Сигнали та лінійні системи
Signals and linear systems
Тема 19. Каротажні кабелі
Немає сенсу досягати точності там, де невідомо, про що йдеться.
Джон фон Нойман. Американський математик та фізик, ХХ ст.
Каротажний кабель, це спочатку трос, а потім кабель. Навіщо вимагати від нього високої точності передачі даних. Краще задовольнятися малим, але з розумом.
Володимир Кузьмін. Новосибірський геофізик Уральської школи, ХХ ст.
Зміст
1. Первинні електричні параметри кабелів. Активний опір. Провідність ізоляції жил кабелю та електромагнітні втрати. Місткість струмопровідних жил. Індуктивність кабелю.
2. Повторні електричні параметри кабелю. Хвильовий опір. Частотні характеристики жил кабелю.
3. Імпульсний відгук кабелю.
Починаючи з 80-90 років минулого століття в методах та технологіях геофізичних досліджень свердловин (ГІС) спостерігаються суттєві якісні зміни, а саме: перехід на комплексні та багатопараметрові вимірювання із застосуванням комбінованих та/або багатофункціональних свердловинних приладів із досить глибоким обробленням первинних даних у реальному масштабі часу безпосередньо у каротажних лабораторіях (станціях). Такий перехід вимагає як підвищення якості первинних даних, так і передачі цих даних, як правило, у цифровій (кодовій) формі, з досить високою швидкістю наземні обробні (вимірювально-обчислювальні) і реєструючі пристрої. І якщо виконання першої вимоги досить успішно базується на високому рівні розвитку сучасної електронної техніки, то практично єдиною лінією передачі даних ГІС залишається традиційний каротажний кабель.
Каротажний геофізичний кабель відноситься до типу універсальних аналогових.кабельних ліній передачі від свердловинних приладів до каротажної станції та передачі управляючих сигналів на свердловинні прилади. Пропускна інформаційна здатність каротажного кабелю визначає швидкість каротажу, особливо у комплексних методах ГІС. Однак каротажний кабель є не тільки електричною лінією передачі інформації, але й тросом з досить великим (до декількох тонн) розривним зусиллям, що несуть прилади свердловин у хімічно- і механічно агресивному середовищі свердловин. По суті, це кабель-трос спеціального технологічного призначення, що працює у широкому діапазоні температур (від мінусових на поверхні до 100-150 і більше градусів на великих глибинах), що накладає певні обмеження на його характеристики, як лінії зв'язку. Реальна швидкість передачі інформації (біт/с) сучасних кабелів залежно від їхньої довжини обмежуються діапазоном до 10-100 кГц, що починає суттєво стримувати розвиток та вдосконалення технологій ГІС.
За кількістю струмопровідних жил (ТПЗ) каротажні кабелі поділяються на три основні види: одно-, три- та семижильні. Як правило, кабельні канали зв'язку розглядаються в рамках теорії однорідних довгих ліній з постійними електричними параметрами кабелю по всій його довжині. Однак у процесі каротажу різні частини кабелю перебувають у різних умовах тиску і температури, що призводить до зміни первинних параметрів, як у часі, і по довжині кабелю. Але, як показали дослідження, зміна первинних параметрів броньованих кабелів хоч і має місце, але не настільки значною, щоб відмовитися від використання теорії однорідних ліній.
Одножильні броньовані каротажні кабелі, в принципі, відносяться до різновиду коаксіальних кабелів з концентричним розташуванням жили(прямого дроту) усередині броні (зворотного дроту). Взаємодія електромагнітних полів прямого і зворотного провідника в ідеальному коаксіальному кабелі при рівних значеннях струму та різних його напрямках створює нульове значення електромагнітного поля поза кабелю, тобто. електромагнітне поле сигналів зосереджено всередині кабелю, що забезпечує ефективну передачу електромагнітної енергії з мінімальними втратами. Центральна жила та обплетення коаксіальних кабелів виконуються з немагнітних матеріалів (мідь), що також не створює втрат на перемагнічування магнітних матеріалів.
Каротажний кабель, на відміну від коаксіального, як оплетки мають сталеву броню без поверхневої ізоляції, а, отже, локалізованого зворотного струму в цій броні не існує як одножильного, так багатожильного кабелю. Це дійсно як для кабелю на барабані лебідки, де броня представляє певною мірою суцільний металевий моноліт, так і для кабелю в свердловині, де броня - заземлений лінійний електрод. Отже, в каротажних кабелях з'являється дуже істотне джерело втрат електромагнітної енергії сигналів - на перемагнічування сталевої броні електромагнітними полями струмопровідних жил і міжпровідниковими електромагнітними полями (при двопровідній передачі сигналів), а також втрати електромагнітної енергії зворотного струму в навколишньому середовищі. Ці втрати наростають із збільшенням частоти струму і призводять до суттєвого частотного обмеження імпульсної пропускної здатності кабелю. Їхнє місце в математичній моделі кабелю підлягає уточненню.