页岩气水力压裂中微地震监测系统

1.本发明涉及一种光纤传感器领域的技术，具体涉及页岩气水力压裂中微地震监测系统。


背景技术：

2.进入21世纪以来，全球的能源勘探与开发已经从传统的常规油气领域逐渐转变到非常规油气的开发。目前页岩气、煤层气等非常规气体的储量资源总量可达921万亿方，其中仅页岩气总量就可达456万亿方，大于常规天然气资源总量436万亿方，因此，针对页岩气等非常规油气的开发是非常必要的。全球范围内，美国首先突破非常规气开采过程水力压裂微地震监测技术及开采技术，成功实现了页岩气的开采，这不仅改变了美国国内能源结构和能源战略，增强了美国在能源外交和应对气候变化等方面的主导权，而且也对全球天然气市场、能源供应格局以及地缘政治产生了重要影响。可以看到，目前页岩气开发正在成为全球能源领域的一股新热潮。
3.目前我国页岩气、页岩油等非常规油气资源储量巨大，预估地质资源总量达134万亿方，而四川省作为目前我国页岩气生产的重要基地，四川页岩气开采技术对我国的页岩气开采发展具有重要的引领意义。
4.如今页岩气的开采主要是通过水力压裂使岩石构造形成裂缝，释放天然气，而评价压裂效果的好坏主要通过压裂产生的裂缝方位、几何展布以及走向等特征，压裂效果的好坏也影响最终产能的大小。微地震监测技术是监测压裂效果的有效手段，该技术采集压裂引发的微地震波信号，分析各微震波的到达时差，结合地层模型和声波模型分析确定裂缝的方位、长度、高度及地应力方向等参数，客观评价压裂效果，有助于压裂方案设计和调整，从而提高储层压裂改造效果，实现页岩油气资源的经济高效开发，因此，获得准确的微地震波信号是实现准确微地震监测的重要前提。
5.页岩气水力压裂造成的微地震频率通常介于20hz-1600hz之间，持续时间短，传递的能量介于里氏-3级至+1级，由于其激发能量弱，经过地层传播后地震波的能量更加微弱，同时，压裂过程中形成裂缝的形状、深度、大小等特征受储层岩石力学特征、地应力以及天然裂缝分布等多因素的影响，最终得到的裂缝效果复杂多变。一般情况下，越弱的微地震事件频率越高，持续时间越短，能量越小，引起破裂的长度也越短。因此，要想获得精确的裂缝网络的形态，必须在裂纹展布区进行高密度、高灵敏度、高同步率的微震监测。所以检波器本身的性能指标对于保证地震数据的质量具有重大意义，因此，对微地震波检测的传感器必须同时具有：灵敏度高、精度高、同步性和可靠性强的特点。
6.目前用于微震监测的传感器有主要有电类传感器和光纤传感器，其中电类传感器包含模拟检波器和数字检波器。模拟检波器诸如动圈式检波器、压电式检波器等是通过电磁感应原理或晶体的压电效应等将外部信号转变为电信号，该类检波器技术成熟，但是在地震勘探环境中存在容易受电磁干扰，信号串音，漏电，噪声污染等问题；而另一类数字检波器则是采用微电子机械系统(mems)技术加工出的电容式微机械加速度计，该类检波器采
集的数据高频成分能量强，频带宽，浅层分辨率高，但在深层的信噪比相对模拟检波器来说较低，同时存在严重的面波和随机噪音干扰。
7.而光纤类传感器分为点式检波器和分布式光纤传感器，其传感机理主要是光干涉技术，即利用各种干涉结构检测因振动引起的传感光纤中光相位或偏振态变化，经过解调后重现振动信息。光纤类检波器具有极强的抗电磁干扰能力，且还具有灵敏度高、频带宽、动态范围大的优点，可以解决电类检波器易受电磁干扰的问题。其中目前应用较为广泛的点式光纤检波器可以很好的替代电类检波器，但其在工作时仍需要进行掘地将检波器掩埋在地表，存在工程量大、同步性不稳定、空间分辨率有限的问题。分布式光纤则可以获得精细的空间采样且易于复用组网，目前分布式光纤微地震监测多将光纤分布在井中或地表浅层采集微地震信息，在井中微地震监测其带来的问题是在进行微地震探测时需要为其专门钻取探测井，工程量大，耗费物力多，增加了开采成本，除此外，在钻取探测井时，并不保证探测井的位置一定可以准确的探测到震源位置；在地表浅层监测其带来的问题是需要为光纤挖掘深度约为1m左右的掩埋沟，而分布式光纤展布范围较大，这无疑增大了工程量，耗费人力物力，增加了开采成本。
8.目前分布式光纤最重要的指标是探测距离和空间分辨率，探测距离代表了分布式光纤传感器监测震源展布范围的大小，空间分辨率则代表了决定震源的定位精度。渥太华大学鲍晓毅课题组提出基于频分复用的φ-otdr传感系统，利用不同频的双脉冲作为探测脉冲，并利用移动平均和移动差分的信号处理方式，最终得到了在1.1km长度上10m的空间分辨率；电子科技大学绕云江组提出在φ-otdr传感系统中利用拉曼分布式放大技术最终实现了74km的传感长度上20m的空间分辨率，而后该组又提出基于布里渊放大和拉曼放大相结合技术最终得到传感距离为175km，空间分辨率为25m的效果。可以发现，基于光时域反射仪的分布式光纤传感系统探测距离大，但是空间分辨率较低。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种页岩气水力压裂中微地震监测系统，解决φ-otdr传感系统微地震监测空间分辨率低，井中或地表掩埋探测布置工程量大、不能准确获取探测点位置信息的问题。
10.为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：一种页岩气水力压裂中微地震监测系统，包括：光频域反射仪系统，所述光频域反射仪系统包括光源模块、第一光纤耦合器、主干涉仪模块、副干涉仪模块、光电转化模块、数据处理模块，所述光源模块连接第一光纤耦合器，第一光纤耦合器输出两路分别用于连接主干涉仪模块和副干涉仪模块，主干涉仪模块和副干涉仪模块均与光电转换模块连接，所述光电转换模块数与数据处理模块相连；双螺旋缠绕光纤检波敏感装置采用串联方式复用为光纤检波器阵列。
11.更进一步的技术方案是，光源模块包括可调谐半导体激光器，线宽100khz，扫频脉冲光扫频速率为1-100nm，最高输出功率10mw。
12.更进一步的技术方案是，主干涉仪模块包括环形器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、偏振分束器，环形器连接双螺旋缠绕光纤检波敏感装置，接收背向散射瑞利信号，主干涉仪模块为马赫-曾德尔干涉仪，其分为信号臂和参考臂，信号臂接收环形器端口输出的瑞利散射光；参考臂光路连接偏振控制器，其主要作用是通过偏振分束器后将拍频光信号
分成偏振方向正交的p光、s光，避免两个正交方向上偏振信号的叠加，消除偏振寄生边带效应。
13.更进一步的技术方案是，副干涉仪模块形式为马赫-曾德尔干涉仪，包括第四光纤耦合器、第五光纤耦合器，其中一条干涉臂连接延迟光纤，第五光纤耦合器输出的拍频信号经过光电转换后用作数据采集卡的时钟。
14.更进一步的方案是第一光纤耦合器分光比为10：90，第二光纤耦合器分光比为1：99，第三光纤耦合器分光比为50：50，第四光纤耦合器为50：50，第五光纤耦合器分光比为50：50。
15.更进一步的技术方案是，光电转化模块包括第一平衡光电探测器、第二平衡光电探测器，第一平衡光电探测器接收偏振分束器输出的传感光信号，第二平衡光电探测器接收副干涉仪模块输出的参考光信号。
16.更进一步的技术方案是，数据处理模块包括数据采集卡和计算机，数据采集卡将采集到的信息传入计算机进行振动解调。
17.更进一步的技术方案是，振动解调首先将波长域数据进行扫频非线性效应补偿，采用重采样补偿算法改善非线性效应，之后将得到的波长域数据进行互相关分析得到振动位置信息，同时将波长域信息通过相位解调得到振动信号的波形。
18.更进一步的技术方案是，双螺旋缠绕光纤检波敏感装置通过尾钉与地表耦合，无需掩埋，采用串联方式将多个双螺旋缠绕光纤检波敏感装置复用为光纤检波器阵列。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：相比φ-otdr微地震监测系统空间分辨率低，本发明采用扫频脉冲光探测，使系统空间分辨率只依赖于扫频范围而不依赖于脉宽，可以达到很高的分辨率，且通过重采样法及辅助干涉仪模块对扫频非线性效应进行了补偿；相比现有油气田在探测井中或地表掩埋布置的分布式光纤声波探测系统，本发明可以通过双螺旋缠绕光纤检波敏感装置在地表快速布置，减少了开采成本，可以依据震源位置不断优化光纤布置的位置，实现对震源的精确定位以及对震动波形的采集，为后续裂缝的识别提供基础。
附图说明
20.图1为本发明提供的页岩气水力压裂中微地震监测系统示意图。
21.图2为本发明采用的双螺旋缠绕光纤检波敏感装置示意图。
22.图3为本发明微地震监测和震源定位的系统解调算法示意图。
23.图4为本发明双螺旋缠绕光纤检波敏感装置阵列方式及微地震信息采集示意图。
24.图标：1-可调谐半导体激光器，2-第一光纤耦合器，3-第二光纤耦合器，4-第三光纤耦合器，5-环形器，6-偏振控制器，7-偏振分束器，8-第四光纤耦合器，9-第五光纤耦合器，10-延时光纤，11-第一平衡光电探测器，12-第二平衡光电探测器，13-数据采集卡，14-计算机，15-传感光纤，16-双螺旋缠绕光纤检波敏感装置，17-尾钉，18-双螺旋缠绕光纤检波敏感单元，19-主干涉仪模块，20-副干涉仪模块。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
26.实施例：
27.图1示出了本发明页岩气水力压裂中微地震的监测和震源定位系统的一个较佳实施方式，可调谐半导体激光器1发出线性扫频光脉冲信号经由第一光纤耦合器2分别进入第二光纤耦合器3和第四光纤耦合器8，线性扫频光线宽100khz，扫频速率为1-100nm；第二光纤耦合器3按照1：99分光后一路注入环形器5的端口一，传感光纤15连接双螺旋缠绕光纤检波敏感装置16，传感光纤中的背向瑞利散射光注入环形器5端口三，经由环形器5端口二注入第三光纤耦合器4，第二光纤耦合器3按照1：99分光后另一路经由偏振控制器6后注入第三光纤耦合器4，第三光纤耦合器4输出的拍频光信号经由偏振分束器7后将拍频光信号分成偏振方向正交的p光和s光，之后p光和s光注入第一平衡光电探测器11，经光电转换后将拍频信号输入数据采集卡13，信号采集后输入至计算机进行信号解调；第四光纤耦合器8与第五光纤耦合器9以及之间的延迟光纤10组成副干涉仪模块20，将输出的拍频光信号注入第二平衡光电探测器12，经光电转换后将其输入数据采集卡13作为采集卡的时钟。
28.环形器5设有三个端口，分别是端口一、端口二和端口三。
29.双螺旋缠绕光纤检波敏感装置包括两个尾钉17、设置于所述两个尾钉17之间的缠绕轴和设置于所述缠绕轴上的双螺旋缠绕光纤检波敏感单元，所述双螺旋缠绕光纤检波敏感单元的一端与环形器5相连，另一端与光纤检波器阵列中的另一个双螺旋缠绕光纤检波敏感单元相连。
30.本实施例中为降低扫频非线性效应的方法如下：将副干涉仪模块20输出的拍频信号经光电转换后输入数据采集卡13，将其作为数据采集卡13的外部触发，实现对主干涉仪模块19输出的拍频信号的等间距采样；采用重采样算法将主干涉仪模块19拍频信号重新取点采样，此时便得到等频域间隔信号，本实施例主要采用重采样算法中的nufft方法，其主要原理是将采集到的数据与窗函数卷积，然后对卷积结果进行fft运算，便得到频率均匀的主干涉仪模块19信号，再对其进行fft变化就可以将其变为距离域。
31.本实施例为提高系统的灵敏度，采用偏振分集接收装置抑制偏振衰落效应。偏振分集接收装置包括偏振控制器6、偏振分束器7、第三光纤耦合器4、第一平衡光电探测器11，偏振控制器调节光脉冲偏振态，使得参考光在s方向和p方向的光强相同，第三光纤耦合器4输出的混频信号经由偏振分束器7被分为两个正交信号，p信号和s信号，通过该方法防止两个正交方向的偏振信号的叠加，从而抑制了偏振衰落效应。
32.本实施例数据处理原理如图2所示，首先对传感信号波长域信号进行非线性效应补偿，之后同参考信号波长域分别进行fft变换得到距离域数据，再通过窗函数进行数据重组得到等频域间隔的距离域信号，之后进行解卷积便得到线性扫频信号，之后对其进行互相关解调得到振动位置，进行相位解调得到振动信号波形。
33.本实施例主要通过双螺旋缠绕光纤检波敏感装置实现对振动信号的采集，如图3所示，振动信号通过检波器尾钉17耦合地面的振动信号，并通过双螺旋缠绕光纤检波敏感单元18将振动信号耦合到传感光纤15中。双螺旋缠绕光纤检波敏感装置可以串联为检波器阵列，通过不同的布置方式实现对地表振动信号的采集。
34.本实施例的使用原理：本实施例的工作原理是通过光频域反射仪获取双螺旋缠绕
光纤检波敏感装置采集到的微地震信息，微地震信息通过尾钉17传导至双螺旋缠绕光纤检波敏感单元18，并由其耦合到传感光纤15中，光频域反射仪通过向传感光纤中发射扫频脉冲得到含有微地震信息的拍频光脉冲，对干涉仪输出信号解调之后便可得到微地震震源的位置以及振动波形信息。
35.本实施例的装配过程：如图4所示，首先在震源展布区通过传感光纤15将双螺旋缠绕光纤检波敏感单元18连接并排布阵列，将传感光纤15接入环形器5端口三，可调谐半导体激光器1发出线性扫频光脉冲信号经由第一光纤耦合器2分别进入第二光纤耦合器3和第四光纤耦合器8，线性扫频光线宽100khz，扫频速率为1-100nm；第二光纤耦合器3按照1：99分光后一路注入环形器5端口一，传感光纤15连接双螺旋缠绕光纤检波敏感装置16，传感光纤中的背向瑞利散射光注入环形器5端口三，经由环形器5端口二注入第三光纤耦合器4，另一路注入偏振控制器6后进入第三光纤耦合器4，第三光纤耦合器4输出的拍频光信号经由偏振分束器7后将拍频光信号分成偏振方向正交的p光和s光，之后p光和s光注入第一平衡光电探测器11，经光电转换后将拍频信号输入数据采集卡13，信号采集后输入至计算机进行信号解调；第四光纤耦合器8与第五光纤耦合器9以及之间的延迟光纤10组成副干涉仪模块20，将输出的拍频光信号注入第二平衡光电探测器12，经光电转换后将其输入数据采集卡13作为采集卡的时钟。
36.尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本技术公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本技术公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。