基于光纖光柵的地震波檢測(cè)技術(shù)與發(fā)展

摘要：石油天然氣是我國(guó)重要的戰(zhàn)略資源，是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈和國(guó)計(jì)民生的重要支柱。當(dāng)前我國(guó)油氣對(duì)外依存度很高，油氣供應(yīng)安全和消耗需求，迫切需要加大國(guó)內(nèi)油氣資源勘探開發(fā)力度。目前常用的油氣勘探工作方法主要有地質(zhì)方法、地球物理勘探方法、地球化學(xué)勘探方法和鉆探方法。其中，地震勘探利用人工方法激發(fā)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(fā)引起的地震波在地層中傳播時(shí)在巖層界面反射或者折射的波形特征，來反演地質(zhì)結(jié)構(gòu)，尋找油氣圈閉。近半個(gè)世紀(jì)以來，地震勘探得到了飛速的發(fā)展，形成了包括高精度三維地震勘探技術(shù)、時(shí)移地震技術(shù)、井孔地震（垂直地震剖面、隨鉆技術(shù)、井間地震技術(shù)）、多波多分量地震技術(shù)等核心技術(shù)方法。

關(guān)鍵詞：光纖;地震波;檢測(cè);發(fā)展

中國(guó)石油礦權(quán)區(qū)油氣資源勘探存在以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：（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(fù)雜，主要為低品位資源。近年來新增地質(zhì)儲(chǔ)量中低滲、特低滲油氣地質(zhì)儲(chǔ)量逐年上升。（3）大盆地勘探程度均達(dá)中等到高勘探程度，復(fù)雜油氣藏、低品位油氣藏、非常規(guī)油氣藏是主要勘探對(duì)象。

1.地震波檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前在油氣田現(xiàn)場(chǎng)工程生產(chǎn)測(cè)試中使用的儀器多數(shù)是以壓電、磁電、渦流機(jī)理為主的電類檢波器，大多為井下“有源”器件，在檢測(cè)靈敏度、響應(yīng)頻帶、動(dòng)態(tài)范圍、空間分辨率、抗電磁場(chǎng)干擾、復(fù)用性、可靠性等方面以及井下惡劣環(huán)境中使用均存在著本質(zhì)的不足，既受限于半導(dǎo)體器件的本質(zhì)特性，耐高溫性差（一般都在150℃以下），井下數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)又不能滿足高分辨率、高密度實(shí)時(shí)地震采集海量數(shù)據(jù)的傳輸要求。

由于光纖傳感技術(shù)是可以檢測(cè)聲波和振動(dòng)以及熱效應(yīng)的非入侵式方法，在應(yīng)用于地震波檢測(cè)方面由有著更加經(jīng)濟(jì)、更加安全等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，光纖傳感應(yīng)技術(shù)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(shù)（Distributed Acoustic Sensing，DAS）、光纖激光器技術(shù)（DFB-FL）、光纖光柵技術(shù)（FBG）和光纖干涉方法。

1.1基于DAS地震檢波系統(tǒng)

DAS系統(tǒng)是基于光纖背向散射原理，利用光纖作為傳感器件去探測(cè)聲波振動(dòng)的信號(hào)。根據(jù)光纖的非線性效應(yīng)，當(dāng)光信號(hào)在光纖中傳播受到外界的擾動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)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(zhì)發(fā)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(duì)外界的磁場(chǎng)、彎曲、單向壓力等刺激敏感，因此可以用來檢測(cè)振動(dòng)、應(yīng)變和溫度。

目前，DAS系統(tǒng)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(jiān)測(cè)等問題，逐漸被應(yīng)用到地震波檢測(cè)之中。在地震勘探中，運(yùn)用DAS系統(tǒng)可以檢測(cè)到遠(yuǎn)距離的自然地震或者人工誘發(fā)地震，這些地震都是低頻的微弱振動(dòng)。但DAS系統(tǒng)只能檢測(cè)一維的振動(dòng)，不能檢測(cè)三分量振動(dòng)信號(hào)，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(dòng)信息。

1.2基于光纖激光器的地震檢波系統(tǒng)。

該系統(tǒng)是利用分布反饋光纖激光器（DFB-FL）為基礎(chǔ)，以摻雜光纖作為增益介質(zhì)，相移光柵作為諧振腔，在半導(dǎo)體二極管的泵浦下產(chǎn)生單縱模的激光輸出的全光纖器件。其傳感原理如圖所示，把相移光纖光柵的諧振腔作為傳感元件，經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆庋b后，當(dāng)有外界信號(hào)作用到諧振腔上時(shí)，諧振腔將產(chǎn)生應(yīng)變，從而使輸出與振動(dòng)信號(hào)成比例的波長(zhǎng)漂移，通過光纖干涉儀將波長(zhǎng)變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔蛔兓俨捎孟辔唤庹{(diào)技術(shù)還原出地震信號(hào)。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(yōu)點(diǎn)，在高靈敏光纖傳感領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。但光纖激光器容易受外界環(huán)境溫度和其他微擾振動(dòng)的影響，且對(duì)井下地震勘探，半導(dǎo)體二極管泵浦功率損耗大，很難實(shí)現(xiàn)深井勘測(cè)。

1.3基于光纖光柵的地震檢波器

利用振動(dòng)/應(yīng)變可使光纖布拉格光柵（FBG）引起波長(zhǎng)變化，經(jīng)過解調(diào)波長(zhǎng)變化信息，可還原出振動(dòng)信號(hào)。由于FBG的良好性能，此類檢波器能檢測(cè)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(jié)構(gòu)緊湊、長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠，及復(fù)用能力強(qiáng)、易組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，而且FBG結(jié)構(gòu)靈巧，可通過工藝設(shè)計(jì)制作實(shí)現(xiàn)地震波三分量檢測(cè)。因此也是多年來一直研究及推廣應(yīng)用的光纖地震檢波技術(shù)之一。但是此類FBG檢波器性能在高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)封裝、振動(dòng)信號(hào)耦合、高精度信號(hào)解調(diào)等方面還存在技術(shù)瓶頸，在井中弱地震信號(hào)檢測(cè)、低頻地震波檢測(cè)、長(zhǎng)期可靠下井等方面仍有待提高。

1.4基于光纖干涉型檢波器

利用各種干涉結(jié)構(gòu)可檢測(cè)因振動(dòng)引起的干涉光譜相位的變化，此類檢波器可集傳輸與傳感于一體，并在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、弱信號(hào)探測(cè)、傳感器集成等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但在如下方面有待提升：空間分辨率、頻帶寬度、多波探測(cè)等。目前，已有報(bào)道多維振動(dòng)信息的準(zhǔn)確探測(cè)，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(cè)振動(dòng)信息。但此類檢波器在實(shí)現(xiàn)耐高溫、耐高壓、溫度穩(wěn)定性、多級(jí)陣列復(fù)用等方面仍存在較大的技術(shù)瓶頸。

2. 地震波檢測(cè)技術(shù)發(fā)展展望

綜上所述，從國(guó)內(nèi)外報(bào)道來看，光纖地震檢波器研究是當(dāng)前解決地震檢波技術(shù)瓶頸的重要方向，也是國(guó)際上地層能源監(jiān)測(cè)、精細(xì)描述與管理的探索熱點(diǎn)。但很多技術(shù)還停留在基礎(chǔ)研究的探索階段，有的實(shí)際應(yīng)用也只是初步投入工業(yè)工程中，還沒有形成解決井中地震波三分量的實(shí)際問題的成熟應(yīng)用技術(shù)，與電類檢波器相比，盡管有價(jià)格低廉、尺寸小巧、耐溫耐壓等光纖的諸多優(yōu)勢(shì)，但在多維多波多分量檢測(cè)上，在靈敏度、穩(wěn)定度、溫度補(bǔ)償、以及檢波器結(jié)構(gòu)、封裝、下井實(shí)驗(yàn)等方面，仍然還有有待進(jìn)一步的研究，還有很長(zhǎng)的路要走。

作者簡(jiǎn)介：席楊（1987年7月-）男，2010年畢業(yè)于東北石油大學(xué)石油工程專業(yè)，目前從事石油物探工作。