DAS-VSP采集处理方法研究及应用

2022-01-28陈沅忠安树杰桑运云张振权

石油物探 2022年1期

赵霏,吴鹏,王渝,陈沅忠,3,安树杰,3,余刚,3,桑运云,张振权

(1.中联煤层气有限责任公司,北京100016;2.中油奥博(成都)科技有限公司,四川成都611730;3.电子科技大学资源与环境学院,四川成都611731;4.中国石油集团东方地球物理公司研究院,河北涿州072750)

自20世纪70年代石英光纤研制出来后[1],光纤通信与光纤传感技术开始被广泛研究。1982年,HARTOG[2]提出了分布式光纤温度传感技术,标志着光纤传感技术实现了由准分布式到分布式的转变。分布式光纤传感技术通过解调外部扰动对光纤中的传播光的特性(振幅、散射、相位、波长等)变化实现对外界物理量的测量,因其在工程上具有轻便、抗电磁干扰、耐温耐压、能够适应极端复杂条件的特点,在应用上能够测量电场、磁场、温度、水声、压力、振动、位移、速度、流量等多种物理量,因而迅速成为国内外重点研究和开发对象。

分布式光纤传感技术主要包括分布式光纤声波传感(DAS)、分布式光纤温度传感(DTS)、分布式光纤应变传感(DSS),在油气领域的应用始于20世纪90年代,前期主要集中在生产开发监测方面,壳牌公司最早使用DTS对井下温度场实时测量[3],MOLENAAR等[4]和BORODIN等[5]利用DAS监测水力压裂过程中的泵噪反演裂缝位置及宽度,同时也用于固完井质量评价,PERKINS等[6]利用DAS的低频信息及微地震事件评估水力压裂的影响范围,LUO等[7]提取了水力压裂过程中DAS微地震记录的导波反演页岩的速度和厚度等,ZHANG等[8]、GHOSH等[9]和李海涛等[10]建立了基于DTS反演模型,解释压裂水平井的产出剖面。

DAS技术在油气勘探方面的应用起步稍晚,近年来也取得了快速发展。MESTAYER等[11]、MATEEVA等[12]将DAS技术应用于井中地震勘探,指出DAS相对于常规检波器,具备一次布设全井段接收、高密度、耐高温耐压等优势。HULL等[13]、YU等[14]、ELLMAUTHALER等[15]和WILSON等[16]利用永置式光纤获取高一致性资料,进一步推动DAS-VSP成像由二维到三维,由一次成像到多期次时移成像,并在水力压裂效果监测和碳封存监测方面取得了明显的效果。DOU等[17]、宋政宏等[18]和曹卫平等[19]将DAS光纤横向布设在浅地表,通过面波频散曲线反演获得了浅层速度结构。DAS在油气勘探方面的快速应用,进一步加深了国内外学者对DAS采集过程及数据特点的认识,与常规井中检波器不同,光纤除了在井中采集接收以外,在光缆内部及地面还有部分冗余长度,为保证DAS数据在深度的准确性,WILLIS等[20]利用检波器数据校正DAS深度,MADSEN等[21]利用井中工具深度标志点进行数据驱动校正DAS数据深度。KUVSHINOV等[22]提出DAS本身为一个单分量传感器,对轴向应变最敏感,垂向应变最微弱,WILLS等[23]和WU等[24]指出DAS纵横波随地震波入射角的响应分别为cos2θ和sin2θ。EAID等[25]、马国旗等[26]数值模拟了DAS-VSP的采集记录,并分析了标距(GL)、脉冲宽度、震源强度等因素对DAS采集质量的影响;MIZUNO等[27]、ALFATAIERGE等[28]讨论了DAS解调标距与速度、信噪比的关系,一定范围内标距越大速度误差越小,信噪比越高。WILLIS等[29]认为采用单模光纤采集获取的VSP资料品质更高。李彦鹏等[30]全面对比了不同激发源获得的DAS与检波器资料在频率、振幅、子波、走廊等方面的差异。针对套管内DAS-VSP特有的耦合干扰,CONSTANTINOU等[31]利用分布式应变和温度传感实时监测光缆的松弛度,获取最佳的光缆采集状态,从采集源头上减少了耦合干扰;CHEN等[32]提出基于稀疏理论的DCT与小波字典耦合干扰压制方法,WILLIS等[33]利用预测反褶积方法进行耦合干扰压制,提高了DAS采集资料的信噪比。

DAS-VSP野外采集是在地面进行三维地震数据采集时,井中布设光缆同步接收,用于后续提取井周围地层参数驱动地面地震资料处理。本文给出了DAS-VSP在无检波器做深度标定的条件下标定光缆深度的方案,提出了对采集数据进行时间方向求导与反演耦合干扰减去法的方法,提升了DAS资料信噪比,将提取的全井段高密度的各向异性参数用于地面地震井控各向异性叠前深度偏移,有效提高了成像精度与分辨率。

1 分布式光纤声波传感技术原理

1.1 基于Ф-OTDR的分布式声波传感技术

分布式光纤传感技术是通过将光纤作为感应介质及传输介质对几十千米以内的声波、温度、应变进行高密度连续分布式测量,基于声波的分布式光纤传感测量是目前井中地震勘探的主要采集方式。光纤材料的本质是二氧化硅,在其由熔融态凝固为固态的过程中,光纤内部会存在密度不均情况,理论上可将这些区域视为波长远小于光波长的粒子,此时光束接触到这些粒子时将向各个方向产生瑞利散射,瑞利散射是一种弹性散射,波长与入射光保持一致,其光强与入射光波长的四次方成反比,具体关系式为:

(1)

式中:IRBS为瑞利散射光强;λ为入射光波长。瑞利散射光强还与散射光和入射光的夹角θ有关:

(2)

图1 瑞利散射光强随散射角度变化

将发生全反射的后向散射光称为背向瑞利散射,可用作光纤传感系统的信号光(图2)。

图2 光纤传感瑞利散射产生机理

基于带相位信息的光时域反射的分布式光纤传感技术(Ф-OTDR)是解调背向瑞利散射光的相位变化实现对外界信息的测量,其优势是无需直接接触被观测对象,而通过介质传播的振动信号实现对其感知,此外灵敏度高、响应迅速,与井中地震勘探特点高度符合。Ф-OTDR利用相位变化解调信息的方式有两种:一是分布式振动传感DVS(distributed vibrate sensing),解调散射信号的强度变化反映外界信息变化,其系统结构相对简单,能够对外部时间进行定性测量,但由于背向瑞利散射光是由多个散射信号叠加而成,外界扰动与最终的散射信号强度无线性关系,无法进行定量测量;二是分布式声波传感DAS(distributed acoustic sensing),解调散射信号的相位变化对外界扰动信息进行测量,理论上这种相位变化与外界扰动呈线性关系,即DAS能够定量测量外界扰动信息。

1.2 Ф-OTDR关键性能指标

1.2.1 传感距离

光纤传感距离是整条光纤能够解调外界扰动信息的最远距离,由于光纤声波传感通过背向散射光的互相干涉叠加的强度/相位差异从而解调外界扰动信息,而DAS系统是按照某一周期TRBS源源不断地输入高相干性的窄线脉冲光源,为避免脉冲光与散射光发生互相干涉,则同一时间光纤只能存在一束脉冲光。

(3)

式中:L为光纤传感长度;c为光在真空中的传播速度;n为光纤折射率。在一定光强范围内DAS传感距离L与光能量成正比,而光能量为脉冲宽度τ与脉冲光峰值功率P的乘积。当维持脉冲宽度不变,可通过增大脉冲光峰值功率增强光能量从而扩展光纤传感距离,但过大将导致产生布里渊散射,从而降低信噪比。

(4)

式中:LSBS为不产生布里渊散射的前提下,通过增强脉冲光峰值功率所能解调的最远距离;k为声波波矢;gB为布里渊增益系数;Aeff为纤芯的有效面积;Leff为等效作用长度;ΔvB为布里渊线宽;Δvi为入射光线宽。提升脉冲光峰值功率增加光纤传感距离范围有限,在工程应用中,往往是通过扩大脉冲宽度增加光纤传感距离。

1.2.2 空间分辨率

Ф-OTDR的空间分辨率与瑞利散射发生干涉的最大光程差相关,如图3所示,当一束脉冲宽度为τ的入射光由左向右传播,在tf时刻,入射光前沿产生背向瑞利散射Ef,经过Δt时刻后,Ef往左传播了τ/2,此时入射光后沿产生背向瑞利散射Ee,Ee与Ef将同时到达探测器并发生干涉,所以空间分辨率Z可表示为:

图3 Ф-OTDR背向瑞利散射干涉示意

(5)

结合前文可知,光纤传感距离与空间分辨率主要受脉冲宽度影响,且互相制约,脉冲宽度宽,则传感距离长,空间分辨率下降,相反,脉冲宽度窄,则传感距离短,空间分辨率高。

2 DAS-VSP数据采集

DAS-VSP采集使用的是国产光纤解调系统uDAS,在井筒周围进行了光缆布设。目前光缆布设方式主要包含3种:①永置式光缆布设,即光缆安置在最内层套管外部,在固井时随套管一起下井,最终水泥胶结使光缆与地层直接耦合,该方式采集效果普遍较好,光缆不可回收;②井筒外光缆布设,光缆绑在生产井井筒外部,该方式一般用于油气开发中的监测;③套管内光缆布设,为本次研究实施的布设方式,光缆随重物牵引贴合井壁下井,该方式采集光缆可回收,但采集质量易受光缆与井壁的耦合效果影响(图4)。

图4 DAS-VSP采集示意

光纤采集预设接收主要参数:光缆采集深度范围为1～1 900 m全井段采集;时间采样间距为1 ms;空间采样间距为1 m;光纤检波器级数为1 900级。

获取的光纤资料如图5所示,可见光缆获取的数据主要包含光纤传感区域与解调冗余区(该范围与光纤背景噪声无关),首先面临的问题是:如何将光纤解调出的各道数据分配到正确的深度位置上,这将影响到后续DAS-VSP提取的时-深关系、速度、走廊等相关参数的准确性。

图5 DAS采集原始资料

结合图4与图5可见,光缆在地面有一段余长连接uDAS主机,且考虑到光纤纤芯防拉断的问题,一般有:

Lc>Lf>Lw

(6)

式中:Lc为光缆长度;Lf为光缆中光纤长度;Lw为井深。光纤检波器解调间距应大于预设的1 m道间距。

井中检波器的深度位置较为准确,通过检波器与光纤的初至及时深关系,能够较为准确地对光纤深度进行校正,但实际DAS-VSP测井实施中因经费原因等无法对每口井进行光纤与检波器同时测井。通常认为光纤检波器道间距d与井中光纤通道数N的乘积为观测井深DM,故有:

(7)

式中:Xwd与Xwb分别为DAS-VSP测井时井口位置与井底光纤所在道。通过确定Xwd或Xwb为参考道,即可对井中光纤采集深度进行校正。本文采用在井口用一高频震源为激发源,确定井口道,并以其为参考点。

图6为井口试验采集记录,对比可大致确定井口范围为200～300道,在此基础上,高频震源与背景噪声采集结果由t-x域转换到f-x域,可统计其能量变化。在本试验中,为避免方法的偶然性,额外采集了两炮高频震源记录,从而确定井口参考道。

图6 井口试验采集记录

如图7所示,DAS光纤明显记录出高频震源信号与背景噪声的差异主要集中在300～400 Hz区间,对其统计能量规律(图8),明显可见高频记录能量在第255道皆出现最大值,且能量基本以其为中心迅速衰减,结合公式(7)可算得井底光纤所在道Xwb。

图7 井口试验采集记录不同数据的f-x谱

图8 背景噪声与高频震源记录f-x域能量统计

3 DAS-VSP时间方向求导及耦合干扰压制

3.1 时间方向求导前后频谱、信噪比、相位、振幅对比

与常规速度检波器检测速度物理量相比,光纤通过应变感知外界环境信息,我们将测得的DAS数据依次对单道数据进行时间方向一阶求导,可得到类似于速度方面的信息。图9为时间求导前、后DAS数据对比,可见,时间求导后,红色虚线框中的上行反射纵波信息明显增强;图10为虚线框内时间求导前、后频谱对比,求导前后频谱特征基本一致,相比原始DAS数据,求导后数据,对低频成分有压制作用,对高频成分有抬升作用;图11为DAS数据时间求导前、后信噪比对比,由图可见,时间求导对中浅层数据信噪比有一定的提升作用。

图9 DAS数据时间求导前(a)、后(b)对比

图10 DAS数据时间求导前、后频谱对比

尽管时间求导后DAS数据的信噪比与高频成分有所提升,但我们注意到图9中时间求导后上、下行波的相位出现了差异。图12为抽取第900 m深度DAS数据对比时间求导前、后相位差异,可见时间求导后波形比之前滞后约90°相位。图13a为抽道叠合显示了时间求导后的800～1 000 m深度记录,黑色为时间求导前记录,红色为时间求导后记录,时间求导后下行波、地表多次波、上行反射波均表现出与求导前滞后约90°相位,经过90°相移后,主要波形在相位上基本趋于一致(图13b)。

图12 抽取第900 m深度DAS记录时间求导前(黑)、后(红)相位比较

图13 800～1 000 m深度,时间求导前、后DAS数据(a)和对时间求导后DAS数据90°相移后数据(b)的抽道叠合显示

图14统计了时间求导前、后初至以下100 ms时窗内的归一化均方根振幅能量,可见时间求导后归一化均方根振幅能量基本一致,即说明时间求导并不会明显改变初至相对能量,并不影响后续井驱参数真振幅因子Tar与地层吸收衰减系数Q的求取。

图14 时间求导前(蓝)、后(红)归一化初至振幅对比

3.2 反演耦合干扰减去法压制耦合噪声

永置式光纤在国内应用较少,目前大多采用可回收光纤(套管内)随重锤牵引下井布设进行VSP数据采集。这种布设方式使得光缆与井壁在局部深度段容易出现耦合效果不佳的情况,如固井质量差、井壁不光滑等原因造成光缆与井壁出现空隙,形成一种光纤VSP数据特有的“锯齿状”干扰(图15)。这种锯齿状干扰在空间上表现为相对固定,在时间上表现为周期性强,随时间增加而逐渐变弱,时频域上显示频率特征相对集中(图16)。

图15 含有耦合干扰的DAS-VSP采集记录

图16 DAS耦合噪声单道记录时频分析

分析研究DAS光纤采集资料耦合噪声特点,采用反演耦合干扰减去法进行压制,处理流程主要包括以下步骤。

1)道间能量差异分析得到耦合噪声的起始结束道序号n1,n2,扫描耦合噪声传播速度(图17),统计每道能量,确定反射系数Ri。

图17 DAS耦合噪声区域与视速度确定

2)耦合噪声起始道前若干道下行波作为初始子波W,建立最优化方程:

(8)

式中:Di为第i道数据。

3)反演子波W(图18)与拟合噪声(图19)。

图18 DAS初始子波与反演子波

图19 耦合噪声反演结果

4)减去拟合噪声。

图20为耦合噪声压制前、后的结果。针对耦合噪声段进行去噪处理,可以得到高信噪比资料。这种去噪方式能够最大程度地去除干扰波,并能较好地保留VSP有效反射信息。

图20 耦合噪声压制前(a)、后(b)记录

4 DAS-VSP井驱应用效果

光纤检波器直接置于井中,具有确定的时深关系、准确的地层信息、丰富直观的波场,但其信息空间分布不均匀,缺乏宏观能力。地面地震的优点在于其观测系统灵活、成像孔径大,但时深关系不确定、无直接地层信息。DAS-VSP数据提取出的层速度、各向异性参数信息可用于井控各向异性速度场的建立,其中各向异性参数是井附近的随深度变化的一维函数,在井周围各向异性横向变化相对缓慢,通过地面解释层位约束内插可实现各向异性参数场的建立。研究区地下构造相对平缓,在近水平层状介质条件下,利用DAS-VSP的变偏移距的初至走时,进行各向异性参数反演:

v=v0(1+δsin2θcos2θ+εsin4θ)

(9)

式中:v为入射角为θ时的地震波速度;v0为VTI介质对称轴方向的地震波速度。通过双参数同时扫描,当等式两端差值最小时,求得各向异性参数最优解。井控叠前各向异性深度偏移将构造约束的叠前深度速度场作为初始速度场,研究区本溪组以上采用井约束沿层速度迭代和网格层析,后加入井控各向异性参数(图21)迭代得到最终叠前深度偏移速度场。