视频测井图像处理技术与应用

张斌山,严正国,张郁山,姚强,刘兴春,孔燕平

(1.西安石油大学电子工程学院,陕西西安710065;2.国家电投黄河公司青海黄河矿业有限责任公司,青海西宁810000;3.中石化江汉石油工程技术研究院,湖北武汉430000;4.中石化西南石油工程有限公司测井分公司,四川成都610000;5.西部钻探工程有限公司吐哈录井工程公司,新疆鄯善838200)

0 引 言

油气田井下事故可能会造成巨大经济损失和环境危害,对事故井进行准确检测和判断成为修井恢复处理的重要环节[1-6]。目前常规检测方法主要有电子单多点测量仪(EMS)、多臂井径技术、超声波测井,测量数据需后续解释处理,不直观且处理结果存在多解性和不确定性[2-4]。而视频测井技术能够直接获取井内真实情况的图像。目前,鹰眼井下电视只能传输每秒1到2帧的黑白图像,视频存在很大延迟,容易出现漏测现象;光纤井下电视虽能传输流畅高清视频,但需专用光纤电缆,适应性较差且安全风险较大;新型视频测井系统借助测井电缆网络高速传输技术和电缆自适应特性技术等,采用普通铠装测井电缆能够安全获取井下彩色流畅视频并实时传输至地面[9-15]。在此基础上,研究和应用视频测井解释处理技术,对井下视频进行解释处理,从而实现对检测目标的定量测量,为油气井事故原因的诊断分析和后续处理工作提供重要依据。

1 视频测井工作原理及仪器性能

视频测井技术是利用面阵传感器直接获取井下视频图像的一种成像测井技术[6-8],能够实时获取井下高清彩色全帧率视频图像。

1.1 系统组成及工作原理

视频测井系统由地面系统和井下检测系统2部分组成,地面系统可以外接显示器或计算机进行视频图像显示,同时可进行参数设置和实时控制。设备工作时,井下摄像头模组获取视频数据,然后通过视频编码器压缩编码,并由测井电缆高速传输至地面系统,视频数据在地面系统中进行解码,同时将深度和备注信息同步叠加到视频图像上,并进行存储和传输,由计算机进行实时监测和控制。

1.2 设备性能指标及其特点

为适应井下特殊工作环境,研制2种系列产品:①全景高清摄像视频测井仪,采用广角摄像头,达到摄像头最大视角范围,且具有很强的环境适应性,基本适应油气井的高温高压检测环境;②旋转变焦高清摄像视频测井仪,采用球形镜片与圆柱形镜片相结合,能够针对具体井壁情况进行观测,并可通过远程综合控制达到最佳的观测效果。2种系列产品拥有以下特点:①可与常规单芯或多芯铠装测井电缆自适应链接,通过网络传输高清彩色全帧率视频图像;②采用广角摄像头和前后置光源相结合,配备调焦与旋转功能,可根据观测环境对灯光亮度、焦距、方位进行实时调整,以获得最佳图像;③可实时显示井筒及井壁视频图像并存储;④所有电路模块均采用小型化设计,仪器外壳采用隔热耐压材料,并采用保温瓶封装,保持仪器内部温度压力长时间稳定在仪器正常工作所要求的范围内。

表1所示为视频测井系统基本性能指标。

2 视频测井图像处理技术

视频测井系统虽能获取井下全帧率视频,但摄像机看到的目标大小和物距成反比,在距离未知的情况下无法对目标大小进行判断,原始图像是变形和失真的。因此,对视频图像进行分析研究前需对井筒原始成像进行数学建模校正处理。

表1 视频测井系统技术指标

2.1 摄像头成像原理

物体成像大小Sn与物体的尺寸S成正比,与物体到摄像头的距离D成反比

(1)

式中,α为相机常数,可以通过相机标定确定。

图1为井筒内摄像头成像的原理图,S0为井筒内径,S=S0,d0为摄像机像距,将井筒长度等分为n段,每段长度为D0。一般情况下,视频测井系统在井筒内摄像过程中,摄像头处于井筒中轴附近。假设摄像头中心在管柱中轴上,可根据图1(a)所示的中心成像原理来获得井内图像,图1(b)为中心成像平面图,等距物平面上的物体经过中心成像后的形状均为等距同心圆;如果摄像头不在井筒中轴线上,成像原理如图1(c)所示,图1(d)为偏心成像平面图,等距物平面上的物体经过偏心成像后的形状为等距非同心圆。

图1 井筒内成像原理图

2.2 三维模型建立

井筒成像校正处理:选取长为h、内径为d的井筒,应用Matlab软件进行三维建模,图2(a)为井筒三维模型,摄像头位于井筒上方距离L的平面上,将井筒长度进行n等份,物距为

D=n×D0+L

(2)

图2 井筒成像三维建模图

摄像头所成图像大小和物距成反比,所成图像间的相对位置和相机在此平面中的位置坐标存在关联,管柱上任意一点a(x,y,z)的空间坐标为

(3)

当相机中心位于管柱中心坐标O(0,0,L+H)处时可得到如图2(b)所示的井筒中心成像模型,n等份物体成像均为等距同心圆,a点在像中的坐标为a′(x′,y′)

(4)

而当摄像头偏离井筒中心坐标位于坐标O′(ox′,oy′,L+H)时,可根据坐标平移得到如图2(c)所示的井筒偏心成像模型,n等份物体的成像虽等距但不同心。点a在图像中的坐标为a″(x″,y″)

(5)

图2(b)为井筒中心成像模型,圆环内图像为井壁成像原始图像,通过坐标变换,将其特定圆环内的图像展开为平面矩形图像,如图3所示为井筒中心成像模型展开图,此时,a点在图像中的坐标为a‴(x‴,y‴)

图3 井筒中心成像展开图

(6)

图2(c)为偏心成像模型,由于等距物平面上的物体的成像等距不同心,直接展开后是无规则图像,通过偏心矫正,对各圆进行矫正,使其圆心重合。然后根据中心成像模型的处理方法展开,消除视角失真后,更容易判断井筒受损方位、形态和大小。

2.3 目标定量测量

井筒图像展开后,图像水平长度dm代表井筒横截面周长C,图像的竖直宽度hm代表展开井筒段实际高度H,井筒横截面周长和井筒段长度为已知参数,图像宽度和长度可以从展开程序中获得,只需测量图像中目标的尺寸便可根据比例计算得出实际套管破损处的径向尺寸Dr和轴向尺寸Dl

(7)

式中,Dr为实际测量目标的径向尺寸;Dl为实际测量目标的轴向尺寸;C为井筒横截面周长,H为展开井筒段高度;Dm为成像展开图中的测量目标径向尺寸,Lm为成像展开图中的测量目标轴向尺寸;hm为成像展开图的轴向竖直宽度,dm为成像展开图的径向水平长度。

基于以上原理和方法,应用Matlab软件设计了视频测井解释处理软件,不仅可以通过视频测井系统实时获取井壁高清视频图像,而且能够通过解释处理软件进行图形变换和三维建模,进行摄像头标定、偏心校正和坐标变换,将井壁视频转换为井壁360°全景长图,实现多视角观看和目标尺寸测量。

3 应用案例

A井下钻过程中发现钻头跑偏,怀疑与邻井发生井碰,钻具是否进入邻井井眼无法确定,选择采用视频测井技术进行检测诊断。

视频测井系统配接11.8 mm七芯铠装电缆测井车,井口处完成参数设置,调整焦距及灯光至仪器最佳工作状态,以300 m/h的速度下放检测,在72～80 m处发现长约8 m的开窗破损,两井眼清晰可见,原始成像如图4所示。

图4 视频测系统检测效果原图

为更加准确定量获取套管套破损信息,将所测原始视频数据导入视频测井解释软件处理并生成展开图,根据套管尺寸对其进行计算处理,获得破损位置和破损大小等信息。图5为事故井段展开长图,可选择地计算径向和轴向尺寸。根据视频测井所提供的视频资料信息和计算数据反映的井下状况,工程人员制定出相应的处理措施,快速恢复生产。

图5 展开实际效果图

4 结 论

(1)视频测井作为一种新型的井筒检测技术,在油气井井筒检测领域具有广阔的应用前景,在油气井事故检测中具有独特的优势。

(2)针对不同井况,设计相应的测井工艺,对事故井具体情况进行真实检测和实时呈现。

(3)对井壁原始图像进行转换处理,可实现井壁全景观测,对目标尺寸进行精准测量。