Метрологическое исследование методов и средств измерений удельного электрического сопротивления структурных зон неоднородных сред (на примере геофизических исследований в скважинах)

Одной из важнейших задач И пятилетки продолжает оставаться дальнейшее повышение качества продукции и эффективности её производства. Во многих случаях решение данной проблемы неразрывно связано с процессом получения, преобразования и обработки измерительной информации.

Широкое внедрение в нашей стране государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) позволяет гарантировать нормированную точность применяемых средств измерений (СИ) и предусматривает применение аттестованных и стандартизованных методик выполнения измерений (МВЙ). Однако можно выделить группу объектов, измерение параметров которых с гарантированной точностью остается проблематичным, так как установление реальных границ погрешности выполняемых измерений представляет значительные трудности и в большинстве случаев не производится. К таким объектам относятся структурно-неоднородные среды, состоящие из отдельных структурных зон с различными значениями изучаемых параметров (слоистые среды, стержни и трубопроводы с покрытием и т. д.). Измерения параметров таких объектов обычно выполняют косвенными методами или методами совместных измерений [34] с использованием СИ параметров искусственно созданных или естественных полей (электрического, электромагнитного, магнитного, акустического, ионизирующих излучений и т. д.), изменяющие в зависимости от параметров изучаемых объектов.

Измерения параметров неоднородных сред, выполняют в различных областях науки и техники: при изучении строения земной коры и атмосферы, при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых геофизическими методами, в электромашиностроении, при проектировании техники индукционного нагрева, при контроле качества строительных материалов, в технологических процессах и т. д.

Причем наибольшее распространение получили методы измерений, основанные на применении электрических и электромагнитных полей [22, 42, 75, 123].

Изучением электрических свойств слоистых сред занимается электроразведка [ 1371, применяемая при поисках и разведке нефтяных, газовых, угольных и рудных месторождений, при исследовании горного рельефа, вечных снегов и горных рек. Задачи изучения слоистых сред электромагнитными методами возникают в толщинометрии тонких пленок и покрытий, в дефектоскопии изделий без нарушения целостности их покрытий [ 123 ]. Неоднородными также являются объекты, изучаемые геофизическими методами в скважинах при разведке и разработке месторождений полезных ископаемых, где электрические методы исследований занимают ведущее место 16, 43, 45, 64 3. В скважинных условиях, например, помимо слоистой неоднородности среды наблюдается ещё и радиальная неоднородность, обусловленная проникновением фильтрата промывочной жидкости (глинистого раствора) в некоторые проницаемые пласты и образованием на стенке скважины глинистого слоя. Кроме того, основная масса пластов горных пород обладает анизотропными электрическими свойствами С 4, 137 3. Указанные задачи относятся к области измерений параметров структурных зон неоднородных сред. Эти измерения соповождаются широким рядом источников погрешности, которые специфичны именно для измерений параметров объектов, неоднородных по измеряемой физической величине.

Проблема заключается в том, что в настоящее время отсутствуют обоснованные методики оценивания погрешности измерений параметров структурных зон неоднородных сред и не представляется возможным выполнить метрологическую аттестацию применяемых и вновь разрабатываемых МВИ параметров исследуемых неоднородных сред.

Актуальность настоящей работы определяется тем, что на основе создания методики метрологических исследований методов и средств измерений параметров структурных зон неоднородных сред решается задача аттестации МВЙ удельного электрического сопротивления пластов горных пород (р) и тем самым решается часть общей задачи.

J п оценки точности определения запасов нефти на месторождениях, поскольку коэффициент нефтенасыщенности пластов определяют на основании результатов измерений р. Рассматриваемая проблема особенно акту.

Jn альна в свете Постановления Совета министров СССР от 4 апреля 1983 г. № 273 «Об обеспечении единства измерений в стране», где указано на то, что результаты измерений могут быть использованы в народном хозяйстве только при условии определения их погрешности с известной точностью, а министерствам и ведомствам предписано проведение работ по аттестации и стандартизации применяемых МВЙ.

Цель работы. Основной целью работы является разработка способов и методики метрологической аттестации МВИ параметров структурных зон неоднородных сред на примере измерений р методом боково.

Jn го градиент-зондирования, широко применяемым при геофизических исследованиях в скважинах (ГИС) на нефтегазовых месторождениях.

Состояние вопроса. Более 50-ти лет существуют, развиваются и применяются методы и средства измерений р^. Большой вклад в теорию этих методов внесли советские ученые В. А. Фок, В. Р. Бурсиан, Л. М. Алышн, С. Г. Комаров, В. Н. Дахнов, Е. А. Нейман, А. Г. Кулинкович, Г. Н. Зверев, А. И. Сидорчук, Е. В. Чаадаев и др.

Вопросы оценивания влияния отдельных факторов на результаты выполняемых измерений отражены в [8, 16, 35, 39, 43, 54, 64, 72, 78, 102, 109, 117, 134, 135]. Однако авторы этих работ обращают внимание лишь на отдельные влияющие факторы при измерении р и.

Jn отмечают некоторые частные случаи их проявления, что не всегда дает возможность воспользоваться полученными результатами при метрологической аттестации МВИ р. Исследования погрешности измере п ний р в совокупности влияющих факторов проводились Г. Н. Зверевым. г п.

Вопросы обоснования и выбора необходимого комплекса нормируемых.

Метрологических характеристик (НМХ) скважинной геофизической аппаратуры, расчета её погрешности в рабочих условиях применения по НМХ, обоснования поверочной схеш для скважинннх СИ удельного электрического сопротивления и метрологической аттестации МВИ о в лите п ратуре не отражены.

Таким образом, полученные до настоящего времени результаты по оцениванию погрешности измерений удельного электрического сопротивления структурных зон неоднородных сред с учетом всех основных влияющих факторов не позволяет проводить метрологическую аттестацию ИВРп.

Научные положения, разработанные лично автором, и новизна заключаются в следующем: сформулирована цель аттестации МВИ специфичная для измерений параметров структурных зон неоднородных сред: установление при известной структуре исследуемой среды таких параметров, при которых погрешность измерений не превышает заданного допускаемого значенияразработаны способ и методика аттестации МВИ удельного электрического сопротивления пластов горных породпредложены оценки границ применимости методики бокового градиент-зондирования, широко используемой на геофизических предприятиях страны, от параметров зондов и параметров среды при заданных требованиях к точности планируемых зкважинных измеренийполучены аналитические выражения, позволяющие определять погрешности измерений, обусловленные несовершенством применяемых графиков и номограмм (ограниченность линейных размеров графиков, ли-зейная интерполяция значений между соседними отметками логарифмиче-зкой шкалы) — экспериментально установлено, что относительная инструменталь-1ая погрешность скважинных измерений кажущихся значений удельного электрического сопротивления, обусловленная влиянием неучитываемой юпроводящей основы градиент-зонда может достигать 7% ж это влияние следует учитывать при аттестации МВИ удельного электрического сопротивления пластов горных породтеоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность независимого определения с преемлемой для практики точностью составляющих методической погрешности измерений удельного электрического сопротивления пласта, обусловленных влиянием неучитываемых структурных зон отдельно в радиальном и вертикальном направлениях.

Практическая ценнооть. Разработанная методика аттестации МВИ удельного электрического сопротивления структурных зон неоднородных сред предоставляет возмэжность выполнить разработку нормативно-технических документов, регламентирующих МВИ р, в соответствии с гп требованиями ГОСТ 8.467−82. Установление границ применимости МВИ о «jп иопольэуемых геофизическими предприятиями Миннефтепрома, Мингазпро-ма и Мингео СССР в условиях конкретных нефтегазовых месторождений, будет способствовать уменьшению случаев пропуска продуктивных пластов и количества неоднозначных геофизических заключений, а также получению удовлетворительной точности измерений коэффициентов пористости и нефтенасыщенности пластов при определении запасов нефти на шсторождвииях.

Реализация в промышленности. На основе выполненных исследований разработаны и ввдены в действие в Миннефтепрош, Мингазпроме и Мингео СССР следующие нормативно-технические документы: РД 39−4-172−79 «Средства измерений для геофизических исследований в скважинах. Метрологические характеристики. Номенклатура и выбор комплекса*1- РДС 39−01−031−80 «Ведомственная поверочная схема для скважинных средств измерений удельного электрического сопротивления» — ОСТ 39.150−83 «Аппаратура геофизическая скважинная. Нормируемые метрологические характеристики» .

Методика расчета погрешности скважинной геофизической аппаратуры в рабочих условиях ее применения по нормированным метрологическим характеристикам средств измерений, входящих в состав этой аппаратуры, отражена в методических указаниях Ш 39−09−056−81 «Методические указания по расчету метрологических характеристик геофизических измерительных систем», утвержденных Управлением промысловой и полевой геофизики Миннефтепрома и НПО «Система» Госстандарта СССР.

Результаты выполненных исследований вошли в следующие методические указания, утвержденные ВНИйнефтепромгеофизикой:

МУ 39−09−076−83 «Параметры, принимаемые в качестве измеряемых величин при промыслово-геофизических исследованиях;

МУ 39−09−077−83 «Типовая методика определения методической погрешности измерений параметров пластов горных пород» ;

МУ 39−09−078−83 «Методика определения методической погрешности скважинных измерений удельного электрического сопротивления пластов горных пород методом бокового градиент зондирования» ;

МУ 39−09−079−83 «Методические указания по метрологической аттестации МВИ удельного электрического сопротивления пластов горных пород методом бокового градиент-зондирования» ;

Методика экспериментальных исследований метрологических характеристик скважинкой аппаратуры, разработанная автором, использована в ТПр 96−84 «Типовая программа государственных испытаний аппаратуры геофизической скважинной», утвержденной НПО «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева» и ВНИИФТРИ.

Изготовлена во ВНИИнефтепромгеофизике и прошла государственную метрологическую аттестацию установка УПЭК-1, предназначенная для поверки скважинных СИ удельного электрического сопротивления. Установки УПЭК-1 внедрены в геофизических трестах Нижневартовскнефтегео-физика, Пермнефтегеофизика, Саратовнефтегеофизика, Грузнефтегеофизи-ка, а также в Средне-Волжском региональном метрологическом центре промыслово-геофизических исследований.

В Дагестанской промыслово геофизической конторе треста Грознеф-тегеофизика внедрена установка для контроля в скважинных условиях характеристик погрешности и динамических характеристик скважинных СИ удельного электрического сопротивления, защищенная авторским свидетельством № 827 764 [ I ] .

На основе разработанной методики аттестации МНИ р^ планами работ ВНИИнефтепромгеофизики предусмотрена разработка методик метрологической аттестации МВИ р другими (контактными и индукционными).

J п зондами, а также МВИ других параметров пластов горных пород, применяемых при ГИС государственными геофизическими трестами Миннефтепрома на конкретных нефтяных месторождениях.

Апробация работы. Основные результаты данной работы докладывались и обсуждались на Координационных совещаниях Мингео ССОР, Миннефтепрома, Мингазпрома, Минприбора и Минвуза СССР по проблеме «Метрологическое обеспечение геофизических исследований в скважинах» (1979 — 1983 г.), на Ш Всесоюзной научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение народного хозяйства» (Таллин, 1982 г.), на заседании секции нефтепромысловой и полевой геофизики Научно-технического совета Миннефтепрома по вопросу «Метрологическое обеспечение промыслово-геофизических работ в отрасли» (Краснодар, 1982 г.), на рабочем совещании специалистов стран-участниц СЭВ Координационного центра «Интерпромгеофизика» по теме «Разработка метрологического обеспечения промыслово-геофизических измерений» (Уфа, 1982; Магдебург, 1983; Варна, 1984), на семинаре главных геологов нефтегазодобывающих эбъединений Миннефтепрома по теме «Состояние и перспективы развития геофизических исследований в скважинах» (Уфа, 1984 г.) и на XI семи-заре «Разработка и внедрение новой аппаратуры для геофизических исследований скважин» (Киев, 1984 г.).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в шести ста*тьях, трех руководящихся документах, отраслевом стандарте и авторском свидетельстве.

Объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 143 наименования, и приложений. Работа изложена на 158 страницах машинописного текста и содержит 24 рисунка и .8 таблиц.

Основные результаты исследований, выполненные по теме диссертации, формлены в виде нормативных документов и проходят опробование на геофизических предприятиях Миннефтепромаметодика аттестации МШ р проходит опробование во ВНИИнефтепромгеофизике — базо-J п вой организации метрологической службы.

Более широкое внедрение методики аттестации МШ р^ предполаг-гается выполнить в условиях каждого нефтяного региона и месторождения после разработки нормативных документов, регламентирующих.

ЯВИ о на каждом нефтегазовом месторождении. -Гп.

Поскольку методы аттестации МВИ параметров структурных зон неоднородных сред носят общий характер, разработанная методика аттестации МВИ р может послужить основной для разработки методик аттестации МВИ других параметров пластов нефтегазовых залежей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании выполненных исследований получены следующие результаты и выводы.

1. Установлены основные особенности измерений параметров структурных зон неоднородных сред, заключающиеся в том, что МВИ является методикой косвенных или совместных измерений и прямых измерений некоторого промежуточного параметра, называемого «кажущимся значением физической величины», а также в необходимости регламентации типовой структуры исследуемой ореды и заданного расположения зонда (датчика) относительно структурных зон.

2. Предложен способ определения методических составляющих погрешности измерений параметров структурных зон неоднородных средспособ основан на двукратном математическом моделировании методики измерений: I) в условиях, близких к реальным- 2) в условиях, соответствующих принятой типовой методикепричем первоначально получают кажущееся значение параметра при заданном (действительном) значении параметра исследуемой структурной зоны и фиксированных значениях параметров других зон, влияющих факторов и параметров зонда, затем, моделируя типовую методику измерений (при отсутствии влияющих факторов), подбирают такое значение параметра исследуемой структурной зоны, при котором кажу щее значение параметра в пределах заданной точности совпало бы с кажущимся значением, полученным первоначальноразность между полученным и заданным значениями параметра исследуемой структурной зоны принимается за методическую составляющую погрешности измерений.

3. На основании результатов математического моделирования построены графики зависимости методических погрешностей измерений удельного электрического сопротивления пластов горных пород, обусловленных неадекватностью типовой и реальной структуры среды (влияние неучитываемых вмещающих пород, соседнего пласта, анизотропии пласта и др.), от различных значений параметров структурных зон и зондов, что дает возможность определить значения параметров влияющего фактора, структурных зон и зондов, при которых погрешности не превышают заданного значения.

4. Получены аналитические выражения, позволяющие определять погрешности измерений, обусловленные несовершенством применяемых графиков, палеток и номограмм (ограниченность линейных размеров графиков, линейная интерполяция значений между соседними отметками логарифмической шкалы), выполненных в логарифмическом масштабе.

5. Экспериментально установлено, что относительная инструментальная погрешность измерений удельного электрического сопротивления, обусловленные влиянием неучитываемой непроводящей основы применяемых градиент-зондов, в условиях максимального её проявления может достигать 7% и это влияние следует учитывать при построении и аттестации МВИ.

6. Проведено обоснование комплекса НМХ скважинных СИ удельного электрического сопротивления и разработана методика расчета погрешности этих СИ в реальных условиях применения.

7. Разработана схема оценивания погрешности измерений удельного электричеокого сопротивления пластов горных пород с учетом всех основных влияющих факторов (неучитываемые структурные зоны, неидеальность применяемых СИ кажущихся значений удельного электрического сопротивления, удельного электрического сопротивления промывочной жидкости и диаметра скважины, неидеальность графиков и палеток и др.).

8. Сформулирована цель аттестации МВИ, специфичная для измерений параметров структурных зон неоднородных сред: установление при известной структуре исследуемой среды таких параметров структурных зон и зонда, при которых методическая погрешность измерений не превышает заданного допускаемого значения*.

9. Разработана методика аттестации МВИ удельного электрического сопротивления пластов горных пород, позволяющая устанавливать зависимость границ применимости методики бокового градиент-зондирования, широко используемой на геофизических предприятиях страны, от параметров зондов и параметров среды при заданных требованиях к точности планируемых скважинных измерений.

10. Показана принципиальная возможность аттестации МВИ удельного электрического сопротивления пластов горных пород на нефтегазовых месторождениях, что предоставляет возможностьразработки, утверждения и внедрения стандартов или руководящих документов, регламентирующих МВИ в соответствии с требованиями ГОСТ 8.467−82 НГСИ. Нормативно-технические документы на методики выполнения измерений. Требования к построению, содержанию и изложению**.