Контроль качества ГИС

Поверкой средств измерений  называют совокупность действий, выполняемых  для определения и оценки погрешностей средств измерений с целью  выяснения соответствия их точностных характеристик регламентированным значениям и пригодности средства измерения к применению. Определение метрологического параметра поверяемого СИ сводится, как правило, к определению характеристик основной погрешности и при необходимости функций влияния условий измерений на погрешность СИ. Для получения оценки среднего квадратичного отклонения случайной составляющей погрешности проводят многократные измерения (не менее 10) при двух значениях измеряемого параметра, соответствующих приблизительно (10±10) и (90±10)% нормированного диапазона измерений.

Под калибровкой понимают установление и контроль стабильности функции  преобразования измерительного канала ГИС и масштабирование выходного  сигнала в единицах измеряемого  параметра. Необходимость калибровки измерительного канала ГИС вызвана технологическими особенностями его функционирования, важнейшие из которых – необходимость транспортировки информационно-измерительной системы (ИИС) на скважину в разобранном виде с последующей сборкой и настройкой перед проведением измерений, сложность структуры измерительного канала, состоящего из ряда самостоятельных структурных элементов, имеющих собственные нормируемые метрологические характеристики.

Одним из способов контроля является использование физической модели, имитирующей сигналы, как в однородной среде. Современный математический аппарат индукционного метода позволяет рассчитывать кажущиеся значения удельной электрической проводимости, регистрируемой зондом индукционного метода известной конструкции как в однородной среде с проводимостью σ₀, так и в непроводящей среде в присутствии тонкого кольца с заданными геометрическими и электрическими параметрами. Сравнение выражений для ЭДС, возникающих в измерительных катушках зонда в этих двух случаях, является основой организации градуировки, поверки, а также калибровки аппаратуры с помощью имитаторов (тест-колец): сопоставляют выходные сигналы аппаратуры и рассчитанные дискретные значения проводимости σ_к текст-кольца. Кольцо представляет собой замкнутый одновитковый контур, состоящий из последовательно включённых индуктивности L, сопротивления R и ёмкости конденсатора C. Схема расположения кольца приведена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Схема положения кольца.

Здесь L1 и L2 – расстояния от имитирующих катушек И1 и И2 до генераторной катушки Г, b – радиус кольца, z – расстояние от плоскости кольца до измерительной катушки И1, ток в генераторной катушке изменяется по закону J = J₀∙e^iωt. Рабочая частота зонда ƒ = ω/2π. Комплексное сопротивление цепи кольца на рабочей частоте R + iX. Активное сопротивление R складывается из потерь в высокоомном проводе и в конденсаторе, включённом в разрыв цепи. Реактивное сопротивление X = 1/ωC – ωL. В этом случае ЭДС, наводимая в j-ой измерительной катушке, равна:

 

 

, где N = J∙S∙n – момент генераторной катушки; S, n – её площадь и число витков; k = ω/c – волновое число; с = 3∙10⁸ м/с – электродинамическая постоянная; μ₀ = 4π∙10^-7 Гн/м – магнитная проницаемость воздуха. Остальные геометрические обозначения даны на рис. 4.4. Расчёт ЭДС для многовитковых генераторной и измерительных катушек выполняется на основе принципа суперпозиции.

Рассчитывается разность фаз Δφ между ЭДС ε₁ и ε₂, наведёнными в измерительных катушках И₁ и И₂.

Методика метрологической  аттестации основана на зависимости  величины Δφ от электрических параметров R и X тонкого кольца, его радиуса b и положения z относительно катушек. При изменении z от 0 до L₁, величина Δφ имеет два максимума и один минимум. При выполнении условия b < L₁L₂/(L₁+L₂) величина Δφ в точке минимума отрицательна и, следовательно, существуют две точки с нулевой разностью фаз. Выбрав одну из этих точек (ближнюю к катушке И₁) как начало отсчёта и передвигая кольцо в сторону катушки И₁, можно получить последовательность возрастающих от нулевого до максимального значений Δφ. Величина реактивного сопротивления X, зависящая от радиуса кольца b выбрана так, чтобы значения Δφ были максимальными. Для получения значения Δφ, равного верхнему пределу диапазона измерения, подбирают значение активного сопротивления R. Учитывая, что величина R определяется в основном потерями в кольце, выбирают диаметр провода так, чтобы его сопротивление на рабочей частоте было немного меньше значения R. После этого рассчитывают индуктивность кольца на рабочей частоте. По значениям индуктивности кольца и реактивного сопротивления X рассчитывают необходимую ёмкость конденсатора.

На этой основе разработан имитатор УЭС горных пород ИМ. Устройство имитатора показано на рис. 3.3.

 

Рис. 3.3. Устройство имитатора.

 

Собственно имитатор образован кольцом 7, выполненным из манганинового провода и закреплённым на электроизоляционном диске 4. Кольцо имеет два разрыва. В одном вставлен конденсатор 8, в другом – коаксиальный измерительный разъём 6. В рабочем состоянии этот разъём закорочен дисковым замыкателем с пренебрежимо малой остаточной индуктивностью (менее 10^-10 Гн). При помощи болтов 5 диск с кольцом может быть соединён с фланцем 3, который укреплён на втулке 2 подвижным резьбовым соединением. Втулка 2 крепится на корпусе прибора 1 болтами 5. Для точной установки имитатора вдоль оси зонда вращают диск 4. При этом вращении фланец 3 и диск 4 с закреплённым на нём кольцом 7 будут перемещаться по резьбе вдоль закреплённой на корпусе втулки 2.

Для уменьшения искажения электромагнитного поля все детали имитатора, за исключением провода кольца и измерительного разъёма, выполнены из электроизоляционных материалов. Для расчёта ЭДС в измерительных катушках зонда в присутствии имитатора необходимо достаточно точно знать его параметры и местоположение. Конструкция имитатора обеспечивает его относительное перемещение с погрешностью не более 0,05 мм. Начальное положение z₀, в котором Δφ=0, также определяется с погрешностью не более 0,05 мм. Погрешность определения радиуса кольца обусловлена технологией изготовления имитатора и не превышает 0,1 мм. Значения сопротивлений R и X определяют на эталонной установке MCR-1372 (СНИИМ, Новосибирск).

 

IV. Технология проведения исследования скважины

 

Аппаратура ВИКИЗ состоит  из скважинного прибора и наземной панели. Скважинный прибор содержит зондовый комплекс и электронно-измерительную систему.

В состав комплекса входят пять электромагнитных зондов различной  глубинности исследования и электрод ПС. Каждый зонд содержит одну генераторную и две измерительные катушки. Измеряемым параметром является разность фаз между ЭДС, наведенными в измерительных катушках. Эта разность фаз однозначно связана с УЭС горных пород, окружающих скважину. Электрод ПС предназначен для записи потенциалов самопроизвольной поляризации скважины.

Электронно-измерительная система обеспечивает: возбуждение электромагнитных полей в околоскважинном пространстве; преобразование сигналов от измерительных катушек; изменение разности фаз и потенциала ПС; передачу информации по каротажному кабелю в наземную панель.

Обработка и интерпретация результатов ВИКИЗ осуществляется с помощью программного комплекса, например, “Викиз-плюс”. Программы комплекса обеспечивают по данным пяти зондов восстановление радиального распределения УЭС в рамках многослойной модели среды с цилиндрическими границами раздела (скважина - зона проникновения - окаймляющая зона - пласт).

В "Викиз-плюс" предусмотрены  следующие функции: просмотр и редактирование кривых каротажа; фильтрация импульсных помех; отбивка границ пластов; количественная интерпретация на автоматически выбранных и заданных интервалах.

 

V. Структура системы контроля качества результатов ГИС

 

Информационно-измерительная  система ГИС выполняет своё назначение только при наличии методов и  технических средств контроля параметров геофизической аппаратуры и оценки качества результатов измерений. Система контроля и оценки качества должна учитывать технологический процесс подготовки и проведения геофизических измерений. На основе получаемой при этом информации должны вырабатываться решения, позволяющие управлять всем процессом ГИС с целью обеспечения получения требуемых результатов с гарантированной точностью и достоверностью при минимальных затратах времени и средств. Представляется, что система контроля и оценки качества результатов ГИС должна содержать этапы, соответствующие системе организации и проведения геофизических исследований.

Условно выделено десять этапов системы контроля и оценки качества результатов ГИС (рис. 5.1). Для каждого этапа определены его целевая функция, программа исследований, техническое обеспечение и содержание управляющего решении по завершении этапа.

 

Рис. 5.1. Поэтапная схема контроля результатов ГИС.

 

Этап 1 – первичная поверка аппаратуры.

Осуществляется при  спуске аппаратуры на заводе-изготовителе и входном контроле её в условиях геофизического предприятия. В метрологическом отношении целью этапа является стандартизация рабочих средств измерения, в том числе и после их ремонта, затронувшего метрологические параметры аппаратуры.

Содержание работ.

1. Установление работоспособности аппаратуры по полной программе, в соответствии с техническими условиями на аппаратуру.

2. Проверка эксплуатационных  характеристик: баростойкости, теплостойкости, вибростойкости.

3. Проверка стандартности  по всей совокупности метрологических параметров, как основных, так и дополнительных (устанавливается соответствие поверяемой аппаратуры её эталонному образцу).

4. Установление уровня  статистических и динамических  составляющих погрешностей измерений.

Техническое оснащение.

Универсальный стенд для определения работоспособности и эксплуатационных характеристик аппаратуры. Многозначные образцовые меры измерений (стандартные образцы состава и свойств горных пород, поверочные установки, имитаторы), воспроизводящие несколько значений измеряемых физических величин в рабочем диапазоне их измерения. Контрольно-поверочная скважина, максимально удовлетворяющая требованиям оценки сходимости и воспроизводимости результатов измерений для всей измерительной системы (скважинный прибор, кабель, наземная измерительная панель, устройство для регистрации результатов измерений).

Управленческие решения.

1. Аппаратура удовлетворяет  по всей совокупности эксплуатационных  и метрологических параметров  нормативно-технической документации (НТД) и условиям её применения и передаётся для производственного использования.

2. Аппаратура не удовлетворяет  требованиям НТД по отдельным  частным параметрам. Она передаётся  в ремонт в условиях геофизического  предприятия, эксплуатирующего аппаратуру.

3. По большинству параметров, как эксплуатационных, так и метрологических, аппаратура не удовлетворяет требованиям НТД и возвращается на завод-изготовитель.

Этап 2 – периодическая поверка.

Осуществляется в стационарных условиях геофизического предприятия, эксплуатирующего аппаратуру с периодичностью, регламентированной НТД на методы и средства поверки. Цель этапа – установление соответствия метрологических параметров аппаратуры их номинальным значениям.

Содержание работ.

1. Проверка эксплуатационных  характеристик аппаратуры по  ограниченной программе.

2. Проверка стабильности  и соответствия номиналу основных  нормируемых метрологических параметров.

3. Установление уровня  статистических и динамических  составляющих погрешности измерений.

Техническое оснащение.

Испытательный стенд  с менее широким, чем на этапе 1, набором воспроизводимых условий для оценки работоспособности аппаратуры. Целесообразно предусмотреть испытания на термостабильность и вибростойкость. Образцовые средства измерений (поверочные установки, имитаторы), воспроизводящие как минимум крайние значения измеряемых параметров. Контрольно-поверочная скважина, удовлетворяющая требованиям, приведённым в этапе 1.

Управленческие решения.

1. Аппаратура имеет  номинальные метрологические параметры  и пригодна к эксплуатации.

2. Поверяемые параметры аппаратуры отличаются от номинальных значений. Рекомендуется ремонт в условиях геофизического предприятия.

3. Степень нестандартности  аппаратуры значительная. Необходима  поверка аппаратуры по полной  программе в соответствии с  содержанием работ этапа 1.

Этап 3 – поверка на базе перед выездом на скважину.

Цель этого этапа  – оперативный контроль работоспособности  и устойчивости основных метрологических  параметров аппаратуры.

Содержание работ.

1. Поверка по одному  значению измеряемого параметра  или его аналогу одной из метрологических характеристик аппаратуры, например, коэффициента преобразования.

2. Проверка линейности  измерительной системы.

3. Проверка работы  встроенных (или автономных) калибраторов-имитаторов.

4. Получение исходных  данных для масштабирования диаграмм.

Техническое оснащение.

Образцовые средства измерений (однозначные поверочные установки, меры, калибраторы-имитаторы). Измерения выполняются в целом  для всей измерительной системы, включающей скважинный прибор, кабель, наземную измерительную панель, устройства для регистрации и визуализации данных каротажа.