正演法压制分布式光纤声波传感系统“弹簧波”

谷玉田,牟风明

(1.中石化胜利油田分公司 油气勘探管理中心，山东 东营 257100；2.中石化石油工程地球物理有限公司 胜利分公司，山东 东营 257086)

1 引 言

1966年，KAO等[1]首次从理论上证明了用石英基光导纤维进行长距离光通信的可能性。光纤通讯技术的飞速发展带动了光纤传感技术的进步，分布式光纤声波传感技术(Distributed Acoustic Sensing,DAS)以连续的光纤本身作为传感器，利用相位解调技术还原传感光纤感知的外界震动[2]。分布式光纤声波传感系统(DAS)在油气勘探和生产监测领域可用于垂直地震测井、井下压裂检测、动态监测等，在施工成本、安全性和工作效率方面远优于传统传感器，在石油界已经展现出前所未有的应用前景。

从采集到的资料看，分布式光纤声波传感系统(DAS)能够获得丰富的波场信息，不仅能够接收到直达波、下行缆波、上行缆波、上行管波、下行管波等。还能接收到DAS系统特有的“弹簧波”干扰，“弹簧波”干扰能量较强，严重影响DAS资料的信噪比。如何降低干扰波能量，提高有效的上行波信噪比，成为制约DAS系统进一步推广应用的瓶颈。

国外石油公司进行了大量的基于DAS的井中地震、地面地震勘探以及微地震监测试验，采集了较好的井中地震记录[3-7]， WEBSTER等[7]和MATEEVA等[8,9]指出了DAS在VSP应用中最大的优点是一次布设多次重复观测；BAKKU[10]对影响DAS采集的因素进行了全面综合研究；FOLLETT等[11]展示了不同光缆类型的DAS采集试验结果；ANDREAS等[12]指出了对光纤冗余长度进行深度校正的必要性，并提出了引入参考物理深度点的光缆实际深度校正的方法，提高了光缆深度校正的精度； HARTOG等[13,14]对DAS系统的线性度进行了相关研究。国内相关学者开展了DAS与常规检波器的室内测试对比分析工作[15]，进行了基于相位敏感原理的DAS光纤井中地震采集[16]、光纤传感地震波接收对比试验的初步探索[17]，证明DAS初步具备了井中地震勘探的能力。在国外，率先开展光纤传感产品井下应用的是Optasense 和Silixa 公司。在国内，中石油东方物探也进行了分布式光纤系统的探索研究，进行了大量的采集和应用试验，解决了部分地质问题，取得了较好的进展，促进了分布式光纤传感技术在物探领域的应用。本文针对分布式光纤传感系统资料采集中遇到的“弹簧波”干扰，提出了一种正演模拟方法，正演“弹簧波”的干扰波场，实现“弹簧波”干扰的压制。

2 “弹簧波”波场特征分析

“弹簧波”是由于井筒弯曲，光缆与井壁耦合不严，造成光缆悬空成“弓弦”的状态引起光缆震动而形成。当震源激发时，光缆震荡产生干扰波，该干扰波的产生与井筒井况有关，在井中固定的位置产生，在固定的位置结束，被分布式光纤传感系统接收。

图1为分布式光纤系统采集的VSP资料，在深度2 530～2 840 m、2 995～3 125 m两个井段(红色框内)采集到了“弹簧波”干扰。也就是说，在这两个深度段，光缆和井壁耦合不好，形成“弹簧波”。“弹簧波”从其记录形态上看通常只有一个相位，呈“之”字走时，且其能量较强，与VSP记录观测到的多次波特征相似。从其视速度上看，其速度变化不大，当“弹簧波”下行的时候，波场形态和初至波具有较高的一致性，当“弹簧波”上行的时候，其波场与上行有效波视速度具有较高的相似性。从能量衰减规律上看，随着时间的增加，“弹簧波”能量逐渐降低，对VSP记录的干扰也逐渐降低。但“弹簧波”干扰在中浅层严重影响了VSP资料的信噪比，需要对“弹簧波”进行压制。

图1 分布式光纤系统采集的VSP资料Fig.1 VSP data collected by distributed optical fiber system

3 方法原理

由于“弹簧波”具有相位单一、视速度变化不大且能量衰减有规律的特征，在VSP记录中很容易识别，因此，可以采用正演模拟的方法，将“弹簧波”正演出来，采用模型衰减法将“弹簧波”干扰进行压制。

3.1 基本理论

地震记录上的波形是地震子波从地下许多反射面发生反射叠加形成的。反射界面反射系数绝对值决定记录振幅大小，反射系数的正负决定地震记录极性正负，反射界面深度决定到达时间。

各个地震反射子波叠加形成了最终的地震记录。用S(t)表示地震子波波形，R(t)表示地震剖面反射系数与旅行时的关系，那么地震记录f(t)形成的物理过程可以用两者的褶积[18]表示：

(1)

理论上，合成地震记录并不困难，已知地震子波和反射系数变化规律就能够计算。但是式(1)并未考虑地震波的转换以及吸收，绕射能量损失导致子波形状变化，地震子波和反射系数变化规律难以获得等因素。因此在实际生产过程中常采用雷克子波或者井旁地震道获取子波的方式。

实际生产过程中合成地震记录用的是离散式，反射系数R(t)长度为T，采样间隔为Δt，T=n·Δt。地震子波S(t)采样间隔也为Δt，长度为M,则：

(2)

3.2 正演子波的提取

实际生产过程中，正演模拟常采用雷克子波或者井旁地震道获取子波的方式。雷克子波是一种理想的地震子波，与实际资料采集到的子波往往会有一定的差异，而井旁地震道获取子波的方式，更有利于获得准确的地震子波。

要准确地模拟“弹簧波”干扰，就要获得“弹簧波”干扰的子波。为了更好地得到“弹簧波”子波，首先，对地震记录上的“弹簧波”能量衰减情况进行分析，获得“弹簧波”振幅变化规律，其次对“弹簧波”频率进行分析，提高“弹簧波”正演子波波形的准确性。

图2为“弹簧波”振幅统计规律图，其中图2(a)为带有“弹簧波”的VSP记录，图2(b)为拾取“弹簧波”走时示意图，图2(c)为初次统计的“弹簧波”振幅曲线。

图2 “弹簧波”振幅统计规律Fig.2 Statistical pattern of ‘spring wave’ amplitude

在干扰波传播过程中，其频率随能量衰减变化，其子波波形也随之变化。利用振幅衰减规律和频率变化，提取能反应干扰波真实情况的干扰波子波波形。如图3所示，为提取的受干扰子波。从图3可以看出，在提取“弹簧波”子波时，选择的数据道与其他波场干涉，导致提取出的子波形态较差，不能真实地反应干扰波场特征。

图3 受干扰的子波Fig.3 Disturbed wavelet

利用此子波进行正演模拟，获得图4(a)的“弹簧波”记录，图4(b)为包含“弹簧波”的原始地震记录，图4(c)为衰减“弹簧波”后地震记录，可以看出记录，依然存在“弹簧波”干扰的残余能量。利用被干扰波子波正演的“弹簧波”压制噪声效果较差，并且对初至波信号也有较大的损伤。

图4 正演法压制“弹簧波”记录Fig.4 Suppression of ‘spring wave’ record by forward method

2.3 正演子波的改进

对振幅衰减规律拟合不真实的问题，经过分析是从原始数据中提取的干扰波数据受到其他波场干扰导致的。经过分析，原因有二：①时窗选取不合适，拾取时窗过大会造成干扰。②选取的数据道受到其他波场干涉。

为此，针对这两个方面进行改进，重新对子波特征进行提取分析。对光缆震荡干扰波场能量衰减进行分析，图2(c)曲线右半段振幅均值出现了反转，原因是该部分记录除了“弹簧波”能量外有其他的波场进行了叠加，导致平均振幅高于“弹簧波”的真实振幅。抛弃受其他波场干扰比较严重的样点，重新对振幅衰减进行拟合。如图5所示，图5(a)为重新拟合的振幅衰减曲线，图5(b)为重新提取的“弹簧波”子波。从图5上可以看出，经重新拟合后，振幅衰减曲线光滑，地震子波波形较好。

图5 改进的正演算子Fig.5 Improved forward operator

4 实际资料应用效果分析

对采集的分布式光纤VSP数据进行效果验证。首先利用计算获得的子波及振幅衰减规律进行“弹簧波”干扰波正演模拟，并将之从实际资料采集到的数据中衰减，获得干扰波衰减后的地震记录。图6(a)为接收到的原始分布式光纤记录，图6(b)为“弹簧波”衰减后的分布式光纤记录，从对比图上可以看出，经正演法压制分布式光纤传感系统“弹簧波”干扰后，“弹簧波”得到较好的压制，剩余波场得到较好的保护。

图6 “弹簧波”衰减前后记录对比Fig.6 Comparison of records before and after ‘spring wave’ attenuation

图7为分布式光纤数据波场分离对比图，图7(a)为采集到的原始分布式光纤数据，图7(b)为压制“弹簧波”干扰后数据，图7(c)为分离出的上行波场。从图7上可以看出，经“弹簧波”干扰压制后，VSP记录信噪比明显提高，进一步进行波场分离，得到VSP资料上行波场，上行波波组特征清楚，同相轴可连续追踪。

图7 分布式光纤数据波场分离对比图Fig.7 Comparison of wave field separation of distributed optical fiber data

图8为过井分布式光纤数据VSPCDP成像剖面和地面地震剖面对比，图8(a)为分布式光纤数据VSPCDP成像剖面，图8(b)为地面地震剖面，红色区域及为VSPCDP成像区。VSPCDP剖面的主要波组特征和地面剖面的波组特征基本一致，但是地面地震中浅层具有更高的分辨率和信噪比。分布式光纤数据成像剖面较地面地震剖面还有一定差距，需要我们进一步研究分布式光纤数据的成像技术。

图8 VSPCDP剖面与地面地震剖面对比Fig.8 Comparison between VSPCDP profile and surface seismic profile

5 结 论

本文针对分布式光纤采集的“弹簧波”干扰，研究了利用正演模拟法压制噪声的技术，得出如下结论：

1)振幅衰减规律统计可以有效改进正演模拟子波，确保正演模拟的准确性。

2)正演模拟法压制分布式光纤传感系统采集到的“弹簧波”干扰，有利于有效信号的保护，实现保幅处理。

3)通过本文的技术手段，试验井分布式光纤系统采集数据获得了较好的VSPCDP成像剖面，主要波组特征和地面地震波组特征一致，资料信噪比较高。