光纤地震波检测技术发展状况及展望

周锐

（西北大学，陕西 西安710127）

1 背景介绍

石油天然气是我国重要的战略资源，是国家经济发展的命脉和国计民生的重要支柱。当前我国油气对外依存度很高，根据《中国油气产业发展分析与展望报告蓝皮书（2018-2019）》[1]，2019 年原油对外依存度逼近72%，天然气对外依存度增至46.4%。油气供应安全和消耗需求，迫切需要加大国内油气资源勘探开发力度。然而,中国石油矿权区油气资源勘探存在以下几个方面的特点[2]:(1)油气勘探程度总体不是很高,剩余资源仍较丰富。(2)剩余油气资源地面地下条件复杂,主要为低品位资源。近年来新增地质储量中低渗、特低渗油气地质储量逐年上升。(3)大盆地勘探程度均达中等到高勘探程度，复杂油气藏、低品位油气藏、非常规油气藏是主要勘探对象。

目前常用的油气勘探工作方法主要有[3]地质方法、地球物理勘探方法、地球化学勘探方法和钻探方法。其中，地震勘探利用人工方法激发弹性波来定位油气藏，是地球物理勘探中最重要、解决油气勘探问题最有效的一种方法。其基本原理是：利用地震检波器，来接收人工激发引起的地震波在地层中传播时在岩层界面反射或者折射的波形特征，来反演地质结构，寻找油气圈闭。近半个世纪以来，地震勘探得到了飞速的发展，形成了包括高精度三维地震勘探技术、时移地震技术、井孔地震（垂直地震剖面、随钻技术、井间地震技术）、多波多分量地震技术等核心技术方法。

2 发展现状

目前在油气田现场工程生产测试中使用的仪器多数是以压电、磁电、涡流机理为主的电类检波器[4]，大多为井下“有源”器件，在检测灵敏度、响应频带、动态范围、空间分辨率、抗电磁场干扰、复用性、可靠性等方面以及井下恶劣环境中使用均存在着本质的不足，既受限于半导体器件的本质特性，耐高温性差（一般都在150℃以下），井下数据传输技术又不能满足高分辨率、高密度实时地震采集海量数据的传输要求。

由于光纤传感技术是可以检测声波和振动以及热效应的非入侵式方法，在应用于地震波检测方面由有着更加经济、更加安全等独特的优势。目前，光纤传感应技术用于地震检波的方法主要有以下几种方法：

分布式声波传感技术（Distributed Acoustic Sensing，DAS)、光纤激光器技术（DFB-FL）、光纤光栅技术（FBG）和光纤干涉方法。

2.1 基于DAS 地震检波系统。DAS 系统是基于光纤背向散射原理，利用光纤作为传感器件去探测声波振动的信号。如图1所示，根据光纤的非线性效应，当光信号在光纤中传播受到外界的扰动时会发生背向散射，包括瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。其中，瑞利散射是入射光与光纤中杂质发生弹性散射，即散射光的频率和入射光的频率一样。瑞利散射光对外界的磁场、弯曲、单向压力等刺激敏感，因此可以用来检测振动、应变和温度。

图1 光信号在光纤中发生背向散射图示

1981 年，英国南安普敦大学（Southampton University）首次报道分布式光纤传感技术，但直到2009 年，加拿大Molenaar 等人才在压裂检测中应用到DAS 系统。目前，DAS 系统越来越成熟，在油气勘探中由于其较高的灵敏度和精确度，解决了一系列的油气藏和监测等问题，逐渐被应用到地震波检测之中[5]。在地震勘探中，运用DAS 系统可以检测到远距离的自然地震或者人工诱发地震，这些地震都是低频的微弱振动。2016 年4 月8 日，DAS 系统用于观测加利福尼亚州里士满M3.8 地震[6]，可观测到完整的192 个地震阵列记录，在极坐标中，峰值光束作为反方位角和慢度的函数，对应于移动的不同窗口时间轴，先是P 波到达，其次是S 波到达，随后是地震相位波到达。2018 年，MENGMENG CHEN[7]等人通过使用φ-OTDR 问讯技术,高阶模式的背散射光可以用来完全量化振动，表明了少模光纤可以用于DAS 系统。但DAS 系统只能检测一维的振动，不能检测三分量振动信号，不能满足高效耦合、高维度、高均匀度等井中地震勘探的需求，也满足不了地层能源勘探需要的丰富的振动信息。

2.2 基于光纤激光器的地震检波系统。该系统是利用分布反馈光纤激光器（DFB-FL）为基础，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产生单纵模的激光输出的全光纤器件。其传感原理如图2 所示，把相移光纤光栅的谐振腔作为传感元件，经过适当的封装后，当有外界信号作用到谐振腔上时，谐振腔将产生应变，从而使输出与振动信号成比例的波长漂移，通过光纤干涉仪将波长变化转变为相位变化，再采用相位解调技术还原出地震信号。此类检波器具有窄线宽、噪声低、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[8]。但光纤激光器容易受外界环境温度和其他微扰振动的影响，且对井下地震勘探，半导体二极管泵浦功率损耗大，很难实现深井勘测。

图2 基于光纤激光器的地震检波原理图

2.3 基于光纤光栅的地震检波器，是利用振动/应变可使光纤布拉格光栅（FBG）引起波长变化，经过解调波长变化信息，可还原出振动信号。由于FBG 的良好性能，此类检波器能检测加速度、速度、位移、频率等诸多物理参量的变化，具有灵敏度高、结构紧凑、长期稳定可靠，及复用能力强、易组网等优点，而且FBG 结构灵巧，可通过工艺设计制作实现地震波三分量检测[9]。因此也是多年来一直研究及推广应用的光纤地震检波技术之一。但是此类FBG 检波器性能在高强度结构封装、振动信号耦合、高精度信号解调等方面还存在技术瓶颈，在井中弱地震信号检测、低频地震波检测、长期可靠下井等方面仍有待提高。

2.4 基于光纤干涉型检波器，是利用各种干涉结构可检测因振动引起的干涉光谱相位的变化。目前常见的光纤干涉型传感器技术包括：迈克尔逊（Michelson）干涉、法布里- 珀罗（Fabry-Perot）干涉、马赫- 曾德尔（Mach-Zehnder）干涉以及萨克奈克（Sagnac）干涉等干涉技术。此类检波器可集传输与传感于一体，并在系统结构、弱信号探测、传感器集成等方面具有明显优势，但在如下方面有待提升：空间分辨率、频带宽度、多波探测等。目前，已有报道多维振动信息的准确探测[10]，通过将干涉臂缠绕于弹性体上或反射镜装置于弹性体上，并正交装配形成三分量检波器，可全方位检测振动信息。但此类检波器在实现耐高温、耐高压、温度稳定性、多级阵列复用等方面仍存在较大的技术瓶颈。

3 发展展望

综上所述，从国内外报道来看，光纤地震检波器研究是当前解决地震检波技术瓶颈的重要方向，也是国际上地层能源监测、精细描述与管理的探索热点。但很多技术还停留在基础研究的探索阶段，有的实际应用也只是初步投入工业工程中，还没有形成解决井中地震波三分量的实际问题的成熟应用技术，与电类检波器相比，尽管有价格低廉、尺寸小巧、耐温耐压等光纤的诸多优势，但在多维多波多分量检测上，在灵敏度、稳定度、温度补偿、以及检波器结构、封装、下井实验等方面，仍然还有有待进一步的研究，还有很长的路要走。