基于分布式光纤传感的地震横波数据采集系统及采集方法

摘要

本发明公开一种基于分布式光纤传感的地震横波数据采集系统及采集方法，包括沿平行于轻型铠装光缆方向布设的地面人工横波震源；轻型铠装光缆以正交方式埋设在浅地表下面采集相互正交的两个地面地震横波数据；轻型铠装光缆首端内的光纤与地面分布式光纤声波传感调制解调仪器相连。地面横波震源逐点激发时平行于轻型铠装光缆延伸方向极化，地面分布式光纤声波传感调制解调仪器采集从轻型铠装光缆内的光纤里反射回来的瑞利散射光的相位数据并进行调制解调处理，获得沿铠装光缆延伸方向极化的地面地震横波数据。本发明实现快速高效低成本的采集沿铠装光缆延伸方向极化的地面地震横波数据，提供了针对所采集的地面地震横波数据的处理方法。

说明书

技术领域

本发明属于地震勘探技术领域，具体涉及一种基于分布式光纤传感的地震横波数据采集系统及采集方法。

背景技术

地震波(Seismic Wave)是由地震震源向四处传播的振动，指从震源产生向四周辐射的弹性波。按传播方式可分为纵波(P波)、横波(S波)(纵波和横波均属于体波)和面波(L波)三种类型。地震发生时，震源区的介质发生急速的破裂和运动，这种扰动构成一个波源。由于地球介质的连续性，这种波动就向地球内部及表层各处传播开去，形成了连续介质中的弹性波。地震波的传播速度都因传播介质不同而有差异，通常与岩石类型、围限压力、岩石结构以及其他地质因素有关。

地震勘探是指人工激发所引起的弹性波利用地下介质弹性和密度的差异，通过观测和分析人工地震产生的地震波在地下的传播规律，推断地下岩层的性质和形态的地球物理勘探方法。地震勘探是地球物理勘探中最重要、解决油气勘探问题最有效的一种方法。它是钻探前勘测石油与天然气资源的重要手段，在煤田和工程地质勘查、区域地质研究和地壳研究等方面，也得到广泛应用。

地震勘探则是利用人工的方法引起地壳振动(如雷管或炸药爆炸、重锤下落或敲击、可控震源振动)，再用精密仪器按一定的观测方式记录爆炸后地面上各接收点的振动信息，利用对原始记录信息经一系列加工处理后得到的成果资料推断地下地质构造的特点。在地表以人工方法激发地震波，在向地下传播时，遇有介质性质不同的岩层分界面，地震波将发生反射与折射，在地表或井中用检波器接收这种地震波。收到的地震波信号与震源特性、检波点的位置、地震波经过的地下岩层的性质和结构有关。通过对地震波记录进行处理和解释，可以推断地下岩层的性质和形态。

地震波从本质上而言是弹性波，包括纵波和横波。因此，利用地震波了解地下介质状况的地震勘探应该是联合纵波和横波的多波勘探。尽管早在1828年左右泊松等人就已经从理论上证明了横波的存在，但由于种种原因，长期以来地震勘探一直只利用纵波进行。然而，对多波勘探的研究从未中断。近年来，随着人们认识水平的提高、勘探难度的加大和技术水平及装备的发展，多波地震勘探越来越受到重视，已经初步开始了实际应用。与三维勘探取代二维勘探一样，多波(多分量)勘探也将会逐渐取代单纯的纵波勘探。未来的地震勘探必将是多维多分量的勘探。应用纵横波资料进行综合解释可获得很多有用信息，那么，怎样进行纵横波联合地震勘探呢？最好的办法是做三分量地震勘探。

怎样进行三分量地震勘探呢？以往常规地震勘探是接收垂直地面振动的纵波(用P表示)，仅得到一个方向的资料—纵波剖面。而横波(用S表示)不像纵波那样简单，它有两个分量，一个是沿测线方向振动向地下传播的分量，用SV表示；另一个是垂直测线方向振动向地下传播的分量，用SH表示。简单地说，就是同时接收纵波和两个横波分量的勘探叫三分量地震勘探，所得到的记录叫三分量记录。三分量地震勘探需要有专用设备。

接收三个方向的波的接收装置称三分量检波器。为便于操作，通常将三个方向的检波器装在一个外壳内，称三分量检波器。其中，有一个是垂直方向的(接收P波)，两个是水平方向的(分别接收SV波和SH波)，且要求三个检波器的特性一致。

三分量震源可以用垂直可控震源和水平可控震源分别激发，在不能使用可控震源的地区，常用炸药或重锤作为P波和SV波勘探的震源。

综合应用地震纵波、横波(及转换波)所提供的与目的层相关的地质特征信息对寻找复杂的隐蔽性圈闭、构造有着十分重要的意义。目前油气勘探已转入到以复杂断块和隐蔽性油气藏为主的勘探阶段，应用三分量地震勘探技术，一是可以得到地下地层的横波信息，二是发挥三分量勘探技术优势，进行纵、横波联合勘探。

由于横波不能在液体或气体中传播，地下介质反射回到地面的反射横波在穿过含油气储层的介质时，横波会受到含油气储层岩石孔隙或裂隙中的油、气或水的影响(衰减和频散效应)，因此利用横波属性特征的变化，就可以识别地下介质孔隙中的流体特征，从而实现对含油气储层构造的综合评价和含油气储层中流体分布的准确预测。

采用三分量检波器可以采集三分量(多波)地震数据，但是布设三分量检波器存在布设成本高、施工时间过长、作业效率低的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于分布式光纤传感的地震横波数据采集系统及采集方法，利用以正交方式埋设在浅地表下面的轻型铠装光缆以及地面上均匀或非均匀布设的横波震源信号，通过分布式声波光纤声波传感(Distributed AcousticSensing－DAS)调制解调系统快速高效低成本的采集沿铠装光缆延伸方向极化的二维或三维正交分布的地面地震横波数据。

基于分布式光纤传感的地震横波数据采集系统，包括：沿平行于轻型铠装光缆方向布设并逐点激发的地面人工横波震源、埋设在浅地表下面的轻型铠装光缆以及位于地面的分布式光纤声波传感(DAS)调制解调仪器；所述轻型铠装光缆以正交方式埋设在浅地表下面采集相互正交的两个地面地震横波数据；埋设在浅地表下面的轻型铠装光缆首端内的光纤与分布式光纤声波传感调制解调仪器相连。

所述地面人工横波震源沿着二维的横波震源线或三维正交的横波震源网布设；在每个地面人工横波震源位置上激发的横波极化方向与轻型铠装光缆的延伸方向平行。

所述轻型铠装光缆埋置在浅地表下面，沿二维检波点测线或三维正交检波点测网布设；

所述的二维检波点测线或三维正交检波点测网分别与二维的横波震源线或三维正交的横波震源网平行；

所述轻型铠装光缆的尾端设有消光机构，所述的消光机构为消光器或者把光纤尾端打一个结。

所述轻型铠装光缆包括高声敏单模光纤和包裹在高声敏单模光纤外的柔性保护套，所述的柔性保护套内充填光纤膏，最外层包裹有耐磨抗压抗拉伸柔性轻型保护铠装外套。

所述地面人工横波震源的触发信号与启动分布式光纤声波传感调制解调仪器的触发信号一致。

所述的基于分布式光纤传感的地震横波数据采集系统的数据采集方法，包括以下步骤：

A1、在地表以下，将轻型铠装光缆沿二维检波点测线或三维正交检波点测网埋置；在铠装光缆的尾端设置消光机构；

A2、沿二维的横波震源线或三维正交的横波震源网上的预先设计震源点依次激发地面人工横波震源，在每个地面人工横波震源位置上激发的横波源的极化方向与轻型铠装光缆的延伸方向相平行，并将激发人工横波震源的触发信号同步传输到分布式光纤声波传感调制解调仪器的触发端口里；

A3、触发分布式光纤声波传感调制解调仪器在地面横波震源激发的同时开始同步采集地面地震横波数据。

步骤A3包括以下子步骤：

A31、分布式光纤声波传感调制解调仪器采集从轻型铠装光缆内的光纤里反射回来的瑞利散射光信号的相位数据；

A32、通过对瑞利散射光信号的相位数据进行调制解调处理，获得沿轻型铠装光缆延伸方向极化的地面地震横波数据。

步骤A32所述地面地震横波数据，包括地下介质横波弹性和粘弹性参数，获取的过程为：根据轻型铠装光缆上任意一个检波点到每个震源点的距离，地下波阻抗界面到任意一个检波点的距离，以及从该检波点检测到的从该震源点沿地下介质传播到该检波点的直达横波走时、面波走时、沿地下波阻抗界面折射到该检波点的折射横波走时和从地下波阻抗界面反射到该检波点的反射横波走时等数据，反演计算出地下介质的横波速度、面波速度、横波速度在不同方位上的速度各向异性、横波在地下介质中传播的衰减系数。

对步骤A32所述地面地震横波数据进行进一步的处理，包括地面地震横波数据的去噪处理，直达横波、折射横波和反射横波的波场分离处理，多次反射横波的消除，横波速度建模，叠前或叠后反射横波数据的时间域或深度域各向同性偏移成像处理，叠前或叠后反射横波的时间域或深度域各向异性偏移成像处理，叠前或叠后反射横波的时间域或深度域Q补偿或Q偏移成像处理，最后获得基于反射横波的地下介质的地质构造精细成像，以及从反射横波中提取的横波属性参数。

本发明的有益效果：本发明用以正交方式埋设在浅地表下面的轻型铠装光缆，替代按照检波器测线设计的要求在每个检波点布设的价格昂贵的有线或无线三分量检波器，通过对在地面分布式光纤声波传感调制解调仪器采集的从轻型铠装光缆里面的光纤里反射回来的瑞利散射光的相位数据进行调制解调处理，获得沿铠装光缆延伸方向极化的地震横波数据；具有以下优点：

1、极大的降低采集二维或三维三分量地震数据的设备成本；

2、加快施工进度、提高作业效率；

3、可以采集超高密度(米级或亚米级)或极高空间分辨率(米级或亚米级)的地面地震横波数据；

4、可以在主测线和联络线上同时采集同样超高密度(米级或亚米级)或极高空间分辨率(米级或亚米级)的地面地震横波数据。

由于横波不能在液体或气体中传播，地下介质反射回到地面的反射横波在穿过含油气储层的介质时，横波会受到含油气储层岩石孔隙或裂隙中的油、气或水的影响(衰减和频散效应)，因此利用横波属性特征的变化，就可以识别地下介质孔隙中的流体特征，从而实现对含油气储层构造的综合评价和含油气储层中流体分布的准确预测。

附图说明

图1是本发明二维分布式光纤声波传感地震横波数据采集系统布设示意图；

图2是本发明三维分布式光纤声波传感地震横波数据采集系统平面布设示意图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

本实施方案在实施时，利用正交方式埋设在浅地表下面的轻型铠装光缆2，以及平行于轻型铠装光缆2布设的地面均匀或非均匀地面人工横波震源1，地面人工横波震源1的极化方向与轻型铠装光缆2延伸的方向相平行。此系统可以直接测量地面以下介质的二维或三维地震横波速度和计算地下介质(地层或岩层)横波的弹性或粘弹性参数，可以精细准确的建立地表以下介质的二维或三维地震横波速度模型和地下介质的二维或三维横波弹性或粘弹性参数模型，用于对地面地震横波资料进行静校正处理和后续的地面地震横波数据处理及成像，比如横波各向同性波动方程或逆时深度偏移，横波各向异性波动方程或逆时深度偏移，横波Q补偿或横波Q偏移等。

主控装置可以为一个计算机控制的分布式光纤声波传感调制解调仪器3，分布式光纤声波传感调制解调仪器3为分布式光纤声波传感(DAS)调制解调仪器，该计算机控制系统实时控制所有地面地震横波数据的采集和存储，即采集数据装置与主控装置相连接，通过主控装置实现对采集数据装置的控制操作，完成地面地震横波数据的采集和存储。地面地震横波信号的传感是通过埋设在地表下的轻型铠装光缆2来实现的，此系统可以直接测量地表以下介质的二维或三维地震横波速度并计算出地下介质(地层或岩层)的横波弹性或粘弹性参数。

具体的，基于分布式光纤传感的地震横波数据采集系统，包括：沿平行于轻型铠装光缆2方向布设并逐点激发的地面人工横波震源1、埋设在浅地表下面的轻型铠装光缆2以及位于地面的分布式光纤声波传感调制解调仪器3；所述轻型铠装光缆2以正交方式埋设在浅地表下面采集相互正交的两个地面地震横波数据；埋设在浅地表下面的轻型铠装光缆2首端内的光纤与分布式光纤声波传感调制解调仪器3相连。

所述地面人工横波震源1沿着二维的横波震源线或三维正交的横波震源网布设；在每个地面人工横波震源1位置上激发的横波源的极化方向4与轻型铠装光缆2的延伸方向相平行。

所述轻型铠装光缆2埋置在浅地表下面，沿二维检波点测线或三维正交检波点测网布设；所述轻型铠装光缆2的尾端设有消光机构5，所述的消光机构5为消光器或者把光纤尾端打一个结。

所述轻型铠装光缆2包括高声敏单模光纤20和包裹在高声敏单模光纤20外的柔性保护套21，所述的柔性保护套21内充填光纤膏，最外层包裹有耐磨抗压抗拉伸柔性轻型保护铠装外套22。

所述地面人工横波震源1的触发信号与启动分布式光纤声波传感调制解调仪器3的触发信号一致。

所述分布式光纤声波传感调制解调仪器3是基于高性能相位解调的时域光反射仪Φ-OTDR技术。并且采用了在光纤中注入副载波、高能量、高消光比、高光学信噪比、高相干光脉冲来实现高性能Φ-OTDR技术，以便从极弱的瑞利散射干涉信号中精确地提取相位变化信息。另外在掺铒光纤放大器中引入新型长周期光纤光栅滤波器来实现低噪声光放大技术，有效降低分布式光纤声波传感调制解调仪器3系统中光信号放大的噪声以提升光学信噪比。同时采用了多频、高相干、低噪声探测光脉冲来实现多频光脉冲抗衰技术，以便有效抑制瑞利散射信号随机衰落对系统性能的劣化影响。最后引入反馈控制电路，进行反馈控制，使干涉仪始终工作在稳定的光程差状态，利用干涉仪主动稳定技术有效抑制外界干扰信号对系统稳定性和信号保真度的影响。

所述用于触发分布式光纤声波传感调制解调仪器3在地面人工横波震源1激发的同时开始同步采集地面地震横波数据的触发信号，是与地面人工横波震源1触发信号一致的信号，可以通过有线或无线的方式发送到分布式光纤声波传感调制解调仪器3的触发端口里作为启动分布式光纤声波传感调制解调仪器3采集地震横波数据的触发信号。

在工区地面上连接轻型铠装光缆2首端内光纤的分布式光纤声波传感调制解调仪器3接收轻型铠装光缆2中因地震横波的波动传播引起的光纤上各点的背向瑞利散射波的相位变化信息，通过仪器内的调制解调电路和数据处理软件，将接收到的光纤背向瑞利散射波的相位变化信息转换成地震横波的实际震动信号，并将此模拟震动信号通过模数转换电路转换成数字地震横波信号，然后将数字地震横波信号存储到计算机中用于后续的数据处理工作。

具体为，如图1或图2所示，施工队事先在工区内按照施工设计用小型挖沟机或人工沿检波点测线挖出过所有检波点的一条几十公分深的连续浅沟，或者挖出相互正交的几十公分深的连续浅沟，在浅沟里面布设轻型铠装光缆2，然后将布设在浅沟里面的轻型铠装光缆2用泥沙掩埋起来，最后在轻型铠装光缆2的尾端设置消光机构5，用以消除光纤在该尾端点的强反射信号。在工区地面上均匀或非均匀布设好地面人工横波震源1。把轻型铠装光缆2的首端光纤连接到安置在工区地面上的分布式光纤声波传感调制解调仪器3。

随后在二维或三维地震横波勘探作业时，用地面人工横波震源1分别在工区内布设的震源点上进行激发，连接轻型铠装光缆2首端光纤的分布式光纤声波传感调制解调仪器3则同步记录在每个震源点激发的地震横波信号。

具体为，如图1所示，地面人工横波震源1在地面激发的横波从地面向地下传播的直达下行横波，会被埋设在地表下连续浅沟里面的轻型铠装光缆2感应到。由于基岩或波阻抗界面上方的地层与基岩或基岩下面更深处岩层的波阻抗界面下覆地层的波阻抗有差异，从地面下行的直达横波在遇到地下基岩界面或波阻抗界面后，会根据菲涅尔定律从基岩界面或波阻抗界面向上反射回地面，反射回地面的上行反射横波会被埋设在地面以下浅沟里面的轻型铠装光缆2感应到。当轻型铠装光缆2感应到下行的直达横波和上行的反射横波时，轻型铠装光缆2上各点(各位置)会随着横波波动的极化和传播而产生相同频率的应变(拉伸或压缩)，此应变会造成轻型铠装光缆2内各点(各位置)的背向瑞利散射波的相位发生相应的变化，连接轻型铠装光缆2首端的分布式光纤声波传感调制解调仪器3可以检测到此相位的变化，通过仪器内的调制解调电路和数据处理软件，将接收到的轻型铠装光缆2内各点(各位置)的背向瑞利散射波的相位变化信息转换成同频率的横波的实际极化和震动信号，并将此模拟横波震动信号通过模数转换电路转换成数字横波信号，然后将数字横波信号存储到计算机中用于后续的数据处理工作。

根据理论分析可知，一段直光纤能够感应到的震动信号的灵敏度与震动信号传播方向或极化方向和光纤的延伸方向的夹角θ依从(存在)cos

对采集的地面地震横波数据的处理过程为：

S1、对地面人工横波震源1位置采集的地面地震横波数据进行处理；

S2、根据从地面人工横波震源1到达每个沿检波点测线埋设的轻型铠装光缆2上的震动信号检测点的直达横波走时和地面人工横波震源1到每个已知的检波点的距离，可以非常准确容易的计算出从地面人工横波震源1到达每个已知检波点的地震横波的平均速度。

S3、根据在地面人工横波震源1位置激发的向下传播的直达横波和向上传播的反射横波到轻型铠装光缆2的横波走时和地下基岩面上或波阻抗界面上的反射点的埋深计算出地震横波在此检波点位置的垂直横波的平均速度。

S4、对于沿二维地震剖面的检波点测线采集的地面地震横波数据，可以根据地面人工横波震源1到达检波点的地震横波的走时和地面人工横波震源1到检波点的距离计算出地震横波在此检波点位置的横波的速度，也可以利用在地面人工横波震源1左右两侧的轻型铠装光缆2里接收到的直达横波的走时以及从地面人工横波震源1到其左右两侧检波点的距离，计算出地震横波从地面人工横波震源1沿地震横波的传播方向传播到其左右两侧检波点之间的速度。如果地下介质的地震横波速度是均匀的，则垂直传播和沿不同水平方向传播的横波的速度就会是一样的，就没有横波速度的各向异性。如果地下介质的地震横波速度是非均匀的，那么在检波点位置测量到的垂直地震横波速度和不同水平方向或者接近水平方向或大角度入射的地震直达横波的速度就不一样。根据这种在同一介质中沿不同方向传播的地震横波的速度不一致现象，可以计算出地震横波速度沿二维剖面的速度各向异性。

S5、对于在三维地震工区采集的地面地震横波数据，可以根据地面人工横波震源1激发的下行直达横波和从基岩面或波阻抗界面上行反射横波到检波点的走时和地面人工横波震源1到检波点的距离以及基岩面或波阻抗界面到检波点的距离，计算出地震横波在此检波点位置的垂直横波的速度，也可以利用在地面人工横波震源1周围(前后左右)的轻型铠装光缆2里检测到的直达横波的走时以及地面人工横波震源1到周围(前后左右)的轻型铠装光缆2里检波点的距离，计算出地震横波从人工激发地面横波震源1沿横波的不同传播方向传播到周围轻型铠装光缆2里检波点的水平横波的速度。如果地下介质的地震横波速度是均匀的，则垂直传播和沿周围水平方向传播的横波的速度就会是一样的，就没有横波速度的各向异性。如果地下介质的地震横波速度是非均匀的，那么检波点位置测量到的垂直地震横波速度和不同水平方向或者接近水平方向或大角度入射的地震横波的速度就不一样。根据这种在同一介质中沿不同方向传播的地震横波的速度不一致现象，可以计算出地震横波速度在三维空间的横波速度各向异性及其分布特征。

S6、对于沿二维地震剖面的检波点测线采集的地面地震横波数据或在三维地震工区采集的地面地震横波数据，可以根据在不同检波点记录的地面地震横波的振幅和频谱变化的特征，用频谱比值法或质心频移法或频谱拟合法计算或提取地下介质的地震横波衰减系数或横波Q值。

本发明实施例提供的利用地面以下连续浅沟里埋设的轻型铠装光缆2，均匀或非均匀布设在工区地面人工横波震源1，并利用分布式光纤声波传感调制解调仪器3直接测量地面地震横波数据并计算地下介质(地层或岩层)的二维或三维地震横波速度、地震横波各向异性和地震横波衰减系数或横波Q值，可以精细准确的建立地表以下介质的二维或三维地震横波速度模型和地下介质的二维或三维横波弹性或粘弹性参数模型，用于对地面地震横波资料进行静校正处理和后续的地面地震横波数据的处理和成像，比如各向同性横波波动方程或横波逆时深度偏移，各向异性波动方程或逆时深度偏移，横波Q补偿或横波Q偏移等。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。