干涉型光纖地震檢波器研發(fā)及效果分析

吳學(xué)兵,劉英明,高　侃

(1.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所,北京100190;2.中國石油化工集團公司地球物理有限公司裝備管理中心,江蘇南京211100;3.中國電子科技集團公司第二十三研究所,上海200437)

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干涉型光纖地震檢波器研發(fā)及效果分析

吳學(xué)兵1,2,劉英明3,高侃3

(1.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所,北京100190;2.中國石油化工集團公司地球物理有限公司裝備管理中心,江蘇南京211100;3.中國電子科技集團公司第二十三研究所,上海200437)

摘要:光纖傳感器具有高靈敏度、大帶寬、抗電磁干擾能力強等技術(shù)優(yōu)勢,光纖地震檢波器采集系統(tǒng)是近年來地震勘探領(lǐng)域研發(fā)的熱點。在研究干涉型光纖檢波器基本構(gòu)成、傳感原理及干涉型光纖檢波器采集系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)上,設(shè)計和開發(fā)了適用于陸地油氣勘探的16道光纖檢波器采集系統(tǒng)樣機。通過現(xiàn)場地震數(shù)據(jù)采集,對光纖檢波器、動圈式檢波器和壓電式檢波器進行了對比測試,并對試驗資料進行了處理分析,結(jié)果顯示,光纖檢波器具有更高的靈敏度、更大的帶寬和更好的高頻響應(yīng),有利于提高地震信號采集精度,改善地震勘探效果,為光纖檢波器的推廣應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地震檢波器;傳感器;干涉型光纖檢波器

地震勘探是石油與天然氣勘探最有效的手段。用于接收地震信號的檢波器是野外數(shù)據(jù)采集的核心設(shè)備,其性能參數(shù)直接關(guān)系到數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和后期成像效果。目前廣泛使用的地震檢波器主要是基于電磁感應(yīng)原理的動圈式檢波器,其動態(tài)范圍相對較小(<60dB)、有效帶寬相對較窄、抗電磁干擾能力差,影響了地震數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的進一步提高[1]。隨著國內(nèi)油氣勘探程度的不斷提高,地震勘探目標(biāo)正在轉(zhuǎn)向陸上復(fù)雜地表條件和地下復(fù)雜地質(zhì)體區(qū)域[2]。這種“雙復(fù)雜”地區(qū)需要采集高品質(zhì)的地震數(shù)據(jù),以實現(xiàn)地下目標(biāo)體的高精度成像。同時,為適應(yīng)寬頻帶、寬方位、超大道數(shù)、單點高密度及高保真采集要求,地震檢波器要具有寬頻帶、高靈敏度、大動態(tài)范圍等性能[3-4]。

光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器[5]。隨著光纖實用化和光通信技術(shù)的進步,光纖傳感器于20世紀(jì)90年代得到了飛速發(fā)展[6]。光纖傳感器具有靈敏度高、頻帶范圍寬、抗電磁干擾等能力強優(yōu)點,有利于地震信號的高保真采集[7]。基于光纖技術(shù)的聲波傳感器最早被用于油藏的動態(tài)監(jiān)測。2002年5月,英國BP石油公司在美國洛磯山油田試驗中心測試安裝了世界上第一套3C聲波傳感系統(tǒng)[8],之后人們又開始了海底永久油藏監(jiān)測方面的研究和應(yīng)用[9]。2010年,巴西國家石油公司與挪威PGS公司合作,在巴西Jubarte油田安裝了PGS公司的光纖采集油藏監(jiān)控系統(tǒng)[10]。此外,PGS公司正在與殼牌公司合作開發(fā)新的超高道光纖地震系統(tǒng),用于陸地油氣勘探開發(fā)和油藏監(jiān)控[9]。我國的地震儀器裝備研制工作落后于國外,相關(guān)的光纖檢波器研發(fā)工作起步較晚,主要的物探采集裝備幾乎全部依賴進口,開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的儀器設(shè)備既迫切又勢在必行[11]。2004年,勝利油田物探公司與美國斯蒂文斯理工學(xué)院合作開發(fā)了基于光纖布拉格光柵技術(shù)的陸用檢波器,并完成了國內(nèi)外首次陸上野外采集對比試驗,驗證了光纖傳感器的技術(shù)優(yōu)勢[12]。2010年,中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在遼河油田完成了光纖地震檢波器陣列的井下試驗,能夠采集6000m深地層的地震反射信號[13]。目前,潛能恒信能源技術(shù)股份有限公司與中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所正在聯(lián)合研發(fā)16級井下光纖檢波器陣列[14]。我們設(shè)計和開發(fā)了一種基于干涉原理的光纖地震檢波器和數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng),通過野外采集對比測試,驗證了光纖檢波器的技術(shù)優(yōu)勢和性能。

1干涉型光纖檢波器基本構(gòu)成及傳感原理

光纖傳感器通常是由光源、信號傳輸光纜、光調(diào)制器、光探測器以及解調(diào)系統(tǒng)組成。其基本工作原理是通過檢測外界待測參量的變化引起的光纖本身光學(xué)特性(如波長、相位、強度等)的變化來獲得外界待測參量的變化量。干涉型光纖檢波器是通過一定的機械結(jié)構(gòu)將外部振動的加速度信號轉(zhuǎn)換成光纖干涉儀干涉臂相位差變化的一種光纖傳感器,其內(nèi)部組成如圖1所示。構(gòu)成干涉儀兩個干涉臂的光纖分別被緊密地纏繞在一個彈性體和一個剛性體上,其上支撐著一個質(zhì)量塊。質(zhì)量塊的作用是將外界的加速度信號轉(zhuǎn)化成彈性體的伸縮變化,進而使得纏繞在其上的光纖產(chǎn)生相應(yīng)的拉伸和壓縮。由于剛性體不會發(fā)生形變,所以加速度的變化轉(zhuǎn)換成了干涉儀干涉臂長度差的變化,也就是光相位差的變化。通過相應(yīng)的相位解調(diào)方法將光相位變化量解調(diào)出來,即得到待測的加速度信號。

圖1　干涉型光纖檢波器基本構(gòu)成

在有外界加速度a時,檢波器中的質(zhì)量塊m由于慣性產(chǎn)生振動并拉伸光纖,將慣性力轉(zhuǎn)換為光纖應(yīng)變εf:

(1)

式中:k為轉(zhuǎn)換系數(shù)。光纖檢波器輸出相位變化:

(2)

其中,n為光纖纖芯的折射率,d為彈性體上光纖的長度,λ為探測光波長。由(1)式和(2)式可得光纖檢波器的加速度靈敏度為:

(3)

單位為rad/g。

干涉型光纖檢波器采用推挽式結(jié)構(gòu),提高了自身檢測的靈敏度;同時,由于其檢測的是光程的變化,因此可以檢測到更弱的地震信號。與傳統(tǒng)的動圈式檢波器和陸用壓電式檢波器相比,干涉型光纖檢波器具有更低的噪聲、更高的靈敏度、更大的動態(tài)范圍,有利于提高地震信號采集精度,改善地震勘探效果[15]。

2干涉型光纖檢波器采集系統(tǒng)構(gòu)成

干涉型光纖檢波器采集系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示,主要包括地面檢波器接收系統(tǒng)和遠(yuǎn)端信號處理平臺兩部分。地面檢波器接收系統(tǒng)由多個具有一定間隔(間隔距離視地震采集觀測系統(tǒng)要求而定)的檢波器通過光纜連接在一起,每個檢波器有一對光纖接口(一個光信號輸入、一個光信號輸出)。通過時分/波分技術(shù)可在一對光纖上(一根光纖用于信號輸入、一根光纖用于信號輸出)集成幾十個乃至上百個光纖檢波器單元。遠(yuǎn)端信號處理平臺主要包括光源控制系統(tǒng)、光電集成系統(tǒng)和主機控制系統(tǒng)三部分。光源控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)向各個檢波器發(fā)送探測光信號;光電集成系統(tǒng)完成光學(xué)轉(zhuǎn)換、光電信號轉(zhuǎn)換、相位信號解調(diào)和預(yù)處理等;主機控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)各部件的協(xié)同工作。

圖2　干涉型光纖檢波器采集系統(tǒng)的構(gòu)成

圖3　16道光纖檢波器采集系統(tǒng)

圖3是本文基于干涉原理研究開發(fā)的光纖地震檢波器及其記錄系統(tǒng)照片(樣機),光纖檢波器排列包括16個光纖檢波器單元,組陣采用2空分/8時分方式。光纖檢波器的主要技術(shù)指標(biāo)如下:①頻響范圍10～800Hz;②加速度相移靈敏度≥40dB(0dB=1rad/g);③等效噪聲加速度<0.1μg/√Hz@100Hz;④動態(tài)范圍≥120dB@100Hz。

圖4是在實驗室中利用加速度靈敏度測試裝置對陣列中16個(T1—T16)檢波器單元測得的加速度靈敏度。從圖4可以看出,各個檢波器單元在10～800Hz頻率范圍內(nèi)的加速度靈敏度起伏小于3dB,靈敏度指標(biāo)具有較好的一致性。

圖4　光纖檢波器單元加速度靈敏度測試結(jié)果

3干涉型光纖檢波器試驗及效果分析

3.1抗電磁干擾試驗

在華北某地區(qū)進行了檢波器重錘敲擊外場試驗,有一道光纖檢波器和一道動圈檢波器布設(shè)在高壓線下面,圖5為2種檢波器接收的記錄(第1道布設(shè)在高壓線下,第2道沒有高壓線)。從圖5可以看出,動圈檢波器記錄存在極為規(guī)則的50Hz干擾,這種干擾由高壓線周圍的電磁場產(chǎn)生;而在相同位置的光纖檢波器記錄則沒有出現(xiàn)這種干擾,顯示了光纖檢波器的抗電磁干擾能力。

圖5　不同檢波器接收記錄對比a 動圈檢波器; b 光纖檢波器

3.2波形特征試驗

在華北某探區(qū)對干涉型光纖檢波器、動圈式檢波器和壓電式檢波器進行了野外采集對比試驗。采用炸藥震源激發(fā)方式,接收排列為間距20cm的3個平行排列,分別布設(shè)了8道光纖檢波器、8道動圈式檢波器和8道壓電式檢波器,道間距為12.5m(圖6)。

圖6　光纖檢波器、動圈式檢波器和壓電式檢波器布設(shè)

圖7　檢波器的單道波形對比a 光纖檢波器; b 動圈檢波器

圖8　檢波器單道頻譜對比

對試驗數(shù)據(jù)進行處理和分析,分別得到了3種檢波器的單道波形和單道頻譜。圖7和圖8分別是光纖檢波器與動圈式檢波器的單道波形和頻譜響應(yīng)對比結(jié)果,前者是加速度檢波器,后者是速度檢波器。從圖7可以看出,二種檢波器記錄初至清晰,反射波形基本一致,具有較高的信噪比。從圖8 可以看出,光纖檢波器具有頻帶寬、高頻豐富的優(yōu)勢。由于光纖檢波器采集系統(tǒng)和動圈檢波器采集系統(tǒng)沒有進行同步,而是各自獨立的兩個采集系統(tǒng),采集數(shù)據(jù)是后期進行相關(guān)處理的結(jié)果,光纖檢波器與動圈式檢波器之間存在90°的相位差沒有得到表征[1],因此本文不進行相頻分析。圖9和圖10分別是光纖檢波器與壓電式檢波器的單道波形和單道頻譜對比。由于二者都是加速度檢波器,反射波形和頻譜基本一致,頻率大致相當(dāng)。

3.3一致性試驗

在同一位置放置了4個相同的光纖地震檢波器(圖11),采用相同的采集方式來對比其響應(yīng)的一致性。

圖9　檢波器的單道波形對比a 光纖檢波器; b 壓電式檢波器

圖10　檢波器單道頻譜

圖11　位于同一個測量點的4個光纖檢波器

圖12為上述4個光纖地震檢波器在同一激發(fā)因素下得到的時域和頻域響應(yīng)曲線。從圖12可以看出,4個檢波器的時間域和頻率域響應(yīng)曲線有著很好的一致性。

圖12　4個光纖檢波器的響應(yīng)曲線對比a 時間域響應(yīng)曲線; b 頻率域響應(yīng)曲線

4結(jié)束語

本文針對陸地油氣勘探開發(fā)研制的16道干涉型光纖檢波器樣機系統(tǒng)經(jīng)試驗取得了如期的效果:①作為加速度傳感器,光纖檢波器比常規(guī)動圈式速度檢波器具有更高的靈敏度、更大的帶寬和更好的高頻響應(yīng),有利于提高地震信號采集精度,改善地震勘探效果。②光纖檢波器與動圈式檢波器和壓電式檢波器采集的數(shù)據(jù)具有很好的一致性,因此具有很好的應(yīng)用前景。16道光纖檢波器樣機系統(tǒng)實現(xiàn)了地震信號采集與傳輸?shù)囊惑w化,說明大道數(shù)采集系統(tǒng)的研發(fā)具有技術(shù)可行性。

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(編輯：戴春秋)

Development and application effect analysis of fiber interferometric geophone

WU Xuebing1,2,LIU Yingming3,GAO Kan3

(1.InstituteofAcoustics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China;2.EquipmentDepartmentofSinopecGeophysicalCorporation,Nanjing211100,China；3.the23rdResearchInstitute,ChineseElectronicsTechnologyGroupCorporation,Shanghai200437,China)

Abstract:Fiber sensor has many advantages,such as sensitivity,broadband,immune to electromagnetic interference etc.Development of fiber geophone seismic acquisition system is popular in recent years.Aiming at land hydrocarbon exploration and development,sixteen-channel fiber geophone system has been designed and developed on the basis of interferometric technique of fiber.The principles and structures of the fiber interferometric geophone are presented.Field trail has been done with the sixteen-channel fiber geophone system by comparing with coiled geophone and land hydrophone.The testing indicates that the fiber geophone owns higher sensitivity,larger bandwidth and better high-frequency responses,which is beneficial for enhancing acquisition accuracy of seismic data and improving seismic exploration results,provides scientific criteria for its further promotion and application.

Keywords:geophone,sensor,interferometric fiber geophone

文章編號：1000-1441(2016)02-0303-06

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2016.02.017

中圖分類號：P631

文獻標(biāo)識碼：A

基金項目：山東省自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化專項(2014ZZCX04206)、上海市科委海洋科技研究項目(13dz1204500)聯(lián)合資助。

作者簡介：吳學(xué)兵(1969—),男,博士,主要從事物探采集裝備和方法研究。

收稿日期：2015-04-17;改回日期：2015-11-25。

This research is financially supported by Shandong Province Independent Innovation and Transformation of Achievements (Grant No.2014ZZCX04206) and 2013 Shanghai Municipal Science and Technology Commission of Marine Science and Technology (Grant No.13dz1204500).