地震电缆特性探讨

罗福龙

(东方地球物理勘探有限责任公司装备服务处 河北 涿州 072751)



·综 述·

地震电缆特性探讨

罗福龙

(东方地球物理勘探有限责任公司装备服务处 河北 涿州 072751)

地震电缆是有线地震仪器的重要组成部分，地震电缆的技术特性不仅直接关系到地震仪器的综合性能和应用效果，而且还直接关系到地震勘探生产的综合效益，有时甚至还关系到地震资料的品质。文章以通用对称通信电缆技术为基础，以地震勘探和地震仪器实际需求为目标，系统地讨论了地震电缆的传输技术特性和野外操作特性，明确了关键技术特性的物理意义、主要作用和计算方法，并结合实际工作经验提出了增强地震电缆技术特性和改进地震电缆应用效果的建议。

地震仪器；地震电缆；技术特性；一次传输参数；二次传输参数；回路串音

0 引 言

根据工作模式和传输介质的不同，通常可将地震仪器划分为节点仪器、无线仪器、有线仪器三类，其中有线地震仪器一般都是通过电缆来联接地面采集设备并承载信息传输。地震电缆是有线地震仪器的重要组成，其特性品质直接关系到地震仪器的应用效果，有时甚至成为地震仪器品质优劣的决定因素。目前，有线地震仪器在总量上占全球份额多于70%，因此有效地掌握和应用有线地震仪器技术及其配套地震电缆技术，便是开发设计和创新应用现代地震仪器的一项重要工作。

有线地震仪器一般通过地震电缆将各个地面工作单元有机地联接为特定通信路径结构的整体，并通过地震电缆来承载地震仪器命令、状态、数据的传输。地震电缆实质上是一种特殊结构的通信电缆[1]，在组成、结构、工艺[2]、功用等方面都具有常规对称通信电缆的一般属性，所不同的是地震电缆在传输数字信号的同时，一般还要传输直流电源和检波器输出等模拟信号，并要有适合野外作业的操作特性。所以，地震电缆在具备一般通信电缆技术特性基础上，同时还应具备适应地震仪器工作特点的其它技术特性。

无论是数量还是重量，当代有线地震仪器的主体都是地面电子设备和相应的地震电缆，而且实际工作还证明，除检波器外，地震仪器用于检查和建立排列的时间主要消耗在地震电缆上，有可能影响地震信号质量的环节主要也是地震电缆。此外，地震仪器的实时采集能力、数据传输速度、工作效率、稳定程度等也都与地震电缆息息相关。所有这些都充分说明，地震电缆是地震仪器的关键组成，其综合技术性能和工作质量直接关系到地震仪器整体性能和应用效果。

虽然有线地震仪器由来已久，而且其开发设计和创新应用的经验、技术也日趋丰富，但对地震电缆特性重要性的认识，尤其是对地震电缆的设计制造和使用维护技术却没有引起足够的重视。多数情况，都会简单地看待地震电缆的特性和作用，以为设计制造和使用维护地震电缆不需要高端的技术，这就为生产高性能品质的地震电缆，以及在使用维护中保持其应有的技术特性带来困难，进而影响地震仪器的性能品质和应用效果。

作为提升地震电缆技术特性和应用效果的尝试，这里将以一般对称通信电缆技术特性为基础，突出地震勘探和地震仪器对地震电缆特性的个性化要求，从设计制造和使用维护角度来系统地讨论地震电缆，目的在于为更有效地认识、研制、应用地震电缆提供参考。

1 地震电缆的一般属性

就信息传输技术特性和主要功能而言，地震电缆就是适用地震仪器的特殊通信电缆。从理想设计模型上看，组成地震电缆的传输线芯是均匀的，也即沿着传输线延展方向任意横断面的材料[3]性质、结构、形状等完全一致，进而使得传输线的电阻、电感、电容、电导总是按长度比例均匀分布。所以，地震电缆满足均匀电缆传输线遵循的一般理论和规则，那么在波阻抗上便满足：

(1)

式中：Zc为波阻抗(又称特性阻抗)，单位是Ω；

R为单位长度电缆回路电阻，单位是Ω/km；

L为单位长度电缆回路电感，单位是H/km；

G为单位长度电缆回路绝缘电导，单位是S/km；

C为单位长度电缆回路电容，单位是F/km。

考虑到地震电缆通常由偶数根相同外径和结构的绝缘线芯，经过对称排列和绞合成缆芯后再包以保护层组成，所以地震电缆实质上属于一种对称通信电缆，自然就具有对称通信电缆的一般属性。也就是说，对称通信电缆适用的数学、物理模型，以及有关技术特性的计算方法和公式，同样适用于地震电缆。

此外，地震电缆为适应地震勘探作业特点和地震仪器的技术要求，还需具备不同于一般对称通信电缆的属性。这些属性主要反映在野外环境适应能力、直流电源传输能力、模拟信号保真能力等方面。通常，这些个性化属性主要包括下述量化指标：

工作温度范围一般满足-40 ℃～+70 ℃；

抗拉拽力一般≥100 kg；

接插件拔插次数一般≥3 000次；

单根电缆重量一般≤25 kg；

野外连续使用的寿命一般≥4年；

单根电缆长度一般应在55 m～330 m之间；

波阻抗一般应在110 Ω～130 Ω之间；

电缆线芯对间的串音一般≤-40 dB；

电缆线芯对的共模抑制比一般≥80 dB；

传输频率一般应在5 MHz～50 MHz之间；

电缆体内的绝缘线芯数一般应在2芯～20芯之间；

传输的直流电源电压一般应在20 V～72 V之间。

2 地震电缆关键特性

地震电缆是地震仪器的重要组成部分，地震电缆的技术特性直接关系到地震仪器的整体性能和应用效果。同样，只有设计制造出技术特性先进的地震电缆，并在使用维护中充分保护和利用地震电缆的关键特性，才能有效发挥先进地震仪器的作用。为此，下面将从地震勘探和地震仪器对地震电缆提出的技术要求出发，以提升地震电缆综合技术特性和应用效果为目标，针对性地讨论地震电缆关键技术特性。

地震勘探的直接目标是获取高品质的地震数据，反映到地震仪器上就是按设计的观测方式保真地将动态地震波转换为静态的地震数据，其中对应到地震电缆就是能充分满足地震仪器的工作要求并保真地传输地震信息。对于施工组织，就要求地震电缆尽量做到体积小、重量轻、强度高、性能好、易操作等。另外，地震仪器为优质高效地转换动态地震波为静态地震数据，就要求配套工作的地震电缆技术特性先进、连接牢固可靠、信号传输稳定、抗干扰能力强、电源损耗小等。以上几点，便是地震勘探和地震仪器对地震电缆提出的总要求。

根据通信电缆一般理论可知，同样适用地震电缆的对称通信电缆传输性能参数有：一次传输参数、二次传输参数。如式(1)所给出的物理量，一次传输参数主要由电阻(R)、电感(L)、绝缘电导(G)、电容(C)构成，这些参数主要由电缆本身的材料、结构、尺寸、工艺决定；二次传输参数主要由波阻抗、传播常数、传播速度构成，这些参数都是一次传输参数和传输信号频率的函数。除此以外，地震电缆为满足地震勘探和地震仪器的技术要求，还特别设置有共模抑制比、回路串音、尺寸、重量等重要电气和物理性能指标。为有效地掌握和应用这些关键技术参数，下面将分别加以详细讨论。

2.1 一次传输参数

如前所述，地震电缆的一次传输参数主要由R、L、G、C组成。根据均匀电缆传输线理论，一次传输参数与传输信号的电压和电流大小无关，但与电缆的材料、结构、工艺、尺寸等密切相关。由此可见，地震电缆的均匀性是取得稳定一次传输参数的前提，也即电缆的材料、结构、工艺、尺寸的一致性是保证传输特性稳定可靠的基础。虽然一次传输参数的物理意义和测量方法都比较简单，但其对电缆特性的作用却是第一位的，因为一次传输参数是电缆特性品质和传输信号品质的决定因素，也是引起传输信号损耗和衰减的直接原因。所以，设计制造地震电缆时要高度重视一次传输参数，尤其要做好材质的选择和结构、工艺、尺寸一致性的控制，只有这样才能保证地震电缆的电气特性品质和信号传输能力。

2.2 二次传输参数

实际上电缆的信号传输效果还与传输信号频率息息相关，这就使得一次传输参数不能直接反映特定频率传输信号的传输效果，为此特别设置了二次传输参数。与对称通信电缆一样，地震电缆的二次传输参数主要有波阻抗、传播常数和传播速度等。

波阻抗。在数值上，波阻抗是指电磁波沿均匀线芯传播且没有反射时所遇到的阻抗，就是线芯终端负载匹配时线芯任意一点的电压波与电流波之比。各种均匀通信线路都有一定的波阻抗，其数值仅与线路的一次传输参数和传输信号频率相关，与线路的长度无关，也与传输信号的电压和电流大小及负载阻抗无关。波阻抗的一般运算公式如式(1)。考虑到地震电缆传输信号频率一般都在5 MHz以上，此时式(1)便可近似为：

(2)

根据波阻抗匹配原则可知，当线芯终端负载阻抗与线路的波阻抗相等时，终端的反射波就为零，即全部能量被负载接收。理想的信号传输不允许在线路终端产生反射，所以在设计制造地震电缆时总是要使线芯的阻抗尽量等于负载(地面站输入)阻抗。

传播常数。传播常数是电磁波沿均匀且阻抗匹配线路传输时，单位长度回路内信号幅值减小和相位滞后的量值。传播常数是一个复数值，包括衰减常数和相移常数，根据均匀电缆传输线理论可知，传播常数的一般运算公式为：

(3)

式中:r为传播常数；

α为衰减常数，单位为db/8.686·km；

β为相位常数,单位为rad/km。

对于地震电缆，因传输信号频率一般高于5 MHz，此时式(3)便可近似为：

(4)

(5)

实际工作中，一般通过测量电缆的传输信号衰减和时间延迟来获取传播常数。由于地震电缆一般小于300 m，且传输信号频率都小于50 MHz，传输信号的延迟量一般都很小，所以实际操作中可以将关注重点放到传输信号的振幅衰减上。

传播速度。传播速度是电磁波沿均匀线路输送时，所旅行距离与旅行时间之比。根据电工学原理，电磁波的传播速度与传输信号频率、波长关系为：

v=f×λ

(6)

式中：v为传播速度，单位是m/s；

f为传输信号频率，单位是Hz；

λ为传输信号波长，单位是m。

(7)

2.3 回路串音

通常地震电缆是多线芯对结构，那么传输电磁信号时线芯对之间就不可避免地会存在相互感应——串音干扰。为减少信号传输失真就应消除或减弱串音干扰，因此回路串音便成为地震电缆的又一重要电气指标。

串音分为近端和远端两类。近端串音是指受干扰信号道和主信号道在电缆的同一端时，所测得受干扰信号道的串音；远端串音便是受干扰信号道与主信号道在不同端时，所测得受干扰信号道的串音。一般情况下近端串音更能反映地震电缆的特性，所以实际工作时通常只关注近端串音。由于串音的测量方法和原理与地震仪器[4]一致，且物理意义简单明了，这里就不做更多描述。

2.4 共模抑制比

由于地震电缆通常还要传输检波器输出等模拟信号，加之野外的工作环境，所以共模抑制能力也是地震电缆的一项重要技术特性。由于共模抑制比的测量方法和原理与地震仪器一致，且物理意义简单明了，这里也不做更多描述。

2.5 野外操作特性

除以上电气特性指标外，地震电缆还应具备不同于一般通信电缆的野外操作特性，这是因为地震电缆必须适应野外作业环境和勘探方法的独特需求。根据地震勘探作业的特点可知，地震电缆的操作特性主要反映在环境适应性、操作便利性、连接可靠性、产品耐用性、工作稳定性等，可量化的指标主要包括：抗拉强度、拔插次数、抗碾压能力、抗老化能力、工作温度范围，以及重量、尺寸、颜色等。由于这些特性的物理意义简单直接，且不需要复杂的数学和物理模型来表达，所以就不对其进行详述。但应该强调的是，对地震电缆而言，这些操作特性极为重要，甚至直接决定地震仪器的实用价值，因此在设计制造和使用维护中务必高度重视并有充分的保障措施。

通过以上讨论可知，一次传输参数、二次传输参数、回路串音、共模抑制比等是衡量地震电缆电气特性的关键指标。电缆的材质、结构、工艺、尺寸等与这些指标密切相关，特别是电缆体的均匀性和一致性是这些指标模型建立的前提，所以全过程地把握电缆的材质、结构、工艺、尺寸、均匀性、一致性便是设计制造高品质地震电缆的关键。地震电缆的野外操作特性指标主要反映在地震勘探的适应能力方面，这些指标虽然不直接影响地震电缆的信号传输效果，但却直接影响地震仪器的综合性能和野外作业效果。所以，野外操作特性同样是设计制造和使用维护地震电缆应该把握的关键特性。

3 设计制造与使用维护注意事项

地震电缆的功用特点决定，它不仅要具备一般对称通信电缆的电气特性，以满足地震信号传输的需求，而且还要具备适应地震勘探作业特点的操作特性，以满足野外工作环境和方便实用的需要。实际工作中，设计制造地震电缆时往往重视电气特性有余，而重视野外操作特性不足，进而导致有良好通信性能的电缆经不住用或不实用。另一方面，在使用维护过程中又过多地追求地震电缆的操作特性，而有所忽略传输特性的重要性，结果导致地震电缆的电气特性不能得到有效地保护和保持，进而影响地震电缆的使用效果和寿命。为此，下面将从实际情况出发，讨论设计制造和使用维护地震电缆时应重点注意的事项。

3.1 设计制造注意事项

设计制造地震电缆的目标，就是在充分保证信号传输特性的前提下，最大限度地满足地震勘探特点所要求的操作特性。也是在保证一次传输参数、二次传输参数、回路串音、共模抑制比等电气特性指标充分先进的条件下，还要确保有足够好的实用性和适应性。此外，考虑地震电缆还需要传输直流电源、检波器输出等模拟信号，所以还需要电缆有足够小的线路输电损耗和足够强的抗干扰能力。除这些原则目标外，在设计制造地震电缆时还应特别关注以下具体事项：

保证电缆的电气特性与配套地震仪器特性一致；

避免模拟线对和数字线对之间的相互干涉；

尽量减少输送直流电源的线路损耗；

精细设计接插件，确保足够好的接插效果和足够多的拔插次数；

确保-40℃～+70℃的工作温度范围；

设计足够的抗碾压和抗拖曳强度；

设计足够的抗老化、抗龟裂能力；

设计足够的防锈、防水、防尘能力；

设计时充分考虑人体力学特点和野外操作特点；

设计尽量小的尺寸和尽量轻的重量。

3.2 使用维护注意事项

使用维护地震电缆追求的是在保护技术特性前提下，充分发挥电缆的作用并延长电缆的寿命。以往的实际应用效果证明，得当的使用维护方法不仅有利于地震电缆应用效果的提升，而且还利于生产效率的提高，甚至还有助于地震资料品质的保真。所以，全过程地做好地震电缆的使用维护就显得十分重要和必要。为此，针对以往使用维护中存在的突出问题，特提出以下重点注意事项：

针对特定地震电缆制订操作规程，并严格按规程使用地震电缆；

电缆操作和维修人员应经过相应的技能培训；

禁止电缆接触腐蚀性物资(如电瓶液)；

保持电缆线和接插件完整、干净、干燥；

采用高架或深埋方式保护电缆免受碾压和拖拽；

保持维修节点光滑平整，并以重新注塑方式保护维修节点；

维修后的电线要保证应有的长度和电气特性；

选用的维修器件性能应与原装电缆的一致；

定期用地震仪器或专用设备检测电缆技术性能，并及时剔除性能不合格电缆。

4 结束语

通过对地震电缆特性的探讨，结合多年从事地震仪器实际应用和开发研究工作的体会，有以下几点不成熟的认识和思考。

一是地震电缆特性极为重要。实际工作证明，地震电缆的技术特性不仅直接关系到地震仪器的综合性能和应用效果，而且也关系到地震勘探的效益和资料品质。因此，在设计制造和使用维护中充分把握和重视地震电缆的特性，便是提升地震仪器技术性能和应用效果的重要基础保证。

二是地震电缆的信号传输特性和野外操作特性同等重要。与一般对称通信电缆的主要区别是，地震电缆除应确保地震信号传输特性外，还要充分适应地震勘探的野外作业特点，所以只有传输和操作技术特性都先进时，地震电缆才能满足地震勘探和地震仪器的需要。

三是地震电缆的技术特性仍需不断提高。有线地震仪器正朝着百万道、低成本、低功耗等方向发展，这就要求与之配套的地震电缆有更高的传输率、更低的线路损耗、更小的尺寸和更轻的重量。目前，地震电缆的技术特性还不能适应地震仪器技术发展的需要，所以通过不断应用新技术、新材料、新工艺等来创新地震电缆的设计，进而提高其综合技术性能才是地震电缆持续发展的目标。

[1] 倪艳荣.通信电缆结构设计[M].北京:机械工业出版社,2013：1-223.

[2] 王卫东.电缆工艺技术原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2013：105-238.

[3] 郭红霞.电线电缆材料[M].北京:机械工业出版社,2012：49-69.

[4] 易碧金.地震数据采集站原理与测试[M].北京:电子工业出版社,2010：140-171.

庆祝《石油管材与仪器》首刊发行

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Discussionon on Seismic Cable’s Technical Characteristics

LUO Fulong

(BGPEquipmentServiceDepartment,CNPC，Zhuozhou, Heobei 072751,China)

Seismic cable is an important component of cable seismic instruments. The technical characteristics of the seismic cables are not only directly related to comprehensive performance and application effect of seismic instruments, but also directly related to overall efficiency of seismic exploration. Sometimes it is even related to the quality of seismic data. Taking the actual demand of seismic exploration and seismic instruments application as the goal, this paper discusses the characteristics of seismic cable’s data transmission and field operating systematically, and clearifies the key technical characteristics’ physical significance, main role and calculation method on the basis of general symmetrical communication cable technique. Combined with practical work experience, it also gives the suggestions to enhance the technical characteristics and improve the application result of the seismic cable.

seismic instrument，seismic cable，technical characteristics，primary transmission parameter，secondary transmission parameter，loop crosstalk

罗福龙，男，1961年生，教授级高工，1984年毕业于江汉石油学院仪器专业，现在东方地球物理公司装备服务处从事地震数据采集装备应用技术研究、支持和管理工作。E-mail:loufulong@cnpc.com.cn

P631.4+3

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2096-0077(2015)01-0005-04

2014-09-02 编辑：韩德林)