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摘要

分布式声波传感（DAS）在监测自然资源储层和井筒条件方面具有巨大潜力。然而，数据量大且波场复杂，给处理和解释带来挑战。本研究展示了基于反褶积的地震干涉法是分析复杂波场的便捷工具，并指出该方法仍需要良好的耦合以提取目标信号。我们从内华达州Brady地热田一口垂直井的DAS观测中提取了相干波，这些波为在某一深度区间内来回反射的“缆绳/套管振铃”波。这种振铃现象在垂直井DAS数据中十分常见。反褶积方法使我们可以在不同边界条件下分析波场，并分离直达波与多次波。借此，我们可用简单的一维弦模型解释波场，并监测其随时间的变化。该波的速度随深度、观测时间、温度和压力而变化，对井内运行强度增加引起的扰动敏感，且随温度升高而降低。频谱分析可将振铃波分解为不同振动模态，发现波具有频散性，基阶模态传播速度较高。该干涉法可用于利用高密度DAS数据监测井筒条件或储层性质变化。

相关研究的重要性

  1. DAS在井中监测中的潜力
    DAS具备耐高温、耐腐蚀、空间采样密集和成本低等优势，适用于地热、油气等极端环境下的长期井中监测。

  2. 复杂波场解释瓶颈
    井中DAS数据常受“振铃”波、光学噪声、流体扰动等影响，波场复杂，传统方法难以有效提取目标信号。

  3. 时移监测需求
    储层开发过程中需要连续、无源、低成本的手段监测井筒或储层性质变化，DAS具备此潜力但缺乏有效解释框架。

前人研究及不足

研究 内容 不足
Mateeva et al. (2014) 首次将DAS用于VSP储层成像 未处理振铃波，仅将其视为噪声
Miller et al. (2018) 在Brady地热田识别DAS振铃波与套管缺陷相关 未建立模型解释振铃机制，未分析其时移特性
Patterson et al. (2017) 使用DTS与压力数据研究Brady井筒热响应 未结合DAS数据，缺乏对结构响应的地震学分析
Trainor-Guitton et al. (2019) 使用DASV成像断层结构 仅使用主动源数据，未利用环境噪声或振铃波
Nakata & Snieder (2014) 提出反褶积干涉法用于建筑结构监测 未应用于井中DAS数据，未考虑井筒复杂边界条件

本文使用的数据

数据类型 内容 说明
DASV（井中DAS） 2016年3月18–26日，Brady地热田56-1井，384通道，1m间距，1000 Hz采样率，深度约380m 数据量981GB，含振铃波、地震事件、运行扰动等
DTS（分布式温度） 同井共址光纤，0.126m间距，62s采样间隔 用于分析温度梯度与速度关系
压力数据 邻近井56A-1，60s采样，深度对应DASV第219道（约219m） 用于分析井内扰动与波速变化关系

本文采用的方法

  1. 反褶积地震干涉法

    • 将某一深度通道作为“虚拟震源”，对其余通道做频域反褶积，提取相干波场。
    • 可修改边界条件，分离直达波与多次波，简化波场解释。

  2. 一维弦模型（Model 1 & Model 2）

    • Model 1：两端反射器+两端震源，解释主要振铃波。
    • Model 2：增加中部反射器与局部震源，解释复杂结构响应。

  3. 时移速度分析

    • 每小时叠加反褶积波场，拾取直达波走时，计算速度变化。
    • 分析速度与深度、时间、温度、压力的关系。

  4. 简正模态分析

    • 提取振铃波的频散特性，识别基阶与高阶模态，计算频散曲线。

本文研究结果

  1. 振铃波机制明确

    • 振铃波为缆绳或套管中传播的P波，速度约3600–5000m/s，接近钢材Vp（5000–5250m/s）。
    • 波场对称性要求至少两个震源同时存在，震源强度差异决定因果/非因果能量分布。

  2. 速度对温度敏感

    • 速度随温度升高而降低，斜率为−17.1 m/s/°C，远高于纯钢材实验室值（−0.5 m/s/°C），提示缆绳或套管在高温下响应异常。

  3. 速度对井内扰动敏感

    • 初期压力骤降引发井内沸腾扰动，速度从4100 m/s跃升至4700 m/s，表明振铃波对井筒状态变化敏感。

  4. 频散特性清晰

    • 振铃波可分解为间隔约18Hz的多个模态，高阶模态速度低于基阶，呈负频散关系。

  5. 深层信号提取受限

    • 200m以下仅在主动源振动期间提取到地层传播波（Vp≈2100 m/s，Vs≈1100 m/s），但信噪比低，时移分析受限。

本文创新之处与贡献

创新点 具体贡献
首次将反褶积干涉法用于井中DAS振铃波分析 提出将“噪声”视为信号，建立一维弦模型解释其机制，填补井中DAS波场建模空白
提出振铃波时移速度作为井筒/储层监测指标 发现速度对温度、压力、扰动敏感，提供无源、连续、低成本的井筒健康监测新思路
揭示振铃波频散特性与模态结构 通过简正模态分析提取频散曲线，为后续反演套管或缆绳力学参数提供基础
区分不同能量来源对波场对称性的影响 提出震源强度比与反射系数共同决定波场对称性，为解释复杂DAS波场提供理论依据

本文不足与未来方向

不足 说明
未建立定量温度-速度关系 仅给出经验斜率，未建立物理模型解释为何速度温度敏感性远高于纯钢
模型简化，未反演真实结构 一维弦模型为定性解释，未反演套管、缆绳、地层真实几何与力学参数
深层信号信噪比低 200m以下仅在主动源期间提取到地层波，未能实现无源储层监测
未验证方法在其他井中的适用性 数据仅来自Brady一口井，尚未验证模型是否适用于其他地热或油气井
未结合主动源成像结果对比 若能与VSP或断层成像结果对比，可进一步验证振铃波对结构变化的敏感度

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