Основы метрологии

Измерения в скважинах с использованием комплексной многоканальной скважинной аппаратуры относятся к совместным измерениям, которые иногда по-прежнему называют "комплексной геофизической и геологической интерпретацией".

Обычно ГИС выполняют с целью выявления продуктивных пластов, содержащих полезные ископаемые (нефть, газ и другие), и определения параметров, отражающих их пространственную геометрическую структуру и вещественный состав (извлекаемые запасы). Достижение этой цели возможно только на основе применения научно обоснованных методик скважинных измерений (МСИ) параметров пластов, пересеченных скважиной. Любая МСИ должна быть оформлена в виде стандартизованного текстового документа и аттестована применительно к условиям конкретного пласта или месторождения в целом. В методике должны быть изложены все операции, которые необходимо выполнить, чтобы получить измеренное значение параметра пласта с необходимой точностью и указать обоснованные погрешности выполненных измерений.

В методике должно быть четко определено, какую точку на каротажной кривой в пределах пласта следует принять за показания аппаратуры. Это значение измеряемой величины может быть "кажущимся", если условия измерений не совпадают с условиями градуировки, или "некажущимся", если эти условия совпадают. Обычно за показания аппаратуры (отсчет) принимают экстремальное значение или среднее значение напротив середины пласта. Однако для градиент-зондов выбирают точку на "полочке" кажущихся значений, а не экстремальное значение.

Максимальная точность скважинных измерений параметров пластов достигается уменьшением систематических погрешностей от множества влияющих факторов следующими путями (методами):

1) совокупными измерениями кажущихся значений зондами разной длины в известных условиях их применимости (разноглубинное зондирование) и решением системы уравнений;

2) совместными измерениями параметра пласта и влияющих факторов с использованием градуировочной характеристики скважинной аппаратуры в виде функции двух или трех переменных;

3) прямыми измерениями параметров пласта в условиях, максимально приближенных к условиям градуировки аппаратуры, с введением минимума (одной или двух) известных поправок.

Обоснование погрешности выполненных скважинных измерений заключается в полноте учета источников погрешности аппаратуры и предусмотренных поправок при суммировании составляющих погрешности.

Если значение какого-либо влияющего фактора неизвестно, то вводится половина поправки, а ее вторая половина принимается за погрешность и суммируется со всеми остальными ее составляющими.

Таким образом, решение измерительных и классификационных задач на основе методик скважинных геофизических измерений является не только целью, но и сутью ГИС.

Исторически сложилось так, что создатели методов геофизических исследований в скважинах (С.Г. Комаров, Л.М. Альпин, В.Н. Дахнов и др.) весь процесс исследований разделили на два основных этапа: 1) измерения в скважинах - получение кривых (кажущихся значений) геофизических параметров в функции глубины скважины (каротажных диаграмм); 2) интерпретация каротажных диаграмм [28].

В свою очередь этап интерпретации был условно разделен еще на три этапа: 1) "исправление показаний зондов и датчиков" (введение поправок в зарегистрированные кривые); 2) "геофизическая интерпретация"; 3) "геологическая интерпретация". В.Н. Дахнов выделил отдельно еще 4-й этап - "обобщающая или площадная интерпретация" и подсчет запасов. Причем, считалось, что измерения заканчиваются получением первичных каротажных диаграмм, а далее выполняется только интерпретация полученных кривых, которая не относится к измерениям. Однако все же отмечалось, что "…процедуру оценки параметров можно рассматривать как сложное средство косвенных измерений, канал связи которого состоит из разнородных элементов, таких, как скважинный прибор, наземная аппаратура, оператор, интерпретатор, петрофизические зависимости и других". Упоминалось также: "… в общем случае на точность представляемых геофизической службой результатов влияет точность измерений при регистрации диаграмм и достоверность последующей интерпретации…". Авторы некоторых монографий упоминали о "погрешности интерпретации", подразумевая под этим погрешности измерений конкретных параметров.

Ранее различали также "количественную интерпретацию" - определение числовых значений параметров пластов и скважин и "качественную интерпретацию" - разделение объектов на классы. Причем, делались попытки оценки точности количественной интерпретации ГИС методами математического моделирования, а также оценивалась эффективность качественной интерпретации результатов ГИС статистическими показателями [28].



11.4 Интерпретация результатов скважинных измерений

Классификационные задачи ГИС решаются преимущественно на основе предварительно решенных измерительных задач. Поэтому следует отличать "геологическую интерпретацию результатов измерений" от собственно самих "скважинных геофизических измерений" параметров пластов и скважин.

Интерпретация чего-либо - это истолкование (объяснение, разъяснение) смысла или значения чего-либо. Под интерпретацией данных при проведении ГИС (интерпретация результатов скважинных измерений) будем понимать совокупность операций, направленных на решение классификационных задач при выполнении геофизических исследований и работ в скважинах на основании истолкования результатов скважинных измерений.

В прежнем понимании "интерпретация" - это истолкование каротажных диаграмм - результатов кажущихся значений измеряемых параметров. Такое определение ошибочно настраивало исследователя-геофизика на то, что измерительный процесс закончился на скважине получением каротажной диаграммы, а далее последует новый этап - интерпретация, то есть уже не измерение. Поэтому параметры пластов и скважин уже не измерялись, а "определялись" или "вычислялись". Полученные таким образом значения параметров пластов и скважин, как результат интерпретации, передавались заказчикам геофизических услуг без оценки и указания каких-либо погрешностей фактически выполненных прямых или косвенных скважинных измерений.

Классификационная задача - это конкретная задача, решением которой является отнесение исследуемого объекта к тому или иному классу объектов.

К типовым классификационным задачам ГИС относятся следующие [15, 28]:

- выявление пластов-коллекторов;

- распределение пластов, пересеченных скважиной, на классы по геологическому признаку (песчаник, кальцит, доломит, ангидрит, гипс, глина, уголь и т.д.);

- определение характера насыщения пластов-коллекторов (газонасыщенный, нефтенасыщенный, водонасыщенный) по установленным критериям;

- заключение о герметичности заколонного пространства при оценке показателей качества цементирования скважин.

Показателем качества решения задач классификации является максимальная вероятность правильной (достоверной) классификации объектов. Эта вероятность зависит как от размытости границ измеряемого параметра, определяющего классификационный признак объекта, так и от границ возможной погрешности измерений этого параметра объекта (вернее параметра модели объекта) [14].

Рассмотрим простой случай, когда граничное значение параметра классификационного признака объекта выражено одним строго определенным числом. Тогда максимальная вероятность достоверной классификации объектов определяется только нормированными пределами или оценками погрешности измерений этого параметра вблизи его граничного значения.

Если бы погрешности измерений параметра были равны нулю, то вероятность достоверной классификации в этом случае была бы всегда 100% при любом измеренном значении параметра Х. При этом, если измеренные числовые значения параметра меньше граничного значения, то объект относится строго к первому классу (группе) объектов, а если больше, то ко второму. Однако погрешности измерений никогда не могут быть равными нулю. Поэтому при нахождении измеренного значения параметра в пределах доверительных границ абсолютной погрешности выполненных измерений по обе стороны от граничного значения параметра вероятность достоверной классификации уже будет меньше 100%. При равенстве измеренного и граничного значений параметра вероятность правильной классификации принимает минимальное значение 50% (фифти-фифти), рис. 18.

Рис. 18. График функции вероятности достоверной классификации объектов на два класса при фиксированном граничном значении измеряемого параметра.

Для построения данного графика кусочно-линейной функции выбран теоретический равномерный закон распределения погрешностей измерений в пределах их нормированных значений. Это один из наихудших случаев распределения погрешностей измерений.

В табл. 4 представлены различные варианты заключения о достоверности разделения объектов на два класса в зависимости от нахождения измеренного значения параметра относительно его граничного значения.

Таблица 4 Заключения о достоверности разделения объектов на два класса

Зона на рисунке	Критерий для заключения - область нахождения измеренного значения	Заключения о достоверности интерпретации
1		Первый класс (100%)
2		Возможно первый класс
3		Возможно второй класс
4		Второй класс (100%)

Видно, что уверенное разделение объектов на два класса возможно только при нахождении измеренного значения информативного параметра в зонах 1 и 4. В зонах 2 и 3 такая уверенность отсутствует.

При оценке вероятности правильной классификации нас интересует только зоны 2 и 3 на рис. 18 с областью нахождения измеренного значения параметра Х_изм в интервале , для которого вероятность правильной (достоверной) классификации в % вычисляется по формуле:

. (42)

Таким образом, показатель достоверности классификации может быть легко вычислен и использован при представлении результата решения любой классификационной задачи ГИС, когда измеренное значение параметра приближается к нормированному граничному значению измеряемого параметра. Поскольку представленные рассуждения показаны для равномерного (худшего) закона распределения погрешности измерений, то действительные значения показателя достоверности классификации будут выше.

Если граничное значение параметра представлено не одним числом, а интервалом на числовой оси, то задача оценки показателей достоверности правильной классификации объектов по данному измеряемому параметру усложняется.



11.5 Методические погрешности МСИ

Сложность построения и реализации МСИ параметров пластов и скважины заключается в том, что заранее структура среды неизвестна.

При этом приходится подбирать такую МИ, чтобы принятая типовая структура среды была адекватна реальной структуре среды с максимально возможной степенью соответствия. Степень неадекватности реальной структуры горных пород, пересеченных скважиной, и выбранной типовой модели структуры среды определяется совокупностью методических погрешностей измерений параметров пластов и скважины [15, 28].

Как правило, МИ параметров структурных зон неоднородных сред должна строиться для типовой структуры среды (при ГИС - это двухслойная или трехслойная коаксиально-цилиндрическая среда, с вмещающими пластами или без них и т.д.) [14, 28].

Модель (схема конструкции) типовой структуры среды - это упрощенное описание структуры реальной среды, являющееся неотъемлемой частью любой МИ такого класса объектов измерений.

Структурной зоной объекта (предмета) будем называть ограниченную область объекта, в пределах которой физическая величина, отражающая изучаемое свойство, не меняет своего качественного и количественного содержания. Будем считать, что на бесконечно тонких границах структурных зон физическая величина изменяется ступенчато (скачком). Если граница структурной зоны имеет не нулевую толщину и известна закономерность изменения физической величины по толщине, то такую "границу" называют "переходной структурной зоной".

Датчик (зонд, первичный преобразователь) аппаратуры может располагаться относительно исследуемой структурной зоны неоднородной среды по-разному. Он может находиться непосредственно в исследуемой структурной зоне (в скважине) под влиянием соседней зоны (пласта). Он может быть внутри соседней зоны, граничащей с исследуемой структурной зоной (пластом), или в удаленной структурной зоне, не имеющей общей границы с исследуемой зоной (пластом с зоной проникновения).

Лишь в первом случае при значительных размерах исследуемой структурной зоны, когда поле датчика (зонда) не распространяется до границ с соседними структурными зонами, методика выполнения измерений параметра исследуемой среды не будет отличаться от известных общепринятых методик для однородных сред [15].

Во всех остальных случаях в поле датчика будут находиться другие структурные зоны. Это означает, что при выполнении измерений параметра исследуемой среды влияние других зон необходимо знать и определенным образом учитывать. Поскольку исследуется неоднородная в радиальном и вертикальном направлении среда, то параметры, отражающие свойства горных пород, в большинстве случаев не могут быть измерены непосредственно в скважине. Пласты горной породы всегда пересечены скважиной, заполненной промывочной жидкостью. Свойства пластов на контакте со скважиной изменены, влияют также соседние пласты. Характеристики физического поля, созданные зондами в неоднородной среде, зависят как от параметров среды, так и от параметров зонда.

Под методической составляющей погрешности измерений понимают погрешности, возникающие в измерительном процессе при условии применения "идеальных" средств измерений "идеальным" оператором, то есть, когда инструментальные и субъективные погрешности принимаются равными нулю [15].

При ГИС эти погрешности проявляются даже при условии применения "идеальной" геофизической аппаратуры. Например, в простейшем случае при расположении инклинометра в каверне или желобе его ось не совпадает с осью скважины (согласно принятой МИ они должны совпадать). Возникает методическая погрешность, не зависящая от метрологических свойств инклинометра [14].

Неоднородность среды является одним из источников методической погрешности скважинных измерений параметров пластов и скважин. Они возникают, например, в результате отличия реальной структуры среды от принятой типовой модели структуры среды или несоответствия расположения зонда, принятого в МИ, реальному его расположению.

В табл. 5 приведена классификация источников возникновения методической составляющей погрешности измерений параметров пластов и скважины [15].

Методические погрешности носят, как правило, систематический характер. Обычно их оценивают на этапе построения и метрологической аттестации МИ конкретного параметра с целью установления ограничений ее применимости с нормированными показателями точности.

Таблица 5 Классификация источников возникновения методической составляющей погрешности измерений параметров пластов и скважины

Классификационный признак	Источники возникновения методической погрешности
1. Неадекватность принятой в МВИ типовой и реальной структуры исследуемой среды, находящейся в поле зонда	Влияние свойств и линейных размеров структурных зон среды, неучтенных в МИ Несоответствие взаимного расположения зон типовой структуры среды, принятой в типовой МИ, их реальному расположению при выполнении измерений Несоответствие реального (принятого) и идеального (требуемого) алгоритмов "осреднения" параметров в пределах одной неоднородной зоны или нескольких однородных (или неоднородных) зон, а также на границах между ними Неучитываемая анизотропия свойств структурных зон
2. Взаимное расположение элементов зонда и среды	· Несоответствие взаимного расположения источников и приемников поля относительно структурных зон среды при математическом или физическом моделировании (в МИ) и при выполнении реальных измерений
3. Неточность вычислительных процедур	Применение упрощенных алгоритмов вычислений Ограниченность числа разрядов технических средств и программ вычислений

Неоднородность среды также порождает необходимость введения новых метрологических характеристик скважинной аппаратуры, отражающих глубинность и разрешающую способность зондов. Эти характеристики также необходимы при установлении ограничений применимости МИ [15].

Чтобы иметь возможность математического анализа методических составляющих погрешности измерений параметров пластов и скважин методом бокового (разноглубинного) зондирования, разработана методика (способ) нахождения оценки методической погрешности по аналогии с методикой оценки поправки к показаниям аппаратуры.

При этом важно понять, что принимать за измеренное значение параметра, а что за истинное значение параметра.

Как известно, применение для измерений параметров пласта и скважины метода бокового зондирования предполагает предварительное выполнение прямых измерений кажущихся значений параметра зондами разной длины и соответственно - разной глубинности.

Предлагаемый способ определения методических составляющих погрешности измерений параметров пластов и скважины основан на математическом моделировании измерительного процесса, выполняемого в неоднородной среде.

Для реализации данного способа необходимо моделировать две МИ - рабочую и эталонную. Эталонная МИ построена с возможностью учета влияющего фактора, в то время как в рабочей МИ такая возможность отсутствует. Причем в каждой МИ должна быть предусмотрена возможность расчета кажущегося значения параметра для одного и того же расположения элементов зонда скважинной аппаратуры относительно границ структурных зон среды.

Схема, поясняющая данный способ определения методических составляющих погрешности измерений параметров пластов и скважины, показана на рис. 19 [15].



Рис. 19 Схема процесса оценивания методических составляющих погрешности измерений параметров пластов и скважины

Первоначально выбирается (задается) эталонное значение измеряемого параметра в диапазоне реальных его изменений и значение параметра (параметров) фактора, влияние которого на методическую составляющую погрешности предполагается оценивать. Затем, используя из референтной (эталонной) МИ формулу для расчета показаний на выходе аппаратуры при выбранном фиксированном расположении ее зонда относительно границ пласта, выполняется расчет кажущегося значения параметра .

Затем моделируется процесс измерений с использованием рабочей МИ (без учета влияющего фактора). При этом осуществляется подбор такого значения , для которого расчетное кажущееся значение равно или незначительно отличается от него.

Сначала вычисляется поправка как разность между "эталонным" значением параметра , полученным по эталонной МИ (с учетом влияющего фактора), и измеренным значением параметра , полученным по рабочей МИ (без учета влияющего фактора).

За оценку методической погрешности принимается абсолютное значение вычисленной поправки со знаком "±".

В результате рассмотренной процедуры получена одна оценка на поле методических погрешностей измерений для одного заданного значения измеряемого параметра для данного влияющего фактора. Чтобы анализировать все поле возможных методических погрешностей от влияющего фактора, необходимо выполнить многократное их моделирование при разных значениях геометрических и физических параметров влияющего фактора для разных значений измеряемого параметра.

Данную методику можно считать универсальной как для математического, так и для физического моделирования процесса измерений параметров в неоднородных средах.

Оцененные методические погрешности геофизических измерений служат основой для установления применимости каждой конкретной методики измерений.

Методические погрешности измерений параметров пластов, пересеченных скважиной, могут быть уменьшены только путем создания более совершенной методики, для которой оставшиеся неизвестные методические погрешности будут определять ограничения ее применимости. Значит, систематические методические погрешности измерений не могут быть уменьшены путем введения поправок.



11.6 Инструментальные погрешности

Инструментальные погрешности скважинных измерений обусловлены следующими факторами [15]:

- неидеальностью скважинных и наземных средств измерений, соединенных каналом связи и образующих измерительную систему;

- взаимодействием датчика аппаратуры с объектом измерений;

- ограниченной разрешающей радиальной способностью зондов;

- ограниченной разрешающей вертикальной способностью зондов;

- неидеальностью эталонов, воспроизводящих параметры пластов и скважин и применяемых для градуировки скважинной аппаратуры.

Неидеальность скважинных средств измерений проявляется в отличии реальной функции преобразования от номинальной градуировочной характеристики, приписанной для совокупности однотипных средств измерений.

Различают характеристики основной и дополнительной погрешностей средств измерений. Характеристики первой оцениваются в нормальных условиях, характеристики второй - в рабочих.

Характеристики основной погрешности аппаратуры отражают наличие систематической и случайной составляющих погрешности, вариации (люфтов) и нестабильности во времени.

Характеристики дополнительной погрешности отражают реакцию аппаратуры на воздействие влияющих факторов, значения которых отличаются от нормальных значений.

Взаимодействие датчика с объектом вызывает изменение значения измеряемого параметра. Например, скважинный пакерный расходомер увеличивает гидравлическое сопротивление жидкости (перекрывает сечение скважины) и уменьшает значение измеряемого расхода жидкости в скважине. Массивный скважинный термометр может изменить значение измеряемой температуры в исследуемой точке скважины путем охлаждения или нагрева скважинной газо-жидкостной среды.

Ограниченная вертикальная разрешающая способность зондов вызывает инструментальную составляющую погрешности измерений параметров пластов ограниченной мощности, что при определенном соотношении параметров пластов не позволяет даже выделить тонкие пласты и пропластки.

Ограниченная радиальная разрешающая способность зондов вызывает погрешности измерений параметров пласта при наличии глубокой зоны проникновения и других цилиндрических зон. Поле зонда распространяется в радиально-неоднородной среде таким образом, что доля полезного сигнала из исследуемого пласта составляет незначительную часть от общего уровня выходного сигнала, зонд "не дотягивается" до неизмененной части пласта и теряет чувствительность к измеряемому параметру.

Ограниченную вертикальную и радиальную разрешающую способность зондов нельзя рассматривать как "чисто" инструментальную, так как эти характеристики аппаратуры неизбежно связаны со структурой неоднородной горной породы, пересеченной скважиной.

Другим источником инструментальной погрешности является неидеальность эталонов единиц физических величин, эталонных средств измерений и системы передачи единиц величин. Именно погрешностями эталонов геофизических параметров определяются минимально возможные погрешности скважинной аппаратуры. Кроме того, для построения многих функций влияния также используются модели пластов, погрешности которых становятся определяющими не исключенными систематическими погрешностями аппаратуры после введения поправок с использованием номинальной или индивидуальной функций влияния.

Ограниченное количество эталонных моделей пластов, используемых как для градуировки скважинной аппаратуры, так и для построения функций влияния, также является одним из источников инструментальной составляющей погрешности скважинных измерений параметров пластов. Например, при градуировке аппаратуры нейтронного каротажа для условий песчаного пласта используются только две эталонные насыпные модели пласта, воспроизводящие коэффициент водонасыщенной пористости 15 и 35%. В этих условиях градуировки через две точки контроля аппаратуры можно провести только прямую линию, в то время как реальная градуировочная характеристика аппаратуры НК не линейная.

В большинстве случаев, неконтролируемых источников инструментальной составляющей погрешности скважинных измерений много. Поэтому измерения параметров пластов и скважины методами ГИС с указанием погрешности в современных условиях весьма проблематичны.

Повышение культуры измерений при ГИС связано с уровнем метрологического обеспечения ГИС. Кроме того, заказчик геофизических услуг должен испытывать необходимость в оценке погрешности измерений параметров пластов и скважины и требовать это от специалистов геофизических предприятий.

Одним из решений задачи уменьшения инструментальной погрешности скважинных измерений является выбор научно-обоснованного комплекса нормируемых метрологических характеристик скважинной аппаратуры при ее разработке и испытаниях, а также оценка и периодический контроль основных поправок к измеренным значениям в условиях геофизических предприятий.

В комплекс НМХ для каждого измерительного канала геофизической аппаратуры рекомендуется включать следующие характеристики в относительной форме:

(_ор)_с - пределы допускаемой основной относительной погрешности скважинной части аппаратуры (скважинного преобразователя);

(_ор)_н - пределы допускаемой основной относительной погрешности наземного преобразователя (наземной панели);

_р(Т) - граничная функция влияния температуры скважинной среды на погрешность скважинного преобразователя (зонда) аппаратуры;

(_рт)_н - наибольшие допускаемые изменения погрешности наземного преобразователя в интервале температур от +10 до +45 С;

(_pu)_c - наибольшие допускаемые изменения погрешности скважинного преобразователя при изменении напряжения (или тока) питания в установленных пределах;

(_pu)_н - наибольшие допускаемые изменения погрешности наземного преобразователя при изменении напряжения питания сети переменного тока в интервале от 200 до 240 В;

- пределы основной относительной погрешности каротажного регистратора, содержащего аналого-цифровой преобразователь (АЦП) в измерительном канале.

Если случайная составляющая погрешности канала существенна, то вместо характеристик основной погрешности могут быть нормированы характеристики составляющих основной относительной погрешности (_оsр - предел допускаемой систематической составляющей основной относительной погрешности и _ро - предел допускаемого среднеквадратического отклонения случайной составляющей основной относительной погрешности).

Кроме того, для ряда скважинной аппаратуры, в которой заметно проявляются ее инерционные свойства, необходимо нормировать частные динамические характеристики. Например, для скважинных термометров нормируют постоянную времени в секундах. Для ядерно-геофизической аппаратуры нормируется время интегрирования при заданной скорости каротажа.

Однако в практике геофизического приборостроения до сих пор используются упрощенные способы нормирования МХ с выбором весьма ограниченного комплекса НМХ, не позволяющего оценивать границы погрешности аппаратуры в реальных условиях ее применения. Так, например, для многих типов скважинной аппаратуры нормируется одна обобщенная характеристика основной погрешности - пределы допускаемой основной относительной (или абсолютной) погрешности скважинного преобразователя [15]. Дополнительная температурная погрешность скважинной аппаратуры часто бывает выражена ступенчатой граничной функцией влияния температуры на систематическую погрешность на каждые 10^оС. Иногда ее нормируют наибольшими допускаемыми изменениями погрешности в заданном интервале температуры в скважине.

Необходимость расчета доверительных границ погрешности скважинной аппаратуры в реальных условиях ее применения возникает при решении ответственных измерительных задач ГИС, когда требуется обоснованная количественная информация о параметрах пласта, например, для подсчета первоначальных запасов или уточнение текущих запасов углеводородного сырья на месторождениях.

Причем расчетная оценка инструментальной погрешности выполненных измерений параметра пласта может оказаться единственной, если выполняются все требования по ограничению применимости МИ, построенной на базе конкретной измерительной скважинной аппаратуры.

Нормированные значения характеристик погрешности скважинной аппаратуры могут быть выражены как в относительной форме, так и в абсолютной форме. Для упрощения вида формул и суммирования отдельных составляющих погрешности с целью нахождения границ результирующей погрешности все НМХ представляются в относительной форме.

Формула для определения доверительных границ относительной погрешности скважинной аппаратуры в реальных условиях ее эксплуатации имеет следующий вид [15]:

, (43)

где =1,1 при доверительной вероятности Р=0,95 (по ГОСТ 8.207-76); (_ор)_с , (_ор)_н , _р(Т_с) , (_рт)_н , (_рu)_с , (_рu)_н , _рreg - нормированные значения характеристик относительной погрешности скважинной и наземной частей аппаратуры, - нормированное или оцененное значение дополнительной относительной погрешности, обусловленной i- тым из m существенно влияющих факторов.

Если нормы на характеристики погрешности были установлены в абсолютной форме и (или) в зависимости от измеряемого параметра Х, то следует вычислить нормированные значения характеристик погрешности для скважинных и наземных средств измерений, входящих в состав аппаратуры, в относительной форме (в долях единицы).

Если было выполнено раздельное нормирование характеристик систематической и случайной составляющих относительной погрешности, то следует определить характеристику _ор по формуле:

. (44)

Затем требуется определить в относительной форме предел допускаемой температурной погрешности скважинного преобразователя по измеренному значению температуры Т_с в скважине и нормированной граничной функции влияния _р(Т).

После того, как вычислительные процедуры по оценке доверительных границ погрешности аппаратуры завершены, они используются для представления результатов измеренных значений параметра в виде доверительного интервала для истинного значения измеряемого параметра по формуле:

. (45)

Рассмотрим числовой пример расчета доверительных границ погрешности аппаратуры электрометрии К1-723 по каналам градиент-зондирования. Исходные данные для расчета погрешности данной аппаратуры по ее НМХ приведены в табл. 6.

Таблица 6 Исходные данные для расчета погрешности данной аппаратуры К1-723 по ее НМХ.

Наименование параметра исходных данных для расчета	Числовое значение параметра
Результат измерений кажущегося значения удельного электрического сопротивления	к = 50 Омм
Пределы допускаемой основной относительной погрешности, в = 1000 Омм - верхнее значение диапазона измерений,	ор = 5+0,1 (в/к-1)
Граничная функция влияния температуры скважинной среды на погрешность аппаратуры	р (Т) = 0,01ор (Т - То), где То = 20 С
Пределы допускаемых измерений погрешности аппаратуры при изменении напряжения питания	рu = 0,3·ор
Глубина точки записи УЭС	L = 3667 м
Температурный градиент в скважине	Gт = 0,03 С/м
Температура на устье скважины	Ту = 10 С

Расчет погрешности аппаратуры в реальных условиях ее применения выполняется в следующей последовательности.

1. Нормированные значения пределов допускаемой основной относительной погрешности

_ор = 5 + 0,1 ((_в/_к) -1) = 5 + 0,1 ((1000/50) -1) 7,0%.

2. Температура корпуса аппаратуры в скважине на глубине 3667 м

Т_с = Т_у + GL = 10+ 0,033667 = 120 С.

3. Пределы относительной температурной погрешности аппаратуры (при Т_с = 120 С)



_р (Т_с) = ±0,01_ор (Т_с - Т_о) = ±0,01·7·(120-20) = ±7,0%.

4. Пределы допускаемых измерений погрешности аппаратуры при изменении напряжения питания

_рu = 0,3_ор = ±0,37% = ±2,1%.

5. Доверительные границы погрешности аппаратуры К1-723 в реальных условиях ее применения при измерении удельного электрического сопротивления 50 Омм на глубине 3667 м при Р = 0,95

6. Результат измерений кажущегося значения удельного электрического сопротивления в скважине:

_к = 50 (1,000 0,111) Омм = (50,0 5,6) Омм; Р = 0,95.

Примерно по такой схеме может быть рассчитана инструментальная погрешность измерений параметра с использованием любой скважинной аппаратуры, для которой имеется обоснованный комплекс НМХ.

Вопросы для самопроверки по первой главе:

1. Что является предметом науки об измерениях?

2. Как формулируется определение понятия "физическая величина"?

3. Какие определения понятия "измерение" Вы знаете?

4. Каковы основные постулаты метрологии?

5. Какие параметры входят в "основное уравнение измерений"?

6. Каковы основные аспекты "измерительного процесса"?

7. Почему возникла необходимость в единых "единицах величин"?

8. Какие основные единицы величин в "Международной системе SI"?

9. В чем разница между величиной и измеряемой величиной?

10. К какой погрешности относится "неадекватность модели объекта реальному объекту" и почему?

11. В чем разница понятий "истинное" и "измеренное" значение величины?

12. В чем отличие понятий "погрешность" и "неопределенность" измерений?

13. Что означает понятие "моделирование измерений"?

14. Когда возможно использование понятия "истинное значение поправки"?

15. Какие виды поправок Вы знаете, и как находят их оцененные значения?

16. Как нормируют случайную составляющую погрешности?

17. Как оценивают случайную погрешность многократных измерений?

18. Для каких целей нужен анализ "методических погрешностей измерений"?

19. Каковы источники инструментальной погрешности измерений?

20. В чем отличие систематической и случайной погрешности измерений?

21. Когда и как используют распределение Стьюдента?

22. Как выглядит модель погрешности измерений?

23. Как суммируются составляющие погрешности измерений?

24. Какова блок-схема получения результата измерений?

25. Что принимают за "результат измерений"?

26. Какую погрешность эталона нельзя исключить и почему?

27. Является ли "каротаж" измерительным процессом и почему?

28. К каким видам средств измерений относится скважинная аппаратура?

29. В чем отличие основной погрешности от дополнительной?

30. Какие нормируемые характеристики основной погрешности Вы знаете?

31. Когда нормируют граничные функции влияния?

32. Что нормируют вместе с номинальной функцией влияния?

33. Чем отличаются понятия "градуировка", "калибровка" и "поверка"?

34. Каким показателем характеризуется понятие "правильность МВИ"?

35. Какими показателями характеризуется понятие "прецизионность МВИ"?

36. Каковы особенности измерений в неоднородных средах?

37. От чего зависит кажущееся значение величины?

38. Каковы источники методической погрешности?

39. Для каких целей оценивают методические погрешности?

40. Как определить инструментальную погрешность скважинной аппаратуры по ее нормируемым МХ?



II. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

12. Метрологическое обслуживание и прослеживаемость

12.1 Метрологическая деятельность

Данная глава посвящена метрологическому обслуживанию измерений - подготовке СИ к будущим измерениям, включая получение СИ единицы величины от эталона и последующее её хранение в виде шкалы и поправок к отметкам шкалы.

Измерение невозможно, если СИ не передана необходимая единица величины. Слова "единица" и "единство" имеют один и тот же корень.

Существует особая самостоятельная область человеческой деятельности, связанная с использованием эталонов, - метрологическая деятельность (метрологический сервис), включающая воспроизведение единиц величин эталонами, градуировку, калибровку, поверку средств измерений и аттестацию методик измерений.

Воспроизведение единицы величины первичным эталоном - это самый ответственный и престижный для любой страны этап метрологической деятельности в обеспечении единства измерений.

Передача хранимой эталоном единицы физической величины рабочему СИ или другому эталону осуществляется путем его калибровки (градуировки). Другая метрологическая операции - поверка выполняется для контроля стабильности хранимой прибором единицы величины во времени.

Измерительные операции с участием эталонов отличаются от обычных измерений тем, что СИ, уже хранящим единицу, измеряются заведомо известные значения величины, воспроизводимые эталоном. При первичной передаче единицы величины на хранение от эталона СИ (при градуировке) как бы проводится измерительный эксперимент - физическое моделирование будущего измерительного процесса для установления связи между измеряемой величиной и показаниями.

Для СИ, уже хранящего переданную единицу, моделирование измерений с использованием эталона осуществляется для выявления поправок к его показаниям, чтобы повысить точность будущих измерений или принять решение о его годности для измерений с нормированными МХ. На международном уровне сличение первичного национального эталона страны с международным прототипом единицы той же величины выполняют с целью определения поправки.

Можно сказать, что единица величины передается от эталона другому СИ для хранения при моделировании измерений, а используется эта хранимая СИ единица непосредственно при выполнении измерений.

Отличительные особенности метрологической деятельности (моделирования измерений) от измерительной деятельности (собственно самих измерений) приведены в табл. 7.

Таблица 7 Отличительные особенности метрологической деятельности от измерительной деятельности.

Отличительный признак	Метрологическая деятельность	Измерительная деятельность
Использование эталона	Используется	Не используется
Воспроизведение, передача и хранение единицы величины	Воспроизводится и передается СИ	Хранится СИ
Значение измеряемой величины до измерений	Известно	Неизвестно
Определение и использование поправки	Определяется в процессе калибровки и сравнивается с нормированным значением при поверке	Используются для коррекции измеренного значения. Превращается в погрешность, если не используется для коррекции.
Источники погрешности измерений в нормальных и рабочих условиях	Несовершенство эталона и передачи единицы в нормальных условиях измерений	Несовершенство СИ и эталона в нормальных условиях и реакция СИ на изменение условий измерений

12.2 Показатель правильности измерений

Часто в метрологической деятельности (калибровка или поверка СИ, аттестация МВИ, оценка компетентности лаборатории, сравнение лабораторий между собой) возникает необходимость сравнения измеренного значения величины с каким-либо известным опорным (принятым по соглашению) значением: эталонным (действительным или условно истинным) значением; референтным значением.

Оцененная близость измеренного значения к известному опорному значению называется правильностью измерений. Показателем правильности измерений является поправка, которая алгебраически добавляется к измеренному значению. Слова "правильность" и "поправка" имеют один и тот же корень "прав".

Если при вычислении поправки использовано опорное значение с известной погрешностью, то поправке приписывается погрешность опорного значения. Если при калибровке СИ, хранящего единицу, переданную в нормальных условиях, в качестве опорного значения используют "эталонное значение" (Х_эн), воспроизводимое в нормальных условиях с погрешностью , то поправку к показаниям в нормальных условиях определяют по формуле:

. (46)

Если при калибровке СИ, хранящего единицу, в качестве опорного значения используют значение (Х_измн), измеренное в нормальных условиях, то поправку к его показаниям в рабочих условиях определяют по формуле 1.3.

Полная модель поправки предусматривает ее изменение во времени. Поэтому требуется периодическая поверка СИ. Если не предусмотрено введение поправок, то при поверке полученная поправка преобразуется в погрешность и сравнивается с нормой. Чем меньше поправка, тем выше правильность измерений. Если предусмотрено введение поправок, то при поверке оценивают их погрешность.

Таким образом, метрологическая деятельность (метрологический сервис) в каждой стране занимает важное место в обеспечении жизнедеятельности ее народа. Её осуществляет метрологическая служба страны через калибровку и поверку СИ, а также метрологическую аттестацию МИ.

12.3 Прослеживаемость и ее подтверждение.

Метрологическая сопоставимость результатов измерений однородных величин базируется на их метрологической прослеживаемости к одной и той же основе для сравнения. Метрологическая совместимость результатов измерений заменяет традиционное понятие нахождение в пределах погрешности, т. к. она дает критерий для заключения, относятся ли два результата измерений к одной и той же измеряемой величине или нет. Если в серии измерений величины, которая предполагается постоянной, результат измерения несовместим с остальными, это означает, что или оценка точности измерения некорректна, или измеряемая величина изменилась за промежуток времени между измерениями.

Слово "прослеживаемость" происходит от слова "след". Например, необходимо проследить происхождение единицы величины.

Метрологическая прослеживаемость - "свойство результата измерения, в соответствии с которым результат может быть соотнесен с основой для сравнения через документированную непрерывную цепь калибровок, каждая из которых вносит вклад в неопределенность измерений" [22, 35].

В этом определении "основой для сравнения" может быть определение единицы величины через ее практическую реализацию, или методика измерений, или эталон.

Если при калибровке СИ в качестве основы для сравнения принят эталон, то сертификатом о калибровке документируются все сведения об этом эталоне, включая воспроизводимое значение величины, погрешность и сведения о сертификате о его калибровке, в котором содержится информация о переданной ему единице.

Если основой для сравнения является определение единицы величины, то говорят о "метрологической прослеживаемости к единице".

Описание основы для сравнения должно включать время, в которое она была использована в данной калибровочной иерархии, вместе с любой другой существенной метрологической информацией, например, о том, когда была выполнена первая калибровка в калибровочной иерархии.

Для косвенных измерений каждое из значений входных величин должно быть само метрологически прослеживаемо, а калибровочная иерархия может иметь форму разветвленной структуры или сети.

Метрологическая прослеживаемость результата измерений не гарантирует, что показатель точности (неопределенности) соответствует заданной цели или что отсутствуют ошибки.

Сличение между двумя эталонами может рассматриваться как калибровка, если это сличение используется для поверки и, при необходимости, для корректировки значения величины, показателей точности (неопределенности) измерений, приписываемых одному из эталонов.

Для подтверждения метрологической прослеживаемости рассматриваются следующие элементы:

- непрерывная цепь метрологической прослеживаемости к международным или национальным эталонам;

- документированная неопределенность измерений;

- аккредитация на техническую компетентность;

- метрологическая прослеживаемость к системе SI;

- интервалы между калибровками.

Для установления метрологической прослеживаемости результатов измерений может быть использована цепь метрологической прослеживаемости в виде поверочной схемы.

Цепь метрологической прослеживаемости - последовательность эталонов и калибровок (поверок), которые используются для соотнесения результата измерения с основой для сравнения.

Метрологическая прослеживаемость требует наличия установленной калибровочной иерархии и (или) поверочной схемы.

13. Воспроизведение единиц величин

Воспроизведение единицы (величины) - совокупность операций по материализации единицы величины с помощью первичного эталона. Рассматривают три процедуры воспроизведения единицы величины.

Первая состоит в физической реализации единицы измерения в соответствии с ее определением (воспроизведение в буквальном смысле).

Вторая процедура состоит в использовании высокостабильного эталона, основанного на физическом явлении. Например, в случае использования стабилизированных по частоте лазеров при воспроизведении метра, эффекта Джозефсона для вольта, квантового эффекта Холла для Ома.

Третья процедура состоит в принятии материальной меры в качестве эталона, например, эталон массы 1 кг.

Реализация определения физической величины может обеспечиваться средством измерений, материальной мерой или стандартным образцом.

Воспроизведение единиц физических величин может выполняться комплексом измерительных операций посредством стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов. Стандартные образцы свойств и состава горных пород, пересеченных скважиной, широко распространены в системе обеспечения единства геофизических измерений. Обычно такие стандартные образцы располагаются на втором сверху поле соответствующей поверочной схемы.



13.1 Эталоны единиц величин

Единство измерений в стране обеспечивается использованием первичных государственных эталонов. Они воспроизводят единицы физических величин с наименьшими для данной страны погрешностями. Государственные эталоны хранятся в метрологических институтах Агентства по техническому регулированию и метрологии Российской Федерации (Росстандарта). Институты обеспечивают передачу размеров единиц физических величин от первичного эталона другим эталонам и рабочим СИ.

Эталоном единицы величины называется средство измерительной техники, предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы величины или шкалы измерений.

Эталон выполняется по особой спецификации и официально утверждается в качестве эталона. Эталон должен обладать тремя взаимосвязанными свойствами: неизменностью; воспроизводимостью; сличаемостью.

Неизменность предполагает, что эталоны по своему принципу действия и устройству не претерпевают изменений и способны удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного интервала времени (стабильность).

Воспроизводимость - возможность воспроизведения единицы величины с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной техники.

...