張家田,鄭向秀,吳銀川,蘇娟,羅青平

(西安石油大學電子工程學院,光電油氣測井與檢測國家教育部重點實驗室,陜西 西安 710065)

0 引 言

可視化測井技術通過利用面陣傳感器(照相機、攝像機)獲取井下靜態(tài)圖像或運動圖像,將傳統(tǒng)測井技術所獲得的曲線、二維圖像等測井數(shù)據(jù)直接以圖像呈現(xiàn),直觀高效。研究通過對可視化測井技術概念、分類、應用以及其發(fā)展作出綜合論述,分析其所存在的優(yōu)勢與局限?？梢暬瘻y井技術能直觀檢測井眼、套管和井內(nèi)生產(chǎn)狀況,在套損井治理和生產(chǎn)井監(jiān)測中應用前景廣闊,可見光井下電視是當前可視化測井發(fā)展和應用重點。測井電纜彩色全幀率井下電視兼?zhèn)淞斯饫w井下電視和鷹眼井下電視的優(yōu)點,是重點推廣和應用的可視化測井技術和裝備。

1 可視化測井

1.1 定義及分類

2017年12月23日由西安石油大學和中國石油集團測井有限公司聯(lián)合主辦的“2017可視化測井與套管井診斷修復前沿技術研討會”上正式提出了可視化測井的概念,并將可視化測井技術定義為利用面陣傳感器(通常是照相機和攝像機)直接獲取井下視頻圖像的一種成像測井技術。相比傳統(tǒng)測井解釋成像,可視化測井將井下狀況進行直接的視覺呈現(xiàn),具有直觀、高效、信息量大、可信度高等優(yōu)點,能最大程度地消除傳統(tǒng)測井解釋中存在的多解性和不確定性。

可視化測井技術目前主要包括可見光成像測井技術、短波紅外(SWIR)成像測井技術及X光散射(Visuray)成像測井技術。

1.2 應用領域

可視化測井技術可以幫助油氣生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)技術人員看到井內(nèi)實時狀況和動態(tài),不僅可用于井眼檢測、套管檢測、落物打撈、射孔產(chǎn)出、生產(chǎn)監(jiān)測等領域,任何套管井、生產(chǎn)井和井下作業(yè)的檢測需求都有可視化測井的用武之地。Visuaray成像測井由于X光良好的介質穿透特性,也可用于充滿泥漿的裸眼井檢測中。

2 可視化測井技術的發(fā)展

2.1 可見光井下電視

2.1.1 發(fā)展歷史

(1)同軸電纜井下電視。最早的井下電視測井開始于20世紀50年代,用電纜直接將攝像機放入井中進行觀測,當時井下儀體積較大,耐溫耐壓和測井深度都非常有限,主要應用于水井檢測。為將井下電視技術應用于油氣井檢測中,人們開始研究外徑更小,耐溫耐壓性能更高,傳輸距離更遠的專用井下電視測井裝備。1963年,T.R.Reinhart[1]介紹了一種采用長度5 000 m、外徑9/16in[注]非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同雙層鎧裝同軸電纜傳輸黑白模擬圖像的井下電視。儀器直徑4in,最大測井深度4 600 ft,最高耐壓5 000 psi[注]非法定計量單位,1 psi=6 894.76 Pa,下同,最高耐溫120 ℉。

同軸電纜井下電視能夠傳輸流暢的黑白模擬視頻圖像,但是儀器外徑和電纜外徑較大,井口帶壓作業(yè)時,井控和配重要求較高,施工難度較大。

(2)光纖井下電視。1992年,C.C.Cobb等[2]介紹了一種利用外徑7/32in光纖測井電纜實時傳輸井下視頻的測井系統(tǒng)。儀器外徑111/16in,最高耐壓10 000 psi,采用模擬光調(diào)制技術,傳輸黑白模擬視頻圖像。儀器外徑和電纜外徑較小,適用于井口帶壓作業(yè)。同年,R.A.Rademaker等[3]介紹了一種利用連續(xù)油管作業(yè)的光纖井下視頻測井系統(tǒng),采油連續(xù)油管技術,可將光纖井下電視應用于水平井和大斜度井,由于通過連續(xù)油管能夠向井中泵入清水,邊洗邊測,有助于改善井液透光性和視頻質量,同時也能達到給攝像頭降溫的作用,拓展了井下電視的應用范圍。

光纖井下電視圖像清晰流暢、實時性好,在井眼檢測、套管檢測、落物打撈、射孔產(chǎn)出、生產(chǎn)監(jiān)測等方面取得廣泛應用,然而隨著油氣井探測深度的增加,同軸電纜井下電視和光纖井下電視的局限性也逐漸突顯。

(3)鷹眼井下電視。1999年,J.L.Whittaker等[4]指出了光纖井下電視在工作載荷、耐溫以及防硫等方面的局限性,另外,由于同軸電纜和光纖電纜并非測井常規(guī)裝備電纜,需要配備專用電纜滾筒和測井車,在航空運輸和連續(xù)油管作業(yè)方面有很大不便。該文同時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),適用于高溫、高壓、腐蝕性井液環(huán)境和水平井連續(xù)油管作業(yè)。鷹眼井下電視雖在井眼條件適應性方面有很大的進步,但由于測井電纜傳輸帶寬的限制,只能傳輸黑白圖像,第1代產(chǎn)品幀率僅為0.29 f/s。經(jīng)過幾代改進,幀率提高到0.59、0.9 f/s,但是圖像的實時性和流暢度相比光纖井下電視有較大的差距。

鷹眼井下電視雖然圖像不連續(xù),但由于其采用普通鎧裝測井電纜,作業(yè)成本大大降低,并且適用于高溫、高壓、腐蝕性井液環(huán)境和水平井作業(yè),在套管錯斷、套管變形、井眼阻塞、落物打撈等領域也有獨特的技術優(yōu)勢,在全球范圍內(nèi)取得廣泛認可和大規(guī)模應用。

(4)測井電纜彩色全幀率井下電視。光纖井下電視圖像實時、清晰、流暢,應用效果好,但需要專用光纖滾筒和地面設備,成本較高、應用環(huán)境受限。鷹眼井下電視采用普通鎧裝測井電纜,環(huán)境適應性好,但圖像實時性、清晰度、流暢度與光纖井下電視有較大差距。

如果能在測井電纜上達到光纖井下電視的視頻效果,能極大地促進井下電視的技術的發(fā)展和應用,但由于光纖測井電纜結構和井眼環(huán)境適應性方面的原因以及普通鎧裝電纜帶寬和傳輸速率的限制,井下電視測井技術及裝備在10多年的時間里幾乎沒有大的進展。

2015年,EVCAM研制傳輸速率超過200 kbit/s的Optis?HD Electric Line井下電視測井系統(tǒng),采用最新的井下視頻技術,能夠在單芯和多芯測井電纜上實時傳輸彩色高清視頻,最大幀率可以達到25 f/s。Tobben Tymons等[6]指出,單芯電纜高速遙傳技術,視頻處理和存儲技術的結合及在井下電視中的創(chuàng)新應用,極大地降低了作業(yè)成本,提高了井下電視作業(yè)效率,拓展了井下電視的應用領域,將油氣井監(jiān)測帶入到視頻時代。

2017年,西安石油大學研制Visualog系列測井電纜可視化測井系統(tǒng),采用新一代測井電纜網(wǎng)絡高速傳輸技術,實現(xiàn)了彩色全幀率網(wǎng)絡視頻在普通單芯/多芯鎧裝測井電纜上的實時傳輸[7]。

測井電纜彩色全幀率井下電視的出現(xiàn),兼?zhèn)淞藴y井電纜井下電視系統(tǒng)低成本、高可靠,井眼條件適用性強和光纖電纜井下電視實時性好,圖像清晰流暢的優(yōu)點,將可視化測井技術的發(fā)展和應用帶入到新的歷史階段。

2.1.2 可見光井下電視測井裝備

目前,國內(nèi)外井下電視測井裝備主要包括光纖井下電視、鷹眼井下電視和測井電纜彩色全幀率井下電視3大類,可在中國提供井下電視測井服務的廠商和主要設備如下。

(1)Expro’s DHV ViewMAX LiteTMCamera。Expro’s井下電視可將井下問題可視化,其井下電視測井技術已經(jīng)通過超過5 000口油氣井的應用得到證實。ViewMAX光纖和測井電纜均可適用,具體技術參數(shù)見表1。

表1 Expro’s DHV ViewMAX LiteTM Camera主要技術參數(shù)

(2)KateWell’s KATEYE鷹眼井下電視。KATEYETM鷹眼井下電視可適應深井高溫高壓作業(yè)的復雜環(huán)境,該設備可通過單芯或7芯電纜下入井中,應用于油氣井和水井等工業(yè)領域,其主要技術參數(shù)見表2。

表2 KateWell’s KATEYE鷹眼井下電視主要技術參數(shù)

(3)EVCAM’s Optis?HD Electric Line。Optis?HD Electric Line井下電視采用最新井下視頻技術通過標準單芯/多芯鎧裝電纜傳輸實時彩色高分辨率視頻。其主要技術參數(shù)見表3。

表3 EVCAM’s Optis? HD Electric Line主要技術參數(shù)

(4)西安石油大學VLT54-5000A彩色全幀率網(wǎng)絡高清可視化測井系統(tǒng)。VLT54-5000A彩色全幀率網(wǎng)絡高清可視化測井系統(tǒng),采用最先進的測井電纜網(wǎng)絡高速傳輸技術,在5 500 m測井電纜上的數(shù)據(jù)傳輸速率最高超過2 Mbit/s,具有電纜自適應特性和標準10/100 M以太網(wǎng)接口,可在單芯、多芯測井電纜上傳輸彩色全幀率網(wǎng)絡高清視頻圖像,視頻幀率可達25 f/s,是真正的彩色全幀率井下電視。VLT54-5000A主要技術指標見表4。

表4 VLT54-5000A彩色全幀率網(wǎng)絡高清可視化測井系統(tǒng)主要技術參數(shù)

2.1.3 可見光井下電視測井技術應用

可見光井下電視測井技術利用其獲取的井下視頻可直觀高效地對井況作出判斷,可廣泛應用于井眼檢測:井眼阻塞、變形、擴/縮徑、坍塌;套管檢測:套管腐蝕、結垢、變形、穿孔、裂縫、錯斷;落魚打撈:落魚位置、類型、魚頂形狀;射孔產(chǎn)出:產(chǎn)出類型(水、氣、油)及產(chǎn)量評估;生產(chǎn)監(jiān)測:產(chǎn)液類型、分層、出水、出砂、泄漏等。

(1)套損檢查。2018年4月底,長慶油田某井停止產(chǎn)油,出液含水率100%。前期在井壁中放置封隔器進行隔采作業(yè),2次放置封隔器后均未起到封隔作用且無法找到具體原因。為查找其原因,采用可見光井下電視對該井進行視頻檢測(見圖1)。

從圖1可見,目標井上部井段井壁規(guī)則無明顯異常,而到了1 542.5 m處目標井段套管結垢腐蝕嚴重,還觀察到射孔段射孔炮眼同樣結垢嚴重。嚴重的結垢可能是導致該井封隔器無法起到封隔作用和含水率上升無法正常出油的原因之一。利用可見光井下電視測井系統(tǒng)還觀察到了該井清晰的套管接箍圖像和人工井底圖像,為判斷套管是否脫扣、觀察井底落物情況及制定打撈計劃提供了可靠的資料。

(2)落物捕撈。2018年1月,可見光井下電視在中國中部某油田某井進行了井眼檢測,配接國產(chǎn)7芯鎧裝測井電纜,采用纜芯1和7進行網(wǎng)絡高速傳輸,網(wǎng)絡連接速率超過2 Mbit/s。圖像分辨率640 dpi×480 dpi,幀率25 f/s,彩色圖像。最大測井深度1 982 m,作業(yè)時長3 h,視頻清晰流暢,無明顯延遲,無卡頓現(xiàn)象。測井視頻圖像發(fā)現(xiàn):井中落物(見圖2);部分井段套管接箍處有附著物堆積(見圖3);裸眼井段井眼嚴重不規(guī)則,有井壁侵蝕和擴徑現(xiàn)象(見圖4)。

(3)鉆井事故核查。2018年5月中國西北部油田某井發(fā)生鉆井事故,鉆機在鉆井時鉆破套管鉆入地層,在原井眼旁邊鉆出新井眼,作業(yè)人員發(fā)現(xiàn)鉆井循環(huán)上來循環(huán)物為泥漿后及時停鉆。由于事故深度在80 m左右處,故停鉆后先下入膠皮電纜井下電視觀察,但膠皮電纜抗拉性等環(huán)境適應性較差,井下電視掉入井中。最后選用在鎧裝測井電纜上進行傳輸?shù)目梢姽饩码娨暅y井系統(tǒng)進行觀察。測井結果見圖5和圖6。

使用可見光井下電視進行2次檢測,第1次在套管內(nèi)直接觀察,測井結果圖5。結果顯示該井在72 m處出現(xiàn)套管破損,儀器繼續(xù)下放發(fā)現(xiàn)套破進一步擴大。在76 m處鉆井事故鉆出的新井眼幾乎和原井眼平行。約79 m處套管破損消失,推測鉆機徹底偏離,在旁邊鉆出新井眼。

圖1 井底圖像

圖2 井中落物圖像

圖3 套管接箍處的附著物堆積

圖4 不規(guī)則井眼

圖5 在套管內(nèi)測井圖像

圖6 通過油管觀察測井圖像

為了鑒定該事故井中下入儀器是進入原正常井眼還是進入新的事故井眼。故先下入油管至目標位置,再在油管內(nèi)下入井下儀。測井結果見圖6。在79 m處發(fā)現(xiàn)液面,然后在井下儀不動油管上提一段距離之后井下儀發(fā)現(xiàn)套損結束位置。

對比2次測井結果發(fā)現(xiàn),鉆機在該井72 m處開始偏離原井眼方向,之后偏離程度逐漸加大,在約79 m處徹底偏離,在原井眼旁邊鉆出新井眼。通過在井筒內(nèi)先下入油管,之后再在油管內(nèi)下入井下儀觀察,確定了正常的儀器下入會進入原井眼而不是進入新的事故井眼,這些資料進一步說明該井存在修復的可能性。

(4)可見光井下電視測井技術工藝要求?？梢姽饩码娨暅y井技術在實際測井過程中有一定的工藝要求,尤其是在井液替換及井壁刮削等方面。在測井之前,需用清水洗井直至替換原井液,待油水分離徹底方可進行測井作業(yè)。如果油水分離不夠徹底,導致井液渾濁透光性差,就會很大程度影響井下電視的使用。不僅不能獲得清晰的井況視頻,還可能導致儀器碰撞魚頭、縮徑處等,造成儀器損壞進水。同時,如果是多年生產(chǎn)有嚴重結垢的被測井,在檢查其井壁破損、變形和腐蝕時,需用刮削器對井壁進行刮削。否則,井壁上的結垢、油漬會掩蓋實際井壁狀況。所以,要提高測井成功率,必須做到:①進行落魚打撈,即對落魚位置、類型、魚頂形狀等進行確定時,只需對井液進行替換,洗井至井口進出水質一致。②當遇到套管腐蝕、結垢、變形、錯斷等情況,需用刮削器進行井筒刮削,在結蠟結垢嚴重段至少刮削3次以上,不暢通段多次重復刮削,確保井下電視測井技術作業(yè)要求。③當遇到井眼堵塞、變形,或找漏時,同樣要用通井規(guī)進行通井,或打電纜橋塞。④以上均為井口不帶壓力測井,若遇到帶壓井,必須在下井前做好防噴工作。

以上工藝要求在一定程度上也是可見光井下電視測井技術的局限性,如果不能滿足對井液井壁的要求,則不能獲得清晰的井況視頻。

2.2 SWIR井下電視

可見光井下電視測井技術雖然取得了廣泛的應用,但要求井液必須透光。而原油并不透光,因此,井下電視測井前需要洗井。為了讓井下電視能透過原油獲取井眼圖像,降低井下電視對井液透光性的要求,開始研究透視原油成像的井下電視測井技術和裝備。

1999年,John A.Hother申請了英國專利“borehole imaging system”,發(fā)明了一種波長在可見光波段之外的井下電視系統(tǒng)[11],同年,申請了美國專利“imaging sensor”,發(fā)明了一種用于井下電視的圖像傳感器,工作波長超出可見光波段,工作于紅外波段[12]。2001年,John A.Hother,SPE/Proneta Ltd發(fā)表了透過原油拍攝到的硬幣表面圖案[13]。2002年,John A.Hother進一步發(fā)表了其利用原理樣機在原油中拍攝到的圖像[14]。2004年,John A.Hother申請了美國專利“Imaging sensor optical system”,發(fā)明了一種應用于井下電視圖像傳感器的光學系統(tǒng),可選擇發(fā)射/檢測2種不同波段的光[15]。2016年,Jinyin Yang采用SWIR高速攝像機拍攝到水滴滴入原油的過程,原油在SWIR攝像機畫面中完全透明[16](見圖7)。

圖7 透過原油拍攝到硬幣的圖像及水滴滴入原油過程的圖像

SWIR鏡頭可透視原油已經(jīng)被充分證實,但在Jinyin Yang的實驗中,水在SWIR鏡頭下卻是完全不透明的。油氣井中最常見的介質是空氣、水、原油及其混合物,因此,需要找到使油水均透明的方法才具有應用價值。John A.Hother嘗試用2種波長的光分別解決透視水和透視原油的問題,但由于不同波長的光焦平面不同,鏡頭設計仍然有較大難度。

John A.Hother和Jinyin Yang的研究使得我們看到了研制透視原油的SWIR井下電視的希望,但儀器的研制還有關鍵的技術問題有待解決。

2.3 Visuray井下電視

SWIR井下電視雖有望解決原油透視的問題,但僅限于透視原油,為了使井下電視具有更好的井內(nèi)介質穿透特性,使井下電視不僅適用于套管井和生產(chǎn)井,也適用于充滿泥漿的裸眼井檢測,X射線井下電視進入了人們的研究視野[19]。Visuray項目團隊通過近10年的努力,研制成功了Visuray X光散射井下電視成像測井裝備。2005年,項目團隊在實驗室透過泥漿拍攝到井眼圖片[20]。2007年,長4 m,直徑9 in的原型機在Stavanger外的Ullrigg試驗井進行了實驗。2015年,外徑3in,適用于鎧裝測井電纜,型號為VR90的商用測井儀在德國進行了井下試驗。2017年,第2代產(chǎn)品VR90s研制成功[21]。

Visuray X光散射井下電視測井系統(tǒng)能夠具有良好的介質透視特性,相比較其他成像測井技術,幾乎不受井液的影響,適用于油、氣、水以及泥漿等多種介質,能夠節(jié)約洗井或井液置換等作業(yè)的成本,提高測井效率。透過泥漿拍攝到井眼圖像,通過解釋可合成三維圖像,但由于發(fā)生散射的X光非常微弱,檢測難度大,圖像的分辨率、視覺效果和可見光井下電視相比有較大差距。井內(nèi)高溫、高壓環(huán)境對設備環(huán)境適用性要求較高。同時井眼的尺寸要求設備必須小型化,而目前的X光檢測設備大多龐大(見圖8)。

圖8 Visuray拍攝到的套管阻塞物圖像及三維解釋結果

3 可視化測井技術對比與應用前景分析

就目前發(fā)展階段而言,可見光井下電視整體作業(yè)成本低、檢測效率高、檢測結果直觀,能幫助油氣生產(chǎn)企業(yè)掌握油氣井健康狀況,病變部位及原因、生產(chǎn)狀況及生產(chǎn)能力。具備較好的應用基礎,豐富的應用案例,新型測井電纜彩色全幀率井下電視兼具了光纖井下電視視頻實時流暢高清的特性和測井電纜井下電視低成本、高可靠、井眼條件適宜性廣的優(yōu)點,突破了井下電視發(fā)展的技術瓶頸,將可視化測井技術帶入到新的發(fā)展階段。除對儀器本身耐溫、耐壓性能,光源不斷地提升,可結合四十臂井徑儀,磁壁厚測井儀等成熟的測井儀進行組合測井,也可結合一些打撈工具直接對井況進行處理,使得測井結果更全面、有效。

可見光井下電視要求井液透明這一局限仍不可忽略,SWIR井下電視雖解決了可見光井下電視洗井這一問題。但由于不同波長的光焦平面不同,鏡頭設計仍然有較大難度,還不具備商用條件。Visuray雖可商用,但應用案例較少,應用效果還有待驗證,加之技術普及程度、生產(chǎn)成本和產(chǎn)能的限制,還不具備大規(guī)模應用條件。但他們?yōu)榭梢暬瘻y井技術提供了未來發(fā)展方向和想象空間。

隨著中國對環(huán)境保護重視程度的提高和污染治理投入的加大,以及油氣生產(chǎn)企業(yè)發(fā)展轉型對成本控制和效益考核的要求,可視化測井的需求會有快速甚至是爆發(fā)式的增長。

4 結論

(1)可見光井下電視雖有一定的局限性,但整體作業(yè)低成本、檢測效率高、檢測結果直觀明了,目前仍是可視化測井發(fā)展和應用的重點。

(2)SWIR井下電視和Visuray井下電視,由于其技術普及程度、生產(chǎn)成本和產(chǎn)能的限制,不具備大規(guī)模應用條件。但他們?yōu)榭梢暬瘻y井技術提供了未來發(fā)展方向和想象空間。

(3)可視化測井裝備應當與常規(guī)測井裝備實現(xiàn)組合測井,成為生產(chǎn)測井和工程測井的必備工具。

(4)可視化測井技術能直觀檢測井眼、套管和井內(nèi)生產(chǎn)狀況,在套損井治理和生產(chǎn)井監(jiān)測中應用前景廣闊,應得到足夠重視和大力發(fā)展。