分布式光纤声波传感系统在近地表成像中的应用Ⅱ:背景噪声成像

随着城市化的发展,城市地球物理日益成为地球物理研究的重要方向,地震成像是构建城市地下空间三维/四维图像的重要手段,但面临观测成本高的困难.近年来国际上新发展的分布式光纤声波传感器作为高密度地震观测系统已经在地震层析成像方面得到了应用,在提高成像分辨率的同时,又降低了观测成本.本研究使用国产分布式光纤声波传感器开展了观测实验,利用480 m埋地光缆记录了13 h背景噪声,计算得到噪声互相关函数,获得了高频Rayleigh面波信号.采用多道面波分析方法提取相速度频散曲线,其结果与传统检波器记录和主动源结果较为一致.采用遗传算法反演得到了研究区内二维S波速度剖面,获得了下方沉积物横向变化特征.通过本次实验,初步验证了国产设备开展地震背景噪声成像研究、构建地下浅层结构模型的可行性.

     

利用分布式光纤声波传感器监测大容量气枪震源信号

近年来出现的新型高密度地震观测系统——分布式光纤声波传感器(Distributed Acoustic Sensing,DAS)有望提高地震成像的空间分辨率。为探索该技术在监测介质动态变化方面的应用,在云南省宾川县布设了长约180m的传感光缆,对9.6km外的宾川大容量气枪震源的激发信号进行了监测。在为期2d的实验期间,对气枪震源进行了24次高重复激发,采用时频域加权相位叠加算法对多炮和多道记录进行叠加处理,得到了高质量的地震波信号,与共址观测的地震仪记录具有较高的一致性。通过此次观测实验,初步验证了利用DAS监测大容量气枪震源信号的可行性,未来有望将其推广应用于高分辨率4D地震成像研究中。     

分布式光纤传感器原理及在地震监测中的应用研究现状

一般情况下,地震发生前都会出现各种异常信号,重点监测这些地震前兆信号对研究地震有重要意义。基于分布式光纤传感的地震监测应用系统,由于其自身的独特优势,在地震勘探领域正得到越来越广泛的重视,是目前理论界和实际应用的研究热点。DAS系统的基本原理是基于光纤的弹光效应,通过探测由弹光效应产生的光信号的相位、波长等参量,可以实现对地震波的监测。DAS系统可以通过检测激光脉冲在光纤中散射引起的相位变化来测量光纤的轴向应变,其中光纤的每一小段都可以等同为一个单分量应变仪,地表仪器系统与光纤相连接受信号,用于分析振动信号并将其转换为地震信号进行分析;DAS率先在地震勘探领域中得到应用,之后逐渐推广到微地震、VSP井中地震勘探等领域,甚至有研究项目已经开始在海上进行监测,取得了实际效果;国内外关于应用光纤传感技术地震计的研究和应用,充分证明了光纤传感技术地震计未来不可或缺的研究方向,未来在监测的精度和工程应用领域出现的各种问题将会是继续跟踪的研究重点。     

分布式光纤声波传感系统在西部已开发气田井下断层活动性监测中的试验研究与应用

克拉2气田是塔里木盆地储量最大的整装超高压干气气藏,也是西气东输的主力气田,经过近20年的开发已进入开发中后期,23口生产井中11口井不同程度见水.为查明该气田的水侵运移通道,在一口观察井中下入高灵敏度的分布式光纤声波传感系统,长期监测井下微地震信号.本文介绍了分布式光纤传感系统的仪器选择、监测方案设计和定位算法研究等,通过对井下微地震信号的采集、降噪、滤波、识别和定位等,研究微地震事件集中发生的区域和频率,分析气田断层的活动性与水侵的关系.井下监测和数据分析结果表明,分布式光纤声波传感系统长期监测可以为断层活动性评价提供更丰富的数据,克拉2气田西南方向断层破碎带附近有大量微地震事件,断层的稳定性较差,是导致克拉2气田气井出水的主要原因之一.     

分布式光纤声波传感系统记录的交通噪声的干涉处理分析

分布式光纤声波传感系统(DAS)是近年来迅速发展的高密度、低成本的地震观测设备,已经在基于面波的速度层析反演、反射成像、微地震监测等多个领域显示巨大潜力.本文基于美国加利福尼亚州Garner Valley实验中DAS记录的交通噪声数据,分析交通噪声数据特点,并利用地震干涉方法从交通噪声记录提取出近地表传播的面波信息.结...     

分布式光纤地震传感技术在成像研究中的应用进展

分布式光纤地震传感技术是新一代密集台阵观测技术,其利用光纤在地震波场作用下产生的光时程变化,探测地下介质的动态应变信号.其具有空间采样率高、恶劣条件耐受性强、运维成本低等优势,适用于城市、海洋、深井、冰川等传统地震学观测手段较难开展工作的环境.本文围绕该技术在地球内部结构成像研究中的应用,调研了从浅表数米到莫霍面深度等不同尺度成像的研究进展,其利用信号为从地脉动到高频交通噪声等多频段被动源和不同级别的主动源.文章同时分析了该技术面临的一些挑战,包括信号质量和信号保真度、海量数据处理和波场信息挖掘、海量数据存储和共享分析等,由此建议,须开展主被动源高分辨率动态成像、仪器传递函数计算及其校正方法、大数据有效信息挖掘等研究,从而更好地服务于高密度、高精度的光纤传感地震成像研究.     

基于应变率的分布式光纤声波传感全波形反演研究

分布式光纤声波传感系统(Distributed Acoustic Sensing, DAS)是近年来迅速发展的新型地震数据采集系统.与传统地震检波器相比,DAS具有耐受恶劣环境,易实现大区域高密度观测等优点.传统地震检波器测量质点速度,而DAS接收沿光纤的轴向应变率(或应变)信号,传统基于速度—应力场弹性波方程全波形反演无法直接用于DAS数据反演.在前人DAS数据全波形反演研究中,将DAS数据转换为沿光纤的质点速度,但会放大低波数噪声,在低信噪比条件下影响反演精度.本文提出了直接基于应变率数据的DAS信号全波形反演方法.首先推导实现了直接基于应变率参数的DAS数据全波形反演理论.其次通过典型模型测试和DAS实测数据验证了直接基于应变率的全波形反演方法在DAS数据速度反演中的可行性和有效性.     

分布式光纤声波传感微振动响应特征

分布式光纤声波传感技术(Distributed Acoustic Sensing, DAS)利用光纤中的瑞利散射来获取振动信息, 具有高密度、低成本、可长时监测等优点, 目前已经广泛应用于地震勘探领域.DAS系统可用于采集沿光纤轴向的应变或应变率, 且DAS响应与地震波传播方向和偏振方向有关.本文推导获得了不同震源模型的应变辐射花样, 并通过数值模拟获得了不同震源机制和不同布设条件下的分布式光纤微振动数据.理论合成算例结果表明, P波的应变辐射花样和速度辐射花样在各类震源机制条件下都具有较为相似的形态, 而S波的两种辐射花样在某些震源机制条件下具有较为明显的形态差异.此外, 包含DC(Double Couple, 双力偶)成分震源的S波DAS响应记录与常规速度检波器记录相比, 极性反转的位置具有较大差异.

     

分布式光纤声波传感系统在近地表成像中的应用Ⅰ：主动源高频面波

近年来发展的新型地震观测系统--分布式光纤声波传感器(DAS,Distributed Acoustic Sensing)可以实现低成本高密度观测,有望提高浅层结构成像的精度以及分辨率.最近国内研发了一系列具有自主知识产权的DAS设备,为验证国产设备在浅层结构研究中的可行性以及应用效果,2018年7月我们开展了一次DAS观测实验.实验采集了50kg落锤震源激发的地震信号,并采用多道面波分析方法提取了8~20Hz频段的主动源Rayleigh波相速度频散曲线,得到了实验区浅层30m的S波速度结构.获得的主动源面波频散曲线与共址检波器的结果吻合,也与背景噪声提取的结果具有较好的一致性,表明国产设备的可靠性和DAS在浅层结构主动源面波成像研究中的可行性.     

分布式光纤传感技术在地震监测中的应用探讨

分布式光纤传感利用光导纤维具有的传感、传输双重特性,实现对被测量对象沿光纤分布的多点甚至连续测量,以达到取代多台独立点传感器的目的。它既具有光纤的抗电磁场干扰、大信号传输带宽等优点,又突破了点式光纤传感的限制,可以同时获得被测量对象测量参数的空间分布及其随时间变化的信息,并使之能够进行远距离遥测监控,在许多工程领域有重大的应用价值。     

微震技术与应用研究综述

微震,是指微小的震动.在不同应用领域微震大小的尺度划分也各不相同.对于这种微小的地震信号在许多领域都有广泛的应用,例如金属矿山、油田、火山和地震预报等.随着近年来信息技术高速发展,微震监测技术被广泛应用到地下工程当中,如油田开发、矿山的安全生产、隧道的施工建设、水库大坝的选址等诸多方面,并逐渐工程化、系统化,形成实时监测微震的可视化系统.此外,利用自然界大量的微震现象,可以通过震源定位、速度和衰减成像等方法研究大断裂、火山活动、地震的发生发展趋势以及震源机制等.本文总结了各类微震技术与方法,并分析各种方法的优点和存在的问题.另外分类整理了微震在各个领域的应用,分析其不同应用领域下的微震时频率域特征和研究方法.最后得出结论微震技术无论是在科学研究还是工程生产中都起着非常重要的作用.     

地震大形势预测方法的预测效能与应用研究

采用地震非均匀度(GL值)预测方法, 在震例回朔性检验研究、 室内岩石破裂实验及GPS观测结果等三种途径对该方法预测效能进行评价研究的基础上, 开展对中国大陆未来1～3年强地震活动主体地区和危险性预测工作。 效能评价结果表明, 地震非均匀度(GL值)可以较好地刻画岩石失稳前因破裂成核导致的声发射活动在时间分布上的状态变化, 这种状态变化可能与强地震孕育进入末期、 强地震即将发生有关。 地震非均匀度时空扫描结果表明, 未来1～3年中国大陆强地震活动主体地区将集中在青藏块体中北部及新疆南天山地区, 上述区域在未来一个时期发生多次6.5级乃至7级以上地震的可能性较大。     

Laboratory acoustic emission study for earthquake generation process

Since the similarity in size distribution of earthquakes and acoustic emissions (AE) was found in the 1960s, many laboratory studies have been motivated by the need to provide tools for the prediction of mining failures and natural earthquakes. This paper aims, on the one hand, to draw an outline of laboratory AE studies in the last 50 years, which have addressed seismological problems. Topics include the power laws in which the similarity between AEs and earthquakes is involved and progress that has been made in AE technology and laboratory AE study. On the other hand, this study will highlight some key issues intensively discussed, especially in the last three decades, such as aspects related to the pre-failure damage evolution, fault nucleation and growth in brittle rocks and discuss factors governing these processes.     

Convolutional neural networks for automated microseismic detection in downhole distributed acoustic sensing data and comparison to a surface geophone array

Distributed acoustic sensing is a growing technology that enables affordable downhole recording of strain wavefields from microseismic events with spatial sampling down to ∼1 m. Exploiting this high spatial information density motivates different detection approaches than typically used for downhole geophones. A new machine learning method using convolutional neural networks is described that operates on the full strain wavefield. The method is tested using data recorded in a horizontal observation well during hydraulic fracturing in the Eagle Ford Shale, Texas, and the results are compared to a surface geophone array that simultaneously recorded microseismic activity. The neural network was trained using synthetic microseismic events injected into real ambient noise, and it was applied to detect events in the remaining data. There were 535 detections found and no false positives. In general, the signal-to-noise ratio of events recorded by distributed acoustic sensing was lower than the surface array and 368 of 933 surface array events were found. Despite this, 167 new events were found in distributed acoustic sensing data that had no detected counterpart in the surface array. These differences can be attributed to the different detection threshold that depends on both magnitude and distance to the optical fibre. As distributed acoustic sensing data quality continues to improve, neural networks offer many advantages for automated, real-time microseismic event detection, including low computational cost, minimal data pre-processing, low false trigger rates and continuous performance improvement as more training data are acquired.     

基于声学全波形反演的油气藏地震成像方法

岩性油气藏在我国天然气勘探开发中占有非常重要的位置,其分布区域的成像是合理布设井位,提高钻井成功率的关键之一.本文首先基于地下介质的声学近似和波场回传理论,利用频率域单程声波方程延拓计算地震波场,进行全波形反演,获得地层密度和体积模量的定量成像,并依据油气藏物性特征和流体饱和多孔介质岩石物理模型,简要讨论了孔隙度和饱和度与密度及体积模量的关系,明确了地震油气藏成像新概念.在此基础上,定义了基于流体体积模量和孔隙度的成像函数,进行油气藏成像.理论模型计算表明该方法是可行的.通过对西部地区某气田二维地震数据处理,实现了致密砂岩气藏成像,钻井结果证实了气藏区域成像位置的准确性和方法的有效性.     

查表法设计地震活动模糊预测预警系统

模糊数学方法在地震学研究,特别是在地震预测工作中起到过重要的作用。近年发展起来的模糊查表法是模糊数学中新出现的一种新的模糊系统有效方法,在智能控制、机器学习、序列建模、综合预测中获得了广泛的应用,取得了显著效果。基于此,把该方法引入地震活动趋势预测和预警研究工作中:首先介绍了模糊查表法的方法与原理,然后基于该方法和由最大震级序列形成的多维样本建立了华北地区及主要地震活动带最大震级时间序列的趋势预测和预警模型,并对获得的模型进行了内符检验,最后对建模方法和计算结果进行了详细讨论。综合分析认为,该方法原理简单直观,计算结果稳健,建模与预测精度较高,外推泛化能力较强,可以作为地震趋势预测和预警的一种有效方法。     

大地形变资料用于地震预测的回顾与思考

对在大地测量学科用于地震预报及相关研究方面所了解的一些进展和历程进行了简要回顾和总结。 其中包括1975年海城地震、 1976年唐山地震、 1989年大同地震、 1996年丽江地震、 2001年昆仑山口西地震、 2005年乌什地震和2004年底的印尼8.7级特大地震等多次强烈破坏性地震及其观测到的形变异常现象和所做的预测研究成果, 显示大地测量, 特别是空间大地测量的发展对地震预测研究产生了明显的促进作用, 对多学科开展联合攻关研究及地震监测预报的宏观决策有一定的参考和指导意义。     

Application of Distributed Temperature Sensing for coupled mapping of sedimentation processes and spatio‐temporal variability of groundwater discharge in soft‐bedded streams

The delineation of groundwater discharge areas based on Distributed Temperature Sensing (DTS) data of the streambed can be difficult in soft‐bedded streams where sedimentation and scouring processes constantly change the position of the fibre optic cable relative to the streambed. Deposition‐induced temperature anomalies resemble the signal of groundwater discharge while scouring will cause the cable to float in the water column and measure stream water temperatures. DTS applied in a looped layout with nine fibre optic cable rows in a 70 × 5 m section of a soft‐bedded stream made it possible to detect variability in streambed temperatures between October 2011 and January 2012. Detailed monthly streambed elevation surveys were carried out to monitor the position of the fibre optic cable relative to the streambed and to quantify the effect of sedimentation processes on streambed temperatures. Based on the simultaneous interpretation of streambed temperature and elevation data, a method is proposed to delineate potential high‐groundwater discharge areas and identify deposition‐induced temperature anomalies in soft‐bedded streams. Potential high‐discharge sites were detected using as metrics the daily minimum, maximum and mean streambed temperatures as well as the daily amplitude and standard deviation of temperatures. The identified potential high‐discharge areas were mostly located near the channel banks, also showing temporal variability because of the scouring and redistribution of streambed sediments, leading to the relocation of pool‐riffle sequences. This study also shows that sediment deposits of 0.1 m thickness already resulted in an increase in daily minimum streambed temperatures and decrease in daily amplitude and standard deviation. Scouring sites showed lower daily minimum streambed temperatures and higher daily amplitude and standard deviation compared with areas without sedimentation and scouring. As a limitation of the approach, groundwater discharge occurring at depositional and scouring areas cannot be identified by the metrics applied. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.