СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ РАДИОИЗОТОПНЫХ ПЛОТНОМЕРОВ
METHOD FOR CALIBRATION OF NUCLEAR DENSITY METER

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для обеспечения измерений плотности преимущественно буровых и тампонажных растворов, используемых в процессе строительства скважин, а также может быть использовано в других областях промышленности там, где при осуществлении производственных процессов необходимо в реальном масштабе времени достаточно точно определять плотность различного рода жидкостей, транспортируемых по трубопроводам.
Одним из основных параметров буровых и тампонажных (цементных) растворов является плотность, т.е. масса единицы объема. От нее в значительной мере зависят показатели бурения и качества цементирования скважин. Для определения плотности этих растворов в процессе строительства скважин в последние годы находят применение радиоизотопные плотномеры, использующие в качестве источника ионизирующего γ-излучения излучатели невысокой мощности (в основном радионуклид Na-22), которые могут эксплуатироваться без ограничений по радиационной безопасности по правилам обычных электрических средств измерений. К таким приборам относится, например, отечественный бесконтактный измеритель плотности ИПБ-1К, используемый преимущественно для измерения плотности буровых и, тампонажных растворов в трубопроводе посредством радиационно-безопасного излучателя и накладного детектора на предварительно выбранном для съема показаний измерений трубчатом элементе (см. Internet: www.Ecophyspribor.ru). Важным условием, для достижения требуемой точности измерений плотномеров данного типа, а следовательно, и более широкого внедрения их в буровую практику, является обеспечение возможности осуществления качественной оперативной градуировки приборов в полевых условиях перед проведением измерений, что связано с наличием спада во времени активности излучателя (период полураспада Na-22 составляет 2,6 года) и изменением характеристик детектора. Известный используемый для периодической градуировки плотномеров способ в основном сводится к помещению между излучателем и детектором калиброванного (контрольного) стального экрана, по которому проверяется и подгоняется шкала прибора (см., например, Справочник по средствам автоматики / Под ред. В.Э.Низэ и И.В.Антика. - М.: Энергоатомиздат, 1983, 504 с., ил., с.108-112). Этот способ не обеспечивает идентичности условий полевой градуировки и лабораторной градуировки, осуществляемой с использованием стандартных образцов с известными значениями плотности, что объясняется влиянием таких факторов, как изменение толщины стенок трубопроводных элементов, изменение расстояний между излучателем и детектором, зависимость эффективности детекторов излучения от температуры и процесса старения элементов электронных устройств и др. В результате исключается возможность обеспечения сохранности первоначально установленной градуировочной зависимости или возможность получения указанным способом новой корректной с метрологической точки зрения зависимости. Повторение же в полевых условиях лабораторной градуировки с помощью стандартных образцов или иначе образцовых проб (порций) растворов с не менее, чем пятью известными значениями плотности, требует значительных затрат времени на их изготовление с привлечением специализированного лабораторного оборудования, а также использования специальных емкостей (герметичных контейнеров) с жесткими стенками для заполнения их приготовленными растворами. Нестабильность свойств буровых и тампонажных растворов во времени, а также большая трудоемкость изготовления проб не позволяет использовать их для градуировки многократно, что ограничивает использование лабораторного способа градуировки в полевых условиях. Другой известный способ получения в полевых условиях градуировочной зависимости для радиоизотопных плотномеров, в том числе и для приборов типа ИПБ-1К, предусматривает проведение метрологических операций непосредственно на трубопроводе, заполненном рабочим раствором, с применением набора разнотолщинных стальных пластин, помещаемых в затрубье (с внешней стороны трубопровода) в зоне чувствительности детектора с последующей корректировкой зарегистрированных показаний измерений с помощью аналитически установленных поправочных коэффициентов. Этот способ также далек от реальных условий проведения измерений и по существу не нашел широкого распространения в производственной практике, что объясняется значительными трудозатратами на приготовление больших (до 3000 л) порций растворов, необходимостью задалживания передвижной насосной установки для перекачивания их из одной мерной емкости в другую, а также проблемой утилизации отработавших жидкостей (особенно цементных растворов).
Известен также способ градуировки, основанный на использовании эквивалентности мер (эквивалентов плотности растворов), обеспечивающих получение новой градуировочной зависимости в полевых условиях на основе показаний измерений градуируемого прибора и полученных ранее эквивалентных значений плотности исследуемой среды (см., например, РД 34 15.073-91 «Руководство по геотехническому контролю за подготовкой оснований и возведением грунтовых сооружений в энергетическом строительстве». Приложение 3). Этот способ, предусматривающий, как обычно, предварительное приведение в соответствие показаний измерений радиоизотопных приборов, полученных с использованием образцовых проб и эквивалентных мер позволяет в дальнейшем с помощью последних осуществлять многократный оперативный контроль и построение градуировочных характеристик при минимальных затратах времени. Недостатком данного способа является то, что для калибровки эквивалентных мер необходимы разработка и применение ряда специализированных приборов-компараторов, отградуированных с использованием образцовых проб, изготовленных из материалов, близких по составу к исследуемым растворам. Это приводит к усложнению и удорожанию процесса получения градуировочных зависимостей, а при обеспечении универсальности конструкции прибора-компаратора к возникновению дополнительных погрешностей, связанных с несоблюдением идентичности лабораторных и рабочих (полевых) условий съема показаний измерений (диаметр, материал и толщина стенки трубчатого элемента трубопровода, расстояние между поверхностями излучателя и детектора, зазоры между поверхностью трубчатого элемента и поверхностями излучателя и детектора, сечения стандартных образцов и исследуемых растворов в зоне чувствительности детектора и др.).
Из известных наиболее близким по технической сущности является способ градуировки радиоизотопных плотномеров, описанный в патенте РФ №2082152 (опубл. 20.06.1997). Отличительной особенностью этого способа является проведение градуировочных работ с помощью поворотно устанавливаемого на трубопроводе градуировочного приспособления, обеспечивающего размещение между детектором и источником гамма-излучения градуировочного образца (эквивалента плотности) в виде герметичной цилиндрической капсулы, заполненной пульпой заданной плотности и выполненной из отрезка трубы, эквивалентной по диаметру и толщине стенок трубопроводу. Реализация этого способа не устраняет указанных выше недостатков, так как плотность используемых при строительстве скважин буровых и тампонажных растворов не является постоянной во времени величиной, что требует проведения стандартной градуировки плотномеров с использованием, как отмечалось, не менее пяти образцовых проб растворов с известными значениями плотности. Кроме того, осуществление этого способа требует применения достаточно сложного и громоздкого оборудования, затрудняющего его эксплуатацию в полевых условиях.
Изобретением решается задача повышения точности градуировки радиоизотопных плотномеров в полевых условиях, упрощения и удешевления процесса осуществления метрологических операций.
Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе градуировки радиоизотопных плотномеров преимущественно для последующего измерения плотности буровых и тампонажных растворов, включающем установку на трубопроводе радиационно-безопасного излучателя и накладного детектора на предварительно выбранном для съема показаний измерений трубчатом элементе, изготовление эквивалентов плотности растворов со значениями, перекрывающими требуемый диапазон измерений, калибровку эквивалентов плотности по графику первоначальной градуировки, полученному с помощью образцовых проб, последующее использование эквивалентов плотности для периодической градуировки, предусматривающей помещение в пространстве между излучателем и детектором эквивалентов плотности, регистрацию показаний измерений и построение градуировочной зависимости, первоначальную градуировку, калибровку эквивалентов плотности и периодическую градуировку с использованием эквивалентов плотности осуществляют на отсоединенном от трубопровода либо имитирующем его трубчатом элементе, а образцовые пробы растворов и эквиваленты плотности вводят вовнутрь трубчатого элемента с возможностью поочередной их фиксации относительно его торцов в зоне чувствительности детектора на время регистрации показаний измерений.
При этом эквиваленты плотности изготавливают из отличающихся по плотности твердых материалов в виде тел, по форме и размерам соответствующих внутреннему поперечному сечению трубчатого элемента в зоне чувствительности детектора.
Отличительными признаками предлагаемого способа градуировки радиоизотопных плотномеров от указанного выше известного наиболее близкого к нему являются обеспечение идентичности условий осуществления первоначальной градуировки, калибровки эквивалентов плотности и периодической градуировки с использованием эквивалентов плотности путем введения образцовых проб и эквивалентов плотности вовнутрь одного и того же отсоединенного от трубопровода либо имитирующего его трубчатого элемента с возможностью их фиксации относительно его торцов в зоне чувствительности детектора на время регистрации показаний измерений. Другим отличительным признаком является изготовление эквивалентов плотности из отличающихся по плотности твердых материалов в виде тел, по форме и размерам соответствующих внутреннему поперечному сечению трубчатого элемента в зоне чувствительности детектора.
Предлагаемый способ поясняется чертежами, представленными на фиг.1-3.
На фиг.1 показана схема проведения лабораторной (первоначальной) градуировки радиоизотопного плотномера на отсоединенном от трубопровода трубчатом элементе с использованием образцовых проб растворов с известными значениями плотности.
На фиг.2 - схема проведения полевой (периодической) градуировки радиоизотопного плотномера на отсоединенном от трубопровода трубчатом элементе с использованием эквивалентов плотности растворов.
На фиг.3 - график первоначальной градуировки радиоизотопного плотномера, полученный для калибровки эквивалентов плотности растворов.
Сущность предлагаемого способа градуировки плотномеров заключается в следующем.
j
j
j
j
j
jmin
jmax
j
j
j
j
j
j
j
j
j
3
3
Перед вводом радиоизотопных плотномеров в эксплуатацию для обеспечения необходимого качества и достоверности получаемой в результате измерений информации на производственной базе в лабораторных условиях осуществляют первоначальную градуировку приборов и калибровку эквивалентов плотности буровых и тампонажных растворов. Причем в предлагаемом способе датчик радиоизотопного плотномера включает в себя радиационно-безопасный излучатель 1 (фиг.1 и 2) в кассете 2 и накладной детектор 3, жестко закрепляемые с помощью шпилек 4 с гайками 5 на предварительно выбранном (технологически обоснованном) трубчатом элементе нагнетательного трубопровода, по существу выполняющим роль несущей конструкции прибора. При этом для создания условий, идентичных условиям полевой градуировки, в качестве несущей конструкции, включаемой в состав трубопровода, используют отсоединяемый от него трубчатый элемент 6, либо при отсутствии такой возможности - имитирующий его (по диаметру, толщине стенки и материалу) отрезок трубы. Примером отсоединяемого от трубопровода трубчатого элемента на время прерывания технологических операций может служить используемый в процессе цементирования обсадных колонн в буровых скважинах измерительный модуль с быстроразъемными соединениями (БРС), обычно не превышающий по длине 1-1,2 м, что делает возможной градуировку входящего в его состав датчика радиационно-безопасного плотномера без проведения связанных с ним демонтажных работ (см., например, патент №2379501, опубл. 20.01.2010, Бюл. №2). Примером же не отсоединяемого от трубопровода трубчатого элемента даже на срок длительной приостановки процесса бурения может служить стояк буровой установки, используемый для закрепления на нем датчика радиационно-безопасного плотномера с целью измерения плотности нагнетаемого в скважину бурового раствора. В первом случае для проведения метрологических операций не требуется демонтажа датчика плотномера, а во втором - возникает необходимость переустановки прибора с рабочего по техническим причинам не отделяемого от трубопровода трубчатого элемента на имитирующий его отрезок трубы. В остальном технология проведения метрологических операций с плотномером, имеющим датчик на отсоединяемом от трубопровода трубчатом элементе, ничем не отличается от операций с плотномером, содержащим датчик, временно устанавливаемый на отрезке трубы, имитирующей не отсоединяемый от трубопровода трубчатый элемент. Поэтому предлагаемый способ рассмотрим на примере с применением отсоединяемого от трубопровода трубчатого элемента. Для осуществления способа в части проведения первоначальной градуировки трубчатый элемент 6 (см. фиг.1) с размещенным на нем датчиком плотномера вертикально устанавливают на поверхности стола 7 или иной другой удобной для работы твердой поверхности. При этом следует отметить, что для упрощения представленной на фиг.1 схемы трубчатый элемент 6 изображен содержащим фланцы 8 и 9, что не исключает применения элементов БРС. Причем для проведения градуировки не имеет значения, какая из двух торцовых поверхностей трубчатого элемента 6 используется для установки на столе 7. Перед установкой на стол 7 вовнутрь трубчатого элемента 6 снизу со стороны фланца 9 вводится установленная на штанге 10 с упорной рукояткой 11 пробка 12, выполненная, например, из резины. При этом пробка 12 совместно с верхней частью трубчатого элемента 6 образует стакан с герметичной в центре и по периметру доньевой поверхностью, расположенной на уровне нижней границы зоны чувствительности детектора 3, определяемой диаметром излучателя 1. Для удержания пробки 12 на необходимой высоте служит соответствующая ей по длине штанга 10, взаимодействующая через упорную рукоятку 11 с поверхностью стола 7. После приведения в такое состояние трубчатого элемента 6 приготавливают 5-6 отличающихся по плотности порций раствора со значениями, перекрывающими требуемый диапазон измерений. Применительно к технологии проведения тампонажных работ на скважине, использующей в основном трубопровод, составленный из насосно-компрессорных труб диаметром 60,3 мм, каждая из этих порций будет иметь объем, не превышающий 0,2 л. В процессе приготовления порций раствора их разделяют по плотности, определяемой с помощью лабораторных весов и пикнометра, получая необходимые для первоначальной градуировки значения плотности ρ для каждой формируемой, таким образом, j-ой (j=1,2,3,…6) образцовой пробы. После чего образованное с помощью пробки 12 придоньевое пространство трубчатого элемента 6 поочередно заполняют каждой из полученных образцовых проб раствора 13 до высоты не ниже верхней границы зоны чувствительности детектора 3, на выходе блока обработки информации (на схеме не показан) с предварительно подключенным к нему детектором 3 регистрируют связанные с изменением интенсивности γ-излучения токовые выходные сигналы i для каждой j-ой образцовой пробы раствора 13. При этом, благодаря дискретности измерений, позволяющей наиболее полно учитывать время усреднения и временной дрейф прибора, обеспечивается требуемая достоверность регистрируемой информации, с использованием которой строится график первоначальной градуировочной зависимости i=f(ρ), представленный на фиг.3. Благодаря экспоненциальному характеру полученная функциональная зависимость достаточно точно интерполируется и при компьютерной обработке исходной информации может обеспечить высокую точность вычисления значений f(ρ), лежащих между узловыми точками графика. Это позволяет с требуемой точностью получать новую градуировочную зависимость на основе последующей калибровки эквивалентов плотности раствора. Технология этого процесса достаточно проста и заключается в следующем. После освобождения от пробки 12 и промывки водой или иной очищающей жидкостью трубчатому элементу 6 задают любое, удобное для работы, например, горизонтальное положение (см. фиг.2), а вовнутрь его поочередно в зону чувствительности детектора 3 вводят заранее изготовленные эквиваленты плотности 14 со значениями, близкими к значениям плотности образцовых проб с перекрытием требуемого диапазона измерений. Для доставки в зону чувствительности детектора 3 эквивалентов плотности 14 и удержания их в ней на время регистрации показаний измерений используется простое по конструкции приспособление. Это приспособление включает в себя мерную штангу 15, жестко связанную с одной стороны через упор 16 с рукояткой 17, а с другой - с крюком 18, обеспечивающим захват и надежную фиксацию каждого из эквивалентов плотности 14 относительно торцов трубчатого элемента 6. При необходимости штанга 15, а также и штанга 10 могут быть выполнены регулируемыми по длине, например, в виде телескопической конструкции. Механическая связь крюка 18 с каждым эквивалентом плотности 14 обеспечивается через головку ввернутого в его тело винта 19. При этом для осуществления возможности многократного использования эквивалентов платности 14 в полевых условиях путем обеспечения сохранности свойств используемых веществ во времени их изготавливают из отличающихся по плотности 5-6 твердых материалов в виде преимущественно цилиндрических тел, по форме и размерам соответствующих внутреннему поперечному сечению трубчатого элемента 6 в зоне чувствительности детектора 3. Таким образом, устраняется свойственная для растворов нестабильность характеристик (седиментационная неустойчивость, расслоение, загустевание и др.) и наиболее полно реализуются требования к воспроизводимости формы и размеров сечений трубопроводов путем исключения из пространства между излучателем 1 и детектором 3 удвоенной толщины стенки герметичного контейнера, например, с насыпным материалом-заполнителем. Причем в качестве твердых материалов для изготовления эквивалентов плотности 14 с граничными для диапазона измерений значениями могут быть использованы такие, например, как полиэтилен с ρ=920÷960 кг/м и алюминий с ρ=2698,9 кг/м. Остальные твердые материалы, необходимые для изготовления эквивалентов плотности 14 со значениями, находящимися в пределах заданного диапазона измерений, выбираются исходя из требуемого шага измерений (калибровки) и конструктивных соображений. Возвращаясь к технологии проведения калибровки полученных таким путем эквивалентов плотности 14, отметим, что в остальном она по используемым приемам в основном аналогична описанной выше технологии проведения первоначальной градуировки плотномера. Однако, в отличие от последней, получаемые в результате регистрации показаний измерений токовые выходные сигналы I; для каждого j-го эквивалента плотности 14 используются не для построения новой градуировочной зависимости, а для нахождения эквивалентных значений плотности P по графику первоначальной градуировки (см. фиг.3) с использованием для наглядности одинаковых по масштабам дополнительных шкал, параллельных осям абсцисс и ординат. При этом на координатной плоскости посредством ручного переноса (либо, как указывалось выше, автоматически) точек с оси абсцисс, соответствующих измеренным значениям I, на график функции i=f(ρ) и дальнейшего их переноса на ось ординат получают приведенные к этому графику эквивалентные значения плотности P, образующие область определения функции I=f(P). Полученные значения плотности P присваиваются изготовленным эквивалентам плотности 14, которые в дальнейшем используются для периодической градуировки плотномеров в полевых условиях в соответствии со схемой, представленной на фиг.2.
Использование предлагаемого способа позволит осуществлять высококачественный оперативный контроль градуировочных характеристик радиоизотопных радиационно-безопасных плотномеров в условиях буровых скважин при минимуме затрат времени и средств.