随着常规油气资源的快速消耗，新增资源的勘探开发难度增大，非常规油气藏勘探开发成为全球资源领域的新热点.非常规油气资源主要包括页岩油、页岩气、煤层气和致密气.非常规油气储量丰富，开发潜力巨大，加强非常规油气资源勘探开发已成全球趋势(贾承造等，2012；黄鑫等，2012).非常规油气大多属于低渗透、致密油气，要实现规模勘探和开发，需要实施水力压裂改造，有效扩大渗流通道，并及时监测裂缝信息以优化压裂工艺设计(刘振武等，2013).

水力压裂裂缝监测技术主要包括近井地带裂缝直接监测、微地震监测、测斜仪监测等方法(朱凯光等，2013)，微地震监测能实时提供压裂中裂缝的方位、长度和高度等信息，是目前判断最准确的方法之一，可用于预测裂缝生成方向，以及优化水力压裂设计和裂缝走向，改善水平井水力压裂评估(梁兵和朱广生，2004；陕亮等，2013).

目前微地震监测主要有地面监测、近地表监测和井中监测三种方式，采用的仪器一般延用常规地震采集仪器，大多使用模拟动圈式速度型或加速度型检波器，地面记录系统配备了能记录大量微震数据和针对诱生微震的质量控制、自诊断及自动检测和分析的软硬件，有时需将接收到的数据转发到数据处理中心，或采用无线遥测式方案(李怀良等，2013).微地震监测的地面检波器主要采用Sercel、ION、Geospace、国内双丰等公司的产品(刘振武等，2013)；井下监测一般采用VSP(垂直地震剖面)仪器，国内外生产厂家主要有英国Avalon公司、美国Geospace公司、法国Sercel公司和原中国西安石油勘探仪器总厂(雷小青等，2010)，其中法国Sercel公司的产品在国内销售最多，一般使用8~16级仪器下井.常规的地震采集仪器在进行微地震监测时存在如下问题：

(1)灵敏度和带宽不足，特别是由于假频的限制，检波器不能准确测试高频的振动信号.

(2)井中检波器与井壁在宽频带上的不良耦合引起的锁定谐振限制(梁兵和朱广生，2004).

近年来，随着微地震技术的发展和应用需求的推动，也出现了一些专用的微地震监测检波器，如Geospace公司的731-20型宽频带地震检波器，采用三轴向排列压电加速度传感器，频带范围可以达到1500 Hz；Schlumberger公司的VSI地震成像仪，采用三轴加速度传感器通过隔离弹簧实现与整个仪器主体的声学隔离，可采集高保真地震数据.

微地震监测技术通过监测水力压裂过程中岩石破裂产生地震波，来描述压裂过程中裂缝生长的几何形状和空间展布.由于岩石破裂规模有限，释放出的能量很小，诱生的地震波很微弱，震级在0级以下.裂缝发射的微震频率很高，频带为200～1500 Hz(梁兵和朱广生，2004；崔荣旺，2007).对微地震信号进行监测需要高灵敏度、大带宽的地震检波器(马超等，2008)，井下高温、高压、高腐蚀性的恶劣环境，要求微震监测用井中检波器是高灵敏度、高频、体积小的三分量检波器，其本身及有关连接件、信号传输线等应具有耐高温、高压和耐腐蚀的性能.地球科学的推进离不开高端地学仪器(刘光鼎，2013)，近年来，新型高性能的光纤检波器成为研究的热点(马超等，2008；Tao et al., 2009；Wang et al., 2010；王兵等，2011；邵敏等，2012)，基于分布反馈光纤激光(DFB-FL)技术的光纤激光检波器以高灵敏度、大动态范围、抗电磁干扰、易于组成阵列、重量轻、体积小、耐高温高压等优势获得了很快的发展(Zhang et al., 2009；Liu et al., 2011；Zhang et al., 2013).DFB-FL是以掺杂光纤作为增益介质，相移光栅作为谐振腔，在半导体二极管的泵浦下实现激射的全光纤器件，在高灵敏光纤传感领域有着广泛的应用，如光纤水听器系统、风速测量雷达系统、基于振动探测的周界安全系统等.近年来，采用DFB-FL制作检波器成为研究热点，2009年，Zhang WT等报道了一种新型的DFB-FL水下检波器，采用膜片式加速度传感结构，在100 Hz的最小可探测信号达到400 ng(Zhang et al., 2009)，并在2010年进行了4级单分量DFB-FL检波器的井下测试，验证该种检波器采集常规的VSP地震信号的可行性.2013年，Sun ZH等报道了DFB-FL检波器波分复用阵列与动圈DX20检波器的对比实验，验证了采用DFB-FL检波器进行地震信号采集的可行性(Sun et al., 2013).

本文研究了基于DFB-FL的光纤激光微地震检波器技术，设计了一种光纤激光微地震检波器结构，并与传统的动圈检波器进行了对比测试，对光纤激光微地震检波器应用于非常规油气资源开发中的水力压裂微地震监测作了展望，为光纤激光微地震检波器的实际应用提供了依据.

DFB-FL由一段掺杂光纤作为激光物质，在掺杂光纤上写入了相移光栅作为谐振腔，在半导体980 nm光源的泵浦下，产生单纵模的激光输出.它具有窄线宽、低噪声、单频输出、尺寸小、全光纤化等优点，在高灵敏光纤传感领域有着广泛的应用前景.采用DFB-FL作为传感元件，当有外界信号作用到激光器上时，谐振腔将产生应变从而使输出波长变化，波长的变化量Δλ(Cranch et al., 2008)为

式中p_e为光纤的弹光系数，ε是光纤谐振腔的应变，λ_B是DFB-FL的中心波长.

通过传感器设计，将被测物理信号转换为DFB-FL谐振腔的应变，便可实现特定物理量的光纤激光传感器.光纤激光传感器的高灵敏度基于干涉式传感原理，DFB-FL发出的激光经过非平衡干涉仪，将波长变化?λ转换为相位变化ΔΦ(Cranch et al., 2008)为

式中，n为光纤的折射率，d为干涉仪的臂长差.

通过检测干涉仪的相位变化，可以还原被测信号.从(2)式可见，d越大，相当于对微弱波长变化Δλ的放大作用越强，由于DFB-FL的线宽很窄，相干长度达到数十千米，因此干涉仪的臂长差可以达到几十米甚至上百米，从而可以将外界信号引起的极其微弱的光频变化放大为可检测的相位变化，实现极高的灵敏度.

光纤激光微地震检波器传感头的示意图如图 1所示.刚性的L型梁质量块通过膜片与支架连接，并可以绕膜片转动.DFB-FL粘接于质量块与支架之间，作为敏感元件.当有振动信号时，质量块由于惯性作用，绕膜片转动，带动DFB-FL 的轴向应变发生变化，并导致DFB-FL的中心波长变化.通过检测DFB-FL的中心波长变，可以还原外界振动信号的信息.

图 1

Fig. 1

图 1 光纤激光微地震检波器示意图 Fig. 1 Structure of the fiber laser micro-seismic geophone

为保证检波器有较好的响应特性，采用有限元方法对光纤激光微地震检波器传感头的响应特性进行了模拟，有限元模型如图 2所示.分析光纤激光器在加速度作用下的轴向应变，并结合式(1)，得到加速度响应特性如图 3所示.由模拟结果可见，检波器的一阶谐振频率约为600 Hz，为保证检波器在较宽的频带内有平坦的响应特性，在检波器封装时，加入硅油阻尼介质，以降低其谐振频率的响应幅度.

图 2

Fig. 2

图 2 光纤激光微地震检波器的有限元模型 Fig. 2 Finite element model of the fiber laser micro-seismic geophone

图 3

Fig. 3

图 3 光纤激光微地震检波器响应特性的有限元模拟结果 Fig. 3 Simulated response of the fiber laser geophone

为检验光纤激光微地震检波器的性能，根据石油天然气行业标准SY/T 5046-2005规定的加速度灵敏度测试方法，通过振动台产生振动信号，并通过标准加速度计作为参考，对光纤激光微地震检波器的灵敏度进行了测试，并对光纤激光微地震检波器和传统动圈地震检波器探测同一微弱振动信号的信噪比进行了比较.传统动圈地震检波器采用目前石油物探行业大规模应用的20DX-10检波器. 光纤激光微地震检波器与20DX-10动圈检波器的对比照片如图 4所示，二者外形尺寸相当. 光纤激光微地震检波器的灵敏度测试结果如图 5所示.可见，光纤激光检波器具有较平坦的幅频特性，带宽较宽，-3 dB带宽超过500 Hz，由于采用了硅油阻尼，谐振得到了抑制.

图 4

Fig. 4

图 4 光纤激光微地震检波器与动圈检波器的对比图 Fig. 4 Comparison diagram of the fiber laser geophone and the traditional moving coil geophone

图 5

Fig. 5

图 5 光纤激光微地震检波器的灵敏度响应特性 Fig. 5 Response of the fiber laser geophone

图 6为光纤激光微地震检波器和传统动圈地震检波器探测不同频率小于1 mg的微弱振动信号的信噪比.可见，对于20 Hz左右的低频微弱振动信号，两种检波器的信号比相当，表明两种检波器的低频微弱信号探测能力相当.对于频率为100 Hz的微弱振动信号，光纤激光检波器的信噪比优于动圈检波器1个数量级以上，对于400 Hz和800 Hz的高频微弱振动信号，光纤激光检波器的信噪比优于动圈检波器2个数量级，表明光纤激光检波器的高频微弱信号探测能力远强于传统的动圈检波器.

图 6

Fig. 6

图 6 光纤激光微地震检波器和传统动圈地震检波器探测微弱信号的信噪比 Fig. 6 SNR of fiber laser micro-seismic geophone and traditional moving coil geophone to detect weak signal

通过微地震监测技术可以获得水力裂缝的准确走向以及裂缝的空间形状，为后续压裂施工优化提供了无可替代的资料，对降低油气田开发成本，提高采收率的意义重大.

微地震检波器是微地震监测技术的核心关键设备.水力压裂诱生微震的特点为能量非常弱，频率很高，频带约为100~1500 Hz，能量衰减比较快.光纤激光微地震检波器具有灵敏度高、频带宽、组阵扩容方便的特点，由本文的测试结果可见，相比较传统的动圈检波器，光纤激光微地震检波器展现出更强的高频微弱信号探测能力，这正是微地震监测急需的.此外，为获得更好的监测结果，微地震监测时经常要求检波器布放在井下，以靠近监测目标，并降低地面噪声的影响.井下高温、高压、高腐蚀性的恶劣环境要求微地震检波器体积小，其本身及信号传输线等应具有耐高温、高压和耐腐蚀的特性，这些正是光纤检波器的优势所在.

目前，随着非常规油气资源开发的加速，微震监测技术也展现出良好的应用前景.光纤激光微地震检波器的技术特点正适合于微地震监测，随着研究的进一步成熟和工程化，必将会有更广泛的应用.

DFB-FL具有极高的灵敏度、大动态范围、抗电磁干扰、易于组成阵列、重量轻、体积小等优势，本文系统的研究了基于DFB-FL的光纤激光微地震检波器技术，并与传统的动圈检波器进行了对比测试，表明光纤激光检波器具有较宽的频带，并且较传统动圈检波器具有更好的高频微弱信号探测能力.对光纤激光微地震检波器应用于微地震监测作了展望，指出该检波器在微地震监测领域有巨大的应用前景.