視頻測(cè)井圖像處理技術(shù)與應(yīng)用

張斌山,嚴(yán)正國(guó),張郁山,姚強(qiáng),劉興春,孔燕平

(1.西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院,陜西西安710065;2.國(guó)家電投黃河公司青海黃河礦業(yè)有限責(zé)任公司,青海西寧810000;3.中石化江漢石油工程技術(shù)研究院,湖北武漢430000;4.中石化西南石油工程有限公司測(cè)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(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境危害,對(duì)事故井進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)和判斷成為修井恢復(fù)處理的重要環(huán)節(jié)[1-6]。目前常規(guī)檢測(cè)方法主要有電子單多點(diǎn)測(cè)量?jī)x(EMS)、多臂井徑技術(shù)、超聲波測(cè)井,測(cè)量數(shù)據(jù)需后續(xù)解釋處理,不直觀且處理結(jié)果存在多解性和不確定性[2-4]。而視頻測(cè)井技術(shù)能夠直接獲取井內(nèi)真實(shí)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(xiàn)漏測(cè)現(xiàn)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(yīng)性較差且安全風(fēng)險(xiǎn)較大;新型視頻測(cè)井系統(tǒng)借助測(cè)井電纜網(wǎng)絡(luò)高速傳輸技術(shù)和電纜自適應(yīng)特性技術(shù)等,采用普通鎧裝測(cè)井電纜能夠安全獲取井下彩色流暢視頻并實(shí)時(shí)傳輸至地面[9-15]。在此基礎(chǔ)上,研究和應(yīng)用視頻測(cè)井解釋處理技術(shù),對(duì)井下視頻進(jìn)行解釋處理,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)目標(biāo)的定量測(cè)量,為油氣井事故原因的診斷分析和后續(xù)處理工作提供重要依據(jù)。

1 視頻測(cè)井工作原理及儀器性能

視頻測(cè)井技術(shù)是利用面陣傳感器直接獲取井下視頻圖像的一種成像測(cè)井技術(shù)[6-8],能夠?qū)崟r(shí)獲取井下高清彩色全幀率視頻圖像。

1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

視頻測(cè)井系統(tǒng)由地面系統(tǒng)和井下檢測(cè)系統(tǒng)2部分組成,地面系統(tǒng)可以外接顯示器或計(jì)算機(jī)進(jìn)行視頻圖像顯示,同時(shí)可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和實(shí)時(shí)控制。設(shè)備工作時(shí),井下攝像頭模組獲取視頻數(shù)據(jù),然后通過(guò)視頻編碼器壓縮編碼,并由測(cè)井電纜高速傳輸至地面系統(tǒng),視頻數(shù)據(jù)在地面系統(tǒng)中進(jìn)行解碼,同時(shí)將深度和備注信息同步疊加到視頻圖像上,并進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸,由計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

1.2 設(shè)備性能指標(biāo)及其特點(diǎn)

為適應(yīng)井下特殊工作環(huán)境,研制2種系列產(chǎn)品:①全景高清攝像視頻測(cè)井儀,采用廣角攝像頭,達(dá)到攝像頭最大視角范圍,且具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性,基本適應(yīng)油氣井的高溫高壓檢測(cè)環(huán)境;②旋轉(zhuǎn)變焦高清攝像視頻測(cè)井儀,采用球形鏡片與圓柱形鏡片相結(jié)合,能夠針對(duì)具體井壁情況進(jìn)行觀測(cè),并可通過(guò)遠(yuǎn)程綜合控制達(dá)到最佳的觀測(cè)效果。2種系列產(chǎn)品擁有以下特點(diǎn):①可與常規(guī)單芯或多芯鎧裝測(cè)井電纜自適應(yīng)鏈接,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)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(jié)合,配備調(diào)焦與旋轉(zhuǎn)功能,可根據(jù)觀測(cè)環(huán)境對(duì)燈光亮度、焦距、方位進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整,以獲得最佳圖像;③可實(shí)時(shí)顯示井筒及井壁視頻圖像并存儲(chǔ);④所有電路模塊均采用小型化設(shè)計(jì),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(nèi)部溫度壓力長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在儀器正常工作所要求的范圍內(nèi)。

表1所示為視頻測(cè)井系統(tǒng)基本性能指標(biāo)。

2 視頻測(cè)井圖像處理技術(shù)

視頻測(cè)井系統(tǒng)雖能獲取井下全幀率視頻,但攝像機(jī)看到的目標(biāo)大小和物距成反比,在距離未知的情況下無(wú)法對(duì)目標(biāo)大小進(jìn)行判斷,原始圖像是變形和失真的。因此,對(duì)視頻圖像進(jìn)行分析研究前需對(duì)井筒原始成像進(jìn)行數(shù)學(xué)建模校正處理。

表1 視頻測(cè)井系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

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(jī)常數(shù),可以通過(guò)相機(jī)標(biāo)定確定。

圖1為井筒內(nèi)攝像頭成像的原理圖,S0為井筒內(nèi)徑,S=S0,d0為攝像機(jī)像距,將井筒長(zhǎng)度等分為n段,每段長(zhǎng)度為D0。一般情況下,視頻測(cè)井系統(tǒng)在井筒內(nèi)攝像過(guò)程中,攝像頭處于井筒中軸附近。假設(shè)攝像頭中心在管柱中軸上,可根據(jù)圖1(a)所示的中心成像原理來(lái)獲得井內(nèi)圖像,圖1(b)為中心成像平面圖,等距物平面上的物體經(jīng)過(guò)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(jīng)過(guò)偏心成像后的形狀為等距非同心圓。

圖1 井筒內(nèi)成像原理圖

2.2 三維模型建立

井筒成像校正處理:選取長(zhǎng)為h、內(nèi)徑為d的井筒,應(yīng)用Matlab軟件進(jìn)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(zhǎng)度進(jìn)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(duì)位置和相機(jī)在此平面中的位置坐標(biāo)存在關(guān)聯(lián),管柱上任意一點(diǎn)a(x,y,z)的空間坐標(biāo)為

(3)

當(dāng)相機(jī)中心位于管柱中心坐標(biāo)O(0,0,L+H)處時(shí)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(diǎn)在像中的坐標(biāo)為a′(x′,y′)

(4)

而當(dāng)攝像頭偏離井筒中心坐標(biāo)位于坐標(biāo)O′(ox′,oy′,L+H)時(shí),可根據(jù)坐標(biāo)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(diǎn)a在圖像中的坐標(biāo)為a″(x″,y″)

(5)

圖2(b)為井筒中心成像模型,圓環(huán)內(nèi)圖像為井壁成像原始圖像,通過(guò)坐標(biāo)變換,將其特定圓環(huán)內(nèi)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(shí),a點(diǎn)在圖像中的坐標(biāo)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(wú)規(guī)則圖像,通過(guò)偏心矯正,對(duì)各圓進(jìn)行矯正,使其圓心重合。然后根據(jù)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(tài)和大小。

2.3 目標(biāo)定量測(cè)量

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

(7)

式中,Dr為實(shí)際測(cè)量目標(biāo)的徑向尺寸;Dl為實(shí)際測(cè)量目標(biāo)的軸向尺寸;C為井筒橫截面周長(zhǎng),H為展開井筒段高度;Dm為成像展開圖中的測(cè)量目標(biāo)徑向尺寸,Lm為成像展開圖中的測(cè)量目標(biāo)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(zhǎng)度。

基于以上原理和方法,應(yīng)用Matlab軟件設(shè)計(jì)了視頻測(cè)井解釋處理軟件,不僅可以通過(guò)視頻測(cè)井系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取井壁高清視頻圖像,而且能夠通過(guò)解釋處理軟件進(jìn)行圖形變換和三維建模,進(jìn)行攝像頭標(biāo)定、偏心校正和坐標(biāo)變換,將井壁視頻轉(zhuǎn)換為井壁360°全景長(zhǎng)圖,實(shí)現(xiàn)多視角觀看和目標(biāo)尺寸測(cè)量。

3 應(yīng)用案例

A井下鉆過(guò)程中發(fā)現(xiàn)鉆頭跑偏,懷疑與鄰井發(fā)生井碰,鉆具是否進(jìn)入鄰井井眼無(wú)法確定,選擇采用視頻測(cè)井技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)診斷。

視頻測(cè)井系統(tǒng)配接11.8 mm七芯鎧裝電纜測(cè)井車,井口處完成參數(shù)設(shè)置,調(diào)整焦距及燈光至儀器最佳工作狀態(tài),以300 m/h的速度下放檢測(cè),在72～80 m處發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)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(cè)系統(tǒng)檢測(cè)效果原圖

為更加準(zhǔn)確定量獲取套管套破損信息,將所測(cè)原始視頻數(shù)據(jù)導(dǎo)入視頻測(cè)井解釋軟件處理并生成展開圖,根據(jù)套管尺寸對(duì)其進(jìn)行計(jì)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(zhǎng)圖,可選擇地計(jì)算徑向和軸向尺寸。根據(jù)視頻測(cè)井所提供的視頻資料信息和計(jì)算數(shù)據(jù)反映的井下狀況,工程人員制定出相應(yīng)的處理措施,快速恢復(fù)生產(chǎn)。

圖5 展開實(shí)際效果圖

4 結(jié) 論

(1)視頻測(cè)井作為一種新型的井筒檢測(cè)技術(shù),在油氣井井筒檢測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,在油氣井事故檢測(cè)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

(2)針對(duì)不同井況,設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)井工藝,對(duì)事故井具體情況進(jìn)行真實(shí)檢測(cè)和實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。

(3)對(duì)井壁原始圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理,可實(shí)現(xiàn)井壁全景觀測(cè),對(duì)目標(biāo)尺寸進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。