隨鉆遙測成像測井?dāng)?shù)據(jù)處理技術(shù)研究

王家進(jìn) （中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206）

隨鉆遙測成像技術(shù)[1，2]是隨鉆測井中高端技術(shù)，用于識別地層界面變化，進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向作業(yè)，具有常規(guī)測井無法比擬的優(yōu)勢。然而由于圖像信息量較大，常規(guī)無線遙測系統(tǒng)[3，4]信息傳輸速率通常較低，信道容量無法滿足大信息量圖像的實(shí)時(shí)傳輸。因此，要實(shí)現(xiàn)井底地層測量參數(shù)的實(shí)時(shí)成像，就需要對原始圖像信息進(jìn)行處理，即高度壓縮后傳輸。目前國外已有成熟的產(chǎn)品可以應(yīng)用[5]，但其技術(shù)細(xì)節(jié)仍屬商業(yè)秘密。國內(nèi)關(guān)于隨鉆遙測成像技術(shù)的研究，還僅限于方位地層參數(shù)的隨鉆測量技術(shù)及方法研究[6～8]，由于傳輸信道的局限性，還遠(yuǎn)不能達(dá)到連續(xù)實(shí)時(shí)成像的程度。此外，多數(shù)關(guān)于成像測量技術(shù)的研究多側(cè)重于成像原理和成像結(jié)果的應(yīng)用[9～13]，可應(yīng)用的成熟技術(shù)多針對于常規(guī)有纜測井成像[14～16]，并不適用于無線隨鉆實(shí)時(shí)傳輸。無線傳輸信道具有低速特點(diǎn) （通常為每秒數(shù)個(gè)比特），所能實(shí)時(shí)傳輸?shù)男畔⒘糠浅Ｓ邢?，常?guī)圖像壓縮方法[14～16]難于湊效。為此，筆者從研究隨鉆遙測成像測井的特征入手，通過提取圖像特征點(diǎn)，將圖像高度壓縮，然后對經(jīng)由無線遙測系統(tǒng)傳到地面的高度壓縮圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重構(gòu)，來解決隨鉆遙測成像的實(shí)時(shí)傳輸問題。

1 隨鉆遙測成像測井圖像特征提取

1.1 隨鉆遙測成像測井?dāng)?shù)據(jù)圖像描述方法

地層剖面特性決定了隨鉆井壁或井周成像普遍具有如下特點(diǎn)：連續(xù)、緩變、周向閉合。緩變的圖像可以由控制點(diǎn)描述，以實(shí)現(xiàn)圖像信息的高度壓縮?？刂泣c(diǎn)的選取以能反映緩變圖像邊界為準(zhǔn)，如果圖像突變，可以反映圖像的明顯變化。由于通常同一地層內(nèi)圖像變化幅度不大，僅在地層邊界附近圖像會(huì)有劇烈變化，因此這些控制點(diǎn)多能反映地層界面或?qū)傩缘母淖?，這對于實(shí)現(xiàn)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井作業(yè)具有重要意義。

常規(guī)測井圖像是由若干測量參數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)經(jīng)過映射著色后繪制而成，直接傳輸圖像并不合適，因?yàn)閳D像信息要比數(shù)據(jù)信息大很多。因此，該次研究在討論圖像壓縮時(shí)，并不是傳統(tǒng)意義上的色彩圖像，而是一個(gè)數(shù)據(jù)圖像，由數(shù)據(jù)構(gòu)成，而不是色點(diǎn)。測量探頭在某一時(shí)點(diǎn)或深度點(diǎn)完成一周測量后獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)在極坐標(biāo)系內(nèi)可以構(gòu)成一條閉合曲線s，不同時(shí)點(diǎn)或深度點(diǎn)所測得的一系列閉合曲線就形成了一個(gè)類似柱面的柱形曲面，如圖1所示。隨著時(shí)間推移或深度變化，圖像是沿時(shí)間軸 （t）或深度軸 （l）不斷延伸。

通常井底儀器只能得到以時(shí)點(diǎn)為縱軸的圖像，需要進(jìn)行時(shí)－深轉(zhuǎn)換，才能得到反映地層空間變化的圖像。在實(shí)際傳輸時(shí)，進(jìn)行圖像特征提取只能基于時(shí)軸坐標(biāo)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)圖像特征提取時(shí)，以該時(shí)點(diǎn)的掃描采樣曲線為對象，抽取表征該曲線的特征點(diǎn)進(jìn)行傳輸，在隨后的傳輸中，選擇某時(shí)點(diǎn)要傳輸?shù)某闃狱c(diǎn)時(shí)，剔除與上次傳輸抽樣點(diǎn)位置和數(shù)值都相近的點(diǎn)。為完整描述數(shù)據(jù)圖像在周向與縱向二緯尺度上的變化，可分2個(gè)步驟進(jìn)行圖像特征的提?。阂皇菍δ骋粫r(shí)間點(diǎn) （對應(yīng)某一深度）的周向掃描采樣曲線進(jìn)行特征提??；二是對某一方向不同時(shí)點(diǎn) （對應(yīng)該方向不同深度）進(jìn)行縱向曲線特征提取。

1.2 周向采樣曲線特征提取

為避免采樣噪聲干擾，在處理數(shù)據(jù)集之前都要經(jīng)過濾波處理，由于地層屬性的測量數(shù)值通常是緩變的，即便在邊界處測量數(shù)值也存在過渡帶，因此一個(gè)適當(dāng)?shù)牡屯V波器是去除噪聲干擾的好方法。經(jīng)過濾波平滑后的周向采樣曲線在極坐標(biāo)系內(nèi)表現(xiàn)為一條閉合曲線，對于均質(zhì)地層這條閉合曲線可以近似一個(gè)圓 （圖2（a））；對于各向異性地層，則會(huì)出現(xiàn)扭曲 （圖2（b））。在地層界面處，該曲線的形狀與井眼軸線和地層界面夾角有關(guān)，非垂直相交時(shí)，大體上表現(xiàn)為類似梨形的不規(guī)則橢圓形狀 （圖2（c））。因此該類曲線特征的提取以能夠反映曲線曲率的突變?yōu)橹鳌Ｈ鐖D2（c）所示，可取曲率變化梯度拐點(diǎn)（圖2中1～4）為特征點(diǎn)，而且如果曲線具有對稱性，可以只取一半曲線的特征點(diǎn)來描述該曲線，進(jìn)一步壓縮曲線信息。為防止曲線抖動(dòng)增加曲線描述的復(fù)雜性，可以設(shè)置一個(gè)閾值，僅將曲率變化量連續(xù)（一定區(qū)間）超過閾值的拐點(diǎn)標(biāo)記為特征點(diǎn)。事實(shí)上，可以設(shè)計(jì)一個(gè)合理的積分－微分濾波器，該濾波器可以過濾小的抖動(dòng)、保留大的起伏，濾波后超過一定數(shù)值的曲線極點(diǎn)可以作為曲線特征點(diǎn)的提取依據(jù)。

圖1 隨鉆測井?dāng)?shù)據(jù)圖像

圖2 周向掃描采樣曲線

1.3 縱向采樣曲線特征提取

與常規(guī)測井曲線一樣，縱向曲線的變化特征與地層沿井眼軸向的層序變化有關(guān)，在均質(zhì)地層內(nèi)表現(xiàn)直線，非均質(zhì)地層內(nèi)存在波動(dòng)，地層界面處有起伏 （圖3）。因此縱向曲線的特征提取以能夠識別曲線起伏為主。同樣，為防止曲線抖動(dòng)增加曲線描述的復(fù)雜性，也可以設(shè)置一個(gè)閾值，僅將數(shù)值變化量連續(xù) （一定區(qū)間）超過閾值的拐點(diǎn)標(biāo)記為特征點(diǎn)。與提取周向采樣曲線特征點(diǎn)的方法類似，也可以用濾波的方法提取特征點(diǎn)。如圖3所示，所提取的特征點(diǎn)1～4用于描述曲線起伏形態(tài)。

1.4 特征點(diǎn)合并

圖3 縱向采樣曲線

經(jīng)過上述2個(gè)步驟，提取的周向曲線與縱向曲線特征點(diǎn)相比原始測量數(shù)據(jù)已經(jīng)大幅降低，但這2個(gè)途徑所得到特征點(diǎn)中可能包含重復(fù)點(diǎn)或位置相近且數(shù)值相近的點(diǎn)，可以將這些點(diǎn)合并為一個(gè)點(diǎn)，進(jìn)一步壓縮數(shù)據(jù)?；诘貙訙y量數(shù)據(jù)的緩變特征，經(jīng)過上述步驟處理后的數(shù)據(jù)被大幅度壓縮，可以經(jīng)由數(shù)據(jù)傳輸速率較低的隨鉆遙測系統(tǒng)傳輸通道上傳到地面上來。

2 成像數(shù)據(jù)的圖像重構(gòu)

如上所述，井下所測量的地層信息被高度壓縮，這個(gè)過程損失許多地層細(xì)微信息，屬于有損壓縮，因此在地面接收到這些壓縮數(shù)據(jù)后，需要對地層信息進(jìn)行重構(gòu)，這個(gè)過程是圖像復(fù)原過程。與常規(guī)圖像重構(gòu)過程[17～20]有所不同，所接收到的數(shù)據(jù)為描述地層的特征點(diǎn)，這些點(diǎn)表現(xiàn)為一系列稀落的不規(guī)則散點(diǎn)，在進(jìn)行成像著色之前，需要進(jìn)行網(wǎng)格化插值處理。網(wǎng)格化插值方法有很多種，如Shepard法、反距離平均法、線性插值三角網(wǎng)格法、Kriging法等[21～25]。這些插值方法各有特點(diǎn)，該次研究不討論這些插值方法的細(xì)節(jié)，只討論圖像重構(gòu)過程。在利用得到的不規(guī)則散點(diǎn)進(jìn)行圖像重構(gòu)時(shí)，采用了三角網(wǎng)/線形插值法，因?yàn)樵摬逯捣椒軌驀?yán)密遵守特征數(shù)據(jù)點(diǎn)約束，而且計(jì)算簡單，容易實(shí)現(xiàn)。由于特征數(shù)據(jù)點(diǎn)較稀少，嚴(yán)格尊重?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)的約束對于復(fù)原原始圖像是十分必要的。另外，該插值方法便于實(shí)現(xiàn)局部插值，而不必對整體數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，這對于實(shí)時(shí)圖像處理而言具有重要意義。唯一不足的是得到的圖像在插值點(diǎn)處不光滑，不過該現(xiàn)象可以通過一個(gè)高斯平滑濾波處理來消除。

需要注意的是，曲面是周向閉合的，而在進(jìn)行插值處理時(shí)是在展開曲面上進(jìn)行的，即以方向（角）為橫坐標(biāo)、時(shí)間或深度為縱坐標(biāo)的二維空間上進(jìn)行。插值處理后的圖像不能夠保證在周向邊界連續(xù)，為避免該現(xiàn)象，根據(jù)特征數(shù)據(jù)點(diǎn)在圓周上具有周期性特征，將數(shù)據(jù)點(diǎn)沿方向坐標(biāo) （周向）進(jìn)行周期延拓，比如分別向左、右延拓一個(gè)周期 （圖4中－360～0°，360～720°區(qū)域），然后對延拓后數(shù)據(jù)點(diǎn)集進(jìn)行插值處理，并限定在延拓前的周期 （圖4中0～360°區(qū)域）內(nèi)的插值結(jié)果為最終結(jié)果，則可以確保該周期內(nèi)的插值結(jié)果在橫向邊界上的連續(xù)性。為了減少計(jì)算量，可不對延拓周期進(jìn)行網(wǎng)格化計(jì)算，僅利用該區(qū)域內(nèi)的散點(diǎn)數(shù)據(jù)作為插值約束點(diǎn)，網(wǎng)格化處理僅對延拓前的區(qū)域進(jìn)行。

圖4 圖像重構(gòu)數(shù)據(jù)周期延拓

3 應(yīng)用效果

數(shù)據(jù)圖像經(jīng)過著色處理后即可成像。圖5（a）是原始數(shù)據(jù)成像結(jié)果，該圖由8×16個(gè)原始數(shù)據(jù)繪制而成，圖5（b）是根據(jù)上述方法提取到的22個(gè)特征點(diǎn) （圖5（b）中白色點(diǎn)）重構(gòu)而成；對比圖5（a）和圖5（b）不難發(fā)現(xiàn)，重構(gòu)圖像與原始圖像基本一致，其數(shù)據(jù)信息壓縮比超過1∶5，大部分變化幅度較小的數(shù)據(jù)被過濾掉。

4 結(jié)論與認(rèn)識

通過在周向和縱向上對圖像進(jìn)行特征提取，可以壓縮掉大部分?jǐn)?shù)據(jù)變化程度不明顯的數(shù)據(jù)信息。壓縮后圖像數(shù)據(jù)量大幅度降低。壓縮數(shù)據(jù)在周向上進(jìn)行周期延拓，可以確保壓縮數(shù)據(jù)網(wǎng)格化插值處理后在橫向邊界保持連續(xù)性。特征點(diǎn)提取需要反映圖像的變化，如果圖像變化復(fù)雜，則特征點(diǎn)增多，數(shù)據(jù)壓縮效果會(huì)降低。由特征點(diǎn)重構(gòu)的圖像只保留了圖像變化明顯的信息，不明顯的信息被壓縮掉，因此該圖像壓縮方法屬于有損壓縮。

圖5 原始數(shù)據(jù)成像與特征點(diǎn)重構(gòu)圖像對比

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