2. 北京大学工学院, 北京 100871;
3. 北京大学东莞光电研究院, 广东东莞 523808;
4. 中国地质调查局广州海洋地质调查局, 广东广州 510075;
5. 中国电子科技集团公司第二十三研究所, 上海 200437
2. College of Engineering, Peking University, Beijing 100871, China;
3. Dongguan Institute of Optics and Electronics, Peking University, Dongguan 523808, China;
4. Guangzhou Marine Geological Survey, China Geological Survey, Guangzhou 510075, China;
5. The 23rd Research Institute of China Electronics Technology Corporation, Shanghai 200437, China
石油和天然气是最重要的一次能源, 除了陆地油气田之外, 海洋同样蕴含丰富的油气资源, 其中典型代表就是天然气水合物, 其为甲烷等气体分子和水分子在相对低温高压下形成的具有笼状晶格结构的类冰状固体物质, 广泛赋存于海洋大陆边缘和陆地永久冻土带, 蕴含的资源量超过已探明化石燃料总量的两倍, 具有极大的产业化开发潜力[1-3]。天然气水合物被认为是人类社会最重要的潜在的清洁能源之一, 其未来的产业化开发离不开针对天然气水合物储层的基础科学研究突破、精细勘探技术和装备的创新与制造。2017年和2020年我国南海海域天然气水合物两轮试采工程的成功更进一步揭示了基础研究和试采工作的复杂性和长远性, 同时对勘探装备和技术方法提出了超越常规物探仪器的更高要求[4-5]。
天然气水合物的分布特性主要表现为矿体分布范围有限、厚度较薄、非均质等[6]。随着天然气水合物勘探开发的深入, 勘探技术势必需要更加高精度的纵向和横向分辨率以及更加精细的水合物矿体分辨率、边界刻画、储量估算能力等, 突破水合物空间内幕结构、水合物与游离气的伴生关系等科学问题, 从而实现2030年水合物商业化开采的目标。
海上拖缆地震采集技术是实现天然气水合物勘探的一种重要探测手段, 其核心部件为水声换能器, 即水听器。近年来, 随着光纤技术的发展, 光纤水听器发挥了越来越重要的作用。相比于电子水听器, 光纤水听器可以实现干端与湿端的分离, 实现水下器件的无源化[7]。此外, 配合时分、空分、波分等技术, 光纤水听器还可以实现大规模的阵列复用[8]。早在2006年, 唐进等[9]就报告了干涉型光纤拖缆检波器的研制工作及其在海上时移地震采集中的应用和面临的挑战; 2018年, 代爽玲等[10]和郝小柱等[11]对比了自研的干涉型光纤水听器系统和法国Sercel公司的SEAL428地震采集系统在海洋天然气水合物地震勘探中的应用效果。其中光纤水听器阵列采用单点检波方式进行地震反射信号接收, 原始地震资料中较好地保持了高频信息, 从而在浅层分辨率上优势明显; 在获得的地震偏移剖面上, 海底以下1.5s反射时间范围内, 分辨率较高, 也能保持较高的信噪比, 对于识别浅层结构和断裂构造、识别天然气水合物储层的似海底反射(BSR)、振幅空白带(BZ)等基本特征具有一定优势。之后, 在提高海上拖缆地震采集性能方面, 多家单位开展了相应的研究。中海油针对海上拖缆地震采集的特点, 提出了一种“犁式”的电缆采集技术, 利用拖缆在不同的沉放深度具有不同陷波的特点实现了宽频地震采集[12]。中电二十三所分析验证了外界抖动噪声对平衡式和非平衡式光纤水听器的影响, 结果发现, 在非平衡式系统中加入参考水听器, 并采用自适应滤波, 可以抑制外界抖动的影响, 从而降低流噪声的强度[13]。
目前已有的海上拖缆可以分为电子拖缆和光纤拖缆两大类, 电子拖缆的典型代表为法国Sercel公司的SEAL428地震采集系统[10], 其采用MEMS技术, 道间距为6.25m。国内研究比较多的为光纤拖缆, 但所用的光纤水听器通常采用迈克尔逊干涉仪形式[10, 13-14], 该类型水听器中, 分光与合光等分离器件是必不可少的, 从而增加了系统的复杂度和制造成本。本文提出了一种全新的光纤拖缆地震数据采集系统, 该系统利用分布式光纤声波传感技术, 采用单根光纤依次缠绕在多个水听器骨架上进而形成水听器阵列, 拖缆结构中不需要添加额外的分离器件, 大大简化了系统的复杂度和制造工艺。文章首先介绍了分布式光纤声波传感技术原理, 并详细阐述了基于该技术实现的光纤拖缆结构设计、制造、数据处理方法和标定测试, 最后介绍了研制的光纤拖缆地震采集系统在水上的测试效果。
1 高清分布式光纤声波传感技术基于背向瑞利散射的分布式声波传感(distributed acoustic sensing, DAS)是光纤所独有的特性, 可以在一根光纤上实现极高密度的采集而不用额外增加复杂结构。近十年来, DAS技术在油气勘探领域受到了越来越多的重视并获得了快速的发展[15], DAS系统可以探测沿光纤范围内的全部声信号的波形信息, 包括声信号的振幅、相位和频率。由于是全光纤连续采集, DAS系统采集间隔可以根据需要进行抽取, 最小道间距可达到1m以内, 可大大提高储层探测的横向和纵向分辨率, 不需要额外加大传感器密度。同时由于光缆可以工业化制造, 成本大幅度降低, 可维护性和互换性大幅度提高, 显著降低了工程费用。由于DAS技术极大的应用潜力, 国外的威德福、斯伦贝谢等油田服务公司和国内的东方物探在一些专业光纤光学仪器公司的技术支持下, 已经在陆地油田进行了多次基于单根光纤的DAS应用试验, 包括垂直地震剖面[16-18]、微地震监测[19]、水力压裂监测[20]、流速监测[21]等。
我们将外差调制解调技术与瑞利背向散射相结合, 实现了一种既可进行多点声信号探测, 同时又可得到每个位置真实波形的系统——高清分布式声波传感(high definition distributed acoustic sensing, HD-DAS)系统[22-23]。该系统的本底噪声可以低于-80dB ref rad/
图 1a显示了基于自相干外差调制解调原理实现的HD-DAS系统的原理图。利用光信号调制模块将超窄线宽激光器发出的连续光调制成一对脉冲, 两个脉冲频率分别为f1和f2, 外差频率Δf = f1-f2。脉冲先经过光放大器放大, 然后通过环形器注入传感光纤, 光纤中的瑞利背向散射信号再经过环形器到达信号探测模块, 之后经过解调模块进行外差算法解调即可得到由外界声场引起的光波相位变化。系统中不需要瑞利散射与本地光进行干涉, 两个脉冲各自散射的光会发生互相干涉, 实现自相干效果, 进而将外界声波引起的相位变化调制到外差频率上, 经过外差解调算法即可得到高精度的相位信号。另外, 由于双脉冲经历的噪声环境相同, 自相干后可以很大程度地消除共模噪声, 系统可以获得很好的噪声本底。图 1b显示了组装好的HD-DAS系统工程样机。表 1给出了HD-DAS系统的具体技术指标。
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图 1 HD-DAS系统原理(a)和实物(b) |
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表 1 HD-DAS系统技术指标 |
HD-DAS系统采用单根普通单模光纤即可实现分布式传感, 将光纤紧密缠绕在水听器骨架上即可实现水听器阵列, 且实现的水听器阵列不需要耦合器和反射镜等器件, 大大简化了系统的结构, 从而可以实现大规模制造。
图 2显示了基于HD-DAS系统实现的水听器阵列。每个水听器骨架上缠绕了5m光纤, 两个水听器之间自由光纤长度为4m, 这样可以直接利用一根光纤连续制作出如图 2a所示的4个水听器阵列, 而不需要对光纤进行熔接, 从而减小了损耗的产生。图 2b显示了加工好的水听器阵列, 该阵列包括4个水听器基元。水听器阵列前面连接了一段40m长的引导光纤, 然后连接到HD-DAS主机上进行灵敏度标定。水听器声压灵敏度的标定在图 2c所示的驻波管内进行, 采集到的声压信号瀑布图如图 2d所示。从图 2d中可以清晰看出4个水听器所处的位置。图 2e显示了4个水听器的灵敏度标定结果, 详细的数据如表 2所示。从水听器灵敏度标定结果可以看出, 4个水听器具有较好的一致性, 灵敏度约为-157.8dB ref rad/uPa。
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图 2 基于HD-DAS系统实现的水听器阵列 a 水听器阵列示意; b 加工好的水听器阵列; c 采用驻波管进行声压灵敏度标定; d 水听器阵列采集到的声压信号; e 4个水听器灵敏度标定结果 |
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表 2 水听器阵列灵敏度标定结果 |
图 3显示了基于HD-DAS系统实现的光纤拖缆。其中, 图 3a为光纤拖缆结构示意图; 图 3b为加工好的光纤拖缆。从图 3a可以看出, 该拖缆由6组水听器阵列组成, 每组阵列包含9个水听器, 每个水听器上缠绕了5m光纤, 两个水听器间的空间间距为6m。6组水听器阵列依次交叉排列, 实现的光纤拖缆共包含54个水听器, 道间距为1m, 从而得到了小道距的拖缆地震数据采集系统。加工好的光纤拖缆如图 3b所示, 拖缆外径36mm, 内部充油实现零浮力。
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图 3 基于HD-DAS系统实现的光纤拖缆 a 光纤拖缆结构示意; b 加工好的光纤拖缆 |
该拖缆系统直接采集到的信号是按照光在光纤中行进的路线, 即A1-1, A1-2, …, A1-9, A2-9, …, A2-1, A3-1, …, A6-1。实际应用中, 需要根据水听器的具体物理位置对信号进行重组, 重组后的信号顺序为A1-1, A2-1, …, A6-1, A1-2, …, A6-9, 共54道, 道间距为1m。
拖缆系统的声压噪声本底可以采用(1)式计算得到:
| $ N L_{\mathrm{p}}^{(\mathrm{dB})}=N L_{\mathrm{o}}^{(\mathrm{dB})}-R^{(\mathrm{dB})} $ | (1) |
其中, NLp(dB)是以dB表示的拖缆系统的声压噪声本底, NLo(dB)是以dB表示的HD-DAS系统的噪声本底, R(dB)是以dB表示的水听器声压灵敏度。由表 1和表 2可知, HD-DAS系统的噪声本底NLo(dB)=-80dB ref rad/
拖缆系统的声压噪声可以由(2)式计算得到:
| $ n_{\mathrm{p}}=10^{\frac{n_{\mathrm{p}}^{(\mathrm{dB})}}{20}}=10^{\frac{N L_{\mathrm{p}}^{(\mathrm{dB})}}{20}} \cdot \sqrt{B_{\mathrm{W}}} $ | (2) |
其中, np为拖缆系统的声压噪声, BW为HD-DAS系统的测量带宽。由表 1可知, HD-DAS系统的测量带宽BW=2000Hz, 从而系统的声压噪声np=0.35Pa。
3 湖上测试结果拖缆的湖上测试在莫干山水库进行, 水深20m左右。图 4a为湖上测试示意图, 先用牵引船将缆和无动力小船拖曳到距离固定平台800m处, 之后平台上的绞车通过回收绳索牵引小船前进, 航速4节, 从距平台800m拖曳到100m停止。一个电火花声源放置在距平台30m的位置上, 以250J能量间隔2s发声。图 4b显示了放缆过程, 图 4c显示了拖曳过程。
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图 4 光纤拖缆湖上测试 a 湖上测试示意; b 放缆过程; c 拖曳过程 |
拖曳过程共持续了350s, 图 5显示了测试结果。其中, 图 5a为静止状态光纤拖缆采集到的声压信号; 图 5b为拖曳起始阶段光纤拖缆采集到的声压信号; 图 5c为拖曳稳定阶段光纤拖缆采集到的声压信号。从图 5a至图 5c可以看出, 拖曳起始阶段, 由于缆的状态不稳定, 此时的拖曳噪声最大。当拖曳进入平稳状态后, 拖曳噪声有很大程度的降低。根据现场拖曳情况, 约在240s之后拖曳进入平稳状态。
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图 5 光纤拖缆测试结果 a 静止状态光纤拖缆采集到的声压信号; b 拖曳起始阶段光纤拖缆采集到的声压信号; c 拖曳稳定阶段光纤拖缆采集到的声压信号; d 不同时间段声压信号频谱特征 |
图 5d显示了不同阶段声压信号的频谱特性。从图 5d可以看出, 静止状态下的噪声本底约为-40dB ref Pa/
图 6显示了拖曳结束时拖缆处于静止状态下采集到的声源信号。从图 6可以清晰看到初至波以及由于多种界面连续反射产生的续至波, 这些反射主要包括湖面、湖底反射以及水下湖周边山体的侧反射等。湖试结果验证了分布式光纤拖缆系统的有效性, 可以清晰采集到水声信号, 显示了很好的应用前景。
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图 6 拖曳结束时拖缆处于静止状态下采集到的声源信号 |
本文利用分布式光纤声波传感技术, 首次提出了小道距的光纤拖缆地震数据采集系统。首先介绍了高清分布式光纤声波传感系统的原理及性能指标, 然后提出了基于分布式声波传感技术实现的拖缆的设计方案, 并完成了关键部件的标定测试工作, 最后介绍了该采集系统在湖上的测试效果, 结论如下。
1) 基于分布式光纤声波传感技术实现的光纤拖缆不需要添加额外的分离光器件, 很大程度上简化了系统的复杂度和制造工艺。
2) 实现的小道距海上拖缆地震数据采集系统共54道, 道间距为1m, 系统的声压噪声本底优于-40dB ref Pa/
3) 湖上测试结果表明, 该系统可以清晰地采集到初至波以及诸如湖面、湖底反射、水下湖周边山体的侧反射等产生的续至波, 验证了该拖缆系统的有效性。
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