光纖傳感在表層調查中的應用

關鍵詞：分布式聲波傳感（DAS），表層調查，雙井微測井，近地表速度，近地表 Q 值 中圖分類號：P631 文獻標識碼：A DOI：10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.20240221

Abstract： The accuracy of surface structure investigation greatly influences the quality of seismic field acquisition.However，the commonly used surface structure investigation methods fail to accuratelycharacterize the thin lithological change，and construction under special surface conditions is dificult. To solve this problem， the optical fiber sensor acquisition technology is applied to the investigation of surface structure.The advantages of a high spatial sampling rate and easy construction of optical fiber are used to solve the problems of traditional methods.The feasibility of optical fiber acquisition is verified by comparing the data colected by geophone.At the same time，the same point comparison test of surface velocity inversion and Q -value calculation is carried out. The results show that optical fiber data can identify more lithological change interfaces than geophone data.However，the signal-to-noise ratio of fiber optic data is low，with a narrow effective band range and unstable Q -value calculation results. This study shows that the optical fiber sensor acquisition technology has great potential in the application of surface investigation. Still， more perfect quality control means are needed to improve the quality of data acquisition.

Keywords： distributed acoustic sensing （DAS），surface investigation，dual-well microlog，near-surface velocity， near-surface Q -value

龔屹，孟慶利，藍加達，等，光纖傳感在表層調查中的應用[J].石油地球物理勘探，2025，60（4）：879-885. GONG Yi，MENG Qingli，LAN Jiada，et al.Application of optical fiber sensing in surface investigation[J].Oil GeophysicalProspecting，2025，60（4）：879-885.

0 引言

表層結構調查是地震勘探的重要環節，表層調查的目的主要是獲取近地表結構以及速度等物性參數，其結果對于激發井深設計[1]、表層速度建模2和表層 Q 值建模3均有重要作用，表層調查結果的準確度直接影響采集激發參數的選擇，以及靜校正、吸收衰減補償和深度偏移建模等處理環節。因此，如何提高表層調查的精確度是一項重要的研究內容。

目前油氣勘探領域常用的表層結構調查方法主要有小折射、微測井和靜力觸探三種。小折射法4是利用低速層的直達波和近地表的折射波信息來反演表層結構和物性參數，該方法的特點是排列規模較小且在地面施工較為方便。但是小折射探測深度有限，并且面對較為復雜的近地表條件時探測精度可能不足。微測井方法包括雙井微測井和單井微測井，該方法是通過井中激發（或接收）地面接收（或激發）的直達波信息來探測表層結構特征[2]。微測井方法能夠比較直觀地反映出近地表速度結構變化特征，通過微測井速度解釋結果可以識別表層巖性變化界面以及潛水面深度5，為野外采集提供基礎資料，探測精度相對較高，適用于近地表條件復雜的地區，是目前油氣勘探中表層結構調查的主要手段。相比于小折射和微測井，靜力觸探屬于直接測量方法。靜力觸探將探頭以一定速率壓入地表，通過記錄探頭的錐尖阻力和側向阻力來反映表層介質的物理性質[6。該方法探測精度較高，能夠根據量板直接獲得巖性信息，通常與微測并進行表層結構聯合調查。

本次研究區域位于蘇北平原，油氣勘探程度較為成熟，隨著勘探的不斷精細化，對于表層結構識別的要求越來越高。然而，上述常規表層調查方法逐漸難以滿足精細勘探的需求：一方面，微測井方法的采樣間隔通常大于 50cm ，對于近地表速度變化位置識別的準確性不足，速度解釋結果往往與靜力觸探的巖性解釋結果無法較好的對應；另一方面，蘇北平原地表水網發育，在微測井施工時井下埋置檢波器較為困難，且設備泡水后損壞率較高。

隨著采集技術的不斷發展，光纖傳感技術被用于油氣地震勘探中，在井中地球物理勘探領域取得了巨大突破[7]。由于光纖傳感技術可實現超高密度和長時間觀測，因此被廣泛應用于 VSP^[8-10] 和微地震檢測中[11-13]。光纖的采樣率極高，最小采樣間隔可以達到 10cm ，這有利于近地表結構精細調查，在微測井試驗中取得了較好的應用效果[14]。而且光纖成本低，施工方便[15]，在蘇北平原有著較好的應用前景。本文將光纖傳感采集技術應用于蘇北平原的表層結構調查中，與常規檢波器同步采集微測井數據，對光纖采集資料的質量和應用效果進行了評價，并根據評價結果對光纖傳感采集技術的發展提出了一些建議。

1技術方法

1.1分布式光纖采集技術

分布式光 纖（Distributed Acoustic Sensing，DAS）地震資料采集技術是一種基于光纖傳感原理的先進地震監測手段。其核心原理在于利用光纖中的后向瑞利散射效應來實時監測地震波引起的光纖形變，從而實現對地震活動的精確探測和數據采集，該技術可以只利用一根光纖實現高密度采集[15]，與檢波器相比，該技術采集成本較低，具有較高的應用價值。

光纖采集系統包括采集系統和解調系統[16，采集系統主要負責接收地震信號，解調系統主要負責分析地震信號所產生的后向散射光信息的變化，最終解調成地震信號。在采集過程中，從光纖的一端發射脈沖激光束，當地震波通過光纖時，會導致光纖產生微小的形變，這些形變會改變光纖中散射光的特性，如光強、相位或頻率等。通過高精度的光學解調器，系統能夠實時捕獲這些散射光信號的變化，并將其轉換為地震波在光纖中傳播的信息。從光纖采集的原理可知，該技術可以實現連續采集，空間采樣率取決于脈沖激光的頻率。

1.2表層調查觀測系統設計

地震波近地表吸收衰減參數（Q值）是高信噪比、高分辨率處理的一項重要參數，可以用于恢復近地表松散介質對地震波能量和頻率的衰減，改善子波一致性，提高信噪比和分辨率。

本次表層結構調查研究的主要目的是獲得高精度的近地表 Q 值模型。為保證 Q 值求取質量，采用雙井微測井的觀測方式（圖1）。本次采集激發井深為 150m ，采用變密度激發方式： 0.5～5m 井深，采用間隔 0.5m 激發； 5～30m 井深，采用間隔 1m 激發； 30～50m 井深，采用間隔 2m 激發； 50～150m 井深，采用間隔 5m 激發，共65炮。接收井與激發井間距為 5m ，井深為 50m 。為了對比驗證光纖的采集效果，在接收井中布置了7道檢波器，其中井底、井口各1道，井中 1～5m 間隔 1m 設置1道。采集記錄長度為 600ms ，采樣率為 0.2ms 。

圖1雙井微測井觀測系統示意圖

2 應用實例

2.1 采集效果分析

由于采集過程中出現較多誤觸發現象，本次共采集有效數據32炮。圖2是地表激發的光纖采集單炮數據，原始采樣間隔為 0.1m ，為了清晰顯示，按照 1m 道距間隔抽道顯示。由圖2可見：初至波基本特征清晰可見，前20道數據（淺部）能量較強，但直達波受干擾較重信噪比較低； 20～50 道數據（深部）直達波能量遠強于干擾波，信噪比較高。運動學方面，初至變化規律符合研究區速度變化特征；動力學方面，地震波振幅從淺至深逐漸減小，頻率逐漸增加。從波形特征變化來看，突變位置與巖性變化位置相符合。綜上所述，光纖采集數據效果比較理想，符合表層調查要求。

對比分析光纖和檢波器接收的數據（圖3）發現，光纖采集數據中直達波初至等基本信息可以有效識別，初至時間和分布規律也與檢波器采集數據保持一致。但是，光纖采集數據的信噪比較低，數據中含有較多低頻干擾，直達波之后含有較多尾波信號，且震源越深信噪比越低。此外，光纖采集數據振幅與檢波器數據有所差別，且頻率也低于檢波器數據。

圖2光纖采集單炮數據

在直達波的動力學特征方面，道集數據中光纖采集數據的直達波振幅值與檢波器采集數據的振幅不一致，兩者相差5個數量級，但是振幅變化規律兩者基本一致，且符合地震波傳播規律（圖4）。光纖采集數據的相位與檢波器采集數據不一致，這可能與光纖的解調方式以及噪聲影響有關。圖5是光纖和檢波器采集數據一個單道的振幅譜，從頻譜特征上可以看出，光纖采集數據主頻低于檢波器采集數據，主要能量集中在 60Hz 左右，有效頻帶在 200Hz 以內，相比檢波器采集數據有效頻段較窄。從分頻掃描剖面（圖6）可見，光纖采集數據低頻段干擾較為嚴重，且干擾波振幅較強，對初至拾取和動力學特征提取均有一定的影響。在道集數據中兩者的主頻變化也有所不同，如圖7所示。檢波器采集數據整體而言主頻變化不明顯，深部激發主頻略高于淺部激發主頻。而光纖采集數據的主頻呈現“先增大后減小”的變化趨勢，考慮到光線采集數據的信噪比較低，這種現象可能是直達波受到噪聲干擾，主頻拾取不準確造成的。

圖3不同采集數據效果對比紅色為光纖數據；黑色為檢波器數據。

圖4道集數據振幅變化

圖5單道頻譜對比

圖6分頻掃描數據對比

2.2基于光纖采集數據的表層速度解釋

獲取表層速度結構是表層調查的主要目的，表層速度結構可以用于靜校正以及深度域速度建模等處理工作中[17]。對于雙井微測井觀測系統，由于井下接收不易施工，通常不會布置較密的檢波器接收數據。為了保證表層速度解釋的精度，需要確保每個解釋層位內有4個以上的控制點，這就要求在采集施工時要保證目標層內有4個以上的激發點，但是對于速度連續變化的近地表而言這一要求通常難以滿足。

圖7道集數據主頻變化

光纖采集技術可以很好地解決這個問題。由于光纖采集機制的特殊性，光纖可以實現超小間距接收數據，這使得光纖的空間采樣率很高，對于表層薄層速度解釋十分有利。本研究中光纖采集的數據解調之后的原始數據可以達到 0.1m 間距接收，空間采樣密度很高，為表層速度精細解釋提供了良好的基礎數據。

圖8是分別使用光纖數據和檢波器數據對表層速度的解釋結果，其中由于檢波器數量較少，檢波器數據速度解釋采用道集形式，光纖數據采用炮集數據。本次研究區為蘇北平原，表層結構比較特殊，大部分區域沒有降速帶，通常情況下表層速度可解釋為近地表厚度在 2m 左右的低速帶和高速帶。但是通過鉆井取心發現，低速層以下也存在巖性分層。受限于采樣率，雙井微測井精度無法識別出這種層位，這會影響以優勢巖性激發為主的鉆井設計精度。由于兩個數據的采樣率不同，對比時將檢波器數據按照 0.1m 采樣率插道，這樣與光纖數據在深度上相互對應。由圖8b可見，由于采樣率較低，檢波器采集的道集數據根據直達波初至分布斜率的變化在

30m 深度范圍內只能劃分出一個較為明顯的速度變化層位。光纖采集的炮集數據由于極高的采樣率，可以識別出多個速度變化層位，且與靜力觸探解釋結果有較好的對應關系。在 30～50m 光纖數據仍然可以劃分出三個速度變化層位，這助于對表層速度精細建模。

分別利用光纖數據和檢波器數據對表層速度結構進行層速度反演，從結果（圖9）可以看出，由于光纖采集數據可解釋出的速度變化層位較多，反演的層速度更接近于連續變化的趨勢而不是突變趨勢，這種速度變化特征更加符合蘇北平原連續沉積的地質特點，對于后續表層結構建模和應用更加有利。

圖8不同數據表層速度解釋結果對比

圖9一維層速度反演結果

2.3基于光纖采集數據的表層 值提取

隨著勘探的逐漸深人，對于勘探精度的要求逐漸提高，近地表吸收衰減補償是目前保真高分辨率處理的重要環節。近地表吸收衰減補償的關鍵是 Q 值的計算精度，具有高空間采樣率特點的光纖采集技術有利于提高近地表 Q 值的計算精度。分別對光纖采集數據和檢波器采集數據的 Q 值計算精確度進行了測試，從而評價光纖采集技術在表層 Q 值提取中的能力。

分別利用檢波器采集數據和光纖采集數據計算了近地表 Q 值， Q 值計算方法采用譜比法。圖10a為光纖數據與檢波器數據相同一炮井底道與井口道的譜比曲線，由圖可見，受到低信噪比的影響，光纖數據的譜比曲線局部波動較大，且隨頻率的變化較大。譜比法理論認為在地震有效頻帶范圍內 Q 值不隨頻率變化，譜比曲線應為一條單調遞減的直線，光纖數據的譜比曲線與理論無法較好地擬合，因此Q 值的計算精度較低。而檢波器數據計算出的譜比曲線在整個頻帶范圍內受到 Q 值頻變效應的影響較小，具有較好的線性關系，因此相比于光纖數據檢波器數據計算 Q 值的穩定性更好，光纖數據需要更寬的頻帶寬度和更高的信噪比來保證 Q 值計算的穩定性。

利用光纖采集數據和檢波器采集數據分別計算了觀測點位的等效 Q 值，如圖11所示。從圖中可以看出，受到數據低信噪比影響，光纖數據計算的等效 Q 值不穩定，并且中淺層 （0～40m）Q 值變化趨勢不符合地質規律。檢波器數據計算的等效 Q 值比較理想，整體變化穩定。在 0～20m 深度內 Q 值較小且變化不明顯，在 20～65m 深度內 Q 值隨深度逐漸增加，在深度大于 65m 后 Q 值較大且變化不明顯，這與蘇北平原地區的速度變化比較符合，因此檢波器數據計算的等效 Q 值比較合理。

圖10不同數據譜比曲線和等效 Q 值對比

噪比較低，計算 Q 值的穩定性較差，在本工區中應用的光纖采集方法達不到表層 Q 值調查的要求。

圖11質心頻率偏移法等效 Q 值計算結果

3結論

考慮到質心頻率偏移法計算 Q 值的抗噪性和穩定性優于譜比法，利用質心頻率偏移法對光纖數據和檢波器數據進行了 Q 值計算測試。光纖采集數據計算的等效 Q 值在 40m 以上深度穩定性較差，出現了較多負值，這主要是深部激發的數據信噪比較低造成的。對比測試結果表明，雖然計算出的Q 值有所區別，但是檢波器接收數據無論是譜比法還是質心頻率偏移法計算的 Q 值的變化趨勢是一致的，在 0～20m 深度內 Q 值較小，在深度大于20m 后 Q 值逐漸增大。而光纖接收的數據由于信

本文研究了光纖傳感采集技術在表層調查中的應用，在雙并微測井表層調查中同時應用光纖傳感技術和常規檢波器采集地震數據。對比分析了光纖采集的數據質量以及應用效果，并得出如下幾條結論。

（1）光纖傳感技術采集的地震數據運動學特征完整，與常規檢波器采集數據相比，在道集上初至及振幅變化趨勢相符合。但是，光纖采集數據信噪比低，波形起跳不干脆，有效頻帶較窄，且在道集上頻率分布規律與檢波器數據不相符。

（2光纖采集的采樣率較高，適用于表層速度結構精細解釋。與常規檢波器數據相比，光纖采集數據可以識別出更多速度變化界面，反演出的速度更加精細。

（③）受限于數據的信噪比，光纖采集數據在近地表 Q 值計算中的應用效果不理想，低信噪比和較窄的有效頻帶使得譜比法計算的等效 Q 值穩定性較差，需要通過改進采集施工方式或者提高采集信號的保真度來解決上述問題。

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（本文編輯：石雙虎）

作者簡介

龔屹，助理研究員，1993年生；2015、2018年分別獲長江大學勘查技術與工程專業學士學位和地球探測與信息技術專業碩士學位；2022年獲同濟大學地球物理學專業博士學位；現就職于，主要從事地震資料處理方法研究。