井下光纤微地震监测系统设计及应用
2022-02-28董小卫王宁博麻慧博
董小卫,刘 帅,汪 志,王宁博,刘 飞,麻慧博,赵 田
(1.中国石油新疆油田分公司 工程技术研究院,新疆 克拉玛依 834000;2.北京科技大学 计算机与通信工程学院,北京 100083)
引言
微地震监测已成为地球物理普查和能源工业开采进程中的有效手段,其最初应用于地热资源的勘探和开发[1],现已广泛用于油气藏勘探开发过程中的监测[2-3]。目前,微地震监测通常延用常规地震采集仪器,大多使用动圈式或压电式加速度型检波器阵列[4]。随着光纤技术的不断进步,新型光纤检波器自20 世纪90年代以来取得了飞速发展,其具有高灵敏度、宽频带、抗电磁干扰、易于复用等优势,有利于地震信号的高保真采集[5]。在国际上,2004年,BP 公司发起了Valhall LoFS 工程,进行基于光纤传感技术的永久式海底地震检波器的研究,并于2007年在北海的Valhall 海上油田成功地安装了井下永久式光纤检波器系统[6],其主要由一个光纤3 分量加速度计单元和一个光纤水听器组成。2008年,在美国北达科他州的Bakken 盆地,Schlumberger 公司联合多家微地震油服公司,例如Microseismic、Terrascience,对当地3 口3000 m深水下油井压裂进行地面、地表和井下综合微地震监测,其中光纤微地震监测取得了较理想的效果。2014年,Schlumberger 公司在挪威的一块油田进行了SGAD 井的监测实验,通过2 条永久式32基元3 分量VSP 传感器组成的阵列,同时对5 口蒸汽辅助重力泄油(steam assisted gravity drainage,SAGD)井进行注入蒸汽诱发的微地震监测[7]。此外,美国CiDRA 公司也进行了用于井内垂直地震剖面、井间和无源地震监测的光纤地震监测系统的研究。在国内,2002年,胜利油田物探公司与美国STEVENS 理工学院合作研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[8];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6 000 m 深地层的地震反射信号[9];2015年,中科院声学研究所与中石油化工集团地球物理公司联合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,测试对比结果显示,光纤监测系统有利于提高地震信号采集精度,进而改善勘探效果[10]。
本文设计了一种新型井下光纤微地震监测系统,采用时分复用技术形成了多级3 分量光纤检波器阵列。通过在阵列中增设参考检波器进行共模噪声抑制,提高了接收微地震信号的信噪比,增强了系统的探测能力。采用系列实验对系统的性能参数进行了综合测试,并在油气开发水力压裂中成功捕捉到了具有清晰P 波和S 波的微地震信号,系列结果验证了系统的可靠性,为微地震事件的空间定位和裂缝特征参数解释打下了良好基础。
1 光纤微地震传感系统及解调方法
1.1 系统结构设计
基于外差方案的光纤微地震监测系统整体结构[11-12]如图1所示。光源(NKT Koheras BASIK E15,中心波长1 550 nm、相位噪声在1 m 的臂长差及10 kHz 的频率偏移处为相对强度噪声小于−110 dB)发出的连续光经过50∶50 耦合器(C1)进入到马赫-曾德尔干涉仪(mach–zehnder interferometer,MZI)的两臂,2 个声光调制器(acoustic-optic modulator,AOM)在将连续光调制为脉冲光的同时对光信号进行移频,移频量分别为f1、f2,同时移频量为f2的脉冲光还经过了一段长度为2ΔL的延时光纤。50∶50 耦合器(C2)将这2 个脉冲生成时间间隔为τ 的外差脉冲对,其中τ=2nΔL/c(n为光纤折射率,c为光速)。外差脉冲对通过耦合器(C3)被注入到时分复用的2 个光纤检波器子阵列,子阵列中的每个检波器受外界震动所产生的脉冲干涉通过环形器的三端口依次到达滤波器(Filter,中心波长1 550 nm,带宽0.1 nm)、探测器(Detector,跨阻放大倍数约为60 kΩ,带宽30 MHz)、数模转化器(analog-digital convertor,ADC,采样精度14 bits,采样速率100 MS/S),最终通过后端信号处理平台解调,获得每个检波器上接收到的振动信号。为补偿光路损耗,在脉冲对注入光纤检波器子阵列前和返回脉冲进入探测器前均增加了掺铒放大器(erbium-doped optical fiber amplifier,EDFA,工作波长范围1 528 nm~2 563 nm,饱和输出光功率为23 dBm,噪声系数<5.5 dB)进行放大,前者称之为Power-EDFA,后者称之为Pre-EDFA。为滤除部分EDFA 的自发辐射噪声,在Pre-EDFA 之后增加了滤波器。
图1 系统结构设计框架Fig.1 Schematic diagram of system structure
1.2 时分复用阵列
系统采用的光纤微地震检波器是基于顺变柱体结构光纤Michelson 型干涉仪所制成,其输出相位与振动信号的加速度数值成正比,具体工作原理参见文献[13]。光纤检波器阵列由2 组结构相同的时分复用[14-16]子阵列所组成,如图2所示。各阵列包含6 级检波器单元,其中各组所属的第1 级检波器单元为参考传感器,其灵敏度低,对外界振动信号不敏感,主要用于后期系统共模噪声(common mode noise,CMN)的抑制[17-18];第2~6 级检波器单元为3 分量型,主要用于采集X、Y、Z这3 个正交方向上的微地震信号。相邻的检波器单元通过一系列光纤耦合器连接,根据各耦合器分光比推导理论[19],分光比约等于耦合器输出两端连接检波器中所含反射镜的数量,为保证各检波器返回的光信号强度大致相等,此处的时分复用阵列中各耦合器的分光比从第1 级至第6 级依次约为1∶10,1∶4,1∶3,1∶2 和1∶1。
图2 时分复用检波器阵列示意图Fig.2 Schematic diagram of time-division multiplexing detector array
为了在时域上保证相邻检波器单元的反射脉冲不发生重叠[20],各级之间设置了一段延时光纤,其中第1 级和第2 级之间的延时光纤长度为40 m,其余各级之间延时光纤长度均为80 m,时分复用的检波器阵列返回的脉冲信号如图3所示。除第2 级与第1 级之间的延时为2 τ 外,其余各级相互之间的延时时间均为4 τ,通过延时参数解时分操作,可以确定各检波器单元空间位置。该子阵列返回脉冲中包含了全部检波器对应的16 个干涉脉冲,虽然第N级检波器单元的最后一个脉冲和第N+1 级检波器单元的第1 脉冲重叠,但其为不携带振动信息的非干涉脉冲。
图3 时分复用检波器阵列返回光脉冲序列示意图Fig.3 Schematic diagram of optical pulse sequence returned by time-division multiplexing detector array
1.3 解调方法
从各检波器返回的干涉信号的光强可表示为[21-22]
式中:I0为干涉信号直流强度;v为干涉信号对比度;ωc为外差角频率;φs为检波器引入的与震动信号相关的相位变化;φ0为初始相位。
干涉信号的解调流程如图4所示。干涉信号在与载波C(t)及载波的正交项S(t)混频后,得到如(2)式的信号表达式。
图4 干涉信号外差解调流程图Fig.4 Flow chart of heterodyne demodulation of interference signal
式中:φ(t)=φs(t)+φ0;C(t)和S(t)可表示为
将Icos(t)和Isin(t)分别通过一个低通滤波器(low pass filter,LPF),低通滤波的截止频率设置在ωc以下,这样Icos(t)和Isin(t)中载波以及2 倍载波处的频率分量将会被滤除,可以得到的正交信号i(t)和q(t)为
使用相除反正切算法得到相位信息φ(t),即:
得到相位信息后还需进行解卷绕操作,将整个相位信息扩展到[−∞,+∞],详细的解调过程以及相位恢复过程中的误差、噪声来源可以参考本项目之前的研究成果[17]。
2 系统性能测试
采用前期所研制的光纤检波器在形成时分复用子阵列后,对系统进行整体性能测试,光纤检波器的加速度相移灵敏度约45 dB(0 dB=1 rad/g)、工作频率范围为10 Hz~1 000 Hz。
2.1 噪声本底
由于系统所使用的光源性能较好,其相位噪声低(1 m 的臂长差、10 kHz 的频率偏移处为0.4 μrad/,相对强度噪声(relative intensity noise,RIN)小于−110 dB,因此,经外差算法解调后的输出噪声本底在100 Hz~1 000 Hz 范围内低于−100 dB。在实际测试中,采用的是对外界环境干扰不敏感的参考传感器,同时将参考传感器放入隔声隔振箱中,连续记录系统输出的1 h 波形数据,绘制出其平均功率谱密度曲线,如图5所示。从图5 可以看出,在100 Hz~1 000 Hz 范围内的噪声本底平均值达到了−101 dB,在低频段50 Hz 附近噪声本底有所抬升。分析原因主要有:1)周围环境的噪声主要集中在低频段;2)检波器自身受温度等影响的低频漂移导致低频段噪声本底较高。
图5 实验室环境下测得的系统噪声本底曲线Fig.5 Background curve of system noise measured in laboratory environment
2.2 动态范围
动态范围为系统能够探测的最大信号幅度与最小信号幅度之比。其中最小信号可认为即系统的噪声本底,最大信号可通过振动台(LabWorks ET139)和加载调频波测试得出,测试结果如图6(a)所示。从图6(a)可以看出,当信号频率低于80 Hz 时,由于振动台不能提供更大的加速度信号,振动台实测曲线在80 Hz 时不再上升(本实验中为振动台所限制,若采用低频性能更好的振动台,则不会存在该现象)。为克服该测试盲点,使用信号发生器输出调频波作为测试的信号源。调频波表达式为
图6 最大可解调信号幅度和动态范围曲线Fig.6 Maximum demodulated signal amplitude and dynamic range curve
式中:Vcm为调频波的幅度;Ω为所加测试的角频率;Mf=△fm/Ω为调制指数,△fm为调制波的最大频偏。
通过解调可以获得Mf值,即对应解调信号的幅度。同样如图6(a)所示,在高于80 Hz 处,理论计算曲线、振动台测试曲线、调频波测试曲线3 者具有很好的吻合度;在低于80 Hz 处,调频波曲线和理论计算曲线也具有很好的吻合度。结合系统实测噪声本底,系统动态范围计算数值如图6(b)所示。从图6(b)可看出,所有频率点处的动态范围均高于120 dB,在低于50 Hz 时,由于噪声本底受工频干扰和检波器慢漂移影响较大,导致动态范围下降,但仍高于120 dB。动态范围曲线在低频时(<100 Hz)波动较大,是由于在测试系统噪声本底时,其低频段受周围环境干扰影响较大,导致本底波动较大(如上节图5所示)。
2.3 串扰
由于所使用的光纤检波器灵敏度较高,易受环境振动信号的影响,在进行串扰测试时,不再使用震动台加载信号,而是将第1 级Z方向检波器中的传感光纤缠绕在压电陶瓷上,通过信号发生器驱动压电陶瓷来加载信号,选择的信号频率为160 Hz,峰值幅度为6.85 rad。用此方法测试了第2 级和第3 级中各检波器所受到的串扰,如表1所示。从表1 可以看出,阵列中最大串扰和平均串扰的最大值分别为−67.2 dB 和−71.8 dB,满足微地震探测的使用要求[23]。
表1 串扰测试数据统计Table 1 Crosstalk test data statistics
3 现场应用效果分析
3.1 系统部署
光纤检波器阵列实物及井下位置部署分别如图7 和图8所示。将时分复用的12 级光纤微地震检波器阵列下入观测井,各级检波器采用推靠机构支撑于套管内壁进行井下固定,通过井下光纤检波器阵列拾取目标水平井射孔信号和水力压裂过程产生的微地震信号。其中观测井与目标压裂井的地面井口位置距离为760 m,井下检波器阵列与目标水平压裂井27 级改造层段的最近距离为177 m、最远距离为497 m。
图7 光纤检波器阵列实物图Fig.7 Physical drawing of optical fiber detector array
图8 光纤检波器阵列井下位置部署示意图Fig.8 Schematic diagram of underground position deployment of optical fiber detector array
3.2 射孔信号和微地震信号
射孔信号主要用于检波器方位校正和速度模型拟合修正,信号波形如图9(a)所示。射孔信号几乎没有S 波分量,主要是以P 波为主,主要是因为炮弹射孔引起的岩石剪切变形较小。图9(b)、图9(c)分别为水力压裂产生的高信噪比和低信噪比微地震信号,在两种情况下系统可成功捕捉到微地震P 波、S 波,并进行明显区分。分别绘制了图9(b)中的微地震信号和该信号之前一段时间内噪声的频谱,如图9(d)所示。典型的微地震信号主要分布在10 Hz~1 kHz 频率范围内,通过对1 000 个数据点进行均方差统计,水力压裂微地震信号最高信噪比估值为60 dB。
对图9(b)对应的微地震事件,选取阵列中信号相对较强的第2 级检波器单元,分别绘制了其X、Y、Z不同方向的时频图,如图10所示。Z分量对P 波的强度要明显强于X、Y分量,而X、Y分量中的S 波响应比P 波强,说明该检波器单元中的3 分量检波器具有明显的方向性。此外,还可以看出P 波的频率跨度在200 Hz~500 Hz 之间,而S 波的频率分布在50 Hz~200 Hz 之间,这也与岩石破裂产生的微地震信号特征相吻合[24]。
图9 微地震信号时域波形曲线及信号特征分布Fig.9 Time-domain waveform curves and signal characteristic distribution of microseismic signal
图10 典型微地震信号时频域图Fig.10 Time-frequency domain diagram of typical microseismic signal
4 结论
本论文基于时分复用方案设计了一种新型的井下3 分量光纤监测系统,介绍了系统的组成框架、检波器阵列时域脉冲序列和对应干涉信号的相位解调方法,完成了系统性能参数室内测试,并在水力压裂作业现场进行了应用试验。监测结果表明:该系统能够捕捉射孔信号和各类微地震事件,清楚地展现了微地震信号中的P 波、S 波;同时,时域分析也揭示了所探测微地震事件具有明显的方向性,其P 波、S 波的频率分布也具有不同特征,探测结果为进一步开展微地震事件的空间定位和裂缝特征参数解释建立了良好基础。