Прикладные схемы определения метрологических характеристик ядерно-геофизических методов исследования скважин
Прикладные схемы определения метрологических характеристик ядерно-геофизических методов исследования скважин
Прикладные схемы определения метрологических
характеристик ядерно-геофизических методов исследования скважин.
Красноперов Владимир Анатольевич, доктор геол.-мин.
наук, профессор, академик РАЕН, Кульдеев Ержан Итеменович, инженер, Университет
Сулеймана Демиреля, г. Алматы, Казахстан
С
позиций метрологии опробование - процесс получения информации о составе и
свойствах вещества, управляемый вероятностными и систематическими законами.
Каждый метод опробования реализуется в два этапа: на первом создают
благоприятные условия измерений, по возможности исключают источники снижения
качества; на втором - проводят окончательное измерение, т.е. устанавливают
числовую характеристику аналитического свойства. Из отмеченных обстоятельств
вытекают важные следствия:
а)
количественный анализ - процесс измерительный;
б)
для него характерны своеобразные и сложные способы устранения факторов, снижающих
достоверность результатов;
в)
при измерениях в естественном залегании (in situ) и неразрушающих испытаниях
образцов процесс измерений дополнительно осложняется тем, что среда (образец)
не может быть подвергнута дополнительной обработке с целью уменьшения влияния
неоднородности состава;
г)
в различных методах опробования содержания в пробах малых объемов по
"аналогии" распространяются на большие объемы, не всегда достаточно
обоснованно;
д)
при использовании физических методов важной особенностью
процесса
анализа является необходимость градуировки: установления зависимости между
содержанием элемента и числовой характеристикой аналитического свойства, что
служит специфическим источником погрешностей.
Все
отмеченное делает правомерным метрологический подход к проблеме с определением
таких характеристик, как избирательность, чувствительность, пределы обнаружения
и определения, сходимость и воспроизводимость, представительность, правильность
и точность [3,6,7,14,15,32,33].
Понятие
избирательности (однозначности, специфичности) характеризует способность метода
- выделить измеряемое аналитическое свойство элемента на фоне аналогичного от
мешающих элементов. В ЯГФМ опробования однозначность определяется
специфичностью свойств измеряемого параметра (определенного элемента),
заложенной в физическом процессе для определения аналитической характеристики,
связанной с измеряемым параметром. В общем случае подход заключается в
оптимизации различных параметров инструментального метода для снижения влияния
помех. Избирательность повышается применением более подходящего источника
ядерных излучений, селективного анализатора, эффективного датчика и т.д.
Чувствительность,
пределы обнаружения и определения. В ЯГФМ мерой количества определяемого
элемента служит величина физического эффекта в показаниях измерительного
прибора. Регистрируемый сигнал пропорционален количеству определяемого
элемента. Поскольку все измерения выполняются при наличии фона, то мерой
количества является разность двух сигналов.
Чувствительность
- определяет способность метода измерений обнаружить с заданной надежностью или
вероятностью разницу между очень малыми количествами вещества [28,30].
Существует также понятие - "разрешение метода измерений", т.е.
способность с заданной надежностью или вероятностью различать близкие значения
измеряемой величины в рабочем диапазоне измерений. Эти понятия специальным
ГОСТ-ом не предусматриваются [7]. В проекте рекомендаций [34] понятия
чувствительности и разрешения метода также отсутствуют. Даются лишь определения
чувствительности и порога чувствительности для измерительного прибора. Понятия
точности измерений [7] и чувствительности в рабочем диапазоне измерений
практически имеют одинаковый смысл. В области малых значений концентраций
введены понятия пределов обнаружения и определения [7] ,имеющие тот же смысл,
что и порог чувствительности метода [20, 24, 29, 30].
Предел
обнаружения характеризует способность метода обнаружить минимальное количество
полезной информации (химического элемента) с надежностью, не превышающей заданную.
Это практически предел, к которому нужно стремиться при разработке методики
измерений. Он зависит лишь от соотношения между полезным эффектом и фоном.
Предел
определения характеризует способность метода определить минимальное количество
полезной информации (химического элемента) с заданной надежностью и зависит от
суммарной погрешности измерений в области малых содержаний:
, (I.I)
где
Р - предел определения;
K
- коэффициент надежности;
M
-величина полезного сигнала на единицу содержания;
s
å и s i - погрешности измерений.
Для
ЯГФМ наиболее оптимален случай, когда сумма аппаратурных, физических и
технических погрешностей близка к статистической ошибке измерения фона и
распределение информации при достаточно большом количестве измеряемых актов
подчиняется нормальному закону:
. В этом
случае предел определения можно оценить как:
(1.2)
где
Ja и Jф - интенсивности полезного сигнала на единицу содержания и фона; h
=Ja/Jф контрастность; t-время измерения.
Окончательно
величина Р оценивается по сходимости результатов ЯГФМ в области забалансовых
содержаний (< 0,3 бортового для за балансовых руд) на длину единичной
геологической пробы – L (1-2 м) для t =L /V, где V - скорость каротажа.
В
радиохимии, активационном анализе используются следующие характеристики:
критический уровень сигнала, на котором могут основываться решения; нижний
предел детектирования, чувствительность детектирования, минимальная
определяемая активность (или масса), предел гарантии чистоты [30]. К этому
нужно добавить критерии, в которых предел обнаружения принят эквивалентным фону
или превышает фон на заданную величину. В работе [30] проведена оценка
различных критериев обнаружения, показано, что полученные значения составляют
1-20 стандартных отклонений фона. В ядерной геофизике порог чувствительности
обычно оценивают лишь с учетом статистической ошибки [5, 31]. Поэтому
определенный интерес представляет разработка способов оценки порога
чувствительности, как предела определения, при конкретном использовании
измерений с учетом главных действующих факторов.
В
соответствии с [7] качество измерений характеризуется сходимостью и
воспроизводимостью.
Сходимость
измерений - качество, отражающее близость друг к другу результатов измерений,
выполняемых в одинаковых условиях.
Воспроизводимость
измерений - качество, отражающее близость друг к другу результатов измерений,
выполняемых в различных условиях (в разное время, в различных местах,
различными методами и средствами). Следует отметить, что для рентгеновских и
гамма-гамма методов, обладающих малой глубинностью, расхождения при повторных
измерениях лучше характеризовать понятием воспроизводимость, т.к. информация
поступает с различных частей поверхности скважины (выносной блок датчика
описывает различные образующие), что при неравномерном распределении оруденения
вносит весьма существенную дополнительную погрешность за счет при родной
дисперсии содержаний. В то же время повторение результатов в условиях скважин
для методов с большей глубинностью (активационных, нейтронных и
гамма-радиационных), характеризуется понятием сходимости, т.к. информация
поступает практически равномерно из окружающего объема породы, а глубинность исследований
соизмерима с диаметром скважин. Поэтому при выполнении контрольных измерений в
скважинах с неравномерным оруднением малоглубинными методами при оценке
сходимости необходимо учитывать дисперсию содержаний по данным половин кернов.
При этом дополнительным способом контроля служат измерения на специальных
эталонах до и после записи диаграммы каротажа.
В
опробовании понятие представительность имеет ряд толкований, сводящихся к тому,
на какой геологический объем распространяется информация от пробы [33]. Для
геофизического опробования существует понятие глубинности метода, за которую
принимается толщина насыщенного по мощности слоя исследуемой среда, дающая 90%
полезной информации [31].
Понятие
глубинности отвечает представительности пробы лишь в первом толковании, когда
проба представляет собственную область замера. Для ЯГФМ глубинность изменяется
от долей мм до десятков см.
В
соответствии с [7] правильность результатов измерений (данных опробования)
определяется как качество, отражающее близость к нулю систематических
погрешностей в их результатах. Оценка величины систематических расхождений
проводится по сопоставлению средних значений подсчетных параметров: содержаний,
мощностей и линейных запасов по ЯГФМ и геологическому опробованию. В
сопоставлениях не должны участвовать данные геологического опробования,
использованные ранее для получения рабочей эталонной зависимости (пересчетного
коэффициента) для перевода показаний ЯГФМ в значения определяемого признака.
Оценка
правильности результатов наиболее важна для относительных измерений, к которым
относятся ЯГФМ. Специфичность оценки правильности результатов при опробовании в
естественном залегании, в том числе и ЯГФМ, заключается в отсутствии
"абсолютных" эталонов для сравнения. Принято считать, что результаты
по пробам большого объема (валовым) обладают большей надежностью, чем
результаты оперативных рядовых методик опробования бороздой, затиркой, горстью,
с помощью извлечения керна, шлама и т.п. ЯГФМ по объемной представительности
(глубинности) принадлежат к группе рядовых, оперативных.
Практика
показывает, что на большинстве геологических объектов, разведуемых бурением,
исполнители-геофизики имеют возможность сравнивать свои результаты с данными
рядового опробования керна, отвечающими определенным инструктивным требованиям
к качеству исполнения (весовой выход керна не менее допустимого, обычно 70%;
точность химического анализа в соответствии с допусками [18]. Причем рядовое
опробование зачастую обладает систематическими расхождениями за счет
избирательных потерь материала геологических проб.
В
заключительную стадию разведки результаты оперативных методов опробования, в
т.ч. ЯГФМ, имеющих эталоном рядовое геологическое опробование, могут быть
"заверены" данными по пробам большого объема (вал, опытная отработка),
если это предусмотрено проектом на разведку с целью повышения строгости оценки
правильности результатов.
Месторождения
с весьма неравномерным распределением полезного компонента (золото, ртуть,
вольфрам и т.д.) требуют специальных исследований для обоснования надежности
опробования рядовыми геологическими методами. Полученные выводы
распространяются и на ЯГФМ [13, 14, 15] .
В
соответствии с [7] понятие точность измерений трактуется как качество,
отражающее близость результатов к истинному значению измеряемой величины.
Причем понятие истинного значения принимается как идеальное. В реальных
условиях действует понятие действительного значения измеряемой величины, т.е.
найденного экспериментальным путем и настолько приближающегося к истинному
значению, что может быть использовано вместо последнего.
Точность
является основной метрологической характеристикой метода измерений (методики
опробования). Высокая (достаточная) точность соответствует малым погрешностям
всех видов, как систематических, так и случайных. Поэтому за главный критерий
при оценке точности ЯГФМ следует принять то, что их результаты на длину
единичной пробы (по пределу определения, сходимости и правильности) должны быть
не хуже оперативных геологических методов с близкой геометрией проб. Относительно
предела определения ЯГФМ отметим следующее: предел должен обеспечить надежное
(К=2, V=0,95) выделение забалансовых содержаний в единичной пробе.
ЯГФМ
каротажа обладают физической однозначностью и во многих случаях решают задачу
количественной оценки признака. По своей метрологической сущности они являются
относительными и требуют специальных мер по градуировке, которая выполняется
статистическим сравнением с кондиционным керном, с данными опробования
околоствольного пространства скважин в горных выработках и с искусственными и
естественными моделями - эталонами.
Зависимости
между геофизическим параметром и определяемым признаком, в частности
содержанием, можно рассматривать как функциональные с "шумами".
Сравниваемые величины по своей природе не случайны, но измерены с некоторыми
случайными и систематическими ошибками. Систематические ошибки в сравниваемых
выборках должны быть учтены, а уровень случайных - сведен к разумному минимуму.
Соответственно коэффициенты корреляции и корреляционные отношения должны быть
близки к единице (не хуже 0,8). Лишь в этом случае градировочные зависимости
могут служить для количественных определений. В каротаже практически
используются одно- и двухкомпонентные зависимости. Первые - полностью или по
частям аппроксимируются набором линейных функций или полиномами до 3-го
порядка, вторые - решаются чаще номографически, а также с помощью эмпирических
уравнений. Для оценки надежности однокомпонентной градировочной зависимости по
среднему колебанию линии регрессии используется линейная связь. В общем
содержание (С) и геофизический параметр (J) не случайны, но измерены с
некоторыми случайным ошибками (систематические незначимы); x =С± s с; h = J± s
J.
Выборочные
значения случайных величин с математическими ожиданиями М(s J)=М (s с)=0. Связь
между h и x можно представить в виде:
она
обусловлена определенной функциональной зависимостью между неслучайными "структурными"
компонентами J и С: J=а+в× с. Запишем приближенные равенства через
относительные погрешности:
т.к
J И С измеряются независимо;
Преобразуем
связь между h и x :
, откуда:
(1.3)
Полученное
выражение позволяет с достаточной точностью оценить средние колебания линии
регрессии при линейной аппроксимации градировочной зависимости [1]. Значения
величин, входящих в (1.3) определяются из известных соотношений:
При
опробовании в естественном залегании вопрос правильности результатов имеет
принципиальное значение (естественная боязнь систематических отклонений в
подсчете запасов). Идеальных способов контроля правильности опробования
практически не существует, т.к. при опробовании постоянно действует фактор
неполноты информации из-за отсутствия "абсолютно правильных"
эталонов, а процесс пробоотбора контролируется не полностью. Существует чисто
эмпирическая иерархия "здравого смысла" в правильности результатов по
пробам различной величины (валовые и групповые пробы считаются более правильными
и представительными). Ведомственные руководства лимитируют лишь величину
случайных и систематических погрешностей при аналитических исследованиях проб,
а остальные операции, дающие как правило большие отклонения, лишь
регламентируются технологически.
Для
ЯФГМ с их относительной градуировкой оценка правильности результатов проводится
в два этапа: на первом выявляются систематические расхождения с рядовым
геологическим методом керн-каротаж, борозда - геофизический замер по
представительным классам (не менее 20 единичных сравнений в каждом); на втором
- в сравнении с данными "заверочного" опробования большеобъемными
контрольными пробами, если специфика объекта по природной дисперсии в рядовых
геологических и геофизических пробах не дает основания считать правильными
данные рядового опробования. Субъективизм такого подхода очевиден, т.к. само
опробование, точнее его математическая модель предусматривает решение
некорректной задачи: определение характеристики целого по его частям, без
знания законов изменения признака в объеме исследований. Отсюда
структурно-системный подход и относительность оценок.
Для
ЯГФМ в зависимости от задач и структурного уровня исследования объекта базой
для оценки правильности служат результаты геологических методов, обладающие
погрешностями, определенными не всегда корректно из-за неповторимости
вещественных проб ввиду повышенной природной дисперсии содержаний в смежных
элементарных объемах (особенно для ртути, вольфрама, золота). Из различных
способов проверки правильности измерений в практике опробования получили
распространение способы выявления систематических ошибок по сопоставлению
результатов основного и контрольного методов. При этом полагают, что полученные
контрольные результаты (геологическое опробование) не имеют систематических
ошибок [2, 4, 8, 9, 10, 11, 12, 19, 20, 23, 25].
Сопоставления
выполняются по группам (классам), на которые разбивается весь диапазон
оцениваемых содержаний. В каждом классе результаты характеризуются близостью
значений содержаний и сходимостью измерений. Систематические ошибки
устанавливают, проверяя статистическую значимость различия между средними
результатами по основным и контрольным измерениям в каждом классе [12]. Схема
следующая:
(1.4)
Надежность
полученного расхождения между средними оценивают по статистике:
(1.5)
где
,
путем
сравнения V с табличным VT для соответствующих величин
n
и
Таблица
1. Значения VT статистики при доверительной вероятности 95%.
|