1966年, KAO等^[1]首次从理论上分析证明了用石英基光导纤维进行长距离光通信的可能性, 并提出当玻璃纤维衰减率下降到20dB/km时, 光纤通讯即可成功。光纤通讯技术飞速发展带动了光纤传感技术的进步, 分布式光纤声波传感技术(distributed acoustic sensing, DAS)以连续的光纤本身作为传感器, 利用相位解调技术还原传感光纤感知的外界振动信号。分布式光纤传感技术最早应用于石油管线温度、振动监测等工程领域, 在地震勘探中的应用才刚刚兴起, 还需要通过与常规检波器的采集效果对比, 验证其适用性。

在常规VSP井中地震勘探中, 三分量耐高温、耐高压磁电式检波器在井筒中通过机械推靠装置与地层产生良好的耦合, 从而采集到高品质的地震记录^[2], 但受大阵列常规检波器成本高和布设施工难度大等因素的限制, 常规检波器在井中地震勘探的应用受到了一定的制约, 分布式光纤传感技术以其低成本、大阵列和可重复采集等优势更适合进行VSP井中地震勘探^[3-5]。近几年国外石油公司进行了大量的基于DAS的井中地震、地面地震勘探以及微地震监测试验, 采集了较好的井中地震记录^[6-10], WEBSTER等^[10]和MATEEVA等^[11-12]指出DAS在VSP应用中最大的优点是一次布设多次重复观测; BAKKU^[13]对影响DAS采集的因素进行了全面综合研究; FOLLETT等^[14]展示了不同光缆类型的DAS采集试验结果, ANDREAS等^[15]指出了对光纤冗余长度进行深度校正的必要性, 并提出了引入参考物理深度点的光缆实际深度校正的方法, 提高了光缆深度校正的精度; HARTOG等^[16-17]对DAS系统的线性度进行了相关研究。国内相关学者开展了DAS与常规检波器的室内测试对比分析工作^[18], 进行了基于相位敏感原理的DAS光纤井中地震采集^[19]、光纤传感地震波接收对比试验的初步探索^[20], 证明DAS初步具备了井中地震勘探的能力。本文描述了基于DAS技术的光缆布设与光纤井中地震采集过程, 对比了不同光缆布设方式采集的资料, 同时与常规检波器采集资料及处理成果进行了对比分析, 验证DAS技术在井中地震勘探的应用效果。

分布式光纤传感基于激光在光纤中传播的后向散射效应, 即光在不均匀介质中传播时偏离原来的传播方向而散开到各个方向的现象。光与介质相互作用时, 发生的散射主要有瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射3种。在光纤的散射光中, 绝大部分散射成分都与入射光的波长相同, 这类散射被称为弹性瑞利散射。窄线宽激光脉冲在光纤中传播, 光纤的每个位置都会产生后向散射光, 传感光纤的某个位置受外界的振动、声波、温度、压力等作用, 对应位置的光纤产生应变导致折射率或光纤长度发生改变, 从而改变瑞利散射光信号的振幅和相位, 通过相位解调技术即可间接恢复传感区域内振动信号的动态信息。

根据DAS的原理, 光脉冲需要在每个时间采样间隔内完成在传感光纤中的双程旅程, 即光脉冲传播到传感光纤的末端, 散射回光再传回传感光纤的起始端。激光脉冲信号传播至传感光纤的不同位置, 不同位置产生的散射回光沿反方向经过光电转换器、采集卡完成数字化, 然后在计算模块中完成相位解调工作。DAS系统的最大振幅探测能力受系统时间采样间隔的限制, 在单位时间内传感光纤拉伸应变变化量越大, 所需时间采样率越高。以10km的采集长度计算, 光在光纤中的传播速度约为2×10⁵km/s, 光脉冲需要100μs才能完成在传感光纤中的双程传播, 实际探测井深一般不超过10km, 100μs的光脉冲间隔时间, 即100μs的DAS系统时间采样间隔基本满足目前所有井深探测需求。应用DAS技术进行井中地震采集施工时还需要结合井况提前完成光缆的布设与安装, 并保证光缆与地层介质的良好耦合, 地震波传播过程中不同地层介质质点的位移会对光缆产生拉伸, 导致光信号的相位发生变化, DAS系统通过相位解调恢复地震波波动信息, 实践证明分布式光纤传感技术应用于地震勘探是可行的。

基于DAS技术的井中地震采集首先要实现光缆的成功布设。光纤的布设方式分为套管内悬置和套管外水泥固井两种。套管内悬置布设即通过重锤将光缆下放到井中, 光缆受重力作用贴在套管壁上, 处于井液或泥浆中。套管外水泥固井布设方式即完钻后光缆固定在套管外, 随套管一起续接下井, 用水泥固结在套管与地层之间, 光缆与地层直接耦合, 耦合效果好于套管内悬置; 常规检波器采集过程中采用机械推靠臂在套管内使检波器与套管壁和地层耦合。DAS光纤一次布设成功后即可长期进行时移观测, 一次激发即可完成全井段采集接收工作, 而常规检波器采集由于级数限制, 一般需要几次才能完成全井段的采集接收工作, 增加了地面激发次数和施工成本。套管外固井光缆布设施工过程中需要在套管接箍位置对光缆进行保护, 防止套管接箍变径位置与井壁对光缆产生挤压, 使光缆中的光纤折断损坏, 造成布设失败, 目前布设施工工艺还需持续改进, 以提高套管外固井光缆布设成功率。

2018年12月在华北油田某井进行了DAS光纤井中地震现场试验, 完成了DAS光纤井中地震与常规检波器的对比采集工作, 采用0~1800m井段的采集资料进行对比。可控震源扫描长度为14s, 起止频率为3~88Hz, 扫描类型为线性扫描; 炸药震源激发井深为25m, 药量为6kg; DAS仪器空间采样间隔为0.85m, 时间采样间隔为1ms。常规井下检波器采用Sercel Maxiwave速度型检波器, 空间采样间隔为20m, 时间采样间隔为1ms。

采用可控震源激发, DAS光纤井中地震仪与常规检波器两种采集仪器接收, DAS与常规检波器Z分量地震记录较为一致(图 1), 下行直达波与上行反射波波组形态符合实际规律, 常规检波器受套管内井筒波的干扰较为严重, 套管外固井光纤由于采用水泥固结在套管外与地层之间, 受井筒内因素的干扰较弱, 这也是利用固井光纤进行井中地震采集的一大优势。

图 1(Fig. 1)

图 1 可控震源激发DAS采集记录(a)与常规检波器Z分量采集记录(b)

采用固井光纤接收, 采集到可控震源与炸药震源不同激发条件下的地震记录如图 2所示, 下行直达波走时一致, 上行反射波相对吻合, 可控震源采用35次扫描叠加, 炸药震源激发药量为6kg, 炸药震源激发采集资料信噪比相对较高, 可控震源施工较为方便, 通过多台组合多次激发可以有效提高采集资料信噪比。此外, 由于两种激发源的激发条件存在一定差异, 两个记录中的子波形态也有一定差异。

图 2(Fig. 2)

图 2 可控震源激发(a)与炸药震源激发(b)的DAS采集记录

不同光缆布设方式采集到的记录差异较大, 套管内悬置布设光缆是采用重锤自身的重力将光缆下放到井里, 自由悬置在井液或泥浆中, 类似测井检波器下井过程。假设套管垂直向下, 光缆在井中受重力作用将贴在套管壁上, 实际钻井过程并不能保证套管绝对垂直, 造成部分井段光缆没有紧靠在套管壁上, 当地震波传播至这部分井段时, 没有贴壁的光缆会在两个贴壁点之间来回振荡, 形成电缆耦合谐振干扰^[2]。在进行零井源距观测时, 套管中布设光缆也容易受井筒波干扰, 而固井光缆接收记录受井筒内因素的干扰较弱(图 3)。

图 3(Fig. 3)

图 3 炸药震源激发套管内(a)和套管外(b)布设光纤接收的采集记录

采用可控震源激发, DAS和常规检波器Z分量采集到的直达P波归一化振幅衰减曲线如图 4和图 5(RMS振幅取log₁₀)所示, 可以看出, 在不同深度位置两者的振幅衰减规律有很好的一致性, 在浅层200m以内二者差异较大, 这主要是由于零井源距浅层不同深度位置直达P波入射角度较大, 而DAS与常规检波器Z分量对大入射角度的直达P波振幅响应原理不同。理论上常规检波器对直达波的振幅响应与入射角的余弦成正比, 而DAS对直达波的振幅响应与入射角余弦的平方成正比^[13]。DAS采集共接收点记录直达波振幅随入射角变化曲线如图 6所示，入射角根据速度模型射线追踪得到, 蓝色圆圈为DAS采集的经过球面扩散补偿处理的直达波波峰振幅, 红色曲线为常规检波器Z分量对应不同入射角度的理论振幅响应, 绿色曲线为DAS沿着光纤轴向对应不同入射角度的理论振幅响应^[13]。随着偏移距的变大, DAS记录的直达波沿光纤轴向的振幅响应相对理论的cos²θ衰减更快, 入射角大于50°时直达波振幅相对垂直入射时衰减到了1/10。实际上, DAS沿着光纤轴向对应不同入射角度的振幅响应还会受光纤成缆结构和光缆布设方式等条件的影响^[13]。

图 4(Fig. 4)

图 4 可控震源DAS光纤井中地震采集数据与常规检波器Z分量振幅衰减曲线

图 5(Fig. 5)

图 5 可控震源DAS光纤井中地震采集数据与常规检波器Z分量振幅衰减曲线(RMS振幅取log10)

图 6(Fig. 6)

图 6 不同入射角直达波振幅响应

不同布设方式的光缆与地层的耦合条件不同, 以零井源距炸药震源激发为例, 套管外水泥固井布设与套管内悬置不同布设方式DAS采集直达P波真振幅对比如图 7所示, 红色曲线为光纤在套管外水泥固结的结果, 与地层耦合良好, 蓝色曲线为光纤在套管内井液泥浆悬置布设的结果, 两种布设方式的光纤采集的记录在500m以下深度显示出较为一致的衰减规律, 套管内布设光缆在浅层段没有响应到较大级别的振幅, 这是由于光缆与地层耦合较差引起的, 振幅曲线的抖动是由于井筒内噪声干扰和曲线平滑处理引起的。可控震源激发时DAS与常规检波器Z分量单炮记录频谱曲线如图 8所示, 二者频宽与可控震源扫描起止频率基本一致, -30dB以上功率谱曲线显示DAS相对常规检波器Z分量频宽相当, 不同频率成分相对衰减趋势较为一致。

图 7(Fig. 7)

图 7 套管外、套管内DAS采集直达波振幅

图 8(Fig. 8)

图 8 可控震源激发DAS与常规检波器Z分量采集频谱

DAS测量的物理量是在标准长度光纤内的平均轴向应变或应变率^[13]。DAS采集到的波形反映了沿光纤方向的应变拉伸, 同时也受单位解调空间长度内平均效应的影响^[16]; 常规检波器则反映对应介质质点位移的速度或加速度。可控震源激发时DAS与常规检波器在500m同一深度位置记录的直达P波波形曲线对比如图 9所示, 与扫描信号相关后的记录经过了归一化处理, 在起跳和波谷位置两者显示出较好的一致性, 波峰幅度和后续波形差异较大, 这可能是常规磁电式检波器弹簧的弹性势能与质量块的惯性等综合影响。采用炸药震源激发DAS与常规检波器在1000m同一深度位置记录的直达P波波形记录对比如图 10所示, 经过归一化处理后, 二者同样在起跳和波谷位置都显示出较好的一致性, 与可控震源不同, 炸药震源为脉冲源胀缩波, 由于在一定埋藏深度激发, 会产生复杂的近地表鸣振干扰, 续至波形较为复杂。

图 9(Fig. 9)

图 9 可控震源激发常规检波器Z分量与DAS记录的直达P波波形

图 10(Fig. 10)

图 10 炸药震源激发常规检波器Z分量与DAS记录的直达P波波形

以炸药震源激发为例, 分别对常规检波器和DAS采集的零井源距资料进行波场分离, 得到上行波场, 然后分别对上行波进行零井源距NMO拉平处理得到上行波剖面和走廊叠加剖面(图 11), 不同采集资料经处理后在走廊剖面上显示出相对较好的一致性, 在NMO剖面上存在一定差异。常规检波器是由不同炮点激发不同组检波器采集的, 不同炮点激发条件不一致导致子波存在一定差异, 另外常规检波器原始记录中存在较强的井筒波干扰, 去除井筒波的过程中对同相轴连续性造成了影响。而DAS采集记录是由同一个炮点一次激发DAS光纤全排列采集, 激发条件完全一致, 同时由于采集光纤用水泥固结在套管外与地层耦合良好, 套管内的井筒波对其影响相对有限。

图 11(Fig. 11)

图 11 炸药震源激发常规检波器Z分量NMO剖面与走廊(a)及DAS记录NMO剖面与走廊(b)

本文对比了可控震源激发条件下DAS与常规检波器采集的地震记录, 可控震源与炸药震源不同激发条件下、套管内悬置与套管外固井不同光缆布设方式采集资料, 分析了DAS与常规检波器Z分量的振幅衰减规律和频谱波形特征、以及常规井中地震检波器与DAS采集地震记录的处理结果, 主要有以下几点认识:

1) DAS采集到的沿光纤方向记录与常规检波器Z分量记录在振幅衰减规律、记录频谱和子波形态方面均显示出了较好的一致性, 存在的差异主要是由于DAS与磁电式检波器工作原理不完全相同所致;

2) 随着偏移距的增大, 直达波入射角随之增大, DAS直达波振幅响应衰减较快, 设计DAS采集观测系统时应该考虑偏移距的影响;

3) 套管外固井布设光缆采集资料质量优于套管内悬置布设, 减少了井筒波的干扰, 同时也避免了由于光缆与井壁的耦合条件较差形成的电缆谐振干扰, 套管内布设光缆的主要优势在于施工便捷、适用多种井况条件;

4) 当采用可控震源激发时, 震源激发的一致性好, 可以采用多次激发多炮垂直叠加来提高地震记录的信噪比;

5) 常规检波器由于级数限制, 需要多次激发分井段接收才能完成采集工作, 而DAS一次激发即可完成全井段的接收, 在实际生产中能有效地提高生产效率, 减少地面激发次数以降低施工成本。

分布式光纤传感技术以其自身的诸多优势在地震勘探领域正得到越来越广泛的重视, 但在实施过程中还有很多具体工程问题需要解决, 如套管外固井光缆在深井中的布设, 套管内光缆与井壁和地层的耦合问题, 随着技术的不断进步其实际应用将扩展到微地震监测和长期储层动态监测等更多领域。