分布式光纤（DAS）是一种具有诸多优势的地震采集技术，如低成本、宽频带、密集空间采样和连续记录。目前，直光纤仅限于单分量地震数据，且横向敏感性较差，无法记录垂直入射的地震波场。为了克服直光纤这一局限性且厘清多分量DAS系统的地震波场响应，本文提出了一种新型一阶应力-应变率弹性波动方程来模拟应变率波场的地下传播情况。
该方法基于各向同性弹性介质假设，首先从传统一阶速度-应力弹性波动方程出发，并结合应力-位移关系推导出应力-应变率弹性波动方程。接着，文章设计了三种观测系统（地面、水平井及垂直井），并利用有限差分算子求解新型波动方程，进而实现多分量法向应变率波场的模拟。为了进一步验证方程的正确性，文章基于螺旋光纤轴向应变率与各法向分量之间的敏感性进一步模拟了缠绕角分别为35.3°和54.7°的螺旋光纤地震波场响应。与传统速度波场相比，所提出的方程能够正确模拟法向应变率（图2），且缠绕角为35.3º的螺旋缠绕光纤对S波不敏感，与传统压力分量类似，而在54.7º时则可以清晰记录S波（图3）。此外，该方程能够直接用于多分量DAS的逆时偏移（RTM）或全波形反演（FWI），从而避免了传统方法的数据转换，具有较好的应用前景。
图1.断层模型模拟炮集，第一行检波点位于地表，其中（a）和（b）为传统速度x和z分量，（c）和（d）为应变率x和z分量；第二行检波点位于水平井，其中（e）和（f）为传统速度x和z分量，（g）和（h）为应变率x和z分量；第三行检波点位于垂直井，其中（i）和（j）为传统速度x和z分量，（k）和（l）为应变率x和z分量
图2.断层模型模拟螺旋光纤炮集，第一行检波点位于地表，其中（a）为传统速度压力分量，（b）和（c）分别为35.3°和54.7°的轴向应变率；第二行检波点位于水平井，其中（d）为传统速度压力分量，（e）和（f）分别为35.3°和54.7°的轴向应变率；第三行检波点位于垂直井，其中（g）为传统速度压力分量，（h）和（i）分别为35.3°和54.7°的轴向应变率
研究成果近期发表在地学领域国际重要期刊Petroleum Science。获得永利集团深部油气全国重点实验室资助。论文第一作者为永利集团永利官网博士生赵冲，通讯作者为永利集团永利官网杨继东教授。合作者包括永利集团永利官网黄建平教授，中国石油化工集团有限公司胜利油田物探研究院秦宁，中国石油化工集团有限公司胜利油田物探研究院田坤，西安石油大学杨飞龙教授。
论文信息： Zhao C, Yang J D, Huang J P, et al. Seismic simulation for distributed acoustic sensing data using a novel stress and strain-rate elastic wave equation[J]. Petroleum Science, 2025.
