基于MEMS光纤检波器的井中地震数据采集装置及采集方法与流程

本发明属于井筒地球物理勘探技术领域，特别涉及一种基于mems光纤检波器的井中地震数据采集装置及采集方法。

背景技术：

井中地震技术包括垂直地震剖面技术(vsp)、井间地震技术和井中微地震监测技术。垂直地震剖面技术是是目前探测地下地质结构的最直接，有效和可靠的地球物理勘探方法之一。它的基本原理和实施方法是将多个井中三分量地震检波器按一定间隔放在钻井中不同深度，在地面或水面井口附近或其邻近区域进行单点或多点的地震震源激发。激发产生的地震波向地下传播，当地震波遇到不同的地质界面就形成折射和反射。所有的地震波信号经过钻井中的检波器时为检波器接收和记录。对接收的地震波信号进行数学处理我们可以得到地下不同深度岩石的物理特性。如果地下检波器和地面震源的数目足够多，我们就可计算出地下地质界面一维，二维或三维的几何位置和物理特性。这种方法的优点是所获得的地下地质结构物理特性的信息详细和准确。它的缺点是必须有钻井，而且只能得到钻井附近地下的地质结构物理特性的资料。

目前行业内使用最广泛的就是常规的井中三分量检波器采集井中地震(vsp)数据。三分量检波器是多波勘探时使用的特种检波器。与单分量的常规地震检波器不同，每个检波器内装有三个互相垂直的传感器，以记录质点振动速度向量的三个分量，用于同时记录纵波、横波、转换波。常规的检波器主要是由外壳、圆柱行磁钢、环行弹簧片和线圈等组成。磁钢被垂直的固定在外壳中央，线圈通过上下两个弹簧片与外壳做软连接，使它置于磁钢和外壳之间环行磁通间隙间，能够上下移动。当地震波传到地表观测点时，检波器外壳连同磁钢随之发生震动，线圈则由于惯性而滞后于磁钢，形成二者之间的相对运动。在这样的运动中，线圈切割磁力线产生感应电动势，输出与震动周期相对应的电流信号，通过专门的仪器可将这些信号放大并记录下来，从而实现了将地面振动信号转化为电振动的机电转换，拾取到了地震波。这类检波器输出的信号电压和其振动的位移速度有关，因此称为速度检波器。这类检波器的特点是：它的输出电压反映检波器外壳的位移随时间的变化率即速度，其性能指标包括固有频率，灵敏度，线圈自流电阻，阻尼，谐波畸变和寄生共振。从实际上考虑还有耐用性，大小和形状。一般来说，对于检波器的大小和形状，用户没有多少选择的余地。通常选用灵敏度高(阻尼约为0.6)、谐波畸变小、寄生共振频率在记录频率之外，并且耐用性好的检波器。对不同型号的检波器的寄生噪声做对比，发现固有频率为100hz的检波器不但可以消除低噪声，而且可将频带展宽到650hz左右。为了记录井下检波器感应到的震动信号，井下检波器阵列内还设置有检波器输出的模拟信号放大、滤波、去噪、模数转换、数据存储和数据传输等电路模块，以便将井下三分量检波器阵列采集到的井中地震数据通过数千米长的铠装测井电缆传送到井口旁边仪器车上的采集控制计算机里存储起来。由于深井下的高温高压作业环境，要求井下三分量检波器阵列要能够在井下长期稳定可靠的工作，这样的要求给井下三分量检波器阵列的研制带来了很大的困难。井下常规三分量检波器阵列里面的电子器件难以在高温环境下长期工作，另外目前井下三分量检波器阵列采集的井中地震数据完全靠铠装测井电缆从井下向地面传输，由于长距离(数千米)电缆数据传输的局限性，没有办法实现井下大量数据向地面的高速传输。上面这些因素极大的限制了井下三分量检波器阵列技术的发展和推广应用。

技术实现要素：

为了解决井下常规三分量检波器和井中地震数据采集仪器不能在高温井里长时间作业和目前长距离电缆数据传输能力有限的瓶颈困难问题，本发明提出了一种基于mems光纤检波器的井中地震数据采集装置及采集方法，通过在井中阵列式三分量光纤地震信号接收采集装置内采用一种耐高温的基于mems光纤检波器、耐高温的三分量光纤姿态传感器、光电复合缆、井口附近的光纤井中三分量地震数据采集控制和分布式光纤声波传感(das)与光纤mems加速度计复合调制解调仪器，实现超深超高温井里的井中三分量地震数据的采集、三分量光纤检波器以上全井段的das-vsp数据采集和高密度高频率采集的大量数据从井下到井口的高速传输，解决井下阵列式常规三分量检波器里面的电子器件难以在高温环境下长期工作和井下大量数据向地面的高速传输的瓶颈问题。

本发明还提供了基于mems光纤检波器的井中地震数据采集装置及采集方法，可采集地下井中全波场(三分量)地震信号，对后续实现储层参数的解释与评价、对地层含油气的解释与评价以及井周围高分辨率地质构造成像提供参考数据。

光纤地震检波器具有灵敏度高、频带宽、高频响应好、具有平坦的频率特性响应、相位呈线性变化、技术参数一致性好、性能稳定可靠、井下无源、耐腐蚀、耐高温的优势，是地震检波器技术的发展方向。光纤检波器比常规的检波器具有更高的灵敏度、更好的高频响应特性，可实现多通道、大数据量、高速传输。而且由于前端没有电子元件，使其具有更高的可靠性，耐高温高压，无需供电，防水耐腐蚀，可长期布放，抗电磁干扰，通道串扰小。

本发明采用的技术方案之一为：

基于mems光纤检波器的井中地震数据采集装置，包括：地面人工震源和多个井中三分量光纤地震信号接收采集短接，所述井中三分量光纤地震信号接收采集短接通过铠装光电复合缆与井口附近的地面复合调制解调仪器相连接，所述的地面复合调制解调仪器为光纤井中地震数据采集控制和分布式光纤声波传感与光纤mems加速度计复合调制解调仪器，所述铠装光电复合缆控制井中三分量光纤地震信号接收采集短接在井中的深度位置，并用于同步采集das-vsp数据；

所述的井中三分量光纤地震信号接收采集短接内安装有三分量光纤地震信号传感器模块、三分量光纤姿态传感器。

其中，所述三分量光纤地震信号传感器模块包括多个光纤mems加速度计，多个光纤mems加速度计采用了三轴分立式结构。

进一步的，所述三分量光纤地震信号传感器模块包括6个或12个光纤mems加速度计组成，每个分量方向各由一对或两对光纤mems加速度计并联叠加构成。

相邻的井中三分量光纤地震信号接收采集短接之间通过铠装光电复合缆相连接，间距为5米到20米之间。

优选的，所述三分量光纤地震信号传感器模块安装在井中三分量光纤地震信号接收采集短接的中部，光纤mems加速度计通过铠装光电复合缆与地面复合调制解调仪器相连接，光纤mems加速度计的下方安装三分量光纤姿态传感器。

进一步的，所述井中三分量光纤地震信号接收采集短接中部有推靠机构，所述的推靠机构为推靠装置，或者弓形弹簧片、电磁铁吸附装置中的一种；所述的推靠装置机械推靠装置、机电推靠装置、电磁推靠装置、液压推靠装置中的一种；所述的推靠机构用于将井中三分量光纤地震信号接收采集短接推靠或吸附在井下套管内壁上或井壁上；所述的推靠机构与铠装光电复合缆连接。

本发明还提供一种利用所述的基于mems光纤检波器的井中地震数据采集装置的采集方法，包括以下步骤：

a、停在井口旁边的仪器车逐级将井中三分量光纤地震信号接收采集短接下放到井底或待测井段，仪器车内的地面复合调制解调仪器通过铠装光电复合缆启动每个推靠机构将井中三分量光纤地震信号接收采集短接紧紧的推靠或吸附在套管内壁或井壁上，然后启动井中三分量光纤地震信号接收采集短接进行仪器状态自检，确保每级井中三分量光纤地震信号接收采集短接都与套管内壁或井壁有良好的推靠耦合并且工作正常；

b、所述地面人工震源按照施工计划在钻井周围设置的震源点逐点依次进行激发，所述井中三分量光纤地震信号接收采集短接在井底或待测井段按一定的点距逐点采集地面人工震源激发的全波场三分量井中地震数据，铠装光电复合缆则同步采集井中三分量光纤地震信号接收采集短接以上全井段的das-vsp数据；

c、所述三分量光纤姿态传感器同步采集每级井中三分量光纤地震信号接收采集短接在数据采集位置的三分量姿态和方位数据；

d、所述井中三分量光纤地震信号接收采集短接将步骤b采集的三分量井中地震数据、将步骤c采集的井中三分量光纤地震信号接收采集短接的三分量姿态和方位数据、三分量光纤检波器以上全井段的das-vsp数据通过铠装光电复合缆传输至地面井口附近的地面复合调制解调仪器里，然后经过调制解调转换成相应深度的井下三分量地震数据和三分量光纤检波器以上全井段的das-vsp数据；

e、根据三分量光纤姿态传感器采集的井中三分量光纤地震信号接收采集短接在数据采集位置的三分量姿态和方位数据，将步骤d中相应深度的井下三分量地震数据通过旋转投影变换成相应深度的井下三分量地震数据，井下沿垂直方向和与地平面平行的两个正交水平方向的三分量井中地震数据，以及三分量光纤检波器以上全井段的井中垂直方向上的das-vsp数据；

f、将步骤e中转换成相应深度的井下三分量地震数据进行井中地震数据处理，比如通过拾取从地面震源激发点到达每个井下三分量光纤检波器或井下铠装光电复合缆上的直达井中地震纵波和横波的初至时间，然后根据地面震源激发点到每个检波器的直线距离，就可以计算出地下介质的纵波和横波速度；通过进一步的井中地震数据处理，获得地下介质的纵横波速度比、纵横波波阻抗、纵横波各向异性系数、纵横波衰减系数、纵横波弹性参数、纵横波粘弹性参数、地震属性数据、井周围高分辨率地质构造成像、获取反褶积算子、进行井控速度建模、地层划分、层析成像、全波形反演成像，以及对地面地震数据进行静校正处理、高频恢复、多次波消除、反褶积处理，根据井中纵横波速度数据、纵横波层析成像数据和全波形反演成像数据建立的最优纵横波速度模型，然后进行纵横波各向异性偏移、纵横波q补偿或纵横波q偏移，提高地面地震数据的处理精度和品质。

本发明的有益效果：本发明通过在井中阵列式光纤三分量地震信号接收采集装置内采用一种耐高温的基于mems光纤检波器、耐高温的三分量光纤姿态传感器、光电复合缆、井口附近的光纤井中地震数据采集控制和分布式光纤声波传感(das)与光纤mems加速度计复合调制解调仪器，实现超深超高温井里的井中三分量地震数据的采集、三分量光纤检波器以上全井段的das-vsp数据采集和高密度高频率采集的大量数据从井下到井口的高速传输，解决井下常规三分量检波器阵列里面的电子器件难以在高温环境下长期工作和井下大量数据向地面的高速传输的瓶颈问题。光纤地震检波器具有灵敏度高、频带宽、高频响应好、具有平坦的频率特性响应、相位呈线性变化、技术参数一致性好、性能稳定可靠、井下无源、耐腐蚀、耐高温的优势，是地震检波器技术的发展方向。光纤检波器比常规的检波器具有更高的灵敏度、更好的高频响应特性，可实现多通道、大数据量、高速传输。而且由于前端没有电子元件，使其具有更高的可靠性，耐高温高压，无需供电，防水耐腐蚀，可长期布放，抗电磁干扰，通道串扰小。本发明还可以获得地下介质的纵横波速度、纵横波速度比、纵横波波阻抗、纵横波各向异性系数、纵横波衰减系数、纵横波弹性参数、纵横波粘弹性参数、地震属性数据以及井周围高分辨率地质构造成像。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明装置的第二种实施方式的结构示意图；

图3是本发明装置的第三种实施方式的结构示意图；

图4是本发明的由6个mems光纤加速度计构成的三分量光纤地震信号传感器模块结构示意图；

图5是本发明的由12个mems光纤加速度计构成的三分量光纤地震信号传感器模块结构示意图。

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。

如图1所示，基于mems光纤检波器的井中地震数据采集装置，包括：地面人工震源和多个井中三分量光纤地震信号接收采集短接1，所述井中三分量光纤地震信号接收采集短接1通过铠装光电复合缆2与井口附近的地面复合调制解调仪器11相连接，所述的地面复合调制解调仪器11为光纤井中地震数据采集控制和分布式光纤声波传感与光纤mems加速度计复合调制解调仪器，所述铠装光电复合缆2控制井中三分量光纤地震信号接收采集短接1在井中的深度位置，同步采集das-vsp数据；

所述的井中三分量光纤地震信号接收采集短接1内安装有三分量光纤地震信号传感器模块5、三分量光纤姿态传感器6。

相邻的井中三分量光纤地震信号接收采集短接1之间通过铠装光电复合缆2相连接，间距为5米到20米之间。

所述井中三分量光纤地震信号接收采集短接1中部有推靠机构，所述的推靠机构为推靠装置7，或者弓形弹簧片8、电磁铁吸附装置9中的一种；所述的推靠装置7机械推靠装置、机电推靠装置、电磁推靠装置、液压推靠装置中的一种；所述的推靠装置7用于将井中三分量光纤地震信号接收采集短接1推靠在井下套管10内壁上或井壁上；保证井中三分量光纤地震信号接收采集短接1和井下套管10内壁或井壁的紧密机械贴壁和良好的波阻抗耦合；所述的推靠机构与铠装光电复合缆2连接。

如图2所示，推靠机构采用不锈钢材质的弓形弹簧片8，把井中三分量光纤地震信号接收采集短接1推靠到井下套管10内壁上。保证井中三分量光纤地震信号接收采集短接1和井下套管10内壁或井壁的紧密机械贴壁和良好的波阻抗耦合。

如图3所示，推靠机构采用两个固定在三分量光纤地震数据采集短节1两端的电磁铁9，把井中三分量光纤地震信号接收采集短接1吸附到井下套管10内壁上。保证井中三分量光纤地震信号接收采集短接1和井下套管10内壁的紧密机械贴壁和良好的波阻抗耦合。

其中，所述三分量光纤地震信号传感器模块5包括多个光纤mems加速度计4，多个光纤mems加速度计4采用了三轴分立式结构。所述三分量光纤地震信号传感器模块5包括6个或12个光纤mems加速度计4组成，每个分量方向各由一对或两对光纤mems加速度计4并联叠加构成，提高各分量方向传感器的灵敏度和信噪比。

所述三分量光纤地震信号传感器模块5安装在井中三分量光纤地震信号接收采集短接1的中部，光纤mems加速度计4通过铠装光电复合缆2与地面复合调制解调仪器11相连接，光纤mems加速度计4的下方安装三分量光纤姿态传感器6。

所述三分量光纤地震信号传感器模块5内是由三对或六对光纤mems加速度计4按照正交结构组成的，光纤mems加速度计是一种单分向的宽频带加速度传感器，采用21世纪新近发展的微米/纳米加工技术(micro/nanotechnology)，将加速度检测质量块、弹性支撑体、光学反射微镜、光入射及出射波导直接集成在一个微小的芯片上，具有平坦的频率特性响应、相位呈线性变化，技术参数一致性好、性能稳定可靠、无源无电、抗电磁干扰、体积小巧、能实现远距离光信号传输等诸多优点。

图4是本发明的由6个光纤mems加速度计4构成的所述三分量光纤地震信号传感器模块5结构示意图。每两个(一对)光纤mems加速度计4面对面贴合在一起，并联组成一个单分量的光纤检波器。将三个光纤mems加速度计4从上到下依次排列，最上面的光纤mems加速度计4安装在测量正东西方向的水平地震波分量的方位上，中间的光纤mems加速度计4安装在测量垂直方向的地震波分量的位置上，最下面的光纤mems加速度计4安装在测量正南北方向的水平地震波分量的方位上。此按照相互正交方向从上到下依次安装的三个光纤mems加速度计4就构成了所述三分量光纤地震信号传感器模块5。

图5是本发明的由12个光纤mems加速度计4构成的所述三分量光纤地震信号传感器模块5结构示意图。每两个(一对)光纤mems加速度计4面对面贴合在一起，并联组成一个单分量的光纤检波器。六对光纤mems加速度计4按照相互正交的六面体方式安装固定，每个分量方向上有两对光纤mems加速度计4测量该方向上的地震波分量，并且可以通过同向叠加直接提高每个分量信号的信噪比。按照相互正交的六面体安装固定的六对光纤mems加速度计4就构成了所述三分量光纤地震信号传感器模块5。

基于mems光纤检波器的井中地震数据采集装置的工作原理是：从光源光调制系统发出的多波长调制激光通过铠装光电复合缆2中的多芯光纤传送到井下的光纤mems加速度计4中，光纤mems加速度计4将所在的空间位置点由地面震源激发所传播下来的震动加速度信号以光相位调制的方式加载到对应激光载波信号中。通过铠装光电复合缆2的上传光纤，将各路光信号传输到地面光电接收系统，经光电转换放大和ad变换得到多路带光学调制的数字载波检测信号。经光学调制解调，还原出各路高保真的三分量地震检测数字信号。

对获得的井下三分量地震数据进行井中地震数据处理，得到地下介质的纵横波速度、纵横波速度比、纵横波波阻抗、纵横波各向异性系数、纵横波衰减系数、纵横波弹性参数、纵横波粘弹性参数、地震属性数据、井周围高分辨率地质构造成像、获取反褶积算子、进行井控速度建模、地层划分、层析成像，以及对地面地震数据进行静校正处理、高频恢复、多次波消除、反褶积处理、纵横波各向异性偏移和纵横波q补偿或纵横波q偏移，提高地面地震数据的处理精度和品质，实现井周围高分辨率地质构造成像和对含油气储层的综合评价。

具体的，所述的基于mems光纤检波器的井中地震数据采集装置的采集方法，包括以下步骤：

a、停在井口旁边的仪器车逐级将井中三分量光纤地震信号接收采集短接1下放到井底或待测井段，仪器车内的地面复合调制解调仪器11通过铠装光电复合缆2启动每个推靠机构将井中三分量光纤地震信号接收采集短接1紧紧的推靠或吸附在套管10内壁或井壁上，然后启动井中三分量光纤地震信号接收采集短接1进行仪器状态自检，确保每级井中三分量光纤地震信号接收采集短接1都与套管10内壁或井壁有良好的推靠或吸附耦合并且工作正常；

b、所述地面人工震源按照施工计划在钻井周围设置的震源点逐点依次进行激发，所述井中三分量光纤地震信号接收采集短接1在井底或待测井段按一定的点距逐点采集地面人工震源激发的全波场三分量井中地震数据，铠装光电复合缆2则同步采集井中三分量光纤地震信号接收采集短接1以上全井段的das-vsp数据；

c、所述三分量光纤姿态传感器6同步采集每级井中三分量光纤地震信号接收采集短接1在数据采集位置的三分量姿态和方位数据；

d、所述井中三分量光纤地震信号接收采集短接1将步骤b采集的三分量井中地震数据、将步骤c采集的井中三分量光纤地震信号接收采集短接1的三分量姿态和方位数据、三分量光纤检波器以上全井段的das-vsp数据通过铠装光电复合缆2传输至地面井口附近的地面复合调制解调仪器11里，然后经过调制解调转换成相应深度的井下三分量地震数据和三分量光纤检波器以上全井段的das-vsp数据；

e、根据三分量光纤姿态传感器6采集的井中三分量光纤地震信号接收采集短接1在数据采集位置的三分量姿态和方位数据，将步骤d中相应深度的井下三分量地震数据通过旋转投影变换成相应深度的井下三分量地震数据，井下沿垂直方向和与地平面平行的两个正交水平方向的三分量井中地震数据，以及三分量光纤检波器以上全井段的井中垂直方向上的das-vsp数据；

f、将步骤e中转换成相应深度的井下三分量地震数据进行井中地震数据处理，比如通过拾取从地面震源激发点到达每个井下三分量光纤检波器或井下铠装光电复合缆上的直达井中地震纵波和横波的初至时间，然后根据地面震源激发点到每个检波器的直线距离，就可以计算出地下介质的纵横波速度；通过进一步的井中地震数据处理，获得地下介质的纵横波速度比、纵横波波阻抗、纵横波各向异性系数、纵横波衰减系数、纵横波弹性参数、纵横波粘弹性参数、地震属性数据、井周围高分辨率地质构造成像、获取反褶积算子、进行井控速度建模、地层划分、层析成像、全波形反演成像，以及对地面地震数据进行静校正处理、高频恢复、多次波消除、反褶积处理，根据井中纵横波速度数据、纵横波层析成像数据和全波形反演成像数据建立的最优纵横波速度模型，然后进行纵横波各向异性偏移、纵横波q补偿或纵横波q偏移，提高地面地震数据的处理精度和品质。

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。