【Silixa-案例】分布式声学传感技术（DAS）用于井间地震测量的研究突破

一、摘要

与传统地震接收器相比，采用标准震源和接收器的井间地震层析成像技术能提供更高分辨率的结果。分布式声学传感（DAS）技术在地震测量中具有实用优势，如更高的空间分辨率、可重复的测量和节省时间。本研究在Svelvik CO₂野外实验室结合常规地震震源，利用DAS技术开展P波、SH波和SV波的井间测量，通过对比螺旋缠绕和线性DAS光纤获取的数据，评估二者在井间测量中的适用性。使用受控主动震源可生成具有明确特征的高能量声信号，从而分离噪声，为后续处理提供更干净、可靠的DAS数据。P波测量的DAS响应最佳，信号可沿整个井孔（约100米）记录。不同光纤电缆的DAS数据集显示，信号入射角的变化会影响信噪比（S/N），因此在井间测量中同时记录线性和螺旋缠绕光纤数据可能有助于确保同深度源-接收路径的最佳P波响应。然而，SV波测量中线性光纤的信噪比更高。由于光纤耦合差异，沿井孔的数据质量存在波动。SH波的DAS数据信噪比较低，与传统数据一致。总体而言，DAS数据中的波到达时间与传统数据吻合。本研究证明，DAS技术可为P波和SV波震源获取高质量的井间数据，从而为时移井间层析成像提供可重复、经济高效的SV波测量方案。

二、引言

近年来，光纤分布式声学传感（DAS）作为地震传感器的应用显著发展。该技术已常规应用于垂直地震剖面（VSP）测量，并广泛用于微地震监测和近地表成像。然而，DAS在井间地震层析成像中的应用案例较少。

早期仪器的噪声基底限制了高信噪比数据的获取。此外，DAS是单分量传感器，仅对沿光纤方向的应变变化敏感。因此，理论上SH波震源不会在线性光纤中产生响应。S波数据采集尤其具有挑战性，因为井孔S波震源的功率通常低于P波震源。硬件的改进（如激光器和增强型背向散射光纤）使DAS噪声水平降低了20 dB，数据质量接近检波器。这为DAS在低信噪比场景（如环境噪声成像或井间测量）中的应用提供了可能。

井间地震层析成像可生成高分辨率二维或三维地震速度图像（P波、SH波和SV波），其分辨率取决于地震波长、井间距和波型。这种高分辨率成像对于追踪地下流体运动（如CO₂封存、增强型地热系统和油气生产）至关重要。与传统地震测量相比，井间层析成像的分辨率可提高四倍。研究表明，S波层析成像的波速对比度（3倍）显著高于P波（1.5倍），结合P波和S波数据可减少层析重建的多解性。时移井间层析成像要求测量结果可重复，因为地震波速变化引起的到达时间偏移通常较小。DAS技术通过相位相干解调器提供真实的应变或应变率数据，且光纤永久安装在井孔中，接收点位置固定，从而满足时移测量的可重复性需求。

结合主动震源可提升DAS数据质量。受控高能量声信号能有效分离噪声，并通过优化激发设计（如规避环境噪声）提高数据可靠性。此外，对S波震源进行双向激发可提升初至时间的拾取精度。

近期已有少量DAS井间P波测量的案例。Ringstad概述了本研究所用Svelvik试验场的井间测量方案，但未详述结果；Wuestefeld和Weinzierl通过建模分析了DAS响应和井间距。Butcher在浅层地热场景中发现，尽管DAS信噪比较低，但其高空间分辨率可识别比水听器更细微的特征，但这一结论受限于场地条件和光纤耦合质量。Obando在浅层地热应用中验证了DAS的井间测量可行性。在非常规油气藏中，DAS已成功用于水平井间成像。DAS的响应与入射角相关：P波遵循cos(2θ)cos(2θ)灵敏度，S波遵循sin(2θ)sin(2θ)灵敏度，同时还受震源强度、井间距和地质条件影响。

本研究评估了螺旋和线性光纤在P波、SH波和SV波井间测量中的表现，采用常规震源和新型SV波震源（由双铜线圈驱动的加速重锤）。为对比DAS数据，同步记录了传统传感器（水听器和检波器）的测量结果。

三、现场实验

试验场地

井间测量在挪威Drammensfjord出口的Svelvik CO₂野外实验室（SINTEF运营）进行。该场地是监测实验的独特平台，填补了实验室与现场中试的空白。

图1：（a）Svelvik CO₂野外实验室位置；（b）实验场地布局，包含注入井（B2）和四口监测井（M1-M4）。测量在M3和M4井间进行，M3井部署接收器，M4井部署震源

Svelvik场地包括一口中央注入井（B2）、四口监测井（M1-M4）及配套基础设施（图1）。注入井设计为微超压CO₂注入，筛管位于64-65米深度。四口监测井为PVC套管，深度约100米，呈菱形环绕注入井。监测井M3和M4距注入井约10米，M1和M2约16.5米。M1和M2井为东西走向，M3和M4为南北走向。已知存在密封黏土层（30-46米深），前期注入实验表明CO₂被截留在约35米深处。此前未提供详细的基准波速或地质分层信息。

图2：DAS光纤环路示意图。监测井标记为M1-M4，电缆类型（线性、螺旋或标准通信）已注明。光纤熔接形成单一解调环路，解调仪置于舱内

本实验在监测井M4部署常规震源，M3井部署常规接收器。各监测井中安装深度约100米的光纤电缆，包括用于DAS的单模光纤电缆（线性LIN和螺旋缠绕HWC，缠绕角60°）。LIN和HWC通过熔接形成DAS解调环路（图2）。光纤电缆通过夹具固定于套管外侧，环空填充水泥和砾石以确保与地层的耦合。

常规震源与接收器

实验采用三种井孔震源：P波电火花震源、SH波震源和SV波震源，均使用同一高压电源（1000J@5000V）。

P波震源（SBS42）基于电火花原理，通过高能等离子火花汽化水产生信号，频率可达数千赫兹，重复性高。

SH波震源（BIS-SH）产生水平极化横波（SH）和压缩波（P），需夹紧井壁以确保机械接触。SH波的质点运动方向垂直于传播方向（井间连线），通过旋转震源±90°实现双向激发，P波频率达数千赫兹，S波数百赫兹。

新型SV波震源在干孔或水孔中产生垂直极化横波（SV），仅产生微弱P波，无需定向即可夹紧井壁。通过双铜线圈驱动加速重锤实现“上”“下”双向激发。

除DAS外，M3井部署24道水听器（间距1米）记录P波，多站井孔采集系统（MBAS，含8个三分量检波站，间距2米）记录S波。地震仪采样频率为32kHz。

四、DAS采集系统

采用Silixa iDAS-MG多标距智能分布式声学传感器，标距长度3米，采样间距0.5米，采样频率16kHz。短量程长度可优化空间采样和频率响应。采集系统由震源触发，沿包含LIN和HWC的光纤环路全井段同步采集数据。

五、数据采集

图3：地震野外测量装置示意图，展示所用震源与接收器类型：(a) P波火花震源（SBS42）；(b) SH波震源（BIS-SH）；(c) SV波震源（BIS-SV）。接收器包括：(d) 水听器串（BHC5）；(e) MBAS系统（MBAS）。图中标注了P波、SH波和SV波基线测量的接收器位置

基线测量（无CO₂注入）于2021年9月14-15日在M3和M4井间进行。P波震源在M4井30-77米深度以1米间隔激发（图3）。M3井同时部署两组24道水听器（间距1米），MBAS用于SH波和SV波测量。由于传统S波测量耗时，仅针对注入段（58-72米）和黏土层下方（30-46米）两个深度区间进行2米间隔的SH/SV波测量（图3）。

所有测量中，DAS与传统系统同步记录。数据处理中考虑了井斜影响。本文重点分析不同光纤类型DAS数据的差异，以及三种震源（P/SH/SV）下DAS与传统数据的对比。

六、数据分析与结果

图4：单炮与叠加DAS数据频谱示例：(a) 66米深度P波震源下HWC数据；(b) 66米深度P波震源下LIN数据；(c) 66米深度SV波震源下HWC数据；(d) 66米深度SV波震源下LIN数据

首先对DAS数据进行频谱分析以确定最佳信号频带（图4），P波和S波分别应用100-1700Hz和20-500Hz带通滤波。

图5：(a)-(b) 66米深度P波火花震源（SBS42）DAS记录（红色十字标记为传统数据提取的走时）；(c)-(d) SH波（+）震源（BIS-SH；黑色十字标记为传统数据走时）；(e)-(f) SV波（向上）震源（BIS-SV；黑色十字标记为传统数据走时）。数据为六炮叠加结果，并经过文中所述的带通滤波（P波100-1700 Hz，S波20-500 Hz）

DAS数据中可见清晰的P波和SV波初至（图5），这与震源产生的质点运动方向与光纤一致有关。

量程长度定义了分布式测量的覆盖距离。采用短量程可优化空间采样和信号频段的频率响应。

对于线性光纤，P波火花震源产生的信号在全井段（两种光纤类型）均清晰可见。火花震源同时激发少量S波能量（可能为模式转换波），在约60ms处可见。类似地，SV数据中也可观测到P波初至。P波信号在短偏移距下呈现高频特性，但在大偏移距下表现出频散特征。SH波震源产生的质点运动方向与线性光纤垂直，因此DAS响应较弱（图5）。需注意常规SH波数据质量同样低于P/SV波勘探，且井内震源旋转引起的SH波极性反转并非始终可见。DAS数据信号初至时间与传统数据波至时间具有良好一致性（图5）。Baird理论预测了光纤对SV波应变敏感性导致的S波极性翻转现象，本实验数据中明确观测到该特征。

图6：SV波震源下线性光纤DAS数据示例，显示波峰处极性反转现象

SV数据（图6）。工程地球物理中，通常通过叠加相反方向震源激发记录识别S波。

图7：SV波震源在66米深度激发时，线性光纤DAS数据示例，展示两次叠加激发（上、下方向）的SV波偏振特性

图7展示了SV震源上下方向激发叠加的DAS数据示例，显示S波极性反转现象。因此，该方法可用于DAS光纤数据以更精确测定S波初至。

图8：单道振幅归一化波形对比（震源深度66米，接收器深度66米与58米）。数据经带通滤波处理（P波100-1700Hz，S波20-500Hz）。66米接收深度对应井间实验中的直达波路径

图8展示了66米深度炮点及58米微倾斜波路径下传统接收器与DAS光纤的归一化波形对比。所有道集（检波器与DAS）均按最大振幅归一化。信噪比（S/N）评估采用Mackens等（2014）方法，即初至最大振幅与初至前噪声平均振幅之比，S/N≥3-4视为合格。图8a与8d显示P波信号道集，其频率成分相似且S/N良好，初至时间可高精度测定。HWC光纤振幅与传统数据相当，而LIN光纤信号振幅显著偏小。图8b与8e展示SH波信号响应，整体质量较低导致S波识别困难。常规数据中SH波极性反转虽被观测到，但并非所有检波点均清晰可见（即使检波器已数值旋转至SH波偏振方向）。由于DAS光纤对垂直于光纤方向的质点运动敏感性低，SH波弱信号难以被观测。尽管HWC改变了入射角，但其响应仍低于线性电缆。图8c与8f展示SV波信号，常规数据与LIN光纤数据质量接近，而HWC光纤在同深度源-接收位置信号振幅显著降低。在58米接收深度（波路径微偏）处，常规HWC与相同波路径下，HWC与LIN电缆的常规数据信号相当，DAS数据仅存在微小正相位偏移。SV波初至识别具有高可靠性，DAS数据相对振幅与传统数据可比。通过计算各炮点叠加数据的信噪比（S/N）和均方根振幅值，评估DAS光纤在所有源-接收位置的响应特性。总体而言，叠加数据较单炮数据信噪比提升高达10dB。理论上，P波勘探中线性光纤对特定入射角波场不敏感。当震源与接收器近似同深度时，线性光纤在90°入射（电缆侧向）条件下信噪比较低。

图9：HWC与线性光纤DAS均方根振幅响应对比：(a) P波信号；(b) SV波信号（随入射角变化）。误差条表示振幅测量标准偏差

而HWC在小入射角（<55°）下对P波灵敏度更优（图9a）。值得注意的是，在线性光纤理论最佳灵敏度的低入射角区域（<55°），两者振幅响应差异甚微，但因射线路径稀少且传播距离增大导致信号衰减显著。

图10：P波与SV波信噪比（S/N）对比：(a) HWC光纤P波；(b) 线性光纤P波；(c) HWC光纤SV波；(d) 线性光纤SV波

同深度源-接收对记录表明，HWC在近侧向入射P波下信噪比（S/N）优于线性电缆。线性光纤在非侧向入射角下信噪比略高（对比图10a与10b）。对于S波勘探，线性光纤整体表现优于HWC，且LIN对SV波的响应强于HWC（图10c与10d）。相较于P波，S波（尤其是低功率SH波）信噪比较低。SV波数据质量差异虽小于P波，但线性电缆在多数入射角下性能更优（图9b、10c、10d）。

图11：16kHz采样率下3米与10米标距解调器频响特性

早期DAS技术因采集系统噪声过高难以获取高质量井间数据，但新型解调技术已实现DAS井间成像（如本实验）。增强型后向散射电缆可进一步提升数据质量，并支持更大井间距勘探。本实验DAS参数针对小尺度勘探分辨率需求设定：16 kHz采样率确保短距离走时差异的时间分辨率。图11显示，3米标距在目标信号频段（约100-2000 Hz）响应良好；10米标距虽绝对振幅更高，但频响存在多陷波。DAS参数选择需综合空间分辨率、频响特性及入射角振幅响应。本实验选用3米标距解调器，以均衡频响、保持振幅并降低噪声。

HWC在侧向入射角下P波信噪比更高（图9a），但同深度源-接收对线性光纤仍能获取高质量数据。SV波信噪比差异较小（图9b），但线性光纤整体更优。近侧向入射角下LIN与HWC数据微小差异表明，井间勘探中联合使用两种光纤可确保最佳P波响应。但SV波勘探中线性光纤信噪比更优。DAS数据初至时间与传统数据一致性良好，但存在微小差异，推测源于电缆安装特性与耦合条件：① 电缆未沿井筒连续胶结（因环空填充水泥/砾石层），导致与地层耦合不均及局部高噪声道；② 电缆通过扶正器与扎带固定。上述因素引入数据伪影，信号质量沿光纤波动且强弱信号深度一致性表明耦合非均匀。建议将电缆胶结于套管外壁以优化耦合。若标距内局部耦合差异显著，优势信号可能掩盖相邻道响应并导致初至时间跳变（因DAS为标距分布式测量）。HWC与线性光纤在相同深度观测到初至时间阶跃，证实为安装效应。鉴于DAS数据空间密度高，井间分析策略需包含单道数据剔除或降权。自动初至拾取可大幅缩减处理时间（因通道数庞大）。DAS较传统传感器具实用优势：永久布设光纤可实现时移勘探重复测量，且无需移动传感器。本实验每炮点激发4-6次，必要时可增加激发次数以提升信噪比（仅小幅增加工时）。需通过场地规划与测试确定最优参数。高分辨率成像在CO₂封存、增强型地热系统及油气开采等领域追踪流体运移尤为重要。

七、结论

为井间地震勘探对比DAS与常规（水听器/检波器）数据，联合线性与螺旋缠绕光纤DAS及传统数据，采用P/SH/SV震源研究DAS对各类震源响应及信号质量与光纤缠绕角关系。DAS系统可高信噪比记录P/SV波。HWC对侧向入射P波响应优于线性光纤，但线性光纤在SV波及非侧向P波下信噪比更高。SH波因质点运动方向、光纤取向及低源功率导致信噪比低。与传统传感器相比，DAS波形形态与初至时间一致，但信噪比通常较低（依赖震源类型、光纤类型及入射角）。采用增强后向散射工程光纤可提升信噪比。相邻道信噪比差异源于耦合效应，优化均匀耦合可降低噪声与振幅波动。DAS系统在井间勘探中优势显著：永久布设与密集采样大幅缩减工时与成本。实验表明DAS可为P/SV波井间勘探提供优质数据，联合使用线性与HWC光纤或有益于P波勘探。鉴于DAS空间密度优势，加权初至或自动拾取可优化井间层析处理。综上，DAS为P/SV波井间勘探提供了可重复、低成本的高质量数据。

研究负责人U. Koedel表示：“在我看来，这项成果彰显了创新性协作在推动科学方法发展中的力量。通过将主动震源与分布式声学传感（DAS）技术相结合，并探索螺旋缠绕与线性光纤线缆设计的协同效应，我们提出了一种全新且全面的地下成像方法。这种技术融合不仅解决了信号质量与可靠性方面的长期挑战，更为可持续能源应用开辟了新路径。传统地震技术与前沿DAS技术的协作证明，团队合作与创新视角能够彻底变革复杂技术领域。”

论文来源： https://library.seg.org/doi/abs/10.1190/tle43110726.1?journalCode=leedff

如需咨询，请联系：020-84158991/18028817056