测井电缆阻抗对井中激电发射波形的影响研究

毛玉蓉，郭庆明，谢兴兵，周磊，严良俊，童小龙，李昊锦

（1.长江大学地球物理与石油资源学院，湖北 武汉 430100；2.油气资源与勘探技术教育部重点实验室（长江大学），湖北 武汉 430100；3.中国石油集团测井有限公司测井技术研究院，陕西 西安 710077；4.中国石油天然气集团有限公司测井技术试验基地，陕西 西安 710077）

0 引 言

在深地资源勘探中，随着勘探深度的增加，强信号能有效反映出深部的地电信息，发射功率小、信号弱的传统激电方法已不能满足深部勘探的要求[1-2]。大功率激电方法发射较强的电流，压制干扰信号，有效地提高信噪比，在大极距下保证观测精度， 具有相当大的勘探深度。在采用井-地和井-井激发极化法探测方式进行矿产资源深部探测时，需要经过车载绞车滚筒将3 000 ～7 000 m铠装测井电缆（简称铠装电缆）缠绕并下放到井中，传输激发电流使得介质充分极化[3-4]。这要求千米级铠装电缆下放到井中后，发射电流波形不发生畸变，在一定地质条件下能够发射大电流进行激发。因此，研究千米级铠装电缆在测井过程的总阻抗特征，保证测井信号传输的准确性和可靠性就显得尤为重要。

目前，国内外对测井电缆阻抗特征的研究和测试较多，董慧娟等[5]对单芯铠装测井电缆的频率特性采用理论计算法、测试法和建模仿真法这3种方法进行了讨论，用于研究测井通信的可靠性[5-6]。GUSTAVSEN等[7]采用有限元方法计算测井电缆的单位长度参数。杨小峰[8]根据JB/T 3302—1999《承荷探测电缆》对铠装电缆各项参数的测试方法进行了分析讨论，设计了铠装电缆频率特性测试方案。杨婕等[9]、闫景富等[10]通过非线性拟合方法对7 000 m铠装电缆进行了电路建模，分析了衰减特性。王鋆晟[11]针对千米级七芯铠装测井电缆传输特性，在千赫兹以上频率进行了仿真研究。以上成果中均未讨论低频大电流信号在千米级测井电缆中的传输特性。本文主要研究千米级七芯铠装测井电缆在低频（小于1 kHz）信号时进行长线传输的特性，采用阻抗分析仪和野外测试这2种方式对3 000 m铠装测井电缆进行测试分析。

1 电缆模型

测井电缆也就是铠装电缆，在测井作业过程中承担测井仪器的下放提升、供电以及测井数据传输等重要工作。在作业时，由于缆芯之间、缆芯与铠装之间互相耦合，滚筒上的电缆铠装与铠装之间的耦合使得电缆传输特性变得复杂难以预测。

对于每根缆芯而言，可以理解为由无限小长度的电缆串联而成。在电气特性上，长度无限小的电缆等效为一个四端口网络，整个电缆可等效为无限个四端口网络的串联（见图1）。图1中R为电缆等效电阻，L为等效电感，G为等效电导，C为等效电容，l为电缆长度，t为时间，u为端口电压，dl为无限小电缆长度。

图1 无限小长度电缆等效端口网络

对于单芯电缆，结构相对简单，当电缆横截面结构的尺寸、材料确定后，根据电磁场理论，可以得到单芯电缆在某频率下的分布参数。但七芯电缆结构复杂，分布参数的数量也随着缆芯数量的增加而增加，除了缆芯本身物理特性外，还有缆芯之间、缆芯与铠装之间相互影响的特征。受这些分布参数的影响，不能用一个简单直观的表达式来计算七芯电缆的各分布参数，这也是长期以来制约提升测井电缆传输测井设备信号速率和质量的瓶颈[12-13]，直接测试是获取七芯铠装测井电缆对发射电流影响的最直接方法，本文采用了阻抗分析仪和野外测试这2种测试方式。

2 S1260阻抗分析仪直接测试

将3 000 m七芯铠装测井电缆在地面展开3种不同长度（800、560、300 m），以模拟不同长度电缆线在井中的工作情况。用阻抗分析仪直接测量电缆低频阻抗，测试频段f为10–2～103Hz，满足，其中λ为电磁波波长（取电磁波在真空中的传播速度c为3×108m/s，），因此，大功率激电测井属于短线传输，为集总参数电路。

电感在不同频率下等效模型不同，千米级测井电缆等效电路整体分为低频等效和高频等效（见图2），图2中A、B为电缆的两端口，R1、R2为低频电缆等效电阻，L1、L2分别为低频和高频等效电感，C为等效电容，Z1为低频阻抗。

图2 电缆等效电路

由图2 （a）可得低频阻抗为

式中，ω为角频率，rad** 非法定计量单位，1 rad = （180/π）（°），下同/s，在极限条件下Z1( 0)=R1，Z1( ∞)=R1＋R2。

由图2 （b）可得电缆阻抗为

极限条件下Z（0） ＝R1，阻抗相位峰值为

式中，Im （Z）、Re （Z）分别是阻抗的虚部和实部。设

根据测量数据可得R=Z( 0) 及

考虑到大功率激发极化测井七芯电缆的缆芯分配情况，分配给发射用的缆芯可能为单芯或双芯，本文主要对单芯和双芯进行了测试（见图3、图4）。由图3 （b）和图4 （b）可知，在低频处（1 ～10 Hz）有一明显正相位峰值，对应了线圈的低频电感效应。对数据进行拟合得到不同条件下的R，L，C值（见表1）。

表1 电缆分布参数测试表

图3 单芯电缆阻抗特征

图4 双芯电缆阻抗特征

从结果看，虽然存在一定误差，但变化趋势明显，电缆的电感特征基本不随单芯或双芯改变，为电缆固定结构下的特征参数。随着滚筒电缆匝数的增加，电感逐渐增大，说明滚筒上的电缆铠装与铠装之间存在电感特征。测井电缆接地测试结果如图5所示，测试时阻抗分析仪与大地并联。测试结果显示：低频噪声较大，但中低频（0.1 ～100 Hz）总体表现为电缆的电感效应，只在极低频（小于0.1 Hz）表现为地下介质的电容效应；到了高频段（大于1 kHz），幅值和相位均发生较大变化。

图5 电缆接地测试阻抗图

3 野外测试

为了比较真实地了解发射波形是否受到千米级铠装电缆的影响，野外实地测试是一种最直接的方法。野外测试发射采用加拿大凤凰公司的TXU30发射机（30 kW），电流采集站采用配套的TMR（Tele Meter Reading）电流采集站，发射TD50电流波形，电流大小为3 A，周期分别为40 ms（25 Hz）和16 s（0.062 5 Hz），发射电极A和B间距120 m，接地电阻约30 Ω。3 000 m铠装电缆经标准仪表测试，单根缆芯电阻约为100 Ω，2根缆芯并联电阻约为55 Ω，7根缆芯并联电阻约为15 Ω。野外测试工作分为4组：不经过测井电缆直接对大地发射、2根缆芯并联后接入大地发射、7根缆芯并联后接入大地发射和2根缆芯并联直接接入发射机电极A和电极B发射（见表2）。

表2 发射试验（电缆全部在滚筒上）

图6 （a）是发射周期为16 s的4组试验波形，可以看出，在低频段（小于0.1 Hz）电缆的电感特征不明显，对发射波形没有影响，4种测试模式下发射波形基本吻合，发射波形没有发生畸变，电流大小也没衰减，能够满足井中激发极化法探测的要求，电缆呈现的频率特性与阻抗分析仪测试的结果基本一致，在低频状态下，电缆呈现电阻特征。图6 （b）是发射电流关断时的波形，可以看出关断有20 ms延时，主要是由发射机固有的阻抗特征引起，并不是测井电缆导致的延时。即便存在该延时，根据激发极化法的机理，发射波形仍然能满足激发极化法探测的要求。

图6 电缆对发射电流波形影响测试（16 s）

图7是发射周期为25 Hz的4组发射波形，对比发射周期为16 s的发射波形，可以看出，当频率超过10 Hz时，测井电缆的频率特征发生明显变化，主要表现在对发射电流关断的影响。如图7 （b）所示，在发射电流关断时，4种试验模式明显受到电缆分布参数不同的影响，这也就对发射机的性能提出了较高要求，在设计发射机参数时要充分考虑在高频发射时负载的电感特征。

图7 电缆对发射电流波形影响测试（25 Hz）

综合阻抗分析仪和野外现场测试的情况，初步认为测井电缆对大功率激电仪的发射系统影响较小，在湖北某矿区试验区进行了测井试验。据实地矿区环境勘查，试验井井深为1 100 m，所在矿区采矿活动频繁，人为干扰严重，尤其是50 Hz 的工频干扰很强。根据测井任务，进行了井-地激发极化探测，在井中进行大功率发射，地面分布式接收，激发电流为周期16 s 双极性方波，电流大小为28 A， 所用测井电缆为5 000 m 单芯铠装电缆，发射波形如图8 所示，可以看出发射波形未发生畸变，电流大小未受到影响，能够保证井中大功率激发极化探测需求。

图8 井-地激发极化探测发射波形

4 结 论

（1）本文从井中激发极化探测的需求出发，对3 000 m七芯铠装测井电缆分别采用阻抗分析仪和野外现场测试这2种方法进行测试。结果表明：在小于10 Hz的频段，七芯铠装测井电缆对长周期大功率电流波形没有影响，电流大小和波形均能以较高质量传输至井下；在10 Hz频段附近，信号的相位发生明显改变；在大于1 kHz的频段，电缆的幅频特性和相频特性均发生明显的变化。

（2）在测量深部资源时，千米级铠装测井电缆的阻抗特征可能会对信号传输造成一定影响。这是因为铠装测井电缆的阻抗不匹配会导致信号反射以及高频信号被抑制而无法传输。此外，铠装测井电缆阻抗过高还会影响信号的传输质量，并且会产生电势差，进而影响测量的准确性。因此，在进行深部资源探测时，需要特别注意这些问题，以确保信号传输的准确性和可靠性。