光纖地震波檢測技術發展狀況及展望

周銳

（西北大學，陜西 西安710127）

1 背景介紹

石油天然氣是我國重要的戰略資源，是國家經濟發展的命脈和國計民生的重要支柱。當前我國油氣對外依存度很高，根據《中國油氣產業發展分析與展望報告藍皮書（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%。油氣供應安全和消耗需求，迫切需要加大國內油氣資源勘探開發力度。然而,中國石油礦權區油氣資源勘探存在以下幾個方面的特點[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雜,主要為低品位資源。近年來新增地質儲量中低滲、特低滲油氣地質儲量逐年上升。(3)大盆地勘探程度均達中等到高勘探程度，復雜油氣藏、低品位油氣藏、非常規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]地質方法、地球物理勘探方法、地球化學勘探方法和鉆探方法。其中，地震勘探利用人工方法激發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，來接收人工激發引起的地震波在地層中傳播時在巖層界面反射或者折射的波形特征，來反演地質結構，尋找油氣圈閉。近半個世紀以來，地震勘探得到了飛速的發展，形成了包括高精度三維地震勘探技術、時移地震技術、井孔地震（垂直地震剖面、隨鉆技術、井間地震技術）、多波多分量地震技術等核心技術方法。

2 發展現狀

目前在油氣田現場工程生產測試中使用的儀器多數是以壓電、磁電、渦流機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、響應頻帶、動態范圍、空間分辨率、抗電磁場干擾、復用性、可靠性等方面以及井下惡劣環境中使用均存在著本質的不足，既受限于半導體器件的本質特性，耐高溫性差（一般都在150℃以下），井下數據傳輸技術又不能滿足高分辨率、高密度實時地震采集海量數據的傳輸要求。

由于光纖傳感技術是可以檢測聲波和振動以及熱效應的非入侵式方法，在應用于地震波檢測方面由有著更加經濟、更加安全等獨特的優勢。目前，光纖傳感應技術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（Distributed Acoustic Sensing，DAS)、光纖激光器技術（DFB-FL）、光纖光柵技術（FBG）和光纖干涉方法。

2.1 基于DAS 地震檢波系統。DAS 系統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的信號。如圖1所示，根據光纖的非線性效應，當光信號在光纖中傳播受到外界的擾動時會發生背向散射，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發生彈性散射，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、應變和溫度。

圖1 光信號在光纖中發生背向散射圖示

1981 年，英國南安普敦大學（Southampton University）首次報道分布式光纖傳感技術，但直到2009 年，加拿大Molenaar 等人才在壓裂檢測中應用到DAS 系統。目前，DAS 系統越來越成熟，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測等問題，逐漸被應用到地震波檢測之中[5]。在地震勘探中，運用DAS 系統可以檢測到遠距離的自然地震或者人工誘發地震，這些地震都是低頻的微弱振動。2016 年4 月8 日，DAS 系統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 個地震陣列記錄，在極坐標中，峰值光束作為反方位角和慢度的函數，對應于移動的不同窗口時間軸，先是P 波到達，其次是S 波到達，隨后是地震相位波到達。2018 年，MENGMENG CHEN[7]等人通過使用φ-OTDR 問訊技術,高階模式的背散射光可以用來完全量化振動，表明了少模光纖可以用于DAS 系統。但DAS 系統只能檢測一維的振動，不能檢測三分量振動信號，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信息。

2.2 基于光纖激光器的地震檢波系統。該系統是利用分布反饋光纖激光器（DFB-FL）為基礎，以摻雜光纖作為增益介質，相移光柵作為諧振腔，在半導體二極管的泵浦下產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，經過適當的封裝后，當有外界信號作用到諧振腔上時，諧振腔將產生應變，從而使輸出與振動信號成比例的波長漂移，通過光纖干涉儀將波長變化轉變為相位變化，再采用相位解調技術還原出地震信號。此類檢波器具有窄線寬、噪聲低、單頻輸出、尺寸小、全光纖化等優點，在高靈敏光纖傳感領域有著廣泛的應用前景[8]。但光纖激光器容易受外界環境溫度和其他微擾振動的影響，且對井下地震勘探，半導體二極管泵浦功率損耗大，很難實現深井勘測。

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/應變可使光纖布拉格光柵（FBG）引起波長變化，經過解調波長變化信息，可還原出振動信號。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、結構緊湊、長期穩定可靠，及復用能力強、易組網等優點，而且FBG 結構靈巧，可通過工藝設計制作實現地震波三分量檢測[9]。因此也是多年來一直研究及推廣應用的光纖地震檢波技術之一。但是此類FBG 檢波器性能在高強度結構封裝、振動信號耦合、高精度信號解調等方面還存在技術瓶頸，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，是利用各種干涉結構可檢測因振動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。此類檢波器可集傳輸與傳感于一體，并在系統結構、弱信號探測、傳感器集成等方面具有明顯優勢，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，已有報道多維振動信息的準確探測[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，可全方位檢測振動信息。但此類檢波器在實現耐高溫、耐高壓、溫度穩定性、多級陣列復用等方面仍存在較大的技術瓶頸。

3 發展展望

綜上所述，從國內外報道來看，光纖地震檢波器研究是當前解決地震檢波技術瓶頸的重要方向，也是國際上地層能源監測、精細描述與管理的探索熱點。但很多技術還停留在基礎研究的探索階段，有的實際應用也只是初步投入工業工程中，還沒有形成解決井中地震波三分量的實際問題的成熟應用技術，與電類檢波器相比，盡管有價格低廉、尺寸小巧、耐溫耐壓等光纖的諸多優勢，但在多維多波多分量檢測上，在靈敏度、穩定度、溫度補償、以及檢波器結構、封裝、下井實驗等方面，仍然還有有待進一步的研究，還有很長的路要走。