井中懸掛式分布式光纖傳感系統(tǒng)干擾波分析及壓制

呂公河,牟風(fēng)明,劉小會,劉雪潔,尚 盈

(1.中石化石油工程地球物理公司,北京100020;2.中石化石油工程地球物理公司勝利分公司,山東東營257086;3.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250103)

分布式光纖聲波傳感(DAS)系統(tǒng)在油氣勘探和生產(chǎn)監(jiān)測領(lǐng)域可用于垂直地震測井、井下壓裂檢測、生產(chǎn)動態(tài)監(jiān)測等[1-5],相較于傳統(tǒng)的井中三分量檢波器,DAS具有傳、感一體的特點(diǎn),故可降低儀器下井遇阻風(fēng)險,具有更高的安全性和工作效率,在石油勘探開發(fā)領(lǐng)域已展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景[6-8]。

從DAS井中采集到的VSP資料不難發(fā)現(xiàn),DAS系統(tǒng)能夠獲得豐富的波場信息,不僅能夠接收到常規(guī)井中三分量檢波器采集到的各類波場,還能接收到DAS系統(tǒng)特有的干擾波波場[9-10],這不利于充分利用有效信號,因此需要對其進(jìn)行壓制[11-13]。目前對DAS系統(tǒng)特有的纜波干擾和“彈簧波”干擾,主要采用中值濾波和正演法進(jìn)行壓制,并取得了一定的效果,但對干擾產(chǎn)生的原因和傳播規(guī)律的分析不足。本文主要針對DAS系統(tǒng)記錄到的特有的干擾波進(jìn)行識別,研究其產(chǎn)生的原因、傳播規(guī)律及壓制方法,實(shí)現(xiàn)DAS系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的波場凈化,以促進(jìn)DAS技術(shù)的不斷推廣及應(yīng)用。

1 井中懸掛式DAS干擾波產(chǎn)生機(jī)理分析

1.1 DAS光纜布設(shè)施工方式

目前常用的DAS系統(tǒng)井中采集方式有兩種,分別為將光纜固定在套管外水泥環(huán)中和將光纜懸掛放置于套管泥漿中(圖1)。其中,第1種布設(shè)方式是較為理想的采集方式,這種采集方式使得光纜和地層之間具有良好的耦合,產(chǎn)生的各種干擾較少,能夠采集到高品質(zhì)的地震資料,該方式可以對井的全生命周期進(jìn)行監(jiān)測;這種方式的不足之處在于光纜只能固定在一口井上觀測,且光纜固井工藝復(fù)雜、費(fèi)用相對較高,目前推廣應(yīng)用較少。第2種布設(shè)方式與常規(guī)VSP測井相似,只是光纜上一般沒有推靠裝置,與井壁的耦合完全是依靠光纜與井壁的自然接觸,往往存在光纜與井壁不貼合的情況,致使其產(chǎn)生非常復(fù)雜的耦合干擾波;光纜作為傳感裝備可以在不同的井中進(jìn)行反復(fù)使用,操作簡單,效率較高,成本也較低,目前這種方式應(yīng)用較為普遍,本文主要是圍繞這種觀測方式記錄到的各種干擾波進(jìn)行討論。

圖1 DAS系統(tǒng)井中采集方式示意

1.2 井中懸掛式DAS干擾波產(chǎn)生機(jī)理

井中懸掛式DAS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時,各種干擾波的產(chǎn)生是由光纜的布設(shè)特點(diǎn)、耦合方式以及地層的表層結(jié)構(gòu)等因素所決定的,是地震波的傳播規(guī)律在實(shí)際傳播介質(zhì)條件下的具體反映。圖2示意了井中懸掛式DAS系統(tǒng)干擾波的傳播機(jī)理。當(dāng)震源激發(fā)的地震波沿地層傳播時,會在表層和地下產(chǎn)生不同的各種類型的波:在表層中傳播時會形成沿地表傳播的縱波(通常地面地震勘探所說的直達(dá)波)和沿近地表傳播的面波(地滾波)以及沿表層分界面或潛水面形成的表層多次波和折射波等;向地下傳播的地震波,會形成直達(dá)波縱波、反射縱波和轉(zhuǎn)換波等。無論表層中的波,還是地下地層中的波,到達(dá)井中傳感器時都會被接收。利用常規(guī)三分量檢波器進(jìn)行井中觀測時,由于檢波器帶有推靠系統(tǒng),故能夠與井壁緊密耦合,檢波器推靠后上端懸掛的電纜無需向上提拉(電纜不再處于拉伸狀態(tài));近井口段不設(shè)置檢波器,以避開近地表的干擾,避免產(chǎn)生較強(qiáng)的纜波,更不會由于耦合不好而產(chǎn)生耦合諧振干擾。井中懸掛式DAS系統(tǒng),光纜從井口到井底,由于缺乏推靠設(shè)施,在井中觀測時一直是處于懸掛拉緊的狀態(tài),這樣各種近地表傳播的強(qiáng)能量波到達(dá)光纜時,會沿著光纜傳播,形成較強(qiáng)的各種纜波。其中,地面直達(dá)波形成了圖2中的①,表層多次波形成了圖2中的②,面波形成了圖2中的③,轉(zhuǎn)換波形成了圖2中的④,直達(dá)波和面波傳播到井中泥漿液面時也會沿著井筒中的泥漿傳播形成圖2中的⑤,又由于光纜在井下有些部位與井壁不能很好地耦合,當(dāng)?shù)卣鸩ǖ竭_(dá)時,該光纖與井壁脫耦段不能很好地接收來自地層的地震波,而只能沿著該脫耦段光纜的兩端來回傳播,形成一種震蕩式的干擾纜波(簡稱“彈簧波”),即圖2中的⑥。

從圖2的分析可知,這些干擾波的時距關(guān)系可以通過以下的公式來確定。假設(shè)地面炮點(diǎn)距井口的距離為S,地震波在地層中的傳播速度為V(包括直達(dá)波、面波、表層多次波等,這里統(tǒng)一假設(shè)為V,實(shí)際應(yīng)用中不同類型的波均使用自身的速度值,以求取準(zhǔn)確的時間延遲),地震縱波在光纜中的傳播速度為V0,地震波在井液中的傳播速度為V1,光纜在井筒中懸空點(diǎn)深度為H1、H2,且H1

圖2 井中懸掛DAS系統(tǒng)干擾波傳播機(jī)理示意

(1)

井筒波時距曲線方程:

(2)

根據(jù)“彈簧波”時距曲線方程得到的下行波旅行時為:

(3)

式中:n為彈簧波的周期,n=1,2,3,…;H1≤H≤H2。

根據(jù)“彈簧波”時距曲線方程得到的上行波旅行時為:

(4)

上述3類波中,井筒波是以井筒中泥漿的地震波速度傳播的,視速度通常為1 450 m/s(即泥漿液的傳播速度),這類干擾波速度往往遠(yuǎn)低于有效波的速度,比有效波到達(dá)得晚,通常容易區(qū)分;而纜波和“彈簧波”以光纜的彈性波速度傳播,速度往往高于有效波的平均速度,地表直達(dá)波引起的纜波會比通過地層到達(dá)光纜的直達(dá)波(通常VSP觀測到的初至波)早,且衰減速度慢、能量強(qiáng),嚴(yán)重干擾了沿地層到達(dá)的初至波。受近地表地層結(jié)構(gòu)的影響,直達(dá)波、面波、轉(zhuǎn)換波等都會成為纜波的干擾源,因此纜波的種類較多,且各自的源子波特征不一致,致使纜波在整個記錄上形成了強(qiáng)烈的干擾背景,使將有效波淹沒其中?！皬椈刹ā北举|(zhì)也是纜波,傳播速度是光纜速度,它的波源是穿過地層到達(dá)光纜的各類波,以直達(dá)波引起的“彈簧波”最為嚴(yán)重,它的源子波的特點(diǎn)與地層初至波一致,與有效波高度相似,“彈簧波”段的初至不是地層的真實(shí)速度,不能用來估算地層速度,必須加以壓制?？傊?雖然受光纜材料、井下溫度等影響,纜波在光纜中的傳播速度存在差異,但對于同一條光纜,相同的工作環(huán)境下,纜波在光纜中的傳播速度相對穩(wěn)定。根據(jù)本次試驗(yàn)的光纜數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知,其視速度約為4 200 m/s,且能量基本保持穩(wěn)定,為后續(xù)纜波的壓制提供了依據(jù)。

1.3 纜波的分類

根據(jù)以上的分析,將纜波從傳播源進(jìn)行分類,大體可分為近地表波源引起的纜波和由地層中的波源引起的“彈簧波”兩大類?！皬椈刹ā北M管出現(xiàn)的位置較多,但是它的主要波源是穿過地層到達(dá)光纜的直達(dá)波,其源子波的特點(diǎn)與地層直達(dá)波一致,且能量較強(qiáng),在地震記錄上延續(xù)時間較長,是主要的研究對象。相較光纜不耦合段產(chǎn)生的“彈簧波”,其它波能量弱很多。作為由表層引起的全井段纜波,由于表層的波形類型較多,其產(chǎn)生的纜波的種類也較多,大致可分為圖3中的5種類型:

1)近地面直達(dá)波(初至波)引起的纜波干擾,頻率較高,能量相對較弱,衰減相對較快,如圖3中①所示;

2)近地表表層多次波引起的纜波干擾,緊跟地表直達(dá)波纜波之后,能量較弱,波形特點(diǎn)與①相似,如圖3中的②所示;

3)橫波引起的纜波干擾,頻率相對較低,能量衰減較弱,振幅相對穩(wěn)定,且較強(qiáng),如圖3中的③所示;

4)地滾波引起的纜波干擾,能量最強(qiáng),頻率最低,能量衰減較慢,振幅相對穩(wěn)定,如圖3中的④所示;

5)地滾波中的頻散引起的纜波干擾,通常能量較弱,只有較淺的部分能夠接收到,隨著光纖深度的增加,能量衰減較快,如圖3中的⑤所示。

圖3 DAS纜波來源分析

將纜波的分類與纜波的時距曲線公式相結(jié)合,分析發(fā)現(xiàn),纜波受其波源速度和井源距的影響較大:離井口越近,傳播時間越短,能量越強(qiáng),對整個資料的影響越大;離井口越遠(yuǎn),傳播時間越長,能量相對較弱,對整個資料的影響相對較弱。

2 DAS干擾波壓制技術(shù)

2.1 纜波干擾的壓制

由前文分析可知,纜波的線性規(guī)律較好,且視速度穩(wěn)定,約為4 200 m/s,這與深層地震波速度差異較小,甚至與部分地層速度一致,也就是說,纜波視速度與零井源距VSP初至波的視速度差異較小,采用常規(guī)的中值濾波、F-K濾波等方法在壓制纜波時,很容易對有效信號產(chǎn)生損傷。為了檢驗(yàn)處理效果,本文采用了離井口60 m,纜波干擾最嚴(yán)重的一個分布式光纖VSP數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)。為了滿足中值濾波的使用條件,先將下行纜波進(jìn)行水平排齊后,再進(jìn)行下行纜波的衰減。圖4為采用常規(guī)中值濾波壓制下行纜波后的處理效果,可以看出,采用常規(guī)中值濾波濾除的下行纜波數(shù)據(jù)中明顯存在其它波場能量。

圖4 采用常規(guī)中值濾波壓制下行纜波的結(jié)果

為了更好地壓制視速度和有效波視速度相近的下行線性纜波干擾,本文采用隨機(jī)中值濾波算法,該算法結(jié)合了隨機(jī)函數(shù)和中值濾波兩種算法,利用中值濾波濾除階梯函數(shù)上的異常值而不移動階梯函數(shù)斷點(diǎn)位置的特點(diǎn),以及利用隨機(jī)函數(shù)改變地震道順序進(jìn)行中值濾波來壓制線性干擾。該方法可以更好地分離線性干擾和有效信號視速度差異較小的波場,有效降低濾波方法對有效波的損傷,實(shí)現(xiàn)無損壓制纜波干擾[14],獲得高信噪比的地震有效波資料。

圖5是采用隨機(jī)中值濾波壓制下行纜波的結(jié)果,其中,圖5a為包含線性纜波干擾的原始地震數(shù)據(jù),圖5b為下行纜波干擾被壓制后的地震數(shù)據(jù),圖5c 為被濾除的下行纜波干擾數(shù)據(jù),可以看出,利用隨機(jī)中值濾波對下行纜波干擾進(jìn)行壓制后,波場得到較好的分離,下行的纜波干擾得到了有效的壓制,剩余波場中沒有明顯的下行纜波干擾,而在分離出的纜波干擾數(shù)據(jù)中,也不存在明顯的其它視速度信號。

圖5 采用隨機(jī)中值濾波壓制下行纜波的結(jié)果

在此基礎(chǔ)上,可繼續(xù)采用隨機(jī)中值濾波的方法對上行纜波進(jìn)行衰減,達(dá)到消除纜波干擾的目的。

2.2 “彈簧波”干擾的壓制

“彈簧波”是波場在某段光纜中來回傳播產(chǎn)生的干擾波,具有干擾深度確定、視速度確定、能量相對穩(wěn)定的特點(diǎn),其規(guī)律性較好。對于這種規(guī)律性強(qiáng)的干擾波,可以采用反演方法[15-16]進(jìn)行壓制,本文采用的是借鑒生物界進(jìn)化規(guī)律(適者生存,優(yōu)勝劣汰遺傳機(jī)制)演化而來的隨機(jī)化搜索方法。根據(jù)遺傳算法的基本運(yùn)算過程,我們確定了反演法壓制“彈簧波”干擾的技術(shù)流程,如圖6所示。

圖6 反演法壓制“彈簧波”干擾的技術(shù)流程

其基本過程包含如下5步。

1)初始化:通過VSP數(shù)據(jù)、速度模型信息正演模擬“彈簧波”,并將其作為初始模型。

2)個體評價:通過初始模型和實(shí)際數(shù)據(jù)的“彈簧波”的振幅、頻率和相位的對比,評價模型效果。

3)選擇運(yùn)算:確定模型的反演目標(biāo)函數(shù)。

4)交叉運(yùn)算及變異運(yùn)算:對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行交叉運(yùn)算和變異運(yùn)算,可以獲得反演目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解。

5)終止條件判斷:通過終止條件判斷,反演出最終的“彈簧波”波場。

圖7為采用反演法壓制“彈簧波”的效果,其中,圖7a為包含“彈簧波”的地震數(shù)據(jù),圖7b為壓制“彈簧波”后的地震數(shù)據(jù),可以看出,反演法可以較好地壓制“彈簧波”干擾,且保證“彈簧波”干擾外的地震數(shù)據(jù)保持原有的特征。

圖7 采用反演法壓制“彈簧波”效果

3 實(shí)際應(yīng)用

利用本文方法對某井采集的分布式光纖數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。該井采用Walkaway VSP觀測方式[17],共獲得122炮分布式光纖數(shù)據(jù)。在中小井源距資料中存在較強(qiáng)的纜波干擾和“彈簧波”干擾,在中、遠(yuǎn)井源距“彈簧波”干擾明顯。

圖8為采用隨機(jī)中值濾波壓制強(qiáng)能量干擾前、后的資料對比結(jié)果,其中圖8a 為原始資料,圖8b為強(qiáng)能量噪聲衰減后的剩余數(shù)據(jù),圖8c為強(qiáng)噪聲數(shù)據(jù),可以看出,經(jīng)纜波干擾衰減后,纜波得到較好地壓制,初至波連續(xù)且可分辨。

圖8 采用隨機(jī)中值濾波壓制纜波干擾前、后的資料對比

圖9為采用反演法壓制“彈簧波”前、后的地震記錄,遠(yuǎn)井源距分布式光纖系統(tǒng)采集的原始VSP記錄中,深度2 530～2 840 m、2 995～3 125 m兩個井段存在明顯的“彈簧波”干擾,利用反演法對“彈簧波”干擾進(jìn)行壓制后,“彈簧波”得到較好的壓制,壓制“彈簧波”后有效波場得到了較好的保護(hù),地震資料質(zhì)量得到明顯改善。

圖9 采用反演法壓制“彈簧波”前(a)、后(b)的地震記錄

圖10為分布式光纖數(shù)據(jù)的VSPCDP成像剖面和地面地震剖面,紅色區(qū)域?yàn)閂SPCDP剖面的成像區(qū)在圖10b上的分布范圍,可以看出,圖10a和圖10b 的主要波組特征基本一致?？傮w來看,利用分布式光纖數(shù)據(jù)能夠獲得主要目的層成像剖面,但想要達(dá)到或超過地面地震剖面的成像質(zhì)量,還需要進(jìn)一步完善分布式光纖的采集和成像技術(shù)。

圖10 分布式光纖數(shù)據(jù)的VSPCDP剖面(a)與地面地震剖面(b)

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)分析了采用DAS井中懸掛式光纜布設(shè)方式采集時的干擾波產(chǎn)生機(jī)理,提出了相應(yīng)的隨機(jī)中值濾波和反演法壓制方法,并應(yīng)用于實(shí)際資料的處理,取得了良好的效果,并得岀如下結(jié)論。

1)DAS系統(tǒng)纜波干擾和“彈簧波”干擾均為沿光纜傳播而被DAS系統(tǒng)記錄下來的干擾波,其各種干擾波子波特征是由引起這些纜波的激勵波源決定的,其各種纜波干擾具有相同的傳播速度,本次研究光纜的視速度為4 200 m/s。

2)在纜波干擾壓制方面,針對纜波線性特征明顯且與有效波視速度差異較小的特點(diǎn),隨機(jī)中值濾波方法與常規(guī)方法相比,能更好地保護(hù)有效波,且具有更好的保幅性。

3)在“彈簧波”干擾壓制方面,因“彈簧波”具有明顯的規(guī)律性,故采用反演法壓制“彈簧波”,能夠較好地模擬“彈簧波”干擾波,并且只對受“彈簧波”干擾的區(qū)域進(jìn)行壓制,取得了明顯的壓制效果。

4)實(shí)際地震資料應(yīng)用結(jié)果表明,井中懸掛式DAS技術(shù)能夠得到較好的地震波信息,經(jīng)纜波干擾壓制后,其VSPCDP成像剖面和地面地震剖面具有良好的一致性。

分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)因其自身的諸多優(yōu)勢在井中地震得到越來越廣泛的應(yīng)用,也取得了較好的應(yīng)用效果。但在應(yīng)用推廣的過程中還有許多方面需要深入研究,如光纜與井壁的耦合問題、積分步長優(yōu)化問題、光纖信號方向性補(bǔ)償?shù)取ｋS著分布式光纖技術(shù)的不斷完善,其應(yīng)用效果將越來越明顯,應(yīng)用范圍也將逐步擴(kuò)大到油氣勘探開發(fā)的各個階段。