視頻測井圖像處理技術與應用

張斌山,嚴正國,張郁山,姚強,劉興春,孔燕平

(1.西安石油大學電子工程學院,陜西西安710065;2.國家電投黃河公司青海黃河礦業有限責任公司,青海西寧810000;3.中石化江漢石油工程技術研究院,湖北武漢430000;4.中石化西南石油工程有限公司測井分公司,四川成都610000;5.西部鉆探工程有限公司吐哈錄井工程公司,新疆鄯善838200)

0 引 言

油氣田井下事故可能會造成巨大經濟損失和環境危害,對事故井進行準確檢測和判斷成為修井恢復處理的重要環節[1-6]。目前常規檢測方法主要有電子單多點測量儀(EMS)、多臂井徑技術、超聲波測井,測量數據需后續解釋處理,不直觀且處理結果存在多解性和不確定性[2-4]。而視頻測井技術能夠直接獲取井內真實情況的圖像。目前,鷹眼井下電視只能傳輸每秒1到2幀的黑白圖像,視頻存在很大延遲,容易出現漏測現象;光纖井下電視雖能傳輸流暢高清視頻,但需專用光纖電纜,適應性較差且安全風險較大;新型視頻測井系統借助測井電纜網絡高速傳輸技術和電纜自適應特性技術等,采用普通鎧裝測井電纜能夠安全獲取井下彩色流暢視頻并實時傳輸至地面[9-15]。在此基礎上,研究和應用視頻測井解釋處理技術,對井下視頻進行解釋處理,從而實現對檢測目標的定量測量,為油氣井事故原因的診斷分析和后續處理工作提供重要依據。

1 視頻測井工作原理及儀器性能

視頻測井技術是利用面陣傳感器直接獲取井下視頻圖像的一種成像測井技術[6-8],能夠實時獲取井下高清彩色全幀率視頻圖像。

1.1 系統組成及工作原理

視頻測井系統由地面系統和井下檢測系統2部分組成,地面系統可以外接顯示器或計算機進行視頻圖像顯示,同時可進行參數設置和實時控制。設備工作時,井下攝像頭模組獲取視頻數據,然后通過視頻編碼器壓縮編碼,并由測井電纜高速傳輸至地面系統,視頻數據在地面系統中進行解碼,同時將深度和備注信息同步疊加到視頻圖像上,并進行存儲和傳輸,由計算機進行實時監測和控制。

1.2 設備性能指標及其特點

為適應井下特殊工作環境,研制2種系列產品:①全景高清攝像視頻測井儀,采用廣角攝像頭,達到攝像頭最大視角范圍,且具有很強的環境適應性,基本適應油氣井的高溫高壓檢測環境;②旋轉變焦高清攝像視頻測井儀,采用球形鏡片與圓柱形鏡片相結合,能夠針對具體井壁情況進行觀測,并可通過遠程綜合控制達到最佳的觀測效果。2種系列產品擁有以下特點:①可與常規單芯或多芯鎧裝測井電纜自適應鏈接,通過網絡傳輸高清彩色全幀率視頻圖像;②采用廣角攝像頭和前后置光源相結合,配備調焦與旋轉功能,可根據觀測環境對燈光亮度、焦距、方位進行實時調整,以獲得最佳圖像;③可實時顯示井筒及井壁視頻圖像并存儲;④所有電路模塊均采用小型化設計,儀器外殼采用隔熱耐壓材料,并采用保溫瓶封裝,保持儀器內部溫度壓力長時間穩定在儀器正常工作所要求的范圍內。

表1所示為視頻測井系統基本性能指標。

2 視頻測井圖像處理技術

視頻測井系統雖能獲取井下全幀率視頻,但攝像機看到的目標大小和物距成反比,在距離未知的情況下無法對目標大小進行判斷,原始圖像是變形和失真的。因此,對視頻圖像進行分析研究前需對井筒原始成像進行數學建模校正處理。

表1 視頻測井系統技術指標

2.1 攝像頭成像原理

物體成像大小Sn與物體的尺寸S成正比,與物體到攝像頭的距離D成反比

(1)

式中,α為相機常數,可以通過相機標定確定。

圖1為井筒內攝像頭成像的原理圖,S0為井筒內徑,S=S0,d0為攝像機像距,將井筒長度等分為n段,每段長度為D0。一般情況下,視頻測井系統在井筒內攝像過程中,攝像頭處于井筒中軸附近。假設攝像頭中心在管柱中軸上,可根據圖1(a)所示的中心成像原理來獲得井內圖像,圖1(b)為中心成像平面圖,等距物平面上的物體經過中心成像后的形狀均為等距同心圓;如果攝像頭不在井筒中軸線上,成像原理如圖1(c)所示,圖1(d)為偏心成像平面圖,等距物平面上的物體經過偏心成像后的形狀為等距非同心圓。

圖1 井筒內成像原理圖

2.2 三維模型建立

井筒成像校正處理:選取長為h、內徑為d的井筒,應用Matlab軟件進行三維建模,圖2(a)為井筒三維模型,攝像頭位于井筒上方距離L的平面上,將井筒長度進行n等份,物距為

D=n×D0+L

(2)

圖2 井筒成像三維建模圖

攝像頭所成圖像大小和物距成反比,所成圖像間的相對位置和相機在此平面中的位置坐標存在關聯,管柱上任意一點a(x,y,z)的空間坐標為

(3)

當相機中心位于管柱中心坐標O(0,0,L+H)處時可得到如圖2(b)所示的井筒中心成像模型,n等份物體成像均為等距同心圓,a點在像中的坐標為a′(x′,y′)

(4)

而當攝像頭偏離井筒中心坐標位于坐標O′(ox′,oy′,L+H)時,可根據坐標平移得到如圖2(c)所示的井筒偏心成像模型,n等份物體的成像雖等距但不同心。點a在圖像中的坐標為a″(x″,y″)

(5)

圖2(b)為井筒中心成像模型,圓環內圖像為井壁成像原始圖像,通過坐標變換,將其特定圓環內的圖像展開為平面矩形圖像,如圖3所示為井筒中心成像模型展開圖,此時,a點在圖像中的坐標為a?(x?,y?)

圖3 井筒中心成像展開圖

(6)

圖2(c)為偏心成像模型,由于等距物平面上的物體的成像等距不同心,直接展開后是無規則圖像,通過偏心矯正,對各圓進行矯正,使其圓心重合。然后根據中心成像模型的處理方法展開,消除視角失真后,更容易判斷井筒受損方位、形態和大小。

2.3 目標定量測量

井筒圖像展開后,圖像水平長度dm代表井筒橫截面周長C,圖像的豎直寬度hm代表展開井筒段實際高度H,井筒橫截面周長和井筒段長度為已知參數,圖像寬度和長度可以從展開程序中獲得,只需測量圖像中目標的尺寸便可根據比例計算得出實際套管破損處的徑向尺寸Dr和軸向尺寸Dl

(7)

式中,Dr為實際測量目標的徑向尺寸;Dl為實際測量目標的軸向尺寸;C為井筒橫截面周長,H為展開井筒段高度;Dm為成像展開圖中的測量目標徑向尺寸,Lm為成像展開圖中的測量目標軸向尺寸;hm為成像展開圖的軸向豎直寬度,dm為成像展開圖的徑向水平長度。

基于以上原理和方法,應用Matlab軟件設計了視頻測井解釋處理軟件,不僅可以通過視頻測井系統實時獲取井壁高清視頻圖像,而且能夠通過解釋處理軟件進行圖形變換和三維建模,進行攝像頭標定、偏心校正和坐標變換,將井壁視頻轉換為井壁360°全景長圖,實現多視角觀看和目標尺寸測量。

3 應用案例

A井下鉆過程中發現鉆頭跑偏,懷疑與鄰井發生井碰,鉆具是否進入鄰井井眼無法確定,選擇采用視頻測井技術進行檢測診斷。

視頻測井系統配接11.8 mm七芯鎧裝電纜測井車,井口處完成參數設置,調整焦距及燈光至儀器最佳工作狀態,以300 m/h的速度下放檢測,在72～80 m處發現長約8 m的開窗破損,兩井眼清晰可見,原始成像如圖4所示。

圖4 視頻測系統檢測效果原圖

為更加準確定量獲取套管套破損信息,將所測原始視頻數據導入視頻測井解釋軟件處理并生成展開圖,根據套管尺寸對其進行計算處理,獲得破損位置和破損大小等信息。圖5為事故井段展開長圖,可選擇地計算徑向和軸向尺寸。根據視頻測井所提供的視頻資料信息和計算數據反映的井下狀況,工程人員制定出相應的處理措施,快速恢復生產。

圖5 展開實際效果圖

4 結 論

(1)視頻測井作為一種新型的井筒檢測技術,在油氣井井筒檢測領域具有廣闊的應用前景,在油氣井事故檢測中具有獨特的優勢。

(2)針對不同井況,設計相應的測井工藝,對事故井具體情況進行真實檢測和實時呈現。

(3)對井壁原始圖像進行轉換處理,可實現井壁全景觀測,對目標尺寸進行精準測量。