[发明专利]一种用于获得测井电缆频率响应特性的仿真方法

说明书

本发明涉及一种用于获得测井电缆频率响应特性的仿真方法，选定一系列频率，在每个频率处均进行有限元素法与时域有限差分法的仿真计算，获得该频率下电缆的频率响应；综合所有频率的频率响应结果，得到测井电缆的频率响应。本发明与实测法相比，本发明能够以较低的成本、较低的条件要求、较快的时间，甚至在没有电缆实物的情况下，得到电缆的频率响应。

技术领域

本发明涉及一种用于获得测井电缆频率响应特性的仿真方法，属于深地勘探领域。

背景技术

井下数据传输系统在深地勘探中起着重要的作用，它一般由两部分组成：井下采集阵列之间的传输系统，以及井下采集设备和地面控制中心间的测井遥传系统。其中，测井遥传系统的功能是将井下采集到的所有数据，通过传输介质(如电缆、光纤、泥浆等)，传输到地面控制中心。由于它是井上井下数据交换的唯一方式，它的传输速率成为了整个测井系统的性能瓶颈。目前的测井系统，常常使用以测井电缆为介质的有线传输方式。

在测井系统中经常使用到的测井电缆具有和图8类似的结构。在电缆外部，包裹有两层由多跟钢丝扭成的钢铠，常常被称为“铠装”，起到电气屏蔽的作用；在电缆内部，是若干根缆芯，每根缆芯由多根铜丝扭成，它们是数据传输的主要介质；而在缆芯与缆芯之间，以及缆芯与铠装之间，还有若干绝缘外壳与填充物，起到隔离与定形的作用。

实际的测井系统中用到的测井电缆常常有3-10km长。虽然电缆的电气性能已经能够做到很好，具有很低的分布电阻、分布电容与分布电感，但是在经过数公里长的传输之后，在其上传输的数据仍然会衰减得非常严重，导致在终端接受到的信号信噪比很低。由于趋肤效应、临近效应，以及电缆的分布电感的影响，测井电缆对高频信号的衰减非常严重。经过测试，一个300kHz的交流信号通过7km的七芯铠装测井电缆后，衰减了50dB左右(接受到的信号大约为原来的0.03倍)，而更高频率的信号将会有更严重的衰减、更低的信噪比，以至于在接收端几乎无法将信息与噪声分辨开。也就是说，长距离的测井电缆拥只有很窄的可用频段，大致为0-300kHz。

为了能够最大化利用测井电缆的可用频段传输信息，提高数据率，从而提高测井系统的性能，世界各大测井公司都研发了各自的高速长电缆数据传输系统。目前，国外公司的测井系统在传输速率上仍有较大优势，例如，阿特拉斯公司的ECLOPS-5700测井系统，使用曼彻斯特编码，数据率可以达到93kb/s；斯伦贝谢公司的MAXIS-500测井系统，使用QAM调制数据，数据率能达到420kb/s；哈里伯顿公司的EXCELL-1000及EXCELL-2000测井系统，也是使用曼彻斯特编码，数据率有217.6kb/s。国内由于起步较晚，暂时还没投入实际使用的高速测井系统，基本都是采购国外设备来使用。

对于通信系统来说，信道是指信息传输的物理媒介，例如电缆(如USB数据传输)、自由空间(如无线电广播)、PCB走线(电路板上的数据传输)等。以频率响应的形式表征的信道特性，是一种对信号的建模方式，它通过记录信道对信号的不同频率成分的影响，来体现信道对信号的整体影响。要想开发高速的长电缆数据传输系统，就必须拥有关于长电缆信道的知识，即其信道特性；只有基于信道特性，有针对性地设计数据传输方案，才有可能充分利用测井电缆的有限带宽、提高传输速率。因此，如何获得测井电缆的信道特性(频率响应)，成了开发测井电缆中的一个重要课题。

要想得到电缆的传输特性，有两种方法——实测与仿真。实测法是一种比较成熟的方法，IEEE还对与传输线参数的测量出台了一份标准：《IEEE Guide for theParameterMeasurement of AC Transmission Lines》。同时，仿真也是近年来逐渐得到重视来的一种方法。相对于实测的方式来说，仿真通常成本更低、安全性更高。此外，仿真具有更高的灵活性，仿真法的模型参数可以很容易改变，而实物模型的参数通常不容易改变，模型的一点小改动可就需要重新测量。