Развитие системы метрологического обеспечения геофизических исследований в нефтегазовых скважинах (стр. 3 )

В четвертой главе дано обоснование основных требований к эталонам единиц параметров нефтегазовых пластов и скважин, представлены их конструктивные особенности и методика их метрологических исследований, описана структура уточненных калибровочных схем для скважинной аппаратуры.

При создании эталонов единиц параметров нефтегазовых пластов и скважин необходимо решить две главные проблемы – какие параметры для этих эталонов выбрать в качестве нормальных условий измерений и как обеспечить возможность размещения в них зондов скважинной аппаратуры для передачи размера единицы. В большинстве случаев для размещения зондов в эталонах параметров пластов горных пород необходимо наличие скважины. Тогда, помимо температуры, основными параметрами, отражающим нормальные условия измерений, являются параметры скважины, если их изменения вызывают заметные изменения показаний скважинной геофизической аппаратуры.

Обычно в качестве геофизических эталонов параметров пластов принимают стандартные образцы (СО) состава и свойств горных пород, пересеченных скважиной. Наличие скважины дает основание считать среду, находящуюся в поле зонда, неоднородной, а показание аппаратуры в СО – кажущимся значением параметра. Однако, если геометрические размеры скважины и свойства вещества в ней неизменны, то изменения показаний аппаратуры зависят только от свойств однородного пласта. Если в качестве измеряемого параметра принять изменяющийся параметр этого пласта и построить градуировочную характеристику в виде зависимости выходного сигнала от параметра пласта, то нет оснований измеренное значение параметра считать «кажущимся» для заданных параметров скважины при выбранных нормальных условиях измерений.

Поэтому допускается создавать ряд эталонов параметра пласта для разных значений параметров, отражающих нормальные условия измерений. В этом случае для одного зонда аппаратуры с помощью имеющегося ряда эталонов строится семейство градуировочных характеристик, каждая их которых выбирается применительно к соответствующим условиям скважинных измерений. При этом единство измерений не нарушается, поскольку параметры пласта и скважины каждого эталона определяются с использованием средств измерений, заимствованных из государственных поверочных схем, по единым аттестованным методикам выполнения измерений его аттестуемых характеристик.

Исключение составляют эталоны единиц для аппаратуры электрического каротажа, выполненные в виде электролитической модели пласта, воспроизводящей электрические параметры бесконечной однородной среды.

В качестве эталона единицы удельного электрического сопротивления - УЭС (удельной электрической проводимости - УЭП) и относительной диэлектрической проницаемости используется СО в виде диэлектрического бассейна диаметром 8 м и глубиной 6 м, заполненного водным раствором хлористого натрия. Этот эталон воспроизводит УЭП «бесконечной» однородной среды (без скважины) для аппаратуры индукционного каротажа всех типов. Он также воспроизводит УЭС для коротких градиент-зондов, включая А2М0,5N и для зондов бокового каротажа с фокусировкой тока. Пределы относительной погрешности эталона УЭП, включая погрешности, обусловленные ограниченными размерами бассейна, не превышают ±1% (расчеты параметров СО УЭП выполнены совместно с ).

В качестве эталона единиц акустических параметров пластов используются трубные акустические волноводы из стали, стеклопластика, асбоцемента и винипласта, воспроизводящие скорость (интервальное время) и коэффициент затухания продольных акустических волн. Внутренний диаметр труб может меняться в диапазоне от 150 мм до 215 мм.

В качестве эталонов единиц коэффициента пористости и плотности карбонатных пластов горных пород, начиная с 1981 г., используется ряд стандартных образцов состава и свойств горных пород, пересеченных скважиной диаметром 196 мм с хлоросодержанием в пласте и скважине 0 г/л при температуре 20±2 оС.

При непосредственном участии автора создан новый расширенный комплекс эталонных моделей пластов для построения семейства градуировочных характеристик аппаратуры НГК, ННКт и ННКнт. Аттестованные значения коэффициента пористости и плотности и основные технические характеристики государственных СО (ГСО) и СО предприятия (СОП) приведены в табл. 4.

Таблица 4 - Аттестованные значения коэффициента пористости и плотности

и основные технические характеристики ГСО и СОП

Тип СО, состав скелета и порового пространства	Коэффициент пористости, %	Плотность, кг/м3	Диаметр скважины, мм
ГСО-ПВ-16,6% Песчаник двухфракционный водонасыщенный	16,6±0,2	2376±6	120±1; 155±1; 216±1; 295±1;
ГСО-ПВ-32,5% Песчаник однофракционный водонасыщенный	32,5±0,2	2118±7	120±1; 155±1; 216±1; 295±1;
ГСО-ПВМ150-16,0% Песчаник двухфракционный водонасыщенный с минерализацией 150 г/л	16,0±0,2	-	216±1
ГСО-ПВМ150-32,7% Песчаник однофракционный водонасыщенный с минерализацией 150 г/л	32,7±0,2	-	216±1
ГСО-ПГ-17,0% Песчаник двухфракционный газонасыщенный	17,0±0,2	2200±8	216±1
ГСО-ПГ 34,5% Песчаник однофракционный газонасыщенный	34,5±0,2	1745±6	216±1
ГСО-КВ-0,8% Кальцит водонасыщенный (мраморный блок)	0,8±0,2	2696±5	124±1
ГСО-КВ-0,8% Кальцит водонасыщенный (мраморный блок)	0,8±0,2	2696±5	156±1
СОП-КВ-1,0% Кальцит водонасыщенный (мраморный блок, габаритные размеры 0,95х0,96-х2,32 м)	1,0±0,3	2692±5	198±1;
ГСО-КВ-0,8% Кальцит водонасыщенный (мраморный блок)	0,8±0,2	2696±5	216±1
СОП-КВ-14,1% Кальцит водонасыщенный (блок известняка, габаритные размеры 0,99х0,99х1,5 м)	14,1±0,3	2460±10	216±1
ГСО-КВ-15,9%56-216 Кальцит двухфракционный водонасыщенный	15,9±0,2	2437±6	124±1; 156±1; 216±1
СОП-КВ-20,2%-196 Кальцит водонасыщенный двухфракционный	20,2±0,3	-	196±1;
ГСО-КВ-35,2%56-216 Кальцит однофракционный водонасыщенный	35,2±0,2	2107±5	124±1; 156±1; 216±1
СОП-КВ-38,3%-196 Кальцит водонасыщенный однофракционный	38,3±0,3	-	196±1;

Они внесены в Государственный реестр стандартных образцов в виде СО пористости и плотности карбонатных и песчаных горных пород, пересеченных скважиной. На рис. 2 показаны фотографии общего вида участка эталонов пористости и плотности горных пород, пересеченных скважиной, и вставок в них.

Вставки предназначены для построения градуировочных характеристик аппаратуры НК при измерениях через обсадную колонну. Они также могут быть использованы для оценки влияния плотности горных пород на показания

а

б

Рис. 2. Фотографии общего вида участка эталонов пористости и плотности горных пород, пересеченных скважиной (а) и вставок в скважины (б), моделирующих зацементированные обсадные колонны для аппаратуры НК И СГДТ.

канала интегрального плотномера для аппаратуры СГДТ-НВ при определении плотности цемента в заколонном пространстве.

Анализ семейства градуировочных характеристик, построенных для аппаратуры НК с использованием данного комплекса СО, показывает, что при одинаковом относительном выходном сигнале измеренные значения Кп могут отличаться до 10% в абсолютных единицах коэффициента пористости. Например, измерения аппаратурой СРК-73 в чистых песчаниках с градуировочной характеристикой, построенной для чистых известняков, приводит к занижению результата измерений Кп на 5% в абсолютных единицах. Хлоросодержание 25 г/л в чистом песчанике приводит к завышению результата измерений Кп на 3% при пользовании ГХ для чистого песчаника с пресной водой, а при 150 г/л это завышение составляет 7% в абсолютных единицах.

Развитие системы метрологического обеспечения аппаратуры СГДТ-3 и СГДТ-НВ происходило поэтапно. Первые простейшие «поверочные» установки УПТП-1 и УПТП-2 были построены в 1975 г на основе необработанных обсадных колонн. Они воспроизводили три значения плотности стеклянными шариками и водой (1000±2; 1550±50; 1950±50 кг/м3) за колоннами диаметром 146 и 168 мм толщиной стенок 8,0±0,6 мм и по три значения толщины стенки колонн.

Недостатком этих установок была высокая неоднородность плотности за счет неравномерной упаковки шариков у стенки колонны и существенная неравномерность толщины колонны по периметру и по ее длине.

Новый комплекс эталонов, воспроизводящих параметры обсаженных скважин должен был обеспечивать выполнение следующих требований. Во первых, необходимо воспроизведение трех значений толщины стенки колонны при разных значениях плотности вещества за колонной и три значения плотности вещества в затрубном пространстве при трех значениях толщины стенки колонны. Выполнение этого требования позволяет построить минимально необходимое семейство градуировочных характеристик с коррекцией канала интегрального плотномера по толщине стенки колонны. Во вторых, должна обеспечиваться возможность коррекции каналов интегрального и селективного плотномера за влияние плотности пластов горной породы при разных значениях эксцентриситета колонны.

Новые эталоны единиц толщины стенки труб и плотности вещества в затрубном пространстве для градуировки аппаратуры СГДТ и ЦМ созданы в виде стандартных образцов плотности вещества (бесконечной однородной среды плотностью 1000, 1650 и 2050 кг/м3), в которой расположены стальные трубы разного диаметра и толщины стенки. Диаметр труб выбирался из ряда 114, 127, 146, 168, 178, 219, 245, 324 и 430 мм толщиной стенок 5-6, 7-8 и 9-11 мм. Таким образом, градуировка этой аппаратуры осуществляется по результатам измерений, выполненных в девяти точках контроля в сочетании трех толщин и трех плотностей для каждого диаметра колонны. Градуировочная характеристика канала интегрального плотномера строится в виде нелинейной функции двух переменных – зависимость плотности от выходного сигнала плотномера и толщины стенки колонны, измеренной каналом толщиномера.

Для оценки влияния плотности пласта горной породы на показания аппаратуры СГДТ-НВ созданы модели обсаженных скважин МОС-1 (с портланд-цементом) и МОС-2 (с гельцементом) - эталоны единиц параметров структуры «пласт-цемент-колонна» при бездефектном цементировании колонны 146 мм в скважине диаметром 216 мм с эксцентриситетом равным нулю. Модели обсаженной скважины МОС-3 и МОС-4 предназначены для воспроизведения параметров цементирования колонны диаметром 146 мм в скважине диаметром 216 мм с эксцентриситетом равным нулю при наличии типового дефекта «канал» с углом раскрытия 60 о. Конструктивно эти четыре модели выполнены в виде параллелепипеда из бетона плотностью 2100 кг/м3 высотой 4,0 м и поперечным сечением площадью около 1 м2. Толщина стенки колонны 8,0±0,5 мм. Водоцементное отношение портланд и гельцемента равно 0,5, неоднородность плотности цемента ± 0.2 %. Модель МОС-5 отличается от модели МОС-1 тем, что пласт горной породы выполнен на основе мраморного блока плотностью 2700 кг/м3. Модели МОС-1 - МОС-5 пригодны также для изучения влияния плотности цемента, плотности породы и канала с углом раскрытия 60о на показания аппаратуры акустического контроля качества цементирования скважин.

Кроме того, для аппаратуры СГДТ-НВ и СГДТ-100 были созданы две модели обсаженной скважины МОС-6 (в мраморном блоке) и МОС-7 (насыпная) - специальные эталоны единиц параметров структуры «пласт-цемент-колонна» с типовым дефектом цементировании «канал» с углом раскрытия 0º, 45º и 90º за колонной диаметром 146 мм и 168 мм для тампонажных материалов плотностью 1550 кг/м3 и 1850 кг/м3. В скважины диаметром 216 мм обеих моделей вставляются сменные зацементированные портланд - и гельцементом колонны диаметром 146 мм и 168 мм толщиной стенки 8 мм.

Эталон единицы микрозазора между колонной диаметром 146 мм (толщина стенки 8 мм) и пртланд-цементом выполнен в виде модели обсаженной скважины МОС-8 с типовым дефектом цементировании скважин «микрозазор». Эталон воспроизводит зазор от 0 до 50 мкм для аппаратуры акустического контроля цементирования скважин. В основу работы этого эталона положено изменение диаметра колонны при создании давления внутри колонны.

Созданный под руководством автора комплекс моделей обсаженных скважин МОС-1 - МОС-8 был использован при разработке методик гамма-акусти-ческого контроля качества цементирования скважин, а также и при подготовке кандидатских диссертаций.

В пятой главе представлены результаты исследований автора по совершенствованию методов и средств метрологического контроля индивидуально градуируемой скважинной геофизической аппаратуры.

Градуировка – процедура построения градуировочной характеристики (ГХ) измерительного канала аппаратуры и определение коэффициентов выбранной функции преобразования. Калибровка - процедура периодического контроля стабильности этих коэффициентов во времени.

Измерительные каналы аппаратуры акустического и электрического каротажа имеют номинальную (типовую) градуировочную характеристику, поэтому выполняется только их периодическая калибровка. Для остальных видов аппаратуры всегда приходится строить новую градуировочную характеристику, сравнивать коэффициенты новой и старой характеристик, затем делать выбор – принимать ли для дальнейшей эксплуатации аппаратуры новые коэффициенты градуировочной характеристики или оставить прежние (старые).

Обычно градуировочная характеристика измерительного канала аппаратуры представляет собой линейную или нелинейную зависимость измеряемого параметра от выходного сигнала в нормальных условиях. Однако для некоторых видов скважинной аппаратуры влияющие факторы настолько существенны, что требуется семейство ГХ при разных значениях этих факторов.

Если влияющий фактор является одним из измеряемых параметров, как, например, у манометров - температура, а у канала плотности аппаратуры СГДТ - толщина, то целесообразно ГХ строить в виде функции двух переменных - выходного сигнала канала измеряемого параметра и выходного сигнала канала влияющего фактора и вводить коррекцию влияния фактора в процессе выполнения измерений. Такой подход реализован в установке УАК-СТМ-100/60 для автоматизированной калибровки скважинных термометров и манометров, где по каналу давления строится ГХ в виде линейной зависимости давления Р от выходного сигнала N и температуры Т:

, (3)

где и - основные числовые коэффициенты; и - корректирующие температурные коэффициенты.

При градуировке канала интегрального плотномера аппаратуры СГДТ-НВ с использованием СО плотности вещества в затрубном пространстве целесообразно строить ГХ в виде нелинейной зависимости плотности от относительного выходного сигнала и толщины стенки колонны :

, (4)

где , , и – коэффициенты полинома второй степени; - корректирующая функция по толщине стенки труб в виде нелинейной зависимости выходного сигнала интегрального плотномера от толщины стенки колонны:

, (5)

где - относительный выходной сигнал плотномера при номинальной толщине стенки колонны; , , и – коэффициенты корректирующего полинома.

Для принятия решения о переградуировании аппаратуры необходимы обоснованные количественные критерии. Если каждый раз при метрологическом контроле аппаратуры принимать только новые коэффициенты ГХ, то остаются бесконтрольными показатели точности измерений, выполненных с использованием старой ГХ. Поэтому при калибровке аппаратуры необходим анализ показателей ее достоверности и качества, которые зависят от полученных оценок погрешности и от соотношения нормированных характеристик погрешности калибруемой аппаратуры и калибровочного оборудования. Эти показатели отражают правильность и достоверность отбраковки скважинной аппаратуры в результате ее метрологических испытаний.

Любая методика выполнения калибровки аппаратуры всегда предполагает использование эталонных средств измерений, вносящих в результаты калибровки погрешность, называемую погрешностью калибровки. Качество калибровки будет тем выше, чем ниже погрешность калибровки и, следовательно, меньше ошибок в оценке годности аппаратуры. Поэтому имеется вероятность Р ¹ 0 признать годной в действительности негодную аппаратуру или забраковать заведомо годную. При проведении калибровки будем рассматривать два показателя. Первый - показатель достоверности калибровки () – разность между единицей и вероятностью принятия негодной калибруемой аппаратуры в качестве годной. Этот показатель назовем «степенью годности». Второй показатель () является показателем качества калибровки - отношение предела погрешности калибруемой аппаратуры к пределу погрешности эталонного средства измерений, применяемого для калибровки. В геофизической практике погрешности калибровочного оборудования лишь в два – три раза меньше нормированных характеристик погрешности геофизической аппаратуры. В этих условиях качество калибровки низкое и ее показатели должны быть контролируемы.

Функциональная связь показателя с оценкой погрешности калибруемой аппаратуры определяется формулой

(6)

где - плотность распределения вероятности появления погрешности аппаратуры в интервале ; - нормированный предел погрешности аппаратуры; - нормированный предел погрешности калибровочной установки.

Однако плотность распределения вероятности появления погрешности аппаратуры в интервале определить экспериментально чрезвычайно трудно. Выберем законы распределения плотности вероятности появления погрешности калибруемой аппаратуры и калибровочной установки в интервале равномерными. Тогда композиция этих двух равномерных законов распределения погрешностей будет описываться треугольным законом распределения плотности вероятности совместного появления погрешности аппаратуры и установки в любой точке интервала . Тогда кривую степени годности РГодн аппаратуры можно представить следующим графиком функции, рис. 3.

РГодн 100% 3   4. Негоден 100%   50% 1. Годен 100%   2   0%

Рис. 3. График функции «степени годности» аппаратуры при ее калибровке

При оценке показателя достоверности калибровки аппаратуры нас интересует только зона 2 «Возможно годен» на рис. 3 с областью нахождения оценки погрешности аппаратуры . Зона 3 - «Возможно не годен».

Степень годности будем представлять в зоне 2 в относительных единицах (в %) как вероятность того, что прибор может оказаться годным. Она изменяется в пределах от 100% до 50% и вычисляется по формуле:

%. (7)

Показатель в интервале от 50% до 0% не рассматривается, так как при калибровщик аппаратуры сразу выполнит ее отбраковку.

По результатам калибровки индивидуально-градуируемой аппаратуры метрологическая служба принимает одно из трех решений: 1) оставить прежние коэффициенты градуировочной характеристики; 2) переградуировать - принять новые коэффициенты; 3) признать аппаратуру негодной и направить ее в ремонт. Общие критерии для этого приведены в табл. 5.

Таблица 5 - Общие критерии для принятия (выбора) решения при калибровке

Решение по результатам калибровки аппаратуры	Критерии для принятия решения
Оставить прежнюю градуировочную характеристику	Показатель степени годности аппаратуры в каждой точке контроля находится в пределах от 100% до 75%.
Переградуировать - принять новую градуировочную характеристику	Показатель степени годности аппаратуры в каких-либо точках контроля менее 75% или выполняется неравенство .
Направить аппаратуру в ремонт	Выполняется неравенство или коэффициент преобразования изменился более чем на 30%.

Указанные критерии для переградуирования и ремонта скважинной аппаратуры с индивидуальной ГХ могут иметь и другие значения в зависимости от назначения аппаратуры и показателя качества калибровки .