光纖分布式地震波探測系統及其布設優化研究

杜青臣， 王晨， 尚盈， 劉小會， 趙慶超， 曹冰， 趙文安， 倪家升， 王昌

(山東省光纖傳感技術重點實驗室，山東省科學院激光研究所，山東 濟南 250014)

光纖分布式地震波探測系統及其布設優化研究

杜青臣， 王晨*， 尚盈， 劉小會， 趙慶超， 曹冰， 趙文安， 倪家升， 王昌

(山東省光纖傳感技術重點實驗室，山東省科學院激光研究所，山東 濟南 250014)

應用光纖分布式聲波檢測與干涉探測技術，設計了一種用于油氣勘探開發的光纖分布式地震波探測系統，并在埋地布設的基礎上提出光纜附加尾椎的布設優化方案。野外現場測試結果表明，系統能夠完整探測到地震波沿光纜的分布情況，波形特性與傳統電子動圈傳感器相似，埋地式布設最遠探測距離20 m，尾椎式布設最遠探測距離10 m，該研究為系統的實際應用提供了必要的理論和實驗依據。

分布式光纖傳感；地震波探測；相位敏感光時域反射技術；干涉技術

Abstract∶In this paper, a new type of distributed fiber seismic wave detection system for oil and gas exploration was designed. And based on buried layout mode, the advanced practical layout optimization scheme of adding caudal vertebrae to optical cable was put forward. Field test results showed that the system could completely detect the distribution of seismic waves along the cable and the waveform characteristics were similar to those of traditional electronic dynamic sensors. The buried layout mode has the maximum detection distance of up to 20 m and the maximum distance of the caudal vertebral layout mode can reach 10 m. The research provides necessary theoretical and technical support for the extensive application and transformation of the new system.

Key words∶distributed fiber sensing； seismic wave detection；phase sensitive optical time domain reflectometry； interferometry

石油是重要的戰略物資，被稱為工業的血液，對交通、國防、化工、農業生產等領域都起著舉足輕重的作用。地震勘探是目前應用最廣泛、最有效的油氣資源勘探手段，即利用人工方法向地層發出強大的低頻聲波，聲波遇到不同的地層界面產生反射，通過布設在各個檢測點上的檢波器采集聲波信號，經過信號處理后形成地震資料，再同其他地質資料相結合，能夠對油藏進行詳細描述和監測。因而，地震檢波器是實現地層反射聲波采集的核心設備，也是油氣勘探開發的關鍵設備。目前，我國生產的地震勘探設備多采用國產的電子傳感器，在精度、可靠性等方面無法滿足需求，高精度地震勘探儀器設備全部依賴進口，且存在技術封鎖和價格壟斷，油氣勘探設備的嚴重缺乏和生產技術相對落后，已成為我國油氣勘探開發的重要限制因素。

1 光纖分布式地震波探測技術原理

地震波實際上是壓力波，聲場中的光纖受到壓力的作用會造成折射率變化進而導致光纖內光相位變化。當一束光沿光纖軸向傳播L長的距離后，光波相位φ為：

(1)

式中，nf為光纖中的折射率，λ為入射光波長。當光纖受到壓力作用時使傳播光的相位變化：

(2)

由光纖的彈光效應所引起的折射率的變化可表示為：

(3)

式中，Δβm為逆介電張量的變化，pmn為彈光系數矩陣分量，Sn為光纖的應變分量。當光纖受到聲壓P作用時，光纖各方向的應變可表示為：

S1=S2=-(1-μ)P/E,S3=2μP/E，

(4)

(5)

由于光沿軸向傳播，所以折射率變化Δnf=Δn1=Δn2。又因為光纖的軸向應變為S3=2μP/E，則光纖長度變化ΔL=2 L μ P/E，因此得到：

選取2014年5月～2015年10月醫院收治的心內科老年患者100例作為研究對象。其中，男60例，女40例，年齡60～83歲，平均年齡（68.26±3.98）歲。除此之外需要確定選取的100名老年患者在入院時均經過臨床檢查別確診為心內科病癥。

(6)

對于石英光纖，p11=0.13，p12=0.28，n=1.46，E=7.2×1010N/m2，μ=0.17，λ=1 550nm，則單位長度光纖相位變化ΔφL與聲壓P的響應關系為：

(7)

所以，測量光纖中某一位置的相位變化，就可以測量此位置接受到的外界的地震波信號。

為了測量探測光纖中每一個位置的相位變化，本文采用的光纖分布式地震波探測技術主要基于相位敏感光時域反射技術(φ-OTDR)，這里我們采用描述光纖背向瑞利散射的一維脈沖響應模型來描述整個系統波形的特性，將長度為L的光纖分成N個散射單元，Δl=L/N是散射單元的長度，定義τ0=2nfΔl/c為單位散射時間。如圖1所示，當有一束頻率為f、脈沖寬度為ω的高相干脈沖光E0cos(2πft)rect(t/w)從l=0處入射到光纖上，則在光纖輸入端獲得的背向瑞利散射信號振幅可表示為：

(8)

式中，α是光纖衰減常數，c是真空中光速，nf是光纖折射率，并且當0≤[(t-τm)/w]≤1時矩形函數rect[(t-τm)/w]=1，其他情況rect[(t-τm)/w]=0。τm是光纖任意第m個散射點的時間延遲，其與從輸入端到光纖任意第m個散射點的光纖長度lm的關系為：

(9)

這樣光纖上某一點的地震信息便由對應某時刻的背向瑞利散射光信號來描述，散射光的變化就能反應出此點上的地震信息所包含的內容。

圖1 任意點的瑞利散射光Fig.1 Rayleigh backscattering at any certain point on the fiber

當背向散射光回到環行器時，由于環行器的作用將發生干涉，此時的光強可表示為：

(10)

相對相位φij=4πfnfΔl(j-i)/c。

之后，將已經干涉過一次的背向散射光輸入干涉儀臂長差為s的麥克爾遜干涉儀，則會發生第二次干涉，如圖2所示，由干涉儀引入的延時τs=2nfs/c，則延時信號振幅可表示為：

(11)

第二次干涉與入射脈沖寬度是無關的，此時延時信號的時序與入射背向散射光信號一一對應，滿足n=m+s，因此經過干涉儀后所接收到的自、互干涉光強可表示為：

(12)

式中，相對相位φmns=4πfnfΔl(n-m)/c+4πfnfs/c。

圖2 背向瑞利散射光二次干涉的示意圖Fig.2 Schematic diagram of the secondary interference of Rayleigh backscattering

綜上所述，外部地震源造成了光纖上某些位置的后向散射光相對相位變化，通過相位敏感光時域反射技術和干涉探測技術解調相對相位的變化曲線, 就可以得到震源的位置、頻率、強度等信息。

2 現場布設方案及測試結果

2.1現場光纜布設方案

光纖分布式地震波探測系統采用超窄線寬分布反饋式激光器，輸出的高相干連續光波長為1 550 nm，聲光調制器斬波重復頻率為20 kHz、脈沖寬度為200 ns，采用高速示波器采集到計算機進行數據處理，采樣頻率100 MHz。

對于光纖分布式地震波探測系統來說，使用光纖光纜測量地面以下的地震波信號，將光纜直接沿某一方向埋入地下是最直接的布設方式。但在實際現場環境中，待測地域環境復雜，地質條件不一，有時需跨越村莊、農田、道路等不能挖掘的區域。因此我們提出了另一種光纜附加尾椎的布放方式，尾椎設計如圖3所示，錐長10 cm，能緊密夾緊光纜使得地震波可以通過尾椎傳遞到光纜上。

現場測試實驗示意圖如圖4所示，系統光纜有效使用長度110 m，本次實驗前10 m為埋地區，埋地深度10 cm，后100 m為尾椎陣區，尾椎間隔5 m，埋地與尾椎均緊密壓實地面保證采集效果，光纜布設方式如圖5所示。震源采用等高落槌方式，聲源與傳感光纜的垂直距離為L，對比用電子動圈傳感器放置于震源與傳感光纜的垂直交界處。

圖3 尾椎結構圖Fig.3 Structure of the caudal vertebrae

圖4 現場實驗示意圖Fig.4 Diagram of field test

圖5 光纜布設方式Fig.5 Buried layout mode and caudal vertebral layout mode

2.2測試結果

實驗首先選擇在圖4(1)處垂直距離埋地區光纜L處放置聲源，L分別選取了10 m和20 m，然后在圖4(2)處垂直距離尾椎L處放置聲源，L同樣分別選取了10 m和20 m，然后進行數據處理，得到系統與電子動圈傳感器采集信號的對比結果。

對于埋地區，當L=10 m時，系統采集到此次震源信號及其隨時間的變化，可見系統能明顯測到震源信號，由于震源距離探測光纜較近，當地震波到達探測光纜時，系統測量到寬度為10 m，并在纜上有隨時間擴散的現象。此時時域、頻域對比圖(圖6)中，系統測到的震源信號波形與動圈檢波器有較大區別，25 ～80 Hz信號相差達30 dB，考慮是由于10 m時震源離光纜過近，使得系統在空間分辨率以下出現多波疊加，造成信號變形。

圖6 L=10 m時埋地區與動圈時域、頻域數據對比Fig.6 Time and frequency comparison between buried layout mode and moving coil at L=10 m

當L=20 m時，系統采集到此次震源信號及其隨時間的變化，可見系統仍能測到震源信號，但由于震源距離探測光纜較遠，當地震波到達探測光纜時，系統測量到寬度已經擴散到20 m，且纜上分布和隨時間擴散現象不明顯。此時時域、頻域對比圖(圖7)中，系統測到的震源信號波形與動圈檢波器非常相似。另外，我們還計算了埋地區系統靈敏度，由于本系統與動圈傳感器具有相同的線性響應，因而可以直接通過動圈傳感器靈敏度換算系統靈敏度。這里使用的動圈傳感器靈敏度為22.8 V·s/m，按20 m測的震幅比率算得埋地區系統靈敏度為46.4 rad·s/m。

圖7 L=20 m時埋地區與動圈時域、頻域數據對比Fig.7 Time and frequency comparison between buried layout mode and moving coil at L=20 m

對于尾椎區，當L=10 m時，系統采集到此次震源信號及其隨時間的變化，可見系統能明顯在錐點位置測到震源信號，探測震源寬度7 m，但沒有在纜上出現連續的分布和隨時間擴散的現象，地震波擴散后再次探測出現在相鄰尾椎的位置，這是由于只有尾椎所夾光纜接收到了地震波信號。時域、頻域對比圖(圖8)中，系統測到的震源信號波形與動圈檢波器非常相似，頻域信噪比也與動圈檢波器相似，0～25 Hz、80 ～120 Hz以及170 Hz以上頻域區間均比動圈檢波器測量高20 dB以上，但50 ～80 Hz頻域區間不如動圈檢波器，證明系統與動圈檢波器相比探測成分更豐富。同樣計算尾椎區靈敏度，按10 m測的震幅比率計算，得到尾椎區靈敏度為22.6 rad s/m，弱于埋地區系統靈敏度。

圖8 L=10 m時尾椎區與動圈時域、頻域數據對比Fig.8 Time and frequency comparison between caudal vertebral layout mode and moving coil at L=10 m

當L=20 m時，系統已不能在錐點位置測到震源信號，考慮是由于系統靈敏度和耦合程度不足造成的。

綜上所述，系統能夠完整探測到地震波沿光纜的分布情況，波形特性與單點式電子動圈檢波器相比，埋地式布設可收集到更大范圍的聲波信號，而尾椎式布設方案在解調后聲波波形特性方面更具優勢。

3 結語

本文綜合應用光纖分布式聲波檢測與干涉探測技術，設計了一種新型光纖分布式地震波探測系統，并在野外現場埋地式布設的基礎上提出了光纜附加尾椎式布設的優化方案，系統在兩種布設方式下均能夠完整測到地震波沿光纜的分布情況，波形特性與傳統電子動圈傳感器相似。埋地式布設最遠探測距離達20 m，靈敏度為46.4 rad·s/m；尾椎式布設最遠探測距離10 m，靈敏度為22.6 rad·s/m，弱于埋地區系統靈敏度。系統與傳統電子動圈傳感器相比，具有測量范圍大、頻帶寬、不受電磁場干擾等優點，而光纜附加尾椎式布設的優化方案也具有結構簡單、布放方便、易于施工等優勢。

然而在實驗過程中，由于系統本身對環境比較敏感、易受外界噪聲干擾，同步采集產生一定程度的時延，使解調后的波形發生嚴重的抖動，且靈敏度還有提升的空間，相較于傳統電子動圈傳感器還沒有體現出光纖傳感技術明顯的優勢。野外實驗環境也與真實現場施工條件有較大差距，優化的光纜附加尾椎式布設方案還需經過實地的檢驗，這都是今后著力改進和研究的方向。

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Study on distributed fiber seismic wave detection system and its layout optimization

DU Qing-chen, WANG Chen*, SHANG Ying, LIU Xiao-hui,ZHAO Qing-chao, CAO Bing,ZHAO Wen-an, NI Jia-sheng, WANG Chang

(Shandong Provincial Key Laboratory of Optical Fiber Sensing Technologies, Laser Institute ， Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China)

TP212.9

A

1002-4026(2017)05-0055-07

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.05.010

2017-05-31

山東省科技發展計劃(2014GGX103019，2014GGX103005)

杜青臣(1960—)，男，實驗師，研究方向為光纖地震檢波傳感。

*通信作者。E-mail：wangchen@sdlaser.cn