電法類測(cè)井儀器刻度校驗(yàn)裝置量值傳遞方法研究

張冀煒

(中石化華北石油工程有限公司測(cè)井分公司 河南 南陽(yáng) 473132)

0 引 言

量值傳遞是統(tǒng)一計(jì)量器具的重要手段，是保證計(jì)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)。任何一種計(jì)量器具，由于種種原因，都具有不同程度的誤差。新制造的計(jì)量器具，由于設(shè)計(jì)、加工、裝配和元件質(zhì)量等各種原因引起的誤差是否在允許范圍內(nèi)，必須用適當(dāng)?shù)燃?jí)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)來檢定，判斷其是否合格；經(jīng)檢定合格的計(jì)量器具，經(jīng)過一段時(shí)間使用后，環(huán)境影響或使用不當(dāng)，維護(hù)不良、部件的內(nèi)部質(zhì)量變化等因素會(huì)引起計(jì)量器具的計(jì)量特性發(fā)生變化，所以需定期用規(guī)定等級(jí)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行檢定，根據(jù)檢定結(jié)果作出修理或繼續(xù)使用的判斷，經(jīng)過修理的計(jì)量器具是否達(dá)到規(guī)定的要求，也須用相應(yīng)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢定[1]。

儀器刻度裝置作為標(biāo)定儀器精準(zhǔn)度的裝置，其本身的計(jì)量特性尤為重要，直接影響著測(cè)井質(zhì)量。沒有建立量值傳遞系統(tǒng)，造成刻度裝置自身準(zhǔn)確性無法保證[2]，就不能滿足工作需要。根據(jù)以上情況我們開展了電法類測(cè)井刻度校驗(yàn)裝置量值傳遞方法研究，建立了電法類測(cè)井刻度校驗(yàn)裝置量值傳遞系統(tǒng)。

1 刻度校驗(yàn)裝置量值傳遞方法的研究

1.1 電法類測(cè)井刻度校驗(yàn)裝置刻度原理

目前測(cè)井分公司南陽(yáng)項(xiàng)目部有完井測(cè)井設(shè)備18套，電法類測(cè)井儀器72支，電法類儀器刻度校驗(yàn)裝置9類，測(cè)井儀器型號(hào)多，且電法刻度裝置來源于不同廠家。電法類測(cè)井儀器在測(cè)井時(shí)均需進(jìn)行測(cè)前、測(cè)后校驗(yàn)，儀器每經(jīng)大修、更換主要元器件均需重新校驗(yàn)。微電極、微球除對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模擬盒進(jìn)行校驗(yàn)外，每年還應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)溶液中進(jìn)行刻度。模擬盒作為標(biāo)定儀器精準(zhǔn)度的裝置，使用頻率高，其在出廠后就沒有進(jìn)行過標(biāo)定，量值傳遞缺失，數(shù)值準(zhǔn)確性無法判斷，直接影響電法類測(cè)井曲線質(zhì)量。

電法類模擬盒種類較多，但原理基本相同，因此選擇DLSB雙側(cè)向模擬盒為研究對(duì)象，對(duì)原理及技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析研究。校驗(yàn)原理如圖1所示[3]。

圖1 DLSB雙側(cè)向模擬盒和校驗(yàn)夾具

測(cè)量返回、電流返回、A2通過連線與側(cè)向儀器對(duì)應(yīng)的回路相連，夾具直接夾在側(cè)向儀器上，5個(gè)夾子對(duì)應(yīng)A0、M1、M2、A1、A2五個(gè)電極。通電檢測(cè)時(shí)，通過切換檔位在夾具之間形成不同的電阻網(wǎng)絡(luò)，以模擬不同的地層電阻值，同時(shí)地面計(jì)算機(jī)將采集到的側(cè)向電壓、電流值進(jìn)行計(jì)算得到對(duì)應(yīng)檔位下的深淺側(cè)向值，將計(jì)算值與對(duì)應(yīng)檔位進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)儀器的刻度。

A0、A1、A2、M1、M2分別連接側(cè)向儀器不同的電極，S3A、S3B、S3C、S3D、S3E為模擬盒上的旋鈕，旋轉(zhuǎn)時(shí)可選擇0.2 Ω～1 000 Ω 共10個(gè)不同的檔位。S1、S2用來選擇模擬盒處于測(cè)量還是復(fù)原狀態(tài)，校驗(yàn)儀器時(shí)置于復(fù)原檔。刻度儀器時(shí)，隨著S3A～S3E的轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬盒會(huì)在側(cè)向各電極與測(cè)量點(diǎn)之間構(gòu)成不同的電阻網(wǎng)絡(luò)，為后續(xù)建立量值傳遞標(biāo)準(zhǔn)提供了參考。

通過對(duì)模擬盒工作原理的分析我們可以得出結(jié)論：模擬盒正是通過形成不同的電阻網(wǎng)絡(luò)來對(duì)儀器進(jìn)行校驗(yàn)，要實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)裝置的量值傳遞，就要實(shí)現(xiàn)對(duì)校驗(yàn)裝置內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)的量值傳遞。

1.2 刻度校驗(yàn)裝置量值傳遞方法優(yōu)選

電法模擬盒涉及數(shù)據(jù)量較大，模擬盒通過不同電阻組成網(wǎng)絡(luò)，在不同的檔位形成不同的電阻率標(biāo)準(zhǔn)值來校驗(yàn)電法儀器。由于內(nèi)部電阻集成程度較高，以雙側(cè)向電阻率模擬盒為例，共涉及電阻43個(gè)，直接測(cè)量電阻工作量巨大，要將模擬盒進(jìn)行拆卸，較為繁瑣。經(jīng)過對(duì)電路圖分析，認(rèn)為通過測(cè)量不同端口具有代表性的阻值來間接判斷該電阻網(wǎng)絡(luò)中所有電阻是否正常，通過不同端口相互驗(yàn)證，最終可判斷所有阻值是否正常。DLSB雙側(cè)向模擬盒各端口理論計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值如表1、表2所示。

表1 DLSB雙側(cè)向模擬盒各端口理論計(jì)算值 Ω

表2 DLSB雙側(cè)向模擬盒各端口實(shí)際測(cè)量值 Ω

1.3 核心數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化

確立了通過對(duì)模擬盒不同檔位端口之間的理論值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比以實(shí)現(xiàn)量值傳遞的方法，以DLSB雙側(cè)向模擬盒為例，需要統(tǒng)計(jì)的不同端口不同檔位下的電阻多達(dá)150個(gè)，切換檔位時(shí)涉及到的電阻多有重復(fù)。結(jié)合模擬盒電路圖我們對(duì)需要統(tǒng)計(jì)的端口數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，減少工作量，確定核心數(shù)據(jù)共39個(gè)，確保電阻全覆蓋。數(shù)據(jù)見表3。

表3 DLSB雙側(cè)向模擬盒核心數(shù)據(jù)表

2 建立電法類測(cè)井刻度校驗(yàn)裝置量值傳遞系統(tǒng)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)器選擇與鑒定

電法測(cè)井的校準(zhǔn)電阻模擬盒是精密電阻組成的電阻網(wǎng)絡(luò)，使用電阻的計(jì)量方法可以達(dá)到量傳的目的。電阻網(wǎng)絡(luò)的量傳方法主要有：電阻表直接測(cè)量法、伏安法、電橋法等。根據(jù)JJG166—1993《直流電阻器》檢定規(guī)程，結(jié)合電法測(cè)井模擬盒精度和量程要求，本著節(jié)約原則選擇現(xiàn)有的KEITHLEY169型六位半高精度多用表作為主標(biāo)準(zhǔn)器，并將標(biāo)準(zhǔn)器送檢。采取直接測(cè)量法進(jìn)行量值傳遞。

2.2 測(cè)量方法確定

依據(jù)JJG166—1993《直流電阻器》檢定規(guī)程：

環(huán)境條件：溫度 (20±2) ℃

相對(duì)濕度 25%～75%

測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)：數(shù)字多用表，檢定證書給出的分辨率為0.1 μV

測(cè)量對(duì)象：電極系模擬盒，量程為(0～250) Ω

將KEITHLEY多功能數(shù)字電表與模擬盒相連，旋轉(zhuǎn)模擬盒檔位，數(shù)字多用表顯示模擬盒相對(duì)應(yīng)的電阻值。重復(fù)上述步驟3次，3 次的算術(shù)平均值與實(shí)際值的差值，即為電阻器的示值誤差。

2.3 電法測(cè)井模擬盒檢定系統(tǒng)的穩(wěn)定性與重復(fù)性考核

按照J(rèn)JF1033—2008《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》的要求，對(duì)于新建計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，每隔一段時(shí)間(大于一個(gè)月)，用該計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)核查標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一組n次的重復(fù)性測(cè)量，取其算術(shù)平均值作為該組的測(cè)量結(jié)果。共觀測(cè)m組(m≥4)。取m個(gè)測(cè)量結(jié)果中的最大值和最小值之差，作為新建計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)在該時(shí)間段內(nèi)的穩(wěn)定性。

在計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定性的測(cè)量過程中還不可避免地會(huì)引入被測(cè)對(duì)象對(duì)穩(wěn)定性測(cè)量的影響，為使這一影響盡可能地小，必須選一個(gè)穩(wěn)定的測(cè)量對(duì)象來作為穩(wěn)定性測(cè)量的核查標(biāo)準(zhǔn)。

在檢定裝置正常工作條件下，選一塊穩(wěn)定的電極系模擬盒，選擇20 Ω的測(cè)量點(diǎn)，從2016年7月開始每隔一個(gè)月對(duì)其進(jìn)行一組10次的測(cè)量(測(cè)量點(diǎn)均為20 Ω)，測(cè)量結(jié)果見表5。

表5 穩(wěn)定性測(cè)量檢查

若計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)在使用中采用標(biāo)稱值或示值(即不加修正值使用)，則測(cè)得的穩(wěn)定性應(yīng)小于計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的最大允許誤差的絕對(duì)修值；如加修正值使用，則測(cè)得的穩(wěn)定性應(yīng)小于該修正值的擴(kuò)展不確定度。

3 刻度校驗(yàn)裝置量值傳遞實(shí)際應(yīng)用

在電法類測(cè)井儀器刻度校驗(yàn)裝置量值傳遞方法確定后，在檢定裝置正常工作條件下，對(duì)雙側(cè)向模擬盒、微球模擬盒共8臺(tái)電阻率模擬盒進(jìn)行了校驗(yàn)，校驗(yàn)均為合格，效果良好。在此僅選取電法類微球測(cè)井儀器刻度校驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)試，選擇10個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果見表6。

表6 測(cè)量結(jié)果

儀器名稱：微球測(cè)井儀模擬盒 型號(hào)：98

檢定依據(jù)：JJG-1993

檢定室溫：23 ℃ 濕度：45%HR

檢定結(jié)論：合格

檢定單位：華北石油工程公司測(cè)井分公司計(jì)量室

有效日期自2016年11月15日至2017年11月14日

4 結(jié) 論

通過分析研究確立了將電法類刻度校驗(yàn)裝置的端口間電阻網(wǎng)絡(luò)理論值與實(shí)際測(cè)量值作對(duì)比，來實(shí)現(xiàn)量值傳遞的方法，并對(duì)傳遞方法進(jìn)行了優(yōu)化。與計(jì)量室結(jié)合后建立了電法類刻度校驗(yàn)裝置量值傳遞體系，體系建立后通過對(duì)雙側(cè)向模擬盒、微球模擬盒以及電極系模擬盒進(jìn)行校驗(yàn)，形成了5份校驗(yàn)報(bào)告，經(jīng)過實(shí)際測(cè)井驗(yàn)證，測(cè)井曲線合格，校驗(yàn)報(bào)告已獲上級(jí)計(jì)量部門核準(zhǔn)。

[1] 林景星，陳丹英.計(jì)量基礎(chǔ)知識(shí)[M].北京：中國(guó)電力出版社, 2010：68-69.

[2] 宣安東.實(shí)用測(cè)量不確定度評(píng)定及案例(上冊(cè))[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2007：168-169.

[3] 胡 澍.地球物理測(cè)井儀器[M].北京：石油工業(yè)出版社，1991：10-11.