井下光纖微地震監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

董小衛(wèi)，劉 帥，汪 志，王寧博，劉 飛，麻慧博，趙 田

（1.中國石油新疆油田分公司 工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2.北京科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，北京 100083）

引言

微地震監(jiān)測已成為地球物理普查和能源工業(yè)開采進(jìn)程中的有效手段，其最初應(yīng)用于地?zé)豳Y源的勘探和開發(fā)[1]，現(xiàn)已廣泛用于油氣藏勘探開發(fā)過程中的監(jiān)測[2-3]。目前，微地震監(jiān)測通常延用常規(guī)地震采集儀器，大多使用動(dòng)圈式或壓電式加速度型檢波器陣列[4]。隨著光纖技術(shù)的不斷進(jìn)步，新型光纖檢波器自20 世紀(jì)90年代以來取得了飛速發(fā)展，其具有高靈敏度、寬頻帶、抗電磁干擾、易于復(fù)用等優(yōu)勢，有利于地震信號(hào)的高保真采集[5]。在國際上，2004年，BP 公司發(fā)起了Valhall LoFS 工程，進(jìn)行基于光纖傳感技術(shù)的永久式海底地震檢波器的研究，并于2007年在北海的Valhall 海上油田成功地安裝了井下永久式光纖檢波器系統(tǒng)[6]，其主要由一個(gè)光纖3 分量加速度計(jì)單元和一個(gè)光纖水聽器組成。2008年，在美國北達(dá)科他州的Bakken 盆地，Schlumberger 公司聯(lián)合多家微地震油服公司，例如Microseismic、Terrascience，對(duì)當(dāng)?shù)? 口3000 m深水下油井壓裂進(jìn)行地面、地表和井下綜合微地震監(jiān)測，其中光纖微地震監(jiān)測取得了較理想的效果。2014年，Schlumberger 公司在挪威的一塊油田進(jìn)行了SGAD 井的監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，通過2 條永久式32基元3 分量VSP 傳感器組成的陣列，同時(shí)對(duì)5 口蒸汽輔助重力泄油（steam assisted gravity drainage,SAGD）井進(jìn)行注入蒸汽誘發(fā)的微地震監(jiān)測[7]。此外，美國CiDRA 公司也進(jìn)行了用于井內(nèi)垂直地震剖面、井間和無源地震監(jiān)測的光纖地震監(jiān)測系統(tǒng)的研究。在國內(nèi)，2002年，勝利油田物探公司與美國STEVENS 理工學(xué)院合作研發(fā)了基于光纖布拉格光柵技術(shù)的陸用檢波器，并完成了國內(nèi)外首次陸上野外采集對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了光纖傳感器的技術(shù)優(yōu)勢[8]；2010年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在遼河油田完成了光纖地震檢波器陣列的井下試驗(yàn)，能夠采集6 000 m 深地層的地震反射信號(hào)[9]；2015年，中科院聲學(xué)研究所與中石油化工集團(tuán)地球物理公司聯(lián)合開發(fā)了適用于陸地油氣勘探的16 道光纖檢波器采集系統(tǒng)樣機(jī)，測試對(duì)比結(jié)果顯示，光纖監(jiān)測系統(tǒng)有利于提高地震信號(hào)采集精度，進(jìn)而改善勘探效果[10]。

本文設(shè)計(jì)了一種新型井下光纖微地震監(jiān)測系統(tǒng)，采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)形成了多級(jí)3 分量光纖檢波器陣列。通過在陣列中增設(shè)參考檢波器進(jìn)行共模噪聲抑制，提高了接收微地震信號(hào)的信噪比，增強(qiáng)了系統(tǒng)的探測能力。采用系列實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的性能參數(shù)進(jìn)行了綜合測試，并在油氣開發(fā)水力壓裂中成功捕捉到了具有清晰P 波和S 波的微地震信號(hào)，系列結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性，為微地震事件的空間定位和裂縫特征參數(shù)解釋打下了良好基礎(chǔ)。

1 光纖微地震傳感系統(tǒng)及解調(diào)方法

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于外差方案的光纖微地震監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)[11-12]如圖1所示。光源（NKT Koheras BASIK E15，中心波長1 550 nm、相位噪聲在1 m 的臂長差及10 kHz 的頻率偏移處為相對(duì)強(qiáng)度噪聲小于?110 dB）發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)過50∶50 耦合器（C1）進(jìn)入到馬赫-曾德爾干涉儀（mach–zehnder interferometer,MZI）的兩臂，2 個(gè)聲光調(diào)制器（acoustic-optic modulator,AOM）在將連續(xù)光調(diào)制為脈沖光的同時(shí)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行移頻，移頻量分別為f1、f2，同時(shí)移頻量為f2的脈沖光還經(jīng)過了一段長度為2ΔL的延時(shí)光纖。50∶50 耦合器（C2）將這2 個(gè)脈沖生成時(shí)間間隔為τ 的外差脈沖對(duì)，其中τ=2nΔL/c（n為光纖折射率，c為光速）。外差脈沖對(duì)通過耦合器（C3）被注入到時(shí)分復(fù)用的2 個(gè)光纖檢波器子陣列，子陣列中的每個(gè)檢波器受外界震動(dòng)所產(chǎn)生的脈沖干涉通過環(huán)形器的三端口依次到達(dá)濾波器（Filter，中心波長1 550 nm，帶寬0.1 nm）、探測器（Detector，跨阻放大倍數(shù)約為60 kΩ，帶寬30 MHz）、數(shù)模轉(zhuǎn)化器（analog-digital convertor,ADC，采樣精度14 bits，采樣速率100 MS/S），最終通過后端信號(hào)處理平臺(tái)解調(diào)，獲得每個(gè)檢波器上接收到的振動(dòng)信號(hào)。為補(bǔ)償光路損耗，在脈沖對(duì)注入光纖檢波器子陣列前和返回脈沖進(jìn)入探測器前均增加了摻鉺放大器（erbium-doped optical fiber amplifier,EDFA，工作波長范圍1 528 nm～2 563 nm，飽和輸出光功率為23 dBm，噪聲系數(shù)<5.5 dB）進(jìn)行放大，前者稱之為Power-EDFA，后者稱之為Pre-EDFA。為濾除部分EDFA 的自發(fā)輻射噪聲，在Pre-EDFA 之后增加了濾波器。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架Fig.1 Schematic diagram of system structure

1.2 時(shí)分復(fù)用陣列

系統(tǒng)采用的光纖微地震檢波器是基于順變柱體結(jié)構(gòu)光纖Michelson 型干涉儀所制成，其輸出相位與振動(dòng)信號(hào)的加速度數(shù)值成正比，具體工作原理參見文獻(xiàn)[13]。光纖檢波器陣列由2 組結(jié)構(gòu)相同的時(shí)分復(fù)用[14-16]子陣列所組成，如圖2所示。各陣列包含6 級(jí)檢波器單元，其中各組所屬的第1 級(jí)檢波器單元為參考傳感器，其靈敏度低，對(duì)外界振動(dòng)信號(hào)不敏感，主要用于后期系統(tǒng)共模噪聲（common mode noise,CMN）的抑制[17-18]；第2～6 級(jí)檢波器單元為3 分量型，主要用于采集X、Y、Z這3 個(gè)正交方向上的微地震信號(hào)。相鄰的檢波器單元通過一系列光纖耦合器連接，根據(jù)各耦合器分光比推導(dǎo)理論[19]，分光比約等于耦合器輸出兩端連接檢波器中所含反射鏡的數(shù)量，為保證各檢波器返回的光信號(hào)強(qiáng)度大致相等，此處的時(shí)分復(fù)用陣列中各耦合器的分光比從第1 級(jí)至第6 級(jí)依次約為1∶10，1∶4，1∶3，1∶2 和1∶1。

圖2 時(shí)分復(fù)用檢波器陣列示意圖Fig.2 Schematic diagram of time-division multiplexing detector array

為了在時(shí)域上保證相鄰檢波器單元的反射脈沖不發(fā)生重疊[20]，各級(jí)之間設(shè)置了一段延時(shí)光纖，其中第1 級(jí)和第2 級(jí)之間的延時(shí)光纖長度為40 m，其余各級(jí)之間延時(shí)光纖長度均為80 m，時(shí)分復(fù)用的檢波器陣列返回的脈沖信號(hào)如圖3所示。除第2 級(jí)與第1 級(jí)之間的延時(shí)為2 τ 外，其余各級(jí)相互之間的延時(shí)時(shí)間均為4 τ，通過延時(shí)參數(shù)解時(shí)分操作，可以確定各檢波器單元空間位置。該子陣列返回脈沖中包含了全部檢波器對(duì)應(yīng)的16 個(gè)干涉脈沖，雖然第N級(jí)檢波器單元的最后一個(gè)脈沖和第N+1 級(jí)檢波器單元的第1 脈沖重疊，但其為不攜帶振動(dòng)信息的非干涉脈沖。

圖3 時(shí)分復(fù)用檢波器陣列返回光脈沖序列示意圖Fig.3 Schematic diagram of optical pulse sequence returned by time-division multiplexing detector array

1.3 解調(diào)方法

從各檢波器返回的干涉信號(hào)的光強(qiáng)可表示為[21-22]

式中：I0為干涉信號(hào)直流強(qiáng)度；v為干涉信號(hào)對(duì)比度；ωc為外差角頻率；φs為檢波器引入的與震動(dòng)信號(hào)相關(guān)的相位變化；φ0為初始相位。

干涉信號(hào)的解調(diào)流程如圖4所示。干涉信號(hào)在與載波C(t)及載波的正交項(xiàng)S(t)混頻后，得到如（2）式的信號(hào)表達(dá)式。

圖4 干涉信號(hào)外差解調(diào)流程圖Fig.4 Flow chart of heterodyne demodulation of interference signal

式中：φ(t)=φs(t)+φ0；C(t)和S(t)可表示為

將Icos(t)和Isin(t)分別通過一個(gè)低通濾波器（low pass filter,LPF），低通濾波的截止頻率設(shè)置在ωc以下，這樣Icos(t)和Isin(t)中載波以及2 倍載波處的頻率分量將會(huì)被濾除，可以得到的正交信號(hào)i(t)和q(t)為

使用相除反正切算法得到相位信息φ(t)，即：

得到相位信息后還需進(jìn)行解卷繞操作，將整個(gè)相位信息擴(kuò)展到[?∞，+∞]，詳細(xì)的解調(diào)過程以及相位恢復(fù)過程中的誤差、噪聲來源可以參考本項(xiàng)目之前的研究成果[17]。

2 系統(tǒng)性能測試

采用前期所研制的光纖檢波器在形成時(shí)分復(fù)用子陣列后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體性能測試，光纖檢波器的加速度相移靈敏度約45 dB(0 dB=1 rad/g)、工作頻率范圍為10 Hz～1 000 Hz。

2.1 噪聲本底

由于系統(tǒng)所使用的光源性能較好，其相位噪聲低（1 m 的臂長差、10 kHz 的頻率偏移處為0.4 μrad/，相對(duì)強(qiáng)度噪聲（relative intensity noise,RIN）小于?110 dB，因此，經(jīng)外差算法解調(diào)后的輸出噪聲本底在100 Hz～1 000 Hz 范圍內(nèi)低于?100 dB。在實(shí)際測試中，采用的是對(duì)外界環(huán)境干擾不敏感的參考傳感器，同時(shí)將參考傳感器放入隔聲隔振箱中，連續(xù)記錄系統(tǒng)輸出的1 h 波形數(shù)據(jù)，繪制出其平均功率譜密度曲線，如圖5所示。從圖5 可以看出，在100 Hz～1 000 Hz 范圍內(nèi)的噪聲本底平均值達(dá)到了?101 dB，在低頻段50 Hz 附近噪聲本底有所抬升。分析原因主要有：1）周圍環(huán)境的噪聲主要集中在低頻段；2）檢波器自身受溫度等影響的低頻漂移導(dǎo)致低頻段噪聲本底較高。

圖5 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測得的系統(tǒng)噪聲本底曲線Fig.5 Background curve of system noise measured in laboratory environment

2.2 動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍為系統(tǒng)能夠探測的最大信號(hào)幅度與最小信號(hào)幅度之比。其中最小信號(hào)可認(rèn)為即系統(tǒng)的噪聲本底，最大信號(hào)可通過振動(dòng)臺(tái)（LabWorks ET139）和加載調(diào)頻波測試得出，測試結(jié)果如圖6（a）所示。從圖6（a）可以看出，當(dāng)信號(hào)頻率低于80 Hz 時(shí)，由于振動(dòng)臺(tái)不能提供更大的加速度信號(hào)，振動(dòng)臺(tái)實(shí)測曲線在80 Hz 時(shí)不再上升（本實(shí)驗(yàn)中為振動(dòng)臺(tái)所限制，若采用低頻性能更好的振動(dòng)臺(tái)，則不會(huì)存在該現(xiàn)象）。為克服該測試盲點(diǎn)，使用信號(hào)發(fā)生器輸出調(diào)頻波作為測試的信號(hào)源。調(diào)頻波表達(dá)式為

圖6 最大可解調(diào)信號(hào)幅度和動(dòng)態(tài)范圍曲線Fig.6 Maximum demodulated signal amplitude and dynamic range curve

式中：Vcm為調(diào)頻波的幅度；Ω為所加測試的角頻率；Mf=△fm/Ω為調(diào)制指數(shù)，△fm為調(diào)制波的最大頻偏。

通過解調(diào)可以獲得Mf值，即對(duì)應(yīng)解調(diào)信號(hào)的幅度。同樣如圖6（a）所示，在高于80 Hz 處，理論計(jì)算曲線、振動(dòng)臺(tái)測試曲線、調(diào)頻波測試曲線3 者具有很好的吻合度；在低于80 Hz 處，調(diào)頻波曲線和理論計(jì)算曲線也具有很好的吻合度。結(jié)合系統(tǒng)實(shí)測噪聲本底，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍計(jì)算數(shù)值如圖6（b）所示。從圖6（b）可看出，所有頻率點(diǎn)處的動(dòng)態(tài)范圍均高于120 dB，在低于50 Hz 時(shí)，由于噪聲本底受工頻干擾和檢波器慢漂移影響較大，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)范圍下降，但仍高于120 dB。動(dòng)態(tài)范圍曲線在低頻時(shí)（<100 Hz）波動(dòng)較大，是由于在測試系統(tǒng)噪聲本底時(shí)，其低頻段受周圍環(huán)境干擾影響較大，導(dǎo)致本底波動(dòng)較大（如上節(jié)圖5所示）。

2.3 串?dāng)_

由于所使用的光纖檢波器靈敏度較高，易受環(huán)境振動(dòng)信號(hào)的影響，在進(jìn)行串?dāng)_測試時(shí)，不再使用震動(dòng)臺(tái)加載信號(hào)，而是將第1 級(jí)Z方向檢波器中的傳感光纖纏繞在壓電陶瓷上，通過信號(hào)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷來加載信號(hào)，選擇的信號(hào)頻率為160 Hz，峰值幅度為6.85 rad。用此方法測試了第2 級(jí)和第3 級(jí)中各檢波器所受到的串?dāng)_，如表1所示。從表1 可以看出，陣列中最大串?dāng)_和平均串?dāng)_的最大值分別為?67.2 dB 和?71.8 dB，滿足微地震探測的使用要求[23]。

表1 串?dāng)_測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Crosstalk test data statistics

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

3.1 系統(tǒng)部署

光纖檢波器陣列實(shí)物及井下位置部署分別如圖7 和圖8所示。將時(shí)分復(fù)用的12 級(jí)光纖微地震檢波器陣列下入觀測井，各級(jí)檢波器采用推靠機(jī)構(gòu)支撐于套管內(nèi)壁進(jìn)行井下固定，通過井下光纖檢波器陣列拾取目標(biāo)水平井射孔信號(hào)和水力壓裂過程產(chǎn)生的微地震信號(hào)。其中觀測井與目標(biāo)壓裂井的地面井口位置距離為760 m，井下檢波器陣列與目標(biāo)水平壓裂井27 級(jí)改造層段的最近距離為177 m、最遠(yuǎn)距離為497 m。

圖7 光纖檢波器陣列實(shí)物圖Fig.7 Physical drawing of optical fiber detector array

圖8 光纖檢波器陣列井下位置部署示意圖Fig.8 Schematic diagram of underground position deployment of optical fiber detector array

3.2 射孔信號(hào)和微地震信號(hào)

射孔信號(hào)主要用于檢波器方位校正和速度模型擬合修正，信號(hào)波形如圖9（a）所示。射孔信號(hào)幾乎沒有S 波分量，主要是以P 波為主，主要是因?yàn)榕趶椛淇滓鸬膸r石剪切變形較小。圖9（b）、圖9（c）分別為水力壓裂產(chǎn)生的高信噪比和低信噪比微地震信號(hào)，在兩種情況下系統(tǒng)可成功捕捉到微地震P 波、S 波，并進(jìn)行明顯區(qū)分。分別繪制了圖9（b）中的微地震信號(hào)和該信號(hào)之前一段時(shí)間內(nèi)噪聲的頻譜，如圖9（d）所示。典型的微地震信號(hào)主要分布在10 Hz～1 kHz 頻率范圍內(nèi)，通過對(duì)1 000 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行均方差統(tǒng)計(jì)，水力壓裂微地震信號(hào)最高信噪比估值為60 dB。

對(duì)圖9（b）對(duì)應(yīng)的微地震事件，選取陣列中信號(hào)相對(duì)較強(qiáng)的第2 級(jí)檢波器單元，分別繪制了其X、Y、Z不同方向的時(shí)頻圖，如圖10所示。Z分量對(duì)P 波的強(qiáng)度要明顯強(qiáng)于X、Y分量，而X、Y分量中的S 波響應(yīng)比P 波強(qiáng)，說明該檢波器單元中的3 分量檢波器具有明顯的方向性。此外，還可以看出P 波的頻率跨度在200 Hz～500 Hz 之間，而S 波的頻率分布在50 Hz～200 Hz 之間，這也與巖石破裂產(chǎn)生的微地震信號(hào)特征相吻合[24]。

圖9 微地震信號(hào)時(shí)域波形曲線及信號(hào)特征分布Fig.9 Time-domain waveform curves and signal characteristic distribution of microseismic signal

圖10 典型微地震信號(hào)時(shí)頻域圖Fig.10 Time-frequency domain diagram of typical microseismic signal

4 結(jié)論

本論文基于時(shí)分復(fù)用方案設(shè)計(jì)了一種新型的井下3 分量光纖監(jiān)測系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的組成框架、檢波器陣列時(shí)域脈沖序列和對(duì)應(yīng)干涉信號(hào)的相位解調(diào)方法，完成了系統(tǒng)性能參數(shù)室內(nèi)測試，并在水力壓裂作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。監(jiān)測結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠捕捉射孔信號(hào)和各類微地震事件，清楚地展現(xiàn)了微地震信號(hào)中的P 波、S 波；同時(shí)，時(shí)域分析也揭示了所探測微地震事件具有明顯的方向性，其P 波、S 波的頻率分布也具有不同特征，探測結(jié)果為進(jìn)一步開展微地震事件的空間定位和裂縫特征參數(shù)解釋建立了良好基礎(chǔ)。