光纤传感技术始于1977年, 伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来, 是衡量一个国家信息化程度的重要标志。光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑和家用电器等领域且有着广阔的应用市场。世界上已有光纤传感技术上百种, 诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量, 都实现了不同性能的传感。

光纤传感系统可以用于地面三分量地震信号、海洋四分量地震信号、地面和海洋三分量电磁信号和井下压力、温度、噪声、振动、声波、地震波、流量、流体组分、电场和磁场等的测量。该系统以全铠装光缆结构为基础, 传感器的连接以及数据传输的光缆都用光纤制成。目前有多种地下、海洋和井下铠装光缆的布设方法, 比如埋放在地表以下的浅沟内、拖曳在海洋地震数据采集船的船尾、沉放在海底、埋置在海底下的浅沟内、安放在井下控制管线内、投放到连续油管内、直接集成到复合材料制成的连续油管管壁中、捆绑固定在连续油管外侧、投放在套管内和捆绑在套管外侧并用固井水泥进行永久性固定等布设方法。

除了用作分布式光纤传感器件和数据传输的铠装光缆外, 还有各类光纤传感器件可以替代传统的电子传感器用作地球物理探测系统的传感单元或模块, 比如光纤水听器、单分量或三分量光纤检波器、光纤MEMS传感器、光纤电场传感器、光纤磁场传感器、光纤应变传感器、光纤温度传感器和光纤压力传感器等。这些光纤传感器可以集成到陆地、海洋和井下地球物理勘探数据采集设备中去, 开发出不同应用场景的光纤地球物理勘探数据采集系统, 解决目前传统的地球物理勘探仪器存在的体积大、功耗大、易受外界电磁干扰、不耐高温、不耐高压、数据传输率低等缺陷, 真正实现地球物理勘探仪器的更新换代。本文主要对地震数据采集中的分布式光纤、地面光纤、海洋光纤和井中光纤等技术及其应用进行系统介绍, 最后展望了未来光纤地球物理技术的发展。

分布式光纤传感技术采用光纤作为传感介质和传输信号介质, 通过测量光纤中特定散射光的信号反映光纤自身或所处环境的应变或温度的变化, 一根光纤可实现成百上千个传感点的分布式传感测量。分布式光纤传感器则是一种全分布式的测量技术, 其工作原理是基于向后散射效应, 集传感与传输于一体, 可实现远距离测量与监控, 一次测定就可获得整个光纤分布区域的空间参数分布, 能够测得长达几十上百公里外的信息。工程中常用的分布式光纤传感技术根据光纤中光的散射原理可分为3类, 即基于瑞利散射的分布式光纤传感技术、基于布里渊散射的分布式光纤传感技术和基于拉曼散射的分布式光纤传感技术。近些年, 快速发展起来的分布式光纤传感技术系列包括分布式光纤声波传感(distributed acoustic sensing, DAS)、分布式光纤温度传感(DTS)和分布式光纤应变传感(DSS)技术等, 是一种利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质的传感系统。分布式光纤传感器是采用独特的分布式光纤探测技术, 对沿光纤传输路径上的空间分布和随时间变化信息进行测量或监控的传感器。它将传感光纤沿场排布, 可以同时获得被测场的空间分布和随时间变化的信息, 对许多工业应用都颇有吸引力。

DAS是一种可以实现振动和声场连续分布式探测的新型传感技术。它利用窄线宽单频激光在光纤中激发的相干瑞利散射对应变化高度敏感的特性, 结合反射计原理, 对与光纤相互作用的环境振动与声场信息进行长距离、高时空精度地感知。DAS是近年迅速发展的高密度、低成本的地震信号观测技术。DAS利用相干瑞利散射光的相位而非光强来探测音频范围内的声音或震动等信号, 不仅可以利用相位幅值大小提供声音或震动事件强度信息, 还利用线性定量测量值实现对声音或震动事件相位和频率信息的获取。可以认为, DAS是一个移动干涉式声波传感器沿传感光纤探测外界信号, 当声音或震动信号引起该位置干涉光相位的线性变化时, 通过提取该位置不同时刻的干涉信号并解调, 就可实现对外界物理量的定量测量。DAS测量过程包括激光器沿着光纤发出光脉冲, 一些光以反向散射的形式与入射光在脉冲内发生干涉, 干涉光反射回来以后, 反向散射的干涉光回到信号处理装置, 同时将光纤沿线的震动声波信号带到信号处理装置。由于光速在光纤中保持不变, 因此, 可得到每米光纤声波振动的测量结果。

近年来, DAS技术应用的快速发展, 使其入选了“2020年全球石油十大科技进展”。这种独一无二的信息感知能力, 使得DAS技术受到学术界和工业界的广泛关注。DAS技术性能不断提升, 应用快速发展, 已在周界安防入侵检测、铁路安全在线监测和地球物理勘探等方面展示了其独特的技术优势和潜力。在地球物理勘探领域, DAS系统应用于地表、井中和海底的地震数据采集, 井下气体或液体流动噪声记录; 分布式光纤温度传感(DTS)系统多年来已广泛应用于井中温度测量和监测; 分布式光纤应变传感(DSS)系统则开始应用于井下地应力测量和监测, 地层压力异常区内的套管变形和套损的长期监测。分布式光纤传感器具有质量轻、价格便宜、灵敏度高和适用于复杂环境等优点, 广泛应用于油气井全生命周期的安全监测中。

图 1是分布式光纤声波传感系统工作原理示意。当地震波(声波)作用到局部光纤上时, 局部光纤会产生微应变(拉伸或压缩), 造成沿光纤的光程发生变化, 由于光弹效应, 光纤纤芯的折射率会发生相应改变, 从而引起光纤纤芯中瑞利散射干涉光信号相位的变化, 通过相位敏感型光时域反射仪器(Φ-ODTR)的干涉光信号测量、相位解调和信号处理, 即可实现分布式光纤声波传感。当对整段光纤纤芯中瑞利散射干涉光信号相位进行连续测量时, 图 1中右侧受地震波作用的光纤段连续两次相位测量结果会出现差异, 产生由局部光纤微应变引起的相位异常, 而没有受地震波作用的其它光纤段, 连续相位测量的结果则只有背景噪声。当地震波在介质中以固定速度从光纤的一端传播作用到光纤的另一端时, 通过对全段光纤纤芯中瑞利散射干涉光信号相位的实时连续测量和解调, 就可以获得地震波沿光纤传播时的震动信号, 或沿介质传播的地震信号记录。因此, 可以通过埋设在地下、拖曳在水中、铺设或埋置在海底和布放到井下的铠装光缆, 实时记录人工震源激发或天然诱发的地震信号, 实现用分布式光纤采集陆地、海洋和井中的地震数据。

图 1(Fig. 1)

图 1 分布式光纤声波传感系统工作原理示意

常规地面地震数据采集系统采用的是有线或无线节点式单分量或三分量检波器, 这类检波器一般是动圈式检波器、压电式检波器、数字式检波器、加速度式检波器或MEMS检波器。地面光纤地震数据采集系统则是由逐点布设在地面的单分量或三分量光纤检波器采集地面二维或三维地震数据, 或者在地下埋置铠装光缆, 采集沿铠装光缆分布的分布式光纤地震数据。

图 2是某科研单位的地面单分量光纤检波器实物照片以及数据采集现场的光纤检波器埋置方式。图 3是埋置在地面下浅沟内采集地面地震数据的铠装螺旋光缆实物照片。在地面工区内, 按照二维检波器测线或三维测网布设光纤检波器, 或者沿着地面检波器测线或测网开挖浅沟埋置铠装螺旋光缆, 配合地面人工震源组成的光纤地震数据采集系统, 就可以进行地面光纤地震数据采集。

图 2(Fig. 2)

图 2 地面单分量光纤检波器和连接光缆实物照片(a)及在地面的布设方式(b)

图 3(Fig. 3)

图 3 陆地用铠装螺旋光缆实物照片

目前, 地面地震勘探正朝着“轻量化”的趋势发展。2020年, 沙特某石油公司在沙漠区尝试了使用埋置的铠装螺旋光缆进行地面和井中立体地震勘探试验, 即在沙漠地表区埋置铠装螺旋光缆并与浅井中布设的垂直光纤阵列同时接收地面可控震源激发的人工震源信号, 此外在地面采集了常规动圈式检波器数据并与光纤采集的地面地震数据进行验证对比^[1]。图 4是这次试验使用DAS调制解调仪器和地面与井中布设的铠装螺旋光缆, 进行“浅”、“深”和“FWI”接收网格的地面和井中多尺度地震数据采集的试验现场施工照片及测网布设示意。

图 4(Fig. 4)

图 4 沙特某石油公司在沙漠中用铠装螺旋光缆进行浅井中和地面多尺度地震数据采集试验现场施工照片及测网布设示意

常规动圈式检波器采集地面地震数据时, 其感应的地震信号的振幅大小和检波器磁芯延伸方向与地震纵波传播方向的夹角或纵波的入射角θ相关, 二者呈cosθ的关系, 即在垂直向上方向cos0=1时, 垂直检波器接收的反射纵波振幅最大, 在水平方向cos 90°=0时, 垂直检波器接收的反射纵波振幅最弱。用埋置在地面下的直光纤采集地面地震数据时, 其感应的地震信号的振幅大小也和光纤延伸方向与地震纵波传播方向的夹角或纵波的入射角θ相关, 但是二者呈cos²θ的关系, 即当cos²0=1时, 水平埋置的直光纤接收的地震波水平分量的振幅最大, 当cos²90°=0时, 接收垂直向上的反射纵波信号最弱。因此, 在生产中一般只用埋置在地面下的直光纤采集地震面波的数据, 螺旋管方式绕制的铠装螺旋光缆则用来采集地面地震数据。

图 5是直光纤和螺旋管光纤对弹性波在不同入射角情况下的响应特征^[2]。实线和虚线表示的是光纤对弹性波在不同的纵波速度和横波速度模型上的响应。从图中可以看出, 直光纤在弹性波入射角为0和180°时的响应最大, 在90°和270°时响应为0。而螺旋管光纤对弹性波的响应在所有入射角情况下的响应都不为0。这个特点可以用图 6说明^[2], 图 6a表示光纤以螺旋管方式缠绕在光缆中, 图 6b是沿AB线展平螺旋光缆后的光纤分布示意。对于垂直于光缆延伸方向入射的纵波, 在沿AB线展平螺旋光缆后光纤上的响应不为0(入射角θ≠90°)。此外, 常规动圈式检波器记录的是检波器位置处弹性波传播速度的数据, 单位是m/s, 而分布式光纤记录的是光纤在某个受到弹性波影响位置的光纤位移量数据, 单位是m。因此我们需要对DAS数据进行对时间的微分处理, 将其单位由位移(m)转变成速度(m/s)后才能进行对比。

图 5(Fig. 5)

图 5 直光纤与螺旋光纤对不同入射角弹性波的响应[2]

图 6(Fig. 6)

图 6 光纤以螺旋管方式缠绕在光缆中(a)和用以测量侧向传播过来的弹性波能量, 沿AB线展平光缆后(b)[2]

沙漠环境以其复杂的近地表环境和数据质量差而闻名。长波长速度的变化往往导致低起伏构造的错误成像^[3], 而小尺度的非均匀性构造导致严重的散射和低质量地震数据^[4-5]。一种解决方案是利用地面光纤和井中的垂直光纤阵列进行地面地震和井中地震数据的同时采集, 通过引入井中采集的地震数据最大程度的减少构造的不确定性, 但由于移动的沙子导致的地面高程变化使得在不同时期采集的地面地震和井中地震数据联合处理面临挑战。

图 7是沙特某石油公司进行的陆地地面地震和垂直阵列DAS同步采集试验的二维测线布设示意。图 7a显示了一个实际的现场地震采集实验设置, 其中连续的DAS光缆沿着地表进入井口, 到井底后再回到地面, 继续延伸到下一口井。使用间距10m的4台可控震源同步激发叠加, 采集了数条二维测线的数据。DAS仪器解调标距为7m, 道间4m, 总共有2850个震源点和大约1200个DAS数据道, 其中1/4的数据道位于井下。从井中15m处抽取DAS共检波点道集与早期采集的地面常规检波器记录的共检波点道集进行对比, 得到如下结论: ①DAS原始数据与检波器采集的原始数据在运动学特征上相当, 但DAS展现了更多的细节信息; ②去噪后的DAS数据与检波器数据在频谱特征上近似一致; ③DAS数据叠加成像与检波器叠加成像结果在交汇处基本形成闭合, 进一步验证了DAS数据的可靠性。

图 7(Fig. 7)

图 7 沙特某石油公司进行的陆上地面地震和垂直阵列DAS同步采集试验的二维测线示意 a 一个实际的现场地震采集实验设置; b 震源间距为60m的原始传统检波器道集; c 震源间距为10m的原始DAS数据道集; d 线性噪声消除后和重新采样至60m震源间距后的相同DAS道集; e 传统检波器数据的频谱; f DAS数据的频谱

图 8对比了使用DAS(左)和地震检波器早先采集的地震数据叠加剖面(右)。用DAS数据成像的浅部和深部的反射数据剖面与地面地震的成像结果非常相似。在两种数据成像剖面的交叉位置, 从地面到3s记录(大约5km深处)处的反射界面对应得非常好。这样的一致性证实了DAS数据具有卓越的灵敏度, 尽管浅孔之间的间距很大, DAS数据同样具有能够获得与地面地震数据相当的成像能力。

图 8(Fig. 8)

图 8 去除噪声后, 使用地面DAS(左)和早期检波器采集的二维地面地震(右)数据的对比(垂直箭头处标记两条测线以45°相交的位置; 虚线框标识目标反射面周围的地下区域)

目前的海洋地震数据采集方式主要有3种, 一种是单分量、二分量、三分量或四分量海洋地震数据采集缆(Streamer)拖曳在采集作业船的尾部, 另一种是三分量或四分量海底地震数据采集缆(OBC)沉入海底, 还有一种是独立的三分量或四分量海底地震数据采集站(OBS和OBN)沉到海底, 在海洋地震气枪激发源在水中拖移激发时采集海洋地震数据。目前行业内使用最广泛的是常规的水听器、单分量检波器、三分量检波器和压电晶体水听器采集单分量、二分量、三分量或四分量海洋地震数据。从甲板上给远离拖曳作业船数公里甚至数十公里远的海洋地震数据采集缆上众多的数据采集短节进行供电是十分困难和有限的。此外, 目前三分量检波器加水听器阵列采集的海洋四分量地震数据完全靠铠装电缆从数据采集缆向拖曳作业船传输, 由于长距离(数公里到数十公里)电缆数据传输的局限性, 很难实现大量数据向拖曳作业船的高速实时传输。以上因素极大地限制了大道数或超大道数和大长度或超大长度海洋地震数据采集缆(Streamer或OBC)技术的发展和推广应用。

由三分量(或矢量)光纤检波器和光纤声压水听器构成的海洋地震数据采集系统则可以克服传统的电子检波器和压电水听器组成的四分量海洋地震数据采集缆目前存在的问题。此系统内的光纤四分量检波器无需供电, 采集缆内也无其它任何电子器件, 可以实现多条平行拖曳的超长距离海洋地震数据采集光缆的超高速数据传输, 光纤检波器同时具有更宽的频率响应范围(0.1~1000.0Hz)和平坦的频响曲线, 可以采集到比传统的电子检波器和压电水听器更高质量和更宽频带的四分量海洋地震数据。

目前三分量光纤矢量传感器(检波器)有强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振态调制光纤传感器、波长调制光纤传感器和全保偏光纤加速度矢量传感器, 三分量光纤矢量传感器也是三分量地震信号检波器。光纤声压水听器可分为干涉型光纤水听器、光纤光栅型水听器, 光纤激光水听器。干涉型光纤水听器可分为调幅型光纤水听器、调相型光纤水听器、偏振型光纤水听器。较传统压电晶体水听器相比, 光纤水听器灵敏度高, 可以探测微弱信号; 抗电磁干扰和信号串扰能力强, 可以远距离传输; 而且体积小, 易于布放实施, 收放容易, 高可靠性, 并且可以大规模组网。光纤地震数据采集短节内如果只包含光纤声压水听器, 采集短节只能采集单分量海洋地震数据。如果采集短节内包含光纤声压水听器和三分量光纤矢量检波器, 采集短节则可以采集四分量海洋地震数据。

图 9是美国某公司的光纤检波器系统(OptiPhone-HD), 3个单分量的光纤加速度计按照相互正交的方式安装在金属压力容器内, 相比电磁检波器系统, 能节省10%开支。OptiPhone-HD系统是全方位传感系统, 典型的基元间距为15m, 也可根据需要调整基元间距。采样率为4000, 2000, 1000, 500, 250Hz。灵敏度为1ng/bit。工作温度等级为85℃, 150℃和200℃ 3种。直径为52mm, 长度为555mm, 重量为5.0kg。本底噪声小于50。总RMS噪声(3~400Hz)为180ng。频率响应为1~600Hz。动态范围(在400Hz)为130dB, 系统时间精度为1ms。

图 9(Fig. 9)

图 9 美国某公司的三分量光纤加速度计结构示意

英国某公司在挪威对一条长1.4km的256基元光纤矢量检波器岸基阵进行了海上试验。该岸基阵通过时分复用(TDM, 一种通过不同信道或时隙中的交叉位脉冲, 同时在同一个通信媒体上传输多个数字化数据、语音和视频信号等的技术)和波分复用(WDM, 利用多个激光器在单条光纤上同时发送多束不同波长激光的技术)技术实现了在一根光纤上集成了256个矢量传感器基元, 进一步通过SDM技术构建了具有8192个四分量矢量探测单元的大规模矢量探测系统。在这一系统中, 单矢量探测基元采用了三轴分立式结构(图 10)。

图 10(Fig. 10)

图 10 英国某公司的256基元光纤矢量检波器原理(a)和实物(b)

图 11是由某公司生产的拖曳式海洋四分量光纤矢量探测缆及采集的数据。用此缆和气枪震源配合, 在南海进行了二维海洋地震数据的采集试验, 其数据与使用常规海洋双检(集成水检和陆检的检波器组)拖缆采集的数据基本一致^[6]。目前该公司的光纤标量水听器已研制成拖曳声呐系统、海底固定式探测系统和声全息探测系统, 基元数根据实际需要从128基元到1024基元, 并进行了大量的海上试验, 充分验证了系统的性能。同期开展了四分量光纤矢量检波器基元技术和成阵技术的研制, 用于拖曳阵和潜标垂直阵两型的四分量光纤矢量检波器已初步定型, 并且完成了32基元的光纤矢量检波器的成阵和海上试验, 正在进行16~64基于高灵敏度光纤四分量矢量潜标探测系统的验证。这些工作为光纤矢量地震检波系统研究奠定了较好基础。海底节点式光纤四分量声波(地震)信号采集系统如图 12所示。这种系统非常类似于现在海底地震数据采集作业广泛使用的常规海底采集节点, 但是其自带光学和信号处理单元, 内置三分量光纤检波器和光纤声压水听器, 通过配重下沉海底, 数据采集结束后, 抛载配重后依靠浮力舱上浮水面进行回收。

图 11(Fig. 11)

图 11 拖曳式海洋四分量光纤矢量探测缆及采集的数据 a 海洋光纤四分量声波(地震)数据采集拖曳阵原理; b 实物照片; c 光纤水听器阵列偏移叠加剖面; d 拖曳式光纤水听器阵列拖缆和Sercel压电晶体水听器阵列拖缆采集数据频谱对比

图 12(Fig. 12)

图 12 海底节点式光纤四分量声波(地震)信号采集系统(a)及实物照片(b)

图 13是挪威某公司的OptoSeis^TM永久油藏监测系统使用的海底光纤四分量地震信号采集单元, 图 14为海底光纤四分量OBC在海底的布设方式示意。OptoSeis^TM永久油藏监测系统在海底没有任何电子器件, 这意味着此系统可以轻量化、安全和可靠运行超过20年, 无需干预。在有些应用中, 海底光纤四分量OBC阵列中没有电池或电力驱动电路也有助于将各种双向信号路径配置为完全冗余的环路。利用高通道数单模光纤, 此OBS所使用的轻质光缆设计的直径为20.7mm, 但抗拉强度可支持OptoSeis^TM系统部署在3000m水深处, 安全系数高, 长度可达70km。

图 13(Fig. 13)

图 13 挪威某公司OptoSeisTM永久油藏监测系统使用的海底光纤四分量地震信号采集单元

图 14(Fig. 14)

图 14 挪威某公司OptoSeisTM海底永久油藏监测系统布设及作业示意

常规井中地震数据采集都是使用井下三分量检波器或三分量检波器加水听器阵列, 由每级三分量或四分量检波器自带的推靠装置将检波器紧紧地推靠在井壁或套管内壁上, 用地面人工激发的炸药震源、重锤震源或可控震源中的一种震源来采集井中垂直地震剖面(VSP)数据。由于每级三分量或四分量检波器的自重比较大, 目前标准的七芯铠装电缆一次只能连接100级井下三分量或四分量检波器阵列, 另外, 由于深井中的高温高压环境对检波器内部的电子元器件是极大的挑战, 因此目前用井下电缆进行长距离数据传输的最高速度只有5MB/s, 当井下连接的检波器阵列太大时, 只能依靠牺牲采样率来实现井下采集的多分量地震数据的实时传输。上述客观因素严重制约了井下常规地震数据采集设备的发展和井中地震技术的大规模推广应用。

近年来, 国内外已经研制出耐高温、耐高压、灵敏度高、动态范围大、能进行高速数据实时传输的全光纤井下三分量或四分量检波器阵列, 并进行了井中地震数据采集和储层改造水力压裂微地震监测试验, 已经可以投入井中地震数据采集和微地震监测的生产作业。

图 15是英国某公司生产的井下三分量光纤检波器阵列(BOSS)实物照片。该系统可以一次连接100级三分量光纤检波器下井, 铠装光电复合缆长度可达20000m, 三分量光纤检波器频带宽度为0.5~500Hz, 耐温300°, 耐压30000psi, 井口到第一级光纤检波器之间的光电复合缆可以在井下采集三分量光纤VSP数据的同时同步采集DAS-VSP数据, 空间分辨率可达0.8m。其地面DAS数据采集系统(SULIS)和光电复合缆也可以和该公司的传统井下三分量检波器阵列相兼容(GeoDAS), 可以在采集井下常规三分量检波器VSP数据的同时采集DAS-VSP数据。

图 15(Fig. 15)

图 15 英国某公司生产的井下三分量光纤检波器阵列实物照片

北京大学的技术团队研制成功了光纤加速度检波器(图 16)和井下三分量光纤检波器阵列(FOSS)(图 17)。图 17a是北京大学研制的光纤加速度检波器实物照片。该FOSS系统已经在新疆油田进行了水力压裂井下微地震监测现场试验, 图 18是井下三分量光纤加速度检波器阵列(FOSS)采集的井中三分量地震数据。此井下三分量光纤加速度检波器阵列在新疆油田记录的微地震数据及频谱响应如图 19所示。图 20是井下三分量光纤加速度检波器阵列和常规井下三分量电磁检波器阵列(GEO)分别在不同监测井内记录的同一水平井水力压裂微地震数据处理结果。图 20a和图 20b是FOSS系统记录到的微地震事件在x-y平面和x-z平面上的展布; 图 20c和图 20d是GEO系统记录到的微地震事件在x-y平面和x-z平面上的展布。

图 16(Fig. 16)

图 16 北京大学研制的基于光学迈克尔逊干涉仪光纤加速度检波器(FOSS)结构示意 (橡胶圈为传感器提供足够的阻尼, 光电探测器将光强转换为电信号)

图 17(Fig. 17)

图 17 北京大学研制的井下三分量光纤加速度检波器实物照片(a)和阵列(FOSS)实物照片(b)

图 18(Fig. 18)

图 18 井下三分量光纤加速度检波器阵列记录的井中三分量地震数据

图 19(Fig. 19)

图 19 井下三分量光纤加速度检波器阵列采集的微地震数据及频谱响应

图 20(Fig. 20)

图 20 井下三分量光纤加速度检波器阵列和常规井下三分量检波器阵列(GEO)分别在不同井内记录的同一水平井微地震数据处理结果 a FOSS系统记录到的微地震事件在x-y平面上的展布; b FOSS系统记录到的微地震事件在x-z平面上的展布; c GEO系统记录到的微地震事件在x-y平面上的展布; d GEO系统记录到的微地震事件在x-z平面上的展布

基于DAS技术的地震数据采集系统利用耐高温、耐氢损和抗腐蚀的光纤本身作为传感器进行信号采集, 可以部署在高温或超高温深井或直接埋在地下、铺设在海底进行地震数据采集, 在井中地震勘探、井-地立体勘探、油气藏长期动态监测和微地震监测等方面的应用发展迅速, 凭借高密度、全井段、高效率、低成本、耐高温高压等优势, 成为贯穿油气井全生命周期中一项重要的新兴油气藏监测技术。

在油气藏储层精细描述方面, 基于DAS技术的井中地震数据采集系统由于其全井段、高密度、高效率、耐高温、耐高压和低成本等优势, 已成为未来井中地震技术重要的发展方向。沿井筒布设到地下储层深处的铠装光缆和亚米量级道间距采集的高密度DAS井中地震数据, 可以用于井筒周围储层的高精度、高分辨率构造成像, 提高油气田开发区生产井周围的精细油气藏精细描述能力。在油气藏生产长期动态监测方面, 井中记录的微地震数据可以用于水力压裂储层改造效果的准确评价; 利用油气生产井下布设的铠装光缆连续实时进行分布式光纤温度测量(DTS)数据和噪声(用DAS)数据, 可以对多套储层油气生产井或水平井中的多相流体进行实时动态监测, 发现和了解油气生产井段及地层水流入井段的具体位置和流量, 计算产液剖面和吸水剖面, 实时调整优化油气生产方案和制度, 提高油气采收率; 利用在井下套管外布设的铠装光缆和地面DSS调制解调仪器, 可以对地下压力场的变化进行长期实时动态监测, 实时测量和监测地应力变化异常地段内套管的应变, 及时发现套管的形变和评估产生套损的风险, 采取必要的工程措施和手段, 预防和减少套损的发生, 降低油气资源开发生产的直接成本。

DAS-VSP具有全井段覆盖、高密度采样、高效率、耐高温、耐高压、成本低等优点^[7-13], 已成为井中地震技术的一个重要发展方向^{[1, 14]}。DAS-VSP可提供高精度储层构造成像, 提高对油气井周围油藏的精细描述能力, 并具备油气藏动态监测的能力。某石油公司在墨西哥湾的三维DAS-VSP勘探项目中取得了一些较好的成果^[15], 其成像结果可满足地质需求。相比时移OBS, 时移3D-VSP成本更低, 应用前景更广阔。此外, 许多国际知名公司均已在DAS-VSP研究方面取得较大进步^[16-17]。2015年至今, 国内公司也开展了分布式光纤VSP数据采集试验和生产, 取得较高分辨率的成像结果^[18]。

2016年, 某公司在渤海湾附近的大港油田进行了三维地面地震数据的采集。三维地面地震数据采集区块面积为192.49km², 在采集三维地面地震数据时, 利用区块内的B-01和B-02两口井同时采集了井中地震数据。B-01和B-02井的深度分别为3500m和2770m。在B-01井套管内布设了一根从井口至井底的铠装单模光缆, 在B-02井套管内500m至2080m处布设了一个80级三分量井下检波器阵列。B-01井内的铠装光缆共记录地面井炮8167次, 震源覆盖面积为73.92km²; 80级三分量井下检波器组共记录地面井炮7913次, 震源覆盖面积为53.88km²。B-01井内的井下铠装光缆接收间距为2m(共计1750级), 80级三分量井下检波器阵列接收间距为20m。井中地震资料总覆盖面积为127.8km², 地面有效炮数为16080次。随后分别进行了井区周围地面三维地震数据的叠前深度偏移成像处理, B-02井中的三分量检波器Walkaway VSP数据的偏移成像处理和B-01井中的Walkaway DAS-VSP数据的偏移成像处理。

图 21展示了大港油田地面三维地震数据的叠前深度偏移(PSDM)成像、B-02井的井下三分量检波器阵列Walkaway VSP成像和B-01井的Walkaway DAS-VSP成像结果对比。3种不同成像结果的频率范围从地面三维地震数据叠前深度偏移的60Hz增加到B-02井井下三分量检波器阵列Walkaway VSP成像的70Hz, 更进一步拓展到B-01井Walkaway DAS-VSP成像的85Hz。利用高频率、高分辨率的DAS-VSP成像资料, 地震、地质解释人员从DAS-VSP成像结果里可以很容易地识别出小于地面地震尺度的小断层和尖灭构造, 而这些高分辨率精细地质构造在地面三维地震数据的成像和井下三分量检波器阵列的Walkaway VSP成像中几乎不可见^[19]。

图 21(Fig. 21)

图 21 地面三维地震数据叠前深度偏移(PSDM)成像(a)、井下三分量检波器阵列Walkaway VSP成像(b)和Walkaway DAS-VSP成像(c)剖面及其对应的振幅谱显示

2019年, 为研究港东油田地下渗流场变化规律, 大港油田一年内实施了3期(1月、7月和12月)时移DAS-VSP观测, 采用套管外铠装光缆采集和地面可控震源激发, 保证3期DAS-VSP资料一致性。经过精细处理, 获得了高分辨率时移Walkaway DAS-VSP成像剖面。从时移DAS-VSP成像剖面属性和反演两个方面进行差值分析(图 22), 在高亮体属性剖面上, 目的层在第1、2期监测之间变化较大, 在第2、3期监测之间差异较小。而波阻抗反演的差值剖面上, 同样也表现为前两期监测之间差值较大, 后两期监测变化很小。属性变化说明储层从投产前的1期监测到生产5个月后的2期监测期间, 产能变化较大(1期日产原油34t, 2期和3期日产原油8t), 表现为储层压力以及产量的降低。而波阻抗的差值显示, 2期与1期监测之间目的层的阻抗值降低, 表现为含油气性的变化, 含水量上升是该现象的主要原因。2期与3期监测的时间段内本井实现稳产, 压力、日产量以及流体比例等因素基本保持稳定, 则在属性与波阻抗的差值剖面上几乎无异常响应。此结果也由本井实际生产情况得到了验证。

图 22(Fig. 22)

图 22 时移DAS-VSP高亮体属性差值剖面(a)和阻抗反演差值剖面(b)

井中-地面地震联合立体勘探技术作为地面地震勘探和井中地震勘探技术相结合形成的一项新的地震勘探方法, 实现了井中与地面地震数据采集的有机结合, 可以实现同步采集和同步处理的目的, 从而提高勘探区的成像精度, 提高目的层反射资料的信噪比与分辨率。有利于识别特殊地质体, 开展储层精细预测与评价, 研究砂体及岩性圈闭; 精细研究井旁周围地层的构造、储层及油层的赋存与变化特征, 是一种新的地震勘探技术。

基于DAS-VSP技术的井-地联合立体地震勘探就是在井中布设铠装光缆, 并在井口附近连接DAS调制解调仪器, 利用地面震源和地面布设的检波器进行井-地立体联合地面三维地震数据和井中三维DAS-VSP数据的同步采集, 即同步采集同源同波场的地面三维和井中地震数据。随后从井-地立体联合地震勘探中采集的井中三维DAS-VSP数据里提取各种地下介质的弹性或粘弹性参数、各向异性系数, 用于对地面三维地震数据进行提高精度和提高分辨率的井驱处理, 或者进行同源同波场的地面地震数据和井中地震数据的联合偏移成像, 从而实现对地下油气藏储层的精细刻画与描述。

近两年来, 某地球物理公司已经在国内近20块三维地面地震数据采集工区进行了井-地立体联合勘探数据采集作业, 大大降低了三维VSP数据采集的成本。经过后期的三维地面地震数据的井驱处理, 大幅度提高了地面三维地震数据成像的准确度和分辨率。井中地震数据处理包括计算地下介质准确的速度场, 获取地层的平均和层间纵波速度与横波速度, 识别多次波, 计算沿井筒的球面扩散TAR因子(真振幅恢复因子)和衰减系数Q值, 提取子波和反褶积参数, 利用Walkaround DAS-VSP或三维DAS-VSP数据求取地下介质速度、衰减系数Q值和各项异性参数等。地面三维地震数据的井驱处理包括准确建立井周围地下介质的三维速度模型和地下介质的三维弹性或粘弹性参数模型, 并对三维地面地震数据进行静校正处理、多次波压制处理、振幅恢复处理、后续的三维地面地震数据的提高分辨率处理以及各向异性偏移成像和叠前道集数据的Q补偿或和Q偏移成像, 并通过综合解释进行油气藏储层的精细刻画与综合评价。

图 23是四川火山岩气藏勘探开发区地面三维地震数据井驱处理前后的结果对比。图 23a是只进行了地面三维地震数据常规各向异性叠前深度偏移的剖面, 图 23b是井驱处理各向异性叠前深度Q偏移(Q-PSDM)剖面。利用浅地表微测井数据和DAS-VSP数据分别求取浅地表和地下深处的衰减系数Q值, 经过反演与数据融合处理, 形成地面三维地震数据覆盖区域的地下衰减系数的三维Q值模型, 并结合三维DAS-VSP数据获得的地下介质速度各向异性参数, 进行最后的地面三维地震数据井驱处理的各向异性叠前深度Q偏移。从图 23中可以看到, 经过井驱处理的各向异性叠前深度Q偏移剖面的高频能量损耗得到了较好的补偿, 叠前深度Q偏移剖面的频率带宽和高频信号的振幅提高较多, Q-PSDM剖面上出现的高分辨率反射界面在过井的位置上与声波测井曲线十分吻合, 为油气藏储层的精细刻画与描述提供了准确可靠的高分辨率高信噪比三维成像数据体^[20]。

图 23(Fig. 23)

图 23 地面三维地震数据井驱处理前、后对比 a常规地面地震数据各向异性叠前深度偏移剖面(PSDM); b井驱处理各向异性叠前深度Q偏移剖面(Q-PSDM)

图 24是火山岩储层段地面三维地震数据各向异性叠前深度偏移剖面与井驱处理各向异性叠前深度Q偏移剖面效果对比。叠前深度Q偏移剖面(图 24b)展示的火山上行通道更为清晰, 火山岩体内的溢流相和爆发相等相带的解释与划分更容易更可靠, 为识别高含气火山岩相带, 布设新探井、评价井或开发井提供了有力的技术支撑。

图 24(Fig. 24)

图 24 地面三维地震数据各向异性叠前深度偏移剖面(a)与井驱处理各向异性叠前深度Q偏移(b)剖面效果对比

光纤传感技术是一项革命性的新技术, 光纤由于体积小、不带电、分布式、高密度、多参量、耐高温高压、全段接收和低成本等特征, 必将带来井下、海洋、陆地地球物理技术的一场革命。井中分布式光纤声波传感技术已广泛应用于井中VSP数据采集、水力压裂微地震监测和精准工程监测, 可实现油气井全生命周期监测、管理和使用。分布式三分量光纤声波传感系统的发展可实现陆地、海洋和井下的低成本、高密度三分量地震数据采集。

分布式光纤传感技术在油气资源勘探开发领域的规模化推广应用, 已经从井中延伸到了陆地和海洋, 从井下单分量测量拓展到了井下和陆地三分量测量(螺旋形绕制的铠装光缆), 从单井单参数测量发展到了多井多参数同步测量, 调制解调仪器也从单通道单参数发展到了多通道多参数复合调制解调系统。展望未来, 分布式三分量光纤声波传感技术将会在井中、陆地(沙漠)和海洋中用来替代常规三分量检波器采集高密度全波场三分量地震数据。

光纤传感技术应用已经由地震勘探领域延伸至了油气藏开发领域, 围绕光纤传感技术应用的地球物理技术对地下构造的静态刻画和动态永久监测逐步形成光纤油藏地球物理技术的基础。油气田的地下和大部分油气生产井将会在套管内外、油管内外普遍安装内含多根特种光纤的铠装光缆, 构建庞大的油气田地面和地下立体光纤智能感知网, 全方位、全天候、全时段的实时监测油气田生产状况和储层参数的动态变化, 为油气田的智能决策管理和智能开发生产提供依据。井下的分布式光纤多参数、多分量、高密度、海量、实时和连续测量数据是未来智慧油田系统的前端信息传感神经网络。

为了进一步提高光纤传感技术水平, 加快大规模推广应用, 建议积极开展如下研究工作。

1) 研制开发集分布式光纤声波、温度、应变传感于一体的多分量、多参数、多通道复合调制解调仪器, 大幅度降低分布式光纤传感系统成本。

2) 开展耐高温、高瑞利散射系数、抗氢损和弯曲不敏感特种光纤的研制与批量生产。

3) 积极开展不同技术路线和实施方案的三分量分布式光纤声波(地震波)传感数据采集系统的研究, 早日实现井下、井-地联合、海洋和陆地(沙漠)的高密度低成本三分量地震数据采集。

4) 未来高密度、低成本、高效率采集的陆地、海洋和井中分布式三分量DAS地震数据, 对现有的检波器数据处理解释的方法、技术和软件都会带来变革创新方面的挑战, 比如原来10m道间距的井中三分量地震数据将会由道间距为0.1m的井中三分量DAS数据所替代, 已有的井中地震数据处理解释的方法和技术以及软件都需要适应相应的变化。

5) 井下耐高温三分量分布式铠装光缆的出现, 将进一步推动未来地面-井下联合立体三分量地震勘探技术的发展, 急需加快井-地三分量联采地震数据的联合偏移成像方法研究、技术进步和软件发展。

6) 加快研制套管外铠装光缆定位定向技术与设备, 积极发展与之配套的定向射孔光缆避射技术, 保证射孔压裂段套管外铠装光缆在射孔压裂作业时完好无损, 实现油气生产井的长期动态实时监测。

7) 创新性发展光纤地球物理技术, 实现对整个油气田储层的光纤智能油藏感知、描述、模拟和监测, 智能优化开发方案和生产制度, 在未来智慧油气田的建设中发挥重要的技术支撑作用。