Оценка погрешностей измерения

2. Оценка погрешностей измерения

Погрешности инклинометрических исследований обусловлены в общем случае принятой методикой расчета координат оси ствола скважины, погрешностями измерения глубины, шагом измерения для точечных и квантования для непрерывных инклинометров (методическими погрешностями), погрешностями, вызываемыми непараллельной установкой скважинного прибора относительно оси скважины и заметной кривизной ее ствола на длине прибора (установочными погрешностями), а также погрешностями, вызванными конечной точностью измерения углов искривления скважин (так называемыми инструментальными погрешностями).

Методические погрешности, независимо от принятой методики расчета координат, определяются выбранным шагом измерений, интенсивностью искривления оси скважин, характером искривления (постоянная интенсивность, меняющаяся с глубиной интенсивность и т.д.).

Установочные погрешности не зависят от шага измерений и погрешностей инклинометра и определяются, в первую очередь, геометрическими параметрами - соотношением диаметров ствола скважины и охранного кожуха прибора, его длиной, наличием и характером кавернозности ствола, местом привязки данных инклинометрии по глубине относительно скважинного прибора и т.д., а также параметрами искривления оси скважины.

В непрерывных инклинометрах установочные погрешности менее существенны, в точечных они могут быть снижены или вовсе исключены путем отбраковки замеров в точках, где установочные погрешности превышают допустимые значения.

Из практики инклинометрии скважин следует, что при малых интенсивностях искривления (до 0,02 град/м) превалирующее значение имеют инструментальные погрешности, с которыми при увеличении интенсивности искривления становятся соизмеримы погрешности установочные.

При значительных интенсивностях искривления и сложном характере искривления оси скважины преобладающими становятся методические и установочные погрешности.

Снижение погрешностей инклинометров не может однозначно обеспечить снижение суммарных погрешностей инклинометрических исследований, равно как не решает эту задачу и только усовершенствование методики расчета координат.

Существенный вклад в суммарную погрешность могут вносить также дополнительные погрешности, входящие в состав суммарной инструментальной, а именно: от температуры, влияющей на линейные размеры и электрические параметры преобразователей в скважинном приборе, нестабильности источников питания, изменения сопротивления кабеля и утечек, механических колебаний скважинного прибора после установки его на точку измерений за счет упругих свойств кабеля большой длины и т.д.

Анализ методических и установочных погрешностей результатов инклинометрических измерений должен выполняться в процессе аттестации методик измерений с целью определения их количественных значений, а также с целью установления ограничений применимости этих методик.

Ведомственная поверочная схема для инклинометров и ориентаторов, устанавливающая порядок передачи размера единицы плоского угла (азимута, зенитного и апсидального углов) приведена в приложение 1.

В качестве исходных образцовых средств измерений в поверочной схеме предусмотрено использование образцовых многогранных призм 4-го разряда и автоколлиматоров 3-го разряда из государственной поверочной схемы по ГОСТ 8.061-80 с погрешностью 10".

В качестве образцовых средств измерений используются аттестованные теодолиты и оптические квадранты с погрешностью 30", специальные средства поверки (ориентирующая приставка «Курс», установочный стол УСИ-2 и т. п.) и установки поверки инклинометров и ориентаторов (УПСП, УПН, УОП-2, УПМ и т. п.).

Образцовые средства измерений применяются для градуировки и поверки рабочих средств измерений (инклинометров и ориентаторов) методом прямых измерений.

Для обеспечения заданных критериев качества поверки (= 0,15 и =1,1) соотношение между пределами основной погрешности исходных образцовых средств измерений, заимствованных из государственной поверочной схемы и образцовых средств измерений не должно превышать 1:3.

В качестве рабочих средств измерений применяют инклинометры (ГОСТ 24151-87 (СТ СЭВ 1460-86)) и ориентаторы.

Соотношение между пределами допускаемой основной погрешности образцовых и рабочих средств измерений не должно превышать 1:3 при обеспечении заданных критериев качества поверки = 0,2 и =1,15.

При градуировке инклинометров выходным сигналам по каждому из измерительных каналов (зенитный угол, азимут) комплекта скважинный прибор - наземная панель ставят в соответствие значения зенитных углов и азимутов, задаваемых скважинному прибору на образцовой поверочной установке.

При поверке инклинометра сравнивают значения зенитных углов и азимутов (для инклинометров, имеющих канал измерения визирного угла - также и значения визирного угла), полученных отградуированным комплектом, со значениями тех же величин, принимаемых за «истинные», задаваемых поверочной установкой, и определяют характеристики инструментальной погрешности.

Объем операций при определении метрологических характеристик и применяемые для этих целей технические средства в зависимости от пределов основной погрешности поверяемого инклинометра представлены в таблице1.

Вблизи помещения и в помещении, где проводят поверку инклинометров (кроме гироскопических), должны отсутствовать мощные источники электрических, магнитных и электромагнитных полей, в зоне поверки необходимо оценить однородность магнитного поля и провести определение оптимального положения корпуса инклинометра в зажимном устройстве поверочной установки.

Таблица 1

Операции поверки и технические средства поверки

Операция	Предел основной погрешности поверяемого инклинометра	Средства поверки и их характеристики
Определение основной погрешности измерения зенитных углов, сек	10; 15 30; 40	Поверочное приспособление для задания азимута от 0 до 360° и зенитного угла в диапазоне измерений инклинометром, квадрант оптический с допустимой погрешностью не более Стол УСИ, установки УОП-2, УПМ, УПН или поверочное приспособление для задания углов и угломер-квадрант с допустимой погрешностью не более
Определение основной погрешности измерения азимута, градус	1; 2 4; 6	Поверочное приспособление для задания углов, теодолит с допустимой погрешностью не более 30 и ориентир буссоль с допустимой погрешностью не более Стол УСИ, установки УОП-2, УПМ, УПИ или поверочное приспособление для задания углов и буссоль с допускаемой погрешностью не более
Определение курсового ухода гироскопа во времени (для гироскопических инклинометров), градусы за 30 мин	5 - 10	Стол УСИ, установки УОП-2, УПМ, УПН, угломер-квадрант с допустимой погрешностью не более 6' буссоль с допустимой погрешностью не более 1°, секундомер с диапазоном измерений не менее 0-30 мин

Однородность магнитного поля в диапазоне воспроизводимых при поверке положений чувствительных элементов канала измерений азимута поверяемого инклинометра оценивают с помощью поверочного приспособления с теодолитом, буссолью и немагнитного имитатора скважинного прибора (рис.6).

Имитатор скважинной части инклинометра устанавливают при помощи поверочного приспособления в положение, отклоненное от вертикали на 3-4°, буссоль закрепляют на имитаторе в горизонтальном положении и, разворачивая имитатор по азимуту, конец стрелки буссоли совмещают с нулем шкалы буссоли.

1-буссоль, 2-инклинометр (немагнитный имитатор), 3-теодолит, 4-реперная метка, 5-поверочное приспособление.

Рис.6 Установка для проверки инклинометров

 

Оптическую ось зрительной трубы теодолита совмещают с реперной точкой, которая должна находиться не ближе 3 м. от теодолита. Смещение вертикальной оси теодолита относительно вертикальной оси поверочной установки или поверочного приспособления при этом не должно превышать см. Горизонтальную шкалу теодолита устанавливают на нуль, поверочную установку (поверочное приспособление) разворачивают на 30°, контролируя угол поворота по шкале буссоли.

Оптическую ось зрительной трубы теодолита поворотом теодолита совмещают с реперной точкой и снимают показания с горизонтальной шкалы теодолита. Разность показаний теодолита и буссоли характеризует искажение магнитного поля в данной точке.

Задавая имитатору последовательно азимуты 60°, 90° и т.д., по показаниям буссоли через каждые 30° оценивают однородность магнитного поля во всем диапазоне азимутов.

Указанные операции повторяют для двух значений отклонения имитатора от вертикали, соответствующих зенитным углам, при которых поверяют инклинометр по азимуту.

Магнитное поле в зоне поверки инклинометра считается однородным, если отклонения направления горизонтальной составляющей магнитного вектора не превышают основной допускаемой погрешности буссоли.

Для определения оптимального положения корпуса инклинометра в зажимном устройстве поверочной установки используют специальное приспособление в виде кольца со стопором, на боковой поверхности которого сделана разметка (проведены образующие) через каждые 30° с погрешностью, не превышающей 5, (рис. 7). Приспособление устанавливается на охранный кожух прибора инклинометра, установленного в поверочную установку. На торце зажимного устройства поверочной установки ставится метка. Скважинному прибору инклинометра при помощи поверочной установки задается минимальный зенитный угол, при котором в технической документации на него нормируется погрешность измерения азимута (например, 4° для инклинометра типа КИТ, КИТ-А, МИР-36, 3° для инклинометра типа ИН-1-721, 2° для инклинометра типа ИГ-36 и т.д.).

Рис.7 Вспомогательное кольцо.

При любом значении азимута, заданном на поверочной установке (например 30°) скважинный прибор инклинометра устанавливается таким образом, чтобы отметка «0» на приспособлении совпадала с меткой на торце зажимного устройства поверочной установки. Выполняется не менее четырех измерений установленного азимута при подходе к заданному азимуту со стороны меньших и больших значений. Скважинный прибор инклинометра поворачивают вокруг собственной оси на 30° (до следующей отметки на приспособлении) и снова четыре раза измеряют азимут, заданный на поверочной установке. Измерив таким образом установленный азимут при различных положениях скважинного прибора относительно отметки на торце зажимного устройства через каждые 30° в диапазоне 0-360°, т. е. при полном обороте скважинного прибора инклинометра относительно своей оси, строят график зависимости систематической составляющей погрешности измерения азимута (α) от положения охранного кожуха скважинного прибора инклинометра относительно апсидальной плоскости скважинного прибора (ψ) (рис. 8). По полученному графику определяют положение охранного кожуха скважинного прибора инклинометра относительно метки на торце зажимного устройства поверочной установки, при котором систематическая составляющая погрешности измерения азимута имеет максимальные значения со знаком «плюс» или «минус», и отмечается на приспособлении.

Рис.8 График зависимости систематической составляющей погрешности измерения азимута от положения охранного кожуха.

Основную погрешность инклинометра по зенитному углу определяют в начале, конце и в трех-пяти промежуточных точках диапазона измерений.

В каждой точке заданный зенитный угол измеряют не менее двух раз при приближении к заданному зенитному углу со стороны больших и меньших значений, при этом при установке прибора в поверочную установку корпус скважинного прибора инклинометра необходимо развернуть на 90° вокруг своей оси относительно метки на вспомогательном кольце (см. рис. 8), соответствующей одному из максимальных значений систематической составляющей погрешности измерения азимута. Выполнив два измерения зенитного угла, корпус прибора разворачивают относительно своей оси на 180° и измерения повторяют.

Основную погрешность инклинометра при измерении азимута определяют, выполняя не менее двух измерений при положении скважинного прибора, соответствующем максимальному значению систематической составляющей погрешности азимута со знаком «плюс» и не менее двух - со знаком «минус».

Скважинному прибору, помещенному в поверочную установку (приспособление) задается наименьшее значение зенитного угла, для которого в технической документации на конкретный тип инклинометра нормируется погрешность измерения азимута.

Азимут измеряют при значениях азимута 5, 30, 60, 90, ..., 330, 355° и задании их со стороны меньших и больших значений. Аналогично находят азимуты при других зенитных углах (включая максимальное его значение, соответствующее середине диапазона измерения).

Основную погрешность измерения визирного угла определяют при минимальном зенитном угле, для которого в технической документации на конкретный тип инклинометра нормируется погрешность измерения визирного угла.

Прибору задают значения визирных углов, равные 0, 30,..., 60° и т. д., причем в каждой задаваемой точке выполняют не менее четырех измерений при задании визирного угла со стороны больших и меньших значений.

Систематическую составляющую основной погрешности инклинометра для каждого -го значения установленного угла (зенитного, азимута или визирного) () определяют по формуле

 (4)

где m - число измерений заданного угла (m  4);  показания инклинометра при j - ом измерении k - гo значения установленного угла (зенитного, азимута или визирного), где j = 1, 2, 3, ..., m;  - действительное значение задаваемого k-го угла (зенитного, азимута или визирного).

Среднее квадратическое отклонение случайной составляющей основной погрешности инклинометра для каждого k - го значения установленного угла  равно

 (5)

Граница случайной составляющей основной погрешности инклинометра  для доверительной вероятности Р = 0,95 при измерении k - то значения установленного угла равна

= . (6)

Нижнюю и верхнюю границы интервала , , в котором с вероятностью Р = 0,95 находится погрешность инклинометра при измерении k -го значения установленного угла, определяют по формуле

 (7)

Основную абсолютную погрешность инклинометра при измерении k - то значения установленного угла необходимо оценивать по формуле

 (8)

При необходимости повышения инструментальной точности инклинометра путем исключения систематической составляющей погрешности следует строить графики поправок к показаниям инклинометра.

Инклинометр считают годным к эксплуатации, если выполняются следующие условия:

 

 (9)

 

где  - оценка систематической составляющей основной погрешности инклинометра в заданной точке диапазона измерения установленного угла; ;  - коэффициенты, равные отношению контрольного допуска (соответственно ]; , ) к пределу допускаемой погрешности (соответственно , , ). Значения  и  изменяются в пределах от 0,8 до 1,0 в зависимости от отношения пределов допускаемой погрешности образцовых и поверяемых СИ.

Курсовой уход гироскопа во времени для гироскопических инклинометров тоже определяют, задавая скважинному прибору наименьшее значение зенитного угла, при котором нормируется значение курсового ухода гироскопа во времени.

Прибору задают произвольный азимут и с интервалом 15 с производят четыре измерения азимута.

Среднее значение измеренного азимута  определяют по формуле

 (10)

где - значения азимута, измеренные инклинометром через 15 с.

Измерения повторяются через каждые 5 мин в течение 30 мин.

Для каждого k - то момента времени определяется значение курсового ухода гироскопа по формуле

 (11)

Среднее значение курсового ухода гироскопа за 5 мин равно

 (12)

Инклинометр считается годным к эксплуатации, если выполняются следующие условия

,  (13)

где ,  - допустимый курсовой уход гироскопа за 5 и 30 мин соответственно, нормированный в технической документации на поверяемый прибор.

При обработке результатов измерений в скважине азимутальных, зенитных и визирных углов могут быть учтены систематические погрешности инклинометра по этим каналам, определенные при поверке.

С этой целью для конкретных типов инклинометров строят график поправок (рис. 9).

Рис.9 График поправок к показаниям инклинометра по зенитному углу (слева) и по азимуту (справа).

Границы погрешности инклинометра , при измерениях с использованием графика поправок к показаниям измеряемых значений углов определяются формулой

 (14)

где  - основная допускаемая погрешность поверочной установки или образцового средства при использовании поверочного приспособления; -граница случайной составляющей основной погрешности инклинометра при измерении k - го значения j - го угла.

Аттестация образцовых поверочных установок сводится к определению и устранению неперпендикулярностей их осей вращения, установке уровней в горизонтальной плоскости, ориентации установки в пространстве, обеспечивающей совмещение вертикальной оси вращения с направлением гравитационного вектора, а продольной оси зажима-с горизонтальной составляющей геомагнитного вектора и оценке погрешностей задания азимута, визирных и зенитных углов.