光纖分布式地震波探測系統(tǒng)及其布設(shè)優(yōu)化研究

周月

【摘 要】地震勘探屬于當(dāng)前最有效和最廣泛的石油油氣資源勘探手段，其能夠利用人工方法將強(qiáng)大的低頻聲波發(fā)送到地層，遇到不同地層界面以后聲波會(huì)發(fā)生不同的反射，此時(shí)提供設(shè)置不同的監(jiān)測點(diǎn)便能夠利用檢波器對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)行采集，而后經(jīng)過加工處理形成地震資料，便于詳細(xì)描述和監(jiān)測油藏。光纖分布式地震波探測系統(tǒng)具有耐高溫、靈敏度高、頻帶寬、不受電磁場干擾等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

【Abstract】Seismic exploration belongs to the most effective and extensive exploration means of oil and gas resources. It can use the artificial method to send the strong low-frequency sound waves to the formation， and the sound waves will reflect different reflections after encountering different formation interfaces. At this point， different monitoring points can be set up to collect acoustic signals with geophones， and then processed to form seismic data， so as to facilitate the detailed description and monitoring of reservoirs. The optical fiber distributed seismic detection system has the advantages of high temperature resistance， high sensitivity， wide frequency band and no electromagnetic interference.

【關(guān)鍵詞】光纖分布；地震波探測系統(tǒng)；系統(tǒng)布設(shè)

【Keywords】fiber distribution； seismic wave detection system； system layout

【中圖分類號(hào)】TP212 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）12-0161-02

1 光纖分布式地震波探測技術(shù)概述

1.1 光纖地震波探測技術(shù)類型

光纖地震波探測技術(shù)類型主要包括了以下幾種：

①強(qiáng)度調(diào)制型。光纖當(dāng)中的傳輸光強(qiáng)會(huì)在地震波影響下發(fā)生變化，因此監(jiān)測光強(qiáng)變化便能夠做大地震波的探測。強(qiáng)度調(diào)制型光纖地震波探測能夠簡單進(jìn)行解調(diào)，比較容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，但是并不具有較高靈敏度，探測到的地震波信號(hào)亦比較弱。②干涉型。以光纖干涉儀為基礎(chǔ)的地震檢波器屬于目前性能較好且發(fā)展較為成熟的地震波探測技術(shù)，其靈敏度較高，穩(wěn)定性較好，因此應(yīng)用范圍最廣。③光纖光柵型。其屬于一種波長調(diào)制型傳感器，具有比較良好的抗干擾性，較強(qiáng)的大規(guī)模組網(wǎng)能力，但是在探測靈敏度上仍舊存在缺陷。④分布型。上述三種類型的光纖地震波探測技術(shù)均屬于點(diǎn)式測量，分布型光纖地震波探測技術(shù)則能夠在大跨度內(nèi)實(shí)現(xiàn)分布式的測量，可以充分發(fā)揮“傳感合一”的優(yōu)點(diǎn)，但是在探測靈敏度上亦需要提高。論文主要針對(duì)分布型地震波探測技術(shù)展開研究[1]。

1.2 光纖分布式地震波探測技術(shù)原理

光纖分布式地震波探測技術(shù)在應(yīng)用當(dāng)中所涉及的地震波，實(shí)際上是指壓力波，即聲場當(dāng)中的光纖在承受一定壓力的情況下其折射率便會(huì)發(fā)生變化，由此光纖內(nèi)光相位便會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化[2]。例如一束沿著光纖軸向的光傳播了L長的距離以后，其光波相位的變化計(jì)算公式為：

公式①中nf的代表光纖折射率，λ代表入射光波長。

一般情況下，光纖受到了壓力的作用，傳播光的相位便發(fā)生變化，計(jì)算公式為：

公式③中Δβm代表逆介電張量變化，Pmm代表彈光系數(shù)矩陣分量，Sn代表光纖應(yīng)變分量。若光纖在地震波探測當(dāng)中受到了聲壓P的作用，則光纖在各個(gè)方向上的應(yīng)變會(huì)通過公式④加以表示：

由于光纖分布式地震波探測過程中光會(huì)沿著軸向傳播，因此折射率即便會(huì)發(fā)生變化卻仍舊呈現(xiàn)Δnf=Δn1=Δn2的情況。但是，光纖的軸向亦存在應(yīng)變，且表現(xiàn)為S3=2μP/E，因此光纖長度自然會(huì)發(fā)生變化，表達(dá)式

從上述一系列公式可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)光纖當(dāng)中某一位置的相位變化進(jìn)行測量便可以對(duì)該位置受到的外界地震波信號(hào)影響做出測量，由此便能夠獲得震源位置、強(qiáng)度、頻率等信息，為石油油氣的開采提供數(shù)據(jù)與信息支持。

2 光纖分布式地震波探測系統(tǒng)布設(shè)優(yōu)化方案

2.1 現(xiàn)場光纜布設(shè)優(yōu)化方案

光纖分布式地震波探測系統(tǒng)在現(xiàn)場光纜布設(shè)當(dāng)中主要選擇了超窄線寬分布反饋式激光器，其能夠輸出長度為1550nm的高相干連續(xù)光波，并且能夠保證聲光調(diào)制器具有20kHz的斬波重復(fù)頻率，和200ns的脈沖寬度，布設(shè)后其采樣的頻率則基本上可以達(dá)到100MHz[3]。具體的現(xiàn)場光纜布設(shè)優(yōu)化中，可以利用光纖光纜對(duì)地面以下的地震波信號(hào)加以測量，但是由于實(shí)際環(huán)境當(dāng)中存在著地質(zhì)條件不一、地域環(huán)境復(fù)雜等因素，為了保證測量的有效性，可以在現(xiàn)場布設(shè)基礎(chǔ)上采用光纜附加尾椎式布設(shè)方法。

2.2 布設(shè)優(yōu)化測試結(jié)果

布設(shè)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)當(dāng)中將聲源與傳感光纜之間的垂直距離設(shè)置為L。將聲源放置在圖1的（1）所顯示的L處，并且將L設(shè)置為10m和20m，同樣將聲源放置在圖1（2）所顯示的L處，同樣設(shè)置L為10m和20m后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將光纖分布式地震波探測系統(tǒng)所獲得的信號(hào)與傳感器采集信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，具體結(jié)果如下：

①當(dāng)L為10m時(shí)。光纖分布式地震波探測系統(tǒng)獲取的震源信號(hào)可以隨著時(shí)間的變化而發(fā)生變化，并且震源會(huì)在探測光纜上隨著時(shí)間而發(fā)生擴(kuò)散。此時(shí)探測的頻域、時(shí)域?qū)Ρ犬?dāng)中，該系統(tǒng)所探測到的震源信號(hào)波形與電子動(dòng)圈傳感檢測到的存在明顯區(qū)別。主要原因在于L為10m時(shí)代表震源與光纜之間的距離比較近，檢測過程中空間分辨率會(huì)發(fā)生多波疊加現(xiàn)象，因而容易出現(xiàn)信號(hào)變形情況[4]。

②當(dāng)L為20m時(shí)。光纖分布式地震波探測系統(tǒng)采集的次震源信號(hào)亦會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化，但是其在探測光纜上隨著時(shí)間而發(fā)生擴(kuò)散的現(xiàn)象并不十分明顯[5]。因此，該系統(tǒng)檢測到的震源信號(hào)波形與電子動(dòng)圈傳感器檢測到的并不存在明顯差異。

由上述測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，光纖分布式地震波探測系統(tǒng)在布設(shè)時(shí)應(yīng)該采用光纜附加尾椎式布設(shè)與野外現(xiàn)場埋地式布設(shè)相互聯(lián)合的方式，且埋地聲源與傳感光纜之間的垂直距離應(yīng)該設(shè)置為10m。

3 結(jié)論

綜上所述，光纖分布式地震波探測系統(tǒng)屬于一種先進(jìn)的、新型的地震波探測技術(shù)系統(tǒng)，將光纜附加尾椎式布設(shè)與野外現(xiàn)場埋地式布設(shè)相互聯(lián)合能夠沿著光纜的分布進(jìn)行完整的地震波檢測，并且與傳統(tǒng)的電子動(dòng)圈傳感器檢測相比，光纖分布式地震波探測系統(tǒng)的頻帶更寬，測量范圍更大，亦不會(huì)受到電磁場的干擾，在布設(shè)方面更具有方便性，因此更具有易于使用的優(yōu)勢(shì)。但是無論附加尾椎式布設(shè)或者野外現(xiàn)場埋地式布設(shè)的檢測靈敏度均需要進(jìn)一步提升。

【參考文獻(xiàn)】

【1】劉勝，韓新穎，熊玉川，等.基于弱光纖光柵陣列的分布式振動(dòng)探測系統(tǒng)[J].中國激光，2017，44（02）：313-318.

【2】張偉光，楊長德，王鵬.基于地震波法的底板破壞區(qū)域探測技術(shù)及應(yīng)用[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2016，12（06）：77-81.

【3】李云波.新型礦井無線多通道三分量分布式地震超前觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2015，42（05）：45-49.

【4】焦煜媛，沈旭章.利用影區(qū)地震波探測青藏高原內(nèi)部下地殼低速層[J].國際地震動(dòng)態(tài)，2015，04（09）：112.

【5】蔡連初，繆念有.利用地震波CT技術(shù)精細(xì)化探測隧洞間巖溶構(gòu)造[J].大壩與安全，2014，11（01）：57-58.endprint