周銳

（西北大學(xué)，陜西 西安710127）

1 背景介紹

石油天然氣是我國重要的戰(zhàn)略資源，是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈和國計(jì)民生的重要支柱。當(dāng)前我國油氣對外依存度很高，根據(jù)《中國油氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析與展望報(bào)告藍(lán)皮書（2018-2019）》[1]，2019 年原油對外依存度逼近72%，天然氣對外依存度增至46.4%。油氣供應(yīng)安全和消耗需求，迫切需要加大國內(nèi)油氣資源勘探開發(fā)力度。然而,中國石油礦權(quán)區(qū)油氣資源勘探存在以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)[2]:(1)油氣勘探程度總體不是很高,剩余資源仍較豐富。(2)剩余油氣資源地面地下條件復(fù)雜,主要為低品位資源。近年來新增地質(zhì)儲量中低滲、特低滲油氣地質(zhì)儲量逐年上升。(3)大盆地勘探程度均達(dá)中等到高勘探程度，復(fù)雜油氣藏、低品位油氣藏、非常規(guī)油氣藏是主要勘探對象。

目前常用的油氣勘探工作方法主要有[3]地質(zhì)方法、地球物理勘探方法、地球化學(xué)勘探方法和鉆探方法。其中，地震勘探利用人工方法激發(fā)彈性波來定位油氣藏，是地球物理勘探中最重要、解決油氣勘探問題最有效的一種方法。其基本原理是：利用地震檢波器，來接收人工激發(fā)引起的地震波在地層中傳播時(shí)在巖層界面反射或者折射的波形特征，來反演地質(zhì)結(jié)構(gòu)，尋找油氣圈閉。近半個(gè)世紀(jì)以來，地震勘探得到了飛速的發(fā)展，形成了包括高精度三維地震勘探技術(shù)、時(shí)移地震技術(shù)、井孔地震（垂直地震剖面、隨鉆技術(shù)、井間地震技術(shù)）、多波多分量地震技術(shù)等核心技術(shù)方法。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

目前在油氣田現(xiàn)場工程生產(chǎn)測試中使用的儀器多數(shù)是以壓電、磁電、渦流機(jī)理為主的電類檢波器[4]，大多為井下“有源”器件，在檢測靈敏度、響應(yīng)頻帶、動(dòng)態(tài)范圍、空間分辨率、抗電磁場干擾、復(fù)用性、可靠性等方面以及井下惡劣環(huán)境中使用均存在著本質(zhì)的不足，既受限于半導(dǎo)體器件的本質(zhì)特性，耐高溫性差（一般都在150℃以下），井下數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)又不能滿足高分辨率、高密度實(shí)時(shí)地震采集海量數(shù)據(jù)的傳輸要求。

由于光纖傳感技術(shù)是可以檢測聲波和振動(dòng)以及熱效應(yīng)的非入侵式方法，在應(yīng)用于地震波檢測方面由有著更加經(jīng)濟(jì)、更加安全等獨(dú)特的優(yōu)勢。目前，光纖傳感應(yīng)技術(shù)用于地震檢波的方法主要有以下幾種方法：

分布式聲波傳感技術(shù)（Distributed Acoustic Sensing，DAS)、光纖激光器技術(shù)（DFB-FL）、光纖光柵技術(shù)（FBG）和光纖干涉方法。

2.1 基于DAS 地震檢波系統(tǒng)。DAS 系統(tǒng)是基于光纖背向散射原理，利用光纖作為傳感器件去探測聲波振動(dòng)的信號。如圖1所示，根據(jù)光纖的非線性效應(yīng)，當(dāng)光信號在光纖中傳播受到外界的擾動(dòng)時(shí)會發(fā)生背向散射，包括瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。其中，瑞利散射是入射光與光纖中雜質(zhì)發(fā)生彈性散射，即散射光的頻率和入射光的頻率一樣。瑞利散射光對外界的磁場、彎曲、單向壓力等刺激敏感，因此可以用來檢測振動(dòng)、應(yīng)變和溫度。

圖1 光信號在光纖中發(fā)生背向散射圖示

1981 年，英國南安普敦大學(xué)（Southampton University）首次報(bào)道分布式光纖傳感技術(shù)，但直到2009 年，加拿大Molenaar 等人才在壓裂檢測中應(yīng)用到DAS 系統(tǒng)。目前，DAS 系統(tǒng)越來越成熟，在油氣勘探中由于其較高的靈敏度和精確度，解決了一系列的油氣藏和監(jiān)測等問題，逐漸被應(yīng)用到地震波檢測之中[5]。在地震勘探中，運(yùn)用DAS 系統(tǒng)可以檢測到遠(yuǎn)距離的自然地震或者人工誘發(fā)地震，這些地震都是低頻的微弱振動(dòng)。2016 年4 月8 日，DAS 系統(tǒng)用于觀測加利福尼亞州里士滿M3.8 地震[6]，可觀測到完整的192 個(gè)地震陣列記錄，在極坐標(biāo)中，峰值光束作為反方位角和慢度的函數(shù)，對應(yīng)于移動(dòng)的不同窗口時(shí)間軸，先是P 波到達(dá)，其次是S 波到達(dá)，隨后是地震相位波到達(dá)。2018 年，MENGMENG CHEN[7]等人通過使用φ-OTDR 問訊技術(shù),高階模式的背散射光可以用來完全量化振動(dòng)，表明了少模光纖可以用于DAS 系統(tǒng)。但DAS 系統(tǒng)只能檢測一維的振動(dòng)，不能檢測三分量振動(dòng)信號，不能滿足高效耦合、高維度、高均勻度等井中地震勘探的需求，也滿足不了地層能源勘探需要的豐富的振動(dòng)信息。

2.2 基于光纖激光器的地震檢波系統(tǒng)。該系統(tǒng)是利用分布反饋光纖激光器（DFB-FL）為基礎(chǔ)，以摻雜光纖作為增益介質(zhì)，相移光柵作為諧振腔，在半導(dǎo)體二極管的泵浦下產(chǎn)生單縱模的激光輸出的全光纖器件。其傳感原理如圖2 所示，把相移光纖光柵的諧振腔作為傳感元件，經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆庋b后，當(dāng)有外界信號作用到諧振腔上時(shí)，諧振腔將產(chǎn)生應(yīng)變，從而使輸出與振動(dòng)信號成比例的波長漂移，通過光纖干涉儀將波長變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔蛔兓?，再采用相位解調(diào)技術(shù)還原出地震信號。此類檢波器具有窄線寬、噪聲低、單頻輸出、尺寸小、全光纖化等優(yōu)點(diǎn)，在高靈敏光纖傳感領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[8]。但光纖激光器容易受外界環(huán)境溫度和其他微擾振動(dòng)的影響，且對井下地震勘探，半導(dǎo)體二極管泵浦功率損耗大，很難實(shí)現(xiàn)深井勘測。

圖2 基于光纖激光器的地震檢波原理圖

2.3 基于光纖光柵的地震檢波器，是利用振動(dòng)/應(yīng)變可使光纖布拉格光柵（FBG）引起波長變化，經(jīng)過解調(diào)波長變化信息，可還原出振動(dòng)信號。由于FBG 的良好性能，此類檢波器能檢測加速度、速度、位移、頻率等諸多物理參量的變化，具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)緊湊、長期穩(wěn)定可靠，及復(fù)用能力強(qiáng)、易組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，而且FBG 結(jié)構(gòu)靈巧，可通過工藝設(shè)計(jì)制作實(shí)現(xiàn)地震波三分量檢測[9]。因此也是多年來一直研究及推廣應(yīng)用的光纖地震檢波技術(shù)之一。但是此類FBG 檢波器性能在高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)封裝、振動(dòng)信號耦合、高精度信號解調(diào)等方面還存在技術(shù)瓶頸，在井中弱地震信號檢測、低頻地震波檢測、長期可靠下井等方面仍有待提高。

2.4 基于光纖干涉型檢波器，是利用各種干涉結(jié)構(gòu)可檢測因振動(dòng)引起的干涉光譜相位的變化。目前常見的光纖干涉型傳感器技術(shù)包括：邁克爾遜（Michelson）干涉、法布里- 珀羅（Fabry-Perot）干涉、馬赫- 曾德爾（Mach-Zehnder）干涉以及薩克奈克（Sagnac）干涉等干涉技術(shù)。此類檢波器可集傳輸與傳感于一體，并在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、弱信號探測、傳感器集成等方面具有明顯優(yōu)勢，但在如下方面有待提升：空間分辨率、頻帶寬度、多波探測等。目前，已有報(bào)道多維振動(dòng)信息的準(zhǔn)確探測[10]，通過將干涉臂纏繞于彈性體上或反射鏡裝置于彈性體上，并正交裝配形成三分量檢波器，可全方位檢測振動(dòng)信息。但此類檢波器在實(shí)現(xiàn)耐高溫、耐高壓、溫度穩(wěn)定性、多級陣列復(fù)用等方面仍存在較大的技術(shù)瓶頸。

3 發(fā)展展望

綜上所述，從國內(nèi)外報(bào)道來看，光纖地震檢波器研究是當(dāng)前解決地震檢波技術(shù)瓶頸的重要方向，也是國際上地層能源監(jiān)測、精細(xì)描述與管理的探索熱點(diǎn)。但很多技術(shù)還停留在基礎(chǔ)研究的探索階段，有的實(shí)際應(yīng)用也只是初步投入工業(yè)工程中，還沒有形成解決井中地震波三分量的實(shí)際問題的成熟應(yīng)用技術(shù)，與電類檢波器相比，盡管有價(jià)格低廉、尺寸小巧、耐溫耐壓等光纖的諸多優(yōu)勢，但在多維多波多分量檢測上，在靈敏度、穩(wěn)定度、溫度補(bǔ)償、以及檢波器結(jié)構(gòu)、封裝、下井實(shí)驗(yàn)等方面，仍然還有有待進(jìn)一步的研究，還有很長的路要走。