VideoLog可視化測井系統(tǒng)在套管錯斷檢測中的應用

嚴正國，張斌山，譚哲宇，張郁山

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(yè)有限責任公司 （青海 西寧 810000）

套管錯斷主要是由于巖石層發(fā)生應力變化或巖石斷裂而引起的套管損壞問題，一直以來都是石油生產監(jiān)測和套管故障診斷領域的重要問題之一。原有的同軸電纜井下電視和光纖井下電視現(xiàn)場操作性和環(huán)境適應性差，作業(yè)難度高，需要配接專用電纜。鷹眼井下電視雖克服了井眼環(huán)境和施工條件等方面的諸多限制，但依然受到測井電纜傳輸帶寬和傳輸速率的制約，不能傳輸流暢的彩色視頻圖像［4-5］。介紹了一種借助測井電纜網(wǎng)絡高速傳輸技術研制的測井電纜網(wǎng)絡高清視頻成像測井系統(tǒng)，并應用于油田現(xiàn)場套管檢測，能夠配接國產7芯鎧裝電纜，流暢傳輸高清彩色視頻圖像至地面，通過可視化測井系統(tǒng)觀測，井下情況一目了然。

1 可視化測井技術

1.1 可視化測井技術

可視化測井技術（Visual Logging）是指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，2017年12月23日，在西安舉行的“2017可視化測井與套管井診斷修復前沿技術研討會”上首次正式提出此概念，其內容包括可見光井下電視（Downhole Video），短波紅外（SWIR）井下電視和X光井下電視（Visual Xray）［1-3］，目前主要集中在可見光井下電視領域。

1963 年，T.R.Reinhart［9］介紹了一種采用外徑為14.29 mm的雙層鎧裝同軸電纜來鏈接和傳輸?shù)木码娨?，能夠流暢傳輸黑白模擬視頻圖像。所采用測井儀器外徑為16.8 mm（3/4″），最大測井深度為4 600 m，最高耐壓為344.75 MPa(5 000 psi)，最高耐溫達48.89℃（120℉），但由于需要專用電纜等原因，現(xiàn)場施工難度較大。

1992年 C.C.Cobb等人［10］介紹了一種利用外徑為9.56 mm（7/32″）的光纖測井電纜實時傳輸黑白模擬視頻圖像的測井系統(tǒng)。所采用儀器外徑為17.46 mm（11/16″），最高耐壓達 689.5 MPa（10 000 psi），適用于井口帶壓作業(yè)，且圖像清晰流暢，實時性好，但需要配備專用電纜和測井車，需要空運設備等，使其本地化施工能力差。

1999年，J.L.Whittker等人介紹了一種采用普通鎧裝測井電纜的鷹眼井下電視測井系統(tǒng)，適用于水平井連續(xù)油管作業(yè)［11］,具有耐高溫、耐高壓、強抗腐蝕性等特點。但由于測井電纜傳輸帶寬的限制，只能傳輸黑白圖像，第一代產品視頻幀率僅為3.5 s/f。經(jīng)過幾代改進后提高到了1.7 s/f，1.1 s/f。

2015年，EVCAM采用最新的井下視頻技術研制成功Optis HD Electric Line井下電視測井系統(tǒng)。能夠在單芯和多芯測井電纜上實時傳輸彩色高清視頻，傳輸速率超過 200 kb/s，最大幀率可達 25 f/s［12］。

2017年，西安石油大學的嚴正娟等介紹了一種測井電纜網(wǎng)絡高清可視化測井系統(tǒng)，可實現(xiàn)彩色全幀率高清網(wǎng)絡視頻在普通單芯或多芯鎧裝測井電纜上的實時傳輸［3］，將測井電纜可視化測井技術帶入網(wǎng)絡時代。

1.2 可視化測井系統(tǒng)

可視化測井系統(tǒng)是由西安石油大學光電油氣測井與檢測國家教育部重點實驗室成功研制，主要由地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)兩部分組成，能夠將井下狀況實時傳輸至地面并呈現(xiàn)，具有直觀真實、高效可靠、信息量大等優(yōu)點。相比于傳統(tǒng)解釋成像技術，可視化測井借助測井電纜網(wǎng)絡高速傳輸技術提高了電纜傳輸速率，克服了影響測井電纜井下電視應用效果和制約測井電纜井下電視技術發(fā)展的關鍵技術瓶頸，實驗和現(xiàn)場應用表明，可視化測井系統(tǒng)可在5 500 m測井電纜上傳輸幀率為25 f/s的高清彩色視頻，傳輸速率超過2 Mb/s。另外，可視化測井結合最先進的電纜自適應特性技術、高頻帶利用率的調制和編碼技術、數(shù)據(jù)壓縮和檢糾錯編碼技術以及標準以太網(wǎng)接口、TCP/IP協(xié)議，解決了網(wǎng)絡連接通用性差、兼容性差的難題，可配接不同類型、不同長度的單芯或多芯鎧裝測井電纜，實時傳輸彩色全幀率網(wǎng)絡高清視頻，降低了工程作業(yè)量和實際應用成本。

基于測井電纜網(wǎng)絡高速傳輸技術的可視化測井系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 測井電纜可視化測井系統(tǒng)框圖

井下檢測系統(tǒng)是井下網(wǎng)絡視頻圖像的采集、編碼和傳輸裝置。其外形和結構是根據(jù)井眼的尺寸、溫度、壓力等環(huán)境要求而設計的。井下檢測系統(tǒng)是依靠井下檢測系統(tǒng)和測井電纜的自重下放到目標深度的。

測井電纜的作用包括承載井下檢測系統(tǒng)重量并下放井下檢測系統(tǒng)，地面系統(tǒng)向井下檢測系統(tǒng)供電，地面系統(tǒng)與井下檢測系統(tǒng)進行高速網(wǎng)絡通信的介質。

地面系統(tǒng)主要功能包括通過測井電纜向井下檢測系統(tǒng)供電，與井下測井系統(tǒng)通過測井電纜進行高速網(wǎng)絡通信，獲取網(wǎng)絡視頻數(shù)據(jù)流并解碼，電纜測深、字符疊加、錄像存儲等。并提供視頻顯示器接口與網(wǎng)絡訪問接口。

光電編碼器與測井絞車的電纜深度測井系統(tǒng)連接，向地面系統(tǒng)提供深度信號編碼脈沖。

液晶顯示儀用于顯示解碼和字符疊加后的視頻圖像。

計算機與地面系統(tǒng)通過有線或無線網(wǎng)絡連接，可對網(wǎng)絡視頻編碼系統(tǒng)、深度測量系統(tǒng)、視頻解碼系統(tǒng)、字符疊加系統(tǒng)進行設置和控制，可實時預覽、存儲和回放視頻圖像。

1.3 井下檢測系統(tǒng)

井下檢測系統(tǒng)是可視化測井系統(tǒng)中直接完成視頻圖像采集、編碼傳輸?shù)牟糠?，圖2為井下檢測系統(tǒng)的功能框圖。由地面系統(tǒng)向井下電源模塊供電，電源模塊完成DCDC變換，提供給井下各模塊需要的低壓電源。LED光源對攝像頭前方區(qū)域進行照明，由攝像頭模組獲取圖像，經(jīng)編碼器編碼，由測井電纜網(wǎng)絡高速傳輸模塊傳輸至地面系統(tǒng)。

圖2 VideoLog井下檢測系統(tǒng)功能框圖

1.4 旋轉變焦彩色高清攝像機結構及技術指標

圖3 為VideoLog旋轉變焦彩色高清攝像機隔熱耐溫結構示意圖，為了適應井下小尺寸高溫度高壓工作環(huán)境，儀器結構均為特殊設計和制造，所有電路模組也均采用小型化設計，最大寬度小于30 mm，外殼采用隔熱耐壓材料制造，從而保持內部壓力溫度一直符合儀器正常工作要求。采用藍寶石球形鏡片滿足鏡頭抗壓要求的同時，達到最大視角范圍，LED提供可調節(jié)光源，可根據(jù)實際環(huán)境調節(jié)至最佳亮度。采用高溫旋轉變焦攝像頭，720×576像素，且自帶云臺控制和變焦調節(jié)功能，根據(jù)觀測點實際環(huán)境可通過地面系統(tǒng)遠程控制攝像頭180°俯仰，360°旋轉并調節(jié)焦距，找到最佳的觀測角度，將套管問題看得更加清楚。

圖3 旋轉變焦彩色高清攝像機隔熱耐溫結構示意圖

旋轉變焦彩色高清攝像機技術指標見表1。

表1 旋轉變焦彩色高清攝像機技術指標

2 VideoLog應用于套管錯斷檢測

2.1 應用案例1

1）西南某氣井井下作業(yè)過程中通井規(guī)在深度2 360 m附近遇阻，可視化測井系統(tǒng)檢測診斷遇阻原因。

2）井口壓力7 MPa，井口采用防噴管和注脂設備等井控措施，采用75 mm可視化測井系統(tǒng)，儀器加配重，從油管下入至目標位置附近進行檢測，以確定遇阻原因。

3）測井結果。

4）診斷結論。

采用旋轉變焦彩色高清攝像機，配接國產7芯鎧裝測井電纜，選用纜芯1237進行網(wǎng)絡高速傳輸，網(wǎng)絡連接完整，高速率傳輸出彩色高清視頻圖像，對照井身管柱結構與井下工具以及井筒情況，確認故障原因為套管錯斷移位，造成井眼阻塞。

2.2 應用案例2

1）60臂井徑測井。①西部某標準井在深度180 m附近遇阻，采用60臂井徑測井技術檢測診斷遇阻原因；緩慢下入60臂井徑測井儀器，使探頭接觸管壁，確定遇阻原因；③測井結果；④診斷結果。

根據(jù)多個探針對管壁的探測，感應出套管內徑的變化情況及數(shù)據(jù)，再通過計算機軟件解釋處理，進而得出采用60臂井徑測井結果圖，分析診斷為套管錯斷問題。

2）VideoLog測井。①西部某標準井在深度180 m附近遇阻，可視化測井系統(tǒng)檢測診斷遇阻原因；②下入75 mm可視化測井井下檢測系統(tǒng)至液面以下，井中水的透光性達到可視化測井系統(tǒng)作業(yè)要求，可視化測井井下檢測系統(tǒng)繼續(xù)下入至180 m附近的遇阻位置，調整旋轉變焦攝像頭方向和焦距，尋找最佳觀測位置進行視頻檢測，確定遇阻原因；③測井結果；④診斷結果。

采用旋轉變焦彩色高清攝像機，配接國產7芯鎧裝測井電纜，選用纜芯1456進行網(wǎng)絡高速傳輸，網(wǎng)絡連接完整，作業(yè)時長3 h，高速率傳輸出彩色高清視頻圖像，分辨率為720×576像素，幀率10 f/s，整個過程視頻清晰流暢，沒有延遲和卡頓現(xiàn)象。對照井身管柱標準結構和井下工具，確認故障原因為套管錯斷移位、套管磨損以及管壁腐蝕，從而導致井眼遇阻。

3 結論

1）可視化測井系統(tǒng)作為新一代井下電視的成功研制，突破了原有技術的部分局限性，無需專用測井電纜和測井車，可實現(xiàn)本地化測井施工。

2）實際應用效果表明，可視化測井系統(tǒng)在工作中不僅能夠準確定位觀測點深度，而且能夠找到觀測點最佳觀測角度并獲得清晰流暢的圖像和錄像，為下一步工作提供最直觀最真實的判斷依據(jù)。

3）可視化測井技術具有高速率，實時性，網(wǎng)絡自適應的特點。相比于60臂井徑測井技術，可視化測井技術更加直觀清晰，實時高效。

4）可視化測井系統(tǒng)作為一種新型套管檢測手段，相比于傳統(tǒng)的解釋成像測井技術，操作工藝簡單，工作效率高，作業(yè)成本低，檢測結果實時可靠，在套管錯斷檢測中具有廣闊的應用前景。