正演法壓制分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)“彈簧波”

谷玉田,牟風(fēng)明

(1.中石化勝利油田分公司 油氣勘探管理中心，山東 東營 257100；2.中石化石油工程地球物理有限公司 勝利分公司，山東 東營 257086)

1 引 言

1966年，KAO等[1]首次從理論上證明了用石英基光導(dǎo)纖維進(jìn)行長距離光通信的可能性。光纖通訊技術(shù)的飛速發(fā)展帶動(dòng)了光纖傳感技術(shù)的進(jìn)步，分布式光纖聲波傳感技術(shù)(Distributed Acoustic Sensing,DAS)以連續(xù)的光纖本身作為傳感器，利用相位解調(diào)技術(shù)還原傳感光纖感知的外界震動(dòng)[2]。分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)(DAS)在油氣勘探和生產(chǎn)監(jiān)測領(lǐng)域可用于垂直地震測井、井下壓裂檢測、動(dòng)態(tài)監(jiān)測等，在施工成本、安全性和工作效率方面遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器，在石油界已經(jīng)展現(xiàn)出前所未有的應(yīng)用前景。

從采集到的資料看，分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)(DAS)能夠獲得豐富的波場信息，不僅能夠接收到直達(dá)波、下行纜波、上行纜波、上行管波、下行管波等。還能接收到DAS系統(tǒng)特有的“彈簧波”干擾，“彈簧波”干擾能量較強(qiáng)，嚴(yán)重影響DAS資料的信噪比。如何降低干擾波能量，提高有效的上行波信噪比，成為制約DAS系統(tǒng)進(jìn)一步推廣應(yīng)用的瓶頸。

國外石油公司進(jìn)行了大量的基于DAS的井中地震、地面地震勘探以及微地震監(jiān)測試驗(yàn)，采集了較好的井中地震記錄[3-7]， WEBSTER等[7]和MATEEVA等[8,9]指出了DAS在VSP應(yīng)用中最大的優(yōu)點(diǎn)是一次布設(shè)多次重復(fù)觀測；BAKKU[10]對影響DAS采集的因素進(jìn)行了全面綜合研究；FOLLETT等[11]展示了不同光纜類型的DAS采集試驗(yàn)結(jié)果；ANDREAS等[12]指出了對光纖冗余長度進(jìn)行深度校正的必要性，并提出了引入?yún)⒖嘉锢砩疃赛c(diǎn)的光纜實(shí)際深度校正的方法，提高了光纜深度校正的精度； HARTOG等[13,14]對DAS系統(tǒng)的線性度進(jìn)行了相關(guān)研究。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者開展了DAS與常規(guī)檢波器的室內(nèi)測試對比分析工作[15]，進(jìn)行了基于相位敏感原理的DAS光纖井中地震采集[16]、光纖傳感地震波接收對比試驗(yàn)的初步探索[17]，證明DAS初步具備了井中地震勘探的能力。在國外，率先開展光纖傳感產(chǎn)品井下應(yīng)用的是Optasense 和Silixa 公司。在國內(nèi)，中石油東方物探也進(jìn)行了分布式光纖系統(tǒng)的探索研究，進(jìn)行了大量的采集和應(yīng)用試驗(yàn)，解決了部分地質(zhì)問題，取得了較好的進(jìn)展，促進(jìn)了分布式光纖傳感技術(shù)在物探領(lǐng)域的應(yīng)用。本文針對分布式光纖傳感系統(tǒng)資料采集中遇到的“彈簧波”干擾，提出了一種正演模擬方法，正演“彈簧波”的干擾波場，實(shí)現(xiàn)“彈簧波”干擾的壓制。

2 “彈簧波”波場特征分析

“彈簧波”是由于井筒彎曲，光纜與井壁耦合不嚴(yán)，造成光纜懸空成“弓弦”的狀態(tài)引起光纜震動(dòng)而形成。當(dāng)震源激發(fā)時(shí)，光纜震蕩產(chǎn)生干擾波，該干擾波的產(chǎn)生與井筒井況有關(guān)，在井中固定的位置產(chǎn)生，在固定的位置結(jié)束，被分布式光纖傳感系統(tǒng)接收。

圖1為分布式光纖系統(tǒng)采集的VSP資料，在深度2 530～2 840 m、2 995～3 125 m兩個(gè)井段(紅色框內(nèi))采集到了“彈簧波”干擾。也就是說，在這兩個(gè)深度段，光纜和井壁耦合不好，形成“彈簧波”?！皬椈刹ā睆钠溆涗浶螒B(tài)上看通常只有一個(gè)相位，呈“之”字走時(shí)，且其能量較強(qiáng)，與VSP記錄觀測到的多次波特征相似。從其視速度上看，其速度變化不大，當(dāng)“彈簧波”下行的時(shí)候，波場形態(tài)和初至波具有較高的一致性，當(dāng)“彈簧波”上行的時(shí)候，其波場與上行有效波視速度具有較高的相似性。從能量衰減規(guī)律上看，隨著時(shí)間的增加，“彈簧波”能量逐漸降低，對VSP記錄的干擾也逐漸降低。但“彈簧波”干擾在中淺層嚴(yán)重影響了VSP資料的信噪比，需要對“彈簧波”進(jìn)行壓制。

圖1 分布式光纖系統(tǒng)采集的VSP資料Fig.1 VSP data collected by distributed optical fiber system

3 方法原理

由于“彈簧波”具有相位單一、視速度變化不大且能量衰減有規(guī)律的特征，在VSP記錄中很容易識(shí)別，因此，可以采用正演模擬的方法，將“彈簧波”正演出來，采用模型衰減法將“彈簧波”干擾進(jìn)行壓制。

3.1 基本理論

地震記錄上的波形是地震子波從地下許多反射面發(fā)生反射疊加形成的。反射界面反射系數(shù)絕對值決定記錄振幅大小，反射系數(shù)的正負(fù)決定地震記錄極性正負(fù)，反射界面深度決定到達(dá)時(shí)間。

各個(gè)地震反射子波疊加形成了最終的地震記錄。用S(t)表示地震子波波形，R(t)表示地震剖面反射系數(shù)與旅行時(shí)的關(guān)系，那么地震記錄f(t)形成的物理過程可以用兩者的褶積[18]表示：

(1)

理論上，合成地震記錄并不困難，已知地震子波和反射系數(shù)變化規(guī)律就能夠計(jì)算。但是式(1)并未考慮地震波的轉(zhuǎn)換以及吸收，繞射能量損失導(dǎo)致子波形狀變化，地震子波和反射系數(shù)變化規(guī)律難以獲得等因素。因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中常采用雷克子波或者井旁地震道獲取子波的方式。

實(shí)際生產(chǎn)過程中合成地震記錄用的是離散式，反射系數(shù)R(t)長度為T，采樣間隔為Δt，T=n·Δt。地震子波S(t)采樣間隔也為Δt，長度為M,則：

(2)

3.2 正演子波的提取

實(shí)際生產(chǎn)過程中，正演模擬常采用雷克子波或者井旁地震道獲取子波的方式。雷克子波是一種理想的地震子波，與實(shí)際資料采集到的子波往往會(huì)有一定的差異，而井旁地震道獲取子波的方式，更有利于獲得準(zhǔn)確的地震子波。

要準(zhǔn)確地模擬“彈簧波”干擾，就要獲得“彈簧波”干擾的子波。為了更好地得到“彈簧波”子波，首先，對地震記錄上的“彈簧波”能量衰減情況進(jìn)行分析，獲得“彈簧波”振幅變化規(guī)律，其次對“彈簧波”頻率進(jìn)行分析，提高“彈簧波”正演子波波形的準(zhǔn)確性。

圖2為“彈簧波”振幅統(tǒng)計(jì)規(guī)律圖，其中圖2(a)為帶有“彈簧波”的VSP記錄，圖2(b)為拾取“彈簧波”走時(shí)示意圖，圖2(c)為初次統(tǒng)計(jì)的“彈簧波”振幅曲線。

圖2 “彈簧波”振幅統(tǒng)計(jì)規(guī)律Fig.2 Statistical pattern of ‘spring wave’ amplitude

在干擾波傳播過程中，其頻率隨能量衰減變化，其子波波形也隨之變化。利用振幅衰減規(guī)律和頻率變化，提取能反應(yīng)干擾波真實(shí)情況的干擾波子波波形。如圖3所示，為提取的受干擾子波。從圖3可以看出，在提取“彈簧波”子波時(shí)，選擇的數(shù)據(jù)道與其他波場干涉，導(dǎo)致提取出的子波形態(tài)較差，不能真實(shí)地反應(yīng)干擾波場特征。

圖3 受干擾的子波Fig.3 Disturbed wavelet

利用此子波進(jìn)行正演模擬，獲得圖4(a)的“彈簧波”記錄，圖4(b)為包含“彈簧波”的原始地震記錄，圖4(c)為衰減“彈簧波”后地震記錄，可以看出記錄，依然存在“彈簧波”干擾的殘余能量。利用被干擾波子波正演的“彈簧波”壓制噪聲效果較差，并且對初至波信號也有較大的損傷。

圖4 正演法壓制“彈簧波”記錄Fig.4 Suppression of ‘spring wave’ record by forward method

2.3 正演子波的改進(jìn)

對振幅衰減規(guī)律擬合不真實(shí)的問題，經(jīng)過分析是從原始數(shù)據(jù)中提取的干擾波數(shù)據(jù)受到其他波場干擾導(dǎo)致的。經(jīng)過分析，原因有二：①時(shí)窗選取不合適，拾取時(shí)窗過大會(huì)造成干擾。②選取的數(shù)據(jù)道受到其他波場干涉。

為此，針對這兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，重新對子波特征進(jìn)行提取分析。對光纜震蕩干擾波場能量衰減進(jìn)行分析，圖2(c)曲線右半段振幅均值出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)，原因是該部分記錄除了“彈簧波”能量外有其他的波場進(jìn)行了疊加，導(dǎo)致平均振幅高于“彈簧波”的真實(shí)振幅。拋棄受其他波場干擾比較嚴(yán)重的樣點(diǎn)，重新對振幅衰減進(jìn)行擬合。如圖5所示，圖5(a)為重新擬合的振幅衰減曲線，圖5(b)為重新提取的“彈簧波”子波。從圖5上可以看出，經(jīng)重新擬合后，振幅衰減曲線光滑，地震子波波形較好。

圖5 改進(jìn)的正演算子Fig.5 Improved forward operator

4 實(shí)際資料應(yīng)用效果分析

對采集的分布式光纖VSP數(shù)據(jù)進(jìn)行效果驗(yàn)證。首先利用計(jì)算獲得的子波及振幅衰減規(guī)律進(jìn)行“彈簧波”干擾波正演模擬，并將之從實(shí)際資料采集到的數(shù)據(jù)中衰減，獲得干擾波衰減后的地震記錄。圖6(a)為接收到的原始分布式光纖記錄，圖6(b)為“彈簧波”衰減后的分布式光纖記錄，從對比圖上可以看出，經(jīng)正演法壓制分布式光纖傳感系統(tǒng)“彈簧波”干擾后，“彈簧波”得到較好的壓制，剩余波場得到較好的保護(hù)。

圖6 “彈簧波”衰減前后記錄對比Fig.6 Comparison of records before and after ‘spring wave’ attenuation

圖7為分布式光纖數(shù)據(jù)波場分離對比圖，圖7(a)為采集到的原始分布式光纖數(shù)據(jù)，圖7(b)為壓制“彈簧波”干擾后數(shù)據(jù)，圖7(c)為分離出的上行波場。從圖7上可以看出，經(jīng)“彈簧波”干擾壓制后，VSP記錄信噪比明顯提高，進(jìn)一步進(jìn)行波場分離，得到VSP資料上行波場，上行波波組特征清楚，同相軸可連續(xù)追蹤。

圖7 分布式光纖數(shù)據(jù)波場分離對比圖Fig.7 Comparison of wave field separation of distributed optical fiber data

圖8為過井分布式光纖數(shù)據(jù)VSPCDP成像剖面和地面地震剖面對比，圖8(a)為分布式光纖數(shù)據(jù)VSPCDP成像剖面，圖8(b)為地面地震剖面，紅色區(qū)域及為VSPCDP成像區(qū)。VSPCDP剖面的主要波組特征和地面剖面的波組特征基本一致，但是地面地震中淺層具有更高的分辨率和信噪比。分布式光纖數(shù)據(jù)成像剖面較地面地震剖面還有一定差距，需要我們進(jìn)一步研究分布式光纖數(shù)據(jù)的成像技術(shù)。

圖8 VSPCDP剖面與地面地震剖面對比Fig.8 Comparison between VSPCDP profile and surface seismic profile

5 結(jié) 論

本文針對分布式光纖采集的“彈簧波”干擾，研究了利用正演模擬法壓制噪聲的技術(shù)，得出如下結(jié)論：

1)振幅衰減規(guī)律統(tǒng)計(jì)可以有效改進(jìn)正演模擬子波，確保正演模擬的準(zhǔn)確性。

2)正演模擬法壓制分布式光纖傳感系統(tǒng)采集到的“彈簧波”干擾，有利于有效信號的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)保幅處理。

3)通過本文的技術(shù)手段，試驗(yàn)井分布式光纖系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)獲得了較好的VSPCDP成像剖面，主要波組特征和地面地震波組特征一致，資料信噪比較高。