王 晨,呂公河,徐雷良,牟風明,尚 盈

(1.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)激光研究所,山東濟南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行處理和反演,可以推斷地下的地質(zhì)構造,是油氣勘探中應用最廣泛的技術,并且在地質(zhì)災害預警中也發(fā)揮了重要作用[1]。隨著地震勘探技術研究的深入和精細化,研發(fā)高密度、高靈敏度、長探測距離的地震勘探技術與設備成為國內(nèi)外研究的重點與熱點[2-5]。光纖分布式聲波傳感(distributed fiber acoustic sensor,DAS)技術將光纖同時作為海量的傳感器陣列和傳輸媒介,不僅可以測量傳感光纖上任意位置的信息實現(xiàn)全分布式的測量,還以自身作為傳輸媒介天然完成組網(wǎng)。此技術能夠?qū)崟r測量光纖沿線的參數(shù)變化,具有空間連續(xù)性,能夠精準定位事件位置,又兼具光纖耐惡劣環(huán)境、抗電磁干擾、靈敏度高等優(yōu)點,相比其它地震檢波器,DAS系統(tǒng)具有結(jié)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)有油氣勘探方法技術中最有應用前景的技術[6-8]。國內(nèi)DAS系統(tǒng)研究起步較晚,但成果顯著,如電子科技大學[9]、重慶大學[10]、天津大學[11]、中科院上海光機所[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)上仍是一種隨機過程,存在隨機漲落等問題,雖然通過相位解調(diào)技術可以提高解調(diào)穩(wěn)定性,但仍受偏振衰落等問題的困擾,導致解調(diào)聲場不穩(wěn)定,系統(tǒng)噪聲較高,不能探測極微弱的地震波信號。

為了解決這一問題,武漢理工大學[13]、山東省科學院激光研究所[14]、華中科技大學[15]等單位提出在光纖中插入大量反射率不足1/1 000的無源全同弱光纖光柵(passive weak fiber Bragg gratings)替代瑞利散射,使得后向光穩(wěn)定性顯著增強,降低了系統(tǒng)噪聲。本文將全同弱光柵陣列應用于井中地震勘探,并采用相位載波解調(diào)實現(xiàn)了DAS系統(tǒng)噪聲的壓制,在井中VSP地震資料采集實驗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提供了一種有效解決方案。

1 全同弱光柵陣列分布式測量理論與算法

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模型來描述[16],陣列長度為L,全同弱光柵數(shù)量為N個,假設全同弱光柵等間距,則柵間距Δl=L/N,如圖1所示,當有一束窄線寬激光入射到光纖上,則獲得的全同弱光柵反射信號振幅可表示為:

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振幅;f為入射光頻率;w為入射脈沖寬度;am為第m個弱光柵反射光振幅;τm為第m個弱光柵到接收點的時間延遲,其與輸入端到第m個弱光柵位置的距離lm的關系為:

(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,干涉儀臂長差為s,發(fā)生空間差分干涉,則延時信號振幅可表示為:

(3)

式中:Ed(t)為延時信號振幅;τn=2nfln/c為第n個弱光柵到接收點的時間延遲;τs=2nfs/c為干涉儀引入的延時。

因此經(jīng)過干涉儀后所接收到的總干涉光強I(t)可表示為:

(4)

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

1.2 全同弱光柵陣列復用分析

全同弱光柵陣列復用能力直接影響井中地震波探測的范圍,由前文可知,由于采用的是一維脈沖響應模型,接收到的第N個弱光柵反射光強為:

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

(5)

其中,IN為反射光強,I0為入射光強,R為光柵反射率。

由于弱反射光纖光柵反射率極低,其反射串擾情況如圖2所示,其一階反射串擾光強為:

圖2 全同弱光柵陣列反射串擾示意

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

(6)

光柵個數(shù)越多,需要考慮的一階反射串擾光強的個數(shù)就越多,則N個復用光柵上的一階反射串擾總光強為:

(7)

實際應用中,弱光柵個數(shù)在1 000個以內(nèi),反射率一般為千分之幾,所以(7)式遠遠小于(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

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相位調(diào)制器(PM)加入載波信號進行干涉解調(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為光強直流常數(shù),B為干涉強度常數(shù),C為載波調(diào)制幅度,ωc=2πfc,fc為載波信號頻率,φs(t)為待測聲信號。

圖3中將幅度分別為G、H,角頻率為ωc和2ωc的載波信號與干涉儀的輸出信號進行混頻,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技術并根據(jù)實際需要的頻率范圍進行高通濾波,獲得與被測信號φs(t)成正比的信號S(t),即

S(t)=GHB2J1(C)J2(C)φs(t)

(10)

2 系統(tǒng)設計與指標

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,窄線寬激光器發(fā)出線寬小于3 kHz,功率為10 mW、波長為1 550.12 nm的激光,注入到聲光調(diào)制器,調(diào)制為重復頻率為20 kHz,脈寬為50 ns的脈沖光序列,經(jīng)過帶寬為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)過環(huán)形器分別連接長度為L(L≤c/2fnf)的探測光纜,探測光纜中包含普通單模光纖與全同弱光柵陣列(柵間距5 m,單個弱光柵3 dB帶寬1.27 mm,反射率0.018%,溫度響應10 pm/℃)。光纖/全同弱光柵陣列返回的后向瑞利散射信號/弱光柵反射信號返回到環(huán)形器處,經(jīng)超窄帶寬帶光濾波器再次進行放大器ASE噪聲信號的濾除,進入到經(jīng)復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)過空間差分干涉后的瑞利散射信號分別由光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號,進入到相位載波解調(diào)系統(tǒng)進行相位解調(diào)運算。

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,對其頻響范圍與本底噪聲兩個核心指標進行了測試。取相鄰弱光柵之間1 m長光纖纏繞在壓電陶瓷(PZT)上,使信號發(fā)生器輸出一個幅值為1V的正弦波形模擬聲場頻率輸入到PZT中,改變不同的輸出信號的頻率模擬聲場頻率的變化,輸出信號頻率取0.1,10.0,20.0,80.0,320.0 Hz這幾個特定頻率,對整個全同弱光柵陣列進行聲場快速還原,取其中0.1 s的結(jié)果進行分析,如圖5所示。由圖5可見,系統(tǒng)能準確地解調(diào)出各個頻率的聲波信號且解調(diào)幅值大致相等,說明全同弱光柵陣列DAS系統(tǒng)的頻率響應范圍為0.1～320.0 Hz。解調(diào)信號中還出現(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電壓響應弛豫導致,對主波頻率信號解調(diào)影響輕微。

圖5 全同弱光柵陣列DAS系統(tǒng)頻率響應

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VSP實驗及結(jié)果

井中VSP實驗設計及實驗現(xiàn)場如圖7所示,下井光纜總長4 980 m,包含等長普通單模光纖與全同弱光柵陣列,將下井光纜通過絞車垂直放入井中,光纜入井長度為4 350 m,采用可控震源車提供掃頻地震波信號,頻率范圍為4～90 Hz,同步觸發(fā)采集。為了同時采集同一次地震波信號,實驗中同時使用兩臺相同的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,使用相同的相位載波解調(diào)算法進行對比。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度圖。由圖8可見,各光柵反射信號清晰,光源波長均在光柵帶寬范圍內(nèi)。

圖7 井中VSP實驗設計及實驗現(xiàn)場

圖8 現(xiàn)場光纜弱光柵反射光強度

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。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均存在較強的干擾波。

圖9 不同光纖采集到的VSP資料

進一步對采集到的地震數(shù)據(jù)進行信噪比和頻率分析。圖10為兩種光纖采集的VSP數(shù)據(jù)頻率對比圖。由圖10可見,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,前者能量相對強一些。對圖10中的地震數(shù)據(jù)選擇不同時窗進行信噪比分析,其中分析窗口1選取深度800～1 200 m、時間400～900 ms、頻率10～80 Hz,分析窗口2選取深度1 500～1 900 m、時間600～1 400 ms、頻率10～80 Hz,如圖11所示。從圖11可以看出,對于同一種光纖采集到的VSP數(shù)據(jù)來說,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)頻譜對比

圖11 兩種光纖采集的VSP數(shù)據(jù)信噪比對比

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,并通過相位載波解調(diào)實現(xiàn)了DAS系統(tǒng)噪聲的壓制。在實際資料采集中,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提供了一種有效解決方案,推進行業(yè)整體裝備水平的提高,促進光纖傳感技術在油氣勘探領域的應用,加速新技術在復雜地質(zhì)油氣勘探行業(yè)的推廣,為地震勘探“提質(zhì)”、“降本”、“增效”奠定重要的技術裝備基礎。由于本次實驗條件有限,沒有進行固井等優(yōu)化,因而得到的數(shù)據(jù)仍有很大提升空間,下一步計劃與檢波器數(shù)據(jù)進行對比,消除環(huán)境和地質(zhì)因素的影響。