3為相位載波解調(diào)(PGC)原理示意圖。如圖3 所示,相位載波解調(diào)是在麥克爾遜干涉儀其中一臂上通過(guò)相位調(diào)制器(PM)加入載波信號(hào)進(jìn)行干涉解調(diào)[5],干涉儀的輸出可表示為:

圖3 PGC原理示意

I=A+Bcos[Ccosωct+φs(t)]

(8)

其中,A為光強(qiáng)直流常數(shù),B為干涉強(qiáng)度常數(shù),C為載波調(diào)制幅度,ωc=2πfc,fc為載波信號(hào)頻率,φs(t)為待測(cè)聲信號(hào)。

圖3中將幅度分別為G、H,角頻率為ωc和2ωc的載波信號(hào)與干涉儀的輸出信號(hào)進(jìn)行混頻,得到的結(jié)果分別為:

I1s=-GBJ1(C)sinφs(t)

I2s=-HBJ2(C)cosφs(t)

(9)

式中:J1(c)和J2(c)分別代表一階和二階貝塞爾函數(shù)。

最后,采用PGC技術(shù)并根據(jù)實(shí)際需要的頻率范圍進(jìn)行高通濾波,獲得與被測(cè)信號(hào)φs(t)成正比的信號(hào)S(t),即

S(t)=GHB2J1(C)J2(C)φs(t)

(10)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與指標(biāo)

基于全同弱光柵陣列相位載波解調(diào)的DAS系統(tǒng)原理如圖4所示,主要由窄線(xiàn)寬分布反饋光纖激光器、聲光調(diào)制器、環(huán)形器以及相位匹配干涉儀組成,窄線(xiàn)寬激光器發(fā)出線(xiàn)寬小于3 kHz,功率為10 mW、波長(zhǎng)為1 550.12 nm的激光,注入到聲光調(diào)制器,調(diào)制為重復(fù)頻率為20 kHz,脈寬為50 ns的脈沖光序列,經(jīng)過(guò)帶寬為0.08 nm的超窄帶光濾波器濾除光放大器的自發(fā)輻射(ASE)噪聲,經(jīng)過(guò)環(huán)形器分別連接長(zhǎng)度為L(zhǎng)(L≤c/2fnf)的探測(cè)光纜,探測(cè)光纜中包含普通單模光纖與全同弱光柵陣列(柵間距5 m,單個(gè)弱光柵3 dB帶寬1.27 mm,反射率0.018%,溫度響應(yīng)10 pm/℃)。光纖/全同弱光柵陣列返回的后向瑞利散射信號(hào)/弱光柵反射信號(hào)返回到環(huán)形器處,經(jīng)超窄帶寬帶光濾波器再次進(jìn)行放大器ASE噪聲信號(hào)的濾除,進(jìn)入到經(jīng)復(fù)合多層隔聲隔振處理、含相位控制器與法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的相位匹配干涉儀,干涉儀的臂長(zhǎng)差s為5 m(與入射脈寬、全同弱光柵陣列柵間距匹配),相位載波頻率2 kHz,經(jīng)過(guò)空間差分干涉后的瑞利散射信號(hào)分別由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào),進(jìn)入到相位載波解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行相位解調(diào)運(yùn)算。

圖4 基于全同弱光柵陣列相位載波解調(diào)的DAS系統(tǒng)原理示意

之后我們將DAS系統(tǒng)連接全同弱光柵陣列,對(duì)其頻響范圍與本底噪聲兩個(gè)核心指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。取相鄰弱光柵之間1 m長(zhǎng)光纖纏繞在壓電陶瓷(PZT)上,使信號(hào)發(fā)生器輸出一個(gè)幅值為1V的正弦波形模擬聲場(chǎng)頻率輸入到PZT中,改變不同的輸出信號(hào)的頻率模擬聲場(chǎng)頻率的變化,輸出信號(hào)頻率取0.1,10.0,20.0,80.0,320.0 Hz這幾個(gè)特定頻率,對(duì)整個(gè)全同弱光柵陣列進(jìn)行聲場(chǎng)快速還原,取其中0.1 s的結(jié)果進(jìn)行分析,如圖5所示。由圖5可見(jiàn),系統(tǒng)能準(zhǔn)確地解調(diào)出各個(gè)頻率的聲波信號(hào)且解調(diào)幅值大致相等,說(shuō)明全同弱光柵陣列DAS系統(tǒng)的頻率響應(yīng)范圍為0.1～320.0 Hz。解調(diào)信號(hào)中還出現(xiàn)了部分高次諧波,但其幅值僅為主波頻率幅值的1/100以下,考慮是由于PZT電壓響應(yīng)弛豫導(dǎo)致,對(duì)主波頻率信號(hào)解調(diào)影響輕微。

圖5 全同弱光柵陣列DAS系統(tǒng)頻率響應(yīng)

圖6 全同弱光柵陣列DAS系統(tǒng)本底噪聲功率譜密度分析結(jié)果

3 現(xiàn)場(chǎng)VSP實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

井中VSP實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示,下井光纜總長(zhǎng)4 980 m,包含等長(zhǎng)普通單模光纖與全同弱光柵陣列,將下井光纜通過(guò)絞車(chē)垂直放入井中,光纜入井長(zhǎng)度為4 350 m,采用可控震源車(chē)提供掃頻地震波信號(hào),頻率范圍為4～90 Hz,同步觸發(fā)采集。為了同時(shí)采集同一次地震波信號(hào),實(shí)驗(yàn)中同時(shí)使用兩臺(tái)相同的DAS系統(tǒng)分別連接普通單模光纖與全同弱光柵陣列采集返回散射/反射信號(hào),使用相同的相位載波解調(diào)算法進(jìn)行對(duì)比。圖8為DAS系統(tǒng)采集到的下井后全同弱光柵陣列反射光強(qiáng)度圖。由圖8可見(jiàn),各光柵反射信號(hào)清晰,光源波長(zhǎng)均在光柵帶寬范圍內(nèi)。

圖7 井中VSP實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖8 現(xiàn)場(chǎng)光纜弱光柵反射光強(qiáng)度

圖9為不同光纖采集到的VSP資料。由圖9可以看出,全同弱光柵陣列獲得的資料信噪比明顯優(yōu)于普通單模光纖獲得的資料,全同弱光柵初至波可連續(xù)追蹤至2 300 m,而普通單模光纖采集資料初至波僅能追蹤到1 500 m。深度2 000 m附近,全同弱光柵VSP資料可以看到清楚的上行反射波場(chǎng)。另外,受井況影響,全同弱光柵陣列與普通單模光纖獲得的資料在150～850 m均存在較強(qiáng)的干擾波。

圖9 不同光纖采集到的VSP資料

進(jìn)一步對(duì)采集到的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行信噪比和頻率分析。圖10為兩種光纖采集的VSP數(shù)據(jù)頻率對(duì)比圖。由圖10可見(jiàn),全同弱光柵陣列采集數(shù)據(jù)的頻譜和普通單模光纖采集數(shù)據(jù)頻譜一致性較好,前者能量相對(duì)強(qiáng)一些。對(duì)圖10中的地震數(shù)據(jù)選擇不同時(shí)窗進(jìn)行信噪比分析,其中分析窗口1選取深度800～1 200 m、時(shí)間400～900 ms、頻率10～80 Hz,分析窗口2選取深度1 500～1 900 m、時(shí)間600～1 400 ms、頻率10～80 Hz,如圖11所示。從圖11可以看出,對(duì)于同一種光纖采集到的VSP數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō),隨著深度的增加信噪比降低;而從同一分析窗口不同光纖數(shù)據(jù)信噪比對(duì)比可以看出,全同弱光柵陣列數(shù)據(jù)信噪比約為普通單模光纖數(shù)據(jù)信噪比的2.5～3.0倍。

圖10 兩種光纖采集的VSP數(shù)據(jù)頻譜對(duì)比

圖11 兩種光纖采集的VSP數(shù)據(jù)信噪比對(duì)比

4 結(jié)論

本文利用在光纖中插入大量反射率不足1/1 000的全同弱光柵陣列替代瑞利散射,使后向光穩(wěn)定性顯著增強(qiáng),并通過(guò)相位載波解調(diào)實(shí)現(xiàn)了DAS系統(tǒng)噪聲的壓制。在實(shí)際資料采集中,全同弱光柵陣列采集到的地震數(shù)據(jù)信噪比明顯優(yōu)于普通單模光纖采集到的地震數(shù)據(jù),能夠獲得更清晰的地震反射信息。

全同弱光柵陣列為下一代新型分布式光纖地震勘探技術(shù)提供了一種有效解決方案,推進(jìn)行業(yè)整體裝備水平的提高,促進(jìn)光纖傳感技術(shù)在油氣勘探領(lǐng)域的應(yīng)用,加速新技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)油氣勘探行業(yè)的推廣,為地震勘探“提質(zhì)”、“降本”、“增效”奠定重要的技術(shù)裝備基礎(chǔ)。由于本次實(shí)驗(yàn)條件有限,沒(méi)有進(jìn)行固井等優(yōu)化,因而得到的數(shù)據(jù)仍有很大提升空間,下一步計(jì)劃與檢波器數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,消除環(huán)境和地質(zhì)因素的影響。