干涉型光纤地震检波器研发及效果分析

吴学兵,刘英明,高　侃

(1.中国科学院声学研究所,北京100190;2.中国石油化工集团公司地球物理有限公司装备管理中心,江苏南京211100;3.中国电子科技集团公司第二十三研究所,上海200437)



干涉型光纤地震检波器研发及效果分析

吴学兵1,2,刘英明3,高侃3

(1.中国科学院声学研究所,北京100190;2.中国石油化工集团公司地球物理有限公司装备管理中心,江苏南京211100;3.中国电子科技集团公司第二十三研究所,上海200437)

摘要:光纤传感器具有高灵敏度、大带宽、抗电磁干扰能力强等技术优势,光纤地震检波器采集系统是近年来地震勘探领域研发的热点。在研究干涉型光纤检波器基本构成、传感原理及干涉型光纤检波器采集系统构成的基础上,设计和开发了适用于陆地油气勘探的16道光纤检波器采集系统样机。通过现场地震数据采集,对光纤检波器、动圈式检波器和压电式检波器进行了对比测试,并对试验资料进行了处理分析,结果显示,光纤检波器具有更高的灵敏度、更大的带宽和更好的高频响应,有利于提高地震信号采集精度,改善地震勘探效果,为光纤检波器的推广应用提供了科学依据。

关键词：地震检波器;传感器;干涉型光纤检波器

地震勘探是石油与天然气勘探最有效的手段。用于接收地震信号的检波器是野外数据采集的核心设备,其性能参数直接关系到数据采集的质量和后期成像效果。目前广泛使用的地震检波器主要是基于电磁感应原理的动圈式检波器,其动态范围相对较小(<60dB)、有效带宽相对较窄、抗电磁干扰能力差,影响了地震数据采集质量的进一步提高[1]。随着国内油气勘探程度的不断提高,地震勘探目标正在转向陆上复杂地表条件和地下复杂地质体区域[2]。这种“双复杂”地区需要采集高品质的地震数据,以实现地下目标体的高精度成像。同时,为适应宽频带、宽方位、超大道数、单点高密度及高保真采集要求,地震检波器要具有宽频带、高灵敏度、大动态范围等性能[3-4]。

光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器[5]。随着光纤实用化和光通信技术的进步,光纤传感器于20世纪90年代得到了飞速发展[6]。光纤传感器具有灵敏度高、频带范围宽、抗电磁干扰等能力强优点,有利于地震信号的高保真采集[7]。基于光纤技术的声波传感器最早被用于油藏的动态监测。2002年5月,英国BP石油公司在美国洛矶山油田试验中心测试安装了世界上第一套3C声波传感系统[8],之后人们又开始了海底永久油藏监测方面的研究和应用[9]。2010年,巴西国家石油公司与挪威PGS公司合作,在巴西Jubarte油田安装了PGS公司的光纤采集油藏监控系统[10]。此外,PGS公司正在与壳牌公司合作开发新的超高道光纤地震系统,用于陆地油气勘探开发和油藏监控[9]。我国的地震仪器装备研制工作落后于国外,相关的光纤检波器研发工作起步较晚,主要的物探采集装备几乎全部依赖进口,开发自主知识产权的仪器设备既迫切又势在必行[11]。2004年,胜利油田物探公司与美国斯蒂文斯理工学院合作开发了基于光纤布拉格光栅技术的陆用检波器,并完成了国内外首次陆上野外采集对比试验,验证了光纤传感器的技术优势[12]。2010年,中国科学院半导体研究所在辽河油田完成了光纤地震检波器阵列的井下试验,能够采集6000m深地层的地震反射信号[13]。目前,潜能恒信能源技术股份有限公司与中国科学院半导体研究所正在联合研发16级井下光纤检波器阵列[14]。我们设计和开发了一种基于干涉原理的光纤地震检波器和数据采集记录系统,通过野外采集对比测试,验证了光纤检波器的技术优势和性能。

1干涉型光纤检波器基本构成及传感原理

光纤传感器通常是由光源、信号传输光缆、光调制器、光探测器以及解调系统组成。其基本工作原理是通过检测外界待测参量的变化引起的光纤本身光学特性(如波长、相位、强度等)的变化来获得外界待测参量的变化量。干涉型光纤检波器是通过一定的机械结构将外部振动的加速度信号转换成光纤干涉仪干涉臂相位差变化的一种光纤传感器,其内部组成如图1所示。构成干涉仪两个干涉臂的光纤分别被紧密地缠绕在一个弹性体和一个刚性体上,其上支撑着一个质量块。质量块的作用是将外界的加速度信号转化成弹性体的伸缩变化,进而使得缠绕在其上的光纤产生相应的拉伸和压缩。由于刚性体不会发生形变,所以加速度的变化转换成了干涉仪干涉臂长度差的变化,也就是光相位差的变化。通过相应的相位解调方法将光相位变化量解调出来,即得到待测的加速度信号。

图1　干涉型光纤检波器基本构成

在有外界加速度a时,检波器中的质量块m由于惯性产生振动并拉伸光纤,将惯性力转换为光纤应变εf:

(1)

式中:k为转换系数。光纤检波器输出相位变化:

(2)

其中,n为光纤纤芯的折射率,d为弹性体上光纤的长度,λ为探测光波长。由(1)式和(2)式可得光纤检波器的加速度灵敏度为:

(3)

单位为rad/g。

干涉型光纤检波器采用推挽式结构,提高了自身检测的灵敏度;同时,由于其检测的是光程的变化,因此可以检测到更弱的地震信号。与传统的动圈式检波器和陆用压电式检波器相比,干涉型光纤检波器具有更低的噪声、更高的灵敏度、更大的动态范围,有利于提高地震信号采集精度,改善地震勘探效果[15]。

2干涉型光纤检波器采集系统构成

干涉型光纤检波器采集系统的构成如图2所示,主要包括地面检波器接收系统和远端信号处理平台两部分。地面检波器接收系统由多个具有一定间隔(间隔距离视地震采集观测系统要求而定)的检波器通过光缆连接在一起,每个检波器有一对光纤接口(一个光信号输入、一个光信号输出)。通过时分/波分技术可在一对光纤上(一根光纤用于信号输入、一根光纤用于信号输出)集成几十个乃至上百个光纤检波器单元。远端信号处理平台主要包括光源控制系统、光电集成系统和主机控制系统三部分。光源控制系统负责向各个检波器发送探测光信号;光电集成系统完成光学转换、光电信号转换、相位信号解调和预处理等;主机控制系统负责各部件的协同工作。

图2　干涉型光纤检波器采集系统的构成

图3　16道光纤检波器采集系统

图3是本文基于干涉原理研究开发的光纤地震检波器及其记录系统照片(样机),光纤检波器排列包括16个光纤检波器单元,组阵采用2空分/8时分方式。光纤检波器的主要技术指标如下:①频响范围10～800Hz;②加速度相移灵敏度≥40dB(0dB=1rad/g);③等效噪声加速度<0.1μg/√Hz@100Hz;④动态范围≥120dB@100Hz。

图4是在实验室中利用加速度灵敏度测试装置对阵列中16个(T1—T16)检波器单元测得的加速度灵敏度。从图4可以看出,各个检波器单元在10～800Hz频率范围内的加速度灵敏度起伏小于3dB,灵敏度指标具有较好的一致性。

图4　光纤检波器单元加速度灵敏度测试结果

3干涉型光纤检波器试验及效果分析

3.1抗电磁干扰试验

在华北某地区进行了检波器重锤敲击外场试验,有一道光纤检波器和一道动圈检波器布设在高压线下面,图5为2种检波器接收的记录(第1道布设在高压线下,第2道没有高压线)。从图5可以看出,动圈检波器记录存在极为规则的50Hz干扰,这种干扰由高压线周围的电磁场产生;而在相同位置的光纤检波器记录则没有出现这种干扰,显示了光纤检波器的抗电磁干扰能力。

图5　不同检波器接收记录对比a 动圈检波器; b 光纤检波器

3.2波形特征试验

在华北某探区对干涉型光纤检波器、动圈式检波器和压电式检波器进行了野外采集对比试验。采用炸药震源激发方式,接收排列为间距20cm的3个平行排列,分别布设了8道光纤检波器、8道动圈式检波器和8道压电式检波器,道间距为12.5m(图6)。

图6　光纤检波器、动圈式检波器和压电式检波器布设

图7　检波器的单道波形对比a 光纤检波器; b 动圈检波器

图8　检波器单道频谱对比

对试验数据进行处理和分析,分别得到了3种检波器的单道波形和单道频谱。图7和图8分别是光纤检波器与动圈式检波器的单道波形和频谱响应对比结果,前者是加速度检波器,后者是速度检波器。从图7可以看出,二种检波器记录初至清晰,反射波形基本一致,具有较高的信噪比。从图8 可以看出,光纤检波器具有频带宽、高频丰富的优势。由于光纤检波器采集系统和动圈检波器采集系统没有进行同步,而是各自独立的两个采集系统,采集数据是后期进行相关处理的结果,光纤检波器与动圈式检波器之间存在90°的相位差没有得到表征[1],因此本文不进行相频分析。图9和图10分别是光纤检波器与压电式检波器的单道波形和单道频谱对比。由于二者都是加速度检波器,反射波形和频谱基本一致,频率大致相当。

3.3一致性试验

在同一位置放置了4个相同的光纤地震检波器(图11),采用相同的采集方式来对比其响应的一致性。

图9　检波器的单道波形对比a 光纤检波器; b 压电式检波器

图10　检波器单道频谱

图11　位于同一个测量点的4个光纤检波器

图12为上述4个光纤地震检波器在同一激发因素下得到的时域和频域响应曲线。从图12可以看出,4个检波器的时间域和频率域响应曲线有着很好的一致性。

图12　4个光纤检波器的响应曲线对比a 时间域响应曲线; b 频率域响应曲线

4结束语

本文针对陆地油气勘探开发研制的16道干涉型光纤检波器样机系统经试验取得了如期的效果:①作为加速度传感器,光纤检波器比常规动圈式速度检波器具有更高的灵敏度、更大的带宽和更好的高频响应,有利于提高地震信号采集精度,改善地震勘探效果。②光纤检波器与动圈式检波器和压电式检波器采集的数据具有很好的一致性,因此具有很好的应用前景。16道光纤检波器样机系统实现了地震信号采集与传输的一体化,说明大道数采集系统的研发具有技术可行性。

参考文献

[1]吕公河.地震勘探检波器原理和特性及有关问题分析[J].石油物探,2009,48(6):531-543

LV G H.Seismic geophone principle and the analysis of relevant issues[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2009,48(6):531-543

[2]王炳章,王丹,陈伟.油气地震勘探技术发展趋势和发展水平[J].中外能源,2011,16(5):46-55

WANG B Z,WANG D,CHEN W.Trends and development level of petroleum seismic exploration technology[J].Sino-Global Energy,2011,16(5):46-55

[3]李燕燕,赵殿栋,于世焕,等.中国石化陆上地震采集技术现状与发展趋势[J].石油物探,2013,52(4):363-370

LI Y Y,ZHAO D D,YU S H,et al.Status and trend on land seismic acquisition technique of SINOPEC[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2013,52(4):363-370

[4]赵殿栋.高精度三维地震勘探技术发展回顾与展望[J].石油物探,2009,48(5):425-535

ZHAO D D.Review and prospect on high-precision seismic exploration technique[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2009,48(5):425-435

[5]胡晓东.分布式光纤传感技术特点与研究现状[J].航空精密制造技术,1999,35(1):8-10

HU X D.Technology characteristics and research status of distributed optical fiber sensing[J].Aviation Precision Manufacturing Technology,1999,35(1):8-10

[6]庄须叶,黄涛,邓勇刚,等.光纤传感技术在油田开发中的应用进展[J].西南石油大学学报(自然科学版),2012,34(2):161-171

ZHUANG X Y,HUANG T,DENG Y G,et al.Developments on optical fiber sensing technologies applied in oilfield[J].Journal of Southwest Petroleum University(Science&Technology Edition),2012,34(2):161-171

[7]吕公河.地震勘探中振动问题分析[J].石油物探,2002,41(2):154-157

LU G H.An analysis of vibration problem in seismic exploration[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2002,41(2):154-157

[8]WEATHERFORD INTERNATIONAL LTD.Weatherford installs world’s first permanent fiber optic,multi-component,multi-station in-well 4D seismic array[EB/OL].[2015-04-17].http:∥www.prnewswire.com/news-releases/weatherford-

installs worlds first-permanent-firber-optic-compoment-multi-component-multi-station-in-well-4d-seismic-array-77052392.html

[9]李进勇,孙王敏.后金融危机时代世界物探行业发展趋势[J].国际石油经济,2012(4):64-65

LI J Y,SUN W M.Trend of world geophysical prospecting industry in the post-financial crisis era[J].International Petroleum Economics,2012(4):64-65

[10]NASH P J,CRANCH G A,HILL D J.Larger scale multiplexed fiber optic arrays for geophysical applications[R].Proceedings of SPIE,2010:55-65

[11]腾吉文.中国地球物理仪器和实验设备研究与研制的发展与导向[J].地球物理学进展,2005,20(2):276-281

TENG J W.The development and guide direction of research and manufacture of geophysical instruments and experimental equipments in China[J].Progress in Geophysics,2005,20(2):276-281

[12]WU X B,NING J,LIU Z T.Test and analysis of fiber bragg geophone[R].Beijing:International Geophysical Conference and Exposition,2009:24-24

[13]半导体研究所.半导体所高性能光纤地震检波器在辽河油田现场试验成功[EB/OL].[2015-04-17].http:∥www.cas.cn/ky/kyjz/201102/t20110216_3071949.shtml

SEMICONDUCTOR INSTITUTE.High performance fiber geophone tested successfully in Liaohe oilfield[EB/OL].[2015-04-17].http:∥www.cas.cn/ky/kyjz/201102/t20110216_3071949.shtml

[14]王汉卓.潜能恒信:光纤检波器目前处于测试阶段[EB/OL].[2015-04-17].http:∥www.p5w.net/kuaixun/201305/t20130522_166292.htm

WANG H Z.Fiber geophone was at stage of test[EB/OL].[2015-04-17].http:∥www.p5w.net/kuaixun/201305/t20130522_166292.htm

[15]邸志欣,丁伟,吕公河,等.五号桩地区滩浅海高精度三维地震采集技术[J].石油物探,2012,51(4):388-397

DI Z X,DING W,LU G H.3D high-precision seismic acquisition techniques in Wuhaozhuang beach and shallow sea area[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2012,51(4):388-397

(编辑：戴春秋)

Development and application effect analysis of fiber interferometric geophone

WU Xuebing1,2,LIU Yingming3,GAO Kan3

(1.InstituteofAcoustics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China;2.EquipmentDepartmentofSinopecGeophysicalCorporation,Nanjing211100,China；3.the23rdResearchInstitute,ChineseElectronicsTechnologyGroupCorporation,Shanghai200437,China)

Abstract:Fiber sensor has many advantages,such as sensitivity,broadband,immune to electromagnetic interference etc.Development of fiber geophone seismic acquisition system is popular in recent years.Aiming at land hydrocarbon exploration and development,sixteen-channel fiber geophone system has been designed and developed on the basis of interferometric technique of fiber.The principles and structures of the fiber interferometric geophone are presented.Field trail has been done with the sixteen-channel fiber geophone system by comparing with coiled geophone and land hydrophone.The testing indicates that the fiber geophone owns higher sensitivity,larger bandwidth and better high-frequency responses,which is beneficial for enhancing acquisition accuracy of seismic data and improving seismic exploration results,provides scientific criteria for its further promotion and application.

Keywords:geophone,sensor,interferometric fiber geophone

文章编号：1000-1441(2016)02-0303-06

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2016.02.017

中图分类号：P631

文献标识码：A

基金项目：山东省自主创新及成果转化专项(2014ZZCX04206)、上海市科委海洋科技研究项目(13dz1204500)联合资助。

作者简介：吴学兵(1969—),男,博士,主要从事物探采集装备和方法研究。

收稿日期：2015-04-17;改回日期：2015-11-25。

This research is financially supported by Shandong Province Independent Innovation and Transformation of Achievements (Grant No.2014ZZCX04206) and 2013 Shanghai Municipal Science and Technology Commission of Marine Science and Technology (Grant No.13dz1204500).