CN109804273B - 使用地震波进行井眼时移监测的方法 - Google Patents
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Abstract
地震检波器通道的检波器一致性标量用于对地下地层进行时移监测。信号由通过邻近于每个相应地震检波器通道的所述地层传播的地震波引发。每个地震检波器通道以声学方式耦合到紧邻所讨论的地震检波器通道的位置的所述地层。可以输出地震检波器通道的基础检波器一致性标量和监测检波器一致性标量,以展示这些检波器一致性标量的改变。这些改变可用于描述关于所述地下地层的物理改变的信息。所述基础检波器一致性标量和所述监测检波器一致性标量的所述改变可以视觉方式显示。
Description
技术领域
根据本发明的第一方面,提供一种对地下地层进行时移监测的方法。
背景技术
已经开发出各种地震技术,其采用安置在地层中的井眼中的地震检波器排列。实例包含层析成像技术(例如包含井间地震层析成像)和垂直地震剖面(VSP)。
分布式声学传感(DAS)是一种出于地震数据采集目的而在地层中的井眼中设置这种地震检波器排列的有用新颖技术。在Albena Mateeva等人的文章《利用垂直地震剖面的油藏监测的分布式声学传感(Distributed acoustic sensing for reservoirmonitoring with vertical seismic profiling)》中描述了此技术,所述文章出现在《地球物理勘探(Geophysical Prospecting)》(2014)第62卷第679到692页中。在概念上,DAS测量是简单的。DAS询问器单元沿着安置在井眼中的光纤发送激光脉冲,且测量后散射光的信号。可基于沿着光纤的激光脉冲的飞行时间将光纤细分为DAS检波器通道(例如,对应于VSP检波器级)。
还已提议DAS用于时移监测,具体地说时移VSP。在VSP的上下文中,时移勘测也被称为4D勘测。然而,4D VSP绝非易事。不仅是需要高水平的可重复性和高信号质量(具体地说,高信噪比),这使得4D采集在技术上具有挑战性,而且对地层中的所检测4D改变的定位在采集和处理两者上需要大量努力,尤其是远离VSP井。无论VSP是基于DAS还是基于例如水下听音器/地下听音器等常规检波器,这些困难都存在。
发明内容
在第一方面中,提供一种对地下地层进行时移监测的方法,其包括:
-选择安置在地层中的井眼中的地震检波器排列,其中所述地震检波器排列包括多个地震检波器通道,每个地震检波器通道具有地震检波器通道位置,由此每个地震检波器通道以声学方式耦合到邻近于地震检波器通道位置的地层;
-收集基础勘测数据,包括测量地震检波器排列中由通过地层传播的地震波引发的基础勘测信号;
-根据基础勘测数据确定地震检波器通道的基础检波器一致性标量;
-允许基础勘测数据的所述收集与监测勘测数据的收集之间的时移;
-在所述时移之后,收集监测勘测数据,包括测量地震检波器排列中由通过地层传播的地震波引发的监测勘测信号;
-根据监测勘测数据确定地震检波器通道的监测检波器一致性标量;
-输出基础和监测检波器一致性标量以展示在时移前后检波器一致性标量的改变。
每个所述检波器一致性标量是由通过邻近于每个相应地震检波器通道的地层传播的地震波引发的信号强度(振幅)的量度。基础和监测检波器一致性标量适当地量化信号振幅。
检波器一致性标量的改变可用于描述关于地下改变的信息。在可描述的地下改变当中有邻近于地震检波器通道位置的地层的改变(例如,地层的弹性特性的改变),和在时移期间发生的例如由于完井变形或由于下沉所致的地下地层中的岩石层与地震检波器通道之间的相对位置的改变
替代或除了使用检波器一致性标量的改变来描述关于地下改变的信息之外,在地震检波器通道中的一个或多个处的检波器一致性标量的改变可用于对基础和监测勘测数据进行深度匹配。在此类深度匹配之后,可根据检波器一致性标量的改变来描述关于地下改变的信息。另外或取而代之,更一般地,基础和监测勘测数据(深度匹配或不匹配)可用于任何合适的4D分析方法。
标量和深度刻度可以持续绘制在线性标度上。标量可以任意单位绘制。
具体实施方式
本发明将在下文中仅借助于实例进一步进行说明。所属领域的技术人员将容易了解,虽然参考特征和量度的一个或多个具体组合来说明本发明,但是这些特征和量度中有许多在功能上独立于其它特征和量度,使得其可同等或类似地独立应用于其它实施例或组合中。
当前提议一种方法,其中地震检波器通道的检波器一致性标量用于对地下地层进行时移监测,所述检波器一致性标量为信号强度的量度。信号由通过邻近于每个相应地震检波器通道的地层传播的地震波引发。地震检波器通道一起被配置成形成安置在地层中的井眼中的地震检波器排列。每个地震检波器通道以声学方式耦合到紧邻所讨论的地震检波器通道的位置的地层。可以输出地震检波器通道的基础检波器一致性标量和监测检波器一致性标量,以展示这些检波器一致性标量的改变。这些改变可用于描述关于地下的物理改变的信息。基础检波器一致性标量和监测检波器一致性标量的改变可以视觉方式显示。
检波器一致性标量是检波器中由通过地层传播的地震波引发的信号的信号强度(振幅)的方便量度。检波器一致性标量是量化信号振幅的数。检波器一致性标量量化信号振幅但未必与振幅成线性比例。举例来说,检波器一致性标量值可适当地对应于在检波器中记录的事件集合的信号的均方根平均信号振幅的倒数。
如由压力场所致(这继而与通过地层传播的地震波相关联)的地层物质中的局部应变与局部地层密度(在应变位置处)乘以局部地震p波速度的平方成反比。因此,DAS通道一致性标量与密度和地震p波速度的平方成比例,所述DAS通道一致性标量适宜地与应力成反比。另一方面,对于地下听音器,检波器一致性标量往往与密度和地震速度成比例。DAS检波器通道因此比地下听音器对地震速度的时移改变更敏感。
无论哪种方式,检波器一致性标量是“地层物质相关响应”的有用表示,其强度直接受地层的地层物质的弹性特性的影响,地震检波器通道(通过其感测到地震波)局部耦合到所述地层。这是邻近于地震检波器通道的位置的地层的地层物质。
采用检波器一致性标量以用于对地下地层进行时移监测的优点在于可容易对每个检波器通道处的此类检波器一致性标量彼此进行比较而无需复杂数据反演方法。对时移差的解译提供关于地震检波器通道耦合到的地层的改变的直接信息,例如地层密度或地震波速度随时间的改变。替代地,可通过以下方式监测地层边界随时间相对于如安置在地层中的井眼中的地震检波器排列的检波器通道的移动:解译在相邻地震检波器通道之间的检波器一致性标量的急剧转变的移动。
对于所提议的使用检波器一致性标量对地下地层进行时移监测,地震检波器排列优选地永久性安装在井眼中。术语“永久性”在此上下文中被认为意味着至少在测量基础勘测信号以用于确定基础检波器一致性标量与测量监测勘测信号以用于确定监测检波器一致性标量之间的时移的持续时间期间。
在说明书和权利要求书中,术语“时移”大体上用于识别特意选择地充分长以便于地下地层发生可显著足以测量的改变的时长。这通常比一整天(即,24小时)更长,且通常比一整天长得多,例如比一周(即,整七天)更长、比一个月(即,整30.44天)更长、或甚至比一年(即,整365.25天)更长。如本文中所使用的术语时移不用于相对短的时间跨度,在所述相对短的时间跨度的进程中重复地震测量的目的是收集更多信号以提高信噪比。此类相对短的时间跨度被特意选择得足够短,由此地下不会存在显著改变。
在本公开的上下文中,除非另外指定,否则术语“深度”大体上理解为意味着测量深度(MD)。MD,其在DAS地震检波器通道的上下文中还可被称为通道测量深度,是用于标示沿着井眼的轨迹或路径的测量长度的专门术语。此测量值不同于除了垂直井眼之外的所有井眼的真实垂直深度(TVD)。然而,有时候,将MD转换成TVD很方便,反之亦然。此类转换在井眼轨迹已知的情况下是可能的。此类转换可便于例如使地震通道深度与地震速度模型相关联。哪一点被定义为零深度并不重要。为方便起见,提议将地表处的井眼的顶端定义为零深度。
在最广泛意义上,术语“数个”意味着一个或多个。在具体实施例中,术语“数个”可意味着多个或两个或多于两个。
适当地,检波器一致性响应可以通道一致性振幅标量形式表达,如可使用所属领域中已知的通道一致性标量推导技术来确定。如所属领域的技术人员所理解,通过去除可实现真实响应的其它情况的作用或影响,例如震源特征的差异或震源位置的差异等,通道一致性标量是表征具体通道的响应的单个数值,如在其耦合到地层的局部环境内所配置。所属领域的技术人员熟知地震检测中的一致性概念,且所述一致性概念在例如具有里程碑意义的M T Taner和F Koehler发表于《地球物理(Geophysics)》第46卷第1期(1981)第17到22页中的题=标题为《地表一致性修正(Surface consistent corrections)》的论文中得以充分解释。如本说明书和权利要求书中所介绍的检波器一致性和/或通道一致性被视为是地面一致性的物理类似物,其适用于检波器通道被安置在地层中的井眼中而不是地表上的情况。
在地表地震采集中,术语“检波器一致性响应”被理解为描述紧邻地震检波器的近地表对在所述地震检波器中所记录的地震道的影响。类似地,在垂直地震剖面(VSP)中,检波器一致性响应描述紧紧包围每个井下检波器的介质的影响。那些影响的最简单描述可被减少到一标量,所述标量是检波器一致性标量。地震记录与其它检波器相比倾向于具有相对高振幅的检波器分配有相对小的检波器一致性标量,且相反地,倾向于具有相对低信号振幅的暗淡检波器分配有相对高的检波器一致性标量。这些检波器一致性标量的传统目的是使来自各种检波器的地震道达到常见(通常,平均)振幅电平。计算检波器一致性标量的方法在所属领域中是众所周知的且无需进一步解释。所述方法的具体选择对本发明无关紧要。
本文中所描述的方法可用于任何类型的地震检波器排列,包含地下听音器和DAS光纤的阵列。然而,出于简洁性起见,将采用DAS光纤作为实例来描述说明书的其余部分。DAS光纤的主要优点在于,覆盖范围通常大于地下听音器的覆盖范围,和/或地震检波器通道间距可更低(即,每单位长度具有更高数目的地震检波器通道)。这些因素两者使得更容易解译检波器通道一致性标量中的时移差。所属领域的技术人员将仍然能够向其它类型的地震检波器排列应用相同原理。
井眼存在于地层中。井眼穿过数个地质层,每个地质层具有其自身的特性,包含弹性特性。DAS光纤安置在井眼中。将(DAS)光纤细分为多个DAS检波器通道。实际上,数百个DAS检波器通道很常见,其中检波器通道间距介于2m与10m之间。
每个地震检波器通道与地层中的某一深度相关联,且每个地震检波器通道局部耦合到邻近于所讨论的地震检波器通道的位置的地层。这可通过例如将DAS缆线粘固在井筒后面来完成。为免生疑,在本公开的上下文中,如果在横向于地震检波器通道与在邻近于所讨论的地震检波器通道的位置处的地层之间的井眼的纵向方向的平面内,地震检波器通道的位置与所述地层之间存在物理接触路径,无论是完全还是通过可包含粘固剂和/或例如套管等井管的中间材料,那么地震检波器通道局部耦合到所述地层。
询问器单元被配置在地表上。询问器单元连接到DAS光纤,且被布置成将光学激光脉冲传输到DAS光纤中且检测受沿着光纤的变形影响的后散射光信号,所述变形可由冲击地震波所致。由于光纤的任何部分都可发生变形且被询问地震信息,因此此测量类型被称为分布式声学传感。任何变形的位置可根据感测到变形的光学激光脉冲的已知飞行时间来确定。因此,可基于沿着DAS光纤的光学激光脉冲的飞行时间将DAS光纤细分为DAS检波器通道(例如,对应于VSP检波器级)。
适当地,DAS光纤封装在DAS缆线中。DAS缆线可包括多个DAS光纤,在同时使用所述多个DAS光纤时可增强信噪比。例如,两个笔直的纵向光纤,但可提供更多个,例如五个。替代地或另外,可在DAS缆线中配置一个或多个成螺旋形卷绕的光纤。适当地,这些成螺旋形卷绕的光纤可卷绕于核心周围。所有事物可包埋于保护材料中,且被一个或多个保护性外层覆盖。例如,有一个保护性外层。不同于笔直的纵向光纤,包括成螺旋形卷绕的光纤的缆线对边射p波(在垂直于缆线的纵向方向延伸的平面内在缆线与所述平面的相交处具有传播分量的p波)敏感。此类成螺旋形卷绕的缆线和具有对地震波边射敏感的光纤线缆的其它实例公开于美国专利9,080,949和美国预授权公开第2014/0345388号中。
通过对部署在井眼中的五个光纤同时使用DAS可获取近似偏移距VSP道集的地震道。五个光纤可被配置在单个DAS缆线中。使用基于TVD尺度的假设深度,可以在水平轴线上绘制响应时间,且沿着垂直轴线绘制DAS检波器通道。出于参考目的指示两个深度级(D1和D2)。可在左侧看到(下行)直达波,且由地质界面的反射产生的上行波也可见。
可以示出D1与D2之间的深度间隔中的通道一致性标量。以类似于对地面地震数据的地表一致性标量推导的方式(再次对Taner和Koehler的论文进行参考),根据DAS VSP数据推导通道一致性标量(在本发明的情况下:DAS通道一致性标量)。通道一致性标量与每个地震检波器通道中的平均信号振幅成反比。
适当地,相对于每个地震检波器通道的参考信号振幅来确定信号振幅的值。适当地,检波器一致性标量值与多个连贯地震事件的均方根(RMS)平均振幅成反比,所述多个连贯地震事件例如对应于上行波的所有信号。适当地,考虑多个道集以推导DAS通道一致性标量,所述多个道集例如在震源检波器偏移距彼此不同的情况下获得的多个道集。变井源距VSP炮点道集是合适的多个道集的实例。如此推导的通道一致性标量构成信号强度的方便量度。
可因此使用从DAS光纤后散射的光的信号的实际测量值来确定由每个地震检波器通道记录的如由通过地层传播的地震波引发的信号的通道一致性标量。通道一致性标量可以是根据来自对爆炸震源的2D变井源距VSP勘测的地震道推导的DAS通道一致性标量。
通道一致性标量适合于定性地提供关于邻近于地震检波器通道的地层特性的直接信息。可以线性刻度对深度再现DAS通道一致性标量。仅考虑D1与D2之间的数据。为了简单比较,可示出来自同一井眼的γ射线测井和声波测井。声波测井可在粗化(upscaling)之后被绘制。进行粗化以便于将具有细微得多的采样的声波测井与DAS检波器通道的检波器一致性标量进行比较。
如通过比较在粗化之后被绘制的声波测井与DAS通道一致性标量可见,DAS通道一致性标量与粗化声波测井之间存在显著相关性。还可基于未分块数据观察到所述相关性,但类似性在粗化之后可更为显著地观察到。γ射线测井与DAS通道一致性标量之间也存在相关性,但在本发明的实例中这是微弱得多的相关性。这是通道一致性标量为地层的弹性特性的量度的另一指示。γ射线测井仅与地层的弹性特性间接相关,且因此与通道一致性标量的相关性更微弱。
因为在检波器一致性标量与某些测井之间存在显著相关性,所以也可直接将对应于地震勘测的某一年份的检波器一致性标量与不同年份的某些测井进行比较。这可用作岩石和地层和/或检波器缆线的相对移动的基本研究,即使仅一个地震勘测数据的年份可用或不存在与测井同一时期的地震勘测数据。在这种情况下,测井可代替基础勘测标量(或监测勘测标量)。
示例
使用配置在大地中的井眼中的DAS缆线执行时移地震勘测。监测勘测(在基础勘测三年之后收集的)和基础勘测的DAS通道一致性标量可作为通道深度的函数,基础勘测和监测勘测可在单个曲线图中输出。输出展示三年时移前后DAS检波器一致性标量的改变。除标量数值的局部改变之外,仔细比较示出深度轴线的小的移动。这些改变可用于描述关于地下的物理改变的信息。
举例来说,监测DAS检波器一致性标量可与基础DAS检波器一致性标量深度配合。这可使用所谓的滑动窗口技术来进行,由此提取每个给定滑动深度位置窗口内的监测检波器标量的深度偏移,由此基础和监测数据最佳地相关。可输出从滑动深度窗口的不同位置获得的最终所得的深度偏移集合,且关于在一方面地震检波器通道与另一方面地下地层中的岩石层之间的时移期间发生的相对移动描述重要信息。
对数据中的每个通道所提取的深度偏移可被示出。这些可被解译以描述关于地下的物理改变的信息。在此情况下,平均深度偏移是-0.66通道。针对勘测的响应年份,平均深度偏移可简单地归因于光纤中的DAS检波器通道位置的不同定义(与“零”深度相比对检波器通道的排列进行校准略微有差别)。然而,还观察到从平均深度偏移的深度偏移的系统性变化,这归因于检波器通道与地下地层之间的相对移动。可能需要考虑补充信息以解译深度偏移,例如在存在粘固剂、套管靴形件、封装件或可能会影响井眼(中的地震检波器通道)与岩石层之间的机械约束的其它井眼设备的情况下。在对数据进行恰当解译的情况下,在监测层之间的地质界面相对于井眼中的地震检波器通道的位置的移动时,可针对时移采用检波器一致性标量对紧邻地震检波器通道附近的岩石的局部声学特性的敏感性。如由检波器一致性标量所指示,当地震检波器通道的安装是使得地层可越过其移动时,地震检波器通道与地层之间的相关联中的时移变化可因此有利地用于监测完井的下沉和/或完整性。
作为实例,监测勘测数据已被深度偏移-0.66通道(主体向上偏移),这对应于上文所建立的平均深度偏移。深度偏移的监测勘测数据可在图中被表示。主体偏移是一种快速校正年份与对深度对准的DAS通道的标量值的改变的定性理解的第一步之间的DAS记录引发的差的简单方式。技术人员将仍然理解可通过向检波器通道中的每一个应用如在上文中确定的精确偏移获得在数量上更精确的结果。
在来自两个年份的检波器一致性标量已在深度上对准之后,基础与监测检波器一致性标量之间的差可被输出和显示以实现层内地层物质特性的时移改变。由于所测量的地震振幅和因此每个所选择地震检波器通道的检波器一致性标量对紧邻包围所选择检波器通道附近的地层的弹性特性敏感,因此此敏感性可被采用以在地层硬化或围绕其中安装地震检波器排列的井眼的地层物质的软化时进行时移监测。借助与上文相同的数据说明示例。
对于DAS检波器通道的排列,对应检波器一致性标量与密度乘以在邻近于DAS检波器通道耦合到地层的位置附近采用的地震速度的平方定性地成比例。如果在时移模式中测量,那么与不同年份中的相同岩石层相关联的基础与监测检波器一致性标量(即,不同年份的检波器一致性标量)之间的时移差指示包围井眼的岩石正硬化还是软化。检波器一致性标量随时间的增加指示硬化,而检波器一致性标量随时间的降低指示软化。可在插图中示出小数据段的放大。这些插图突出深度对准的DAS检波器通道中的标量振幅差。插图可强调深度范围,其中监测勘测标量大于基础勘测标量,这如上文所解释指示相关联岩石的硬化。其它插图可强调其它深度范围,其中监测勘测标量低于基础勘测标量,这如上文所解释指示相关联岩石的软化。
插图仅既定为说明性实例-这些说明性实例并不意欲唯一地识别存在硬化或软化证据的仅有深度范围。
可通过物理测量所关注的地理区域中的地震响应获得或已获得本公开中所论述的勘测数据。所关注的地理区域可包括储集岩的一个或多个层,所述储集岩的一个或多个层能够容纳例如油和/或气体等可产生的矿物烃或容纳用于存储的流体。此类流体的实例包含已在别处产生的天然气,和所捕获二氧化碳。储集岩的此类层和所关注的其它层,例如可定位在储集岩上方的层(所谓的“覆盖层”)可经受储集岩中的流体过程的改变。举例来说,由于烃流体从油藏的产生所致的油藏耗尽可导致油藏和覆盖层拉伸。
基于时移前后检波器一致性标量的改变和/或地下的物理改变,影响矿物烃从存在于地下中的储集岩的产生和/或影响将流体存储在储集岩或从储集岩检索先前存储的流体中的计划可被形成和执行。计划可包括实施流体提取速度、流体喷射速度或甚至对储集岩或相同所关注的地理区域内的其它油藏岩钻探新井的改变。所观察的检波器一致性标量的时移改变还可指示完井改变。因此,计划可包含修井和/或未来井的设计改变。类似于时移监测的其它方法,当前提议的时移监测方法可因此实施于从存在于地下中的储集岩产生矿物烃和/或将流体存储在储集岩中和/或从油藏岩检索先前存储的流体的方法中。计划
当然,根据如本文中所描述的检波器一致性标量推导的所有信息可通过传统时移或4D地震属性补充以实现更可靠和广泛的解译。然而,信息也可单独使用以实现相对廉价的局部监测而非完整4D地震勘测(其昂贵得多),或以实现完整4D地震勘测的年份之间的额外局部监测。
最后,所属领域的技术人员将显而易见的是可在含或不含深度对准或深度匹配步骤的情况下进行标量的比较,且可在含或不含对标量数值的改变进行后续分析的情况下进行深度匹配。
所属领域的技术人员应理解,在不脱离所附权利要求书的范围的情况下,可以多种不同方式执行本发明。
Claims (12)
1.一种对地下地层进行时移监测的方法,其包括:
选择安置在地层中的井眼中的地震检波器排列,其中所述地震检波器排列包括多个地震检波器通道,每个地震检波器通道具有地震检波器通道位置,由此每个地震检波器通道以声学方式耦合到邻近于所述地震检波器通道位置的所述地层;
收集基础勘测数据,包括测量所述地震检波器排列中由通过所述地层传播的地震波引发的基础勘测信号;
根据所述基础勘测数据确定所述地震检波器通道的基础检波器一致性标量,其中每个所述检波器一致性标量是由通过邻近于每个相应地震检波器通道的所述地层传播的地震波引发的信号振幅的量度;
允许基础勘测数据的所述收集与监测勘测数据的收集之间的时移;
在所述时移之后,收集所述监测勘测数据,包括测量所述地震检波器排列中由通过所述地层传播的地震波引发的监测勘测信号;
根据所述监测勘测数据确定所述地震检波器通道的监测检波器一致性标量;
输出基础和监测检波器一致性标量以展示在所述时移前后所述检波器一致性标量的改变;
使所述地震检波器通道中的一个或多个的监测检波器一致性标量与对应地震检波器通道的基础检波器一致性标量进行深度匹配;以及
使用所述检波器一致性标量的所述改变来描述关于所述地下的物理改变的信息,和/或提取基础勘测与监测勘测之间的所述地震检波器通道中的所述一个或多个的深度偏移集合,由此输出所述深度偏移集合和描述关于所述地下地层中的岩石层与所述地震检波器通道之间在所述时移期间发生的相对移动的信息,
其中通过多个地震事件的均方根平均振幅的倒数来量化信号振幅。
2.根据权利要求1所述的方法,其中使用通道一致性标量技术确定信号振幅的值。
3.根据权利要求1所述的方法,其进一步包括使所述基础检波器一致性标量和监测检波器一致性标量深度对准,和输出所述地震检波器通道中的一个或多个的基础检波器一致性标量与监测检波器一致性标量之间的差。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法,其进一步包括描述邻近于所述地震检波器通道位置的所述地层的弹性特性的改变。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法,其中通过遵循用于根据所述基础勘测数据确定所述基础检波器一致性标量的相同程序,根据所述监测勘测数据确定所述地震检波器通道的所述监测检波器一致性标量。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法,其中所述时移是至少一整天。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法,其中所述地震检波器排列中的所述地震检波器通道形成一串地震检波器通道。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的方法,其中通过分布式声学传感(DAS)系统形成所述地震检波器排列,所述分布式声学传感(DAS)系统将光纤细分为多个DAS检波器通道,由此所述地震检波器通道是所述DAS检波器通道。
9.根据权利要求8所述的方法,其中所述光纤封装于缆线中且操作为DAS光纤。
10.根据权利要求9所述的方法,其中与所述缆线有关的所述光纤对边射地震波敏感。
11.根据权利要求8所述的方法,其中多个光纤封装于缆线中且操作为DAS光纤。
12.根据权利要求11所述的方法,其中与所述缆线有关的所述光纤对边射地震波敏感。
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