Метрологічне забезпечення вимірів апаратурою нейтронних методів

Технічні умови проведення імпульсного нейтронного каротажу

Вимоги до вимірювальних зондів ІНК:

- нормуючими метрологічними характеристиками є макросічення захоплення теплових нейтронів (Σ_а) і коефіцієнт водонасиченої пористості (K_п), які розраховуються за виміряними швидкостями рахунку імпульсів;

- діапазон визначення Σ_а і K_п – 7.4-22.2 о.з. і 1-40% відповідно;

- середньоквадратичні випадкові похибки визначення Σ_а не більше ±2.5% і K_п – не більше ±2.0% (абс.);

- систематичні похибки визначення Σ_а не більше ±2.5% і K_п – не більше ±1.5% (абс.);

- додаткові похибки визначення макросічення захоплення, які викликані зміною нейтронного виходу випромінювача, температури навколишнього середовища і напруги живлення – не більше ±2% для кожної величини, що міняється;

- додаткові похибки визначення пористості при змінах тих же величин – не більше ±1% (абс.).

При однократному замірі швидкість каротажу не повинна перевищувати 150 м/год.

Основні, повторні та контрольні криві повинні повторюватись за формою, а систематичні похибки не повинні перевищувати ±2.5% (відн.) для макросічення захоплення нейтронів і ±1.5% (абс.) для пористості.

2.9.1 Метрологічне забезпечення вимірів апаратурою нейтронного каротажу

Основним завданням геофізичних методів НК є визначення водневмісту гірських порід. Для цього використовують модифікації НГК, ННК-Т, ННК-НТ. В залежності від методу визначається швидкість рахунку надтеплових нейтронів, теплових нейтронів і захватного гамма-випромінювання. Для нейтронних методів загальною є залежність водневмісту від K_п:

w=f(K_п). (2.6)

Метрологічне забезпечення методів НК обумовлює визначення водневмісту породи в одиницях водонасиченої пористості. Середня абсолютна похибка визначення K_п не повинна перевищувати ±2% в діапазоні від 1 до 40%. Це обумовлено величиною абсолютної похибки нестандартності роботи апаратури НК, (основна похибка), яка не повинна перевищувати 1.3 %. На похибку визначення K_п також впливає похибка градуювання, повірки і калібровки апаратури НК.

При градуюванні апаратури НК використовують стандартні зразки водневмісту пористої породи. Може бути використана модель гірської породи в свердловині, а також зроблений штучно макет. Основна вимога при побудові макету є відповідність конструкції макету адекватно реальним геологічним умовам. Для цього визначається вертикальна і радіальна однорідність конструкції макету, а також зміни параметрів макету в часі. Операція проводиться з допомогою зразкової апаратури НК.

При побудові макету частіше використовують монолітні блоки або насипні з крихти. В центрі метрологічної установки імітується свердловина діаметром (196-200) мм. Розміри макету в діаметрі і по висоті не повинно бути менше 1.5 м. Для заповнення порового простору використовується прісна вода з концентрацією солей Cl не більше 0.2 г/л. Реальна похибка атестації установки не перевищує ±0.3-0.5 %, а похибка градуювання не більше ±1% К_п.

У геофізичній галузі розроблені стандартні метрологічні установки (макети) НК-1, НК-2, НК-3:

НК-1 – моноблок;

НК-2 – гетерогенний блок з двох фаз: крихти, в якої перша фракція 20 -25 мм, а друга фракція 2-5 мм;

НК-3 – однофракційна мармурова крихта.

При передачі розмірів одиниць від Державних стандартів до імітаторів, а від них до робочої апаратури НК виникає похибка передачі, яка обумовлена випадковою похибкою вимірів показника НК при дослідженнях.

Систематична складова основної похибки вимірювання K_п апаратурою НК обумовлена похибкою державного стандартного зразку і складає (0.5-0.9%), а випадкова складова похибки не повинна перевищувати 0.2-0.3 % K_п.

Повірка апаратури НК проводиться з допомогою базової повірочної установки БПУ-НК, яка складається зі сталевої ємності, залитої прісною водою, діаметром 1м і висотою 1.5 м. Вміст солі Cl не більше 2 г/л. В центрі установки встановлюється повірочна апаратура з одним із імітаторів пористості, для чого використовуються сталеві труби різного діаметру. Простір між імітатором і свердловинним приладом не заповнений рідиною. В установці БПУ-НК використовують три імітатори:

1. ІП – з К_п=(0,5-5 %)

2. ІП – з К_п=(10-15 %)

3. ІП – з К_п=(30 -40%)

Апаратура, в незалежності від типу, повіряється по загальній схемі, а калібрування проводиться по методиці, яка вказана в технічній документації кожного приладу. Результати вимірів в імітаторах нормуються по показниках в ємності з водою.

Використовуючи дані калібрування чи градуювання залежності, по нормованих показниках в імітаторах, визначають результат виміру вологонасиченої пористості, яка відтворюється імітаторами. Розраховують основну похибку вимірювання, а також систематичну складову і середнє квадратичне відхилення випадкової складової основної похибки.

Основним джерелом нестандартності апаратури НК, при проведенні повірки, можуть бути:

– зміна довжини зонда;

– зміна відстані між приймачами в двозондовому приладі;

– відхилення від номінальних розмірів екранів.

Калібрування апаратури завжди проводиться на базі експедиції, але в деяких підрозділах використовують польові калібровочні пристрої, які складаються з циліндричного контейнера, заповненого парафіном або поліетиленом з товщиною стінок не менше 50-70 мм.

2.9.2 Метрологічне забезпечення вимірів апаратурою імпульсного нейтронного каротажу

Метод імпульсного нейтронного каротажу, при проведенні досліджень у свердловині, визначає параметри теплових і надтеплових нейтронів, час життя і коефіцієнт дифузії в пласті (τ_вм, D), а також інтенсивність радіаційного гамма-випромінювання. В методі імпульсного нейтронного каротажу використовується джерело нестаціонарного нейтронного поля (генератор нейтронів), яке дозволяє розширювати глибинність досліджень, але це вимагає більшого об’єму метрологічних операцій. Похибка визначення декременту затухання (λτ), зворотної величини часу життя теплових нейтронів, не повинна перевищувати 2-5%, величина цієї похибки обмежена границями достовірності вирішення геологічних завдань.

Основні фактори, що впливають на величину інструментальної похибки вимірювальних параметрів методу ІНК можна представити:

– нестабільність потоку швидких нейтронів з джерела;

– нестабільність чутливості вимірювального каналу як часова, так і утворена зміною потоку випромінювання із-за обмеженої часової роздільної здатності;

– часова нестабільність відношення чутливостей різних каналів.

До числа метрологічних параметрів методу ІНК відноситься:

– потік швидких нейтронів і часова стабільність потоку швидких нейтронів;

– чутливість реєстрації параметрів нейтронів і гамма-квантів;

– роздільна здатність і часова нестабільність чутливості.

У технологічній схемі досліджень методом імпульсного нейтронного каротажу проводяться різні варіанти метрологічного забезпечення як елементні, так і комплексні. Необхідно відмітити, що при реалізації будь-яких варіантів обов'язковою процедурою є визначення середнього значення потоку нейтронів з імпульсного генератора нейтронів (з енергією 14 МеВ). Для метрологічної повірки цих параметрів використовуються на виробництві установки двох типів – установки по елементному принципу вимірювання і установки комплексні.

Установка УПГН-1Л заснована на реалізації активаційного методу вимірювання потоку нейтронів з енергією 14 МеВ і використанням порогової реакції С¹⁶(n,p)N¹⁶.

При проведенні робіт установку УПГН-1Л під’єднюють до корпусу свердловинного генератора нейтронів таким чином, щоб середина активаційного детектора знаходилась проти геометричного центру мішені випромінювача на фіксованій відстані від нього.

Повірка випромінювачів проводиться при встановленому режимі генератора нейтронів. Встановлений режим контролюється середнім значенням інтенсивності потоку нейтронів. Відносне відхилення поточного значення інтенсивності потоку нейтронів від середнього значення повинно складати не більше ±(10-15)%. Для визначення середнього значення потоку швидких нейтронів випромінювача виконують серію повторних (n≥10) вимірів швидкості рахування в каналі активаційного детектора (N_i). Час одного заміру не менше 1 хв., а інтервал між замірами не менше 1.5 хв.

Середнє значення потоку швидких нейтронів випромінювача визначається з допомогою градуювальної кривої, яка додається до паспорта на еталонну установку. На градуювальному графіку використовують значення середньої швидкості рахунку активаційного детектора N_сч, яке розраховується за формулою:

, (2.7)

де n – число повторних замірів; F – поправка за частоту імпульсів запуску; Т – поправка за температуру навколишнього середовища; К – поправка за дію конструкційних матеріалів випромінювача; X_f – поправка за фон від випромінювача наведеної активності конструктивних матеріалів; N_cр – середня швидкість рахування в інформаційному каналі імп/хв; N_f – швидкість рахування викликана природнім фоном імп/хв.

Визначене за результатами повірки середнє значення потоку швидких нейтронів випромінювача повинно бути не менше гранично допустимої величини, яка встановлена нормативною технічною документацією на апаратуру, яка проходить повірку.

Інтенсивність потоку теплових нейтронів в апаратурі ІНК визначають з допомогою радіометрів або сцентиляційних лічильників. Основні метрологічні параметри радіометра характеризуються діапазоном вимірювання щільності потоку теплових нейтронів і основною похибкою вимірів. Для радіометрів з лінійною градуювальною залежністю чутливість дорівнює відношенню приросту швидкості рахунку до зміни щільності потоку.

Градуювання і повірка радіометрів проводиться на установці УКПН-1М з еталонним джерелом швидких нейтронів. Для проведення вимірів попередньо розраховується відстань R_0.3, R_0.5, R_0.8 від центру джерела до точок, в яких щільність потоку теплових нейтронів φ_i складає 0.3; 0.5; 0.8 від максимального значення:

, (2.8)

де Q – потік нейтронів з джерела, який вказується в паспорті на джерело с^-1; F(t) – коефіцієнт, який враховує зменшення максимального потоку нейтронів за рахунок розпаду радіоактивного ізотопу:

, (2.9)

де t – час, який пройшов з моменту атестації джерела; T – період напіврозпаду ізотопу (Т=24360 років); g – відношення цілого потоку теплових нейтронів до цілого потоку ізотопного джерела (для Pu-Be джерела g=0.42±0.02).

Радіометр, що проходить повірку, встановлюють на каретку повірочну установку таким чином, щоб середина детектора знаходилась на осі пучка колімаційного джерела, а вісь приладу була перпендикулярна осі пучка. Пересуваючи радіометр на відстані R_0.3, R_0.5, R_0.8 проводять виміри швидкості рахування в цих точках з кадмієвим екраном N_i^k і без нього N_i.

Для визначення похибки вимірювання щільності потоку в робочому діапазоні, за результатами описаної вище методики вимірів, в кожній точці розраховують значення щільності потоку теплових нейтронів по кожному з повторних вимірів за формулою:

, (2.10)

де S – чутливість радіометра.

Величина похибки вимірювання щільності потоку в заданій точці знаходиться за формулою:

, (2.11)

де K – коефіцієнт, який розраховується за емпіричною формулою, вказаною в технічній документації; S_S – інтегральна чутливість, яка задана при атестації зразкової установки УКПН –1М.

Отримані значення основної відносної похибки виміру щільності потоку теплових нейтронів (в %) в кожній точці не повинні перевищувати гранично допустиме її значення:

. (2.12)

При проведенні комплексної повірки апаратури ІНК визначають нормативні показники по параметру λ, які характеризують часовий розподіл потоку теплових нейтронів у середовищі. Похибка вимірів декремента λ не повинна перевищувати 3%. Для забезпечення такої точності оцінки λ необхідно стандартизувати вимірювальну апаратуру. Стандартизація здійснюється за рахунок усунення похибки, пов'язаної з прорахунками у вимірювальному тракті і вибором оптимального режиму вимірів.

Метрологічні параметри апаратури ІНК визначаються за вимірами в одному еталонному середовищі (використовується вода з вмістом солей менше ніж 0.5г/л). Ємність циліндричної форми діаметром 1.5 м і висотою більш 2 м, закривається кришкою з центральним отвором для спуску приладу.

Еталонування апаратури проводять по метрологічній схемі раз в квартал і за скороченою програмою, перед кожним виїздом на свердловину, причому прилад повинен підключатися до кабелю чи його еквіваленту. Виміри по повній програмі проводять в діапазоні затримок 150-1500 мкс для генераторів з низькочастотними нейтронними трубками. Термін вимірювання біля 150 мкс. По скороченій програмі виміри проводяться в діапазоні затримок 750-1500. Для забезпечення необхідної статистичної точності вимірів час досліджень в окремому циклі вибирається таким, щоб рахування в часовому "вікні" 150 мкс на затримки 900 мкс було не менше 4000 імпульсів.

Апаратура вважається стандартною, якщо виміряні значення відповідають нормативним для еталонного середовища, а стабільною, якщо середньоквадратичні похибки параметрів λ, I₀ відповідають значенням δλ≤2%, δI₀≤30%, а максимальне відхилення від середнього значення, в окремих циклах, не перевищує подвійних середньоквадратичних помилок цих величин λ, I₀. За цих умов апаратура імпульсного нейтронного каротажу може бути допущена до проведення свердловинних досліджень.