基於管道爬行器的石油鑽井套管形變檢測方法與流程
2023-12-05 02:23:16
本發明屬於管道形變探測領域，特別是一種基於管道爬行器的石油鑽井套管形變檢測方法。
背景技術：
石油鑽井套管的形變是影響油井勘探工程安全性的重要因素。國內常用的石油鑽井套管形變檢測方法為通徑規檢測法，該方法由人工拉動通徑規穿透石油鑽井套管，通過觀察穿透過程判斷套管是否存在形變。這種方法的自動化程度低，人工勞力耗費大，並且無法精確檢測套管形變。
陽建軍在論文《水下管匯清水測試》中提出採用通徑規對水下管匯進行通徑測試，通徑測試能夠測量在焊接製造過程中管道的橢圓度是否存在變形，是否存在突出的焊膏或焊渣，測試的方法是在通徑規進入管道後，拉動一端的繩子，通徑規能在沒有明顯阻礙的情況下順利從一端進入，從另一端出來；然後換向從出端進入，在沒有明顯阻力的情況下順利拉出，則證明管道橢圓度沒有變形，沒有突出的焊膏或焊渣。這種方法雖然能夠從整體上判斷管道通暢與否，但自動化程度低，人工勞力耗費大，並且無法精確檢測套管形變。
孫漢軍在論文《緩衝式油管通徑規的研製》中提出一種具有緩衝功能的油管通徑規，能夠減少通徑規在快速穿透管道時產生的衝擊力，降低通徑檢測時的安全隱患。這種方法雖然在結構上對通徑規作了一定的改進，但仍然沒有解決自動化程度低，人工勞力耗費大，並且無法精確檢測套管形變等問題。
技術實現要素：
本發明提出一種基於管道爬行器的石油鑽井套管形變檢測方法，解決了傳統通徑規鑽井套管檢測法自動化程度低、人工勞力耗費大以及無法精確檢測套管形變的問題。
實現本發明目的的技術解決方案為：一種基於管道爬行器的石油鑽井套管形變檢測方法，包括以下步驟：
步驟1、將管道爬行器設置在石油鑽井套管管道內壁，管道爬行器的尾部與石油鑽井套管管道口平齊，管道爬行器採集石油鑽井套管管道內壁圖像，將圖像按自然數順序存儲，按順序查找圖像序列，判斷圖像序列是否存在形變，若存在 形變轉入步驟2；
步驟2、根據上述採集的圖像序列，判斷石油鑽井套管管道內壁的形變類型及形變在套管中所處的位置。
上述步驟2中，形變類型檢測方法，包括以下步驟：
2-1)選用Canny函數、Roberts函數、形態學梯度函數gradient，或高級輪廓提取函數cvFindContours逐幀作用於上述圖像序列，提取圖像序列的輪廓特徵。
2-2)根據圖像序列的輪廓特徵，判斷圖像序列的形變類型。
上述圖像序列的形變類型為裂縫、空洞或凸起。
上述形變位置檢測方法，包括以下步驟：
第一步、由於爬行器先啟動圖像採集，再開始爬行，故在爬行前，先會採集到一段靜止的圖像，按順序查找採集的圖像序列，記錄採集的圖像序列中，第一次出現圖像變化的兩幀圖像的幀序數，即從靜止圖像變為運動圖像對應的幀序數。
第二步，根據形變類型，獲取形變出現在圖像序列中至恰好消失於圖像序列的臨界處圖像關鍵幀的幀序數。
第三步、確定爬行器從開始運動直到最接近套管形變處的距離d，d＝(i-startframe)·f·v，其中i表示圖像關鍵幀的幀序數，startframe表示第一步中獲取的前一幀圖像的幀序數，f表示採集的相鄰兩幀圖像之間的時間間隔，v表示管道爬行器的運動速度。
第四步、將管道爬行器的車身長度與爬行器從開始運動直到最接近套管形變處的距離d求和，獲得形變在套管中所處位置。
上述第二步中，若圖像序列的形變類型為裂縫、空洞或凸起，則提取形變出現在圖像序列中至恰好消失於圖像序列的臨界處的連續兩幀圖像的幀序數，方法如下：
第1步、從採集的圖像序列中截取一塊包含形變的矩形區域作為形變模板。
第2步、將形變模板與採集的圖像序列逐幀匹配，得到每幀圖像中與形變模板最匹配的位置，並繪製矩形框。
第3步、根據對採集的圖像序列中形變從出現到消失的所有圖像進行像素分析，限定形變從出現到消失的所有圖像的矩形框左上角點坐標，獲得左上角點坐 標範圍，並判斷所有圖像序列的矩形框左上角點坐標是否位於上述範圍內，將位於範圍內的矩形框左上角點坐標進行平均值運算，若平均值在上述範圍，記錄形變恰好消失於圖像序列的前一幀圖像的幀序數，即圖像關鍵幀。
上述第二步中，若圖像序列的形變類型為裂縫，則提取形變出現在圖像序列中至恰好消失於圖像序列的臨界處的連續兩幀圖像的幀序數，方法如下：
第a步，逐幀提取圖像序列輪廓特徵，在提取的輪廓特徵周圍添加矩形框，同時記錄包含形變的輪廓特徵信息。
第b步、對採集的圖像序列中形變從出現到消失的所有圖像進行像素分析，分別計算形變從出現到消失的所有圖像對應的包含形變的輪廓特徵周圍的矩形框的像素麵積和寬高比，將像素麵積和寬高比的最大值和最小值作為限定範圍，逐幀判斷圖像序列矩形框的面積和寬高比是否處於上述限定範圍內，若在限定範圍內，記錄位於限定範圍內的最後一幀圖像的幀序數，即圖像關鍵幀。
本發明與現有技術相比，其顯著優點：1)本發明採用圖像序列處理的方式檢測石油鑽井套管的形變，自動化程度更高，節省了人工成本；2)能夠對石油鑽井套管中的形變進行定位，定位精度高。
附圖說明
圖1是本發明基於管道爬行器的石油鑽井套管形變類型檢測方法流程圖。
圖2是基於管道爬行器的石油鑽井套管形變位置檢測中形變類型為裂縫、空洞或凸起時的方法流程圖。
圖3是基於管道爬行器的石油鑽井套管形變位置檢測中形變類型為裂縫時的方法流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
結合圖1、圖2和圖3，本發明提供一種基於管道爬行器的石油鑽井套管形變檢測方法，包括對形變類型的檢測和形變在套管中所處位置的檢測，包括以下步驟：
步驟1、將管道爬行器(《石油管道探測爬行器設計及圖像處理技術研究》)設置在石油鑽井套管管道內壁，管道爬行器的尾部與石油鑽井套管管道口平齊，管道爬行器採集石油鑽井套管管道內壁圖像，將圖像按自然數順序存儲，按順序 查找圖像序列，判斷圖像序列是否存在形變，若存在形變轉入步驟2。
步驟2、根據上述採集的圖像序列，判斷石油鑽井套管管道內壁的形變類型及形變在套管中所處的位置。
上述石油鑽井套管管道內壁的形變類型檢測方法如下：
2-1)選用Canny函數、Roberts函數、形態學梯度函數gradient，或高級輪廓提取函數cvFindContours逐幀作用於上述圖像序列，提取圖像序列的輪廓特徵：
通過OpenCV工具庫中的Canny算子，或Roberts算子，或形態學梯度函數gradient，或高級輪廓提取函數cvFindContours逐幀作用於上述圖像，提取圖像序列的輪廓特徵。
2-2)根據圖像序列的輪廓特徵，判斷圖像序列的形變類型，形變類型為裂縫、空洞或凸起。
上述形變位置檢測方法如下，包括以下步驟：
第一步、按順序查找採集的圖像序列，由於爬行器先啟動圖像採集，再開始爬行，故在爬行前，先會採集到一段靜止的圖像，記錄採集的圖像序列中，第一次連續兩幀圖像出現圖像變化的幀序數，即從靜止圖像變為運動圖像對應的幀序數。
第二步，根據形變類型，獲取形變出現在圖像序列中至恰好消失於圖像序列的臨界處圖像關鍵幀的幀序數。
第三步、確定爬行器從開始運動直到最接近套管形變處的距離d，d＝(i-startframe)·f·v，其中i表示圖像關鍵幀的幀序數，startframe表示第一步中獲取的前一幀圖像的幀序數，f表示採集的相鄰兩幀圖像之間的時間間隔，v表示管道爬行器的運動速度。
第四步、將管道爬行器的車身長度與爬行器從開始運動直到最接近套管形變處的距離d求和，獲得形變在套管中所處位置。
上述第二步中，若圖像序列的形變類型為裂縫、空洞或凸起，則提取形變出現在圖像序列中至恰好消失於圖像序列的臨界處的連續兩幀圖像的幀序數，方法如下：
第1步、從採集的圖像序列中截取一塊包含形變的矩形區域作為形變模板；
第2步、將形變模板與採集的圖像序列逐幀匹配，得到每幀圖像中與形變模 板最匹配的位置，並繪製矩形框：
通過OpenCV工具庫中的函數copyTo定義矩陣源圖像，函數create創建輸出結果矩陣，函數matchtemplate對形變模板和採集圖像的進行逐幀匹配運算，函數normalize對匹配運算結果進行歸一化處理，根據函數minMaxLoc與選擇的匹配運算方法定位最匹配的位置，最後函數rectangle在最匹配的位置處繪製矩形框；
第3步、根據對採集的圖像序列中形變從出現到消失的所有圖像進行像素分析，限定形變從出現到消失的所有圖像的矩形框左上角點坐標，獲得左上角點坐標範圍，並判斷所有圖像序列的矩形框左上角點坐標是否位於上述範圍內，將位於範圍內的矩形框左上角點坐標進行平均值運算，若平均值在上述範圍，記錄形變恰好消失於圖像序列的前一幀圖像的幀序數，即圖像關鍵幀。
實施例1
採用上述方法，若圖像序列的形變類型為空洞，相關數據為：第一次圖像變化的幀序數為130，獲取的圖像關鍵幀序數為341，爬行器的運動速度為20mm/s，採集的相鄰兩幀圖像之間的時間間隔為0.13s，裂縫的實際位置與管道口的距離為592.6mm。
經試驗，採用本發明計算得出的形變位置誤差百分率為7.42％。
上述第二步中，若圖像序列的形變類型為裂縫，則提取形變出現在圖像序列中至恰好消失於圖像序列的臨界處的連續兩幀圖像的幀序數，方法如下：
第a步，逐幀提取圖像序列輪廓特徵，在提取的輪廓特徵周圍添加矩形框，同時記錄包含形變的輪廓特徵信息：
通過OpenCV工具庫中的輪廓提取函數cvFindContours逐幀查找採集的圖像序列，並在所提取的輪廓周圍添加矩形框。
第b步、對採集的圖像序列中形變從出現到消失的所有圖像進行像素分析，分別計算形變從出現到消失的所有圖像對應的包含形變的輪廓特徵周圍的矩形框的像素麵積和寬高比，將像素麵積和寬高比的最大值和最小值作為限定範圍，逐幀判斷圖像序列矩形框的面積和寬高比是否處於上述限定範圍內，若在限定範圍內，記錄位於限定範圍內的最後一幀圖像的幀序數，即圖像關鍵幀。
實施例2
採用上述方法，若圖像序列的形變類型為裂縫，相關數據為：第一次圖像變 化的幀序數為130，獲取的圖像關鍵幀序數為339，爬行器的運動速度為20mm/s，採集的相鄰兩幀圖像之間的時間間隔為0.13s，裂縫的實際位置與管道口的距離為592.6mm。
經試驗，採用本方法計算得出的形變位置誤差百分率為8.30％。
根據本發明提供的基於管道爬行器的石油鑽井套管形變檢測方法，可以較為精確地檢測石油鑽井套管形變的位置。