關鍵詞：脈沖信號，鎧裝電纜，驅動電路，傳輸性能，分析

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1 問題的提出

石油測井中的脈沖信號要經(jīng)過幾千米的多芯或單芯鎧裝電纜才能傳輸?shù)降孛鏈y井儀進行處理，這一過程如圖1所示。

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由圖1可以看出，這一過程實現(xiàn)的有效性，主要取決于以下三個方面：

（1）下井儀脈沖驅動電路；

（2）測井電纜傳輸性能；

（3）地面測井儀脈沖信號檢測能力。

目前，地面測井儀脈沖信號檢測能力一般為信號幅度大于1V，信號脈沖寬度小于300us，這是必須達到的指標。能否達到這個指標，主要取決于下井儀脈沖驅動電路和測井電纜傳輸性能。按照可靠性理論，在最壞情況[1]下系統(tǒng)應能正常工作。那么，什么是測井電纜的“最壞情況”？在實踐中主要是指傳輸性能最差的測井電纜。只有在下井儀脈沖驅動電路配接傳輸性能最差的測井電纜時仍能正常工作，才能確保這一過程的有效性。因此，分析脈沖信號電纜驅動電路在配接傳輸性能最差的測井電纜時的傳輸性能，有助于設計出傳輸性能優(yōu)越的驅動電路，使基于脈沖信號的石油測井過程可靠進行。

2 測井電纜及其“最壞情況”模擬

目前在用的測井電纜型號較多，有國產(chǎn)電纜，也有進口電纜，傳輸性能差別很大。最差的電纜5000米直流電阻達400Ω，對信號的衰減很大，12V的脈沖信號經(jīng)過該電纜后，幅度只有0.4V，給地面測井儀的檢測帶來了很大困難。

那么，測井電纜在傳輸脈沖信號時，有什么特點呢？一般認為，測井電纜的傳輸性能與所傳輸信號的頻率密切相關，對于低頻信號，測井電纜呈現(xiàn)阻性特征；對于中頻信號，測井電纜呈現(xiàn)容性特征；對于高頻信號，測井電纜呈現(xiàn)感性特征。阻性特征使脈沖幅度降低，降低到1V以下，地面測井儀就難以檢測；容性特征使脈沖寬度增大，增大到一定程度就會產(chǎn)生脈沖重疊現(xiàn)象，地面測井儀產(chǎn)生漏記，進而影響測量精度。為了傳輸?shù)男枰?，石油測井中經(jīng)常通過分頻使脈沖信號頻率降低，因此，可認為測井電纜兼具阻容性特征。

為了適應測井電纜的“最壞情況”，就要改進驅動電路，使配接電纜以后的信號仍能滿足地面測井儀的檢測。為了便于在實驗室條件下研究驅動電路的傳輸性能，參考最差電纜的參數(shù)，設計制作模擬電纜，是一條有效的途徑。經(jīng)過反復比對，圖2所示的模擬電纜完全能夠模擬最差的電纜，能夠用于檢驗驅動電路的驅動能力。

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3 驅動電路傳輸性能分析

3．1 兩種驅動電路的分析

常用的傳輸驅動電路有兩種，一種是以驅動變壓器為核心的驅動電路，另一種是以集成驅動芯片為核心的驅動電路，研究發(fā)現(xiàn)兩種驅動電路的性能差別不大，成本相近，集成驅動芯片因集成度高具有明顯的應用優(yōu)勢。

3．2 影響電纜傳輸性能的因素分析

以TD823為核心的驅動電路典型接法如圖3所示，下面將在配接了所制作的模擬電纜的情況下，對TD823的傳輸性能進行分析。

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3．2．1 TD823供電電壓對帶電纜能力的影響

對于ZGJ-C自然伽瑪測井儀的鐘型脈沖[2]，作了以下兩個試驗：

（1）供電電壓大小的影響

供電電壓大小對帶電纜能力的影響如表1所示，可見供電電壓大小對輸出脈沖幅度沒有明顯的影響。

（2）供電方式的影響

供電方式對帶電纜能力的影響如表2所示，可以發(fā)現(xiàn)供電方式對帶電纜能力的影響很大，因此較好的供電方式應取掉限流電阻，直接給TD823供電。

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3．2．2 脈沖參數(shù)對帶電纜能力的影響

對信號而言，其典型參數(shù)包括脈沖形狀和脈沖寬度，為了探討各自對帶電纜能力的影響，作了以下兩個試驗：

（1）脈沖形狀對帶電纜能力的影響

目前在用的石油測井儀器有兩種典型的脈沖形狀，經(jīng)過細致的研究發(fā)現(xiàn)，脈沖形狀對帶電纜能力有較大的影響，具體如表3所示。

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因此，在設計脈沖信號成形電路時應優(yōu)先選用方波作為測井信號傳輸波形。

（2）脈沖寬度對帶電纜能力的影響

對于方波，脈沖寬度對帶電纜能力的影響如表4所示。

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由表4可見，隨著脈沖寬度的增加，帶電纜以后輸出脈沖幅度明顯增大，但也存在一定的副作用，即脈沖計數(shù)漏記有所增加，大量試驗表明，當輸入脈沖寬度控制在30us～40us之間時，既能使輸出脈沖幅度明顯增大，又能將脈沖計數(shù)漏記控制在可接受的范圍之內(nèi)。

3．2．3 輸出浮地電容對帶電纜能力的影響

對于44us方波，輸出浮地電容C對帶電纜能力的影響如表5所示。

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由表5可見，隨著電容值的增加，帶電纜以后輸出脈沖幅度明顯增大，但也存在一定的副作用，即脈沖寬度有所增加，大量試驗表明，當電容值控制在0.22uF～2.2uF之間時，既能使輸出脈沖幅度明顯增大，又能將脈沖寬度控制在可接受的范圍之內(nèi)。

4 驅動電路設計及性能評價

依據(jù)3.2小節(jié)分析，影響驅動電路驅動性能的主要因素為TD823的供電方式、脈沖信號成形電路、輸出浮地電容的容值大小，據(jù)此，對驅動電路進行了改進設計及驗證。

4．1 改進設計

4．1．1 TD823的供電方式改進設計

TD823供電應取掉限流電阻，直接供±12V，增加這一數(shù)值，配接模擬電纜以后輸出脈沖幅度雖有增加，但增幅不大。

4．1．2 脈沖信號成形電路改進設計

脈沖信號成形電路改進設計，主要是采用集成整形芯片，輔以適當?shù)腞C電路，因為這樣做可以：

（1）??? 得到標準的方波信號；

（2）??? 減小脈沖重疊引起的計數(shù)率過載；

（3）??? 減小基線漂移引起的計數(shù)率過載；

（4）??? 減小低頻噪聲。

4．1．3 輸出浮地電容的容值大小選擇

輸出浮地接法是組合測井的需要，從電容特性看，容值大的電容具有低通特性，容值小的電容具有高通特性。問題的實質(zhì)是，容值小的電容對于高頻信號其接地導通性良好，而對于低頻信號其浮地的導通性差，相當于接地不良，于是出現(xiàn)了短路電容之后信號幅度增加的現(xiàn)象，一旦浮地電容的容值適當，這種接法的效果就不明顯。所以，應根據(jù)測量對象的頻率高低，選用浮地電容的容值。在測井實踐中往往遇到的是隨機脈沖信號，測量對象的計數(shù)率經(jīng)常變化，此時，某一容值的浮地電容適應性如何？針對ZGJ-C自然伽瑪測井儀的研究表明，2.2uF的電容在典型的計數(shù)率范圍之內(nèi)，其適應性良好。因此，浮地電容的容值選用2.2uF。

4．2 驅動能力與電纜長度的關系

驅動電路的驅動能力與電纜長度的關系如圖4所示，這種關系可以用擬合的數(shù)學關系式來表達，并用外推的方法推斷驅動電路的極限驅動能力，即一個驅動電路達到地面測井儀脈沖信號檢測能力，所能配接的最長電纜。

對圖4的數(shù)據(jù)進行指數(shù)擬合，可獲得指數(shù)計算公式

也就是說，該驅動電路的極限驅動能力為7318米，完全滿足最壞條件下的應用。

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4．3 設計驗證