分布式光纤声波传感(DAS)系统在油气勘探和生产监测领域可用于垂直地震测井、井下压裂检测、生产动态监测等^[1-5], 相较于传统的井中三分量检波器, DAS具有传、感一体的特点, 故可降低仪器下井遇阻风险, 具有更高的安全性和工作效率, 在石油勘探开发领域已展现出较好的应用前景^[6-8]。

从DAS井中采集到的VSP资料不难发现, DAS系统能够获得丰富的波场信息, 不仅能够接收到常规井中三分量检波器采集到的各类波场, 还能接收到DAS系统特有的干扰波波场^[9-10], 这不利于充分利用有效信号, 因此需要对其进行压制^[11-13]。目前对DAS系统特有的缆波干扰和“弹簧波”干扰, 主要采用中值滤波和正演法进行压制, 并取得了一定的效果, 但对干扰产生的原因和传播规律的分析不足。本文主要针对DAS系统记录到的特有的干扰波进行识别, 研究其产生的原因、传播规律及压制方法, 实现DAS系统采集数据的波场净化, 以促进DAS技术的不断推广及应用。

目前常用的DAS系统井中采集方式有两种, 分别为将光缆固定在套管外水泥环中和将光缆悬挂放置于套管泥浆中(图 1)。其中, 第1种布设方式是较为理想的采集方式, 这种采集方式使得光缆和地层之间具有良好的耦合, 产生的各种干扰较少, 能够采集到高品质的地震资料, 该方式可以对井的全生命周期进行监测; 这种方式的不足之处在于光缆只能固定在一口井上观测, 且光缆固井工艺复杂、费用相对较高, 目前推广应用较少。第2种布设方式与常规VSP测井相似, 只是光缆上一般没有推靠装置, 与井壁的耦合完全是依靠光缆与井壁的自然接触, 往往存在光缆与井壁不贴合的情况, 致使其产生非常复杂的耦合干扰波; 光缆作为传感装备可以在不同的井中进行反复使用, 操作简单, 效率较高, 成本也较低, 目前这种方式应用较为普遍, 本文主要是围绕这种观测方式记录到的各种干扰波进行讨论。

图 1(Fig. 1)

图 1 DAS系统井中采集方式示意 a 光缆固井; b 光缆悬挂于井中

井中悬挂式DAS系统数据采集时, 各种干扰波的产生是由光缆的布设特点、耦合方式以及地层的表层结构等因素所决定的, 是地震波的传播规律在实际传播介质条件下的具体反映。图 2示意了井中悬挂式DAS系统干扰波的传播机理。当震源激发的地震波沿地层传播时, 会在表层和地下产生不同的各种类型的波: 在表层中传播时会形成沿地表传播的纵波(通常地面地震勘探所说的直达波)和沿近地表传播的面波(地滚波)以及沿表层分界面或潜水面形成的表层多次波和折射波等; 向地下传播的地震波, 会形成直达波纵波、反射纵波和转换波等。无论表层中的波, 还是地下地层中的波, 到达井中传感器时都会被接收。利用常规三分量检波器进行井中观测时, 由于检波器带有推靠系统, 故能够与井壁紧密耦合, 检波器推靠后上端悬挂的电缆无需向上提拉(电缆不再处于拉伸状态); 近井口段不设置检波器, 以避开近地表的干扰, 避免产生较强的缆波, 更不会由于耦合不好而产生耦合谐振干扰。井中悬挂式DAS系统, 光缆从井口到井底, 由于缺乏推靠设施, 在井中观测时一直是处于悬挂拉紧的状态, 这样各种近地表传播的强能量波到达光缆时, 会沿着光缆传播, 形成较强的各种缆波。其中, 地面直达波形成了图 2中的①, 表层多次波形成了图 2中的②, 面波形成了图 2中的③, 转换波形成了图 2中的④, 直达波和面波传播到井中泥浆液面时也会沿着井筒中的泥浆传播形成图 2中的⑤, 又由于光缆在井下有些部位与井壁不能很好地耦合, 当地震波到达时, 该光纤与井壁脱耦段不能很好地接收来自地层的地震波, 而只能沿着该脱耦段光缆的两端来回传播, 形成一种震荡式的干扰缆波(简称“弹簧波”), 即图 2中的⑥。

图 2(Fig. 2)

图 2 井中悬挂DAS系统干扰波传播机理示意

从图 2的分析可知, 这些干扰波的时距关系可以通过以下的公式来确定。假设地面炮点距井口的距离为S, 地震波在地层中的传播速度为V(包括直达波、面波、表层多次波等, 这里统一假设为V, 实际应用中不同类型的波均使用自身的速度值, 以求取准确的时间延迟), 地震纵波在光缆中的传播速度为V₀, 地震波在井液中的传播速度为V₁, 光缆在井筒中悬空点深度为H₁、H₂, 且H₁ < H₂, H为井筒中光缆上的任意接收点, 井中液面深度为H₀, 则有缆波时距曲线方程:

井筒波时距曲线方程:

根据“弹簧波”时距曲线方程得到的下行波旅行时为:

式中: n为弹簧波的周期, n=1, 2, 3, …; H₁≤H≤H₂。

根据“弹簧波”时距曲线方程得到的上行波旅行时为:

上述3类波中, 井筒波是以井筒中泥浆的地震波速度传播的, 视速度通常为1450m/s(即泥浆液的传播速度), 这类干扰波速度往往远低于有效波的速度, 比有效波到达得晚, 通常容易区分; 而缆波和“弹簧波”以光缆的弹性波速度传播, 速度往往高于有效波的平均速度, 地表直达波引起的缆波会比通过地层到达光缆的直达波(通常VSP观测到的初至波)早, 且衰减速度慢、能量强, 严重干扰了沿地层到达的初至波。受近地表地层结构的影响, 直达波、面波、转换波等都会成为缆波的干扰源, 因此缆波的种类较多, 且各自的源子波特征不一致, 致使缆波在整个记录上形成了强烈的干扰背景, 使将有效波淹没其中。“弹簧波”本质也是缆波, 传播速度是光缆速度, 它的波源是穿过地层到达光缆的各类波, 以直达波引起的“弹簧波”最为严重, 它的源子波的特点与地层初至波一致, 与有效波高度相似, “弹簧波”段的初至不是地层的真实速度, 不能用来估算地层速度, 必须加以压制。总之, 虽然受光缆材料、井下温度等影响, 缆波在光缆中的传播速度存在差异, 但对于同一条光缆, 相同的工作环境下, 缆波在光缆中的传播速度相对稳定。根据本次试验的光缆数据分析结果可知, 其视速度约为4200m/s, 且能量基本保持稳定, 为后续缆波的压制提供了依据。

根据以上的分析, 将缆波从传播源进行分类, 大体可分为近地表波源引起的缆波和由地层中的波源引起的“弹簧波”两大类。“弹簧波”尽管出现的位置较多, 但是它的主要波源是穿过地层到达光缆的直达波, 其源子波的特点与地层直达波一致, 且能量较强, 在地震记录上延续时间较长, 是主要的研究对象。相较光缆不耦合段产生的“弹簧波”, 其它波能量弱很多。作为由表层引起的全井段缆波, 由于表层的波形类型较多, 其产生的缆波的种类也较多, 大致可分为图 3中的5种类型:

图 3(Fig. 3)

图 3 DAS缆波来源分析 a DAS采集数据; b 井中三分量检波器采集数据

1) 近地面直达波(初至波)引起的缆波干扰, 频率较高, 能量相对较弱, 衰减相对较快, 如图 3中①所示;

2) 近地表表层多次波引起的缆波干扰, 紧跟地表直达波缆波之后, 能量较弱, 波形特点与①相似, 如图 3中的②所示;

3) 横波引起的缆波干扰, 频率相对较低, 能量衰减较弱, 振幅相对稳定, 且较强, 如图 3中的③所示;

4) 地滚波引起的缆波干扰, 能量最强, 频率最低, 能量衰减较慢, 振幅相对稳定, 如图 3中的④所示;

5) 地滚波中的频散引起的缆波干扰, 通常能量较弱, 只有较浅的部分能够接收到, 随着光纤深度的增加, 能量衰减较快, 如图 3中的⑤所示。

将缆波的分类与缆波的时距曲线公式相结合, 分析发现, 缆波受其波源速度和井源距的影响较大: 离井口越近, 传播时间越短, 能量越强, 对整个资料的影响越大; 离井口越远, 传播时间越长, 能量相对较弱, 对整个资料的影响相对较弱。

由前文分析可知, 缆波的线性规律较好, 且视速度稳定, 约为4200m/s, 这与深层地震波速度差异较小, 甚至与部分地层速度一致, 也就是说, 缆波视速度与零井源距VSP初至波的视速度差异较小, 采用常规的中值滤波、F-K滤波等方法在压制缆波时, 很容易对有效信号产生损伤。为了检验处理效果, 本文采用了离井口60m, 缆波干扰最严重的一个分布式光纤VSP数据进行试验。为了满足中值滤波的使用条件, 先将下行缆波进行水平排齐后, 再进行下行缆波的衰减。图 4为采用常规中值滤波压制下行缆波后的处理效果, 可以看出, 采用常规中值滤波滤除的下行缆波数据中明显存在其它波场能量。

图 4(Fig. 4)

图 4 采用常规中值滤波压制下行缆波的结果 a 原始VSP数据; b 压制下行缆波干扰后的剩余VSP数据; c 被滤除的下行缆波干扰

为了更好地压制视速度和有效波视速度相近的下行线性缆波干扰, 本文采用随机中值滤波算法, 该算法结合了随机函数和中值滤波两种算法, 利用中值滤波滤除阶梯函数上的异常值而不移动阶梯函数断点位置的特点, 以及利用随机函数改变地震道顺序进行中值滤波来压制线性干扰。该方法可以更好地分离线性干扰和有效信号视速度差异较小的波场, 有效降低滤波方法对有效波的损伤, 实现无损压制缆波干扰^[14], 获得高信噪比的地震有效波资料。

图 5是采用随机中值滤波压制下行缆波的结果, 其中, 图 5a为包含线性缆波干扰的原始地震数据, 图 5b为下行缆波干扰被压制后的地震数据, 图 5c为被滤除的下行缆波干扰数据, 可以看出, 利用随机中值滤波对下行缆波干扰进行压制后, 波场得到较好的分离, 下行的缆波干扰得到了有效的压制, 剩余波场中没有明显的下行缆波干扰, 而在分离出的缆波干扰数据中, 也不存在明显的其它视速度信号。

图 5(Fig. 5)

图 5 采用随机中值滤波压制下行缆波的结果 a 原始VSP数据; b 压制下行缆波干扰后的地震数据; c 被滤除的下行缆波干扰数据

在此基础上, 可继续采用随机中值滤波的方法对上行缆波进行衰减, 达到消除缆波干扰的目的。

“弹簧波”是波场在某段光缆中来回传播产生的干扰波, 具有干扰深度确定、视速度确定、能量相对稳定的特点, 其规律性较好。对于这种规律性强的干扰波, 可以采用反演方法^[15-16]进行压制, 本文采用的是借鉴生物界进化规律(适者生存, 优胜劣汰遗传机制)演化而来的随机化搜索方法。根据遗传算法的基本运算过程, 我们确定了反演法压制“弹簧波”干扰的技术流程, 如图 6所示。

图 6(Fig. 6)

图 6 反演法压制“弹簧波”干扰的技术流程

其基本过程包含如下5步。

1) 初始化: 通过VSP数据、速度模型信息正演模拟“弹簧波”, 并将其作为初始模型。

2) 个体评价: 通过初始模型和实际数据的“弹簧波”的振幅、频率和相位的对比, 评价模型效果。

3) 选择运算: 确定模型的反演目标函数。

4) 交叉运算及变异运算: 对目标函数进行交叉运算和变异运算, 可以获得反演目标函数的最优解。

5) 终止条件判断: 通过终止条件判断, 反演出最终的“弹簧波”波场。

图 7为采用反演法压制“弹簧波”的效果, 其中, 图 7a为包含“弹簧波”的地震数据, 图 7b为压制“弹簧波”后的地震数据, 可以看出, 反演法可以较好地压制“弹簧波”干扰, 且保证“弹簧波”干扰外的地震数据保持原有的特征。

图 7(Fig. 7)

图 7 采用反演法压制“弹簧波”效果 a 包含“弹簧波”的地震数据; b 压制“弹簧波”后的地震数据

利用本文方法对某井采集的分布式光纤数据进行处理。该井采用Walkaway VSP观测方式^[17], 共获得122炮分布式光纤数据。在中小井源距资料中存在较强的缆波干扰和“弹簧波”干扰, 在中、远井源距“弹簧波”干扰明显。

图 8为采用随机中值滤波压制强能量干扰前、后的资料对比结果, 其中图 8a为原始资料, 图 8b为强能量噪声衰减后的剩余数据, 图 8c为强噪声数据, 可以看出, 经缆波干扰衰减后, 缆波得到较好地压制, 初至波连续且可分辨。

图 8(Fig. 8)

图 8 采用随机中值滤波压制缆波干扰前、后的资料对比 a 原始数据; b 强能量噪声衰减后的剩余数据; c 强噪声数据

图 9为采用反演法压制“弹簧波”前、后的地震记录, 远井源距分布式光纤系统采集的原始VSP记录中, 深度2530~2840m、2995~3125m两个井段存在明显的“弹簧波”干扰, 利用反演法对“弹簧波”干扰进行压制后, “弹簧波”得到较好的压制, 压制“弹簧波”后有效波场得到了较好的保护, 地震资料质量得到明显改善。

图 9(Fig. 9)

图 9 采用反演法压制“弹簧波”前(a)、后(b)的地震记录

图 10为分布式光纤数据的VSPCDP成像剖面和地面地震剖面, 红色区域为VSPCDP剖面的成像区在图 10b上的分布范围, 可以看出, 图 10a和图 10b的主要波组特征基本一致。总体来看, 利用分布式光纤数据能够获得主要目的层成像剖面, 但想要达到或超过地面地震剖面的成像质量, 还需要进一步完善分布式光纤的采集和成像技术。

图 10(Fig. 10)

图 10 分布式光纤数据的VSPCDP剖面(a)与地面地震剖面(b)

本文重点分析了采用DAS井中悬挂式光缆布设方式采集时的干扰波产生机理, 提出了相应的随机中值滤波和反演法压制方法, 并应用于实际资料的处理, 取得了良好的效果, 并得岀如下结论。

1) DAS系统缆波干扰和“弹簧波”干扰均为沿光缆传播而被DAS系统记录下来的干扰波, 其各种干扰波子波特征是由引起这些缆波的激励波源决定的, 其各种缆波干扰具有相同的传播速度, 本次研究光缆的视速度为4200m/s。

2) 在缆波干扰压制方面, 针对缆波线性特征明显且与有效波视速度差异较小的特点, 随机中值滤波方法与常规方法相比, 能更好地保护有效波, 且具有更好的保幅性。

3) 在“弹簧波”干扰压制方面, 因“弹簧波”具有明显的规律性, 故采用反演法压制“弹簧波”, 能够较好地模拟“弹簧波”干扰波, 并且只对受“弹簧波”干扰的区域进行压制, 取得了明显的压制效果。

4) 实际地震资料应用结果表明, 井中悬挂式DAS技术能够得到较好的地震波信息, 经缆波干扰压制后, 其VSPCDP成像剖面和地面地震剖面具有良好的一致性。

分布式光纤声波传感系统因其自身的诸多优势在井中地震得到越来越广泛的应用, 也取得了较好的应用效果。但在应用推广的过程中还有许多方面需要深入研究, 如光缆与井壁的耦合问题、积分步长优化问题、光纤信号方向性补偿等。随着分布式光纤技术的不断完善, 其应用效果将越来越明显, 应用范围也将逐步扩大到油气勘探开发的各个阶段。