何向閣,文鵬飛,楊 輝,古利娟,盧海龍,張 敏

(1.北京大學(xué)北京天然氣水合物國際研究中心,北京100871;2.北京大學(xué)工學(xué)院,北京100871;3.北京大學(xué)東莞光電研究院,廣東東莞523808;4.中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局,廣東廣州510075;5.中國電子科技集團(tuán)公司第二十三研究所,上海200437)

石油和天然氣是最重要的一次能源,除了陸地油氣田之外,海洋同樣蘊(yùn)含豐富的油氣資源,其中典型代表就是天然氣水合物,其為甲烷等氣體分子和水分子在相對低溫高壓下形成的具有籠狀晶格結(jié)構(gòu)的類冰狀固體物質(zhì),廣泛賦存于海洋大陸邊緣和陸地永久凍土帶,蘊(yùn)含的資源量超過已探明化石燃料總量的兩倍,具有極大的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)潛力[1-3]。天然氣水合物被認(rèn)為是人類社會最重要的潛在的清潔能源之一,其未來的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)離不開針對天然氣水合物儲層的基礎(chǔ)科學(xué)研究突破、精細(xì)勘探技術(shù)和裝備的創(chuàng)新與制造。2017年和2020年我國南海海域天然氣水合物兩輪試采工程的成功更進(jìn)一步揭示了基礎(chǔ)研究和試采工作的復(fù)雜性和長遠(yuǎn)性,同時對勘探裝備和技術(shù)方法提出了超越常規(guī)物探儀器的更高要求[4-5]。

天然氣水合物的分布特性主要表現(xiàn)為礦體分布范圍有限、厚度較薄、非均質(zhì)等[6]。隨著天然氣水合物勘探開發(fā)的深入,勘探技術(shù)勢必需要更加高精度的縱向和橫向分辨率以及更加精細(xì)的水合物礦體分辨率、邊界刻畫、儲量估算能力等,突破水合物空間內(nèi)幕結(jié)構(gòu)、水合物與游離氣的伴生關(guān)系等科學(xué)問題,從而實現(xiàn)2030年水合物商業(yè)化開采的目標(biāo)。

海上拖纜地震采集技術(shù)是實現(xiàn)天然氣水合物勘探的一種重要探測手段,其核心部件為水聲換能器,即水聽器。近年來,隨著光纖技術(shù)的發(fā)展,光纖水聽器發(fā)揮了越來越重要的作用。相比于電子水聽器,光纖水聽器可以實現(xiàn)干端與濕端的分離,實現(xiàn)水下器件的無源化[7]。此外,配合時分、空分、波分等技術(shù),光纖水聽器還可以實現(xiàn)大規(guī)模的陣列復(fù)用[8]。早在2006年,唐進(jìn)等[9]就報告了干涉型光纖拖纜檢波器的研制工作及其在海上時移地震采集中的應(yīng)用和面臨的挑戰(zhàn);2018年,代爽玲等[10]和郝小柱等[11]對比了自研的干涉型光纖水聽器系統(tǒng)和法國Sercel公司的SEAL428地震采集系統(tǒng)在海洋天然氣水合物地震勘探中的應(yīng)用效果。其中光纖水聽器陣列采用單點檢波方式進(jìn)行地震反射信號接收,原始地震資料中較好地保持了高頻信息,從而在淺層分辨率上優(yōu)勢明顯;在獲得的地震偏移剖面上,海底以下1.5 s反射時間范圍內(nèi),分辨率較高,也能保持較高的信噪比,對于識別淺層結(jié)構(gòu)和斷裂構(gòu)造、識別天然氣水合物儲層的似海底反射(BSR)、振幅空白帶(BZ)等基本特征具有一定優(yōu)勢。之后,在提高海上拖纜地震采集性能方面,多家單位開展了相應(yīng)的研究。中海油針對海上拖纜地震采集的特點,提出了一種“犁式”的電纜采集技術(shù),利用拖纜在不同的沉放深度具有不同陷波的特點實現(xiàn)了寬頻地震采集[12]。中電二十三所分析驗證了外界抖動噪聲對平衡式和非平衡式光纖水聽器的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在非平衡式系統(tǒng)中加入?yún)⒖妓犉?并采用自適應(yīng)濾波,可以抑制外界抖動的影響,從而降低流噪聲的強(qiáng)度[13]。

目前已有的海上拖纜可以分為電子拖纜和光纖拖纜兩大類,電子拖纜的典型代表為法國Sercel公司的SEAL428地震采集系統(tǒng)[10],其采用MEMS技術(shù),道間距為6.25 m。國內(nèi)研究比較多的為光纖拖纜,但所用的光纖水聽器通常采用邁克爾遜干涉儀形式[10,13-14],該類型水聽器中,分光與合光等分離器件是必不可少的,從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和制造成本。本文提出了一種全新的光纖拖纜地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)利用分布式光纖聲波傳感技術(shù),采用單根光纖依次纏繞在多個水聽器骨架上進(jìn)而形成水聽器陣列,拖纜結(jié)構(gòu)中不需要添加額外的分離器件,大大簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜度和制造工藝。文章首先介紹了分布式光纖聲波傳感技術(shù)原理,并詳細(xì)闡述了基于該技術(shù)實現(xiàn)的光纖拖纜結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、數(shù)據(jù)處理方法和標(biāo)定測試,最后介紹了研制的光纖拖纜地震采集系統(tǒng)在水上的測試效果。

1 高清分布式光纖聲波傳感技術(shù)

基于背向瑞利散射的分布式聲波傳感(distributed acoustic sensing,DAS)是光纖所獨有的特性,可以在一根光纖上實現(xiàn)極高密度的采集而不用額外增加復(fù)雜結(jié)構(gòu)。近十年來,DAS技術(shù)在油氣勘探領(lǐng)域受到了越來越多的重視并獲得了快速的發(fā)展[15],DAS系統(tǒng)可以探測沿光纖范圍內(nèi)的全部聲信號的波形信息,包括聲信號的振幅、相位和頻率。由于是全光纖連續(xù)采集,DAS系統(tǒng)采集間隔可以根據(jù)需要進(jìn)行抽取,最小道間距可達(dá)到1 m以內(nèi),可大大提高儲層探測的橫向和縱向分辨率,不需要額外加大傳感器密度。同時由于光纜可以工業(yè)化制造,成本大幅度降低,可維護(hù)性和互換性大幅度提高,顯著降低了工程費用。由于DAS技術(shù)極大的應(yīng)用潛力,國外的威德福、斯倫貝謝等油田服務(wù)公司和國內(nèi)的東方物探在一些專業(yè)光纖光學(xué)儀器公司的技術(shù)支持下,已經(jīng)在陸地油田進(jìn)行了多次基于單根光纖的DAS應(yīng)用試驗,包括垂直地震剖面[16-18]、微地震監(jiān)測[19]、水力壓裂監(jiān)測[20]、流速監(jiān)測[21]等。

圖1a顯示了基于自相干外差調(diào)制解調(diào)原理實現(xiàn)的HD-DAS系統(tǒng)的原理圖。利用光信號調(diào)制模塊將超窄線寬激光器發(fā)出的連續(xù)光調(diào)制成一對脈沖,兩個脈沖頻率分別為f1和f2,外差頻率Δf=f1-f2。脈沖先經(jīng)過光放大器放大,然后通過環(huán)形器注入傳感光纖,光纖中的瑞利背向散射信號再經(jīng)過環(huán)形器到達(dá)信號探測模塊,之后經(jīng)過解調(diào)模塊進(jìn)行外差算法解調(diào)即可得到由外界聲場引起的光波相位變化。系統(tǒng)中不需要瑞利散射與本地光進(jìn)行干涉,兩個脈沖各自散射的光會發(fā)生互相干涉,實現(xiàn)自相干效果,進(jìn)而將外界聲波引起的相位變化調(diào)制到外差頻率上,經(jīng)過外差解調(diào)算法即可得到高精度的相位信號。另外,由于雙脈沖經(jīng)歷的噪聲環(huán)境相同,自相干后可以很大程度地消除共模噪聲,系統(tǒng)可以獲得很好的噪聲本底。圖1b顯示了組裝好的HD-DAS系統(tǒng)工程樣機(jī)。表1給出了HD-DAS系統(tǒng)的具體技術(shù)指標(biāo)。

圖1 HD-DAS系統(tǒng)原理(a)和實物(b)

表1 HD-DAS系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

2 基于分布式聲波傳感技術(shù)的拖纜設(shè)計與測試

HD-DAS系統(tǒng)采用單根普通單模光纖即可實現(xiàn)分布式傳感,將光纖緊密纏繞在水聽器骨架上即可實現(xiàn)水聽器陣列,且實現(xiàn)的水聽器陣列不需要耦合器和反射鏡等器件,大大簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),從而可以實現(xiàn)大規(guī)模制造。

圖2顯示了基于HD-DAS系統(tǒng)實現(xiàn)的水聽器陣列。每個水聽器骨架上纏繞了5 m光纖,兩個水聽器之間自由光纖長度為4 m,這樣可以直接利用一根光纖連續(xù)制作出如圖2a所示的4個水聽器陣列,而不需要對光纖進(jìn)行熔接,從而減小了損耗的產(chǎn)生。圖2b 顯示了加工好的水聽器陣列,該陣列包括4個水聽器基元。水聽器陣列前面連接了一段40 m長的引導(dǎo)光纖,然后連接到HD-DAS主機(jī)上進(jìn)行靈敏度標(biāo)定。水聽器聲壓靈敏度的標(biāo)定在圖2c所示的駐波管內(nèi)進(jìn)行,采集到的聲壓信號瀑布圖如圖2d所示。從圖2d 中可以清晰看出4個水聽器所處的位置。圖2e 顯示了4個水聽器的靈敏度標(biāo)定結(jié)果,詳細(xì)的數(shù)據(jù)如表2所示。從水聽器靈敏度標(biāo)定結(jié)果可以看出,4個水聽器具有較好的一致性,靈敏度約為-157.8 dB ref rad/uPa。

表2 水聽器陣列靈敏度標(biāo)定結(jié)果

圖2 基于HD-DAS系統(tǒng)實現(xiàn)的水聽器陣列

圖3顯示了基于HD-DAS系統(tǒng)實現(xiàn)的光纖拖纜。其中,圖3a為光纖拖纜結(jié)構(gòu)示意圖;圖3b為加工好的光纖拖纜。從圖3a可以看出,該拖纜由6組水聽器陣列組成,每組陣列包含9個水聽器,每個水聽器上纏繞了5 m光纖,兩個水聽器間的空間間距為6 m。6組水聽器陣列依次交叉排列,實現(xiàn)的光纖拖纜共包含54個水聽器,道間距為1 m,從而得到了小道距的拖纜地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。加工好的光纖拖纜如圖3b所示,拖纜外徑36 mm,內(nèi)部充油實現(xiàn)零浮力。

圖3 基于HD-DAS系統(tǒng)實現(xiàn)的光纖拖纜

該拖纜系統(tǒng)直接采集到的信號是按照光在光纖中行進(jìn)的路線,即A1-1,A1-2,…,A1-9,A2-9,…,A2-1,A3-1,…,A6-1。實際應(yīng)用中,需要根據(jù)水聽器的具體物理位置對信號進(jìn)行重組,重組后的信號順序為A1-1,A2-1,…,A6-1,A1-2,…,A6-9,共54道,道間距為1 m。

拖纜系統(tǒng)的聲壓噪聲本底可以采用(1)式計算得到:

(1)

拖纜系統(tǒng)的聲壓噪聲可以由(2)式計算得到:

(2)

其中,np為拖纜系統(tǒng)的聲壓噪聲,BW為HD-DAS系統(tǒng)的測量帶寬。由表1可知,HD-DAS系統(tǒng)的測量帶寬BW=2 000 Hz,從而系統(tǒng)的聲壓噪聲np=0.35 Pa。

3 湖上測試結(jié)果

拖纜的湖上測試在莫干山水庫進(jìn)行,水深20 m左右。圖4a為湖上測試示意圖,先用牽引船將纜和無動力小船拖曳到距離固定平臺800 m處,之后平臺上的絞車通過回收繩索牽引小船前進(jìn),航速4節(jié),從距平臺800 m拖曳到100 m停止。一個電火花聲源放置在距平臺30 m的位置上,以250 J能量間隔2 s發(fā)聲。圖4b顯示了放纜過程,圖4c顯示了拖曳過程。

圖4 光纖拖纜湖上測試

拖曳過程共持續(xù)了350 s,圖5顯示了測試結(jié)果。其中,圖5a為靜止?fàn)顟B(tài)光纖拖纜采集到的聲壓信號;圖5b為拖曳起始階段光纖拖纜采集到的聲壓信號;圖5c為拖曳穩(wěn)定階段光纖拖纜采集到的聲壓信號。從圖5a至圖5c可以看出,拖曳起始階段,由于纜的狀態(tài)不穩(wěn)定,此時的拖曳噪聲最大。當(dāng)拖曳進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)后,拖曳噪聲有很大程度的降低。根據(jù)現(xiàn)場拖曳情況,約在240 s之后拖曳進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)。

圖5 光纖拖纜測試結(jié)果

圖6顯示了拖曳結(jié)束時拖纜處于靜止?fàn)顟B(tài)下采集到的聲源信號。從圖6可以清晰看到初至波以及由于多種界面連續(xù)反射產(chǎn)生的續(xù)至波,這些反射主要包括湖面、湖底反射以及水下湖周邊山體的側(cè)反射等。湖試結(jié)果驗證了分布式光纖拖纜系統(tǒng)的有效性,可以清晰采集到水聲信號,顯示了很好的應(yīng)用前景。

圖6 拖曳結(jié)束時拖纜處于靜止?fàn)顟B(tài)下采集到的聲源信號

4 結(jié)論

本文利用分布式光纖聲波傳感技術(shù),首次提出了小道距的光纖拖纜地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。首先介紹了高清分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)的原理及性能指標(biāo),然后提出了基于分布式聲波傳感技術(shù)實現(xiàn)的拖纜的設(shè)計方案,并完成了關(guān)鍵部件的標(biāo)定測試工作,最后介紹了該采集系統(tǒng)在湖上的測試效果,結(jié)論如下。

1)基于分布式光纖聲波傳感技術(shù)實現(xiàn)的光纖拖纜不需要添加額外的分離光器件,很大程度上簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜度和制造工藝。

3)湖上測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以清晰地采集到初至波以及諸如湖面、湖底反射、水下湖周邊山體的側(cè)反射等產(chǎn)生的續(xù)至波,驗證了該拖纜系統(tǒng)的有效性。