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摘要
准确刻画与监测井周地质体对能源与环境工程至关重要，但常规声波测井在高温环境中无法长期工作，也难以实现时移监测。本文提出并验证了一种无源分布式声波传感（DAS）测井新方法：利用井中天然环境噪声作为震源，无需井下声源即可成像。光纤缆永久固定于套管后，可耐受高温高压，空间采样密度达1 m，实现全井段、长周期、低成本监测。我们在美国犹他州 FORGE 地热场 1 km 深观测井中采集 14 天 DAS 环境噪声，计算 RMS 振幅深度曲线，发现其峰值与常规测井低速层（LVL）、高孔隙、低泊松比、岩性界面高度吻合，可指示强裂缝带。研究证实：无源 DAS 测井可作为下一代井中成像工具，尤其适用于高温地热储层。
相关研究的重要性
- 高温储层（EGS、深部碳封存）需要长期、低成本、耐高温的井周结构与裂缝监测手段。
- 常规声波测井：
- 仪器长度 ~3 m，需流体耦合，>150 °C 长期失效；
- 完井后难以重新下入，时移监测经济性差。
- DAS 光纤无电子器件，可永久安放于套管后，为“一次部署、终身监测”提供可能。
- 前人已将地表 DAS 环境噪声用于浅层 S 波速度层析，但井中 DAS 噪声随深度变化特征尚未系统研究。
前人研究及不足
| 研究 | 内容 | 不足 |
|---|---|---|
| Paillet & Cheng (1991) | 建立常规声波测井理论框架 | 仅适用于低温、可重复下入井筒；高温/时移监测未解决 |
| Ajo-Franklin et al. (2019) | 利用暗光纤地表 DAS 噪声做浅层成像 | 未涉及井中环境噪声；深度分辨率受限 |
| Dou et al. (2017) | 交通噪声干涉法获取近地表 S 波速度 | 数据来源于地表光缆，无法提供井周精细结构 |
| Chang & Nakata (2022) | 反褶积干涉法提取 Brady 地热井 DAS 振铃波 | 研究对象为套管振铃机制，未利用环境噪声成像地层 |
| Li et al. (2020) | 高斯束成像去除井中频散波 | 仍依赖主动声源，未解决“无源”需求 |
本文数据
| 数据 | 说明 |
|---|---|
| 井中 DAS 环境噪声 | 美国犹他州 FORGE 78-32 观测井，830–968 m 井段，1 m 道距，10 m gauge，0.5 ms 采样，连续 14 天（2019-04-19 至 05-03） |
| 常规测井 | 同一井段水泥胶结测井（CBL）、伽马、声波时差、密度、中子孔隙度、Poisson 比等 |
| 邻井（58-32）开井测井 | 提供 Vp、Vs、阻抗、反射系数、孔隙度等，用于验证 RMS 峰值地质意义 |
本文方法
噪声分类与清洗
- 定义“Type A”为可用环境噪声；
- 剔除 Type B（6E5M 规则脉冲）、Type C（ interrogator 端脉冲）、Type D（疑似地震事件）。
RMS 振幅深度剖面
- 每 15 s 计算一次 RMS，沿 138 通道（830–968 m）平均 48 h，得到稳定深度曲线。
多测井对比验证
- 与 CBL、伽马、Vp、Vs、Poisson 比、孔隙度、反射系数等对比，确认 RMS 峰值对应低速、高孔隙、低 Poisson 比、岩性界面。
时移与频谱分析
- 观察 48 h 内 RMS 时序，发现“噪声区”振幅为“安静区”5–10 倍；
- 频谱显示噪声区高频能量更丰富，可能与裂缝诱导的局域散射/俘获波有关。
本文结果
RMS 峰值与地质异常一一对应
- 849 m 处 1.1 m 厚 LVL（Vp=3068 m/s）对应 RMS 主峰 Na，伽马谷值，花岗岩-沉积岩界面；
- 945 m 处 20 m 厚 LVZ（Vp=4770 m/s）对应 RMS 主峰 Ne，花岗岩-闪长岩界面，高孔隙、低泊松比（<0.25，脆性域）。
次要 RMS 峰与薄 LVL 对应
- 880 m、904 m、914 m 等次要峰与薄低速层位置一致，反映次级断裂/界面。
高泊松比（>0.35，韧性域）LVL 对应安静带
- 859–868 m 段虽低速高孔，但 Poisson 比 ~0.35，RMS 无异常，验证“易裂性”控制噪声强度。
48 h 内 RMS 形态稳定
- 主峰、次峰位置不变，振幅日内小幅波动，证实方法可重复。
创新点与贡献
| 创新 | 贡献 |
|---|---|
| 首次提出“无源 DAS 测井”概念 | 无需声源，仅利用井中天然环境噪声即可成像，突破高温井无法重复下入难题 |
| 建立 RMS 振幅-地质属性对应关系 | 通过多测井对比，证明 RMS 峰值=低速+高孔+低泊松比+岩性界面，可直接指示裂缝带 |
| 验证光纤永久安放可行性 | 水泥后 1 m 间距 DAS 可稳定获取 14 天连续数据，为“终身监测”提供范例 |
| 提出噪声分区物理机制 | 低 Poisson 比脆性域 LVL 易产生俘获波/散射，导致 RMS 放大；韧性域 LVL 无此效应 |
不足与未来方向
| 不足 | 说明 |
|---|---|
| 尚未定量反演 Vp、Vs、孔隙度 | 目前仅定性对比，需建立 RMS-弹性参数转换模型 |
| 空间分辨率受 1 m 道距限制 | 薄至 1.1 m 的 LVL 可识别，但亚米级裂缝需 0.2–0.25 m 道距验证 |
| 未进行深度精确对齐 | DAS 光纤与测井电缆存在 ~1–2 m 深度误差，影响薄层对比精度 |
| 仅单井验证 | 需在更多高温地热井或油气井测试方法普适性 |
| 噪声源物理机制待细化 | 需结合数值模拟区分“俘获波”“散射波”“微裂隙声发射”等贡献权重 |