[发明专利]多功能双向高密度电缆及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及地球物理勘探设备领域，尤其涉及多功能双向高密度电缆及其应用。

背景技术

地球物理勘探简称“物探”，即用物理的原理研究地质构造和解决找矿勘探中问题的方法。它是以各种岩石和矿石的密度、磁性、电性、弹性、放射性等物理性质的差异为研究基础，用不同的物理方法和物探仪器，探测天然的或人工的地球物理场的变化，通过分析、研究所获得的物探资料，推断、解释地质构造和矿产分布情况。目前主要的物探方法有：重力勘探、磁法勘探、电法勘探、地震勘探、放射性勘探等，其中电法勘探和地震勘探，是成本较低、施工最简单、探测效果也很明显的两种方法，目前在物探领域得到大规模的使用。

电法勘探是根据岩石和矿石电学性质(如导电性、电化学活动性、电磁感应特性和介电性，即所谓“电性差异”)来找矿和研究地质构造的一种地球物理勘探方法。电法勘探分为两大类：直流电法(包括电阻率法、充电法、自然电场法和直流激发极化法等)和交流电法(包括交流激发极化法、电磁法、大地电磁场法、无线电波透视法和微波法等)。高密度电法是在常规电法基础上发展起来的，与常规电法相比，它具有成本低、效率高、信息丰富、解释方便、勘探能力强等优点。高密度电法指的是直流高密度电阻率法，但由于从中发展出直流激发极化法，所以统称高密度电法。

目前高密度电法测量系统按照接入及布线方式的不同分为两类：集中式高密度电法测量系统和分布式高密度电法测量系统。其中集中式高密度电法测量系统所采用的电缆为多芯多抽头高密度电缆(以下简称“集中式电缆”)，分布式高密度电法测量系统所采用的电缆为分布式智能电缆(以下简称“分布式电缆”)。如图1，集中式电缆的每根线芯与一个抽头连接，抽头与电极连接，从而实现电极与电极交换装置的连接，因此线芯的数量至少等于电极上数量，线芯的长度为电极至电极交换装置的长度。若每个抽头需同时接入两种类型的电极，那么线芯的数量要增加一倍，电缆重量也将大大增加，因此集中式系统一般只进行电阻率测试而不进行激电测试。分布式电缆将发射和接收回路所需要的线芯，以总线形式分布在高密度电缆里，横跨所有的抽头，同时在每个抽头上嵌入交换电路，将与电极相导通的抽头交换连接到发射回路、接收回路或空回路上。采用此种方式能够有效减少电缆中线芯的数量，但分布式电缆需要在每个抽头内集成交换电路，因此抽头的结构设计十分复杂，完全依赖手工生产，效率较低且造价昂贵。若单个抽头损坏，整根电缆都将无法使用，替换成本高。此外，无论是集中式系统还是分布式系统，在进行大电流测试时，均需加大电缆内线芯的线径，从而增大了电缆的体积与重量。

地震测试时，每个检波器均需要大线电缆(以下简称“大线”)中的两个线芯构成一个回路，如图2。很明显，回路的总线长会随着测点的不同而发生变化，故不同回路受到的噪声干扰和线阻差异较大，所得测试结果的精确度受到影响。考虑到大线的重量和体积，目前使用最为广泛的是规格为24芯12通道。采用这种电缆进行测试时，离设备最远的检波器和最近的检波器相比，测量回路的长度相差11倍，意味着两个通道被环境噪声干扰的强度、接入到主机的电缆的线阻都相差11倍，从而导致不同通道之间的一致性得不到保证。对于高精度的地震测试，这种误差是非常可观的。

另外，当测试较长或超长的测试面时，往往采用分布式测线系统，即通过多台设备覆盖断面并进行测量，如图3。因此各分布设备之间的有效通信，对于提高测试效率有着十分重要的意义，否则每台设备都必须有专业人员进行操作维护，各设备上的测试数据依靠手工拷贝方式进行汇总处理，效率会很低。并且，地震勘探是通过仪器检测、记录人工激发地震的反射波、折射波的传播时间、振幅、波形等以获取相关数据，因此对时间的同步性要求高，因此必须具备专门的同步功能。传统的测试中每台设备均需专人进行控制，因此在时间上难以达到较高的同步性。设备与设备之间往往采用无线通讯的数据传输方式，易受周围环境的影响与干扰，稳定性不强。

电法和地震方法虽然在技术原理上完全不同，但是在施工布置和测试方法上，有一定的相似性。它们都需要在连续的测试断面上，按照一定的间隔布置一定数量的电极或检波器，并采用特制的多芯电缆将电极或检波器接入到测试主机。对于更长的测试面，通常采用有多套独立的系统进行分布式测量，或者使用更大更长的电缆，覆盖整个测试区域，连接所有的电极或传感器。实际测试中，考虑到电缆的体积和重量，因此必须限制电缆的长度和芯数.

随着各类物探应用逐渐向更大范围、更长断面、更深、更偏远的区域发展，对于物探仪器系统也提出了很大的挑战。一方面要求设备能够覆盖到更大的测试范围和更长的测试断面，另一方面还要求设备体积更小、重量更轻，更便于携带和搬运。