光纖地球物理技術的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

茍 量,張少華,余 剛,,王熙明,吳俊軍,王 渝,夏淑君

(1.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司,河北涿州072751;2.中油奧博(成都)科技有限公司,四川成都611731)

光纖傳感技術始于1977年,伴隨光纖通信技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來,是衡量一個國家信息化程度的重要標志。光纖傳感技術已廣泛用于軍事、國防、航天航空、工礦企業(yè)、能源環(huán)保、工業(yè)控制、醫(yī)藥衛(wèi)生、計量測試、建筑和家用電器等領域且有著廣闊的應用市場。世界上已有光纖傳感技術上百種,諸如溫度、壓力、流量、位移、振動、轉動、彎曲、液位、速度、加速度、聲場、電流、電壓、磁場及輻射等物理量,都實現(xiàn)了不同性能的傳感。

光纖傳感系統(tǒng)可以用于地面三分量地震信號、海洋四分量地震信號、地面和海洋三分量電磁信號和井下壓力、溫度、噪聲、振動、聲波、地震波、流量、流體組分、電場和磁場等的測量。該系統(tǒng)以全鎧裝光纜結構為基礎,傳感器的連接以及數據傳輸的光纜都用光纖制成。目前有多種地下、海洋和井下鎧裝光纜的布設方法,比如埋放在地表以下的淺溝內、拖曳在海洋地震數據采集船的船尾、沉放在海底、埋置在海底下的淺溝內、安放在井下控制管線內、投放到連續(xù)油管內、直接集成到復合材料制成的連續(xù)油管管壁中、捆綁固定在連續(xù)油管外側、投放在套管內和捆綁在套管外側并用固井水泥進行永久性固定等布設方法。

除了用作分布式光纖傳感器件和數據傳輸的鎧裝光纜外,還有各類光纖傳感器件可以替代傳統(tǒng)的電子傳感器用作地球物理探測系統(tǒng)的傳感單元或模塊,比如光纖水聽器、單分量或三分量光纖檢波器、光纖MEMS傳感器、光纖電場傳感器、光纖磁場傳感器、光纖應變傳感器、光纖溫度傳感器和光纖壓力傳感器等。這些光纖傳感器可以集成到陸地、海洋和井下地球物理勘探數據采集設備中去,開發(fā)出不同應用場景的光纖地球物理勘探數據采集系統(tǒng),解決目前傳統(tǒng)的地球物理勘探儀器存在的體積大、功耗大、易受外界電磁干擾、不耐高溫、不耐高壓、數據傳輸率低等缺陷,真正實現(xiàn)地球物理勘探儀器的更新?lián)Q代。本文主要對地震數據采集中的分布式光纖、地面光纖、海洋光纖和井中光纖等技術及其應用進行系統(tǒng)介紹,最后展望了未來光纖地球物理技術的發(fā)展。

1 分布式光纖傳感技術簡介

分布式光纖傳感技術采用光纖作為傳感介質和傳輸信號介質,通過測量光纖中特定散射光的信號反映光纖自身或所處環(huán)境的應變或溫度的變化,一根光纖可實現(xiàn)成百上千個傳感點的分布式傳感測量。分布式光纖傳感器則是一種全分布式的測量技術,其工作原理是基于向后散射效應,集傳感與傳輸于一體,可實現(xiàn)遠距離測量與監(jiān)控,一次測定就可獲得整個光纖分布區(qū)域的空間參數分布,能夠測得長達幾十上百公里外的信息。工程中常用的分布式光纖傳感技術根據光纖中光的散射原理可分為3類,即基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術、基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術和基于拉曼散射的分布式光纖傳感技術。近些年,快速發(fā)展起來的分布式光纖傳感技術系列包括分布式光纖聲波傳感(distributed acoustic sensing,DAS)、分布式光纖溫度傳感(DTS)和分布式光纖應變傳感(DSS)技術等,是一種利用光纖作為傳感敏感元件和傳輸信號介質的傳感系統(tǒng)。分布式光纖傳感器是采用獨特的分布式光纖探測技術,對沿光纖傳輸路徑上的空間分布和隨時間變化信息進行測量或監(jiān)控的傳感器。它將傳感光纖沿場排布,可以同時獲得被測場的空間分布和隨時間變化的信息,對許多工業(yè)應用都頗有吸引力。

DAS是一種可以實現(xiàn)振動和聲場連續(xù)分布式探測的新型傳感技術。它利用窄線寬單頻激光在光纖中激發(fā)的相干瑞利散射對應變化高度敏感的特性,結合反射計原理,對與光纖相互作用的環(huán)境振動與聲場信息進行長距離、高時空精度地感知。DAS是近年迅速發(fā)展的高密度、低成本的地震信號觀測技術。DAS利用相干瑞利散射光的相位而非光強來探測音頻范圍內的聲音或震動等信號,不僅可以利用相位幅值大小提供聲音或震動事件強度信息,還利用線性定量測量值實現(xiàn)對聲音或震動事件相位和頻率信息的獲取?？梢哉J為,DAS是一個移動干涉式聲波傳感器沿傳感光纖探測外界信號,當聲音或震動信號引起該位置干涉光相位的線性變化時,通過提取該位置不同時刻的干涉信號并解調,就可實現(xiàn)對外界物理量的定量測量。DAS測量過程包括激光器沿著光纖發(fā)出光脈沖,一些光以反向散射的形式與入射光在脈沖內發(fā)生干涉,干涉光反射回來以后,反向散射的干涉光回到信號處理裝置,同時將光纖沿線的震動聲波信號帶到信號處理裝置。由于光速在光纖中保持不變,因此,可得到每米光纖聲波振動的測量結果。

近年來,DAS技術應用的快速發(fā)展,使其入選了“2020年全球石油十大科技進展”。這種獨一無二的信息感知能力,使得DAS技術受到學術界和工業(yè)界的廣泛關注。DAS技術性能不斷提升,應用快速發(fā)展,已在周界安防入侵檢測、鐵路安全在線監(jiān)測和地球物理勘探等方面展示了其獨特的技術優(yōu)勢和潛力。在地球物理勘探領域,DAS系統(tǒng)應用于地表、井中和海底的地震數據采集,井下氣體或液體流動噪聲記錄;分布式光纖溫度傳感(DTS)系統(tǒng)多年來已廣泛應用于井中溫度測量和監(jiān)測;分布式光纖應變傳感(DSS)系統(tǒng)則開始應用于井下地應力測量和監(jiān)測,地層壓力異常區(qū)內的套管變形和套損的長期監(jiān)測。分布式光纖傳感器具有質量輕、價格便宜、靈敏度高和適用于復雜環(huán)境等優(yōu)點,廣泛應用于油氣井全生命周期的安全監(jiān)測中。

圖1是分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)工作原理示意。當地震波(聲波)作用到局部光纖上時,局部光纖會產生微應變(拉伸或壓縮),造成沿光纖的光程發(fā)生變化,由于光彈效應,光纖纖芯的折射率會發(fā)生相應改變,從而引起光纖纖芯中瑞利散射干涉光信號相位的變化,通過相位敏感型光時域反射儀器(Φ-ODTR)的干涉光信號測量、相位解調和信號處理,即可實現(xiàn)分布式光纖聲波傳感。當對整段光纖纖芯中瑞利散射干涉光信號相位進行連續(xù)測量時,圖1中右側受地震波作用的光纖段連續(xù)兩次相位測量結果會出現(xiàn)差異,產生由局部光纖微應變引起的相位異常,而沒有受地震波作用的其它光纖段,連續(xù)相位測量的結果則只有背景噪聲。當地震波在介質中以固定速度從光纖的一端傳播作用到光纖的另一端時,通過對全段光纖纖芯中瑞利散射干涉光信號相位的實時連續(xù)測量和解調,就可以獲得地震波沿光纖傳播時的震動信號,或沿介質傳播的地震信號記錄。因此,可以通過埋設在地下、拖曳在水中、鋪設或埋置在海底和布放到井下的鎧裝光纜,實時記錄人工震源激發(fā)或天然誘發(fā)的地震信號,實現(xiàn)用分布式光纖采集陸地、海洋和井中的地震數據。

圖1 分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)工作原理示意

2 地面光纖地震數據采集系統(tǒng)

常規(guī)地面地震數據采集系統(tǒng)采用的是有線或無線節(jié)點式單分量或三分量檢波器,這類檢波器一般是動圈式檢波器、壓電式檢波器、數字式檢波器、加速度式檢波器或MEMS檢波器。地面光纖地震數據采集系統(tǒng)則是由逐點布設在地面的單分量或三分量光纖檢波器采集地面二維或三維地震數據,或者在地下埋置鎧裝光纜,采集沿鎧裝光纜分布的分布式光纖地震數據。

圖2是某科研單位的地面單分量光纖檢波器實物照片以及數據采集現(xiàn)場的光纖檢波器埋置方式。圖3是埋置在地面下淺溝內采集地面地震數據的鎧裝螺旋光纜實物照片。在地面工區(qū)內,按照二維檢波器測線或三維測網布設光纖檢波器,或者沿著地面檢波器測線或測網開挖淺溝埋置鎧裝螺旋光纜,配合地面人工震源組成的光纖地震數據采集系統(tǒng),就可以進行地面光纖地震數據采集。

圖2 地面單分量光纖檢波器和連接光纜實物照片(a)及在地面的布設方式(b)

圖3 陸地用鎧裝螺旋光纜實物照片

目前,地面地震勘探正朝著“輕量化”的趨勢發(fā)展。2020年,沙特某石油公司在沙漠區(qū)嘗試了使用埋置的鎧裝螺旋光纜進行地面和井中立體地震勘探試驗,即在沙漠地表區(qū)埋置鎧裝螺旋光纜并與淺井中布設的垂直光纖陣列同時接收地面可控震源激發(fā)的人工震源信號,此外在地面采集了常規(guī)動圈式檢波器數據并與光纖采集的地面地震數據進行驗證對比[1]。圖4是這次試驗使用DAS調制解調儀器和地面與井中布設的鎧裝螺旋光纜,進行“淺”、“深”和“FWI”接收網格的地面和井中多尺度地震數據采集的試驗現(xiàn)場施工照片及測網布設示意。

圖4 沙特某石油公司在沙漠中用鎧裝螺旋光纜進行淺井中和地面多尺度地震數據采集試驗現(xiàn)場施工照片及測網布設示意

常規(guī)動圈式檢波器采集地面地震數據時,其感應的地震信號的振幅大小和檢波器磁芯延伸方向與地震縱波傳播方向的夾角或縱波的入射角θ相關,二者呈cosθ的關系,即在垂直向上方向cos0=1時,垂直檢波器接收的反射縱波振幅最大,在水平方向cos90°=0時,垂直檢波器接收的反射縱波振幅最弱。用埋置在地面下的直光纖采集地面地震數據時,其感應的地震信號的振幅大小也和光纖延伸方向與地震縱波傳播方向的夾角或縱波的入射角θ相關,但是二者呈cos2θ的關系,即當cos20=1時,水平埋置的直光纖接收的地震波水平分量的振幅最大,當cos290°=0時,接收垂直向上的反射縱波信號最弱。因此,在生產中一般只用埋置在地面下的直光纖采集地震面波的數據,螺旋管方式繞制的鎧裝螺旋光纜則用來采集地面地震數據。

圖5是直光纖和螺旋管光纖對彈性波在不同入射角情況下的響應特征[2]。實線和虛線表示的是光纖對彈性波在不同的縱波速度和橫波速度模型上的響應。從圖中可以看出,直光纖在彈性波入射角為0和180°時的響應最大,在90°和270°時響應為0。而螺旋管光纖對彈性波的響應在所有入射角情況下的響應都不為0。這個特點可以用圖6說明[2],圖6a 表示光纖以螺旋管方式纏繞在光纜中,圖6b是沿AB線展平螺旋光纜后的光纖分布示意。對于垂直于光纜延伸方向入射的縱波,在沿AB線展平螺旋光纜后光纖上的響應不為0(入射角θ≠90°)。此外,常規(guī)動圈式檢波器記錄的是檢波器位置處彈性波傳播速度的數據,單位是m/s,而分布式光纖記錄的是光纖在某個受到彈性波影響位置的光纖位移量數據,單位是m。因此我們需要對DAS數據進行對時間的微分處理,將其單位由位移(m)轉變成速度(m/s)后才能進行對比。

圖5 直光纖與螺旋光纖對不同入射角彈性波的響應[2]

圖6 光纖以螺旋管方式纏繞在光纜中(a)和用以測量側向傳播過來的彈性波能量,沿AB線展平光纜后(b)[2]

沙漠環(huán)境以其復雜的近地表環(huán)境和數據質量差而聞名。長波長速度的變化往往導致低起伏構造的錯誤成像[3],而小尺度的非均勻性構造導致嚴重的散射和低質量地震數據[4-5]。一種解決方案是利用地面光纖和井中的垂直光纖陣列進行地面地震和井中地震數據的同時采集,通過引入井中采集的地震數據最大程度的減少構造的不確定性,但由于移動的沙子導致的地面高程變化使得在不同時期采集的地面地震和井中地震數據聯(lián)合處理面臨挑戰(zhàn)。

圖7是沙特某石油公司進行的陸地地面地震和垂直陣列DAS同步采集試驗的二維測線布設示意。圖7a顯示了一個實際的現(xiàn)場地震采集實驗設置,其中連續(xù)的DAS光纜沿著地表進入井口,到井底后再回到地面,繼續(xù)延伸到下一口井。使用間距10 m的4臺可控震源同步激發(fā)疊加,采集了數條二維測線的數據。DAS儀器解調標距為7 m,道間4 m,總共有2 850個震源點和大約1 200個DAS數據道,其中1/4的數據道位于井下。從井中15 m處抽取DAS共檢波點道集與早期采集的地面常規(guī)檢波器記錄的共檢波點道集進行對比,得到如下結論:①DAS原始數據與檢波器采集的原始數據在運動學特征上相當,但DAS展現(xiàn)了更多的細節(jié)信息;②去噪后的DAS數據與檢波器數據在頻譜特征上近似一致;③DAS數據疊加成像與檢波器疊加成像結果在交匯處基本形成閉合,進一步驗證了DAS數據的可靠性。

圖7 沙特某石油公司進行的陸上地面地震和垂直陣列DAS同步采集試驗的二維測線示意

圖8對比了使用DAS(左)和地震檢波器早先采集的地震數據疊加剖面(右)。用DAS數據成像的淺部和深部的反射數據剖面與地面地震的成像結果非常相似。在兩種數據成像剖面的交叉位置,從地面到3 s記錄(大約5 km深處)處的反射界面對應得非常好。這樣的一致性證實了DAS數據具有卓越的靈敏度,盡管淺孔之間的間距很大,DAS數據同樣具有能夠獲得與地面地震數據相當的成像能力。

3 海洋光纖地震數據采集系統(tǒng)

目前的海洋地震數據采集方式主要有3種,一種是單分量、二分量、三分量或四分量海洋地震數據采集纜(Streamer)拖曳在采集作業(yè)船的尾部,另一種是三分量或四分量海底地震數據采集纜(OBC)沉入海底,還有一種是獨立的三分量或四分量海底地震數據采集站(OBS和OBN)沉到海底,在海洋地震氣槍激發(fā)源在水中拖移激發(fā)時采集海洋地震數據。目前行業(yè)內使用最廣泛的是常規(guī)的水聽器、單分量檢波器、三分量檢波器和壓電晶體水聽器采集單分量、二分量、三分量或四分量海洋地震數據。從甲板上給遠離拖曳作業(yè)船數公里甚至數十公里遠的海洋地震數據采集纜上眾多的數據采集短節(jié)進行供電是十分困難和有限的。此外,目前三分量檢波器加水聽器陣列采集的海洋四分量地震數據完全靠鎧裝電纜從數據采集纜向拖曳作業(yè)船傳輸,由于長距離(數公里到數十公里)電纜數據傳輸的局限性,很難實現(xiàn)大量數據向拖曳作業(yè)船的高速實時傳輸。以上因素極大地限制了大道數或超大道數和大長度或超大長度海洋地震數據采集纜(Streamer或OBC)技術的發(fā)展和推廣應用。

由三分量(或矢量)光纖檢波器和光纖聲壓水聽器構成的海洋地震數據采集系統(tǒng)則可以克服傳統(tǒng)的電子檢波器和壓電水聽器組成的四分量海洋地震數據采集纜目前存在的問題。此系統(tǒng)內的光纖四分量檢波器無需供電,采集纜內也無其它任何電子器件,可以實現(xiàn)多條平行拖曳的超長距離海洋地震數據采集光纜的超高速數據傳輸,光纖檢波器同時具有更寬的頻率響應范圍(0.1～1 000.0 Hz)和平坦的頻響曲線,可以采集到比傳統(tǒng)的電子檢波器和壓電水聽器更高質量和更寬頻帶的四分量海洋地震數據。

目前三分量光纖矢量傳感器(檢波器)有強度調制光纖傳感器、相位調制光纖傳感器、頻率調制光纖傳感器、偏振態(tài)調制光纖傳感器、波長調制光纖傳感器和全保偏光纖加速度矢量傳感器,三分量光纖矢量傳感器也是三分量地震信號檢波器。光纖聲壓水聽器可分為干涉型光纖水聽器、光纖光柵型水聽器,光纖激光水聽器。干涉型光纖水聽器可分為調幅型光纖水聽器、調相型光纖水聽器、偏振型光纖水聽器。較傳統(tǒng)壓電晶體水聽器相比,光纖水聽器靈敏度高,可以探測微弱信號;抗電磁干擾和信號串擾能力強,可以遠距離傳輸;而且體積小,易于布放實施,收放容易,高可靠性,并且可以大規(guī)模組網。光纖地震數據采集短節(jié)內如果只包含光纖聲壓水聽器,采集短節(jié)只能采集單分量海洋地震數據。如果采集短節(jié)內包含光纖聲壓水聽器和三分量光纖矢量檢波器,采集短節(jié)則可以采集四分量海洋地震數據。

圖9是美國某公司的光纖檢波器系統(tǒng)(OptiPhone-HD),3個單分量的光纖加速度計按照相互正交的方式安裝在金屬壓力容器內,相比電磁檢波器系統(tǒng),能節(jié)省10%開支。OptiPhone-HD系統(tǒng)是全方位傳感系統(tǒng),典型的基元間距為15 m,也可根據需要調整基元間距。采樣率為4 000,2 000,1 000,500,250 Hz。靈敏度為1 ng/bit。工作溫度等級為85℃,150℃和200℃ 3種。直徑為52 mm,長度為555 mm,重量為5.0 kg。本底噪聲小于50?？俁MS噪聲(3～400 Hz)為180 ng。頻率響應為1～600 Hz。動態(tài)范圍(在400 Hz)為130 dB,系統(tǒng)時間精度為1 ms。

圖9 美國某公司的三分量光纖加速度計結構示意

英國某公司在挪威對一條長1.4 km的256基元光纖矢量檢波器岸基陣進行了海上試驗。該岸基陣通過時分復用(TDM,一種通過不同信道或時隙中的交叉位脈沖,同時在同一個通信媒體上傳輸多個數字化數據、語音和視頻信號等的技術)和波分復用(WDM,利用多個激光器在單條光纖上同時發(fā)送多束不同波長激光的技術)技術實現(xiàn)了在一根光纖上集成了256個矢量傳感器基元,進一步通過SDM技術構建了具有8 192個四分量矢量探測單元的大規(guī)模矢量探測系統(tǒng)。在這一系統(tǒng)中,單矢量探測基元采用了三軸分立式結構(圖10)。

圖10 英國某公司的256基元光纖矢量檢波器原理(a)和實物(b)

圖11是由某公司生產的拖曳式海洋四分量光纖矢量探測纜及采集的數據。用此纜和氣槍震源配合,在南海進行了二維海洋地震數據的采集試驗,其數據與使用常規(guī)海洋雙檢(集成水檢和陸檢的檢波器組)拖纜采集的數據基本一致[6]。目前該公司的光纖標量水聽器已研制成拖曳聲吶系統(tǒng)、海底固定式探測系統(tǒng)和聲全息探測系統(tǒng),基元數根據實際需要從128基元到1 024基元,并進行了大量的海上試驗,充分驗證了系統(tǒng)的性能。同期開展了四分量光纖矢量檢波器基元技術和成陣技術的研制,用于拖曳陣和潛標垂直陣兩型的四分量光纖矢量檢波器已初步定型,并且完成了32基元的光纖矢量檢波器的成陣和海上試驗,正在進行16～64基于高靈敏度光纖四分量矢量潛標探測系統(tǒng)的驗證。這些工作為光纖矢量地震檢波系統(tǒng)研究奠定了較好基礎。海底節(jié)點式光纖四分量聲波(地震)信號采集系統(tǒng)如圖12所示。這種系統(tǒng)非常類似于現(xiàn)在海底地震數據采集作業(yè)廣泛使用的常規(guī)海底采集節(jié)點,但是其自帶光學和信號處理單元,內置三分量光纖檢波器和光纖聲壓水聽器,通過配重下沉海底,數據采集結束后,拋載配重后依靠浮力艙上浮水面進行回收。

圖11 拖曳式海洋四分量光纖矢量探測纜及采集的數據

圖12 海底節(jié)點式光纖四分量聲波(地震)信號采集系統(tǒng)(a)及實物照片(b)

圖13是挪威某公司的OptoSeisTM永久油藏監(jiān)測系統(tǒng)使用的海底光纖四分量地震信號采集單元,圖14 為海底光纖四分量OBC在海底的布設方式示意。OptoSeisTM永久油藏監(jiān)測系統(tǒng)在海底沒有任何電子器件,這意味著此系統(tǒng)可以輕量化、安全和可靠運行超過20年,無需干預。在有些應用中,海底光纖四分量OBC陣列中沒有電池或電力驅動電路也有助于將各種雙向信號路徑配置為完全冗余的環(huán)路。利用高通道數單模光纖,此OBS所使用的輕質光纜設計的直徑為20.7 mm,但抗拉強度可支持OptoSeisTM系統(tǒng)部署在3 000 m水深處,安全系數高,長度可達70 km。

圖13 挪威某公司OptoSeisTM永久油藏監(jiān)測系統(tǒng)使用的海底光纖四分量地震信號采集單元

圖14 挪威某公司OptoSeisTM海底永久油藏監(jiān)測系統(tǒng)布設及作業(yè)示意

4 井中光纖地震數據采集及其應用

常規(guī)井中地震數據采集都是使用井下三分量檢波器或三分量檢波器加水聽器陣列,由每級三分量或四分量檢波器自帶的推靠裝置將檢波器緊緊地推靠在井壁或套管內壁上,用地面人工激發(fā)的炸藥震源、重錘震源或可控震源中的一種震源來采集井中垂直地震剖面(VSP)數據。由于每級三分量或四分量檢波器的自重比較大,目前標準的七芯鎧裝電纜一次只能連接100級井下三分量或四分量檢波器陣列,另外,由于深井中的高溫高壓環(huán)境對檢波器內部的電子元器件是極大的挑戰(zhàn),因此目前用井下電纜進行長距離數據傳輸的最高速度只有5 MB/s,當井下連接的檢波器陣列太大時,只能依靠犧牲采樣率來實現(xiàn)井下采集的多分量地震數據的實時傳輸。上述客觀因素嚴重制約了井下常規(guī)地震數據采集設備的發(fā)展和井中地震技術的大規(guī)模推廣應用。

近年來,國內外已經研制出耐高溫、耐高壓、靈敏度高、動態(tài)范圍大、能進行高速數據實時傳輸的全光纖井下三分量或四分量檢波器陣列,并進行了井中地震數據采集和儲層改造水力壓裂微地震監(jiān)測試驗,已經可以投入井中地震數據采集和微地震監(jiān)測的生產作業(yè)。

圖15是英國某公司生產的井下三分量光纖檢波器陣列(BOSS)實物照片。該系統(tǒng)可以一次連接100級三分量光纖檢波器下井,鎧裝光電復合纜長度可達20 000 m,三分量光纖檢波器頻帶寬度為0.5～500 Hz,耐溫300°,耐壓30 000 psi,井口到第一級光纖檢波器之間的光電復合纜可以在井下采集三分量光纖VSP數據的同時同步采集DAS-VSP數據,空間分辨率可達0.8 m。其地面DAS數據采集系統(tǒng)(SULIS)和光電復合纜也可以和該公司的傳統(tǒng)井下三分量檢波器陣列相兼容(GeoDAS),可以在采集井下常規(guī)三分量檢波器VSP數據的同時采集DAS-VSP數據。

圖15 英國某公司生產的井下三分量光纖檢波器陣列實物照片

北京大學的技術團隊研制成功了光纖加速度檢波器(圖16)和井下三分量光纖檢波器陣列(FOSS)(圖17)。圖17a是北京大學研制的光纖加速度檢波器實物照片。該FOSS系統(tǒng)已經在新疆油田進行了水力壓裂井下微地震監(jiān)測現(xiàn)場試驗,圖18是井下三分量光纖加速度檢波器陣列(FOSS)采集的井中三分量地震數據。此井下三分量光纖加速度檢波器陣列在新疆油田記錄的微地震數據及頻譜響應如圖19 所示。圖20是井下三分量光纖加速度檢波器陣列和常規(guī)井下三分量電磁檢波器陣列(GEO)分別在不同監(jiān)測井內記錄的同一水平井水力壓裂微地震數據處理結果。圖20a和圖20b是FOSS系統(tǒng)記錄到的微地震事件在x-y平面和x-z平面上的展布;圖20c和圖20d是GEO系統(tǒng)記錄到的微地震事件在x-y平面和x-z平面上的展布。

圖16 北京大學研制的基于光學邁克爾遜干涉儀光纖加速度檢波器(FOSS)結構示意

圖17 北京大學研制的井下三分量光纖加速度檢波器實物照片(a)和陣列(FOSS)實物照片(b)

圖18 井下三分量光纖加速度檢波器陣列記錄的井中三分量地震數據

圖19 井下三分量光纖加速度檢波器陣列采集的微地震數據及頻譜響應

圖20 井下三分量光纖加速度檢波器陣列和常規(guī)井下三分量檢波器陣列(GEO)分別在不同井內記錄的同一水平井微地震數據處理結果

基于DAS技術的地震數據采集系統(tǒng)利用耐高溫、耐氫損和抗腐蝕的光纖本身作為傳感器進行信號采集,可以部署在高溫或超高溫深井或直接埋在地下、鋪設在海底進行地震數據采集,在井中地震勘探、井-地立體勘探、油氣藏長期動態(tài)監(jiān)測和微地震監(jiān)測等方面的應用發(fā)展迅速,憑借高密度、全井段、高效率、低成本、耐高溫高壓等優(yōu)勢,成為貫穿油氣井全生命周期中一項重要的新興油氣藏監(jiān)測技術。

在油氣藏儲層精細描述方面,基于DAS技術的井中地震數據采集系統(tǒng)由于其全井段、高密度、高效率、耐高溫、耐高壓和低成本等優(yōu)勢,已成為未來井中地震技術重要的發(fā)展方向。沿井筒布設到地下儲層深處的鎧裝光纜和亞米量級道間距采集的高密度DAS井中地震數據,可以用于井筒周圍儲層的高精度、高分辨率構造成像,提高油氣田開發(fā)區(qū)生產井周圍的精細油氣藏精細描述能力。在油氣藏生產長期動態(tài)監(jiān)測方面,井中記錄的微地震數據可以用于水力壓裂儲層改造效果的準確評價;利用油氣生產井下布設的鎧裝光纜連續(xù)實時進行分布式光纖溫度測量(DTS)數據和噪聲(用DAS)數據,可以對多套儲層油氣生產井或水平井中的多相流體進行實時動態(tài)監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)和了解油氣生產井段及地層水流入井段的具體位置和流量,計算產液剖面和吸水剖面,實時調整優(yōu)化油氣生產方案和制度,提高油氣采收率;利用在井下套管外布設的鎧裝光纜和地面DSS調制解調儀器,可以對地下壓力場的變化進行長期實時動態(tài)監(jiān)測,實時測量和監(jiān)測地應力變化異常地段內套管的應變,及時發(fā)現(xiàn)套管的形變和評估產生套損的風險,采取必要的工程措施和手段,預防和減少套損的發(fā)生,降低油氣資源開發(fā)生產的直接成本。

DAS-VSP具有全井段覆蓋、高密度采樣、高效率、耐高溫、耐高壓、成本低等優(yōu)點[7-13],已成為井中地震技術的一個重要發(fā)展方向[1,14]。DAS-VSP可提供高精度儲層構造成像,提高對油氣井周圍油藏的精細描述能力,并具備油氣藏動態(tài)監(jiān)測的能力。某石油公司在墨西哥灣的三維DAS-VSP勘探項目中取得了一些較好的成果[15],其成像結果可滿足地質需求。相比時移OBS,時移3D-VSP成本更低,應用前景更廣闊。此外,許多國際知名公司均已在DAS-VSP研究方面取得較大進步[16-17]。2015年至今,國內公司也開展了分布式光纖VSP數據采集試驗和生產,取得較高分辨率的成像結果[18]。

2016年,某公司在渤海灣附近的大港油田進行了三維地面地震數據的采集。三維地面地震數據采集區(qū)塊面積為192.49 km2,在采集三維地面地震數據時,利用區(qū)塊內的B-01和B-02兩口井同時采集了井中地震數據。B-01和B-02井的深度分別為3 500 m和2 770 m。在B-01井套管內布設了一根從井口至井底的鎧裝單模光纜,在B-02井套管內500 m至2 080 m處布設了一個80級三分量井下檢波器陣列。B-01井內的鎧裝光纜共記錄地面井炮8167次,震源覆蓋面積為73.92 km2;80級三分量井下檢波器組共記錄地面井炮7913次,震源覆蓋面積為53.88 km2。B-01井內的井下鎧裝光纜接收間距為2 m(共計1750級),80級三分量井下檢波器陣列接收間距為20 m。井中地震資料總覆蓋面積為127.8 km2,地面有效炮數為16 080次。隨后分別進行了井區(qū)周圍地面三維地震數據的疊前深度偏移成像處理,B-02井中的三分量檢波器Walkaway VSP數據的偏移成像處理和B-01井中的Walkaway DAS-VSP數據的偏移成像處理。

圖21展示了大港油田地面三維地震數據的疊前深度偏移(PSDM)成像、B-02井的井下三分量檢波器陣列Walkaway VSP成像和B-01井的Walkaway DAS-VSP成像結果對比。3種不同成像結果的頻率范圍從地面三維地震數據疊前深度偏移的60 Hz增加到B-02井井下三分量檢波器陣列Walkaway VSP成像的70 Hz,更進一步拓展到B-01井Walkaway DAS-VSP成像的85 Hz。利用高頻率、高分辨率的DAS-VSP成像資料,地震、地質解釋人員從DAS-VSP成像結果里可以很容易地識別出小于地面地震尺度的小斷層和尖滅構造,而這些高分辨率精細地質構造在地面三維地震數據的成像和井下三分量檢波器陣列的Walkaway VSP成像中幾乎不可見[19]。

圖21 地面三維地震數據疊前深度偏移(PSDM)成像(a)、井下三分量檢波器陣列Walkaway VSP成像(b)和Walkaway DAS-VSP成像(c)剖面及其對應的振幅譜顯示

2019年,為研究港東油田地下滲流場變化規(guī)律,大港油田一年內實施了3期(1月、7月和12月)時移DAS-VSP觀測,采用套管外鎧裝光纜采集和地面可控震源激發(fā),保證3期DAS-VSP資料一致性。經過精細處理,獲得了高分辨率時移Walkaway DAS-VSP成像剖面。從時移DAS-VSP成像剖面屬性和反演兩個方面進行差值分析(圖22),在高亮體屬性剖面上,目的層在第1、2期監(jiān)測之間變化較大,在第2、3期監(jiān)測之間差異較小。而波阻抗反演的差值剖面上,同樣也表現(xiàn)為前兩期監(jiān)測之間差值較大,后兩期監(jiān)測變化很小。屬性變化說明儲層從投產前的1期監(jiān)測到生產5個月后的2期監(jiān)測期間,產能變化較大(1期日產原油34 t,2期和3期日產原油8 t),表現(xiàn)為儲層壓力以及產量的降低。而波阻抗的差值顯示,2期與1期監(jiān)測之間目的層的阻抗值降低,表現(xiàn)為含油氣性的變化,含水量上升是該現(xiàn)象的主要原因。2期與3期監(jiān)測的時間段內本井實現(xiàn)穩(wěn)產,壓力、日產量以及流體比例等因素基本保持穩(wěn)定,則在屬性與波阻抗的差值剖面上幾乎無異常響應。此結果也由本井實際生產情況得到了驗證。

圖22 時移DAS-VSP高亮體屬性差值剖面(a)和阻抗反演差值剖面(b)

井中-地面地震聯(lián)合立體勘探技術作為地面地震勘探和井中地震勘探技術相結合形成的一項新的地震勘探方法,實現(xiàn)了井中與地面地震數據采集的有機結合,可以實現(xiàn)同步采集和同步處理的目的,從而提高勘探區(qū)的成像精度,提高目的層反射資料的信噪比與分辨率。有利于識別特殊地質體,開展儲層精細預測與評價,研究砂體及巖性圈閉;精細研究井旁周圍地層的構造、儲層及油層的賦存與變化特征,是一種新的地震勘探技術。

基于DAS-VSP技術的井-地聯(lián)合立體地震勘探就是在井中布設鎧裝光纜,并在井口附近連接DAS調制解調儀器,利用地面震源和地面布設的檢波器進行井-地立體聯(lián)合地面三維地震數據和井中三維DAS-VSP數據的同步采集,即同步采集同源同波場的地面三維和井中地震數據。隨后從井-地立體聯(lián)合地震勘探中采集的井中三維DAS-VSP數據里提取各種地下介質的彈性或粘彈性參數、各向異性系數,用于對地面三維地震數據進行提高精度和提高分辨率的井驅處理,或者進行同源同波場的地面地震數據和井中地震數據的聯(lián)合偏移成像,從而實現(xiàn)對地下油氣藏儲層的精細刻畫與描述。

近兩年來,某地球物理公司已經在國內近20塊三維地面地震數據采集工區(qū)進行了井-地立體聯(lián)合勘探數據采集作業(yè),大大降低了三維VSP數據采集的成本。經過后期的三維地面地震數據的井驅處理,大幅度提高了地面三維地震數據成像的準確度和分辨率。井中地震數據處理包括計算地下介質準確的速度場,獲取地層的平均和層間縱波速度與橫波速度,識別多次波,計算沿井筒的球面擴散TAR因子(真振幅恢復因子)和衰減系數Q值,提取子波和反褶積參數,利用Walkaround DAS-VSP或三維DAS-VSP數據求取地下介質速度、衰減系數Q值和各項異性參數等。地面三維地震數據的井驅處理包括準確建立井周圍地下介質的三維速度模型和地下介質的三維彈性或粘彈性參數模型,并對三維地面地震數據進行靜校正處理、多次波壓制處理、振幅恢復處理、后續(xù)的三維地面地震數據的提高分辨率處理以及各向異性偏移成像和疊前道集數據的Q補償或和Q偏移成像,并通過綜合解釋進行油氣藏儲層的精細刻畫與綜合評價。

圖23是四川火山巖氣藏勘探開發(fā)區(qū)地面三維地震數據井驅處理前后的結果對比。圖23a是只進行了地面三維地震數據常規(guī)各向異性疊前深度偏移的剖面,圖23b是井驅處理各向異性疊前深度Q偏移(Q-PSDM)剖面。利用淺地表微測井數據和DAS-VSP數據分別求取淺地表和地下深處的衰減系數Q值,經過反演與數據融合處理,形成地面三維地震數據覆蓋區(qū)域的地下衰減系數的三維Q值模型,并結合三維DAS-VSP數據獲得的地下介質速度各向異性參數,進行最后的地面三維地震數據井驅處理的各向異性疊前深度Q偏移。從圖23中可以看到,經過井驅處理的各向異性疊前深度Q偏移剖面的高頻能量損耗得到了較好的補償,疊前深度Q偏移剖面的頻率帶寬和高頻信號的振幅提高較多,Q-PSDM剖面上出現(xiàn)的高分辨率反射界面在過井的位置上與聲波測井曲線十分吻合,為油氣藏儲層的精細刻畫與描述提供了準確可靠的高分辨率高信噪比三維成像數據體[20]。

圖23 地面三維地震數據井驅處理前、后對比

圖24是火山巖儲層段地面三維地震數據各向異性疊前深度偏移剖面與井驅處理各向異性疊前深度Q偏移剖面效果對比。疊前深度Q偏移剖面(圖24b)展示的火山上行通道更為清晰,火山巖體內的溢流相和爆發(fā)相等相帶的解釋與劃分更容易更可靠,為識別高含氣火山巖相帶,布設新探井、評價井或開發(fā)井提供了有力的技術支撐。

圖24 地面三維地震數據各向異性疊前深度偏移剖面(a)與井驅處理各向異性疊前深度Q偏移(b)剖面效果對比

5 結論與建議

光纖傳感技術是一項革命性的新技術,光纖由于體積小、不帶電、分布式、高密度、多參量、耐高溫高壓、全段接收和低成本等特征,必將帶來井下、海洋、陸地地球物理技術的一場革命。井中分布式光纖聲波傳感技術已廣泛應用于井中VSP數據采集、水力壓裂微地震監(jiān)測和精準工程監(jiān)測,可實現(xiàn)油氣井全生命周期監(jiān)測、管理和使用。分布式三分量光纖聲波傳感系統(tǒng)的發(fā)展可實現(xiàn)陸地、海洋和井下的低成本、高密度三分量地震數據采集。

分布式光纖傳感技術在油氣資源勘探開發(fā)領域的規(guī)?；茝V應用,已經從井中延伸到了陸地和海洋,從井下單分量測量拓展到了井下和陸地三分量測量(螺旋形繞制的鎧裝光纜),從單井單參數測量發(fā)展到了多井多參數同步測量,調制解調儀器也從單通道單參數發(fā)展到了多通道多參數復合調制解調系統(tǒng)。展望未來,分布式三分量光纖聲波傳感技術將會在井中、陸地(沙漠)和海洋中用來替代常規(guī)三分量檢波器采集高密度全波場三分量地震數據。

光纖傳感技術應用已經由地震勘探領域延伸至了油氣藏開發(fā)領域,圍繞光纖傳感技術應用的地球物理技術對地下構造的靜態(tài)刻畫和動態(tài)永久監(jiān)測逐步形成光纖油藏地球物理技術的基礎。油氣田的地下和大部分油氣生產井將會在套管內外、油管內外普遍安裝內含多根特種光纖的鎧裝光纜,構建龐大的油氣田地面和地下立體光纖智能感知網,全方位、全天候、全時段的實時監(jiān)測油氣田生產狀況和儲層參數的動態(tài)變化,為油氣田的智能決策管理和智能開發(fā)生產提供依據。井下的分布式光纖多參數、多分量、高密度、海量、實時和連續(xù)測量數據是未來智慧油田系統(tǒng)的前端信息傳感神經網絡。

為了進一步提高光纖傳感技術水平,加快大規(guī)模推廣應用,建議積極開展如下研究工作。

1)研制開發(fā)集分布式光纖聲波、溫度、應變傳感于一體的多分量、多參數、多通道復合調制解調儀器,大幅度降低分布式光纖傳感系統(tǒng)成本。

2)開展耐高溫、高瑞利散射系數、抗氫損和彎曲不敏感特種光纖的研制與批量生產。

3)積極開展不同技術路線和實施方案的三分量分布式光纖聲波(地震波)傳感數據采集系統(tǒng)的研究,早日實現(xiàn)井下、井-地聯(lián)合、海洋和陸地(沙漠)的高密度低成本三分量地震數據采集。

4)未來高密度、低成本、高效率采集的陸地、海洋和井中分布式三分量DAS地震數據,對現(xiàn)有的檢波器數據處理解釋的方法、技術和軟件都會帶來變革創(chuàng)新方面的挑戰(zhàn),比如原來10m道間距的井中三分量地震數據將會由道間距為0.1 m的井中三分量DAS數據所替代,已有的井中地震數據處理解釋的方法和技術以及軟件都需要適應相應的變化。

5)井下耐高溫三分量分布式鎧裝光纜的出現(xiàn),將進一步推動未來地面-井下聯(lián)合立體三分量地震勘探技術的發(fā)展,急需加快井-地三分量聯(lián)采地震數據的聯(lián)合偏移成像方法研究、技術進步和軟件發(fā)展。

6)加快研制套管外鎧裝光纜定位定向技術與設備,積極發(fā)展與之配套的定向射孔光纜避射技術,保證射孔壓裂段套管外鎧裝光纜在射孔壓裂作業(yè)時完好無損,實現(xiàn)油氣生產井的長期動態(tài)實時監(jiān)測。

7)創(chuàng)新性發(fā)展光纖地球物理技術,實現(xiàn)對整個油氣田儲層的光纖智能油藏感知、描述、模擬和監(jiān)測,智能優(yōu)化開發(fā)方案和生產制度,在未來智慧油氣田的建設中發(fā)揮重要的技術支撐作用。