茍 量,張少華,余 剛,,王熙明,吳俊軍,王 渝,夏淑君

(1.中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司,河北涿州072751;2.中油奧博(成都)科技有限公司,四川成都611731)

光纖傳感技術(shù)始于1977年,伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來,是衡量一個(gè)國家信息化程度的重要標(biāo)志。光纖傳感技術(shù)已廣泛用于軍事、國防、航天航空、工礦企業(yè)、能源環(huán)保、工業(yè)控制、醫(yī)藥衛(wèi)生、計(jì)量測試、建筑和家用電器等領(lǐng)域且有著廣闊的應(yīng)用市場。世界上已有光纖傳感技術(shù)上百種,諸如溫度、壓力、流量、位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、彎曲、液位、速度、加速度、聲場、電流、電壓、磁場及輻射等物理量,都實(shí)現(xiàn)了不同性能的傳感。

光纖傳感系統(tǒng)可以用于地面三分量地震信號、海洋四分量地震信號、地面和海洋三分量電磁信號和井下壓力、溫度、噪聲、振動(dòng)、聲波、地震波、流量、流體組分、電場和磁場等的測量。該系統(tǒng)以全鎧裝光纜結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),傳感器的連接以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫|都用光纖制成。目前有多種地下、海洋和井下鎧裝光纜的布設(shè)方法,比如埋放在地表以下的淺溝內(nèi)、拖曳在海洋地震數(shù)據(jù)采集船的船尾、沉放在海底、埋置在海底下的淺溝內(nèi)、安放在井下控制管線內(nèi)、投放到連續(xù)油管內(nèi)、直接集成到復(fù)合材料制成的連續(xù)油管管壁中、捆綁固定在連續(xù)油管外側(cè)、投放在套管內(nèi)和捆綁在套管外側(cè)并用固井水泥進(jìn)行永久性固定等布設(shè)方法。

除了用作分布式光纖傳感器件和數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆z裝光纜外,還有各類光纖傳感器件可以替代傳統(tǒng)的電子傳感器用作地球物理探測系統(tǒng)的傳感單元或模塊,比如光纖水聽器、單分量或三分量光纖檢波器、光纖MEMS傳感器、光纖電場傳感器、光纖磁場傳感器、光纖應(yīng)變傳感器、光纖溫度傳感器和光纖壓力傳感器等。這些光纖傳感器可以集成到陸地、海洋和井下地球物理勘探數(shù)據(jù)采集設(shè)備中去,開發(fā)出不同應(yīng)用場景的光纖地球物理勘探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),解決目前傳統(tǒng)的地球物理勘探儀器存在的體積大、功耗大、易受外界電磁干擾、不耐高溫、不耐高壓、數(shù)據(jù)傳輸率低等缺陷,真正實(shí)現(xiàn)地球物理勘探儀器的更新?lián)Q代。本文主要對地震數(shù)據(jù)采集中的分布式光纖、地面光纖、海洋光纖和井中光纖等技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)介紹,最后展望了未來光纖地球物理技術(shù)的發(fā)展。

1 分布式光纖傳感技術(shù)簡介

分布式光纖傳感技術(shù)采用光纖作為傳感介質(zhì)和傳輸信號介質(zhì),通過測量光纖中特定散射光的信號反映光纖自身或所處環(huán)境的應(yīng)變或溫度的變化,一根光纖可實(shí)現(xiàn)成百上千個(gè)傳感點(diǎn)的分布式傳感測量。分布式光纖傳感器則是一種全分布式的測量技術(shù),其工作原理是基于向后散射效應(yīng),集傳感與傳輸于一體,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量與監(jiān)控,一次測定就可獲得整個(gè)光纖分布區(qū)域的空間參數(shù)分布,能夠測得長達(dá)幾十上百公里外的信息。工程中常用的分布式光纖傳感技術(shù)根據(jù)光纖中光的散射原理可分為3類,即基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)、基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)和基于拉曼散射的分布式光纖傳感技術(shù)。近些年,快速發(fā)展起來的分布式光纖傳感技術(shù)系列包括分布式光纖聲波傳感(distributed acoustic sensing,DAS)、分布式光纖溫度傳感(DTS)和分布式光纖應(yīng)變傳感(DSS)技術(shù)等,是一種利用光纖作為傳感敏感元件和傳輸信號介質(zhì)的傳感系統(tǒng)。分布式光纖傳感器是采用獨(dú)特的分布式光纖探測技術(shù),對沿光纖傳輸路徑上的空間分布和隨時(shí)間變化信息進(jìn)行測量或監(jiān)控的傳感器。它將傳感光纖沿場排布,可以同時(shí)獲得被測場的空間分布和隨時(shí)間變化的信息,對許多工業(yè)應(yīng)用都頗有吸引力。

DAS是一種可以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)和聲場連續(xù)分布式探測的新型傳感技術(shù)。它利用窄線寬單頻激光在光纖中激發(fā)的相干瑞利散射對應(yīng)變化高度敏感的特性,結(jié)合反射計(jì)原理,對與光纖相互作用的環(huán)境振動(dòng)與聲場信息進(jìn)行長距離、高時(shí)空精度地感知。DAS是近年迅速發(fā)展的高密度、低成本的地震信號觀測技術(shù)。DAS利用相干瑞利散射光的相位而非光強(qiáng)來探測音頻范圍內(nèi)的聲音或震動(dòng)等信號,不僅可以利用相位幅值大小提供聲音或震動(dòng)事件強(qiáng)度信息,還利用線性定量測量值實(shí)現(xiàn)對聲音或震動(dòng)事件相位和頻率信息的獲取?？梢哉J(rèn)為,DAS是一個(gè)移動(dòng)干涉式聲波傳感器沿傳感光纖探測外界信號,當(dāng)聲音或震動(dòng)信號引起該位置干涉光相位的線性變化時(shí),通過提取該位置不同時(shí)刻的干涉信號并解調(diào),就可實(shí)現(xiàn)對外界物理量的定量測量。DAS測量過程包括激光器沿著光纖發(fā)出光脈沖,一些光以反向散射的形式與入射光在脈沖內(nèi)發(fā)生干涉,干涉光反射回來以后,反向散射的干涉光回到信號處理裝置,同時(shí)將光纖沿線的震動(dòng)聲波信號帶到信號處理裝置。由于光速在光纖中保持不變,因此,可得到每米光纖聲波振動(dòng)的測量結(jié)果。

近年來,DAS技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展,使其入選了“2020年全球石油十大科技進(jìn)展”。這種獨(dú)一無二的信息感知能力,使得DAS技術(shù)受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。DAS技術(shù)性能不斷提升,應(yīng)用快速發(fā)展,已在周界安防入侵檢測、鐵路安全在線監(jiān)測和地球物理勘探等方面展示了其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢和潛力。在地球物理勘探領(lǐng)域,DAS系統(tǒng)應(yīng)用于地表、井中和海底的地震數(shù)據(jù)采集,井下氣體或液體流動(dòng)噪聲記錄;分布式光纖溫度傳感(DTS)系統(tǒng)多年來已廣泛應(yīng)用于井中溫度測量和監(jiān)測;分布式光纖應(yīng)變傳感(DSS)系統(tǒng)則開始應(yīng)用于井下地應(yīng)力測量和監(jiān)測,地層壓力異常區(qū)內(nèi)的套管變形和套損的長期監(jiān)測。分布式光纖傳感器具有質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、靈敏度高和適用于復(fù)雜環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于油氣井全生命周期的安全監(jiān)測中。

圖1是分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)工作原理示意。當(dāng)?shù)卣鸩?聲波)作用到局部光纖上時(shí),局部光纖會(huì)產(chǎn)生微應(yīng)變(拉伸或壓縮),造成沿光纖的光程發(fā)生變化,由于光彈效應(yīng),光纖纖芯的折射率會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變,從而引起光纖纖芯中瑞利散射干涉光信號相位的變化,通過相位敏感型光時(shí)域反射儀器(Φ-ODTR)的干涉光信號測量、相位解調(diào)和信號處理,即可實(shí)現(xiàn)分布式光纖聲波傳感。當(dāng)對整段光纖纖芯中瑞利散射干涉光信號相位進(jìn)行連續(xù)測量時(shí),圖1中右側(cè)受地震波作用的光纖段連續(xù)兩次相位測量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)差異,產(chǎn)生由局部光纖微應(yīng)變引起的相位異常,而沒有受地震波作用的其它光纖段,連續(xù)相位測量的結(jié)果則只有背景噪聲。當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ诮橘|(zhì)中以固定速度從光纖的一端傳播作用到光纖的另一端時(shí),通過對全段光纖纖芯中瑞利散射干涉光信號相位的實(shí)時(shí)連續(xù)測量和解調(diào),就可以獲得地震波沿光纖傳播時(shí)的震動(dòng)信號,或沿介質(zhì)傳播的地震信號記錄。因此,可以通過埋設(shè)在地下、拖曳在水中、鋪設(shè)或埋置在海底和布放到井下的鎧裝光纜,實(shí)時(shí)記錄人工震源激發(fā)或天然誘發(fā)的地震信號,實(shí)現(xiàn)用分布式光纖采集陸地、海洋和井中的地震數(shù)據(jù)。

圖1 分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)工作原理示意

2 地面光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

常規(guī)地面地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是有線或無線節(jié)點(diǎn)式單分量或三分量檢波器,這類檢波器一般是動(dòng)圈式檢波器、壓電式檢波器、數(shù)字式檢波器、加速度式檢波器或MEMS檢波器。地面光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則是由逐點(diǎn)布設(shè)在地面的單分量或三分量光纖檢波器采集地面二維或三維地震數(shù)據(jù),或者在地下埋置鎧裝光纜,采集沿鎧裝光纜分布的分布式光纖地震數(shù)據(jù)。

圖2是某科研單位的地面單分量光纖檢波器實(shí)物照片以及數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場的光纖檢波器埋置方式。圖3是埋置在地面下淺溝內(nèi)采集地面地震數(shù)據(jù)的鎧裝螺旋光纜實(shí)物照片。在地面工區(qū)內(nèi),按照二維檢波器測線或三維測網(wǎng)布設(shè)光纖檢波器,或者沿著地面檢波器測線或測網(wǎng)開挖淺溝埋置鎧裝螺旋光纜,配合地面人工震源組成的光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),就可以進(jìn)行地面光纖地震數(shù)據(jù)采集。

圖2 地面單分量光纖檢波器和連接光纜實(shí)物照片(a)及在地面的布設(shè)方式(b)

圖3 陸地用鎧裝螺旋光纜實(shí)物照片

目前,地面地震勘探正朝著“輕量化”的趨勢發(fā)展。2020年,沙特某石油公司在沙漠區(qū)嘗試了使用埋置的鎧裝螺旋光纜進(jìn)行地面和井中立體地震勘探試驗(yàn),即在沙漠地表區(qū)埋置鎧裝螺旋光纜并與淺井中布設(shè)的垂直光纖陣列同時(shí)接收地面可控震源激發(fā)的人工震源信號,此外在地面采集了常規(guī)動(dòng)圈式檢波器數(shù)據(jù)并與光纖采集的地面地震數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證對比[1]。圖4是這次試驗(yàn)使用DAS調(diào)制解調(diào)儀器和地面與井中布設(shè)的鎧裝螺旋光纜,進(jìn)行“淺”、“深”和“FWI”接收網(wǎng)格的地面和井中多尺度地震數(shù)據(jù)采集的試驗(yàn)現(xiàn)場施工照片及測網(wǎng)布設(shè)示意。

圖4 沙特某石油公司在沙漠中用鎧裝螺旋光纜進(jìn)行淺井中和地面多尺度地震數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)現(xiàn)場施工照片及測網(wǎng)布設(shè)示意

常規(guī)動(dòng)圈式檢波器采集地面地震數(shù)據(jù)時(shí),其感應(yīng)的地震信號的振幅大小和檢波器磁芯延伸方向與地震縱波傳播方向的夾角或縱波的入射角θ相關(guān),二者呈cosθ的關(guān)系,即在垂直向上方向cos0=1時(shí),垂直檢波器接收的反射縱波振幅最大,在水平方向cos90°=0時(shí),垂直檢波器接收的反射縱波振幅最弱。用埋置在地面下的直光纖采集地面地震數(shù)據(jù)時(shí),其感應(yīng)的地震信號的振幅大小也和光纖延伸方向與地震縱波傳播方向的夾角或縱波的入射角θ相關(guān),但是二者呈cos2θ的關(guān)系,即當(dāng)cos20=1時(shí),水平埋置的直光纖接收的地震波水平分量的振幅最大,當(dāng)cos290°=0時(shí),接收垂直向上的反射縱波信號最弱。因此,在生產(chǎn)中一般只用埋置在地面下的直光纖采集地震面波的數(shù)據(jù),螺旋管方式繞制的鎧裝螺旋光纜則用來采集地面地震數(shù)據(jù)。

圖5是直光纖和螺旋管光纖對彈性波在不同入射角情況下的響應(yīng)特征[2]。實(shí)線和虛線表示的是光纖對彈性波在不同的縱波速度和橫波速度模型上的響應(yīng)。從圖中可以看出,直光纖在彈性波入射角為0和180°時(shí)的響應(yīng)最大,在90°和270°時(shí)響應(yīng)為0。而螺旋管光纖對彈性波的響應(yīng)在所有入射角情況下的響應(yīng)都不為0。這個(gè)特點(diǎn)可以用圖6說明[2],圖6a 表示光纖以螺旋管方式纏繞在光纜中,圖6b是沿AB線展平螺旋光纜后的光纖分布示意。對于垂直于光纜延伸方向入射的縱波,在沿AB線展平螺旋光纜后光纖上的響應(yīng)不為0(入射角θ≠90°)。此外,常規(guī)動(dòng)圈式檢波器記錄的是檢波器位置處彈性波傳播速度的數(shù)據(jù),單位是m/s,而分布式光纖記錄的是光纖在某個(gè)受到彈性波影響位置的光纖位移量數(shù)據(jù),單位是m。因此我們需要對DAS數(shù)據(jù)進(jìn)行對時(shí)間的微分處理,將其單位由位移(m)轉(zhuǎn)變成速度(m/s)后才能進(jìn)行對比。

圖5 直光纖與螺旋光纖對不同入射角彈性波的響應(yīng)[2]

圖6 光纖以螺旋管方式纏繞在光纜中(a)和用以測量側(cè)向傳播過來的彈性波能量,沿AB線展平光纜后(b)[2]

沙漠環(huán)境以其復(fù)雜的近地表環(huán)境和數(shù)據(jù)質(zhì)量差而聞名。長波長速度的變化往往導(dǎo)致低起伏構(gòu)造的錯(cuò)誤成像[3],而小尺度的非均勻性構(gòu)造導(dǎo)致嚴(yán)重的散射和低質(zhì)量地震數(shù)據(jù)[4-5]。一種解決方案是利用地面光纖和井中的垂直光纖陣列進(jìn)行地面地震和井中地震數(shù)據(jù)的同時(shí)采集,通過引入井中采集的地震數(shù)據(jù)最大程度的減少構(gòu)造的不確定性,但由于移動(dòng)的沙子導(dǎo)致的地面高程變化使得在不同時(shí)期采集的地面地震和井中地震數(shù)據(jù)聯(lián)合處理面臨挑戰(zhàn)。

圖7是沙特某石油公司進(jìn)行的陸地地面地震和垂直陣列DAS同步采集試驗(yàn)的二維測線布設(shè)示意。圖7a顯示了一個(gè)實(shí)際的現(xiàn)場地震采集實(shí)驗(yàn)設(shè)置,其中連續(xù)的DAS光纜沿著地表進(jìn)入井口,到井底后再回到地面,繼續(xù)延伸到下一口井。使用間距10 m的4臺可控震源同步激發(fā)疊加,采集了數(shù)條二維測線的數(shù)據(jù)。DAS儀器解調(diào)標(biāo)距為7 m,道間4 m,總共有2 850個(gè)震源點(diǎn)和大約1 200個(gè)DAS數(shù)據(jù)道,其中1/4的數(shù)據(jù)道位于井下。從井中15 m處抽取DAS共檢波點(diǎn)道集與早期采集的地面常規(guī)檢波器記錄的共檢波點(diǎn)道集進(jìn)行對比,得到如下結(jié)論:①DAS原始數(shù)據(jù)與檢波器采集的原始數(shù)據(jù)在運(yùn)動(dòng)學(xué)特征上相當(dāng),但DAS展現(xiàn)了更多的細(xì)節(jié)信息;②去噪后的DAS數(shù)據(jù)與檢波器數(shù)據(jù)在頻譜特征上近似一致;③DAS數(shù)據(jù)疊加成像與檢波器疊加成像結(jié)果在交匯處基本形成閉合,進(jìn)一步驗(yàn)證了DAS數(shù)據(jù)的可靠性。

圖7 沙特某石油公司進(jìn)行的陸上地面地震和垂直陣列DAS同步采集試驗(yàn)的二維測線示意

圖8對比了使用DAS(左)和地震檢波器早先采集的地震數(shù)據(jù)疊加剖面(右)。用DAS數(shù)據(jù)成像的淺部和深部的反射數(shù)據(jù)剖面與地面地震的成像結(jié)果非常相似。在兩種數(shù)據(jù)成像剖面的交叉位置,從地面到3 s記錄(大約5 km深處)處的反射界面對應(yīng)得非常好。這樣的一致性證實(shí)了DAS數(shù)據(jù)具有卓越的靈敏度,盡管淺孔之間的間距很大,DAS數(shù)據(jù)同樣具有能夠獲得與地面地震數(shù)據(jù)相當(dāng)?shù)某上衲芰Α?/p>

3 海洋光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

目前的海洋地震數(shù)據(jù)采集方式主要有3種,一種是單分量、二分量、三分量或四分量海洋地震數(shù)據(jù)采集纜(Streamer)拖曳在采集作業(yè)船的尾部,另一種是三分量或四分量海底地震數(shù)據(jù)采集纜(OBC)沉入海底,還有一種是獨(dú)立的三分量或四分量海底地震數(shù)據(jù)采集站(OBS和OBN)沉到海底,在海洋地震氣槍激發(fā)源在水中拖移激發(fā)時(shí)采集海洋地震數(shù)據(jù)。目前行業(yè)內(nèi)使用最廣泛的是常規(guī)的水聽器、單分量檢波器、三分量檢波器和壓電晶體水聽器采集單分量、二分量、三分量或四分量海洋地震數(shù)據(jù)。從甲板上給遠(yuǎn)離拖曳作業(yè)船數(shù)公里甚至數(shù)十公里遠(yuǎn)的海洋地震數(shù)據(jù)采集纜上眾多的數(shù)據(jù)采集短節(jié)進(jìn)行供電是十分困難和有限的。此外,目前三分量檢波器加水聽器陣列采集的海洋四分量地震數(shù)據(jù)完全靠鎧裝電纜從數(shù)據(jù)采集纜向拖曳作業(yè)船傳輸,由于長距離(數(shù)公里到數(shù)十公里)電纜數(shù)據(jù)傳輸?shù)木窒扌?很難實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)向拖曳作業(yè)船的高速實(shí)時(shí)傳輸。以上因素極大地限制了大道數(shù)或超大道數(shù)和大長度或超大長度海洋地震數(shù)據(jù)采集纜(Streamer或OBC)技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用。

由三分量(或矢量)光纖檢波器和光纖聲壓水聽器構(gòu)成的海洋地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則可以克服傳統(tǒng)的電子檢波器和壓電水聽器組成的四分量海洋地震數(shù)據(jù)采集纜目前存在的問題。此系統(tǒng)內(nèi)的光纖四分量檢波器無需供電,采集纜內(nèi)也無其它任何電子器件,可以實(shí)現(xiàn)多條平行拖曳的超長距離海洋地震數(shù)據(jù)采集光纜的超高速數(shù)據(jù)傳輸,光纖檢波器同時(shí)具有更寬的頻率響應(yīng)范圍(0.1～1 000.0 Hz)和平坦的頻響曲線,可以采集到比傳統(tǒng)的電子檢波器和壓電水聽器更高質(zhì)量和更寬頻帶的四分量海洋地震數(shù)據(jù)。

目前三分量光纖矢量傳感器(檢波器)有強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器、相位調(diào)制光纖傳感器、頻率調(diào)制光纖傳感器、偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器、波長調(diào)制光纖傳感器和全保偏光纖加速度矢量傳感器,三分量光纖矢量傳感器也是三分量地震信號檢波器。光纖聲壓水聽器可分為干涉型光纖水聽器、光纖光柵型水聽器,光纖激光水聽器。干涉型光纖水聽器可分為調(diào)幅型光纖水聽器、調(diào)相型光纖水聽器、偏振型光纖水聽器。較傳統(tǒng)壓電晶體水聽器相比,光纖水聽器靈敏度高,可以探測微弱信號;抗電磁干擾和信號串?dāng)_能力強(qiáng),可以遠(yuǎn)距離傳輸;而且體積小,易于布放實(shí)施,收放容易,高可靠性,并且可以大規(guī)模組網(wǎng)。光纖地震數(shù)據(jù)采集短節(jié)內(nèi)如果只包含光纖聲壓水聽器,采集短節(jié)只能采集單分量海洋地震數(shù)據(jù)。如果采集短節(jié)內(nèi)包含光纖聲壓水聽器和三分量光纖矢量檢波器,采集短節(jié)則可以采集四分量海洋地震數(shù)據(jù)。

圖9是美國某公司的光纖檢波器系統(tǒng)(OptiPhone-HD),3個(gè)單分量的光纖加速度計(jì)按照相互正交的方式安裝在金屬壓力容器內(nèi),相比電磁檢波器系統(tǒng),能節(jié)省10%開支。OptiPhone-HD系統(tǒng)是全方位傳感系統(tǒng),典型的基元間距為15 m,也可根據(jù)需要調(diào)整基元間距。采樣率為4 000,2 000,1 000,500,250 Hz。靈敏度為1 ng/bit。工作溫度等級為85℃,150℃和200℃ 3種。直徑為52 mm,長度為555 mm,重量為5.0 kg。本底噪聲小于50?？俁MS噪聲(3～400 Hz)為180 ng。頻率響應(yīng)為1～600 Hz。動(dòng)態(tài)范圍(在400 Hz)為130 dB,系統(tǒng)時(shí)間精度為1 ms。

圖9 美國某公司的三分量光纖加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意

英國某公司在挪威對一條長1.4 km的256基元光纖矢量檢波器岸基陣進(jìn)行了海上試驗(yàn)。該岸基陣通過時(shí)分復(fù)用(TDM,一種通過不同信道或時(shí)隙中的交叉位脈沖,同時(shí)在同一個(gè)通信媒體上傳輸多個(gè)數(shù)字化數(shù)據(jù)、語音和視頻信號等的技術(shù))和波分復(fù)用(WDM,利用多個(gè)激光器在單條光纖上同時(shí)發(fā)送多束不同波長激光的技術(shù))技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在一根光纖上集成了256個(gè)矢量傳感器基元,進(jìn)一步通過SDM技術(shù)構(gòu)建了具有8 192個(gè)四分量矢量探測單元的大規(guī)模矢量探測系統(tǒng)。在這一系統(tǒng)中,單矢量探測基元采用了三軸分立式結(jié)構(gòu)(圖10)。

圖10 英國某公司的256基元光纖矢量檢波器原理(a)和實(shí)物(b)

圖11是由某公司生產(chǎn)的拖曳式海洋四分量光纖矢量探測纜及采集的數(shù)據(jù)。用此纜和氣槍震源配合,在南海進(jìn)行了二維海洋地震數(shù)據(jù)的采集試驗(yàn),其數(shù)據(jù)與使用常規(guī)海洋雙檢(集成水檢和陸檢的檢波器組)拖纜采集的數(shù)據(jù)基本一致[6]。目前該公司的光纖標(biāo)量水聽器已研制成拖曳聲吶系統(tǒng)、海底固定式探測系統(tǒng)和聲全息探測系統(tǒng),基元數(shù)根據(jù)實(shí)際需要從128基元到1 024基元,并進(jìn)行了大量的海上試驗(yàn),充分驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能。同期開展了四分量光纖矢量檢波器基元技術(shù)和成陣技術(shù)的研制,用于拖曳陣和潛標(biāo)垂直陣兩型的四分量光纖矢量檢波器已初步定型,并且完成了32基元的光纖矢量檢波器的成陣和海上試驗(yàn),正在進(jìn)行16～64基于高靈敏度光纖四分量矢量潛標(biāo)探測系統(tǒng)的驗(yàn)證。這些工作為光纖矢量地震檢波系統(tǒng)研究奠定了較好基礎(chǔ)。海底節(jié)點(diǎn)式光纖四分量聲波(地震)信號采集系統(tǒng)如圖12所示。這種系統(tǒng)非常類似于現(xiàn)在海底地震數(shù)據(jù)采集作業(yè)廣泛使用的常規(guī)海底采集節(jié)點(diǎn),但是其自帶光學(xué)和信號處理單元,內(nèi)置三分量光纖檢波器和光纖聲壓水聽器,通過配重下沉海底,數(shù)據(jù)采集結(jié)束后,拋載配重后依靠浮力艙上浮水面進(jìn)行回收。

圖11 拖曳式海洋四分量光纖矢量探測纜及采集的數(shù)據(jù)

圖12 海底節(jié)點(diǎn)式光纖四分量聲波(地震)信號采集系統(tǒng)(a)及實(shí)物照片(b)

圖13是挪威某公司的OptoSeisTM永久油藏監(jiān)測系統(tǒng)使用的海底光纖四分量地震信號采集單元,圖14 為海底光纖四分量OBC在海底的布設(shè)方式示意。OptoSeisTM永久油藏監(jiān)測系統(tǒng)在海底沒有任何電子器件,這意味著此系統(tǒng)可以輕量化、安全和可靠運(yùn)行超過20年,無需干預(yù)。在有些應(yīng)用中,海底光纖四分量OBC陣列中沒有電池或電力驅(qū)動(dòng)電路也有助于將各種雙向信號路徑配置為完全冗余的環(huán)路。利用高通道數(shù)單模光纖,此OBS所使用的輕質(zhì)光纜設(shè)計(jì)的直徑為20.7 mm,但抗拉強(qiáng)度可支持OptoSeisTM系統(tǒng)部署在3 000 m水深處,安全系數(shù)高,長度可達(dá)70 km。

圖13 挪威某公司OptoSeisTM永久油藏監(jiān)測系統(tǒng)使用的海底光纖四分量地震信號采集單元

圖14 挪威某公司OptoSeisTM海底永久油藏監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)及作業(yè)示意

4 井中光纖地震數(shù)據(jù)采集及其應(yīng)用

常規(guī)井中地震數(shù)據(jù)采集都是使用井下三分量檢波器或三分量檢波器加水聽器陣列,由每級三分量或四分量檢波器自帶的推靠裝置將檢波器緊緊地推靠在井壁或套管內(nèi)壁上,用地面人工激發(fā)的炸藥震源、重錘震源或可控震源中的一種震源來采集井中垂直地震剖面(VSP)數(shù)據(jù)。由于每級三分量或四分量檢波器的自重比較大,目前標(biāo)準(zhǔn)的七芯鎧裝電纜一次只能連接100級井下三分量或四分量檢波器陣列,另外,由于深井中的高溫高壓環(huán)境對檢波器內(nèi)部的電子元器件是極大的挑戰(zhàn),因此目前用井下電纜進(jìn)行長距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罡咚俣戎挥? MB/s,當(dāng)井下連接的檢波器陣列太大時(shí),只能依靠犧牲采樣率來實(shí)現(xiàn)井下采集的多分量地震數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。上述客觀因素嚴(yán)重制約了井下常規(guī)地震數(shù)據(jù)采集設(shè)備的發(fā)展和井中地震技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

近年來,國內(nèi)外已經(jīng)研制出耐高溫、耐高壓、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、能進(jìn)行高速數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娜饫w井下三分量或四分量檢波器陣列,并進(jìn)行了井中地震數(shù)據(jù)采集和儲層改造水力壓裂微地震監(jiān)測試驗(yàn),已經(jīng)可以投入井中地震數(shù)據(jù)采集和微地震監(jiān)測的生產(chǎn)作業(yè)。

圖15是英國某公司生產(chǎn)的井下三分量光纖檢波器陣列(BOSS)實(shí)物照片。該系統(tǒng)可以一次連接100級三分量光纖檢波器下井,鎧裝光電復(fù)合纜長度可達(dá)20 000 m,三分量光纖檢波器頻帶寬度為0.5～500 Hz,耐溫300°,耐壓30 000 psi,井口到第一級光纖檢波器之間的光電復(fù)合纜可以在井下采集三分量光纖VSP數(shù)據(jù)的同時(shí)同步采集DAS-VSP數(shù)據(jù),空間分辨率可達(dá)0.8 m。其地面DAS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SULIS)和光電復(fù)合纜也可以和該公司的傳統(tǒng)井下三分量檢波器陣列相兼容(GeoDAS),可以在采集井下常規(guī)三分量檢波器VSP數(shù)據(jù)的同時(shí)采集DAS-VSP數(shù)據(jù)。

圖15 英國某公司生產(chǎn)的井下三分量光纖檢波器陣列實(shí)物照片

北京大學(xué)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)研制成功了光纖加速度檢波器(圖16)和井下三分量光纖檢波器陣列(FOSS)(圖17)。圖17a是北京大學(xué)研制的光纖加速度檢波器實(shí)物照片。該FOSS系統(tǒng)已經(jīng)在新疆油田進(jìn)行了水力壓裂井下微地震監(jiān)測現(xiàn)場試驗(yàn),圖18是井下三分量光纖加速度檢波器陣列(FOSS)采集的井中三分量地震數(shù)據(jù)。此井下三分量光纖加速度檢波器陣列在新疆油田記錄的微地震數(shù)據(jù)及頻譜響應(yīng)如圖19 所示。圖20是井下三分量光纖加速度檢波器陣列和常規(guī)井下三分量電磁檢波器陣列(GEO)分別在不同監(jiān)測井內(nèi)記錄的同一水平井水力壓裂微地震數(shù)據(jù)處理結(jié)果。圖20a和圖20b是FOSS系統(tǒng)記錄到的微地震事件在x-y平面和x-z平面上的展布;圖20c和圖20d是GEO系統(tǒng)記錄到的微地震事件在x-y平面和x-z平面上的展布。

圖16 北京大學(xué)研制的基于光學(xué)邁克爾遜干涉儀光纖加速度檢波器(FOSS)結(jié)構(gòu)示意

圖17 北京大學(xué)研制的井下三分量光纖加速度檢波器實(shí)物照片(a)和陣列(FOSS)實(shí)物照片(b)

圖18 井下三分量光纖加速度檢波器陣列記錄的井中三分量地震數(shù)據(jù)

圖19 井下三分量光纖加速度檢波器陣列采集的微地震數(shù)據(jù)及頻譜響應(yīng)

圖20 井下三分量光纖加速度檢波器陣列和常規(guī)井下三分量檢波器陣列(GEO)分別在不同井內(nèi)記錄的同一水平井微地震數(shù)據(jù)處理結(jié)果

基于DAS技術(shù)的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用耐高溫、耐氫損和抗腐蝕的光纖本身作為傳感器進(jìn)行信號采集,可以部署在高溫或超高溫深井或直接埋在地下、鋪設(shè)在海底進(jìn)行地震數(shù)據(jù)采集,在井中地震勘探、井-地立體勘探、油氣藏長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測和微地震監(jiān)測等方面的應(yīng)用發(fā)展迅速,憑借高密度、全井段、高效率、低成本、耐高溫高壓等優(yōu)勢,成為貫穿油氣井全生命周期中一項(xiàng)重要的新興油氣藏監(jiān)測技術(shù)。

在油氣藏儲層精細(xì)描述方面,基于DAS技術(shù)的井中地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于其全井段、高密度、高效率、耐高溫、耐高壓和低成本等優(yōu)勢,已成為未來井中地震技術(shù)重要的發(fā)展方向。沿井筒布設(shè)到地下儲層深處的鎧裝光纜和亞米量級道間距采集的高密度DAS井中地震數(shù)據(jù),可以用于井筒周圍儲層的高精度、高分辨率構(gòu)造成像,提高油氣田開發(fā)區(qū)生產(chǎn)井周圍的精細(xì)油氣藏精細(xì)描述能力。在油氣藏生產(chǎn)長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測方面,井中記錄的微地震數(shù)據(jù)可以用于水力壓裂儲層改造效果的準(zhǔn)確評價(jià);利用油氣生產(chǎn)井下布設(shè)的鎧裝光纜連續(xù)實(shí)時(shí)進(jìn)行分布式光纖溫度測量(DTS)數(shù)據(jù)和噪聲(用DAS)數(shù)據(jù),可以對多套儲層油氣生產(chǎn)井或水平井中的多相流體進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)和了解油氣生產(chǎn)井段及地層水流入井段的具體位置和流量,計(jì)算產(chǎn)液剖面和吸水剖面,實(shí)時(shí)調(diào)整優(yōu)化油氣生產(chǎn)方案和制度,提高油氣采收率;利用在井下套管外布設(shè)的鎧裝光纜和地面DSS調(diào)制解調(diào)儀器,可以對地下壓力場的變化進(jìn)行長期實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測,實(shí)時(shí)測量和監(jiān)測地應(yīng)力變化異常地段內(nèi)套管的應(yīng)變,及時(shí)發(fā)現(xiàn)套管的形變和評估產(chǎn)生套損的風(fēng)險(xiǎn),采取必要的工程措施和手段,預(yù)防和減少套損的發(fā)生,降低油氣資源開發(fā)生產(chǎn)的直接成本。

DAS-VSP具有全井段覆蓋、高密度采樣、高效率、耐高溫、耐高壓、成本低等優(yōu)點(diǎn)[7-13],已成為井中地震技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向[1,14]。DAS-VSP可提供高精度儲層構(gòu)造成像,提高對油氣井周圍油藏的精細(xì)描述能力,并具備油氣藏動(dòng)態(tài)監(jiān)測的能力。某石油公司在墨西哥灣的三維DAS-VSP勘探項(xiàng)目中取得了一些較好的成果[15],其成像結(jié)果可滿足地質(zhì)需求。相比時(shí)移OBS,時(shí)移3D-VSP成本更低,應(yīng)用前景更廣闊。此外,許多國際知名公司均已在DAS-VSP研究方面取得較大進(jìn)步[16-17]。2015年至今,國內(nèi)公司也開展了分布式光纖VSP數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)和生產(chǎn),取得較高分辨率的成像結(jié)果[18]。

2016年,某公司在渤海灣附近的大港油田進(jìn)行了三維地面地震數(shù)據(jù)的采集。三維地面地震數(shù)據(jù)采集區(qū)塊面積為192.49 km2,在采集三維地面地震數(shù)據(jù)時(shí),利用區(qū)塊內(nèi)的B-01和B-02兩口井同時(shí)采集了井中地震數(shù)據(jù)。B-01和B-02井的深度分別為3 500 m和2 770 m。在B-01井套管內(nèi)布設(shè)了一根從井口至井底的鎧裝單模光纜,在B-02井套管內(nèi)500 m至2 080 m處布設(shè)了一個(gè)80級三分量井下檢波器陣列。B-01井內(nèi)的鎧裝光纜共記錄地面井炮8167次,震源覆蓋面積為73.92 km2;80級三分量井下檢波器組共記錄地面井炮7913次,震源覆蓋面積為53.88 km2。B-01井內(nèi)的井下鎧裝光纜接收間距為2 m(共計(jì)1750級),80級三分量井下檢波器陣列接收間距為20 m。井中地震資料總覆蓋面積為127.8 km2,地面有效炮數(shù)為16 080次。隨后分別進(jìn)行了井區(qū)周圍地面三維地震數(shù)據(jù)的疊前深度偏移成像處理,B-02井中的三分量檢波器Walkaway VSP數(shù)據(jù)的偏移成像處理和B-01井中的Walkaway DAS-VSP數(shù)據(jù)的偏移成像處理。

圖21展示了大港油田地面三維地震數(shù)據(jù)的疊前深度偏移(PSDM)成像、B-02井的井下三分量檢波器陣列Walkaway VSP成像和B-01井的Walkaway DAS-VSP成像結(jié)果對比。3種不同成像結(jié)果的頻率范圍從地面三維地震數(shù)據(jù)疊前深度偏移的60 Hz增加到B-02井井下三分量檢波器陣列Walkaway VSP成像的70 Hz,更進(jìn)一步拓展到B-01井Walkaway DAS-VSP成像的85 Hz。利用高頻率、高分辨率的DAS-VSP成像資料,地震、地質(zhì)解釋人員從DAS-VSP成像結(jié)果里可以很容易地識別出小于地面地震尺度的小斷層和尖滅構(gòu)造,而這些高分辨率精細(xì)地質(zhì)構(gòu)造在地面三維地震數(shù)據(jù)的成像和井下三分量檢波器陣列的Walkaway VSP成像中幾乎不可見[19]。

圖21 地面三維地震數(shù)據(jù)疊前深度偏移(PSDM)成像(a)、井下三分量檢波器陣列Walkaway VSP成像(b)和Walkaway DAS-VSP成像(c)剖面及其對應(yīng)的振幅譜顯示

2019年,為研究港東油田地下滲流場變化規(guī)律,大港油田一年內(nèi)實(shí)施了3期(1月、7月和12月)時(shí)移DAS-VSP觀測,采用套管外鎧裝光纜采集和地面可控震源激發(fā),保證3期DAS-VSP資料一致性。經(jīng)過精細(xì)處理,獲得了高分辨率時(shí)移Walkaway DAS-VSP成像剖面。從時(shí)移DAS-VSP成像剖面屬性和反演兩個(gè)方面進(jìn)行差值分析(圖22),在高亮體屬性剖面上,目的層在第1、2期監(jiān)測之間變化較大,在第2、3期監(jiān)測之間差異較小。而波阻抗反演的差值剖面上,同樣也表現(xiàn)為前兩期監(jiān)測之間差值較大,后兩期監(jiān)測變化很小。屬性變化說明儲層從投產(chǎn)前的1期監(jiān)測到生產(chǎn)5個(gè)月后的2期監(jiān)測期間,產(chǎn)能變化較大(1期日產(chǎn)原油34 t,2期和3期日產(chǎn)原油8 t),表現(xiàn)為儲層壓力以及產(chǎn)量的降低。而波阻抗的差值顯示,2期與1期監(jiān)測之間目的層的阻抗值降低,表現(xiàn)為含油氣性的變化,含水量上升是該現(xiàn)象的主要原因。2期與3期監(jiān)測的時(shí)間段內(nèi)本井實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn),壓力、日產(chǎn)量以及流體比例等因素基本保持穩(wěn)定,則在屬性與波阻抗的差值剖面上幾乎無異常響應(yīng)。此結(jié)果也由本井實(shí)際生產(chǎn)情況得到了驗(yàn)證。

圖22 時(shí)移DAS-VSP高亮體屬性差值剖面(a)和阻抗反演差值剖面(b)

井中-地面地震聯(lián)合立體勘探技術(shù)作為地面地震勘探和井中地震勘探技術(shù)相結(jié)合形成的一項(xiàng)新的地震勘探方法,實(shí)現(xiàn)了井中與地面地震數(shù)據(jù)采集的有機(jī)結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)同步采集和同步處理的目的,從而提高勘探區(qū)的成像精度,提高目的層反射資料的信噪比與分辨率。有利于識別特殊地質(zhì)體,開展儲層精細(xì)預(yù)測與評價(jià),研究砂體及巖性圈閉;精細(xì)研究井旁周圍地層的構(gòu)造、儲層及油層的賦存與變化特征,是一種新的地震勘探技術(shù)。

基于DAS-VSP技術(shù)的井-地聯(lián)合立體地震勘探就是在井中布設(shè)鎧裝光纜,并在井口附近連接DAS調(diào)制解調(diào)儀器,利用地面震源和地面布設(shè)的檢波器進(jìn)行井-地立體聯(lián)合地面三維地震數(shù)據(jù)和井中三維DAS-VSP數(shù)據(jù)的同步采集,即同步采集同源同波場的地面三維和井中地震數(shù)據(jù)。隨后從井-地立體聯(lián)合地震勘探中采集的井中三維DAS-VSP數(shù)據(jù)里提取各種地下介質(zhì)的彈性或粘彈性參數(shù)、各向異性系數(shù),用于對地面三維地震數(shù)據(jù)進(jìn)行提高精度和提高分辨率的井驅(qū)處理,或者進(jìn)行同源同波場的地面地震數(shù)據(jù)和井中地震數(shù)據(jù)的聯(lián)合偏移成像,從而實(shí)現(xiàn)對地下油氣藏儲層的精細(xì)刻畫與描述。

近兩年來,某地球物理公司已經(jīng)在國內(nèi)近20塊三維地面地震數(shù)據(jù)采集工區(qū)進(jìn)行了井-地立體聯(lián)合勘探數(shù)據(jù)采集作業(yè),大大降低了三維VSP數(shù)據(jù)采集的成本。經(jīng)過后期的三維地面地震數(shù)據(jù)的井驅(qū)處理,大幅度提高了地面三維地震數(shù)據(jù)成像的準(zhǔn)確度和分辨率。井中地震數(shù)據(jù)處理包括計(jì)算地下介質(zhì)準(zhǔn)確的速度場,獲取地層的平均和層間縱波速度與橫波速度,識別多次波,計(jì)算沿井筒的球面擴(kuò)散TAR因子(真振幅恢復(fù)因子)和衰減系數(shù)Q值,提取子波和反褶積參數(shù),利用Walkaround DAS-VSP或三維DAS-VSP數(shù)據(jù)求取地下介質(zhì)速度、衰減系數(shù)Q值和各項(xiàng)異性參數(shù)等。地面三維地震數(shù)據(jù)的井驅(qū)處理包括準(zhǔn)確建立井周圍地下介質(zhì)的三維速度模型和地下介質(zhì)的三維彈性或粘彈性參數(shù)模型,并對三維地面地震數(shù)據(jù)進(jìn)行靜校正處理、多次波壓制處理、振幅恢復(fù)處理、后續(xù)的三維地面地震數(shù)據(jù)的提高分辨率處理以及各向異性偏移成像和疊前道集數(shù)據(jù)的Q補(bǔ)償或和Q偏移成像,并通過綜合解釋進(jìn)行油氣藏儲層的精細(xì)刻畫與綜合評價(jià)。

圖23是四川火山巖氣藏勘探開發(fā)區(qū)地面三維地震數(shù)據(jù)井驅(qū)處理前后的結(jié)果對比。圖23a是只進(jìn)行了地面三維地震數(shù)據(jù)常規(guī)各向異性疊前深度偏移的剖面,圖23b是井驅(qū)處理各向異性疊前深度Q偏移(Q-PSDM)剖面。利用淺地表微測井?dāng)?shù)據(jù)和DAS-VSP數(shù)據(jù)分別求取淺地表和地下深處的衰減系數(shù)Q值,經(jīng)過反演與數(shù)據(jù)融合處理,形成地面三維地震數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域的地下衰減系數(shù)的三維Q值模型,并結(jié)合三維DAS-VSP數(shù)據(jù)獲得的地下介質(zhì)速度各向異性參數(shù),進(jìn)行最后的地面三維地震數(shù)據(jù)井驅(qū)處理的各向異性疊前深度Q偏移。從圖23中可以看到,經(jīng)過井驅(qū)處理的各向異性疊前深度Q偏移剖面的高頻能量損耗得到了較好的補(bǔ)償,疊前深度Q偏移剖面的頻率帶寬和高頻信號的振幅提高較多,Q-PSDM剖面上出現(xiàn)的高分辨率反射界面在過井的位置上與聲波測井曲線十分吻合,為油氣藏儲層的精細(xì)刻畫與描述提供了準(zhǔn)確可靠的高分辨率高信噪比三維成像數(shù)據(jù)體[20]。

圖23 地面三維地震數(shù)據(jù)井驅(qū)處理前、后對比

圖24是火山巖儲層段地面三維地震數(shù)據(jù)各向異性疊前深度偏移剖面與井驅(qū)處理各向異性疊前深度Q偏移剖面效果對比。疊前深度Q偏移剖面(圖24b)展示的火山上行通道更為清晰,火山巖體內(nèi)的溢流相和爆發(fā)相等相帶的解釋與劃分更容易更可靠,為識別高含氣火山巖相帶,布設(shè)新探井、評價(jià)井或開發(fā)井提供了有力的技術(shù)支撐。

圖24 地面三維地震數(shù)據(jù)各向異性疊前深度偏移剖面(a)與井驅(qū)處理各向異性疊前深度Q偏移(b)剖面效果對比

5 結(jié)論與建議

光纖傳感技術(shù)是一項(xiàng)革命性的新技術(shù),光纖由于體積小、不帶電、分布式、高密度、多參量、耐高溫高壓、全段接收和低成本等特征,必將帶來井下、海洋、陸地地球物理技術(shù)的一場革命。井中分布式光纖聲波傳感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于井中VSP數(shù)據(jù)采集、水力壓裂微地震監(jiān)測和精準(zhǔn)工程監(jiān)測,可實(shí)現(xiàn)油氣井全生命周期監(jiān)測、管理和使用。分布式三分量光纖聲波傳感系統(tǒng)的發(fā)展可實(shí)現(xiàn)陸地、海洋和井下的低成本、高密度三分量地震數(shù)據(jù)采集。

分布式光纖傳感技術(shù)在油氣資源勘探開發(fā)領(lǐng)域的規(guī)?；茝V應(yīng)用,已經(jīng)從井中延伸到了陸地和海洋,從井下單分量測量拓展到了井下和陸地三分量測量(螺旋形繞制的鎧裝光纜),從單井單參數(shù)測量發(fā)展到了多井多參數(shù)同步測量,調(diào)制解調(diào)儀器也從單通道單參數(shù)發(fā)展到了多通道多參數(shù)復(fù)合調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。展望未來,分布式三分量光纖聲波傳感技術(shù)將會(huì)在井中、陸地(沙漠)和海洋中用來替代常規(guī)三分量檢波器采集高密度全波場三分量地震數(shù)據(jù)。

光纖傳感技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)由地震勘探領(lǐng)域延伸至了油氣藏開發(fā)領(lǐng)域,圍繞光纖傳感技術(shù)應(yīng)用的地球物理技術(shù)對地下構(gòu)造的靜態(tài)刻畫和動(dòng)態(tài)永久監(jiān)測逐步形成光纖油藏地球物理技術(shù)的基礎(chǔ)。油氣田的地下和大部分油氣生產(chǎn)井將會(huì)在套管內(nèi)外、油管內(nèi)外普遍安裝內(nèi)含多根特種光纖的鎧裝光纜,構(gòu)建龐大的油氣田地面和地下立體光纖智能感知網(wǎng),全方位、全天候、全時(shí)段的實(shí)時(shí)監(jiān)測油氣田生產(chǎn)狀況和儲層參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化,為油氣田的智能決策管理和智能開發(fā)生產(chǎn)提供依據(jù)。井下的分布式光纖多參數(shù)、多分量、高密度、海量、實(shí)時(shí)和連續(xù)測量數(shù)據(jù)是未來智慧油田系統(tǒng)的前端信息傳感神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

為了進(jìn)一步提高光纖傳感技術(shù)水平,加快大規(guī)模推廣應(yīng)用,建議積極開展如下研究工作。

1)研制開發(fā)集分布式光纖聲波、溫度、應(yīng)變傳感于一體的多分量、多參數(shù)、多通道復(fù)合調(diào)制解調(diào)儀器,大幅度降低分布式光纖傳感系統(tǒng)成本。

2)開展耐高溫、高瑞利散射系數(shù)、抗氫損和彎曲不敏感特種光纖的研制與批量生產(chǎn)。

3)積極開展不同技術(shù)路線和實(shí)施方案的三分量分布式光纖聲波(地震波)傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究,早日實(shí)現(xiàn)井下、井-地聯(lián)合、海洋和陸地(沙漠)的高密度低成本三分量地震數(shù)據(jù)采集。

4)未來高密度、低成本、高效率采集的陸地、海洋和井中分布式三分量DAS地震數(shù)據(jù),對現(xiàn)有的檢波器數(shù)據(jù)處理解釋的方法、技術(shù)和軟件都會(huì)帶來變革創(chuàng)新方面的挑戰(zhàn),比如原來10m道間距的井中三分量地震數(shù)據(jù)將會(huì)由道間距為0.1 m的井中三分量DAS數(shù)據(jù)所替代,已有的井中地震數(shù)據(jù)處理解釋的方法和技術(shù)以及軟件都需要適應(yīng)相應(yīng)的變化。

5)井下耐高溫三分量分布式鎧裝光纜的出現(xiàn),將進(jìn)一步推動(dòng)未來地面-井下聯(lián)合立體三分量地震勘探技術(shù)的發(fā)展,急需加快井-地三分量聯(lián)采地震數(shù)據(jù)的聯(lián)合偏移成像方法研究、技術(shù)進(jìn)步和軟件發(fā)展。

6)加快研制套管外鎧裝光纜定位定向技術(shù)與設(shè)備,積極發(fā)展與之配套的定向射孔光纜避射技術(shù),保證射孔壓裂段套管外鎧裝光纜在射孔壓裂作業(yè)時(shí)完好無損,實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)井的長期動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

7)創(chuàng)新性發(fā)展光纖地球物理技術(shù),實(shí)現(xiàn)對整個(gè)油氣田儲層的光纖智能油藏感知、描述、模擬和監(jiān)測,智能優(yōu)化開發(fā)方案和生產(chǎn)制度,在未來智慧油氣田的建設(shè)中發(fā)揮重要的技術(shù)支撐作用。