趙 霏,吳 鵬,王 渝,陳沅忠,3,安樹杰,3,余 剛,3,桑運云,張振權

(1.中聯(lián)煤層氣有限責任公司,北京100016;2.中油奧博(成都)科技有限公司,四川成都611730;3.電子科技大學資源與環(huán)境學院,四川成都611731;4.中國石油集團東方地球物理公司研究院,河北涿州072750)

自20世紀70年代石英光纖研制出來后[1],光纖通信與光纖傳感技術開始被廣泛研究。1982年,HARTOG[2]提出了分布式光纖溫度傳感技術,標志著光纖傳感技術實現(xiàn)了由準分布式到分布式的轉變。分布式光纖傳感技術通過解調外部擾動對光纖中的傳播光的特性(振幅、散射、相位、波長等)變化實現(xiàn)對外界物理量的測量,因其在工程上具有輕便、抗電磁干擾、耐溫耐壓、能夠適應極端復雜條件的特點,在應用上能夠測量電場、磁場、溫度、水聲、壓力、振動、位移、速度、流量等多種物理量,因而迅速成為國內外重點研究和開發(fā)對象。

分布式光纖傳感技術主要包括分布式光纖聲波傳感(DAS)、分布式光纖溫度傳感(DTS)、分布式光纖應變傳感(DSS),在油氣領域的應用始于20世紀90年代,前期主要集中在生產(chǎn)開發(fā)監(jiān)測方面,殼牌公司最早使用DTS對井下溫度場實時測量[3],MOLENAAR等[4]和BORODIN等[5]利用DAS監(jiān)測水力壓裂過程中的泵噪反演裂縫位置及寬度,同時也用于固完井質量評價,PERKINS等[6]利用DAS的低頻信息及微地震事件評估水力壓裂的影響范圍,LUO等[7]提取了水力壓裂過程中DAS微地震記錄的導波反演頁巖的速度和厚度等,ZHANG等[8]、GHOSH等[9]和李海濤等[10]建立了基于DTS反演模型,解釋壓裂水平井的產(chǎn)出剖面。

DAS技術在油氣勘探方面的應用起步稍晚,近年來也取得了快速發(fā)展。MESTAYER等[11]、MATEEVA等[12]將DAS技術應用于井中地震勘探,指出DAS相對于常規(guī)檢波器,具備一次布設全井段接收、高密度、耐高溫耐壓等優(yōu)勢。HULL等[13]、YU等[14]、ELLMAUTHALER等[15]和WILSON等[16]利用永置式光纖獲取高一致性資料,進一步推動DAS-VSP成像由二維到三維,由一次成像到多期次時移成像,并在水力壓裂效果監(jiān)測和碳封存監(jiān)測方面取得了明顯的效果。DOU等[17]、宋政宏等[18]和曹衛(wèi)平等[19]將DAS光纖橫向布設在淺地表,通過面波頻散曲線反演獲得了淺層速度結構。DAS在油氣勘探方面的快速應用,進一步加深了國內外學者對DAS采集過程及數(shù)據(jù)特點的認識,與常規(guī)井中檢波器不同,光纖除了在井中采集接收以外,在光纜內部及地面還有部分冗余長度,為保證DAS數(shù)據(jù)在深度的準確性,WILLIS等[20]利用檢波器數(shù)據(jù)校正DAS深度,MADSEN等[21]利用井中工具深度標志點進行數(shù)據(jù)驅動校正DAS數(shù)據(jù)深度。KUVSHINOV等[22]提出DAS本身為一個單分量傳感器,對軸向應變最敏感,垂向應變最微弱,WILLS等[23]和WU等[24]指出DAS縱橫波隨地震波入射角的響應分別為cos2θ和sin2θ。EAID等[25]、馬國旗等[26]數(shù)值模擬了DAS-VSP的采集記錄,并分析了標距(GL)、脈沖寬度、震源強度等因素對DAS采集質量的影響;MIZUNO等[27]、ALFATAIERGE等[28]討論了DAS解調標距與速度、信噪比的關系,一定范圍內標距越大速度誤差越小,信噪比越高。WILLIS等[29]認為采用單模光纖采集獲取的VSP資料品質更高。李彥鵬等[30]全面對比了不同激發(fā)源獲得的DAS與檢波器資料在頻率、振幅、子波、走廊等方面的差異。針對套管內DAS-VSP特有的耦合干擾,CONSTANTINOU等[31]利用分布式應變和溫度傳感實時監(jiān)測光纜的松弛度,獲取最佳的光纜采集狀態(tài),從采集源頭上減少了耦合干擾;CHEN等[32]提出基于稀疏理論的DCT與小波字典耦合干擾壓制方法,WILLIS等[33]利用預測反褶積方法進行耦合干擾壓制,提高了DAS采集資料的信噪比。

DAS-VSP野外采集是在地面進行三維地震數(shù)據(jù)采集時,井中布設光纜同步接收,用于后續(xù)提取井周圍地層參數(shù)驅動地面地震資料處理。本文給出了DAS-VSP在無檢波器做深度標定的條件下標定光纜深度的方案,提出了對采集數(shù)據(jù)進行時間方向求導與反演耦合干擾減去法的方法,提升了DAS資料信噪比,將提取的全井段高密度的各向異性參數(shù)用于地面地震井控各向異性疊前深度偏移,有效提高了成像精度與分辨率。

1 分布式光纖聲波傳感技術原理

1.1 基于Ф-OTDR的分布式聲波傳感技術

分布式光纖傳感技術是通過將光纖作為感應介質及傳輸介質對幾十千米以內的聲波、溫度、應變進行高密度連續(xù)分布式測量,基于聲波的分布式光纖傳感測量是目前井中地震勘探的主要采集方式。光纖材料的本質是二氧化硅,在其由熔融態(tài)凝固為固態(tài)的過程中,光纖內部會存在密度不均情況,理論上可將這些區(qū)域視為波長遠小于光波長的粒子,此時光束接觸到這些粒子時將向各個方向產(chǎn)生瑞利散射,瑞利散射是一種彈性散射,波長與入射光保持一致,其光強與入射光波長的四次方成反比,具體關系式為:

(1)

式中:IRBS為瑞利散射光強;λ為入射光波長。瑞利散射光強還與散射光和入射光的夾角θ有關:

(2)

圖1 瑞利散射光強隨散射角度變化

將發(fā)生全反射的后向散射光稱為背向瑞利散射,可用作光纖傳感系統(tǒng)的信號光(圖2)。

圖2 光纖傳感瑞利散射產(chǎn)生機理

基于帶相位信息的光時域反射的分布式光纖傳感技術(Ф-OTDR)是解調背向瑞利散射光的相位變化實現(xiàn)對外界信息的測量,其優(yōu)勢是無需直接接觸被觀測對象,而通過介質傳播的振動信號實現(xiàn)對其感知,此外靈敏度高、響應迅速,與井中地震勘探特點高度符合。Ф-OTDR利用相位變化解調信息的方式有兩種:一是分布式振動傳感DVS(distributed vibrate sensing),解調散射信號的強度變化反映外界信息變化,其系統(tǒng)結構相對簡單,能夠對外部時間進行定性測量,但由于背向瑞利散射光是由多個散射信號疊加而成,外界擾動與最終的散射信號強度無線性關系,無法進行定量測量;二是分布式聲波傳感DAS(distributed acoustic sensing),解調散射信號的相位變化對外界擾動信息進行測量,理論上這種相位變化與外界擾動呈線性關系,即DAS能夠定量測量外界擾動信息。

1.2 Ф-OTDR關鍵性能指標

1.2.1 傳感距離

光纖傳感距離是整條光纖能夠解調外界擾動信息的最遠距離,由于光纖聲波傳感通過背向散射光的互相干涉疊加的強度/相位差異從而解調外界擾動信息,而DAS系統(tǒng)是按照某一周期TRBS源源不斷地輸入高相干性的窄線脈沖光源,為避免脈沖光與散射光發(fā)生互相干涉,則同一時間光纖只能存在一束脈沖光。

(3)

式中:L為光纖傳感長度;c為光在真空中的傳播速度;n為光纖折射率。在一定光強范圍內DAS傳感距離L與光能量成正比,而光能量為脈沖寬度τ與脈沖光峰值功率P的乘積。當維持脈沖寬度不變,可通過增大脈沖光峰值功率增強光能量從而擴展光纖傳感距離,但過大將導致產(chǎn)生布里淵散射,從而降低信噪比。

(4)

式中:LSBS為不產(chǎn)生布里淵散射的前提下,通過增強脈沖光峰值功率所能解調的最遠距離;k為聲波波矢;gB為布里淵增益系數(shù);Aeff為纖芯的有效面積;Leff為等效作用長度;ΔvB為布里淵線寬;Δvi為入射光線寬。提升脈沖光峰值功率增加光纖傳感距離范圍有限,在工程應用中,往往是通過擴大脈沖寬度增加光纖傳感距離。

1.2.2 空間分辨率

Ф-OTDR的空間分辨率與瑞利散射發(fā)生干涉的最大光程差相關,如圖3所示,當一束脈沖寬度為τ的入射光由左向右傳播,在tf時刻,入射光前沿產(chǎn)生背向瑞利散射Ef,經(jīng)過Δt時刻后,Ef往左傳播了τ/2,此時入射光后沿產(chǎn)生背向瑞利散射Ee,Ee與Ef將同時到達探測器并發(fā)生干涉,所以空間分辨率Z可表示為:

圖3 Ф-OTDR背向瑞利散射干涉示意

(5)

結合前文可知,光纖傳感距離與空間分辨率主要受脈沖寬度影響,且互相制約,脈沖寬度寬,則傳感距離長,空間分辨率下降,相反,脈沖寬度窄,則傳感距離短,空間分辨率高。

2 DAS-VSP數(shù)據(jù)采集

DAS-VSP采集使用的是國產(chǎn)光纖解調系統(tǒng)uDAS,在井筒周圍進行了光纜布設。目前光纜布設方式主要包含3種:①永置式光纜布設,即光纜安置在最內層套管外部,在固井時隨套管一起下井,最終水泥膠結使光纜與地層直接耦合,該方式采集效果普遍較好,光纜不可回收;②井筒外光纜布設,光纜綁在生產(chǎn)井井筒外部,該方式一般用于油氣開發(fā)中的監(jiān)測;③套管內光纜布設,為本次研究實施的布設方式,光纜隨重物牽引貼合井壁下井,該方式采集光纜可回收,但采集質量易受光纜與井壁的耦合效果影響(圖4)。

圖4 DAS-VSP采集示意

光纖采集預設接收主要參數(shù):光纜采集深度范圍為1～1 900 m全井段采集;時間采樣間距為1 ms;空間采樣間距為1 m;光纖檢波器級數(shù)為1 900級。

獲取的光纖資料如圖5所示,可見光纜獲取的數(shù)據(jù)主要包含光纖傳感區(qū)域與解調冗余區(qū)(該范圍與光纖背景噪聲無關),首先面臨的問題是:如何將光纖解調出的各道數(shù)據(jù)分配到正確的深度位置上,這將影響到后續(xù)DAS-VSP提取的時-深關系、速度、走廊等相關參數(shù)的準確性。

圖5 DAS采集原始資料

結合圖4與圖5可見,光纜在地面有一段余長連接uDAS主機,且考慮到光纖纖芯防拉斷的問題,一般有:

Lc>Lf>Lw

(6)

式中:Lc為光纜長度;Lf為光纜中光纖長度;Lw為井深。光纖檢波器解調間距應大于預設的1 m道間距。

井中檢波器的深度位置較為準確,通過檢波器與光纖的初至及時深關系,能夠較為準確地對光纖深度進行校正,但實際DAS-VSP測井實施中因經(jīng)費原因等無法對每口井進行光纖與檢波器同時測井。通常認為光纖檢波器道間距d與井中光纖通道數(shù)N的乘積為觀測井深DM,故有:

(7)

式中:Xwd與Xwb分別為DAS-VSP測井時井口位置與井底光纖所在道。通過確定Xwd或Xwb為參考道,即可對井中光纖采集深度進行校正。本文采用在井口用一高頻震源為激發(fā)源,確定井口道,并以其為參考點。

圖6為井口試驗采集記錄,對比可大致確定井口范圍為200～300道,在此基礎上,高頻震源與背景噪聲采集結果由t-x域轉換到f-x域,可統(tǒng)計其能量變化。在本試驗中,為避免方法的偶然性,額外采集了兩炮高頻震源記錄,從而確定井口參考道。

圖6 井口試驗采集記錄

如圖7所示,DAS光纖明顯記錄出高頻震源信號與背景噪聲的差異主要集中在300～400 Hz區(qū)間,對其統(tǒng)計能量規(guī)律(圖8),明顯可見高頻記錄能量在第255道皆出現(xiàn)最大值,且能量基本以其為中心迅速衰減,結合公式(7)可算得井底光纖所在道Xwb。

圖7 井口試驗采集記錄不同數(shù)據(jù)的f-x譜

圖8 背景噪聲與高頻震源記錄f-x域能量統(tǒng)計

3 DAS-VSP時間方向求導及耦合干擾壓制

3.1 時間方向求導前后頻譜、信噪比、相位、振幅對比

與常規(guī)速度檢波器檢測速度物理量相比,光纖通過應變感知外界環(huán)境信息,我們將測得的DAS數(shù)據(jù)依次對單道數(shù)據(jù)進行時間方向一階求導,可得到類似于速度方面的信息。圖9為時間求導前、后DAS數(shù)據(jù)對比,可見,時間求導后,紅色虛線框中的上行反射縱波信息明顯增強;圖10為虛線框內時間求導前、后頻譜對比,求導前后頻譜特征基本一致,相比原始DAS數(shù)據(jù),求導后數(shù)據(jù),對低頻成分有壓制作用,對高頻成分有抬升作用;圖11為DAS數(shù)據(jù)時間求導前、后信噪比對比,由圖可見,時間求導對中淺層數(shù)據(jù)信噪比有一定的提升作用。

圖9 DAS數(shù)據(jù)時間求導前(a)、后(b)對比

圖10 DAS數(shù)據(jù)時間求導前、后頻譜對比

盡管時間求導后DAS數(shù)據(jù)的信噪比與高頻成分有所提升,但我們注意到圖9中時間求導后上、下行波的相位出現(xiàn)了差異。圖12為抽取第900 m深度DAS數(shù)據(jù)對比時間求導前、后相位差異,可見時間求導后波形比之前滯后約90°相位。圖13a為抽道疊合顯示了時間求導后的800～1 000 m深度記錄,黑色為時間求導前記錄,紅色為時間求導后記錄,時間求導后下行波、地表多次波、上行反射波均表現(xiàn)出與求導前滯后約90°相位,經(jīng)過90°相移后,主要波形在相位上基本趨于一致(圖13b)。

圖12 抽取第900 m深度DAS記錄時間求導前(黑)、后(紅)相位比較

圖13 800～1 000 m深度,時間求導前、后DAS數(shù)據(jù)(a)和對時間求導后DAS數(shù)據(jù)90°相移后數(shù)據(jù)(b)的抽道疊合顯示

圖14統(tǒng)計了時間求導前、后初至以下100 ms時窗內的歸一化均方根振幅能量,可見時間求導后歸一化均方根振幅能量基本一致,即說明時間求導并不會明顯改變初至相對能量,并不影響后續(xù)井驅參數(shù)真振幅因子Tar與地層吸收衰減系數(shù)Q的求取。

圖14 時間求導前(藍)、后(紅)歸一化初至振幅對比

3.2 反演耦合干擾減去法壓制耦合噪聲

永置式光纖在國內應用較少,目前大多采用可回收光纖(套管內)隨重錘牽引下井布設進行VSP數(shù)據(jù)采集。這種布設方式使得光纜與井壁在局部深度段容易出現(xiàn)耦合效果不佳的情況,如固井質量差、井壁不光滑等原因造成光纜與井壁出現(xiàn)空隙,形成一種光纖VSP數(shù)據(jù)特有的“鋸齒狀”干擾(圖15)。這種鋸齒狀干擾在空間上表現(xiàn)為相對固定,在時間上表現(xiàn)為周期性強,隨時間增加而逐漸變弱,時頻域上顯示頻率特征相對集中(圖16)。

圖15 含有耦合干擾的DAS-VSP采集記錄

圖16 DAS耦合噪聲單道記錄時頻分析

分析研究DAS光纖采集資料耦合噪聲特點,采用反演耦合干擾減去法進行壓制,處理流程主要包括以下步驟。

1)道間能量差異分析得到耦合噪聲的起始結束道序號n1,n2,掃描耦合噪聲傳播速度(圖17),統(tǒng)計每道能量,確定反射系數(shù)Ri。

圖17 DAS耦合噪聲區(qū)域與視速度確定

2)耦合噪聲起始道前若干道下行波作為初始子波W,建立最優(yōu)化方程:

(8)

式中:Di為第i道數(shù)據(jù)。

3)反演子波W(圖18)與擬合噪聲(圖19)。

圖18 DAS初始子波與反演子波

圖19 耦合噪聲反演結果

4)減去擬合噪聲。

圖20為耦合噪聲壓制前、后的結果。針對耦合噪聲段進行去噪處理,可以得到高信噪比資料。這種去噪方式能夠最大程度地去除干擾波,并能較好地保留VSP有效反射信息。

圖20 耦合噪聲壓制前(a)、后(b)記錄

4 DAS-VSP井驅應用效果

光纖檢波器直接置于井中,具有確定的時深關系、準確的地層信息、豐富直觀的波場,但其信息空間分布不均勻,缺乏宏觀能力。地面地震的優(yōu)點在于其觀測系統(tǒng)靈活、成像孔徑大,但時深關系不確定、無直接地層信息。DAS-VSP數(shù)據(jù)提取出的層速度、各向異性參數(shù)信息可用于井控各向異性速度場的建立,其中各向異性參數(shù)是井附近的隨深度變化的一維函數(shù),在井周圍各向異性橫向變化相對緩慢,通過地面解釋層位約束內插可實現(xiàn)各向異性參數(shù)場的建立。研究區(qū)地下構造相對平緩,在近水平層狀介質條件下,利用DAS-VSP的變偏移距的初至走時,進行各向異性參數(shù)反演:

v=v0(1+δsin2θcos2θ+εsin4θ)

(9)

式中:v為入射角為θ時的地震波速度;v0為VTI介質對稱軸方向的地震波速度。通過雙參數(shù)同時掃描,當?shù)仁絻啥瞬钪底钚r,求得各向異性參數(shù)最優(yōu)解。井控疊前各向異性深度偏移將構造約束的疊前深度速度場作為初始速度場,研究區(qū)本溪組以上采用井約束沿層速度迭代和網(wǎng)格層析,后加入井控各向異性參數(shù)(圖21)迭代得到最終疊前深度偏移速度場。

圖21 不同深度各向異性參數(shù)δ與ε掃描結果

圖22對比了井控疊前各向異性深度偏移前、后剖面,可見井約束的各向異性深度偏移剖面中淺層偏移畫弧現(xiàn)象得到明顯壓制,深度歸位更加準確,高頻部分得到大幅拓展(圖23)。圖24為井驅處理后最終成果連井剖面,研究區(qū)主要目的層石千峰組和太原組井震深度誤差小于0.15%(表1)。

圖24 井控偏移最終剖面與井震標定

表1 主要目的層誤差分析表

5 結束語

本文討論了光纖聲波傳感技術(DAS)在實際井中數(shù)據(jù)采集過程中解決的一些問題,分析了DAS-VSP采集資料的特點,研究了DAS-VSP數(shù)據(jù)的去噪處理與井驅處理應用,得到以下認識。

1)套管內光纖布設目前仍然是國內DAS-VSP數(shù)據(jù)采集的主要方式,結合光纖折射率、尾端冗長及井口定位的方法,在沒有井中檢波器的條件下,能夠解決井中光纖的深度定位問題。

2)套管內DAS-VSP采集資料經(jīng)過時間求導后,可轉換成類似于速度檢波器的資料,由應變變化轉化為應變率的變化。時間求導后信噪比、上行波能量、高頻成分得到提升,與原始采集資料的相位相差約90°。

3)耦合干擾是套管內DAS-VSP采集中存在的難以避免的干擾,采用反演耦合干擾減去法能夠對其進行有效的壓制,從去噪后井地聯(lián)采數(shù)據(jù)中提取的速度與各向異性參數(shù)信息,進行井控各向異性疊前深度偏移,有效地提高了地面地震成像的精度與分辨率。