新型巖屑/掉塊實時感測技術(shù)研究

(中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營 257017)①

在鉆井過程中，巖屑運移效率與井眼清洗質(zhì)量密切相關(guān)，尤其是在井壁不穩(wěn)定的情況下，井眼清洗質(zhì)量更低。井眼清洗質(zhì)量低會引發(fā)卡鉆、轉(zhuǎn)矩和摩阻過大，機械鉆速低、BHA損壞、固井質(zhì)量差等一系列問題，不僅會增加鉆井成本，而且還會危及施工人員安全。

地面固相監(jiān)測有助于井眼清洗質(zhì)量評價。傳統(tǒng)方法是通過泥漿錄井人員人工持續(xù)監(jiān)測振動篩上的巖屑，評價巖屑的回收效率。這是一個枯燥和勞動密集的過程，缺乏徹底的、結(jié)構(gòu)化的方法，且不能量化巖屑返出體積。此外，泥漿錄井人員長時間暴露在戶外鉆井現(xiàn)場，健康和安全都受到影響。1998年，M. Naegal等人利用巖屑流量計，基于巖石密度精確測量巖屑返出體積[1]；2014年，斯倫貝謝公司推出了基于巖屑流量計的實時巖屑監(jiān)測系統(tǒng)，可計算干燥巖屑的體積和理論返出體積，通過對比得到巖屑回收百分比。由于多種因素影響，當(dāng)量干燥巖屑比的精度受到質(zhì)疑，而且該系統(tǒng)不能檢測掉塊、分析顆粒大小分布或識別掉塊形狀[2]。2010年，Marana等人利用安裝在振動篩上的高清晰度相機捕獲巖屑圖像，經(jīng)過分析處理可量化巖屑濃度，但不能量化巖屑體積、顆粒大小或形狀，且也不能將巖屑與掉塊區(qū)分開來[3]；2013年，Graves和Rowe申請的一項專利，描述了應(yīng)用計算機視覺系統(tǒng)監(jiān)測返出巖屑性能特點的井下巖屑分析系統(tǒng)，可實時分析巖屑顆粒大小分布、體積和形狀，但沒有介紹2D/3D視覺技術(shù)，也沒有提到巖屑運移模型[4]。為了實現(xiàn)巖屑/掉塊的自動化監(jiān)測，提高鉆井效率，改善作業(yè)安全，德克薩斯大學(xué)的研究人員利用最新的3D視覺技術(shù)開發(fā)了新型巖屑/掉塊實時感測系統(tǒng)[5]，可實現(xiàn)巖屑/掉塊體積、顆粒大小和形狀的實時量化分析，生成3D剖面，并利用設(shè)計的實體測試平臺，室內(nèi)測試了規(guī)則目標(biāo)和真實巖屑，獲得了大量寶貴的數(shù)據(jù)，為后續(xù)現(xiàn)場測試和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。為推動我國巖屑/掉塊自動化監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，筆者對該研究結(jié)果進(jìn)行了介紹。

1 計算機視覺技術(shù)

3D視覺技術(shù)能夠測量目標(biāo)表面和傳感器參考位置之間的物理距離，可應(yīng)用多種技術(shù)進(jìn)行距離測量、3D建模、目標(biāo)檢測和諸多其他測量應(yīng)用。在過去的10 a中，隨著光子學(xué)、電子學(xué)和計算機視覺技術(shù)的進(jìn)步，3D感測技術(shù)在距離測量、3D掃描和自動化系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用。3個主要深度感測技術(shù)為立體視覺、飛行時間和結(jié)構(gòu)光。

1.1 立體視覺

立體視覺技術(shù)與人的雙眼視覺相似，使用2個水平固定間隔布置的電荷耦合裝置相機，通過分析兩個圖像的差，可以計算出相對深度。

為計算目標(biāo)P的深度Z，用UL和UR表示2個圖像平面上P投影的x坐標(biāo)。UL=f·x/z，UR=f·(x-b)/z，f為照相機焦距。由式d=UL-UR=f·b/z計算差值d；然后由式Z=f·b/d計算目標(biāo)P和立體傳感器之間的實際距離。

傳感器的深度分辨率取決于照相機的焦距、圖像分辨率和基線。為了應(yīng)用多特征檢測對比2個圖像，立體視覺需要長時間計算，因此，低頻率下進(jìn)行靜態(tài)目標(biāo)3D掃描更為合適[6]。立體視覺工作原理如圖1所示。

圖1 立體視覺工作原理

1.2 飛行時間

3D飛行時間(ToF)相機通過發(fā)射至目標(biāo)的調(diào)制光和觀察反射光測量至目標(biāo)的距離，基本概念如圖2所示?？梢圆捎?種方法計算目標(biāo)的距離，其一是基于光速測量反射時間并計算距離；另一個是將發(fā)射信號和接收信號之間的相位位移轉(zhuǎn)換為距離。大多數(shù)的照射光源使用固態(tài)激光器或發(fā)光二極管。為了探測發(fā)射信號和接收信號之間的相位位移，可使用脈沖或連續(xù)波調(diào)制信號。ToF 3D視覺系統(tǒng)的優(yōu)勢在于快速的計算速度、高分辨率和低成本。然而，如果發(fā)射光波長在背景光波長的范圍之內(nèi)，那么探測靈敏度可能會降低[7]。

圖2 3D飛行時間相機工作示意

1.3 結(jié)構(gòu)光

結(jié)構(gòu)光的工作原理是投射1條光帶到目標(biāo)的表面上。1個或多個相機用于觀察被照表面上扭曲的光圖案[8]。圖3a顯示了1個單一相機結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)，1個投影機發(fā)射1束有圖案的光到目標(biāo)，投影機的每個像素都有投影圖案的特定局部配置[9]。通過對比目標(biāo)表面上扭曲的投影圖案，利用各種算法可計算出目標(biāo)表面的3D幾何形狀或剖面。

產(chǎn)生條狀圖案主要有激光干擾和投影技術(shù)2種方法。激光掃描技術(shù)發(fā)射單一的激光條，線條圖案中具有規(guī)則的且等距的點；然后，通過三角測量方法精確地計算目標(biāo)表面的高度，如圖3b。激光干擾可在高頻率下掃描，受到環(huán)境照明條件的影響較小。投影技術(shù)發(fā)射帶有彩色編碼網(wǎng)格的非相干光[10]，如圖3c。每次不是掃描1個線條，而是在目標(biāo)表面上進(jìn)行抓拍。與激光干擾技術(shù)相比，編碼投影探測靈敏度受到環(huán)境照明條件的影響較大。

立體視覺、結(jié)構(gòu)光和飛行時間3項技術(shù)在深度精度、掃描速度、距離范圍 、低照度性能、室外性能、軟件復(fù)雜性和成本等方面的優(yōu)劣勢對比如表1[11]。

表1 3D視覺技術(shù)對比

2 新型巖屑/掉塊實時感測系統(tǒng)

為了開發(fā)新型實時巖屑/掉塊感測系統(tǒng)，需綜合考慮諸多因素，應(yīng)滿足以下要求：

1) 實現(xiàn)自動化實時測量。

2) 確定測量目標(biāo)。巖屑/掉塊體積、顆粒大小分布和形狀。

3) 部件數(shù)量少，易于安裝。

4) 可靠性強。振動篩系統(tǒng)為一個臟亂環(huán)境，高壓清洗、鉆井液溢出、高振動級別、高溫油或水蒸氣、安裝空間有限和天氣狀況多變等都會挑戰(zhàn)高端系統(tǒng)的完整性和可靠性。

5) 不干擾鉆井作業(yè)。最佳安裝位置應(yīng)選擇在巖屑斜坡的上面，巖屑由此開始向下滑動進(jìn)入收集坑，速度相對穩(wěn)定，且該安裝位置與振動篩系統(tǒng)的臟亂環(huán)境隔離開來，受振動篩系統(tǒng)的影響較小。

6) 滿足安全要求。根據(jù)德克薩斯州職業(yè)安全與保健管理總署規(guī)定，振動篩周邊為有害工作區(qū)域，電子設(shè)備均需安裝防爆外殼。

在對比各項技術(shù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)選市面上的一些3D結(jié)構(gòu)光相機和2D/3D激光輪廓掃描儀，對實時巖屑測量的可行性進(jìn)行了測試評價，如表2。

表2 3D深度傳感器特性

2.1 實體設(shè)計

新型實時巖屑/掉塊感測系統(tǒng)可實時精確測量巖屑/掉塊的體積、顆粒大小和形狀，實體測試平臺如圖4所示。

Gocator 2380激光輪廓掃描儀可實現(xiàn)巖屑的深度剖面測量，基于測量范圍，z方向分辨率為0.092～ 0.488 mm，x方向分辨率為0.375～1.100 mm。防爆鋁制外殼尺寸為272 mm×49 mm×75 mm(L×W×H)。為產(chǎn)生詳細(xì)的移動巖屑3D剖面，選擇Point Grey Blackfly 2D HD相機捕獲高分辨率圖像，通過圖像處理技術(shù)，測量巖屑移動速度并分析顆粒大小分布[5]。

圖4 巖屑監(jiān)測測試平臺

2.2 軟件設(shè)計

巖屑分析軟件選擇微軟公司的Visual Studio作為編程環(huán)境，C++作為編程語言。Visual Studio允許Gocator 2380激光輪廓掃描儀和Point Grey Blackfly HD 相機的同時控制。同時，每個傳感器的開放源SDK庫可被添加到Visual Studio及開放源計算機視覺和微軟公司的Direct3D圖像處理庫中。巖屑分析軟件架構(gòu)如圖5所示，說明了軟件系統(tǒng)的控制水平，并指出了每個電子元器件和數(shù)據(jù)流的作用。詳細(xì)步驟如下：

1) Point Grey 2D HD照相機和Gocator 2380激光輪廓掃描儀通過Visual Studio觸發(fā)。

2) 在某一個固定的分辨率和掃描頻率下對Point Grey Blackfly 2D HD照相機和Gocator 2380激光輪廓掃描儀進(jìn)行校準(zhǔn)。

3) 高分辨率2D圖像通過吉比特以太網(wǎng)被回傳給通訊接口。

4) 通過createBackgroundSubtractorMOG、findContours和computeCentroid等計算機視覺算法，計算巖屑移動速度。

5) 通過計算機視覺算法(如Canny邊緣檢測、counterArea等)產(chǎn)生巖屑顆粒大小分布，并存儲數(shù)據(jù)以供顯示。

從預(yù)算編制自身角度來說，主要指企業(yè)在今后一段期限內(nèi)，對自身運營情況、資金流動及財務(wù)管理狀況加以統(tǒng)一規(guī)劃，以此實現(xiàn)對企業(yè)運營成本的科學(xué)把控，促進(jìn)企業(yè)運營目標(biāo)的快速實現(xiàn)，給企業(yè)創(chuàng)造理想的效益。在此過程中，需要采取一系列完善對策，提升企業(yè)資產(chǎn)應(yīng)用效率，讓企業(yè)內(nèi)部資金得到優(yōu)化。同時在企業(yè)預(yù)測范疇內(nèi)，增強企業(yè)風(fēng)險處理能力，引導(dǎo)企業(yè)健康發(fā)展。在進(jìn)行預(yù)算編制時，可以借助財務(wù)報表來實現(xiàn)預(yù)算管理，同時科學(xué)設(shè)定改進(jìn)對策，從而保障預(yù)算編制結(jié)果。企業(yè)在全面落實預(yù)算編制工作之后，能夠精準(zhǔn)的掌握資產(chǎn)應(yīng)用狀況，對企業(yè)運營環(huán)節(jié)中潛在的風(fēng)險進(jìn)行評估，并采取對應(yīng)的防范對策，減少風(fēng)險給企業(yè)帶來的影響。

6) 2D剖面深度數(shù)據(jù)通過吉比特以太網(wǎng)以原始數(shù)據(jù)點的形式被回傳給通訊接口。

7) 利用測量速度和2D剖面數(shù)據(jù)計算體積并重建3D剖面。

8) 實時或離線模式下重建3D剖面。

9) 存儲3D剖面數(shù)據(jù)。

圖5 巖屑分析軟件架構(gòu)

3 室內(nèi)試驗

為了評價計算機視覺技術(shù)，并在計算巖屑體積時獲得一個孔隙空間校正試驗閾值，德克薩斯大學(xué)的研究人員利用設(shè)計的實體測試平臺進(jìn)行了試驗。整個試驗包括規(guī)則形狀目標(biāo)測試和真實巖屑測試2部分。測試規(guī)則形狀目標(biāo)的目的是驗證體積測量值和檢測到的移動速度之間的關(guān)系，因為規(guī)則形狀目標(biāo)或者有固定的孔隙空間比或者沒有孔隙空間。3個規(guī)則形狀目標(biāo)分別為乒乓球(半徑40 mm)、鋁條(15 mm×30 mm ×70 mm)和鋁棒(外徑25 mm, 長100 mm)；真實巖屑取自于現(xiàn)場的相同地層，如圖6所示。巖屑形狀是隨機的，顆粒大小分布相對一致。巖屑組分70%為頁巖，30%為砂巖。試驗是在傾斜角度分別為45°、50°、60°、70°和75°的斜坡(圖4c)上向下滑動各種樣品完成的。

圖6 規(guī)則形狀目標(biāo)和真實巖屑樣品示意

3.1 規(guī)則形狀目標(biāo)

2D激光輪廓掃描儀僅產(chǎn)生目標(biāo)表面的深度數(shù)據(jù)，因此，頂部表面之下的垂直空間也包括在體積計算之中。3個規(guī)則形狀目標(biāo)(球、立方體和棒)的尺寸已知，高估的體積比可按式(1)計算。

φ立方體=0

(1)

將得到的高估體積比用于校正規(guī)則形狀目標(biāo)的測量體積。

(2)

3個規(guī)則形狀目標(biāo)試驗測量值的體積誤差百分比如表3。

表3 規(guī)則形狀目標(biāo)體積測量誤差百分比

從表3可以看出，規(guī)則形狀目標(biāo)體積平均測量誤差小于3%。試驗過程中改變了目標(biāo)的移動速度，證實速度測量值算法和體積計算相對可靠和準(zhǔn)確。此外還證實選擇的計算機視覺技術(shù)在試驗室環(huán)境下能夠追蹤目標(biāo)的移動速度和測量體積。

3.2 真實巖屑

與規(guī)則形狀目標(biāo)相比，巖屑形狀不規(guī)則，大小不一，使得移動巖屑理論孔隙空間閾值無法計算?？紫犊臻g閾值對于精確的體積估算極為關(guān)鍵。而且，不同數(shù)量的巖屑以不同的速度沿著斜坡向下移動。高估體積百分比與巖屑實際體積和巖屑移動速度之間的關(guān)系如圖7～8所示。

圖7 高估體積百分比與巖屑實際體積之間的關(guān)系

圖8 高估體積百分比與巖屑移動速度之間的關(guān)系

而在巖屑移動速度、巖屑樣品顆粒大小和計算的體積之間沒有發(fā)現(xiàn)明顯的相關(guān)性。從圖7～8中可以看出，高估體積百分比介于30%～45%。圖8中計算的平均體積分?jǐn)?shù)為37.18%，這是一個試驗閾值，可被用來校正試驗室環(huán)境下干燥巖屑的體積測量值。

圖9為重建的沿斜坡向下移動巖屑的3D剖面。3D剖面數(shù)據(jù)可被用于檢測大的掉塊和分析掉塊的形狀。掉塊的形狀可被分為管形、角形和碎片形狀[12](如表4)。掉塊的形狀表明了井壁坍塌的機理。基于長度、寬度和厚度，可測量掉塊的大小。掉塊提供了可能的井壁不穩(wěn)定性、地層超壓和綜合井眼特性的指示。欠平衡鉆井、應(yīng)力釋放、預(yù)先存在的薄弱(截)面或鉆井工具的機械作用都可能引起掉塊。鉆井過程中的實時掉塊監(jiān)測可避免非生產(chǎn)時間，有助于優(yōu)化鉆井性能。

圖9 移動巖屑3D剖面

4 結(jié)論

1) 新型巖屑/掉塊感測技術(shù)是一項創(chuàng)新技術(shù)，利用最新的3D視覺技術(shù)使巖屑/掉塊的自動化監(jiān)測成為可能，可實現(xiàn)巖屑/掉塊的體積、顆粒大小和形狀的自動量化分析，有助于避免非生產(chǎn)時間，優(yōu)化鉆井性能。

2) 室內(nèi)規(guī)則目標(biāo)測試驗證了新型巖屑/掉塊感測系統(tǒng)的體積測量精度，真實巖屑測試獲得了孔隙空間校正試驗閾值，可用于試驗室環(huán)境下干燥巖屑的體積測量校正。

3) 未來的研究工作要進(jìn)行現(xiàn)場試驗，但現(xiàn)場條件下的巖屑/掉塊覆有鉆井液，且照明條件多變，建議主要工作集中在以下幾個方面：①形狀描述和分析——隨著巖屑/掉塊表面3D模型的重建，可開發(fā)基于長度、寬度、厚度和拐角描述掉塊形狀的新型計算機視覺算法，允許系統(tǒng)自動檢測掉塊和識別井眼不穩(wěn)定性?；谔卣鞯臏?zhǔn)則和現(xiàn)代機械學(xué)習(xí)算法將會被考慮；②現(xiàn)場試驗——速度追蹤視覺算法(背景差減法)取決于調(diào)整的改變照明環(huán)境的某種參數(shù)，因此，在不同的照明條件下，在實際鉆機上測試該算法極為關(guān)鍵。而且，現(xiàn)場試驗對于評價臟亂環(huán)境和氣候下的穩(wěn)健性并收集用戶反饋也是必要的；③巖屑/掉塊顆粒大小和形狀模型——不同的鉆頭產(chǎn)生的巖屑/掉塊形狀也不同，因此，為了理論估算巖屑/掉塊孔隙空間比，基于各種鉆頭類型開發(fā)一個模型極為必要。另外，為了獲得合適的經(jīng)驗孔隙空間校正比，現(xiàn)場試驗中需要收集3D深度數(shù)據(jù)；④巖屑/掉塊運移模型——為了能夠?qū)崟r持續(xù)對比巖屑/掉塊測量體積和理論返回體積之間的差，有必要結(jié)合集成了巖屑/掉塊運移與流體運移模型和鉆柱力學(xué)的瞬時巖屑/掉塊運移模型，基于流體黏度、流速和井眼軌跡等鉆井參數(shù)估算巖屑/掉塊運移速度和時間，從而將巖屑顆粒大小分布和掉塊與產(chǎn)生巖屑/掉塊的地層深度和時間聯(lián)系起來。

表4 掉塊類型總結(jié)