第一期分布式光纤声学传感DAS技术的应用地震方法应用概述我很高兴向您介绍光纤分布式声传感DAS技术的一些令人惊叹的方面。为了更好地理解这项技术我将首先回顾一些使用它的不同应用程序。您可能熟悉其中一些应用程序但可能不是全部。在后续章节中我将深入探讨 DAS 物理和仪器的解释。1.1 地震监测出于多种原因我们需要记录在地球上传播的瞬态地震波。从历史上看人类一直担心地震对建筑物、基础设施和景观造成灾难性的破坏。这推动了测量设备的发展以记录和表征地面运动。从张衡在公元 132 年发明的单传感器地震仪系统Mitrica2019到目前能够检测和记录地震的美国阵列USA Array.orgBragato 等人2021USGS.gov等地震仪网络人们非常重视了解造成这些事件原因的能力。**地震是岩石因超过其强度的构造应力而破裂和屈服的结果。**在全球范围内地球构造板块的边界处于恒定应力状态这是由于将它们驱动在一起、将它们拉开或通过剪切运动相互滑动的动力造成的结果。**这些巨大的应力具有诱发大规模地震的能力。在较小的尺度上局部应力也会导致地震。每次地震造成的岩石破碎都会产生多种效应的集合里面充满了从地震震中向外传播的体波和表面波。**图 1.1 显示了地震在地球内部传播的波场的模拟。通过测量和记录所有这些地震地震学家能够解释这些波的传播路径以确定深部和浅部地球的结构。图 1.2 是许多地震波穿过地球的射线路径的示意图。你可以通过 Iris 平台近乎实时地查看地震记录网址为https://www.iris.edu/app/station_monitor/。图 1.3 是使用三分量地震仪在霍克利德克萨斯站HKT_IU记录的地震示例。**虽然目前地震的主要测量设备是地震仪但 DAS 传感器正在某些应用场景中使用特别是用于分析微地震事件和表面波。**图 1.4a 显示了光纤 DAS 系统记录的 2.6 级地震示例。在图中一根 100 km 长的光纤被记录了 3 秒其中地震振幅的增加被绘制为从绿色到红色的色移。P 波是第一个可见的事件用绿线标记S 波是第二个事件用蓝线标记。DAS 系统固有地只测量波场的单个方向分量这使得更难识别哪个到达是 P 波哪个到达是 S 波。Lindsay 等人2020研究了 DAS 系统的宽带仪器响应并将其与用于远震事件的传统地震仪进行了比较发现当 DAS 数据转换为地震响应时两者非常吻合。图 1.4b 显示了 2018 年 1 月 23 日阿拉斯加 7.9 级地震的 Guralp CMG-3T 地震仪记录第一行及其频谱图第二行。相应的 DAS 记录第三行和光谱图第四行显示了类似的波形和频谱内容这证实了其适用于记录远震事件。Aio-Franklin 等人2019描述了使用暗光纤未使用的电信光纤电缆进行地震地震学提取浅层速度剖面以及区域和远震地震。图 1.4c 显示了同一台站/阵列对各种远震事件的瑞利相位到达的比较。插图显示了站点位置箭头和 DAS 阵列几何形状。这些例子显示了地震仪和 DAS 记录之间近乎完美的匹配。社会非常关心了解地震并确定如何避免这些事件造成的破坏。图 1.5 显示了 2013 年 4 月 20 日中国庐山 6.6 级地震中受损的建筑物。图 1.6 显示了 1994 年加利福尼亚州洛杉矶北岭地区发生的 6.7 级地震中受损的汽车和建筑物该地震造成 51 人死亡7000 人受伤。图 1.7 和 1.8 显示了加利福尼亚州北岭和洛马普列塔地震造成的受损桥梁。另外我们还通过监测地震确定火山的风险。**火山的地震事件有助于了解岩浆和气体在地壳内的运动方式。能够区分火山构造、长期趋势和地震事件是预测火山爆发是否迫在眉睫的关键。**图 1.9 显示了包括地震仪在内的用于监测火山的许多技术。1.2 基础设施监控地震数据采集的其他应用包括使用部署在重要基础设施、道路和建筑物附近的传感器进行周边入侵检测。事实上Jean Perrin 于 1915 年发明了检波器用于在第一次世界大战中的部队探测Sloan 等人2021。在城市地区光纤分布式声学传感形式的地震技术可用于检测私人财产上的行人和车辆交通。在这里光缆埋在浅沟槽中或连接到围栏和建筑物上以便记录和分析入侵者的地面运动以检测和定位它们。图 1.11 显示了配备有这些系统之一的校园的一部分这几乎不可能被视觉检测到。同时可以监测振动事件以表征管道中气体和液体的流动并评估桥梁和水坝的结构完整性。图 1.12 是穿越冰岛乡村的输水管道的照片。这样的管道可以通过光纤 DAS 传感进行监测以定位可能的泄漏或动物、腐蚀、移动基础和物理攻击造成的损坏。关于使用 DAS 测量的地震监测来表征道路和人行道行人交通的学术论文很多。在城市地区通常有许多套光纤电缆被封闭在地下管道中为地区家庭和企业提供电信服务。**其中一些光纤是未使用的被称为“暗光纤”因此它们可能可用于检测系统。**可以与公用事业服务提供商进行安排以访问这些暗光纤并用 DAS 询问器系统对其进行仪器测量从而可以记录环境信号的声学测量结果。图 1.13a 显示了宾夕法尼亚州立大学校园内一个区域的地图研究人员在那里获得了暗光纤并进行了 DAS 测量。图 1.13b 显示了大约 4 分钟的记录在此期间一辆公共汽车在 9:54:30 停了下来。巴士上有七个人他们从 DAS 1391 通道向南步行直到 1451 通道左右时间大约是 9:56:04。然后在时间 9:56:30一个人开始朝相反的方向走回 1931 号通道。这个例子展示了 DAS 测量声音信号的惊人准确性和灵敏度即使是通过为其他应用设计并位于地下掩体中的光纤。**埋地光纤也可用于监测道路交通。**图 1.14a 显示了高速公路旁的 DAS 记录。图 1.14b 中的多色线显示了光纤电缆的位置其位置沿其大致 NE/SW 方向的路径呈之字形。它来回穿过这条路三次。光纤电缆西侧有一条双车道公路一条服务道路平行穿过光纤路径的中间。在图 1.14a 中纵轴是通道号横轴是跨越 30 分钟的时间。明亮的红色和黄色线条显示了汽车在 3100 号通道附近从东北方向进入光纤线路并沿道路向东南方向朝 0 号和 5500 号通道移动的地面运动。图 1.14b 中的颜色编码是当车辆位于通道 2600 附近时一个特定时间片段由图 1.14a 中大约 00:18:00 的垂直白线显示中能量的应变幅度。不断变化的北极气候条件迫使北极熊在正常栖息地之外寻找食物。为了保护格陵兰岛的北极科学站美国国家科学基金会、极地计划办公室、北极科学、研究支持和后勤计划NSF-OPP-ARC-RSL赞助了一项研究以确定光纤 DAS 入侵检测系统对监测“拜访”北极熊设施的有效性Glaser 等人2021。在一个装有 DAS 仪器的冷冻雪环境测试室中他们模拟了北极熊的四足运动特性并与人类的两足运动特性进行了对比。此外他们还考虑了可能导致系统故障的因素例如雪中潜在的光纤耦合不良以及极低温度-70 ℃对光纤对声信号灵敏度的影响。**地震测量不仅可以简单地用于检测和定位车辆和人员而且信号本身也可以用于表征近地表地球状况。**图 1.15a 显示了加利福尼亚州长滩地区高密度地震检波器网络的位置。图 1.15b 显示了该地区的地图包括当地的道路和水道。Chang 等人2016仅使用交通噪声使用记录的地表瑞利波的层析反演来提取近地下的速度剖面。图 1.15c 和 1.15d 显示了近地下速度剖面的不同视图。**光纤 DAS 系统也被用于表征近表面结构。**Ajo Franklin 等人2019描述了在地下电信系统中使用暗光纤来反转记录以使用环境噪声干涉法提取近地表结构。Fang 等人2018使用距离约 13 km 的采石场的爆破和暗光纤 DAS 地震数据来分析斯坦福大学校园内一栋建筑地下室建设所导致的近地表变化。1.3 勘探和生产应用在石油和天然气领域有几种采集的几何结构可以用于采集地震数据。第一种几何称为地表地震法Surface Seismic Method其地震传感器和震源位于地球表面或非常靠近地球表面图 1.16a。第二种几何结构称为垂直地震剖面Vertical Seismic ProfilingVSP传感器放置在钻孔中震源位于地球表面图 1.16b。对于陆地面地震检波器的情况检波器被部署在土壤环境中。或者检波器可以埋在浅孔中。对于陆地 DAS 应用案例光纤电缆放置在地面上。然而对于简单铺设在地面上的电缆耦合效果往往很差。为了解决这个问题可以挖掘浅沟槽将光纤 DAS 电缆铺设在底部并覆盖土壤。在检波器和 DAS 的应用情况下**地表震源都用于产生地震能量地震能量向下传播到地球中并反射回地表上的传感器。这些反射波经过处理后可以对地下进行成像。**震源可以是多种选择之一包括炸药等爆炸源、可控震源卡车等振动源或重量下降方式。图 1.17 显示了使用左侧 DAS 光纤电缆和右侧检波器创建的地下图像的比较。与检波器相比使用 DAS 的价值在于接收器位置的高密度这有可能创建高分辨率图像。图 1.18 显示了另一个比较使用检波器左和 DAS 光纤电缆右采集的地表地震数据的示例。在这种情况下DAS 图像显示了结构的显著细节特别是在图像的右中部。图像中存在显著差异例如 DAS 图像中缺乏非常浅的事件以及可能的结构解释存在显著差异。这些可能部分是由于光纤的响应、接收器位置的密度和处理方式等因素的影响。地震传感器无论是检波器还是光纤电缆都可以插入钻孔中以便从井的角度收集地震数据。使用这种几何形状获得的数据称为垂直地震剖面VSP。创建 VSP 图像的目标通常有几个方面1提高地下图像的分辨率2将地表地震图像更准确地与深度联系起来3从图像中删除多个反射事件。图 1.19a 显示了根据地表地震检波器数据创建的偏移图像。图 1.19b 显示了使用插入地表地震图像中间的 DAS 数据从 VSP 创建的图像。你可以清楚地看到VSP 数据中的事件似乎更连续、更清晰。**海底节点法Ocean Bottom NodeOBN是地表地震法的一种变体。**这种几何架构利用了放置在海底的独立记录单元。这些单元包含三个分量检波器和一个具有独立记录系统的水听器。在调查开始时这些装置由机器人放置在海底。一艘装有气枪震源的震源船在勘测区上空航行同时 OBN 单元记录所有的激震。随后检索 OBN 单元并处理数据以形成储层的图像。图 1.20a 显示了使用在几口井中同时采集的 DAS VSP 数据对墨西哥湾火星场the Mars Field in the Gulf of Mexico进行的偏移图像。图 1.20b 显示了从 OBN 数据创建的相同图像。**这些图像在结构上非常相似但也显示出一些显著的振幅差异这些差异很可能是由 VSP 采集几何形状施加的有限孔径引起的。**由于 OBN 接收器位于海底的广大区域而 VSP 仅在有限数量的井中有传感器**因此横向覆盖范围并不相同。**然而最大的好处是DAS VSP 测量可以以更低的成本和时间获得因为不必移动和检索 OBN 接收器。通常OBN 数据集会产生高质量的图像这些图像通常用于延时研究以确定储层的有效引流模式。不利的一面是**购买它们通常非常昂贵。时间推移或 4D 测量是通过重复对相隔一定时间间隔的同一区域进行地震采集来进行的。**为了改变生产以优化储层的排放应尽可能频繁地进行重复地震调查。然而处于经济学成本考虑规定这些调查可能每六个月或每一两年进行一次Kiyashchenko 等人2020。图 1.21 显示了一组比较使用 DAS VSP顶行和 OBN底行进行 4D 测量的显示。中心列以横截面视图显示 4D 测量图像。图 1.21b 显示了 DAS VSP 4D 图像而图 1.21e 显示了 4D OBN 图像。OBN 图像在上部1和下部2储层中具有非常清晰、分辨率高、孤立的事件。DAS VSP 图像在两个储层中都有明显的时间推移效应在两个储层之外还有其他较小但明显的时间推移效应。图 1.21a 和 1.21d 分别显示了 DAS 和 OBN 数据集通过上部1储层的地图视图。同样图 1.21c 和 1.21f 显示了通过下储层2的地图视图。由于 VSP 数据采集的孔径与 OBN 数据相比有限除了储层的变化外还有许多差异。然而储层变化的程度很容易从 DAS VSP 图像中看出这些图像的采集成本远低于 OBN 数据集。1.4 被动地震应用微地震监测、低频应变和流动噪声之前的案例使用了主动震源Active Seismic Sources。当我们只探测地震能量而不主动引入我们控制下的震源时我们称之为被动地震Passive Seismic。我将介绍的三种类型是微地震监测Microseismic Monitoring、低频应变Low-Frequency Strain和流动噪声Flow Noise。每当进行水力压裂激励时**高压流体都会被泵入井中目的是为流体在地层中的流动创造新的路径。这可以用于地热储层Geothermal Reservoirs、常规储层Conventional Reservoirs也可以用于非常规油气储层Unconventional Oil and Gas Reservoirs。**当岩石在压力下破裂时会产生微地震事件这些事件可以由井中或地表的传感器记录下来。传统上井中的三分量检波器用于监测微地震事件因为它们很容易对 P 波和 S 波进行表征和分离。出于成本原因井下只能放置有限数量的检波器。相比之下当使用光纤 DAS 技术时可以记录超过此前规模一个数量级的数据通道Willis 等人2014。图 1.22 显示了光纤 DAS 采集系统记录的微地震事件示例。请注意记录的数据范围约为 2600 个通道覆盖 8500 英尺的测量深度如蓝色大箭头所示。一个典型的检波器阵列在大约 1500 英尺的深度范围内可能只有 20 个通道如蓝色小箭头所示。处理这些微地震记录以检测 P 波和 S 波的到达可以确定每个事件的位置Hull 等人2017。图 1.23 显示了根据 DAS 光纤记录的数据定位的微地震事件的地图视图。DAS 记录的微地震事件只有一个分量与具有三个分量的检波器不同因此必须做出假设以便将事件映射到合理的启发式位置Reasonable Heuristic Locations因为它们没有受到很好的约束。**除了诱发微地震事件外水力压裂还将低时间和空间频率的应力场引入地下并从注入井向外辐射。这种应力场的结果是裂缝形成后岩石中的应变。**Jin 和 Roy2017的开创性工作表明在附近的横向监测井中用 DAS 光纤测量的应变准确地捕捉到了注入流体从注入井向监测井传播时的影响。在许多情况下似乎可以识别簇组中每个穿孔产生的单个压裂并判断其相对成功率。DAS 声学测量的另一个强大用途是监测井下流动噪声。当流体在钻孔中移动时由于湍流效应它会产生声学信号。图 1.25 显示了一个时间段水平内井的深度间隔垂直的 DAS 声学能量瀑布图示例。颜色表示 DAS 测量的噪声强度红色最强蓝色最弱。三个清晰的穿孔正在产生大量的湍流。Titov 等人2020,2022展示了使用实验室流动回路在管道中流动流体和气泡时采集的 DAS 数据。他们的目标是能够利用多相流体的特性量化管道中的声学噪声信号。图 1.26a 显示了用于在管道内流动的流体流中产生 Taylor 2 气泡的装置。包裹在管道外部的是一根橙色的光纤电缆然后将其连接到 DAS 询问器单元和记录系统。图 1.26b 显示了透明管道内一个气泡的照片其中橙色的光纤电缆可以在管道外部看到。图 1.26c 显示了处理后的 DAS 记录其中管波为垂直线气泡轨迹为对角线。作者研究了传播速度与气泡尺寸和气泡数量的关系。本章小结在本章中我分享了光纤 DAS 技术的许多应用中的一些案例。我希望至少有一些案例对你来说是新的和鼓舞人心的。**使用现有的光纤电缆系统包括陆地和海底电信光缆系统进行地震探测提供了一种机会性的、成本效益高的方法来探测事件和表征地球结构并对即将发生的海啸发出警告。**例如汤加洪加火山Hunga Tonga Volcano已经演示了使用 DAS 技术监测火山FOSA2022。安装 DAS 系统以监控建筑物、道路和管道等设施的低成本能力使其成为保护重要基础设施免受车辆、人员和动物入侵的理想选择。**DAS 技术在地震勘探和碳封存监测中的应用正在迅速增长。**表面地震方法可以使用简单地铺设在地面上的光纤这非常便宜但可能会受到声学耦合效果差的影响。**埋入光纤等解决方案可以大大提高耦合效果但这可能会受到应用许可和环境问题的阻碍。**在钻井中使用 DAS 技术要容易得多因为它被放置在井内不需要对地表进行额外的破坏。有几种不同的方法可以将光纤电缆安装在井中用于永久或临时监测目的。安装在井中的光纤电缆可用于从主动控制震源如气枪和激振器获取地震数据也可用于监测被动声源。VSP 数据集是使用有源的震源采集的以便能够获得地下的详细结构。**DAS 可以在垂直和水平井中记录微地震数据以帮助定位和表征水力压裂或沉降的程度。在监测井中采集的低频应变率数据用于绘制水力压裂过程中单个裂缝组的位置和范围。**通过使用 DAS 用光纤电缆进行监测每个射孔的流动噪声可以指示井中射孔的质量。最后我给出了一个 DAS 用于表征管道内流动液体中气泡进展的例子。在第一章中我展示了许多 DAS 技术用于惊人应用的例子其中许多我相信对你来说可能是新的。因为这项技术可以用于许多不同的目的所以即使你目前没有使用它了解更多关于你的职业生涯也是一个重要的话题。在接下来的章节中我将描述这项技术以及如何有效地使用它。第二期分布式光纤声学传感DAS技术概述为理解分布式光纤声学传感奠定基础在第一章中我介绍了 DAS 技术的许多不同应用但没有解释它与传统地震技术的不同之处也没有描述它的工作原理。在本章中我将简要介绍 DAS 技术然后在后续章节中更系统地深入探讨其中的一些细节。让我们一起更加深入2.1 传统技术与光纤技术的比较我们正处于一个技术发展的十字路口我使用物理传感器展示的许多应用包括已经开发和部署了 100 多年的水听器hydrophones、地震检波器geophones和地震仪seismometers正在被使用 DAS 技术的光纤电缆增强或完全取代。目前我们生活在一个融合的环境中在某些应用中使用单点电学传感器在其他应用中使用分布式光纤声学传感技术。用连续的光纤传感阵列取代离散传感器的举措很有吸引力这其中的原因有以下几个我将在下面详细介绍。2.1.1 成本因素转向 DAS 技术的第一个令人信服的原因是成本因素Cost Factor花费适量的资金以最有效的方式解决所需的问题。传统的地震仪设备图 2.1 和 2.2经过高度校准价格昂贵每台约10000美元。将几个高灵敏度的地震仪分布在广阔的区域以能够表征全球地球特征是具有成本效益的。相比之下我们可以通过使用主动震源和放置在地表或钻孔中的相对便宜每个约 100 ~ 1000 美元的检波器图 2.3来表征浅层 12 km地下的特征以识别水、碳氢化合物、地热和碳封存储层。在撰写本文时光纤电缆的价格约为 0.70 美元 / m。从原材料的角度来看你可以用一个检波器的价格来覆盖大约 150 m大约每 1 m 一个的密集光纤传感器阵列。对于地表地震勘探应用检波器间距通常为每 25 m 一个。因此对于 150 m 的传感器覆盖范围六个检波器的成本约为 600 美元相应的光纤电缆的成本仅为 100 美元。与检波器解决方案相比光纤电缆的传感器密度增加了 25 倍而成本节省了 6 倍。2.1.2 传感器阵列密度转向 DAS 技术的第二个令人信服的原因是传感器阵列密度Sensor Density。使用光纤电缆我们基本上可以每 1 m 进行一次测量。在某些情况下这甚至可以减小到亚米j级间距对于以低速传播的地震波传感器密度的增加允许实现对地震波进行无偏或完全采样的记录效果。这允许更准确地表征和描绘不同的地震波类型。2.1.3 对于温度的灵敏度适应性第三个令人信服的原因是对高温的耐受性更好。光纤电缆通常可以承受更高的温度-50 ℃ ~ 400 ℃和压力。相比之下检波器的最高温度额定值通常为 -40 ℃ ~ 200 ℃。对于地面应用典型的大气环境温度范围为 -30 ℃ ~ 49 ℃这种环境允许使用地震检波器或光纤阵列。然而对于钻孔环境地下温度可能会超过这些范围。**地壳上部 1000 km 的热梯度通常在 15 ℃/km 和 30 ℃/km 之间Earle2019。**对于深井9 km当光纤解决方案仍在其工作温度范围内时超过 280 ℃ 的合理环境温度很容易使地震检波器无法继续工作。2.1.4 电气和机械可靠性第四个令人信服的原因是提高了电气/机械可靠性Electrical/Mechanical Reliability。光纤电缆没有可磨损的运动部件。相比之下地震检波器的运动部件容易损坏。光纤电缆有两个可以管理与控制的固有结构弱点。**光纤电缆不得弯曲超过临界半径否则光线将不再完全包含在玻璃光纤芯中并会泄漏出去。**因此需要实施现场处理光纤电缆的程序以确保它们具有适当的弯曲半径。它们也可能因与氢气接触而受损因此必须加以管理Maida2008。2.1.5 部署的便捷性第五个令人信服的原因是易于部署。光纤的直径通常为 125 μm大约是一缕头发的直径因此其物理尺寸非常小。当然它必须装在一套保护涂层和套管内这使得它的直径稍大但仍然比地震检波器小得多体积也小得多。因此光纤电缆阵列可以很容易地部署在地震检波器部署难度更高和成本更高的位置。2.2 DAS 技术原理概述DAS 技术由五个关键方面组成光纤电缆光纤部署方法询问器单元标距长度将自然相测量值转换为应变或应变率。我将在以下部分快速概述这项技术然后在后面更详细地介绍它们。2.2.1 光纤电缆光纤玻璃芯丝状结构由包层环绕的玻璃材质芯组成如图 2.4 所示。光在玻璃光纤芯中传播周围的包层提供了能够将激光约束在纤芯之中的光学机制。使用几何光学理论包层将在所有光线角度小于临界折射角 θc 的情况下将光线保持在光纤芯内由Thévenaz2011 的方程1.1给出其中nclad 和 ncore 分别是包层和纤芯的折射率θ 是光线相对于包层的角度。角度为 0 表示光线沿光纤的轴向传播。覆层还为光纤提供了额外的机械强度。在包层外部放置塑料护套以吸收杂散光并保护其免受可能降低光纤质量的环境相互作用。光纤电缆通常包含多根光纤芯这些光纤芯一起被包裹在金属和/或塑料管中以保护它们免受机械损伤。防护凝胶通常插入光纤芯周围将光纤与套管隔开并允许它们彼此独立滑动。图 2.5 显示了中心光纤被凝胶包围的光纤电缆的横截面图。其周围是不锈钢材质内管和铝材质内管然后由外管和保护性封装包围。**FIMTFiber in Metal Tube金属管中的光纤**示例如图 2.6 所示其中几根光纤被封闭在保护性金属管中。光纤电缆中的每根光纤都可以用来测量地面的运动。**DAS 测量几乎只对光纤的纵向拉伸或压缩敏感这使其成为与光纤本身方向对齐的单分量测量。**我们通常将用于测量的光纤长度称为“传感光纤”如图 2.7 所示。用于将光从我们的测量仪器传输到传感光纤的光纤电缆通常称为脐带电缆或地面电缆。虽然我们可以在光纤电缆的这些部分进行测量但用于记录所需信号的电缆部分称为传感光纤。2.2.2 光纤部署方法使用了两种不同类型的光纤电缆进行部署。光纤电缆可以放置在表面上或附近。或者也可以将光纤电缆放入钻孔中。当光纤电缆部署在地面上时由于光纤电缆不是很重很难实现良好的耦合。图 2.8a 显示了铺设在草地上的光纤电缆它被草和树枝挡住了地面。一种相当昂贵的方法是在电缆上铺设一些额外的材料如图 2.8b 所示的木材以提高耦合质量。然而它通常埋在浅沟槽中图 2.9。研究还指出**如果光纤电缆被推入土壤中Martin2021、铺设在地面上Spikes 等人2019或在寒冷的地方铺设在地面并浇上水使其冻结则可以实现光纤电缆的良好耦合Yang2021。**当存在道路、建筑物和近地表岩石等基础设施障碍时表面光纤电缆的部署相对复杂且繁琐。然而如果在所需位置的电信光纤筒中部署了现有的光纤电缆这些问题可以得到缓解Martin 等人2017。¡对于许多勘探地震应用光纤电缆使用几种方法之一部署在井中如图 2.10 所示光纤电缆可以绑在套管外侧并胶结到井筒中图 2.10a 和 2.11。光纤电缆可以绑在生产油管的外侧图 2.10b。光纤电缆可以作为有线电缆的一个组件部署图 2.10c。光纤电缆可以被泵入井中这在**浅层 SAGDSteam-Assisted Gravity Drainage蒸汽辅助重力排水**井筒中特别有用图 2.10d。一种非常便宜的选择是以临时一次性的方式通过重力将玻璃光纤芯直接部署到井中Higginson 等人2017Green2021图 2.10d 和 2.12。将光纤部署到井中的另一种方法是使用连续油管Ellmauthaler 等人2019。**传感光纤电缆穿过连续油管Coiled Tubing**并部署到钻孔中图 2.10e 和 2.13。无论采用何种部署方式光纤本身都是感知地球运动的基础。2.2.3 DAS 询问器单元**询问器单元Interrogator UnitIU可能是 DAS 系统中最复杂的设备。**如图 2.7 所示部署的光纤传感电缆连接到地面电缆地面电缆又连接到记录车或临时工作站点内的询问器单元 IU。**询问器单元 IU 包含一个激光器该激光器是脉冲进入传感光纤的光源。**然后激光沿着传感光纤传播。在所有光纤玻璃中都有微小的杂质或玻璃折射率的变化。折射率的这些变化将导致下行激光向上发生后向散射使光纤朝向询问器单元 IU。因为折射率的这些变化几乎在光纤的整个长度上连续发生所以后向散射光将携带有关光纤从部署的光纤整个长度检测到的声学振动的信息。2.2.4 标距干涉器测量仪**干涉器测量仪是询问器单元中用于实现光学干涉测量的设备。**虽然有许多不同的方法来实现这种光学干涉测量Hartog2017。我将描述一个看起来最简单的。询问器单元 IU中的激光器如图 2.7 所示发出由单一频率组成的相干光脉冲沿传感光纤照射。由于缺陷和折射率的微小变化玻璃光纤芯的微小变化会导致激光在光纤上反向散射并再次进入询问器单元 IU。使用光学时间延迟策略将来自传感光纤中两个不同位置的光聚集在一起。来自传感光纤的后向散射光在询问器单元 IU 内被分成两条路径直接路径和延时路径。**时间延迟是由称为标距长度Gauge Length的固定长度光纤环产生的**如图 2.7 中的紫色圆盘所示。然后来自这两条路径的光被合并在一起。因为光将传播两个不同的路径长度所以光可能会彼此异相。他们将产生和进行建设性或破坏性的干预。使用显微镜载玻片和光源最容易演示这种干涉过程。图 2.14a 显示了两个显微镜载玻片相互叠放的示意图。显示了两条反射光线一条来自顶部玻片的底部另一条来自底部玻片的顶部。底部玻片的反射将相对于顶部玻片的反射发生 90° 的相位变化。此外两条光线传播的距离相差的量等于玻片之间的距离。因此当我们的眼睛或相机看到这两条光线时它们会发生干涉形成条纹或环当相位不同时是暗淡的当相位一致时是明亮的。我在图 2.14b 中设置了这个演示。上图显示了当载玻片简单地相互靠在一起时的干涉图案。或多或少有浅色和深色区域的垂直图案。在底部图像中我用左手拇指将载玻片按在一起。现在我们看到光学模式在整个载玻片上发生了变化表明载玻片相对于彼此发生了弯曲。一个完整周期白色到白色条纹或黑色到黑色条纹之间的距离与这些点上载玻片之间的距离直接相关。一个周期表示载玻片现在相隔一个光学周期。一个周期约等于 2.6 nm2.6 × 10E-09 m光速/平均光频率/ 2 3 × 10E08 m/s/576 × 1014 Hz/2。因此我们可以准确地确定载玻片之间的相对距离。回到我们的 DAS 询问器单元我们可以测量后向散射光的直线路径和通过标距延迟的后向散射光之间的光的相位角。**使用光学干涉技术我们可以非常精确地确定它们从被测光的相位角传播的距离的相对差异。**因为来自每米传感光纤的后向散射光在不同的时间返回询问器单元 IU所以可以确定每米的相位角差的测量值。当地震信号击中部署的传感光纤时它会使光纤产生局部应变使其略微变长或变短。因此光从后向散射点传播的距离将发生变化。由此产生的距离变化将改变测量的相位角从而提供了一种检测这种地震信号的方法。2.2.5 应变与应变率使用干涉仪测量光的相位角差后接下来必须将其转换为地震响应。沿传感光纤每米测量的相位角差可以使用一些简单的数学方法转换为地震信号。**SEAFOM 组织已对这一转换过程进行了标准化例如SEAFOM DAS 参数测试规范2018。**然而主要概念是将相位角转换为光纤变形的度量。光纤的应变单位或应变率由测量的相位差产生。干涉仪中两条光路的测量相位角之间的关系由SEAFOM2018给出其中 ε 为应变λ 为 DAS 系统的工作光学真空波长n 为传感光纤的折射率GL 为标距长度ξ 为各向同性材料中纵向应变的光弹性缩放因子≈ 0.78dφ 为以弧度为单位测量的光的相位角差。应变率只是应变的时间导数由下式给出方程 2.2 右侧的所有项都是常数除了相位差 dφ。这意味着应变率由来自两条路径的光的相位差随时间的变化来控制。**通常地球物理学家习惯于测量地震波的位移、速度和加速度。他们可能不熟悉应变或应变率测量。**然而如有需要应变和应变率可以转换为技术人员更加熟悉的单位我将在下一章中进行描述。本章小结在本章中我描述了构成光纤 DAS 系统的关键元素1传感光纤2光纤部署方法3询问器单元4干涉器测量仪以及5测量结果到应变应变率的转换。传感光纤有一个中心纤芯可以捕获激光使其留在玻璃光纤芯内。然后光纤被包装成多层的光纤电缆系统以保护它并使其易于运输和安装。光纤电缆可以部署在地面上或附近也可以降低并部署到井筒中。从这些不同的有利位置可以使用询问器单元获取 DAS 数据。询问器单元的核心是允许进行光学干涉测量的干涉器测量仪。光学干涉测量是一种方法它允许沿着传感光纤撞击的声能转化为应变速率的测量值。测量的应变率构成了将记录的数据用作精细采样地震波场的基础。
