9. Градуировка, калибровка и поверка аппаратуры стационарного нейтронного каротажа

В качестве основного измеряемого параметра для аппаратуры стационарного нейтронного каротажа (далее также НК) принят коэффициент общей водонасыщенной пористости (или объемное влагосодержание, или К_п) песчаных, кальцитовых или доломитовых горных пород, пересечённых скважиной. Он измеряется в диапазоне от 1 до 40% с пределами допускаемой основной абсолютной погрешности (0,9+0,02·К_п)%. Слово «общей» свидетельствует о том, что поровое пространство полностью заполнено только водой, слово «водонасыщенной» также указывает на это.

Коэффициент общей нефтенасыщенной (или газонасыщенной) пористости песчаных или кальцитовых пород можно использовать в качестве дополнительного измеряемого параметра. Выбор измеряемого параметра зависит от условий, принятых при построении дополнительной градуировочной характеристики, которая может быть применена при измерениях в реальных скважинах, когда условия измерений совпадают с условиями градуировки и для аппаратуры НК не требуется введение поправок.

Основная градуировочная характеристика аппаратуры НК строится обычно для условий водонасыщенного карбонатного пласта, пересечённого скважиной. Для этих же условий осуществляется её периодическая калибровка и поверка. В случае подтверждения годности аппаратуры по основной ГХ, предполагается, что дополнительными ГХ можно также продолжать пользоваться.

Аппаратура стационарного НК относится к группе геофизических средств измерений, для которых при градуировке и калибровке используются разные эталоны К_п.

Для градуировки аппаратуры НК применяют стандартные образцы свойств и состава (эталонные модели пластов и скважины) песчаных, кальцитовых и доломитовых горных пород, пересеченных скважиной, монолитного и насыпного типа, рис. 17 и 18.

Характеристики государственных стандартных образцов пористости и плотности пород, пересеченных скважиной, хранящихся в Центре метрологических исследований «Урал-Гео» в виде эталонных моделей пластов, приведены в табл. 15.

Рис. 17. Стандартные образцы свойств и состава кальцитовых пород, пересеченных скважиной, монолитного типа: а) цилиндрический блокмрамора К_п=0,8%; б) блоки известняка К_п=14%

Рис. 18. Стандартные образцы свойств и состава (модели пластов) кальцитовых пород, пересеченных скважиной, насыпного типа:

а) однофракционного состава; б) двухфракционного состава

Т а б л и ц а 15

В 1980 г. в СССР были приняты следующие нормальных условия градуировки аппаратуры НК для геологоразведочных скважин: минералогический состав пласта – кальцит; диаметр скважины – 196±1 мм; хлоросодержание в пласте и в скважине – 0 г/л; температура воды в скважине – (20±1) ^оС. В настоящее время за нормальное значение принят диаметр в интервале 216±1 мм, соответствующий номинальному диаметру скважин эксплуатационного бурения.

Для периодической калибровки и поверки аппаратуры НК методом прямых измерений применяют комплект имитаторов водонасыщенной пористости, рис. 19, позволяющих воспроизводить (имитировать) коэффициент водонасыщенной пористости кальцитовых пород в диапазоне от 1 до 40% с пределами допускаемой основной абсолютной погрешности (0,5+0,01·К_п)%..

Рис. 19. Имитаторы пористости:

а) КИП-НК-90 и КИП-НК-60; б) ИПП.

Комплект имитаторов КИПНК90 (КИПНК73) представляет собой устройство в виде трех коаксиально расположенных тонкостенных стальных стаканов, погружаемое вместе с зондом НК в емкость с водопроводной водой. Устройство сначала погружается до нижней отметки (первая точка контроля), затем до средней отметки (вторая точка контроля) и до верхней отметки (третья точка контроля). Для имитации разной пористости для аппаратуры НК необходимо, чтобы вода через отверстия в стаканах в области второй и третьей отметок последовательно попадала в пространство между стаканами, вытесняя воздух. По окончании калибровки воду из стаканов имитатора выливают в ту же емкость и готовят имитатор для повторного использования.

Другие имитаторы пористого пласта типа ИПП представляют собой три отдельных герметичных цилиндрических стакана. Метролог вынужден трижды поочередно надевать их на прибор с источником нейтронов и затем каждый раз снимать их руками, что создаёт дополнительное повышенное облучение персонала.

Градуировка

Градуировка аппаратуры НК выполняется отдельно для каждой модификации зондов: 1) для зондов нейтронного гамма-каротажа (НГК); 2) для зондов нейтрон-нейтронного каротажа по тепловым нейтронам (ННК-Т); 3) для зондов ННК по надтепловым нейтронам (ННК-НТ).

Обычно при построении основной градуировочной характеристики аппаратуры НК в нормальных условиях применяют эталонные модели карбонатных пластов. Однако на нефтегазовых месторождениях Западной Сибири, в основном, песчано-глинистый разрез. Поэтому здесь целесообразно применять дополнительные градуировочные характеристики, построенные с использованием СО пористости песчаных пластов.

Наметилась общая тенденция использования геофизиками для аппаратуры НК семейства градуировочных характеристик, построенных отдельно для песчаных, кальцитовых и доломитовых пород, при разном насыщении пласта (вода, нефть, газ) для каждого из номинальных диаметров скважины (124; 155; 196; 216 и 295 мм). В зависимости от условий измерений из существующего семейства ГХ, построенных заранее с использованием эталонных моделей пластов, можно выбирать характеристику, наиболее подходящую для конкретных геолого-технических условий измерений в скважинах. Сначала в процессе скважинных измерений регистрируют выходной сигнал аппаратуры по одному (НГК) или двум (ННК-Т и ННК-НТ) зондам. Затем уточняют минералогического состава и насыщение каждого конкретного исследуемого пласта. Выбирают ту градуировочную характеристику, которая ближе всего соответствует условиям выполненных измерений коэффициента общей пористости пласта. Такой подход сводит к минимуму количество операций, связанных с коррекцией первоначально измеренного значения К_п путем введения поправок.

Однако делаются попытки записи кажущихся значений коэффициента общей пористости аппаратурой НК в ущерб точности с использованием стандартной (номинальной) градуировочной характеристики, построенной для нормальных условий кальцитового водонасыщенного пласта, пересеченного скважиной диаметром 196 мм. Такой подход требует высочайшей стандартности и стабильности измерительных каналов аппаратуры НК, что на практике не наблюдается из-за изменений характеристик счетчиков нейтронов и гамма-квантов и электронных компонентов во времени. Кроме того, требуется стандартная коррекция всех наиболее существенных влияющих факторов (диаметра скважины, глинистой корки, хлоросодержания в пласте и в скважине, химического состава скелета, глинистости, температуры) применительно к условиям продуктивных коллекторов конкретного месторождения (залежи). Но такие обоснованные методики также отсутствуют.

В любом случае метрологические службы на геофизических предприятий стремятся иметь собственные эталонные модели пластов для выполнения градуировки аппаратуры НК после её ремонта. Но контроль стабильности построенной градуировочной характеристики (собственно, калибровку и поверку аппаратуры НК) все же целесообразно выполнять с помощью имитаторов пористости, «привязанных» к этой индивидуальной характеристике аппаратуры после ее градуировки в эталонных моделях пластов. Использование при калибровке и поверке аппаратуры НК имитаторов пористости вместо СО позволяет увеличить ресурс дорогостоящих эталонных моделей пористых пластов.

При отсутствии таких собственных моделей пластов метрологическая служба предприятия вынуждена иногда выполнять градуировку аппаратуры НК в имитаторах пористости применительно к тем условиям измерений, которые указаны в сертификате о калибровке этих имитаторов. Построение градуировочной характеристики нестандартной аппаратуры НК с использованием аттестованных имитаторов пористости осуществляется весьма грубо с погрешностью превышающей допускаемые пределы погрешности аппаратуры более чем в 2-3 раза.

Градуировочная характеристика аппаратуры НК представляет собой зависимость коэффициента пористости от относительного выходного сигнала. Эта зависимость может быть показана в виде таблицы, графика или формулы. Обычно в обрабатывающих программах используются все три формы представления ГХ.

Вид рабочего окна такой обрабатывающей программы для зонда ННК-Т представлен на рис. 20.

Рис. 20. Вид рабочего окна обрабатывающей

программы для зонда ННК-Т.

В аналитическом виде градуировочная характеристика аппаратуры ННК представляет собой функцию либо параболическую, либо линейную:

(57)

, (58)

где – отношение выходного сигнала по малому и большому зондам, приведенному к отношению показаний по этим же зондам в воде; А, В и С – коэффициенты полинома второй степени.

График функции такой градуировочной характеристики не проходит через начало координат, так как при отсутствии пор (или водорода в порах) импульсы электрического тока на выходе аппаратуры всегда присутствуют.

Градуировку аппаратуры типа ПРК-Л, СРК-73, РК-5-76, СРК-1, РКС-3м по каналу ННК-Т с использованием эталонных моделей кальцитовых (или песчаных) пластов, пересеченных скважиной диаметром 216 мм, выполняют в следующей последовательности:

- погружают зонд в емкость с питьевой водой, выполняют измерения частоты следования импульсов (скоростей счета) по малому и большому зондам не менее пяти раз и определяют средние значения и ;

- определяют отношение сигналов по большому и малому зондам в воде по формуле

; (59)

- погружают поочередно зонд в модели пласта СО-КВ-0,8%-2696-216, СО-КВ-15,9%-2437-216 и СО-КВ-35,2%-2107-216, каждый раз выполняя измерения частоты следования импульсов по малому и большому зондам не менее 5 раз;

- определяют средние значения выходного сигнала по малому и большому зондам и ;

- определяют отношение сигналов по большому и малому зондам в моделях пластов по формулам

; ; ; (60)

- определяют параметр (относительный выходной сигнал) путём деления отношения сигналов по большому и малому зондам в моделях пластов на отношение сигналов по большому и малому зондам в воде

; ; ; (61)

- составляют систему уравнений по известным и

; (62)

- решают систему уравнений относительно коэффициентов А, В и С, что завершает процесс построения ГХ в виде полинома второй степени.

Решая систему уравнений методом последовательного исключения переменных, получим следующие формулы для вычисления коэффициентов А, В и С.

; (63)

; (64)

. (65)

Поскольку система 62 состоит из трех уравнений содержит три неизвестных А, В и С, то она решается одним из любых алгебраических способов и метод наименьших квадратов не используется.

Если в обрабатывающей программе (рис. 20) переключатель вида градуировочной характеристики установлен на «линейная», то ГХ будет построена в виде . Коэффициенты А и определяем методом наименьших квадратов по формулам

; (66)

. (67)

Рассмотрим числовой пример построения градуировочной характеристики аппаратуры ПРК-Л-73 по каналу ННК-Т. Для упрощения опустим преобразования скоростей счета по каналам в относительный параметр a и примем исходные данные из рис. 20.

Пусть в табл. 16 занесены эти исходные данные для построения ГХ аппаратуры ПРКЛ-73, например, следующие пары экспериментальных данных.

Т а б л и ц а 16

	0,1103	0,3124	0,5677
, %	0,8	15,9	35,2

Определим коэффициенты А, В и С функции преобразования, подставив исходные данные в формулы 50, 51 и 52.

;

;

.

Если в обрабатывающей программе (рис. 20) переключатель указывает на линейную ГХ, то коэффициент С приравнивается к нулю, коэффициенты А и В градуировочной характеристики находим методом наименьших квадратов.

Сначала вычислим все суммы, входящие в формулы 53 и 54.

Подставим полученные данные в формулы 53 и 54.

. .

Графики полученных параболической и линейной градуировочной характеристики, построенные с использованием программы EXCEL, представлены на рис. 21.

Рис. 21. Графики градуировочных характеристик

аппаратуры ПРК-Л-73.

Из рис. 21 видно, что коэффициенты А в параболической и линейной функции отличается всего на 0,16% (в процентах потому, что он соответствует коэффициенту пористости в абсолютных единицах при ), а коэффициент В – менее, чем на 1,3%. Значит ГХ этой аппаратуры действительно близка к линейной.

Числовые значения коэффициентов градуировочных характеристик, вычисляемые обрабатывающей программой и программой EXCEL, могут незначительно отличаться в результате округлений исходных данных.

В процесс градуировки аппаратуры НК с использованием СО входит обязательная процедура калибровки имитаторов пористости, с помощью которых в дальнейшем будет осуществляться контроль стабильности построенной градуировочной характеристики во времени.

Измерения аппаратурой НК в имитаторах пористости выполняют сразу же после измерений в воде и в СО с тем же источником нейтронов в следующей последовательности:

1) вставляют зонд НК в центральный цилиндр комплекта имитаторов (например, КИП-НК-73) и погружают его в емкость с водой до уровня нижней полосы на корпусе устройства;

2) выполняют не менее пяти раз измерения частоты следования импульсов по малому и большому зондам и определяют средние значения и ;

3) погружают имитатор в воду до уровня второй (средней) полосы на его корпусе, выполняют измерения частоты следования импульсов по малому и большому зондам и определяют средние значения и ;

4) погружают имитатор в воду до уровня третьей (верхней) полосы на его корпусе, выполняют измерения частоты следования импульсов по малому и большому зондам и определяют средние значения и ;

6) определяют отношение сигналов по большому и малому зондам по формулам

; ; ; (68)

7) определяют параметр по формулам

;; ; . (69)

Используя построенную градуировочную характеристику аппаратуры НК, определяют значения коэффициента водонасыщенной пористости , , , имитируемые комплектом имитаторов пористости, по относительным выходным сигналам аппаратуры.

Если градуировка выполнена по обрабатывающей программе, то полученные значения коэффициентов А, В и С и имитируемые значения коэффициента водонасыщенной пористости , , будут запомнены в специальном INI-файле для их хранения и дальнейшего использования в процессе калибровки и поверки конкретного экземпляра аппаратуры НК. Кроме того, программа формирует протокол калибровки (градуировки) в виде электронной таблицы, содержащий два листа – собственно протокол с таблицами и коэффициентами градуировочной характеристики и отдельно ее график с представлением аналитического вида функции, рис. 22.

Если обработка выполнялась вручную, то необходимо зафиксировать все необходимые данные в протоколе произвольной формы. Подпись метролога-калибровщика, подтверждающая достоверность представленных в протоколе данных, обязательна.

Рис. 22. Вид протокола градуировки (калибровки) аппаратуры НК.

В протоколе калибровки хранится вся первичная информация о выходных сигналах во обоим каналам аппаратуры при измерениях в воде, СО и имитаторах, результаты вычислений относительного выходного сигнала, эталонные (в СО) и имитируемые (в ИПП) значения К_п, значения, оцененные и предельно допускаемые значения абсолютной погрешности. В режиме градуировки протоколируются значения погрешности, приписанные применённым эталонам, и погрешности аппроксимации, если выбрана линейная функция преобразования.

Заключение о годности аппаратуры НК к применению по назначению (подтверждение соответствия) по результатам градуировки не делается.

Таким образом, градуировка, как составная часть калибровки, документируется протоколом и «Сертификатом о калибровке».

Калибровка

Периодическую калибровку аппаратуры НК выполняют с целью определения действительных (оцененных) границ погрешности с использованием имитаторов пористости в следующей последовательности:

1) погружают зонд в емкость с питьевой водой, выполняют многократные (не менее пяти раз) измерения частоты следования импульсов (скоростей счета) по малому и большому зондам и определяют средние значения и ;

2) определяют отношение сигналов по большому и малому зондам в воде по формуле

;

3) погружают зонд с комплектом имитаторов в емкость с водой точно так же, как и при градуировке аппаратуры НК в СО;

4) выполняют многократные измерения частоты следования импульсов по малому и большому зондам и определяют средние значения и ;

; ; ;

5) определяют параметр по формулам

; ; .

На рис. 23 показан вид рабочего окна обрабатывающей программы в режиме периодической калибровки аппаратуры НК. При вводе исходных данных записываются счета по малому и большому зонда только при измерениях в воде и в ИПП. В качестве эталонных значений К_п уже используются не значения коэффициента пористости СО, а имитируемые значения, ранее приписанные ИПП на этапе градуировки.

При калибровке используется ранее построенная градуировочная характеристика аппаратуры НК. По ней определяются измеренные значения коэффициента пористости по показаниям аппаратуры в ИПП - , , .

Рис. 23. Вид рабочего окна обрабатывающей программы в режимекалибровки аппаратуры НК.

Оценку абсолютной погрешности измерений в каждой точке контроля определяют по формулам:

;

; (70)

.

На рис. 24 приведен вид протокола периодической калибровки аппаратуры НК, сформированного обрабатывающей программой в таблице EXCEL.

Рис. 24. Вид протокола периодической

калибровки аппаратуры НК.

Поверка

Поверочная схема для скважинных СИ коэффициента общей водонасыщенной пористости горных пород отражает теоретическую прослеживаемость единицы К_п к государственным эталонам России и приведена в приложении 5.

Она содержит 4 поля и три ступени. На верхнем поле расположены средства измерений, заимствованные из государственных поверочных схем.

Весы, гири и мерники необходимы для определения методом прямых измерений К_п комплекта СО водонасыщенной пористости горных пород, пересечённых скважиной номинального диаметра (216 мм или 196 мм), выполненных в виде монолитных или насыпных моделей пластов. Эти СО расположены на поле «Исходных эталонов».

Исходные СО (исходные эталонные модели пластов) служат для калибровки рабочих СО К_п и имитаторов К_п, расположенных на поле «Рабочих эталонов», методом сличения при помощи компаратора. Они могут использоваться также для калибровка аппаратуры НК повышенной точности.

Рабочая аппаратура НК градуируется с использованием рабочих СО К_п, а поверяется с помощью имитаторов К_п, пластов.

Аппаратура НК признается годной к применению, если выполняются неравенства

; ; .

В табл. 17 приведен числовой пример заполнения результирующих данных из протокола поверки аппаратуры ПРК-Л-73 по каналу ННК-Т с использованием комплекта имитаторов пористости КИП-НК-73, воспроизводящих следующие эталонные значения коэффициента водонасыщенной пористости кальцитовых горных пород, пересеченных скважиной диаметром 216 мм: 6,57%; 19,9%; 31,4%.

Т а б л и ц а 17

Оценку абсолютной погрешности находят как разность межу измеренным и эталонным значениями коэффициента пористости в каждой точке контроля. Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности аппаратуры НК вычисляют по формуле:

. (71)

Краткие выводы:

1. Градуировку аппаратуры НК выполняют с помощью СО (моделей пластов), а калибровку и поверку – с помощью имитаторов пористости. Градуировать аппаратуру НК с помощью имитаторов пористости не рекомендуется вследствие высокой вероятности возникновения грубых погрешностей.

2. Качество поверки аппаратуры НК низкое, ее показатель (отношение пределов погрешностей аппаратуры и эталона) не превышает 2, так как имитаторы пористости сначала калибруются поверяемой аппаратурой, а затем используются для её собственной периодической поверки.

3. За оценку погрешности градуировки аппаратуры НК принимаются пределы погрешности применяемых СО пористости.

4. Достоверность поверки аппаратуры НК определяется показателем «Вероятность (степень) годности» в каждой точке её контроля. Достоверность поверки с использованием имитаторов можно считать высокой, если этот показатель более 80%.

5. Отбраковку аппаратуры в процессе поверки и отправку её в ремонт выполняют при условии, если при поверке полученные оценки погрешности превысили нормированный предел в какой-либо точке контроля более чем в 2,5 раза.

6. При оказании геофизических услуг нефтяным компаниям отсутствие эталонных моделей пластов непосредственно на геофизическом предприятии не даёт ему основания для продолжения измерений аппаратурой НК, признанной по результатам поверки негодной.