分布式光纤声波地震波勘探技术

王昌，尚盈，王晨,王英英,刘小会

(1.齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东 济南 250014；2.齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省科学院激光研究所，山东 济南 250014)

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。近年来中国石油对外依赖度逼近70%，严重超过了国际警戒线(50%)，已成为制约经济、社会发展的主要瓶颈之一，迫切需要加大国内油气资源勘探开发力度[1]。在石油天然气勘探中，地震勘探是地球物理勘探最重要的方法。其原理是由人工制造强烈的震动，所引起的弹性波在岩石中传播时，当遇着岩层的分界图面，便产生反射波或折射波，在其返回地面时用高灵敏的仪器记录下来，根据波的传播路线和时间，确定发生反射波或折射波的岩层界面的埋藏深度和形状，认识地下地质构造，以寻找油气圈闭[2-3]。

常规的国产地震传感器，例如动圈传感器[5]、压电传感器[6]和MEMS传感器[7]由电子组件制成，容易受到电磁干扰，在精度、可靠性等方面无法满足需求，高精度地震勘探仪器设备目前全部依赖进口，且存在技术封锁和价格垄断。光纤传感器具有动态范围大、灵敏度高、多路复用的可行性高、抗电磁干扰能力强的特点[8-9]。分布式光纤声波传感系统(distributed acoustic sensing，DAS)[10-11]是目前最先进的光纤声波检测技术，使用光缆作为传感器来检测声音信号，通过检测光纤中瑞利反向散射的变化来检测光缆上几乎任何点的声音信息。 光缆不仅用作信号传输介质，而且还用作传感器介质，普通的通信光纤无需任何处理即可实现此功能。相比较其他地震检波器，DAS具有结构简单，易于布设，性价比高，能实现大范围、高精度测量等独特优势，是现有油气资源勘探中最有应用前景的技术。

1 DAS测试原理

1.1 相位调制原理

当一束光沿光纤轴向传播长度L的距离后，光波相位Φ为：

Φ=βL,

(1)

式(1)中，β为传播常数，如光纤中的折射率为nf，光的波长为λ，那么β=2nfπ/λ。当光纤受到声波压力作用，传播光的相位变化为[12]：

(2)

式(2)中，第一项为因光纤折射率改变的相位变化，第二项为因光纤长度改变的相位变化。

当扰动信号为声波信号，且声波信号作用在光纤上，声波实际上是压力波，声场中的光纤受到压力作用，将会改变光纤的折射率、直径以及长度大小，进而改变光纤中的光波相位：

(3)

由式(3)可以得出，光纤受到声波压力P作用时，光波相位发生变化ΔΦ，从而实现了声波信号P到光波相位变化ΔΦ的调制。

1.2 瑞利散射检测原理

光纤在拉制的过程中，热扰动造成光纤压缩性的不均匀或压缩性的起伏，从而使得传输介质的折射率不均匀。这种不均匀性或起伏在冷却过程中被固定下来，并且这种不均匀结构的尺寸远小于入射光波长。传输介质折射率的不均匀，导致光在光纤中传输时发生瑞利散射。此外，光纤中含有多种氧化物，氧化物浓度的不均匀或起伏也会造成传输介质折射率的不均匀，这也会产生瑞利散射。瑞利散射在整个介质空间都有功率分布，存在沿光纤轴向向前或向后的散射，沿轴向向后的散射光称为背向瑞利散射。光纤背向瑞利散射光的能量非常微弱，大约只有入射光能量的十万分之一，同时背向瑞利散射光只改变光在光纤中的传输方向，不改变光在光纤中的传输频率以及偏振特性等，因而背向瑞利散射光的偏振方向与频率和入射光在这一散射点的偏振方向与频率是完全相同的[13]。

如图1所示，当有一束脉冲宽度为Δt(对应光纤上传播距离为l，即ωΔt=βl，β为光在光纤中传播常数)的脉冲光E0ej(ωt-βx)(0≤(ωt-βx) ≤βl)从x=0处入射到光纤上时，光到达光纤任意点xi的时间ti为

吐哈油田采出水处理后回注量占油田总注水的72.33%。管道输送处理后的油田采出污水，不可避免地产生结垢问题，管道结垢不但会加速管道腐蚀，而且加大了管道沿程摩阻系数，导致系统压力损失较大，注水系统单耗上升。如雁木西联合站到雁20配水间φ114×13的配水支干线，管线长度3738 m，起点压力为23.8 MPa，沿程压降达1.8 MPa，理论计算压力损失不应大于0.08 MPa。建议采取污水处理装置，提高注水的水质质量，或者在介质中加入防腐剂，减少管线结构和腐蚀。

图1 任意点的散射光Fig.1 Scattered light at any point

(4)

xi点的后向散射光可表示为：

F(xi)E0ej[ω(t-ti)+β(x-xi)]，(0≤ω(t-ti)+β(x-xi) ≤βl)

,

(5)

式(5)中，F(xi)表示xi点的散射幅度和相位因子。光纤上各点的后向散射光返回到x=0处的时间不一致，在某一时刻，只有一部分点的散射光返回到x=0处，并叠加形成该时刻光纤上总的散射光，如图2所示。在t=2βxi/ω时刻，只有xi-l/2至xi(长度为l/2)的光纤上的点的散射光返回到x=0处。

图2 x=0处某一时刻的散射光Fig.2 Scattered light at a certain moment at x=0

在不同时刻，光纤反射回的散射光是由不同位置的散射光叠加而成。当将光纤置于声场中，受到声波的交替作用，其折射率和应变随之变化，相位差也随时间变化。因此，可以采用光纤干涉仪检测光纤上不同时刻散射光的相位差，实现光纤上的声场分布检测。

2 DAS系统设计

DAS系统原理图如图3所示，主要由窄线宽激光器、声光调制器(AOM)、脉冲光功率放大器(EDFA)、环形器以及相位匹配干涉仪组成。窄线宽激光器发出线宽小于10 kHz，功率为10 mW、波长为1 550.12 nm的激光，注入到声光调制器，调制为重复频率为f，脉宽为W的脉冲光序列，经过第一光放大器的功率放大，脉冲峰值功率为几百毫瓦，经过带宽为0.08 nm的超窄带第一光滤波器，滤除光放大器的ASE噪声，经过第一环形器注入到长度为L的传感光纤(L≤c/2fnf)；后向瑞利散射信号返回到第一环形器处，进入到第二光放大器和超窄带宽带第二光滤波器进行瑞利散射信号的放大与ASE噪声信号的滤除，经过处理后的后向瑞利散射信号进入到第二环形器，沿着端口C23端进入到一个隔声隔震相位匹配干涉仪，调节相位匹配干涉仪的臂长差可以调整不同长度范围内的后向瑞利散射信号的空间差分干涉，经过空间差分干涉后的瑞利散射信号分别由第一、第二、第三光电探测器转换为电信号，进入到相位解调系统进行相位解调运算。

图3 DAS系统原理图Fig.3 Schematic of DAS system

3 DAS实验结果

3.1 空间分辨率测试

空间分辨率定义为当系统同时出现两个事件，能够区分辨别出两个事件之间的最近距离。DAS系统的空间分辨率由OTDR系统理论分辨率和DAS系统的相位匹配干涉仪的臂长差共同决定。

OTDR系统的理论分辨率为SR：

(6)

式(6)中，W是脉冲光的脉宽，c是光速，nf是光纤折射率。

DAS系统的实际空间分辨率SA的表达式为：

(7)

DAS系统的空间分辨率测试实验装置如图4所示，DAS系统的脉冲宽度为50 ns，相位匹配干涉仪的臂长差S=5 m，在光纤长度约为210 m和220 m处分别缠制PZT组成约为1 m长度的相位拉伸器，两个PZT之间连接光纤长度约为10 m，信号发生器产生两个不同频率的正弦信号分别驱动PZT产生相位变化，DAS系统采集解调拉伸器信号。三维解调结果如图5所示，x轴为距离，y轴为时间，z轴为解调相位，在200 m处有明显的相位变化信息。图6是距离200 ～225 m放大后的相位信息图，图中两个拉伸器的相位信息长度约为10 m，并且两个PZT之间连接的10 m光纤正好将两个不同频率的相位信号分辨开来，两个不同频率的相位时域信号如图7所示。

图4 DAS系统空间分辨率测试实验装置Fig.4 DAS system spatial resolution test experiment device

图5 DAS系统解调结果三维图Fig.5 3D diagram of demodulation result of DAS system

图6 相位信号放大图Fig.6 Phase signal magnification diagram

图7 相位时域图Fig.7 Phase diagram of time domain

测试结果表明，DAS系统在脉冲宽度为50 ns，相位匹配干涉仪的臂长差S=5 m的情况下，空间分辨率SA=10 m。

3.2 DAS系统灵敏度测试

DAS系统灵敏度Sp表达式由式(3)推出：

。

(8)

DAS系统灵敏度测试装置如图8所示，由信号发生器驱动水下扬声器发出声波信号，距离水下扬声器5 cm处放置光纤环，作为声波传感器，DAS系统解调光纤环处的声波信号，标准压电水听器放置在光纤环位置处，测试声压值作为基准值。

图8 DAS系统灵敏测试实验装置Fig.8 DAS system sensitivity test experiment device

信号发生器发出不同幅值的120 Hz的正弦信号驱动水下扬声器，压电水听器作为标准水听器记录声压值，压电水听器的灵敏度为500 Pa/V。DAS实验数据如表1所示，DAS解调弧度与声压的关系图如图9所示，关系表达式为：yrad=0.054xPa-0.023，得出DAS系统灵敏度Sp= 0.054 rad/Pa，即Sp=-145.35 dB (参考单位 rad/μPa)。

表1 DAS实验数据

图9 DAS系统弧度-声压关系图Fig.9 Radian-sound-pressure relationship diagram of DAS system

3.3 地震波测试

项目组与胜利油田合作开展了放炮地震波现场实验，现场如图10所示。

图10 实验现场图Fig.10 Experimental site

图11所示为地震弹炮测试数据，横坐标为通道数，道间距1 m，通道0～960对应着传感光缆0～960 m，纵坐标为时间，是地震波传播到传感光缆的时间。在现场垂直于480通道的位置进行弹炮引爆，地震波传播向两边扩展，通道480～0以及通道480～960依次探测到初至波，如图中红线区域，地震波的初至波很明晰，并且获得了清晰的地层反射波，如图11中黄线区域。现场实验结果证明DAS技术实现了地震勘探，是一种新型可靠的物探方法。

图11 DAS地震波测试数据Fig.11 DAS seismic wave test data

4 结论

本文设计了一种用于油气地震波勘探开发的分布式光纤声波监测系统，使用光缆作为传感器来检测声音信号，采用基于背向瑞利散射的相位调制解调技术，实现了10 m空间分辨率、-145.35 dB声压灵敏度的测试，并进行了地震弹炮实地勘探，完成了地震波信号采集处理，获得了清晰的地层反演信息，为地震波勘探生产提质、降本、增效奠定了重要的技术装备基础。该研究有助于推动复杂地质油气勘探领域的技术进步，加速新技术在复杂地质油气勘探行业的推广，推进行业整体装备水平的提高并带动光纤传感技术在相关产业的发展。