Введение к работе
Объектом исследования являются цифровые магнитные регистраторы (ЦМР) и регистраторы каротажных диаграмм (РКД) цифровых каротажных станций (ЦКС), механизмы транспортирования ленты (МТЛ), устройство для распознавания кода глубины снятия каротажных данных, способ и устройства для измерения динамической точности движения ленточного носителя информации, комплекс аппаратуры и оборудования для исследования колебаний скорости вращения и биений ведущего вала и валов МТЛ, а также неравномерности скорости движения ленты, ее перекоса и деформации.
Предметом исследования являются математическая модель работы регистратора со случайными помехами, среднеквадратические ошибки записи (3), воспроизведения (В) и записи-воспроизведения (3-В), установление формул для среднего и дисперсии ошибок, исследование асимптотики и асимптотической нормальности дисперсии ошибок, установление экспоненциальных оценки сверху вероятностей для вышеуказанных ошибок; автокорреляционные, спектральные и вероятностные характеристики динамических процессов в тракте МТЛ, методика проведения активного эксперимента динамики МТЛ, дробные реплики полного факторного эксперимента (ПФЭ), статистический анализ полученных аналитических зависимостей в ходе эксперимента.
Актуальность темы. Основой ЦКС являются информационно-измерительные системы (ИИС) для геофизических исследований скважин (ГИС), осуществляющие масштабирование слаботочных низкочастотных аналоговых каротажных сигналов, их фильтрацию, преобразование в цифровой код, затаїсь его на машинные носители информации и проведение предварительной обработки полученной геофизической информации.
Применительно к существующей технологии проведения ГИС на нефть и требованиям к выходным документам устройства записи-воспроизведения информации должны отображать следующие фрагменты документа: фрагмент с "общей информацией о каротаже и скважине", фрагменты документа с "методами ГИС", фрагменты "формат графиков ГИС", содержащие сведения о расположении полей графиков, типе шкалы графика (линейный, логарифмический,), толщине линии графика, о необходимости разметки масштабов, выводе таймерных и магнитных меток, о масштабах вывода графиков.
' Графики каротажных диаграмм сопровождаются полем масштабов и разметки. В этом поле для каждой диаграммы указывается " имя сигнала" и тип линии графика, а также размечаются масштабные линейки для заданного числа бликов. Далее следуют графики каротажных диаграмм, выведенные в указанном виде и формате.
ИИС ГИС обладает развитой системой документирования, позволяющей компоновать на одном листе совмещенные по глубине графики диаграмм, полученных при разных методах измерений, осуществлять преобразование зарегистрированных диаграмм в формат, пригодный для обработки системой интерпретации ИНГИС.
4 Как видно из вышеуказанного, достижение высокой информативности документирования устройствами отображения информации невозможно без обеспечения достаточной точности регистрации. Однако, в настоящее время нерешенными задачами остаются разработка оценок точности 3 и В информации, оценок ее достоверности, построение математической модели работы регистраторов, позволяющей количественно указывать, как влияют на точность 3 і и В различные параметры регистратора, условия его работы и регистрируемая информации. Решая эти задачи, нельзя, не учитывать случайный характер возмущений в МТЛ и электронных блоках формирования и хранения информации, а также колебаний и деформаций ленты записывающих и считывающих устройств. Тем более, что в последнее время наблюдается тенденция повышения плотности и уменьшения энергетических параметров информационных сигналов. Поэтому для решения указанных задач естественно применить методы теории вероятностей и математической статистики, в рамках которой как раз и изучаются случайные явления.
Цель работы- проведение комплексных исследований, направленных на получение научно-обоснованных технических и методических решений, способствующих созданию устройств оцифровки, 3-В каротажных сигналов и регистрации геофизической информации , являющихся важной составной частью ИИС ЦКС, для обеспечения ИИС для ГИС устройствами отображения цифровой и графической информации, обладающих весьма высокими информативностью и достоверностью, обеспечивающих надежное документирование и наглядное представление выявленных геологических структур.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
проведение анализа потерь 3, В и 3-В в случае, когда на регистратор действуют случайные помехи, представляющие собой двумерный стационарный случайный процесс во времени, которые являются количественной характеристикой суммарного влияния погрешностей всех узлов и блоков регистратора;
проведение анализа среднего и дисперсии установленных потерь; получение достаточно точных и удобных для применения оценок сверху для вероятности, что потери регистрации превысят заданный уровень, поскольку точный подсчет функций распределения потерь обычно невозможен.
исследование асимптотики распределения изучаемых потерь при неограниченно возрастающей продолжительности регистрации;
предложение достаточно простой и удобной методики экспериментальных исследований помех регистратора с помощью МПВС и осуществление ее при анализе помех регистратора; проведение качественного статистического анализа возмущений в тракте МТЛ;
отработка методики проведения активного эксперимента динамики МТЛ на основе математической теории планирования эксперимента, применяя дробные реплики полного факторного эксперимента в целях получения максимальной информации с минимальным объемом аппаратурной реализации и трудоемкостью;
5 - создание и внедрение оригинальных устройств записи-воспроизведения геолого-геофизической информации, а также технических средств для контроля и диагностики динамической точности работы устройств отображения информации.
Методы исследования. Создание электростатических и электрохимических РКД осуществлялось на основе теории электростатики, электродинамики и электрохимии . При проектировании ЦМР использовались теоретические основы радиоэлектроники, теория точной магнитной записи и теоретические основы вычислительной техники.
Разработка МТЛ осуществлялась на основе теории машин и механизмов, теории колебаний и динамики, прочности машин, приборов и аппаратуры. Разработка оригинальных способов и устройств для определения динамических параметров движения ленточных носителей базировались на теории 3-В магнитных сигналограмм и теории измерений механических величин.
Для изучения свойств среднеквадратических ошибок 3-В применялись методы теории вероятностей, математической статистики и теории случайных функций.
Экспериментальные исследования базируются на использовании методов кинематического и динамического анализа параметров и характеристик МТЛ с учетом метрологических характеристик средств измерений. Использовалась математическая теория планирования эксперимента, обработка полученных результатов проводилась с привлечением аппарата математической статистики.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена результатами системного анализа ЦМР и РКД и их внедрением в производственную эксплуатацию в составе ИИС для ГИС.
Математические модели точности работы устройств отображения информации, предложенные в работе, основаны на фундаментальных положениях функционального анализа, теории вероятностей и случайных функций, а реализация плана проведения активного эксперимента динамики МТЛ осуществлена на основе метода наименьших квадратов и методов дисперсионного анализа.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечена использованием аттестованных средств измерений динамических характеристик тракта МТЛ, большим объемом экспериментального материала, статистическими методами обработки данных и хорошей воспроизводимостью результатов.
На защиту выносятся результаты исследования ЦМР и РКД, обеспечивающих высокую точность записи каротажных сигналов в цифровом виде на магнитную ленту, повышение информативности и достоверности отображаемой информации, а также надежное документирование и наглядное представление результатов ГИС, в том числе:
- создание регистраторов каротажных диаграмм, работающих на электрохимическом и электростатическом принципах записи и осуществляющих документирование в необходимом количестве экземпляров каротажных диаграмм с выбором оптимального масштаба развертки, и цифрового магнитного регистратора, обеспечивающего точную многоканальную магнитную запись
6 каротажных данных в оригинальном формате расположения информационных блоков на ленточном носителе;
разработка устройства для классификации геофизических сигналов, передаваемых по одному каналу связи, способа измерения деформации ленточного носителя и устройства для одновременного измерения нескольких параметров движения магнитной ленты;
формулировка достаточных условий на случайные помехи, при которых возможно удовлетворительно описать вероятностные свойства ошибок 3-В информации; установление формул для среднего через дисперсии помех, а для дисперсии ошибок через корреляционную функцшо и спектральную плотность помех; исследование асимптотики дисперсии ошибок при неограниченно возрастающем времени регистрации; разработка метода воспроизведения с калиброванной лентой, позволяющей исключить продольные помехи, которые на практике существенно больше поперечных;
разработка комплекса оборудования, аппаратуры, методов и средств для экспериментальных исследований динамики прецизионных МТЛ; качественный и количественный статистический анализ динамики тракта МТЛ, установление степени стационарности, широкополосное и нелинейности вибрационных процессов в МТЛ; определение величины дисперсии, наличия асимметрии и эксцесса у исследуемых зависимостей;
- методика проведения активного эксперимента динамики МТЛ на осно
ве математической теории планирования эксперимента; план применения дроб
ных реплик ПФЭ в целях получения максимальной информации с минималь
ным объемом аппаратурной реализации и трудоемкостью; получение полино
миальных зависимостей исследуемых параметров МТЛ от возмущений, уста
новление значимости оценок коэффициентов полинома и его адекватности
принятой гипотезе об уравнении регрессии.
Научная новизна полученных результатов определяется впервые проведенными комплексными исследованиями, направленными на получение научно-обоснованных технических и аналитических решений, способствующих повышению точности и надежности аппаратуры цифровой магнитной записи каротажных данных и графической регистрации геофизических кривых, получаемых при каротаже геологоразведочных скважин, в ходе которых:
создан парк приборов для обеспечения автоматизированной ИИС для ГИС многофункциональными устройствами регистрации аналого-цифровой информации; точность ЦМР достигнута за счет записи больших массивов информации путем фиксации размеров и начала зоны расположения массива; обеспечено повышение качества визуализации информации РКД, считанной с магнитного носителя в виде //-разрядного двоичного кода, за счет обеспечения возможности регулирования усилия прижима пишущих электродов в зависимости от скорости движения носителя информации;
разработаны контрольно-диагностические средства, обеспечивающие повышение точности измерений, в одном случае, деформации ленты за счет независимого измерения деформации по двум ее координатам, в другом-
7 одновременного измерения нескольких параметров движения магнитной ленты: перекоса, угла перекоса, неравномерности скорости движения и поперечных деформации,- с исключением влияния одних на точность измерения других;
построена математическая модель работы регистратора со случайными помехами; определены средаеквадратические ошибки 3, В и 3-В; получены формулы для среднего и дисперсии ошибок; установлена асимптотическая нормальность ошибок при неограниченно возрастающем времени регистрации; получены пригодные для построения доверительных интервалов экспоненциальные оценки сверху вероятностей для ошибок;
получена наиболее точная математическая модель исследуемой системы тракта МТЛ на основе планирования эксперимента, который был поставлен так, что коэффициенты уравнения регрессии для моделируемой функции являлись наилучшими оценками коэффициентов ряда Тейлора. Предложены такие планы факторных экспериментов, реализация которых дает наилучшие оценки коэффициентов полинома при минимальном числе опытов;
по данным сводной таблицы экспериментальных данных построены регрессионные зависимости принятых оценок параметров МТЛ от скорости перемещения ленты; установлено, что линейная модель, адекватно отражающая зависимость дисперсии радиальных биений от скорости, неадекватно отражает зависимость величины относительной дисперсии колебаний скорости ведущего и ведомых валов, поэтому для относительной дисперсии колебаний скорости были построены уравнения регрессии второго порядка.
Практическая ценность. Созданный комплекс устройств отображения геолого-геофизической информации в цифровом и графическом виде позволил решить проблему автоматизации ГИС и оперативной предварительной обработки параметров каротажа.
Техническая новизна аппаратных средств ЦКС, разработанных только автором работы, защищена тремя авторскими свидетельствами СССР.
Результаты диссертации были использованы при создании, отработке и промышленной эксплуатации ЦМР И РКД как составной части ИИС для ГИС.
Работа выполнялась в соответствии с планами госбюджетных и хозд-лглворных НИР, проводимых ИжГТУ и Удмуртским производственным геологическим объединением: - № ГР 79058505 « Разработка и внедрение аппаратуры цифровой записи параметров каротажа для серийных каротажных станций»; № ГР 81008262 «Разработка аппаратуры цифровой записи параметров каротажа для серийных каротажных станций»; № ГР 32-8-78/25 «Разработка аппаратуры цифровой записи параметров каротажа для серийных каротажных станций. Разработка конструкторской документации и изготовление опытной партии»; №ГР 32-81-78/24 «Опытно-методические работы по освоению и внедрению новых методов ГИС и цифровой записи каротажа»; № ГР 01830015705 « Опытно-методические работы по обеспечению эффективности применения цифровой записи параметров каротажа на серийных станциях АКСЛ-7. Разработка комплекса аппаратуры для автоматизации геофизических исследований скважин»; - №ГР 01840012827 « Опытно-методические работы по обеспечению
8 эффективности применения цифровой записи параметров каротажа на серийных станциях АКСЛ-7. Разработка комплекса аппаратуры для автоматизации геофизических исследований скважин»; № ПРГ-14/84-86 «Опытно-методические работы по внедрению новых методов ГИС и цифровой записи каротажа»; № ГР 32-83-18/35 «Опытно-методические работы по обеспечению эффективности применения цифровой записи параметров каротажа на серийных станциях АКСЛ-7»; № ГР 32-85-45/42 «Опытно-методические работы по внедрению системы цифровой записи и дистанционной передачи параметров каротажа»; № ГР 32-86-19/ 43 « Совершенствование методов и средств записи, документирования, передачи и обработки каротажных данных с помощью ЭВМ»; № ГР 32-87-43/37 « Опытно-методические работы по совершенствованию системы цифровой регистрации параметров каротажа».
Реализация работы в производственных условиях. Полученные в работе результаты использованы при проведении ГИС в ОАО «Удмуртгеология».
При непосредственном участии автора разработаны и внедрены приборы для цифровой записи параметров каротажа и ввода их в МПВС, а также графические регистраторы каротажных кривых.
Результаты работы могут быть использованы в практике работы предприятий, занимающихся геологической разведкой и оценкой запасов полезных ископаемых, геофизическими исследованиями территорий.
Апробация работы. Отдельные законченные этапы работы докладывались и обсуждались на VI Всемирном конгрессе международной федерации по теории механизмов и машин (Дели, Индия, 1983); III Республиканской научной конференции молодых ученых "Молодые ученые Удмуртии - народному хозяйству" (Устинов, 1984); Республиканской научно-практической конференции "Молодежь Удмуртии - ускорению научно-технического прогресса" (Устинов, 1985); 32 Международном технологическом коллоквиуме (Ильменау, Германия, 1987); Всесоюзной научно-технической конференции "Конструктивно-технологическое обеспечение качества микро- и радиоэлектронной аппаратуры при проектировании и в производстве" (Ижевск, 1988); III Российской универ-ситетско-академической научно практической конференции (Ижевск, 1997); 32 научно-техническрой конференции Ижевского государственного технического университета; International Conference "VIBROENGINEERING-98" (Вильнюс, Литва, 1998).
За разработку, создание и внедрение комплекса аппаратуры для автоматизации ГИС автор удостоен звания «Лауреат премии комсомола Удмуртии» (1985) и награжден серебряной медалью ВДНХ СССР (1988).
Публикации. Результаты работы отражены в 22 научных публикациях: 1 статья в международном журнале, 4 статьи в центральной печати, 3 авторских свидетельства СССР, 3 тезисов научно-технических конференций, 11 научно-технических отчетов по госбюджетным и хоздоговорным НИР.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 191 с. машинописного текста. В работу включено
9 55 рис., 16 табл., список литературы из 146 наименований и приложение (Акты об использовании результатов работы).