井下电视视频成像测井技术

井下视频成像测井技术 张家田, 严正国, 胡长岭, 马虎山 (1　井下视频成像测井技术发展及现状成像测井技术是现代测井技术的发展方向,也是其研究热点。在众多成像测井仪器中,视频成像测井仪即井下电视( downhole video)以其图像直观、清晰、实时性好而在成像测井仪器中独树一帜。在套管检测、井下落物辅助打捞、套管除垢、检查井下作业效果等方面取得了十分成功的应用[ 1O5 ]。 最早利用摄像机来获取井下图像技术的专利出现在20世纪50年代,到了70年代,井下电视在浅水井中已经开始商业化应用。实践证明井下电视在水井中应用效果明显, 70年代至今,井下电视在水井中应用十分广泛。到了80年代,井下电视得到了发展并应用到石油天然气工业一些较浅的、压力较低的井段[ 6 ]。这时的井下电视采用单芯或多芯电缆传送动画图像,还不能提供井下连续视频图像,只能得到每隔几秒钟更新一次的静态图像。此外,仪器的外径也较大。 90年代,一种采用光纤技术的光电测井电缆( elec2tro2op to logging cable)应用到井下电视中,极大地提高了井下电的性能[ 7 ] ,不但提高了数据传输速率,而且电缆直径较小,能够应用到石油天然气生产井测井中,但由于光电测井电缆物理性质方面的原因,对井眼环境条件的适应性较差。 目前商业化应用的井下电视成像测井仪有单芯电缆、多芯电缆、光纤测井电缆等不同的配置,最高工作温度120～175 ℃,最大测井深度5 000～7 000 m,最大耐压70～80 MPa。配置光电测井电缆的井下电视系统能够传第4期张家田等:井下视频成像测井技术　715送实时视频图像;配置多芯电缆的井下电视的图像传输速率最高为每幅图像1. 1 s。普通测井电缆成本低、对井眼环境适应性强、使用广泛,但目前基于普通测井电缆的视频成像测井系统还不能传送实时视频图像,因此,研究普通测井电缆为传输载体的实时井下视频电视系统有着深远的意义。 2　井下电视成像测井系统组成 井下视频成像测井系统的组成如图1所示,井下微型摄像头获取井眼视频图像,经过采样编码转换为CCIR601标准的数字图像,采用基于小波变换的图像压缩技术进行压缩,由发送模块进行编码和调制后经由测井电缆传送至地面。井DSP控制图像的采样、压缩、编码和传输。图1　井下电视成像测井系统组成框图Fig. 1　Downhole video logging system functional block diagram图像传输到地面后,首先由接收模块进行解调和解码,由地面DSP控制图像的解压和D /A转换,转换后的PAL制式模拟视频信号送给监视器和图像记录设备。 3　基于小波变换的图像压缩技术 井下电视基于小波变换的图像压缩和解压过程如图 2 所示。图2　基于小波变换的图像压缩编码和解码过程 Fig. 2　Encoding and decoding of image comp ressionbased on wavelet transform小波变换可以看作是一组“子带滤波器”,输入信号亮度分量和2个色度分量按照频率被分成5个不同带宽的子带,子带所占的频率宽度呈对数分布[8 ]。输入图像经过小波变换和子带滤波后,共被分解成42块。3个分量各14块。子带滤波后的每一块图像数据有一个控制压缩量的因子RBW,对应于42块数据共有42个RBW,进行量化时,数据块内的每个数据先和该块对应的RBW 相乘,然 后再进行量化。量化过程中,图像的一部分信息会丢失, RBW越小,信息损失越大,图像的压缩越大, RBW 越大, 信息损失越少,压缩比越小。解压缩时,每一块的数据再 和该块对应的RBW的倒数BW相乘,即可恢复原来的数 据(有一定的信息丢失) 。 依据人眼的视觉特性,通常根据频率采用对数律压 缩曲线。图像中的低频子带采用较小的压缩,高频子带 采用较大的压缩。 游程编码将数据中的长“0”串或长“1”串用一个较 短的编码符号来代替,实现数据的压缩。因为视频图像 经过量化后数据中的长0 串和长1 串大大增加,所以提 高了游程编码的数据压缩率。 哈夫曼编码是一种变长编码,将出现频率较高的符 号用较短的编码表示,出现频率较低的符号用较长的编 码表示,以此实现数据的压缩。 基于小波变换的图像压缩解码过程和编码过程路径 相同,方向相反。 与传统的基于离散余弦变换(DCT)的图像压缩标准相 比较,基于小波变换的图像压缩方法采用子带滤波对图像进 行分解,而不像DCT那样把图像人为地分隔成很多小块,因 此,克服了基于DCT的图像压缩方法在压缩比较高时容易 出现的“方块效应”,在图像压缩比较高时,图像的质量比传 统的基于DCT的压缩方法有明显的提高。 井下电视采用基于小波变换的图像压缩解压技术, 采用质量盒( quality box)控制、背景对比度控制和场频控 制技术,在保证图像质量和图像连续性的前提下达到了 很高的压缩比。 4　基于CPLD的数字解调 井下电视图像传输采用异步串行传输(3 000 m) 、高 速数字调制传输、过零计数法解调。为了提高串行传输 速率,井下电视采用DSP的同步串行口进行传输,为了 避免电缆的相互串扰,井下电视采用单路传输,只传输串 行数据,不传输同步信号。地面电路采用CPLD过零计 数法解调,同时恢复出串行数据,字同步和位同步信号, CPLD的解调框图如图3所示。 图3　CPLD数字解调原理 Fig. 3　CPLD digital demodulation p rincip le 　716 仪　器　仪　表　学　报第2 8卷 5　仪器结构 DHV205型井下视频成像测井系统得仪器结构如图 4所示。仪器结构设计的关键技术是保温瓶前段的透光 部分。本系统采用蓝宝石与热涨系数近似的金属通过特 殊焊接工艺焊在一起,再与保温瓶薄壁管焊接而成。这 种工艺的加工难度极大。 图4　井下电视井下仪器结构 Fig. 4　The structure of downhole video instrument 6　主要性能指标 研制成功的DHV205型井下视频成像测井系统的主 要技术指标如下: 高温性能: 125 ℃连续工作3 h以上 最大耐压: 40 MPa 图像色彩:彩色/黑白 图像分辨率: 550 ×350像素(黑白) 317 ×262像素(彩色) 图像更新速率: 10幅图像/秒 最大测井深度: 3 000 m 采用本系统采集的套管锈蚀图像如图5所示。 图5　DHV205采集的套管锈蚀图像 ig. 5　Rusted well casing image cap tured by DHV205 7　结　　论 DHV205型井下视频成像测井系统,经过地面高温 175 ℃、压力40 MPa的试验,可靠工作6 h。生产油井现 场试验井深2 876 m,图像质量良好。该仪器的研制成 功,为国内视频成像测井提供了有利的装备,而且与国际 同类产品技术性能相当,但性价比优良,有很好的社会与 经济效益。