正演法壓制分布式光纖聲波傳感系統“彈簧波”

谷玉田,牟風明

(1.中石化勝利油田分公司 油氣勘探管理中心，山東 東營 257100；2.中石化石油工程地球物理有限公司 勝利分公司，山東 東營 257086)

1 引 言

1966年，KAO等[1]首次從理論上證明了用石英基光導纖維進行長距離光通信的可能性。光纖通訊技術的飛速發展帶動了光纖傳感技術的進步，分布式光纖聲波傳感技術(Distributed Acoustic Sensing,DAS)以連續的光纖本身作為傳感器，利用相位解調技術還原傳感光纖感知的外界震動[2]。分布式光纖聲波傳感系統(DAS)在油氣勘探和生產監測領域可用于垂直地震測井、井下壓裂檢測、動態監測等，在施工成本、安全性和工作效率方面遠優于傳統傳感器，在石油界已經展現出前所未有的應用前景。

從采集到的資料看，分布式光纖聲波傳感系統(DAS)能夠獲得豐富的波場信息，不僅能夠接收到直達波、下行纜波、上行纜波、上行管波、下行管波等。還能接收到DAS系統特有的“彈簧波”干擾，“彈簧波”干擾能量較強，嚴重影響DAS資料的信噪比。如何降低干擾波能量，提高有效的上行波信噪比，成為制約DAS系統進一步推廣應用的瓶頸。

國外石油公司進行了大量的基于DAS的井中地震、地面地震勘探以及微地震監測試驗，采集了較好的井中地震記錄[3-7]， WEBSTER等[7]和MATEEVA等[8,9]指出了DAS在VSP應用中最大的優點是一次布設多次重復觀測；BAKKU[10]對影響DAS采集的因素進行了全面綜合研究；FOLLETT等[11]展示了不同光纜類型的DAS采集試驗結果；ANDREAS等[12]指出了對光纖冗余長度進行深度校正的必要性，并提出了引入參考物理深度點的光纜實際深度校正的方法，提高了光纜深度校正的精度； HARTOG等[13,14]對DAS系統的線性度進行了相關研究。國內相關學者開展了DAS與常規檢波器的室內測試對比分析工作[15]，進行了基于相位敏感原理的DAS光纖井中地震采集[16]、光纖傳感地震波接收對比試驗的初步探索[17]，證明DAS初步具備了井中地震勘探的能力。在國外，率先開展光纖傳感產品井下應用的是Optasense 和Silixa 公司。在國內，中石油東方物探也進行了分布式光纖系統的探索研究，進行了大量的采集和應用試驗，解決了部分地質問題，取得了較好的進展，促進了分布式光纖傳感技術在物探領域的應用。本文針對分布式光纖傳感系統資料采集中遇到的“彈簧波”干擾，提出了一種正演模擬方法，正演“彈簧波”的干擾波場，實現“彈簧波”干擾的壓制。

2 “彈簧波”波場特征分析

“彈簧波”是由于井筒彎曲，光纜與井壁耦合不嚴，造成光纜懸空成“弓弦”的狀態引起光纜震動而形成。當震源激發時，光纜震蕩產生干擾波，該干擾波的產生與井筒井況有關，在井中固定的位置產生，在固定的位置結束，被分布式光纖傳感系統接收。

圖1為分布式光纖系統采集的VSP資料，在深度2 530～2 840 m、2 995～3 125 m兩個井段(紅色框內)采集到了“彈簧波”干擾。也就是說，在這兩個深度段，光纜和井壁耦合不好，形成“彈簧波”?！皬椈刹ā睆钠溆涗浶螒B上看通常只有一個相位，呈“之”字走時，且其能量較強，與VSP記錄觀測到的多次波特征相似。從其視速度上看，其速度變化不大，當“彈簧波”下行的時候，波場形態和初至波具有較高的一致性，當“彈簧波”上行的時候，其波場與上行有效波視速度具有較高的相似性。從能量衰減規律上看，隨著時間的增加，“彈簧波”能量逐漸降低，對VSP記錄的干擾也逐漸降低。但“彈簧波”干擾在中淺層嚴重影響了VSP資料的信噪比，需要對“彈簧波”進行壓制。

圖1 分布式光纖系統采集的VSP資料Fig.1 VSP data collected by distributed optical fiber system

3 方法原理

由于“彈簧波”具有相位單一、視速度變化不大且能量衰減有規律的特征，在VSP記錄中很容易識別，因此，可以采用正演模擬的方法，將“彈簧波”正演出來，采用模型衰減法將“彈簧波”干擾進行壓制。

3.1 基本理論

地震記錄上的波形是地震子波從地下許多反射面發生反射疊加形成的。反射界面反射系數絕對值決定記錄振幅大小，反射系數的正負決定地震記錄極性正負，反射界面深度決定到達時間。

各個地震反射子波疊加形成了最終的地震記錄。用S(t)表示地震子波波形，R(t)表示地震剖面反射系數與旅行時的關系，那么地震記錄f(t)形成的物理過程可以用兩者的褶積[18]表示：

(1)

理論上，合成地震記錄并不困難，已知地震子波和反射系數變化規律就能夠計算。但是式(1)并未考慮地震波的轉換以及吸收，繞射能量損失導致子波形狀變化，地震子波和反射系數變化規律難以獲得等因素。因此在實際生產過程中常采用雷克子波或者井旁地震道獲取子波的方式。

實際生產過程中合成地震記錄用的是離散式，反射系數R(t)長度為T，采樣間隔為Δt，T=n·Δt。地震子波S(t)采樣間隔也為Δt，長度為M,則：

(2)

3.2 正演子波的提取

實際生產過程中，正演模擬常采用雷克子波或者井旁地震道獲取子波的方式。雷克子波是一種理想的地震子波，與實際資料采集到的子波往往會有一定的差異，而井旁地震道獲取子波的方式，更有利于獲得準確的地震子波。

要準確地模擬“彈簧波”干擾，就要獲得“彈簧波”干擾的子波。為了更好地得到“彈簧波”子波，首先，對地震記錄上的“彈簧波”能量衰減情況進行分析，獲得“彈簧波”振幅變化規律，其次對“彈簧波”頻率進行分析，提高“彈簧波”正演子波波形的準確性。

圖2為“彈簧波”振幅統計規律圖，其中圖2(a)為帶有“彈簧波”的VSP記錄，圖2(b)為拾取“彈簧波”走時示意圖，圖2(c)為初次統計的“彈簧波”振幅曲線。

圖2 “彈簧波”振幅統計規律Fig.2 Statistical pattern of ‘spring wave’ amplitude

在干擾波傳播過程中，其頻率隨能量衰減變化，其子波波形也隨之變化。利用振幅衰減規律和頻率變化，提取能反應干擾波真實情況的干擾波子波波形。如圖3所示，為提取的受干擾子波。從圖3可以看出，在提取“彈簧波”子波時，選擇的數據道與其他波場干涉，導致提取出的子波形態較差，不能真實地反應干擾波場特征。

圖3 受干擾的子波Fig.3 Disturbed wavelet

利用此子波進行正演模擬，獲得圖4(a)的“彈簧波”記錄，圖4(b)為包含“彈簧波”的原始地震記錄，圖4(c)為衰減“彈簧波”后地震記錄，可以看出記錄，依然存在“彈簧波”干擾的殘余能量。利用被干擾波子波正演的“彈簧波”壓制噪聲效果較差，并且對初至波信號也有較大的損傷。

圖4 正演法壓制“彈簧波”記錄Fig.4 Suppression of ‘spring wave’ record by forward method

2.3 正演子波的改進

對振幅衰減規律擬合不真實的問題，經過分析是從原始數據中提取的干擾波數據受到其他波場干擾導致的。經過分析，原因有二：①時窗選取不合適，拾取時窗過大會造成干擾。②選取的數據道受到其他波場干涉。

為此，針對這兩個方面進行改進，重新對子波特征進行提取分析。對光纜震蕩干擾波場能量衰減進行分析，圖2(c)曲線右半段振幅均值出現了反轉，原因是該部分記錄除了“彈簧波”能量外有其他的波場進行了疊加，導致平均振幅高于“彈簧波”的真實振幅。拋棄受其他波場干擾比較嚴重的樣點，重新對振幅衰減進行擬合。如圖5所示，圖5(a)為重新擬合的振幅衰減曲線，圖5(b)為重新提取的“彈簧波”子波。從圖5上可以看出，經重新擬合后，振幅衰減曲線光滑，地震子波波形較好。

圖5 改進的正演算子Fig.5 Improved forward operator

4 實際資料應用效果分析

對采集的分布式光纖VSP數據進行效果驗證。首先利用計算獲得的子波及振幅衰減規律進行“彈簧波”干擾波正演模擬，并將之從實際資料采集到的數據中衰減，獲得干擾波衰減后的地震記錄。圖6(a)為接收到的原始分布式光纖記錄，圖6(b)為“彈簧波”衰減后的分布式光纖記錄，從對比圖上可以看出，經正演法壓制分布式光纖傳感系統“彈簧波”干擾后，“彈簧波”得到較好的壓制，剩余波場得到較好的保護。

圖6 “彈簧波”衰減前后記錄對比Fig.6 Comparison of records before and after ‘spring wave’ attenuation

圖7為分布式光纖數據波場分離對比圖，圖7(a)為采集到的原始分布式光纖數據，圖7(b)為壓制“彈簧波”干擾后數據，圖7(c)為分離出的上行波場。從圖7上可以看出，經“彈簧波”干擾壓制后，VSP記錄信噪比明顯提高，進一步進行波場分離，得到VSP資料上行波場，上行波波組特征清楚，同相軸可連續追蹤。

圖7 分布式光纖數據波場分離對比圖Fig.7 Comparison of wave field separation of distributed optical fiber data

圖8為過井分布式光纖數據VSPCDP成像剖面和地面地震剖面對比，圖8(a)為分布式光纖數據VSPCDP成像剖面，圖8(b)為地面地震剖面，紅色區域及為VSPCDP成像區。VSPCDP剖面的主要波組特征和地面剖面的波組特征基本一致，但是地面地震中淺層具有更高的分辨率和信噪比。分布式光纖數據成像剖面較地面地震剖面還有一定差距，需要我們進一步研究分布式光纖數據的成像技術。

圖8 VSPCDP剖面與地面地震剖面對比Fig.8 Comparison between VSPCDP profile and surface seismic profile

5 結 論

本文針對分布式光纖采集的“彈簧波”干擾，研究了利用正演模擬法壓制噪聲的技術，得出如下結論：

1)振幅衰減規律統計可以有效改進正演模擬子波，確保正演模擬的準確性。

2)正演模擬法壓制分布式光纖傳感系統采集到的“彈簧波”干擾，有利于有效信號的保護，實現保幅處理。

3)通過本文的技術手段，試驗井分布式光纖系統采集數據獲得了較好的VSPCDP成像剖面，主要波組特征和地面地震波組特征一致，資料信噪比較高。