8. Градуировка, калибровка и поверка аппаратуры интегрального гамма-каротажа

Гамма-каротаж (ГК) выполняют в скважинах с целью выделения глинистых пластов и определения их коэффициента глинистости. Различают интегральный гамма-каротаж (ИГК) и спектрометрический гамма-каротаж (ГК-С).

Слово «интегральный» подчеркивает, что детектором (стинциляционным счетчиком) аппаратуры ИГК регистрируются все гамма-кванты, энергия которых выше порогового уровня – 60 килоэлектронвольт (кэВ), а в ГК-С - выделяют гамма-кванты разных энергий.

В аппаратуре ИГК в качестве измеряемого параметра принята мощность экспозиционной дозы (МЭД) естественного гамма-излучения пластов горных пород. Диапазон измерений МЭД для аппаратуры ИГК устанавливают в пределах от 2 до 20 мкР/ч. При организации попутных поисков урановых элементов верхний предел диапазона измерений аппаратурой ИГК может быть увеличен до 250 мкР/ч.

Пределы допускаемой основной относительной погрешности нормируют не более 15%.

При градуировке, калибровке и поверке аппаратуры интегрального ГК используется метод прямых измерений МЭД, воспроизводимой дозиметрической установкой на основе ампульного источника гамма-квантов «Радий-226» (Ra²²⁶). Значения МЭД изменяются (уменьшаются) обратно-пропорционально квадрату расстояния от центра ампульного источника гамма-квантов до центра кристалла NaJ детектора аппаратуры ИГК. Хотя спектр энергий источника Ra²²⁶ отличается от спектра энергий горных пород, принятый подход вполне приемлем, так как канал ИГК все же в большей степени является счетчиком гамма-квантов, часто используемый для привязки каротажных кривых к геологическому разрезу. Поэтому использование МЭД от источника Радий-226 обеспечивает единство геофизических измерений путем обеспечения прослеживаемости единицы МЭД к государственному эталону России через эталонный геофизический дозиметр.

В настоящее время в геофизике широко применяются два типа дозиметрических установок: 1) установка УАК-ИГК-50 для автоматизированной калибровки аппаратуры гамма-каротажа, рис. 13; 2) установка УПГК для поверки аппаратуры ИГК в обычном ручном режиме, рис. 14.

Скажинный прибор гамма-каротажа Зажимное устройство Стойка основания Барабан рассеивателя гамма-квантов с редуктором и приводом Свинцовый контейнер с источником Ra-226 и коллиматором

Рис. 13. Установка УАК-ГК-50 для автоматизированной

калибровки аппаратуры интегрального гамма-каротажа.

Рис. 14. Установка УПГК для калибровки аппаратуры

интегрального ГК.

Установка в первом исполнении состоит из контейнера для ампульного источника гамма-квантов с коллиматором, барабана с шестисекторным поглотителем гамма-квантов, блока ручного управления, блока регистрации и сопряжения с компьютером. Её принцип действия основан на том, что количество гамма-квантов от ампульного источника изменяется на фиксированном расстоянии от него (в детекторе аппаратуры) в зависимости от толщины слоя поглотителя (кварцевого песка). Барабан через редуктор приводится во вращение с помощью шагового двигателя. При повороте барабана на 60^о коллимационное окно сначала закрывается сектором, заполненным свинцом, что обеспечивает почти полное поглощение гамма-излучения и детектором аппаратуры ИГК регистрируется МЭД, соответствующая космическому фону. При очередном повороте барабана еще на 60^о коллимационное окно перекрывается сектором, в котором находится слой песка максимальной толщины, что обеспечивает воспроизведение очередного значения МЭД в области детектора. В пятой точке контроля регистрируется наибольшее количество гамма-квантов, соответствующее верхнему пределу диапазона измерений МЭД.

Установка не требует периодической переустановки источника Ra²²⁶ в отдельный контейнер, так как одновременно выполняет функции контейнера для хранения источника гамма-квантов, что обеспечивает минимальное облучение персонала при её использовании. Используется специальный держатель ампульного источника, обеспечивающий единообразие положения источника относительно коллиматора при его периодическом извлечении из установки для длительного хранения в хранилище изотопов.

Установка УАК-ИГК-50 во втором исполнении состоит из балки, установленной на двух опорах, каретки, перемещающейся по балке, коллиматора с ампульным источником гамма-квантов, подвешенного на каретке, блока ручного управления и блока регистрации и сопряжения с компьютером. В ней использован классический принцип действия, основанный на изменении количество гамма-квантов от ампульного источника в воздухе на разном расстоянии от него. Каретка с коллиматором и источником, перемещаясь по балке, останавливается в точках контроля, для которых известны эталонные значения МЭД. Для установки УАК-ИГК-50 регламентированы следующие основные технические характеристики:

- диапазон воспроизведения мощности экспозиционной дозы гамма-излучения от 5 мкР/ч до 50 мкР/ч;

- пределы допускаемой основной относительной погрешности  5 %;

- количество точек контроля - 5;

- режимы управления: ручной и автоматический;

- время калибровки и поверки одного зонда ИГК не более 20 мин.

Установка УПГК для поверки аппаратуры ИГК аналогична стандартной дозиметрической установке УПГД общего применения. Она состоит из основания, тележки со стандартным коллиматором диаметром 90 мм и устройства крепления скважинного прибора. Оператор-калибровщик перекатывают тележку по полозьям вдоль основания установки таким образом, чтобы каждый раз воспроизводились фиксированные расчетные расстояния от центра детектора гамма-квантов скважинного прибора до центра источника, МЭД которого на расстоянии 1 м измерена. Следовательно, известны расчетные значения МЭД в каждой точке контроля аппаратуры ИГК.

Градуировка

В общем случае градуировочная характеристика канала интегрального ГК представляет собой линейную зависимость частоты следования импульсов на выходе аппаратуры от МЭД, воспроизводимой в центре детектора гамма-излучения (кристалла NaJ). График градуировочной функции - это прямая линия, проходящая через начало координат. При отсутствии гамма-квантов импульсы электрического тока на выходе аппаратуры отсутствуют.

Градуировочная характеристика представляет собой функцию

, (49)

где N – выходной сигнал – частота следования импульсов (Имп/мин); – коэффициент преобразрвания гамма-канала в (Имп/мин)/(мкР/ч); W – МЭД гамма излучения в центре детектора градуируемой аппаратуры.

Чтобы получить измеренное значение МЭД, следует выходной сигнал аппаратуры ГК разделить на постоянную гамма-канала

. (50)

Методика измерений при градуировке аппаратуры ИГК включает регистрацию выходного сигнала аппаратуры при измерении МЭД космического (фонового) гамма-излучения и МЭД гамма-излучения, воспроизводимой установкой. При этом зонд аппаратуры ИГК помещают в установку таким образом, чтобы центр кристалла зонда находился на оси коллиматора этой установки. Сначала измеряют фон космического гамма-излучения без источника не менее 5 раз. Определяют среднее значение выходного сигнала канала ИГК в импульсах в минуту . Затем устанавливают источник Радий-226 в коллиматор установки и последовательно воспроизводят эталонные значения МЭД (W_эi), приблизительно равные 5, 10, 15, 20 и 50 мкР/ч. Регистрируют выходной сигнал канала ИГК в каждой точке контроля не менее 5 раз. Определяют среднее арифметическое значение выходного сигнала при каждом воспроизводимом значении МЭД. Затем для каждой точки воспроизведения МЭД из среднего значения выходного сигнала вычитают среднее значение МЭД, соответствующее космическому фону излучения, то есть . Для построения зависимости выходного сигнала от МЭД полученные пары данных заносят в табл. 11.

Т а б л и ц а 11

Определяют коэффициент преобразования (постоянную канала) с использованием методики сглаживания результатов измерений методом наименьших квадратов (МНК) по формуле

. (51)

Рассмотрим числовой пример.

Пусть в таблицу 12 занесены, например, следующие пары экспериментальных данных частоты следования импульсов (верхняя строка в Имп/мин) и МЭД (нижняя строка в мкР/ч).

Т а б л и ц а 12

Определим коэффициент преобразования методом наименьших квадратов.

Вычислим все суммы, входящие в формулу 38, и подставим их в неё.

.

Округлим полученный результат до трех значащих цифр и получим . Отбрасывание числа 0,14 вызывает относительную погрешность менее 0,14%.

Таким образом, в нашем примере градуировочная характеристика имеет вид и ее график представлен на рис. 15.

Рис. 15. Градуировочная характеристика

канала гамма-каротажа

Наибольшее отклонение экспериментальных точек от линии принятой градуировочной характеристики в пятой точке составляют +0,22%.

В качестве оценки погрешности градуировки следует принять только пределы допускаемой погрешности калибровочной установки, равные, например, ±5%, так как остальные погрешности пренебрежимо малы. Данная оценка погрешности градуировки канала ИГК значительно меньше нормированного значения основной относительной погрешности аппаратуры ИГК, равного ±15%. Следовательно, имеется полная уверенность в годности аппаратуры ИГК и поверка после выполнения её градуировки не требуется.

Вид окна обрабатывающей программы для зонда ИГК представлен на рис. 16.

Обычно протокол калибровки и поверки содержит те же сведения, что отображаются в главном окне обрабатывающей программы.

Рис. 16. Вид окна обрабатывающей программы для зонда ИГК.

Для удобства документирования результатов метрологических работ протоколы и сертификаты хранятся в формате EXCEL.

Калибровка

Аппаратура ИГК поступает на калибровку не позднее, чем через 3 или 6 месяцев после градуировки с действующей ГХ. Межкалибровочный интервал на аппаратуру ИГК конкретного типа указан в «Руководстве по эксплуатации» и в «Методике калибровки».

Методика калибровки измерительного канала ГК аппаратуры основана на прямых измерениях воспроизводимой установкой мощности экспозиционной дозы гамма-излучения от источника Ra²²⁶.

Зонд аппаратуры ИГК помещают в установку таким образом, чтобы центр кристалла зонда совпадал с осью коллиматора установки. Выполняют измерения МЭД, воспроизводимой установкой.

Первоначально, зондом ИГК измеряют фон космического гамма-излучения не менее 5 раз. Заносят в протокол калибровки среднее значение выходного сигнала канала ИГК в импульсах в минуту . Затем на установке последовательно воспроизводят эталонные значения МЭД W_эi ,приблизительно равные 5, 10, 15, 20 и 50 мкР/ч и регистрируют выходной сигнал в каждой точке контроля не менее 5 раз. Определяют среднее арифметическое значение выходного сигнала . Измеренные значения МЭД W_i в каждой i-й точке контроля определяют по формуле

, (52)

где К_гк– постоянная канала ГК, определяемая при градуировке канала интегрального ГК и измеряемая в .

Оценку абсолютной погрешности измерений в каждой i-той точке контроля определяют по формуле:

. (53)

Поверка

Аппаратура признается годной к применению по калибруемому каналу ИГК, если в каждой точке контроля выполняется неравенство

. (54)

Если указанное неравенство не выполняется, прибор ГК не имеет явных признаков нарушения работоспособности и оценки погрешности незначительно превышают нормированные значения, то его можно вновь градуировать – определить новое значение коэффициента преобразования по формуле (первая пара данных отбрасывается)

, (55)

Например, аппаратура ИГК поступила на калибровку в метрологическую службу с графиком, представленным на рис. 15.

Пусть в табл. 13 занесены, например, следующие пары экспериментальных данных – частоты следования импульсов (верхняя строка – среднее арифметическое показаний аппаратуры в Имп/мин) и эталонное значение МЭД (нижняя строка в мкР/ч).

Т а б л и ц а 13

	611	1091	1615	2225	5655
	5,0	10,0	15,0	20,0	50,0

Пусть средние показания аппаратуры ИГК от космического гамма-фона (без источника Ra-226) равны 100 Имп/мин.

Тогда результаты обработки экспериментальных данных могут быть представлены в виде рабочей табл. 14.

В данной таблице по столбцам применены следующие обозначения и формулы для вычисления всех необходимых параметров в процессе обработки результатов измерений:

Т а б л и ц а 14

№	Имп/мин	, мкР/ч	мкР/ч	мкР/ч	мкР/ч	мкР/ч	Вероятность годности, %
1	511	5,11	5,0	0,11	0,75	0,35	100
2	991	9,91	10,0	-0,09	1,5	0,7	100
3	1515	15,15	15,0	0,15	2,25	1,05	100
4	2125	21,25	20,0	1,25	3,0	1,4	100
5	5555	55,55	50,0	5,55	7,5	3,5	78

- средние значения выходного сигнала в точках контроля (без фона); - измеренное значение МЭД в точке контроля; - эталонное значение МЭД, воспроизводимое калибровочной установке в точке контроля; - предел допускаемой основной абсолютной погрешности аппаратуры ГК; - предел допускаемой основной абсолютной погрешности калибровочной установки в точке контроля.

В последнем столбце таблицы указан показатель достоверности поверки (подтверждения соответствия), условно называемый «Вероятностью годности». Он представляется в относительных единицах (чаще в %) как вероятность того, что прибор по результатам поверки может оказаться годным.

Вероятность (степень) годности изменяется в пределах от 50% до 100% и вычисляется по формуле:

(56)

Все вычисленные значения показателя более 100% принимаются за 100%, что означает незначительность полученных (вычисленных) оценок абсолютной погрешности аппаратуры по сравнению с допускаемыми пределами погрешности и отсутствие сомнений в его годности по результатам поверки.

Вычислим этот показатель для пятой точки контроля по данным из табл. 14:

.

Таким образом, достоверность качественной поверки аппаратуры ИГК остается под сомнением только в пятой точке контроля, так как существует вероятность около 22%, что аппаратура ИГК может оказаться на самом деле негодной.

Краткие выводы

1. Все процедуры (градуировка, калибровка и поверка) аппаратуры интегрального гамма-каротажа выполняется с использованием одних и тех эталонных дозиметрических установок на основе ампульного источника «Радий-226».

2. За оценку погрешности градуировки аппаратуры ИГК принимаются пределы погрешности применяемой дозиметрической установки, указанные в сертификате о её калибровке.

3. Качество калибровки и поверки аппаратуры ИГК определяется показателем качества, равным отношению предела допускаемой погрешности аппаратуры ИГК к пределу допускаемой погрешности (или оценке погрешности) дозиметрической установки. Качество калибровки и поверки можно считать высоким, если этот показатель более пяти.

5. Достоверность поверки аппаратуры ИГК определяется показателем «Вероятность годности» в каждой точке её контроля. Достоверность поверки можно считать высокой, если этот показатель более 75%. При меньших его значениях целесообразно вновь выполнить её градуировку, так как нормированный предел 15% и без того слишком высок. Вычисления «вероятности годности» целесообразно выполнять и в процессе калибровки аппаратуры ИГК, когда потребителю не требуется подтверждение соответствия, но информацию о качестве и достоверности её калибровки в протоколе можно указать для последующего анализа и принятия решения.

6. Если вероятность годности аппаратуры ИГК менее 75% и оценка основной погрешности превысила нормированный предел не более, чем в 2,5 раза, то можно воспользоваться вновь построенной градуировочной характеристикой и уменьшить межкалибровочный интервал, например, в 2 раз. То есть, очередную калибровку назначить через 3 месяца вместо ранее планируемых 6 месяцев.

7. Если полученные при калибровке оценки относительной погрешности превысили нормированный предел ±15% более, чем в 2,5 раза (например, +38%), то аппаратура ИГК не может быть заново градуирована. Метрологическая служба обязана выполнить отбраковку такой «рабочей» аппаратуры и направить её в ремонт для выяснения причины резкого возрастания погрешности.