13

Сигналы и линейные системы

Тема 13: каротажные кабели

Нет смысла добиваться точности там, где неизвестно, о чем идет речь.

Джон фон Нойман.

Американский математик и физик, ХХ в.

Каротажный кабель, это сначала трос, а уже потом кабель. Зачем же требовать от него высокой точности передачи данных. Лучше довольствоваться малым, но с умом.

Владимир Кузьмин.

Новосибирский геофизик Уральской школы, ХХ в.

Содержание: Введение. 13.1. Первичные электрические параметры кабелей.Активное сопротивление. Проводимость изоляции жил кабеля и электромагнитные потери. Емкость токопроводящих жил. Индуктивность кабеля. 13.2. Вторичные электрические параметры кабеля. Волновое сопротивление. Частотные характеристики жил кабеля.13.3. Импульсный отклик кабеля. Литература.

Введение

Начиная с 80-90 годов прошлого века в методах и технологиях геофизических исследований скважин (ГИС) наблюдаются существенные качественные изменения, а именно: переход на комплексные и многопараметровые измерения с применением комбинированных и/или многофункциональных скважинных приборов с достаточно глубокой обработкой первичных данных в реальном масштабе времени непосредственно в каротажных лабораториях (станциях). Такой переход требует как повышения качества первичных данных, так и передачи этих данных, как правило, в цифровой (кодовой) форме, с достаточно высокой скоростью в наземные обрабатывающие (измерительно-вычислительные) и регистрирующие устройства. И если выполнение первого требования достаточно успешно базируется на высоком уровне развития современной электронной техники, то практически единственной телеметрической линией передачи данных ГИС остается традиционный каротажный кабель.

Каротажный геофизический кабель относится к типу универсальных аналоговых кабельных линий передачи информации от скважинных приборов к каротажной станции и передачи управляющих сигналов на скважинные приборы. Пропускная информационная способность каротажного кабеля определяет скорость каротажа, особенно в комплексных методах ГИС. Однако каротажный кабель является не только электрической линией передачи информации, но и тросом с достаточно большим (до нескольких тонн) разрывным усилием, несущим скважинные приборы в химически- и механически агрессивной среде скважин. По существу, это кабель-трос специального технологического назначения, работающий в широком диапазоне температур (от минусовых на поверхности до 100-150 и более градусов на больших глубинах), что накладывает определенные ограничения на его характеристики, как линии связи. Реальная скорость передачи информации (бит/с) современных кабелей в зависимости от их длины ограничиваются диапазоном до 10-100 кГц, что начинает существенно сдерживать развитие и совершенствование технологий ГИС.

По числу токопроводящих жил (ТПЖ) каротажные кабели разделяются на три основных вида: одно-, трех- и семижильные. Как правило, кабельные каналы связи рассматриваются в рамках теории однородных длинных линий с постоянными электрическими параметрами кабеля по всей его длине. Однако в процессе каротажа различные части кабеля находятся в неодинаковых условиях давления и температуры, что приводит к изменению первичных параметров, как во времени, так и по длине кабеля. Однако, как показали исследования, изменение первичных параметров бронированных кабелей хотя и имеет место, но не столь значительно, чтобы отказаться от использования теории однородных линий.

Одножильные бронированные каротажные кабели, в принципе, относятся к разновидности коаксиальных кабелей с концентрическим расположением жилы (прямого провода) внутри брони (обратного провода). Взаимодействие электромагнитных полей прямого и обратного проводника в идеальном коаксиальном кабеле при равных значениях тока и разных его направлениях создает нулевое значение электромагнитного поля за пределами кабеля, т.е. электромагнитное поле сигналов сосредоточено внутри кабеля, что и обеспечивает эффективную передачу электромагнитной энергии с минимальными потерями. Центральная жила и оплетка коаксиальных кабелей выполняются из немагнитных материалов (медь), что также не создает потерь на перемагничивание магнитных материалов.

Каротажный кабель, в отличие от коаксиального, в качестве оплетки имеют стальную броню без поверхностной изоляции, а, следовательно, локализованного обратного тока в этой броне не существует как для одножильного, так и для многожильного кабеля. Это действительно как для кабеля на барабане лебедки, где броня представляет в какой-то мере сплошной металлический монолит, так и для кабеля в скважине, где броня – линейный заземленный электрод. Следовательно, в каротажных кабелях появляется весьма существенный источник потерь электромагнитной энергии сигналов – на перемагничивание стальной брони электромагнитными полями токопроводящих жил и межпроводниковыми электромагнитными полями (при двухпроводной передаче сигналов), а также на потери электромагнитной энергии обратного тока в окружающей среде. Эти потери нарастают с увеличением частоты тока и приводят к существенному частотному ограничению импульсной пропускной способности кабеля. Их место в математической модели кабеля подлежать уточнению.