光纤地震数据采集系统及其信息采集和转换方法与流程

1.本发明属于地震数据的处理技术领域，具体涉及一种光纤地震数据采集系统及其信息采集和转换方法。


背景技术：

2.分布式光纤声波传感系统(distributed acoustic sensing，简称das)是近年发展出并在迅速发展中的高密度、低成本的地震观测技术.该系统通过提取光纤内不同时刻的背向瑞雷散射光信号之间的相位差，计算光纤各位置沿轴向的形变，从而实现光纤上各个位置的震动波场观测.由于das系统光纤展布灵活，观测采样密集，同时成本较低，而且耐受恶劣环境，数据实时传输便利，因此在诸如地下构造的面波成像、微地震监测、vsp及地面反射地震、油井生产监测等众多领域迅速展开应用，显示出巨大潜力.
3.分布式声学传感器调制解调单元将激光脉冲传输到光纤中。当这种光脉冲沿光纤传播时，光纤内的相互作用导致被称为反向散射的光反射，这是由光纤内的微小应变(或振动)事件决定的，这些事件又是由局部声能引起的。这种反向散射的光沿着光纤向上传播到调制解调单元，在那里以瑞利频率对其进行采样。激光脉冲所需的时间允许反向散射事件准确地映射到光纤距离
–
这被称为光时域反射计。当今市场上的大多数分布式声学传感系统基于称为相干光时域反射计(cotdr)或相位光时域反射计(φotdr)。
4.检波器，是检出波动信号中某种有用信息的装置。用于识别波、振荡或信号存在或变化的器件。检波器通常用来提取所携带的信息。检波器分为包络检波器和同步检波器。前者的输出信号与输入信号包络成对应关系，主要用于标准调幅信号的解调。后者实际上是一个模拟相乘器，为了得到解调作用，需要另外加入一个与输入信号的载波完全一致的振荡信号(相干信号)。同步检波器主要用于单边带调幅信号的解调或残留边带调幅信号的解调。
5.用井下铠装光缆或地面之下埋设的铠装光缆采集井中或地震数据时，铠装光缆采集的是地震波沿铠装光缆传播时引起各地震波作用位置光纤内质点的位移，即光纤的拉伸与压缩；用井下布设三分量速度检波器或地面布设的垂直速度检波器记录的是地震波传播到每个垂直速度检波器时引起检波器内部包围着磁芯的线圈随地震波波动时的上下移动的速度。此外，分布式光纤声波传感系统采集的地震纵波振幅与地震纵波的入射角θ成cos2θ的函数关系，而井下或地面布设的垂直速度检波器采集的地震纵波振幅与地震纵波的入射角θ成cosθ的函数关系，二者之间是有区别的。如果要对铠装光缆采集的光纤内质点随地震波波动时的位移数据和检波器记录的线圈随地震波波动时的上下移动的速度数据进行对比或联合处理，就需要对铠装光缆采集的井下或地面的光纤质点的位移数据进行转换。


技术实现要素：

6.为了对铠装光缆采集的光纤内质点随地震纵波波动时的位移数据和检波器记录的线圈随地震纵波波动时的上下移动的速度数据进行对比或联合处理，就需要对铠装光缆
采集的井下或地面的光纤质点的位移数据进行转换。本发明提出了一种光纤地震数据采集系统及其信息采集和转换方法，将井下或地面以下用分布式光纤声波传感光纤采集的井中地震纵波数据和地面地震纵波数据转换成与其相对应位置的井中或地面垂直速度检波器的采集的地震纵波数据，首先对井下或地面光纤采集的各测点位置的光纤位移数据进行对时间的微分处理，将其转换成与垂直速度检波器记录的地震数据相同的数据，然后根据地面震源激发下行到达井下铠装光缆和每个垂直速度检波器的下行直达纵波或上行反射纵波的入射角，分别计算不同入射角时光纤采集的井中下行直达纵波或上行反射地震纵波数据的转换系数，最后把光纤采集的下行直达纵波数据或上行反射纵波数据与转换系数相乘，即可将井下或地面光纤采集的地震纵波数据转换成垂直速度检波器采集的地震纵波数据，以便于将井下或地面用光纤采集的地震纵波数据和垂直速度检波器采集的地震纵波数据进行各种对比和联合处理。
7.为实现上述目的，本发明的具体技术方案为：
8.光纤地震数据采集系统，包括铠装光缆、多个垂直速度检波器、地面震源、调制解调仪器，所述铠装光缆尾端的光纤上安装了消光器；多个垂直速度检波器沿铠装光缆的测线等间距埋设；所述的铠装光缆内安装的是高灵敏度抗氢损的单模光纤；调制解调仪器与铠装光缆内的单模光纤相连接；
9.所述地面震源按照二维震源激发线或三维震源激发网等间距逐点布设，地面震源的间距可为3.125米，或6.25米，或12.5米，或25米，或50米；
10.作为井下光纤地震数据采集系统使用时候，还包括金属套管，每根金属套管的接箍处安装有金属卡子，把铠装光缆固定在金属套管的外侧；垂直速度检波器阵列安置在所述金属套管内；
11.作为地面光纤地震数据采集系统使用时候，包括沿地面检波器测线开挖好的浅沟，铠装光缆埋在浅沟内；在地面上，垂直速度检波器沿铠装光缆的测线等间距埋设，垂直速度检波器的间距可为3.125米，或6.25米，或12.5米，或25米；
12.所述地面震源是炸药震源或可控震源或气枪震源或重锤震源或电火花震源中的一种。
13.所述的光纤地震数据采集系统的信息采集和转换方法，作为井下光纤地震数据采集系统使用时候：包括以下步骤：
14.(a)光纤地震数据采集系统的安装；
15.把金属套管和铠装光缆同步缓慢的下入完钻的井孔里；
16.在井口把金属卡子安装在两根金属套管的连接处，固定并保护铠装光缆在下套管过程中不会旋转移动和/或被损坏；
17.用高压泵车从井底泵入水泥浆，使水泥浆从井底沿金属套管外壁和钻孔之间的环空区返回到井口，水泥浆固结后，把金属套管、铠装光缆和地层岩石永久性的固定在一起；
18.在井口处把铠装光缆内的单模光纤连接到调制解调仪器的dts信号输入端；
19.(b)逐点激发地面震源信号，调制解调仪器测量井下由地面震源激发的地震波引起的铠装光缆内光纤沿线的位移信号，井下的垂直速度检波器同步采集由地面震源激发的地震信号；
20.(c)对调制解调仪器测量的光纤沿线的位移信号进行对时间的微分处理，将所述
的光纤沿线的位移信号转变成与垂直速度检波器采集的地震数据一样的地震数据；
21.作为井下光纤地震数据采集系统使用时候，调制解调仪器处理过的地震数据和垂直速度检波器检测的数据，为井中地震数据；
22.(d)对井中地震数据进行下行直达纵波和上行反射纵波的波场分离处理；
23.(e)根据地面震源激发点的三维坐标和井中每个垂直速度检波器的三维坐标计算震源激发点的直达纵波到达每个垂直速度检波器的入射角θ，然后用下式计算步骤(d)分离处理后的井下铠装光缆采集的下行直达纵波数据：
24.a
gw
(θ)＝a
fw
(θ)(2cosθ/(1 cos2θ)
25.其中，θ是下行直达纵波的入射角，a
fw
(θ)是入射角为θ的从铠装光缆采集的井中地震数据中分离出来的下行直达纵波数据，a
gw
(θ)是入射角为θ的转换成与从井下垂直速度检波器采集的井中地震数据中分离出来的下行直达纵波数据一样的数据；
26.根据地面震源激发点的三维坐标和井中每个垂直速度检波器的三维坐标计算震源激发点的直达纵波到达地下反射面后反射回每个井中垂直速度检波器的反射纵波入射角θ，然后用下式计算步骤(d)分离处理后的井下铠装光缆采集的上行反射纵波数据：
27.a
gw
(θ)＝a
fw
(θ)(2cosθ/(1 cos2θ)
28.其中，θ是上行反射纵波的入射角，a
fw
(θ)是入射角为θ的从铠装光缆采集的井中地震数据中分离出来的上行反射纵波数据，a
gw
(θ)是入射角为θ的转换成与从井中垂直速度检波器采集的井中地震数据中分离出来的上行反射纵波数据一样的数据；
29.(f)把井中的铠装光缆采集的下行直达纵波和上行反射纵波转换成了与井中垂直速度检波器采集的下行直达纵波和上行反射纵波数据一样的数据。
30.所述的光纤地震数据采集系统的信息采集和转换方法，作为地面光纤地震数据采集系统使用时候，包括以下步骤：
31.(a)光纤地震数据采集系统的安装；
32.在地面沿设计好的二维测线或三维测网开挖浅沟，将铠装光缆埋设到浅沟内并回填浅沟压实；在地面沿已经埋设好铠装光缆的测线等间距埋设垂直速度检波器；
33.(b)逐点激发地面震源信号，调制解调仪器测量地面以下由地面震源激发的地震波引起的铠装光缆内光纤沿线的位移信号，地面布设的垂直速度检波器同步采集由地面震源激发的地震信号；
34.(c)对调制解调仪器测量的光纤沿线的位移信号进行对时间的微分处理，将所述的光纤沿线的位移信号转变成与垂直速度检波器采集的地震数据一样的地震数据；
35.作为地面光纤地震数据采集系统使用时候，调制解调仪器处理过的地震数据和垂直速度检波器检测的数据，为地面地震数据；
36.(d)对地面地震数据进行上行反射纵波的波场分离处理；
37.(e)根据地面震源激发点的三维坐标和地面每个垂直速度检波器的三维坐标计算震源激发点的直达纵波到达地下反射面后反射回地面每个垂直速度检波器的反射纵波入射角(90
°‑
θ)，然后用下式计算步骤(j)分离处理后的地面之下铠装光缆采集的上行反射纵波数据：
38.a
gs
(θ)＝a
fs
(θ)(2cosθ/(1
‑
cos2θ)
39.其中，θ是上行反射纵波的入射角，a
fs
(θ)是入射角为(90
°‑
θ)的从铠装光缆采集的
地面地震数据中分离出来的上行反射纵波数据，a
gs
(θ)是入射角为θ的转换成与从垂直速度检波器采集的地面地震数据中分离出来的上行反射纵波数据一样的数据；
40.(f)把地面之下铠装光缆采集的上行反射纵波转换成了与地面的垂直速度检波器采集的上行反射纵波数据一样的数据。
41.本发明提出了光纤地震数据采集系统及其信息采集和转换方法，将井下或地面以下用分布式光纤声波传感光纤采集的井中地震纵波数据和地面地震纵波数据转换成与其相对应位置的井中或地面垂直速度检波器的采集的地震纵波数据，首先对井下或地面光纤采集的各测点位置的光纤位移数据进行对时间的微分处理，将其转换成与垂直速度检波器记录的地震数据相同的数据，然后根据地面震源激发下行到达井下铠装光缆和每个垂直速度检波器的下行直达纵波或上行反射纵波的入射角，分别计算不同入射角时光纤采集的井中下行直达纵波或上行反射地震纵波数据的转换系数，最后把光纤采集的下行直达纵波数据或上行反射纵波数据与转换系数相乘，即可将井下或地面光纤采集的地震纵波数据转换成垂直速度检波器采集的地震纵波数据，以便于将井下或地面用光纤采集的地震纵波数据和垂直速度检波器采集的地震纵波数据进行各种对比和联合处理。
附图说明
42.图1是本发明实施例1的井下铠装光缆和井下垂直速度检波器以及下行直达纵波的示意图。
43.图2是本发明实施例1的井下铠装光缆和井下垂直速度检波器以及上行反射纵波的示意图。
44.图3是本发明实施例2的地面之下铠装光缆和地面垂直速度检波器以及上行反射纵波的示意图。
45.图4是本发明的光纤采集的地震纵波振幅和垂直速度检波器采集的地震纵波振幅随纵波入射角变化示意图。
具体实施方式
46.为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
47.在本发明中，用井下铠装光缆或地面之下埋设的铠装光缆采集井中或地震数据时，铠装光缆采集的是地震波沿铠装光缆传播时引起各地震波作用位置光纤内质点的位移，即光纤的拉伸与压缩；用井下布设三分量速度检波器或地面布设的垂直速度检波器记录的是地震波传播到每个垂直速度检波器时引起检波器内部包围着磁芯的线圈随地震波波动时的上下移动的速度。
48.如图4所示，分布式光纤声波传感系统采集的地震纵波振幅与地震纵波的入射角θ成cos2θ的函数关系曲线10，而井下或地面布设的垂直速度检波器采集的地震纵波振幅与地震纵波的入射角θ成cosθ的函数关系曲线11，二者之间的非线性差别如图4中的曲线12所
示，在纵波入射角为60度时二者的差别最大。如果要对铠装光缆采集的光纤内质点随地震波波动时的位移数据和检波器记录的线圈随地震波波动时的上下移动的速度数据进行对比或联合处理，就需要对铠装光缆采集的井下或地面的光纤质点的位移数据进行转换。
49.为了对铠装光缆采集的光纤内质点随地震纵波波动时的位移数据和检波器记录的线圈随地震纵波波动时的上下移动的速度数据进行对比或联合处理，就需要对铠装光缆采集的井下或地面的光纤质点的位移数据进行转换。
50.实施例1
51.本发明的井下铠装光缆和井下垂直速度检波器布设示意图以及下行直达纵波的示意图如图1所示。
52.图2是本发明的井下铠装光缆和井下垂直速度检波器布设示意图以及上行反射纵波的示意图。
53.光纤地震数据采集系统，包括铠装光缆2、多个垂直速度检波器5、地面震源6、调制解调仪器7，所述铠装光缆2尾端的光纤上安装了消光器4；多个垂直速度检波器5沿铠装光缆2的测线等间距埋设；所述的铠装光缆2内安装的是高灵敏度抗氢损的单模光纤；调制解调仪器7与铠装光缆2内的单模光纤相连接；
54.所述地面震源6按照二维震源激发线或三维震源激发网等间距逐点布设，地面震源6的间距可为3.125米，或6.25米，或12.5米，或25米，或50米；
55.作为井下光纤地震数据采集系统使用时候，还包括金属套管1，每根金属套管1的接箍处安装有金属卡子3，把铠装光缆2固定在金属套管1的外侧；垂直速度检波器阵列5安置在所述金属套管1内；
56.所述地面震源6是炸药震源或可控震源或气枪震源或重锤震源或电火花震源中的一种。
57.光纤地震数据采集系统的信息采集和转换方法，作为井下光纤地震数据采集系统使用时候：包括以下步骤：
58.(a)光纤地震数据采集系统的安装；
59.把金属套管1和铠装光缆2同步缓慢的下入完钻的井孔里；
60.在井口把金属卡子3安装在两根金属套管1的连接处，固定并保护铠装光缆2在下套管过程中不会旋转移动和/或被损坏；
61.用高压泵车从井底泵入水泥浆，使水泥浆从井底沿金属套管1外壁和钻孔之间的环空区返回到井口，水泥浆固结后，把金属套管1、铠装光缆2和地层岩石永久性的固定在一起；
62.在井口处把铠装光缆2内的单模光纤连接到调制解调仪器7的dts信号输入端；
63.(b)逐点激发地面震源6震源信号，调制解调仪器7测量井下由地面震源6激发的地震波引起的铠装光缆2内光纤沿线的位移信号，井下的垂直速度检波器5同步采集由地面震源6激发的地震信号；
64.(c)对调制解调仪器7测量的光纤沿线的位移信号进行对时间的微分处理，将所述的光纤沿线的位移信号转变成与垂直速度检波器5采集的地震数据一样的地震数据；
65.作为井下光纤地震数据采集系统使用时候，调制解调仪器7处理过的地震数据和垂直速度检波器5检测的数据，为井中地震数据；
66.(d)对井中地震数据进行下行直达纵波81和上行反射纵波91的波场分离处理；
67.(e)根据地面震源激发点6的三维坐标和井中每个垂直速度检波器5的三维坐标计算震源激发点6的直达纵波到达每个垂直速度检波器5的入射角θ，然后用下式计算步骤(d)分离处理后的井下铠装光缆2采集的下行直达纵波数据：
68.a
gw
(θ)＝a
fw
(θ)(2cosθ/(1 cos2θ)
69.其中，θ是下行直达纵波81的入射角，a
fw
(θ)是入射角为θ的从铠装光缆2采集的井中地震数据中分离出来的下行直达纵波81数据，a
gw
(θ)是入射角为θ的转换成与从井下垂直速度检波器5采集的井中地震数据中分离出来的下行直达纵波81数据一样的数据；
70.根据地面震源激发点6的三维坐标和井中每个垂直速度检波器5的三维坐标计算震源激发点6的直达纵波到达地下反射面后反射回每个井中垂直速度检波器5的反射纵波入射角θ，然后用下式计算步骤(d)分离处理后的井下铠装光缆2采集的上行反射纵波91数据：
71.a
gw
(θ)＝a
fw
(θ)(2cosθ/(1 cos2θ)
72.其中，θ是上行反射纵波91的入射角，a
fw
(θ)是入射角为θ的从铠装光缆2采集的井中地震数据中分离出来的上行反射纵波91数据，a
gw
(θ)是入射角为θ的转换成与从井中垂直速度检波器5采集的井中地震数据中分离出来的上行反射纵波91数据一样的数据；
73.(f)把井中的铠装光缆2采集的下行直达纵波81和上行反射纵波92转换成了与井中垂直速度检波器5采集的下行直达纵波8和上行反射纵波91数据一样的数据。
74.实施例2
75.图3是本发明的地面之下铠装光缆和地面垂直速度检波器布设示意图以及下行直达纵波和上行反射纵波的示意图。
76.光纤地震数据采集系统，包括铠装光缆2、多个垂直速度检波器5、地面震源6、调制解调仪器7，所述铠装光缆2尾端的光纤上安装了消光器4；多个垂直速度检波器5沿铠装光缆2的测线等间距埋设；所述的铠装光缆2内安装的是高灵敏度抗氢损的单模光纤；调制解调仪器7与铠装光缆2内的单模光纤相连接；
77.所述地面震源6按照二维震源激发线或三维震源激发网等间距逐点布设，地面震源6的间距可为3.125米，或6.25米，或12.5米，或25米，或50米；
78.作为地面光纤地震数据采集系统使用时候，包括沿地面检波器测线开挖好的浅沟，铠装光缆2埋在浅沟内；在地面上，垂直速度检波器5沿铠装光缆2的测线等间距埋设，垂直速度检波器5的间距可为3.125米，或6.25米，或12.5米，或25米；
79.光纤地震数据采集系统的信息采集和转换方法，作为地面光纤地震数据采集系统使用时候，包括以下步骤：
80.(a)光纤地震数据采集系统的安装；
81.在地面沿设计好的二维测线或三维测网开挖浅沟，将铠装光缆2埋设到浅沟内并回填浅沟压实；在地面沿已经埋设好铠装光缆2的测线等间距埋设垂直速度检波器5；
82.(b)逐点激发地面震源6震源信号，调制解调仪器7测量地面以下由地面震源6激发的地震波引起的铠装光缆2内光纤沿线的位移信号，地面布设的垂直速度检波器5同步采集由地面震源6激发的地震信号；
83.(c)对调制解调仪器7测量的光纤沿线的位移信号进行对时间的微分处理，将所述
的光纤沿线的位移信号转变成与垂直速度检波器5采集的地震数据一样的地震数据；
84.作为地面光纤地震数据采集系统使用时候，调制解调仪器7处理过的地震数据和垂直速度检波器5检测的数据，为地面地震数据；
85.(d)对地面地震数据进行上行反射纵波92的波场分离处理；
86.(e)根据地面震源激发点6的三维坐标和地面每个垂直速度检波器5的三维坐标计算震源激发点6的直达纵波82到达地下反射面后反射回地面每个垂直速度检波器5的反射纵波92入射角(90
°‑
θ)，然后用下式计算步骤(j)分离处理后的地面之下铠装光缆2采集的上行反射纵波92数据：
87.a
gs
(θ)＝a
fs
(θ)(2cosθ/(1
‑
cos2θ)
88.其中，θ是上行反射纵波92的入射角，a
fs
(θ)是入射角为(90
°‑
θ)的从铠装光缆2采集的地面地震数据中分离出来的上行反射纵波92数据，a
gs
(θ)是入射角为θ的转换成与从垂直速度检波器5采集的地面地震数据中分离出来的上行反射纵波92数据一样的数据；
89.(f)把地面之下铠装光缆2采集的上行反射纵波92转换成了与地面的垂直速度检波器5采集的上行反射纵波92数据一样的数据。