呂公河,牟風明,劉小會,劉雪潔,尚 盈

(1.中石化石油工程地球物理公司,北京100020;2.中石化石油工程地球物理公司勝利分公司,山東東營257086;3.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)激光研究所,山東濟南250103)

分布式光纖聲波傳感(DAS)系統(tǒng)在油氣勘探和生產監(jiān)測領域可用于垂直地震測井、井下壓裂檢測、生產動態(tài)監(jiān)測等[1-5],相較于傳統(tǒng)的井中三分量檢波器,DAS具有傳、感一體的特點,故可降低儀器下井遇阻風險,具有更高的安全性和工作效率,在石油勘探開發(fā)領域已展現(xiàn)出較好的應用前景[6-8]。

從DAS井中采集到的VSP資料不難發(fā)現(xiàn),DAS系統(tǒng)能夠獲得豐富的波場信息,不僅能夠接收到常規(guī)井中三分量檢波器采集到的各類波場,還能接收到DAS系統(tǒng)特有的干擾波波場[9-10],這不利于充分利用有效信號,因此需要對其進行壓制[11-13]。目前對DAS系統(tǒng)特有的纜波干擾和“彈簧波”干擾,主要采用中值濾波和正演法進行壓制,并取得了一定的效果,但對干擾產生的原因和傳播規(guī)律的分析不足。本文主要針對DAS系統(tǒng)記錄到的特有的干擾波進行識別,研究其產生的原因、傳播規(guī)律及壓制方法,實現(xiàn)DAS系統(tǒng)采集數(shù)據的波場凈化,以促進DAS技術的不斷推廣及應用。

1 井中懸掛式DAS干擾波產生機理分析

1.1 DAS光纜布設施工方式

目前常用的DAS系統(tǒng)井中采集方式有兩種,分別為將光纜固定在套管外水泥環(huán)中和將光纜懸掛放置于套管泥漿中(圖1)。其中,第1種布設方式是較為理想的采集方式,這種采集方式使得光纜和地層之間具有良好的耦合,產生的各種干擾較少,能夠采集到高品質的地震資料,該方式可以對井的全生命周期進行監(jiān)測;這種方式的不足之處在于光纜只能固定在一口井上觀測,且光纜固井工藝復雜、費用相對較高,目前推廣應用較少。第2種布設方式與常規(guī)VSP測井相似,只是光纜上一般沒有推靠裝置,與井壁的耦合完全是依靠光纜與井壁的自然接觸,往往存在光纜與井壁不貼合的情況,致使其產生非常復雜的耦合干擾波;光纜作為傳感裝備可以在不同的井中進行反復使用,操作簡單,效率較高,成本也較低,目前這種方式應用較為普遍,本文主要是圍繞這種觀測方式記錄到的各種干擾波進行討論。

圖1 DAS系統(tǒng)井中采集方式示意

1.2 井中懸掛式DAS干擾波產生機理

井中懸掛式DAS系統(tǒng)數(shù)據采集時,各種干擾波的產生是由光纜的布設特點、耦合方式以及地層的表層結構等因素所決定的,是地震波的傳播規(guī)律在實際傳播介質條件下的具體反映。圖2示意了井中懸掛式DAS系統(tǒng)干擾波的傳播機理。當震源激發(fā)的地震波沿地層傳播時,會在表層和地下產生不同的各種類型的波:在表層中傳播時會形成沿地表傳播的縱波(通常地面地震勘探所說的直達波)和沿近地表傳播的面波(地滾波)以及沿表層分界面或潛水面形成的表層多次波和折射波等;向地下傳播的地震波,會形成直達波縱波、反射縱波和轉換波等。無論表層中的波,還是地下地層中的波,到達井中傳感器時都會被接收。利用常規(guī)三分量檢波器進行井中觀測時,由于檢波器帶有推靠系統(tǒng),故能夠與井壁緊密耦合,檢波器推靠后上端懸掛的電纜無需向上提拉(電纜不再處于拉伸狀態(tài));近井口段不設置檢波器,以避開近地表的干擾,避免產生較強的纜波,更不會由于耦合不好而產生耦合諧振干擾。井中懸掛式DAS系統(tǒng),光纜從井口到井底,由于缺乏推靠設施,在井中觀測時一直是處于懸掛拉緊的狀態(tài),這樣各種近地表傳播的強能量波到達光纜時,會沿著光纜傳播,形成較強的各種纜波。其中,地面直達波形成了圖2中的①,表層多次波形成了圖2中的②,面波形成了圖2中的③,轉換波形成了圖2中的④,直達波和面波傳播到井中泥漿液面時也會沿著井筒中的泥漿傳播形成圖2中的⑤,又由于光纜在井下有些部位與井壁不能很好地耦合,當?shù)卣鸩ǖ竭_時,該光纖與井壁脫耦段不能很好地接收來自地層的地震波,而只能沿著該脫耦段光纜的兩端來回傳播,形成一種震蕩式的干擾纜波(簡稱“彈簧波”),即圖2中的⑥。

從圖2的分析可知,這些干擾波的時距關系可以通過以下的公式來確定。假設地面炮點距井口的距離為S,地震波在地層中的傳播速度為V(包括直達波、面波、表層多次波等,這里統(tǒng)一假設為V,實際應用中不同類型的波均使用自身的速度值,以求取準確的時間延遲),地震縱波在光纜中的傳播速度為V0,地震波在井液中的傳播速度為V1,光纜在井筒中懸空點深度為H1、H2,且H1

圖2 井中懸掛DAS系統(tǒng)干擾波傳播機理示意

(1)

井筒波時距曲線方程:

(2)

根據“彈簧波”時距曲線方程得到的下行波旅行時為:

(3)

式中:n為彈簧波的周期,n=1,2,3,…;H1≤H≤H2。

根據“彈簧波”時距曲線方程得到的上行波旅行時為:

(4)

上述3類波中,井筒波是以井筒中泥漿的地震波速度傳播的,視速度通常為1 450 m/s(即泥漿液的傳播速度),這類干擾波速度往往遠低于有效波的速度,比有效波到達得晚,通常容易區(qū)分;而纜波和“彈簧波”以光纜的彈性波速度傳播,速度往往高于有效波的平均速度,地表直達波引起的纜波會比通過地層到達光纜的直達波(通常VSP觀測到的初至波)早,且衰減速度慢、能量強,嚴重干擾了沿地層到達的初至波。受近地表地層結構的影響,直達波、面波、轉換波等都會成為纜波的干擾源,因此纜波的種類較多,且各自的源子波特征不一致,致使纜波在整個記錄上形成了強烈的干擾背景,使將有效波淹沒其中?！皬椈刹ā北举|也是纜波,傳播速度是光纜速度,它的波源是穿過地層到達光纜的各類波,以直達波引起的“彈簧波”最為嚴重,它的源子波的特點與地層初至波一致,與有效波高度相似,“彈簧波”段的初至不是地層的真實速度,不能用來估算地層速度,必須加以壓制。總之,雖然受光纜材料、井下溫度等影響,纜波在光纜中的傳播速度存在差異,但對于同一條光纜,相同的工作環(huán)境下,纜波在光纜中的傳播速度相對穩(wěn)定。根據本次試驗的光纜數(shù)據分析結果可知,其視速度約為4 200 m/s,且能量基本保持穩(wěn)定,為后續(xù)纜波的壓制提供了依據。

1.3 纜波的分類

根據以上的分析,將纜波從傳播源進行分類,大體可分為近地表波源引起的纜波和由地層中的波源引起的“彈簧波”兩大類?！皬椈刹ā北M管出現(xiàn)的位置較多,但是它的主要波源是穿過地層到達光纜的直達波,其源子波的特點與地層直達波一致,且能量較強,在地震記錄上延續(xù)時間較長,是主要的研究對象。相較光纜不耦合段產生的“彈簧波”,其它波能量弱很多。作為由表層引起的全井段纜波,由于表層的波形類型較多,其產生的纜波的種類也較多,大致可分為圖3中的5種類型:

1)近地面直達波(初至波)引起的纜波干擾,頻率較高,能量相對較弱,衰減相對較快,如圖3中①所示;

2)近地表表層多次波引起的纜波干擾,緊跟地表直達波纜波之后,能量較弱,波形特點與①相似,如圖3中的②所示;

3)橫波引起的纜波干擾,頻率相對較低,能量衰減較弱,振幅相對穩(wěn)定,且較強,如圖3中的③所示;

4)地滾波引起的纜波干擾,能量最強,頻率最低,能量衰減較慢,振幅相對穩(wěn)定,如圖3中的④所示;

5)地滾波中的頻散引起的纜波干擾,通常能量較弱,只有較淺的部分能夠接收到,隨著光纖深度的增加,能量衰減較快,如圖3中的⑤所示。

圖3 DAS纜波來源分析

將纜波的分類與纜波的時距曲線公式相結合,分析發(fā)現(xiàn),纜波受其波源速度和井源距的影響較大:離井口越近,傳播時間越短,能量越強,對整個資料的影響越大;離井口越遠,傳播時間越長,能量相對較弱,對整個資料的影響相對較弱。

2 DAS干擾波壓制技術

2.1 纜波干擾的壓制

由前文分析可知,纜波的線性規(guī)律較好,且視速度穩(wěn)定,約為4 200 m/s,這與深層地震波速度差異較小,甚至與部分地層速度一致,也就是說,纜波視速度與零井源距VSP初至波的視速度差異較小,采用常規(guī)的中值濾波、F-K濾波等方法在壓制纜波時,很容易對有效信號產生損傷。為了檢驗處理效果,本文采用了離井口60 m,纜波干擾最嚴重的一個分布式光纖VSP數(shù)據進行試驗。為了滿足中值濾波的使用條件,先將下行纜波進行水平排齊后,再進行下行纜波的衰減。圖4為采用常規(guī)中值濾波壓制下行纜波后的處理效果,可以看出,采用常規(guī)中值濾波濾除的下行纜波數(shù)據中明顯存在其它波場能量。

圖4 采用常規(guī)中值濾波壓制下行纜波的結果

為了更好地壓制視速度和有效波視速度相近的下行線性纜波干擾,本文采用隨機中值濾波算法,該算法結合了隨機函數(shù)和中值濾波兩種算法,利用中值濾波濾除階梯函數(shù)上的異常值而不移動階梯函數(shù)斷點位置的特點,以及利用隨機函數(shù)改變地震道順序進行中值濾波來壓制線性干擾。該方法可以更好地分離線性干擾和有效信號視速度差異較小的波場,有效降低濾波方法對有效波的損傷,實現(xiàn)無損壓制纜波干擾[14],獲得高信噪比的地震有效波資料。

圖5是采用隨機中值濾波壓制下行纜波的結果,其中,圖5a為包含線性纜波干擾的原始地震數(shù)據,圖5b為下行纜波干擾被壓制后的地震數(shù)據,圖5c 為被濾除的下行纜波干擾數(shù)據,可以看出,利用隨機中值濾波對下行纜波干擾進行壓制后,波場得到較好的分離,下行的纜波干擾得到了有效的壓制,剩余波場中沒有明顯的下行纜波干擾,而在分離出的纜波干擾數(shù)據中,也不存在明顯的其它視速度信號。

圖5 采用隨機中值濾波壓制下行纜波的結果

在此基礎上,可繼續(xù)采用隨機中值濾波的方法對上行纜波進行衰減,達到消除纜波干擾的目的。

2.2 “彈簧波”干擾的壓制

“彈簧波”是波場在某段光纜中來回傳播產生的干擾波,具有干擾深度確定、視速度確定、能量相對穩(wěn)定的特點,其規(guī)律性較好。對于這種規(guī)律性強的干擾波,可以采用反演方法[15-16]進行壓制,本文采用的是借鑒生物界進化規(guī)律(適者生存,優(yōu)勝劣汰遺傳機制)演化而來的隨機化搜索方法。根據遺傳算法的基本運算過程,我們確定了反演法壓制“彈簧波”干擾的技術流程,如圖6所示。

圖6 反演法壓制“彈簧波”干擾的技術流程

其基本過程包含如下5步。

1)初始化:通過VSP數(shù)據、速度模型信息正演模擬“彈簧波”,并將其作為初始模型。

2)個體評價:通過初始模型和實際數(shù)據的“彈簧波”的振幅、頻率和相位的對比,評價模型效果。

3)選擇運算:確定模型的反演目標函數(shù)。

4)交叉運算及變異運算:對目標函數(shù)進行交叉運算和變異運算,可以獲得反演目標函數(shù)的最優(yōu)解。

5)終止條件判斷:通過終止條件判斷,反演出最終的“彈簧波”波場。

圖7為采用反演法壓制“彈簧波”的效果,其中,圖7a為包含“彈簧波”的地震數(shù)據,圖7b為壓制“彈簧波”后的地震數(shù)據,可以看出,反演法可以較好地壓制“彈簧波”干擾,且保證“彈簧波”干擾外的地震數(shù)據保持原有的特征。

圖7 采用反演法壓制“彈簧波”效果

3 實際應用

利用本文方法對某井采集的分布式光纖數(shù)據進行處理。該井采用Walkaway VSP觀測方式[17],共獲得122炮分布式光纖數(shù)據。在中小井源距資料中存在較強的纜波干擾和“彈簧波”干擾,在中、遠井源距“彈簧波”干擾明顯。

圖8為采用隨機中值濾波壓制強能量干擾前、后的資料對比結果,其中圖8a 為原始資料,圖8b為強能量噪聲衰減后的剩余數(shù)據,圖8c為強噪聲數(shù)據,可以看出,經纜波干擾衰減后,纜波得到較好地壓制,初至波連續(xù)且可分辨。

圖8 采用隨機中值濾波壓制纜波干擾前、后的資料對比

圖9為采用反演法壓制“彈簧波”前、后的地震記錄,遠井源距分布式光纖系統(tǒng)采集的原始VSP記錄中,深度2 530～2 840 m、2 995～3 125 m兩個井段存在明顯的“彈簧波”干擾,利用反演法對“彈簧波”干擾進行壓制后,“彈簧波”得到較好的壓制,壓制“彈簧波”后有效波場得到了較好的保護,地震資料質量得到明顯改善。

圖9 采用反演法壓制“彈簧波”前(a)、后(b)的地震記錄

圖10為分布式光纖數(shù)據的VSPCDP成像剖面和地面地震剖面,紅色區(qū)域為VSPCDP剖面的成像區(qū)在圖10b上的分布范圍,可以看出,圖10a和圖10b 的主要波組特征基本一致。總體來看,利用分布式光纖數(shù)據能夠獲得主要目的層成像剖面,但想要達到或超過地面地震剖面的成像質量,還需要進一步完善分布式光纖的采集和成像技術。

圖10 分布式光纖數(shù)據的VSPCDP剖面(a)與地面地震剖面(b)

4 結論

本文重點分析了采用DAS井中懸掛式光纜布設方式采集時的干擾波產生機理,提出了相應的隨機中值濾波和反演法壓制方法,并應用于實際資料的處理,取得了良好的效果,并得岀如下結論。

1)DAS系統(tǒng)纜波干擾和“彈簧波”干擾均為沿光纜傳播而被DAS系統(tǒng)記錄下來的干擾波,其各種干擾波子波特征是由引起這些纜波的激勵波源決定的,其各種纜波干擾具有相同的傳播速度,本次研究光纜的視速度為4 200 m/s。

2)在纜波干擾壓制方面,針對纜波線性特征明顯且與有效波視速度差異較小的特點,隨機中值濾波方法與常規(guī)方法相比,能更好地保護有效波,且具有更好的保幅性。

3)在“彈簧波”干擾壓制方面,因“彈簧波”具有明顯的規(guī)律性,故采用反演法壓制“彈簧波”,能夠較好地模擬“彈簧波”干擾波,并且只對受“彈簧波”干擾的區(qū)域進行壓制,取得了明顯的壓制效果。

4)實際地震資料應用結果表明,井中懸掛式DAS技術能夠得到較好的地震波信息,經纜波干擾壓制后,其VSPCDP成像剖面和地面地震剖面具有良好的一致性。

分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)因其自身的諸多優(yōu)勢在井中地震得到越來越廣泛的應用,也取得了較好的應用效果。但在應用推廣的過程中還有許多方面需要深入研究,如光纜與井壁的耦合問題、積分步長優(yōu)化問題、光纖信號方向性補償?shù)?。隨著分布式光纖技術的不斷完善,其應用效果將越來越明顯,應用范圍也將逐步擴大到油氣勘探開發(fā)的各個階段。