地電觀測(cè)深井電纜的研制

胡哲 蔣延林 張秀霞 趙衛(wèi)紅楊恒勇 王福才 張騫

1）中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京市海淀區(qū)西三旗安寧莊1號(hào) 100085

2）江蘇省高郵地震臺(tái)，江蘇高郵 225601

3）江蘇省地震局，南京 210014

4）江蘇華能電纜股份有限公司，江蘇高郵 225601

0 引言

地電觀測(cè)深井電纜是承載機(jī)械負(fù)荷進(jìn)行地電阻率測(cè)量的專(zhuān)用電纜。地電阻率觀測(cè)是地震監(jiān)測(cè)的主要方法之一，在地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)中發(fā)揮著重要作用。1966年邢臺(tái)地震后，我國(guó)開(kāi)始開(kāi)展地電阻率觀測(cè)，50多年來(lái)積累了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)和科學(xué)研究成果，在方法理論、觀測(cè)技術(shù)、觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用等方面取得了很大進(jìn)展（錢(qián)復(fù)業(yè)等，1982；錢(qián)家棟等，1985；桂燮泰等，1989；杜學(xué)彬，2010；Ma，2002；Lu et al，2004；陳大元等，1983；陸陽(yáng)泉等，1990；趙家騮等，1980），在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中取得了實(shí)效（葉青等，2005；杜學(xué)彬等，2004）。目前，國(guó)內(nèi)的地電阻率觀測(cè)多采用對(duì)稱(chēng)四極法，其供電電極和測(cè)量電極的埋深為2～3m左右，供電極距多為1000～2000m，多方位布極，觀測(cè)裝置占地面積大，需要環(huán)境保護(hù)區(qū)的范圍達(dá)2～5km2，較大的保護(hù)區(qū)使部分地電臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境保護(hù)的任務(wù)越來(lái)越重（杜學(xué)彬等，2006；錢(qián)家棟等，2004）。隨著地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，地電觀測(cè)環(huán)境逐漸遭到破壞，各種干擾嚴(yán)重影響了地電阻率觀測(cè)的質(zhì)量。故要將地電阻率的觀測(cè)裝置埋設(shè)在地下，以規(guī)避或弱化地表金屬管線(xiàn)／網(wǎng)、灌溉、地表雜散電流等環(huán)境干擾（蘇鶯聲等，1982；聶永安等，2010；解滔等，2012a、2012b；王蘭煒等，2015；毛先進(jìn)等，2014）。目前，國(guó)內(nèi)已有一些臺(tái)站采用了井下地電阻率觀測(cè)方案，利用鉆井的方式將觀測(cè)電極埋到100～200m深處，并取得了較好的效果（劉昌謀等，1994；劉允秀，1985；康云生等，2013）。但是，地電阻率井下觀測(cè)仍存在一些技術(shù)問(wèn)題：①因地電觀測(cè)不能使用金屬裝置，目前采用井下繩索吊裝和固定電極，再回填土質(zhì)，這樣會(huì)在長(zhǎng)期觀測(cè)中造成電極位置的垂向位移，使觀測(cè)裝置不穩(wěn)定。②如埋入深井中的電纜使得在對(duì)地絕緣性進(jìn)行檢查時(shí)需在電極處斷開(kāi)電極與連接電纜，這在實(shí)際中無(wú)法實(shí)現(xiàn)。③電纜在井下直接與電極（大地）連通，在高壓下液體會(huì)順著導(dǎo)電芯線(xiàn)與絕緣層間向電纜內(nèi)部滲透，造成電纜導(dǎo)線(xiàn)的絕緣度下降。這些問(wèn)題是井下地電阻率觀測(cè)中亟待解決的問(wèn)題，研制一種高抗拉強(qiáng)度、高壓下能場(chǎng)保持高絕緣性的深井地電專(zhuān)用電纜是發(fā)展井下地電阻率觀測(cè)技術(shù)的瓶頸問(wèn)題之一。

1 室外線(xiàn)路的技術(shù)要求

在地電阻率觀測(cè)中，為保障地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期可靠，室外線(xiàn)路對(duì)地絕緣性應(yīng)符合以下技術(shù)要求（杜學(xué)彬等，2006；錢(qián)家棟等，2009）：

①供電導(dǎo)線(xiàn)漏電電流與供電電流的比值不應(yīng)大于0.1%，供電導(dǎo)線(xiàn)漏電電位差的絕對(duì)值與人工電位差的比值不應(yīng)大于0.5%。

②測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)對(duì)地絕緣電阻不應(yīng)小于5MΩ。

上述對(duì)地表觀測(cè)裝置室外線(xiàn)路的技術(shù)要求同樣適用于井下地電阻率觀測(cè)。另一方面，由于井下地電阻率觀測(cè)一般井深在100m以上，電極植入井中聯(lián)通電極的井下線(xiàn)路將被回填埋設(shè)，這樣就需要井下線(xiàn)路還應(yīng)滿(mǎn)足以下技術(shù)要求：

①井下線(xiàn)路應(yīng)采用鎧裝電纜，在電極自重為50kg范圍內(nèi)，拉斷力大于2.0倍電極重量，并且拉斷力不小于8k N。其目的是為了避免電極自重下移導(dǎo)致的地電阻率觀測(cè)裝置的變化影響觀測(cè)裝置的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

②一般來(lái)說(shuō)，地下數(shù)10米至百米左右深度的淺層介質(zhì)是飽水的，鎧裝電纜的芯線(xiàn)與鎧（即金屬屏蔽層）之間的絕緣電阻應(yīng)大于1000MΩ／km，浸入水中時(shí)的絕緣電阻大于1000MΩ／km。這樣可保障金屬鎧層對(duì)地的絕緣電阻足夠大，而不至于影響地下介質(zhì)電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

③在地電阻率觀測(cè)中，需要定期檢測(cè)室外線(xiàn)路對(duì)地介質(zhì)的絕緣電阻和回路電阻（即接地電阻定期測(cè)試的要求），這樣需要在井下電纜與電極的接頭處密封金屬鎧層，通過(guò)測(cè)量金屬鎧層對(duì)地絕緣性檢測(cè)井下線(xiàn)路的測(cè)量線(xiàn)、供電線(xiàn)對(duì)地的絕緣性，用于檢測(cè)觀測(cè)裝置的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

④測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)、供電導(dǎo)線(xiàn)的線(xiàn)路電阻要小于10Ω／km，并要求埋入地下深處的導(dǎo)線(xiàn)須適應(yīng)溫壓100℃、30MPa的防水抗壓的物理環(huán)境。

上述對(duì)室外線(xiàn)路的技術(shù)要求，應(yīng)能滿(mǎn)足20年以上的連續(xù)深井地電阻率觀測(cè)。

2 井下電纜設(shè)計(jì)

為使井下地電阻率觀測(cè)的室外線(xiàn)路的技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足上述技術(shù)要求，作者與江蘇省高郵市江蘇華能電纜股份有限公司合作，從一個(gè)全新角度對(duì)井下電纜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、研制，生產(chǎn)了井下地電觀測(cè)專(zhuān)用的承載防水電纜（WBUPF型電纜；其中符號(hào)W為承荷探測(cè)電纜（地電觀測(cè)深井電纜），B為改性聚丙烯材料，U為彈性體護(hù)套材料，P為絕緣檢測(cè)金屬層，F(xiàn)為芳綸纖維抗拉層）。

2.1 電纜結(jié)構(gòu)

新型井下電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1。電纜結(jié)構(gòu)采用兩芯導(dǎo)線(xiàn)（即圖中導(dǎo)體）加密封層、絕緣檢測(cè)層、阻水層、2股高抗拉纖維繩和抗壓外護(hù)層。

圖1 電纜結(jié)構(gòu)

2芯導(dǎo)線(xiàn)：用于供電導(dǎo)線(xiàn)和測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)，與金屬電極焊接，鏈接到觀測(cè)室內(nèi)的測(cè)量?jī)x器。導(dǎo)線(xiàn)電阻為4.61Ω／km，滿(mǎn)足線(xiàn)路電阻小于10Ω／km的技術(shù)要求。

絕緣層：電纜中具有耐電壓特定功能的絕緣材料組件，用于增加導(dǎo)線(xiàn)的電絕緣性。

密封層：在纜芯外面的非金屬包覆層，用于密封絞合纜芯的間隙，阻擋水從纜芯間隙進(jìn)入絕緣檢測(cè)層。

公司將秉承“礦業(yè)報(bào)國(guó)，振興民族經(jīng)濟(jì)”的核心價(jià)值觀努力發(fā)展，將成為世界500強(qiáng)的國(guó)際化大型礦業(yè)資源跨國(guó)公司作為企業(yè)目標(biāo)。

絕緣檢測(cè)層：包裹在密封層上的金屬材料，用于檢測(cè)供電、測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)對(duì)地的絕緣性。只要本絕緣層對(duì)地絕緣，就可以保障導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)路的絕緣性。

阻水層：絕緣檢測(cè)層上非金屬阻水包裹層，可阻止水進(jìn)入絕緣檢測(cè)層，與密封層在井下一端熔為一體。

抗拉纖維繩：芳綸纖維編織成的電纜承荷層，電纜承載破斷拉力大于8000N。用于增大電纜的抗拉強(qiáng)度，保障電極在深井中的位置，使觀測(cè)裝置不宜發(fā)生變化。

抗壓外護(hù)層：包裹在電纜最外層的非金屬護(hù)套材料，增加電纜的抗壓程度。

2.2 電纜選材

對(duì)深井電纜的選材，既要充分考慮到導(dǎo)體部分的導(dǎo)電性能，又要兼顧到絕緣材料的絕緣性能以及長(zhǎng)期耐化學(xué)腐蝕性能。同時(shí)，還要考慮到承載材料的高強(qiáng)度抗拉、耐壓性能以及護(hù)套材料的高韌及耐磨性能。以下是WBUPF電纜制造材料的詳細(xì)參數(shù)。

對(duì)于導(dǎo)線(xiàn)芯線(xiàn)及地電檢測(cè)層材料，選用了含銅量大于99.95%的優(yōu)質(zhì)無(wú)氧銅桿，確保了導(dǎo)體及地電檢測(cè)層的良好導(dǎo)電性能。絕緣層材料選用的是改性聚丙烯絕緣料，其最高耐溫可達(dá)150℃，而且改性聚丙烯具有很好的耐化學(xué)性能，能耐酸、耐堿、耐油、耐極性溶劑等。改性聚丙烯的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1（王衛(wèi)東，2011；徐應(yīng)麟，2002）。非金屬承載（抗拉）材料，選用的是高模量的芳綸纖維，具有超高抗拉強(qiáng)度、耐高溫、耐酸耐堿、重量輕、絕緣、抗老化、生命周期長(zhǎng)等優(yōu)良性能。護(hù)套材料，選用的是聚醚型彈性體護(hù)套料，其具優(yōu)良的耐磨、抗撕裂性能。

表1 改性聚丙烯的主要技術(shù)參數(shù)

2.3 電纜制造工藝

表2 各區(qū)的加工溫度

圖2 擠壓式擠包示意圖

檢查井下電極裝置穩(wěn)定性的檢測(cè)層需要與大地絕緣，以使密封層與阻水層形成一個(gè)絕緣體，因此在地電檢測(cè)層井下一端密封制造時(shí)，井下一端電纜通過(guò)采用高強(qiáng)度阻水密封溶合劑并高溫塑化，溶合密封層與井下一端的阻水層。

為確保地電深井觀測(cè)電極垂直定位精度誤差在可控范圍內(nèi)，選用了高強(qiáng)度的芳綸纖維材料。為了能提供更好的承載力，在制造過(guò)程中采用高抗拉纖維在阻水層外編織的方法，這樣用高模量芳綸纖維兩股便能承載8000N以上的力，芳綸纖維編織時(shí)收線(xiàn)張力和放線(xiàn)張力一般也能控制在2000N以上。

3 電纜可靠性檢測(cè)

對(duì)研制的WBUPF電纜樣品的可靠性進(jìn)行物理檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。首先對(duì)電纜密封性進(jìn)行了檢測(cè)。在密封性檢測(cè)過(guò)程中，將制造完工的電纜井下的一端浸入水中6hr，然后測(cè)量地電檢測(cè)層的絕緣性能，最終檢測(cè)結(jié)果顯示，其絕緣電阻大于1000MΩ／km，滿(mǎn)足地電觀測(cè)的要求。其次，檢測(cè)中從成品電纜上截取長(zhǎng)度不小于電纜外徑20倍，且不小于250mm長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)樣本，進(jìn)行承載負(fù)荷（抗拉）強(qiáng)度檢測(cè)（圖3）。由圖3可見(jiàn)，在測(cè)程0～300kN的拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)上做破斷拉力實(shí)驗(yàn)，本電纜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)8210N（圖3），其承載負(fù)荷有助于固定深埋入井下的電極不會(huì)因自重下移或盡可能避免弱化電極下移造成的觀測(cè)裝置變化。

圖3 破斷拉力實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)

最后，測(cè)試了電纜承載的伸長(zhǎng)率。將編織好的芳綸纖維繩取樣15m，掛重50kg，進(jìn)行垂直伸長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)間持續(xù)5天，結(jié)果伸長(zhǎng)15mm；實(shí)驗(yàn)10天，伸長(zhǎng)20mm；實(shí)驗(yàn)15天，伸長(zhǎng)22mm；實(shí)驗(yàn)20天，伸長(zhǎng)23mm；實(shí)驗(yàn)25天，伸長(zhǎng)23mm。根據(jù)此實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出在實(shí)驗(yàn)條件下芳綸纖維繩的伸長(zhǎng)率小于0.2%。若將其應(yīng)用于地電觀測(cè)裝置上，本電纜能夠很好解決地電深井觀測(cè)中的電極垂直定位精度問(wèn)題。

垂直掛重實(shí)驗(yàn)后的電纜一端再次浸入水中6hr，然后測(cè)量地電檢測(cè)層的絕緣性能，最終檢測(cè)結(jié)果表明，其絕緣電阻仍為1000MΩ／km，能滿(mǎn)足長(zhǎng)期地電觀測(cè)對(duì)外線(xiàn)路的電絕緣要求。

4 結(jié)論

本文針對(duì)目前我國(guó)井下地電觀測(cè)的迫切需求，介紹了用于井下地電長(zhǎng)期觀測(cè)的WBUPF型號(hào)電纜的技術(shù)要求、電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)、制作工藝、制作材料、可靠性檢測(cè)結(jié)果等。從對(duì)電纜樣樣本的檢測(cè)結(jié)果看，WBUPF型號(hào)電纜適用于井下數(shù)百米深的地電觀測(cè)，能長(zhǎng)期（20年內(nèi)）保障地電觀測(cè)裝置的穩(wěn)定性，對(duì)規(guī)避地表干擾的井下地電觀測(cè)有重要意義，有助于地電觀測(cè)和地震監(jiān)測(cè)研究的進(jìn)一步深入。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，作為對(duì)一種新方法的探索，人們將越來(lái)越重視井下地電阻率觀測(cè)，而如何保障觀測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，是目前面臨的重要課題，井下電纜的研制，為井下觀測(cè)提供了技術(shù)支撐，即室外-井下線(xiàn)路。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明，該電纜性能滿(mǎn)足井下地電阻率觀測(cè)需求，其各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到并超過(guò)了“井下地電阻率觀測(cè)技術(shù)指導(dǎo)意見(jiàn)”要求，有效解決了深井電纜絕緣漏電檢測(cè)、承載重量及抗深井壓力等問(wèn)題?？梢灶A(yù)期，將新型抗拉纖維、高強(qiáng)度阻水密封溶合劑、耐磨抗撕裂材料等新材料應(yīng)用于地電觀測(cè)深井電纜的制作，并結(jié)合電極耐用性問(wèn)題的解決，可以有效地保證裝置系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。