光纤分布式地震波探测系统及其布设优化研究

周月

【摘 要】地震勘探属于当前最有效和最广泛的石油油气资源勘探手段，其能够利用人工方法将强大的低频声波发送到地层，遇到不同地层界面以后声波会发生不同的反射，此时提供设置不同的监测点便能够利用检波器对声波信号进行采集，而后经过加工处理形成地震资料，便于详细描述和监测油藏。光纤分布式地震波探测系统具有耐高温、灵敏度高、频带宽、不受电磁场干扰等技术优势。

【Abstract】Seismic exploration belongs to the most effective and extensive exploration means of oil and gas resources. It can use the artificial method to send the strong low-frequency sound waves to the formation， and the sound waves will reflect different reflections after encountering different formation interfaces. At this point， different monitoring points can be set up to collect acoustic signals with geophones， and then processed to form seismic data， so as to facilitate the detailed description and monitoring of reservoirs. The optical fiber distributed seismic detection system has the advantages of high temperature resistance， high sensitivity， wide frequency band and no electromagnetic interference.

【关键词】光纤分布；地震波探测系统；系统布设

【Keywords】fiber distribution； seismic wave detection system； system layout

【中图分类号】TP212 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）12-0161-02

1 光纤分布式地震波探测技术概述

1.1 光纤地震波探测技术类型

光纤地震波探测技术类型主要包括了以下几种：

①强度调制型。光纤当中的传输光强会在地震波影响下发生变化，因此监测光强变化便能够做大地震波的探测。强度调制型光纤地震波探测能够简单进行解调，比较容易实现系统，但是并不具有较高灵敏度，探测到的地震波信号亦比较弱。②干涉型。以光纤干涉仪为基础的地震检波器属于目前性能较好且发展较为成熟的地震波探测技术，其灵敏度较高，稳定性较好，因此应用范围最广。③光纤光栅型。其属于一种波长调制型传感器，具有比较良好的抗干扰性，较强的大规模组网能力，但是在探测灵敏度上仍旧存在缺陷。④分布型。上述三种类型的光纤地震波探测技术均属于点式测量，分布型光纤地震波探测技术则能够在大跨度内实现分布式的测量，可以充分发挥“传感合一”的优点，但是在探测灵敏度上亦需要提高。论文主要针对分布型地震波探测技术展开研究[1]。

1.2 光纤分布式地震波探测技术原理

光纤分布式地震波探测技术在应用当中所涉及的地震波，实际上是指压力波，即声场当中的光纤在承受一定压力的情况下其折射率便会发生变化，由此光纤内光相位便会发生相应的变化[2]。例如一束沿着光纤轴向的光传播了L长的距离以后，其光波相位的变化计算公式为：

公式①中nf的代表光纤折射率，λ代表入射光波长。

一般情况下，光纤受到了压力的作用，傳播光的相位便发生变化，计算公式为：

公式③中Δβm代表逆介电张量变化，Pmm代表弹光系数矩阵分量，Sn代表光纤应变分量。若光纤在地震波探测当中受到了声压P的作用，则光纤在各个方向上的应变会通过公式④加以表示：

由于光纤分布式地震波探测过程中光会沿着轴向传播，因此折射率即便会发生变化却仍旧呈现Δnf=Δn1=Δn2的情况。但是，光纤的轴向亦存在应变，且表现为S3=2μP/E，因此光纤长度自然会发生变化，表达式

从上述一系列公式可以发现，对光纤当中某一位置的相位变化进行测量便可以对该位置受到的外界地震波信号影响做出测量，由此便能够获得震源位置、强度、频率等信息，为石油油气的开采提供数据与信息支持。

2 光纤分布式地震波探测系统布设优化方案

2.1 现场光缆布设优化方案

光纤分布式地震波探测系统在现场光缆布设当中主要选择了超窄线宽分布反馈式激光器，其能够输出长度为1550nm的高相干连续光波，并且能够保证声光调制器具有20kHz的斩波重复频率，和200ns的脉冲宽度，布设后其采样的频率则基本上可以达到100MHz[3]。具体的现场光缆布设优化中，可以利用光纤光缆对地面以下的地震波信号加以测量，但是由于实际环境当中存在着地质条件不一、地域环境复杂等因素，为了保证测量的有效性，可以在现场布设基础上采用光缆附加尾椎式布设方法。

2.2 布设优化测试结果

布设优化实验当中将声源与传感光缆之间的垂直距离设置为L。将声源放置在图1的（1）所显示的L处，并且将L设置为10m和20m，同样将声源放置在图1（2）所显示的L处，同样设置L为10m和20m后进行数据处理，将光纤分布式地震波探测系统所获得的信号与传感器采集信号进行对比分析，具体结果如下：

①当L为10m时。光纤分布式地震波探测系统获取的震源信号可以随着时间的变化而发生变化，并且震源会在探测光缆上随着时间而发生扩散。此时探测的频域、时域对比当中，该系统所探测到的震源信号波形与电子动圈传感检测到的存在明显区别。主要原因在于L为10m时代表震源与光缆之间的距离比较近，检测过程中空间分辨率会发生多波叠加现象，因而容易出现信号变形情况[4]。

②当L为20m时。光纤分布式地震波探测系统采集的次震源信号亦会随着时间发生变化，但是其在探测光缆上随着时间而发生扩散的现象并不十分明显[5]。因此，该系统检测到的震源信号波形与电子动圈传感器检测到的并不存在明显差异。

由上述测试结果可以发现，光纤分布式地震波探测系统在布设时应该采用光缆附加尾椎式布设与野外现场埋地式布设相互联合的方式，且埋地声源与传感光缆之间的垂直距离应该设置为10m。

3 结论

综上所述，光纤分布式地震波探测系统属于一种先进的、新型的地震波探测技术系统，将光缆附加尾椎式布设与野外现场埋地式布设相互联合能够沿着光缆的分布进行完整的地震波检测，并且与传统的电子动圈传感器检测相比，光纤分布式地震波探测系统的频带更宽，测量范围更大，亦不会受到电磁场的干扰，在布设方面更具有方便性，因此更具有易于使用的优势。但是无论附加尾椎式布设或者野外现场埋地式布设的检测灵敏度均需要进一步提升。

【参考文献】

【1】刘胜，韩新颖，熊玉川，等.基于弱光纤光栅阵列的分布式振动探测系统[J].中国激光，2017，44（02）：313-318.

【2】张伟光，杨长德，王鹏.基于地震波法的底板破坏区域探测技术及应用[J].中国安全生产科学技术，2016，12（06）：77-81.

【3】李云波.新型矿井无线多通道三分量分布式地震超前观测系统设计与实验研究[J].矿业安全与环保，2015，42（05）：45-49.

【4】焦煜媛，沈旭章.利用影区地震波探测青藏高原内部下地壳低速层[J].国际地震动态，2015，04（09）：112.

【5】蔡连初，缪念有.利用地震波CT技术精细化探测隧洞间岩溶构造[J].大坝与安全，2014，11（01）：57-58.endprint