Каротажный трос что это

Рассматриваемый вид токопроводящей продукции относится к универсальным изделиям, выпускаемым согласно ГОСТ 31944-2012 Кабели грузонесущие геофизические бронированные. Основное отличие данного вида кабелей состоит в наличии защитной бронированной оболочки, состоящей из нескольких повивов и выполняющей одновременно несущую функцию.

Кабель каротажный геофизический – особенности применения, ГОСТ, производители

Каротажный кабел ьшироко применяется при геофизических исследованиях, а также при выполнении рабочих операций в скважинах нефтяных и газовых разработок. Кроме того, он востребован на рыболовном флоте и при исследованиях в морских глубинах.

Грузонесущие кабели выпускаются в более, чем двухстах модификациях, отличающихся своими эксплуатационными показателями. Общие технические характеристики этих изделий выглядят так:

Область применения различных исполнений каротажного кабеля задается при разработке каждого конкретного типа изделия. Она определяется его названием (маркой), присваиваемой согласно общепринятой классификации и однозначно идентифицирующей кабельный продукт.

К крупнейшим производителям кабелей геофизических грузонесущих относятся следующие российские предприятия:

К этому перечню можно добавить завод-изготовитель «Узкабель» (Узбекистан), а также объединение «Псковгеофизкабель» г. Псков и другие.

Кабели геофизические грузонесущие – обзор марок

В зависимости от особенностей применения геофизических каротажных кабелей и их конструкции все они подразделяются на следующие известные марки:

Рассмотрим особенности конструкции каждого их перечисленных образцов кабеля грузонесущего геофизического бронированного более подробно.

оболочка из полимеров.

внутренний слой (повив) защитной брони.

Поверх первого защитного слоя наносится второй броневой слой.

Электрические параметры кабелей марки КГ представлены величиной, обратной удельной проводимости токопроводящей жилы (не более 25,5 Ом/км) и сопротивлением изоляции, равным не менее 20000 МОм на км. Они учитываются при подключении изделия к цепям переменного напряжения величиной до 660 Вольт с частотой тока 50 Гц.

С механическими показателями рассматриваемого изделия можно ознакомиться в перечне, приведенном ниже:

Минимальная температура, при которой разрешена эксплуатация кабелей марки КГ – минус 40 °С.

жила токопроводящая рабочая.

изоляция на основе полимеров.

экранная оплетка, покрытая особой защитной пленкой.

внутренний повив брони.

наружный броневой слой.

Рассматриваемый вид кабельной продукции имеет три модификации, отличающиеся исполнением экранирующего защитного покрытия. В одном случае оно изготавливается в виде плотной навивки из медных лент плоской формы. Во втором – в виде покрытия, навитого из тонких медных проволочек. В третьем исполнении защитная оболочка изготовлена в виде оплетки, в которой медные провода чередуются с полиэфирными нитями. Кабели этого типа широко применяются при спектрометрических исследованиях скважин.

Рассмотрим в качестве примера технические параметры кабеля марки КГЛ 1х0,75-30-150:

Кабельные изделия КГЛ широко применяются в нефтегазовой промышленности и в геологоразведке.

Аббревиатура КГС расшифровывается следующим образом:

Особенности конструкции кабеля КГС подчеркивают его основное назначение. Изделия этой марки включают в свой состав следующие обязательные элементы:

Последние изготавливаются из устойчивой к коррозии проволоки, обеспечивающей кабелю геофизическому грузонесущему высокие прочностные показатели.

Источник

Кабель геофизический КГ

Подписка на рассылку

Согласно ОСТ (отраслевой стандарт) 153-39.1-005-00 кабель геофизический грузонесущий предназначен для подъемов или спусков аппаратов, сборок модулей в скважины:

Каротажные кабели позволяют осуществлять качественные многопараметровые измерения с высокой скоростью для обработки в каротажных лабораториях.

Универсальный кабель-трос со стабильно высокими показателями механической и химической устойчивости, в частности строго регламентированным запасом прочности на разрыв по маркировке относится к типу аналоговых линий. Кабель геофизический КГ может иметь 1, 3 или 7 токопроводящих жил. С 1 жилой кабели могут относиться к группе коаксиальных проводов и имеют конструкцию с концентрическим расположением токоведущей жилы внутри обратного провода (брони).

Технические характеристики кабеля КГ разных марок

Разрывное усилие – один из важных показателей, которые обязательно должны выдерживать геофизические провода. Одножильные провода (КГ 1-55-90/150/200) сечением 0,75 или 1,5мм выдерживают напряжения на разрыв не менее 55кН, 3-хжильные сечением 0,75 мм – не меньше 60Кн, 1,5 мм – более 70кН. Для семижильных нижний порог – 75кН.

Сопротивление токонесущей жилы имеет прямое влияние на качество и скорость передачи сигнала. Чем меньше сопротивление, тем меньше помех будет возникать. Для одножильных, 3-хжильных и 7-мижильных проводов КГ сечением 0,75 мм сопротивление не должно превышать 25 Ом/км, для кабеля с сечением жилы 1,5 мм – не больше 15 Ом/км.

Каротажные кабели необходимы для организации прострелочно-подрывных работ, для взятия проб пластовых пород, флюидов и др. с ориентировкой на точный анализ и передачу данных в реальном времени.

Одножильный кабель в броне с наружным D 4мм (КГЛ 1 х 0,35-10-150 (-200)) применяется при проведении гидродинамических исследований в водных или газовых скважинах, устье которых герметизировано по причине присутствия внутреннего давления среды, заставляющего содержимое фонтанировать.

Кабель одножильный марок КГСв 1 х 0,75 70 150 4 и КГСв 1 х 0,75 90 150 4 имеет высокопрочное бронирование в 4 повива из стальной оцинкованной проволоки. Назначение этого кабеля – освоение скважин свабированием.

Трехжильный кабель (КГЛ 3х0,50-40-90 (-150,-200)) с наружным D 8,4 или 10,7 мм тоже используется в герметизированных скважинах через сальниковое уплотнение.

Условия эксплуатации грузонесущего кабеля

Кабель геофизический КГ допускается к применению в среде, где t*С не превышает 200*С с уровнем гидростатического давления не более 98 Мпа. Для всех типов кабеля минимальный D сгиба рассчитывается: 40* D кабеля. Питание кабеля допустимо до 600 В. Температурный режим для обеспечения нормальной работы кабеля рекомендуется в зависимости от конструкции и материала изоляции.

Сопротивление жил определяется при 20*С по таблице технических данных, сопротивление изоляции также указывается при 20*С и должно составлять не менее 20000 МОм*км, волновое сопротивление (частота 50 кГц) – 70 ±7 Ом. Испытывается кабель при напряжении 2500В.

Источник

Свойства каротажных кабелей и их виды

Система высокочастотной передачи данных по каротажному кабелю

Обзор

В современной скважинной геофизической аппаратуре для передачи информации с датчиков прибора применяется цифровая телеметрия. Она имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с аналоговой. Передача информации в цифровой форме обеспечивает высокую помехоустойчивость, возможность более полного использования пропускной способности каналов, стабильность параметров передачи, позволяет на одном кабеле объединять в связки несколько приборов, чтобы одновременно выполнять ими каротаж.

Практически единственной телеметрической линией передачи данных ГИС является традиционный каротажный кабель.

Согласно источнику [1], [http://bourabai.ru/signals/ts13.htm]

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.

Рис.1 Конструкция одно- и трехжильного бронированных кабелей.

Свойства каротажных кабелей и их виды

Согласно источнику [2], [https://studfiles.net/preview/3925279/]

В соответствии с назначением и условиями эксплуатации каротажный кабель должен обладать следующими свойствами:

б) хорошей электрической изоляцией жил при большом гидростатическом давлении и высокой температуре жидкости, а также при наличии в ней нефти, газа и различных химически активных веществ;

в) небольшим электрическим сопротивлением токопроводящих жил и малым электрическим затуханием;

г) геометрической и электрической симметрией жил;

д) малым диаметром и большой плотностью.

Бронированный кабель наиболее полно удовлетворяет указанным выше требованиям. Он имеет малый диаметр при равном разрывном усилии, большую плотность и больший срок службы, чем оплеточные и шланговые кабели. Малый диаметр кабеля позволяет применять лебедки с меньшей емкостью барабана, а большая плотность обеспечивает возможность работы в скважинах с тяжелыми промывочными жидкостями и, в частности, в глубоких скважинах. В отличии от оплеточных и шланговых кабелей, натяжение и удлинение бронированного кабеля в меньшей степени зависят от скважинных условий; в результате глубины при работе с бронированным кабелем определяются более точно.

Табл.1. Механические характеристики грузонесущих геофизических кабелей.

Разрывное усилие, кН

КЗКСКЗКСКЗКСКГ1-24-90 КГ1-53-90 КГ3-59-90 КГ1-24-18036 26 64 4075 53 32 254.07 4.72 1.8 2.21.43 1.64 4.07 4.7214.6 15.1 15.4 15.816.2 16.7 14.8 15.2

Дата добавления: 2018-06-27 ; просмотров: 1642 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Каротажный кабель

При проведении работ на больших глубинах каротажный кабель испытывает огромные нагрузки на разрыв, механические воздействия при трении о стенки скважины, перепады температур, давление и т.д. Поэтому требования к качеству каротажного кабеля всегда предъявляются очень высокие, ведь от его прочности, надежности и долговечности зависит сохранность оборудования и эффективность работы предприятия.

При производстве каротажного кабеля предприятия руководствуются требованиями ГОСТ Р 31944-2012, но не ограничиваются ими. Помимо общих требований к качеству продукции каждый объект может выдвигать особые требования, исходя из геологических, экологических и других условий проведения работ.

Современные производители каротажного кабеля используют в качестве материалов стандартный набор: медь для передающей жилы, стальная канатная проволока для оплетки, а также качественные изоляционные материалы, устойчивые к температурным изменениям. Сегодня набирает все большую популярность стальная проволока, обладающая сероводородостойкостью – благодаря свойствам материала, такая проволока отличается большей устойчивостью к коррозии.

При всей значимости качества материала, из которого изготавливается каротажный кабель, очень важную роль в его надежности играет тип конструкции. В отличие от обычных силовых кабелей, подготовка к эксплуатации каротажного кабеля должна производиться в динамике. Это позволяет избежать возможных дефектов повивы проволоки, способной привести к раздуванию брони, запутыванию и обрыву кабеля.

И в целях повышения качества брони все больше предприятий переходит от применения клетьевого оборудования к машинам сигарного типа, которые не только обеспечивают более высокую производительность, но и позволяют производить продукцию с минимальным внутренним крутящим моментом (за счет того, что проволока в данном случае не закручивается вокруг своей оси).

Наименее освоенным, но самым перспективным направлением в области производства каротажного кабеля на сегодняшний день считается изготовление кабеля для каротажа горизонтально направленных скважин. Особенность такой кабельной продукции заключается в высокой осевой жесткости, которая не позволит кабелю сложиться «гармошкой» при проталкивании скважинного оборудования на горизонтальном участке. При этом такой кабель должен отвечать все стандартным требованиям к прочности для работы на вертикальных участках.

Каротаж водозаборных скважин

По сравнению с работами в рамках нефтедобывающих скважин, каротаж водозаборных стволов достаточно прост и не требует применения столь сложной и дорогостоящей кабельной продукции. Геофизические исследования водозаборной скважины, главная цель которых – найти в ней какие-либо неисправности и предупредить их появление в будущем и называется каротаж скважин. Производят его в новых, только пробуренных скважинах, чтобы проверить степень соблюдения технологии бурения.

Этот комплекс мероприятий определяет герметичность, с которой была установлена обсадная колонна скважины, смонтированная наверху известняка, и была ли вообще достигнута глубина известкового слоя. Нарушение герметичности приводит к тому, что страдает качество воды, а также снижается срок службы скважины. При этом возможно загрязнение всего горизонта. Именно каротаж позволяет уберечь систему от данных рисков.

Кроме того при каротаже возможно проведение видеосъёмки. Это позволяет детально изучить всю колонну на наличие или отсутствие трещин. Также можно точно определить уровень воды и общую глубину скважины. Соответственно можно отметить, что подобный комплекс мероприятий становится гарантией безотказной и долгой работы скважины.

Чтобы задать вопрос или сделать заявку,
нажмите на кнопку ниже:

Источник

КАРОТАЖНЫЕ КАБЕЛИ

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.

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.

13.1. Первичные электрические параметры кабелей [6, 7]

Полное активное сопротивление линии передачи сигналов кабеля состоит из суммы сопротивлений прямого и обратного проводников. Для одножильного бронированного кабеля (ОБК) и многожильного бронированного кабеля (МБК) с однопроводной линией передачи информации (МБК-1п, броня в качестве обратного проводника) сопротивление постоянному току R 0 определяется сопротивлением токопроводящей жилы (ТПЖ): длиной и конструкцией жилы, диаметром и материалом проволок жилы и температурой окружающей среды. Сопротивление обратного проводника (брони) много меньше величины сопротивления жил и его значением можно пренебречь. Для двухпроводной линии передачи (МБК-2п) полное сопротивление R 0 складывается из сопротивления двух ТПЖ.

Жилы кабелей свивают, в общем случае, из нескольких стренг, каждая из которых свивается из нескольких проволок. В настоящее время распространены кабели с жилами из одной стренги. Сопротивление жилы постоянному току определяется уравнением:

R 0 = ( rЧ L /s) Ч (m 1 Ч m 2 ),

Сопротивление жил, особенно комбинированных из стали и меди, существенно зависит от температуры. В принципе, оно может вычисляться по известному уравнению:

R(f) = , (13.1.1)

K(f) = , (13.1.1′)

P(f) = , (13.1.1»)

(0.5 ё 0.8) для МБК-2п, и приближается к 1 для коаксиальных видеолиний.

Рис. 13.1.1. Коэффициент Q(f) кабеля с медной жилой диаметром 1.05 мм

(1- коаксиальной линии, 2- расчет по формулам аппроксимации, 3- экспериментальные данные)

На рис. 13.1.1 приведено сопоставление экспериментальных данных по значению полного коэффициента Q(f) = K(f) Ч P(f) с расчетами по формулам (13.1.1).

Проводимость изоляции жил кабеля и электромагнитные потери.

Проводимость изоляции жил кабеля G определяется уравнением

G = (1/R и ) + wЧ C Ч tg( d ),

где значение сопротивления изоляции R и бронированных каротажных кабелей не менее 1000 МОм/км, а параметр d потерь на поляризацию изоляции не более 0.0005. В условиях эксплуатации значение R и обычно поддерживается не ниже 10 МОм. Эти величины определяют проводимость изоляции жил не менее 0.0003 См/км на частотах до 1 МГц и потерями в изоляции кабелей можно пренебречь.

G = (1/R и ) + wЧ C Ч tg( d+c ),

где значение c для одножильных бронированных кабелей на частотах до 200 кГц порядка 0.1-0.2. Уравнение в этом случае можно считать уравнением эквивалентной проводимости кабеля, что позволяет сохранить без изменений общую теорию однородных длинных линий.

Параметр эквивалентной проводимости кабеля существенно влияет на передачу сигналов в области высоких частот. По результатам сопоставления расчетных и экспериментальных данных затухания сигнала в каротажных кабелях в диапазоне до 5 МГц может быть предложена для использования более простая формула аппроксимации эквивалентной проводимости кабеля:

G = 2 p f Ч C Ч h/ R(f), (13.1.2)

где значение h порядка 12-14 для одножильных и 10-13 для многожильных кабелей. Пример расчета проводимости кабеля КГ 1х0.75-55-150 по данной формуле приведен на рис. 13.1.2.

Емкость токопроводящих жил.

Собственная индуктивность коаксиальных линий с увеличением частоты уменьшается вследствие поверхностного эффекта в проводах. Во внешних проводах ток вытесняется к центру кабеля, во внутренних – от центра. Соответственно, индуктивность внешних проводов уменьшается, а внутренних возрастает, но их меньший диаметр не создает полной компенсации уменьшения индуктивности внешних проводов.

Общая индуктивность пары жила-броня складывается из собственной индуктивности жилы и межпроводниковой индуктивности жила-броня. В первом приближении, для пары жила-броня из разных металлов, она может определяться с помощью уравнения, которое используется для расчетов индуктивности коаксиальных кабелей (в Гн/км):

L(f) = , (13.1.3)

Lc = , K c =100/ p (13.1.4)

Сопоставление расчетов индуктивности кабелей по формулам (13.1.3-13.1.5) с результатами экспериментальных измерений показало, что расчетные формулы завышают значения индуктивностей практически на всех частотах выше 100 Гц. По видимому, здесь играет роль, в первых, тот же фактор разницы значений прямого и обратного токов в жиле и броне (по существу – отсутствие локализованного обратного тока в броне), а во вторых, конструкция брони. Достаточно толстый двойной слой из стальных проволок с перекрестным повивом слоев не может быть эквивалентным оплетке коаксиального кабеля.

Как следует из формулы (13.1.3), зависимость индуктивности от частоты определяется собственной индуктивностью жил. Она же определяет зависимость индуктивности от температуры (изменение r ). В области высоких частот индуктивность определяется, в основном, межпроводниковой индуктивностью. При намотке кабеля на лебедку его индуктивность может увеличиваться на 1-3% в зависимости от конструкции лебедки и состояния (степени окисления) поверхности брони кабеля.

Межпроводниковая индуктивность многожильных кабелей для пары жила-жила увеличивается за счет индуктивности пар и влияния соседних жил. В первом приближении она может оцениваться по формуле аппроксимации экспериментальных данных:

Lm » b Ч ln((D э /d)+s Ч (2c/d), (13.1.6)

где с – расстояние между центрами жил, s » (0.4-0.5) в зависимости от конструкции кабеля и определяется по измерениям индуктивности на высоких частотах.

По измеренному значению индуктивности на частоте f 1 частотная функция индуктивности может вычисляться по формуле:

L(f) » . (13.1.7)

13.2. Вторичные электрические параметры кабелей [6,7,23]

В принципе, понятие волнового сопротивления применимо только к однородным линиям, как постоянное сопротивление электромагнитной волне в любой точке кабеля при ее распространении вдоль линии любой длины. Волновое сопротивление – комплексная величина, зависимая от частоты и первичных параметров линии. В общей форме:

Z( w ) = , (13.2.1)

Z( w ) = q Ч , q = » 0.93.

На частотах более 0.1 МГц отношение R( w )/ w C становится много меньше значений L( w )/C и формула упрощается:

Z( w ) @ q Ч ,

По мере уменьшения частоты отношение R( w )/ w C увеличивается, а на частотах менее 1 кГц становится преобладающим

Z( w ) @ q Ч ,

т.е. содержит соизмеримые действительную и мнимую (емкостную) составляющие.

Каротажные кабели не в полной мере удовлетворяют требованиям однородных линий. Это не мешает использованию выражения (13.2.1) как в теоретическом плане, так и при чисто практических расчетах с погрешностью не более 3-5%, если специфика каротажных кабелей учитывается в функциях частотного распределения первичных параметров.

Рис. 13.2.1. Частотные характеристики волнового сопротивления реальных кабелей.

На рис. 13.2.1(A) приведены расчетные данные по волновому сопротивлению кабеля. При сравнении с идеальным кабелем можно видеть, что зависимость волнового сопротивления от частоты остается без изменения, несколько изменяются только численные значения зависимости. Волновое сопротивление жила-броня многожильных кабелей при однотипных параметрах жил и брони практически не отличается от одножильных, а для пар жила-жила отличается только увеличением числовых значений сопротивления (рис. 13.2.1(B)).

На рис. 13.2.1(С) приведено сопоставление расчетных фазочастотных характеристик волнового сопротивления реального (сплошная кривая) и идеального (нанесена пунктиром) кабеля. В целом характеристики сходны, но имеются и достаточно существенные отличия. За счет существенного возрастания значений индуктивности на низких частотах, значения и начальный интервал емкостной составляющей реального кабеля сокращаются, а на частотах выше 10 кГц в волновом сопротивлении кабеля появляется индуктивная составляющая, которая дает ощутимый фазовый сдвиг высокочастотных составляющих сигнала.

Следует ожидать, что значительная зависимость волнового сопротивления от частоты будет затруднять согласование кабеля как с наземной, так и со скважинной аппаратурой.

Частотные характеристики жил кабеля.

Характеристики коэффициента передачи сигналов по жилам кабеля, согласованным с нагрузкой по всему частотному диапазону, определяются передаточной функцией:

K( w ) = ехр[- g ( w ) L ] = exp[-( b ( w ) + j Ч a ( w )) L ], (13.2.2)

где: L – длина кабеля, g ( w ) L – комплексный коэффициент распространения кабеля, b ( w ) L – частотная характеристика затухания кабеля (собственная частотная функция затухания), a ( w ) L – фазочастотная функция жилы кабеля. Передаточные функции являются системными функциями кабеля, обобщающими электрические параметры его токопроводящих жил.

На рис. 13.2.2 приведены функции километрического затухания близких по конструкции каротажных кабелей, вычисленные с учетом реальных частотно-зависимых первичных параметров жил. Нетрудно убедиться в весьма существенном отличии затухания реального кабеля от затухания идеального кабеля, что определяется, в основном, электромагнитными потерями высокочастотной энергии в реальных кабелях. Характер частотных зависимостей на низких частотах для одно- и многожильных кабелей практически однотипный. На частотах более 10 кГц затухание одножильных кабелей несколько выше затухания многожильных, причем для последних меньшее затухание имеют пары жила-жила.

О достаточной достоверности расчетных данных можно судить по рис. 13.2.3, где приведено сопоставление расчетных значений собственного километрического коэффициента затухания одножильного бронированного кабеля с экспериментальными данными измерений коэффициента затухания сигнала на кабеле, как это принято – в неперах на 1 км, на разных частотах (нанесены точками).

Что касается фазочастотной характеристики реального кабеля, то она практически не отличается от характеристики идеального кабеля по форме и имеет небольшие изменения числовых значений. Коэффициент фазового сдвига частотных составляющих сигнала, приведенный на рис. 13.2.4, за исключением начальной части до частоты порядка 10 кГц, остается прямо пропорциональным частоте.

Однотипность частотных характеристик одно- и многожильных кабелей позволяет в дальнейшем при рассмотрении зависимостей передаточных функций кабелей от значений различных параметров ограничиваться типичной средней частотной характеристикой жил, которая соответствует паре жила-броня многожильного кабеля.

Рис. 13.2.5. Частотные функции скорости и задержки гармоник

Изменения фазочастотной характеристики кабеля приводят к соответствующим изменениям скорости передачи и временной задержки гармоник по кабелю без существенного изменения характера их частотной зависимости, что можно видеть на рис. 13.2.5.

Рис. 13.2.6. Входное сопротивление кабеля.

На рис. 13.2.6 приведены расчеты по формуле (12.2.2) зависимости входного сопротивления жил от частоты при различной длине кабеля и сопротивлении нагрузки. Частотные функции модуля входного сопротивления и по форме, и по значениям, мало отличается от функций идеального кабеля (рис. 12.3. 3 ). Изменение величины нагрузки сказывается только на изменении входного сопротивления в области частот ниже 10 кГц. Несогласованность с нагрузкой в реальном кабеле не вызывает осцилляций функций в области высоких частот, что объясняется пониженной добротностью реального кабеля.

Что касается фазочастотной характеристики кабелей, пример которой приведен на рис. 13.2.7, то она по сравнению с идеальным кабелем изменяется существенно и приобретает преимущественно индуктивный характер, особенно для коротких кабелей в области средних и низких частот. Это может быть объяснено довольно существенным увеличением индуктивности реального кабеля по мере уменьшения частоты.

Рис. 13.2.8. Амплитудно-частотные характеристики ТПЖ кабеля.

На рис. 13.2.8 приведены графики модулей рабочих коэффициентов K p (f) передачи сигналов по кабелю, вычисленные по формуле (12.2.1′). Сравнением с рис. 12.3.1 можно убедиться в существенном отличии амплитудных характеристик реального кабеля от аналогичных функций идеального, особенно в области высоких частот. Электромагнитные потери энергии в реальном кабеле существенно ограничивают его частотный диапазон. Влияние согласования кабеля с нагрузкой также достаточно существенно по всему частотному диапазону передачи (рис. 13.2.8(В)) и требует стабилизации ее величины при влиянии дестабилизирующих факторов.

Рис. 13.2.9. Полный коэффициент передачи сигналов кабельной линией.

Формулы (12.2.1) не учитывают выходного сопротивления источника сигналов, т.е. отражают коэффициент передачи сигналов с входа линии на нагрузку при формировании (и измерении) амплитудных значений сигнала непосредственно на входе кабеля (сопротивление источника сигнала много меньше входного сопротивления кабеля на всех частотах). Расчет полного коэффициента передачи сигналов при формировании сигнала на входе источника сигналов, т.е. с учетом падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигналов, выполняется по той же формуле (12.2.1) с соответствующим уточнением значения входного напряжения U o :

U o (f) = U c (f) Z вх (f)/(Z вх (f) + Z o ), (13.2.3)

Рис. 13.2.10. Изменения амплитудно-частотной характеристики ТПЖ

при изменении ее первичных параметров в пределах ± 10%.

Передаточная функция кабеля позволяет дать интегральную оценку влияния изменения первичных параметров жил на амплитудно-частотную характеристику кабеля. На рис. 13.2.10 приведены графики передаточных функций при возможных в процессе эксплуатации изменениях первичных электрических параметров жил в пределах ± 10% от номинальных.

Как следует из этих графиков, на низких частотах степень чувствительности АЧХ жил кабеля порядка 0.5% на 1% изменения активного сопротивления жил,

0.2% на 1% изменения емкости и индуктивности, и практически отсутствует при изменении электромагнитных потерь. На высоких частотах характеристики жил практически нечувствительны к изменениям активного сопротивления и индуктивности при повышении степени чувствительности к изменениям емкости и электромагнитным потерям. Учитывая, что в процессе эксплуатации изменения емкости и электромагнитных потерь много меньше изменений активного сопротивления и индуктивности (температурных и пр.) и носят, в основном, долговременный характер (старение кабеля), особое внимание следует обратить на снижение влияния активного сопротивления и индуктивности на передачу сигналов, тем более что это может достигаться уже рекомендованным методом в разделе 2: энергия сигналов должна быть минимальной в области низких частот.

Что касается устойчивости математической модели передаточных функций жил кабеля к изменению постоянных коэффициентов во всех расчетных формулах (частотная постоянная “а” в (13.1.1»), коэффициент учета конструкции кабеля “b” в (13.1.5) и пр.), то степень чувствительности передаточных функций к их изменению на порядок ниже, что свидетельствует о достаточной точности модели (не хуже 3-5% по рекомендованным средним значениям). Исключением является коэффициент электромагнитных потерь h прямого действия, значение которого устанавливается непосредственно по передаточной функции (затуханию сигнала на высоких частотах) и приводит модель к фактическим (или паспортным) данным реального кабеля, фиксируя тем самым все возможные факторы отклонения характеристик реального кабеля от идеальной линии передачи сигналов.

13.3. Импульсный отклик кабеля

Полной математической моделью кабеля в реальном масштабе времени, которой обобщаются все электрические параметры жил, является импульсный отклик жил – форма сигнала на нагрузке жилы при подаче на ее вход единичного дельта-импульса. Импульсный отклик находится обратным преобразованием Фурье частотной передаточной функции кабеля: h(t) Ы K p (f). Точность математической модели передаточной функции определяет соответствующую точность модели импульсного отклика жилы кабеля.

Рис. 13.3.1. Нормированные импульсные отклики кабеля.

При работе в частотном диапазоне до 1 МГц временной масштаб импульсного отклика целесообразно установить в микросекундах и вычислять отклик кабеля на единичный входной импульс U Ч D t = 1 (вольт Ч микросекунда), при этом масштаб значений интегрального импульсного отклика кабеля на микросекундной временной оси также будет измеряться в вольтах, а площадь импульсного отклика в (вольт Ч мкс), как и положено при прохождении импульса в пассивной линейной системе с потерями энергии, будет меньше 1.

R в ), эффект несогласования с нагрузкой уменьшается практически на порядок.

Рис. 13.3.2. Форма сигналов.

На рис. 13.3.2 приводятся результаты сопоставления формы импульса на нагрузке жилы кабеля при двух вариантах расчета:

1. Линейная свертка входного сигнала x(t) с импульсным откликом кабеля h(t) (свертка во временной области в дискретном варианте с интервалом дискретизации данных через 0.1 мкс):

2. Через спектральную область (с использованием быстрого преобразования Фурье) умножением спектра сигнала на передаточную функцию кабеля (так называемая циклическая свертка):

x(t) Ю X(f). Y(f) = X(f) Ч K р (f). Y(f) Ю y(t).

Форма сигналов практически идентична, что позволяет использовать для дальнейшего анализа и вычислений как циклическую свертку, так и оператор импульсного отклика.

Рис. 13.3.3. Зависимость импульсных откликов ТПЖ кабеля

от изменения первичных электрических параметров.

Влияние изменения первичных электрических параметров жил на форму импульсного отклика приведено на рис. 13.3.3. Активное сопротивление жилы практически не изменяет форму отклика и несколько изменяет постоянную времени его “хвоста” за счет изменения низкочастотного состава спектра передаточной функции. Аналогично влияние изменения индуктивности жил. Более существенно изменение амплитудных значений импульсного отклика при изменении электромагнитных потерь, относительное значение изменения которых приводит к практически такому же относительному изменению амплитуды отклика (обратному по знаку), так как пиковое значение отклика формируется высокочастотными составляющими спектра передаточной функции жил. Влияние изменения емкости жил и по содержанию, и по числовым значениям практически аналогично влиянию изменения электромагнитных потерь.

Таким образом, реальный кабель представляет собой линию связи с пониженной добротностью и существенной нелинейной зависимостью передачи сигналов от длины кабеля. Каждый тип каротажного кабеля определенной длины представляет собой самостоятельную и индивидуальную систему передачи сигналов. Фактор пониженной добротности каротажных кабелей в рамках общей теории однородных длинных линий можно учитывать введением в расчетные формулы вторичных электрических параметров жил дополнительного коэффициента электромагнитных потерь.

Математические модели передаточной функции и импульсного отклика кабеля с учетом его фактических частотно-зависимых электрических параметров и пониженной добротностью отображают реальные электрические параметры кабеля с точностью не хуже 5%.

23. Стрижевский Н.З. Коаксиальные видеолинии. – М.: Радио и связь, 1988. – 200 с.

Источник