雙目井下成像監(jiān)測系統(tǒng)在溫泉地?zé)峋餐暾詸z測與病害治理中的應(yīng)用研究

摘要

隨著我國溫泉康養(yǎng)文旅產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，大量溫泉地?zé)峋度腴L期開采運營。溫泉地?zé)崴V化度高、礦物質(zhì)含量豐富，井筒長期服役過程中極易出現(xiàn)套管腐蝕破損、濾水管結(jié)垢堵塞、井壁裂隙涌水、井底沉砂淤積、井下落物等病害，直接造成溫泉出水溫度衰減、出水量下降、溫泉水質(zhì)惡化，嚴(yán)重制約溫泉度假區(qū)可持續(xù)運營。傳統(tǒng)抽水試驗、水位水溫監(jiān)測僅能間接判斷井筒故障，無法直觀獲取井筒內(nèi)部真實病害圖像，修井施工盲目性大、成本高、工期長。本文以北京鴻鷗成運Φ68?mm雙目石油測井成像系統(tǒng)為核心監(jiān)測設(shè)備，闡述雙目立體成像硬件架構(gòu)、17?4PH高強度耐壓外殼、雙CMOS高清傳感器成像原理，解析設(shè)備0?7000?m超深井作業(yè)、70?MPa承壓、?20℃?175℃超寬耐溫區(qū)間核心性能參數(shù)。對比傳統(tǒng)單目攝像設(shè)備二維成像缺陷定位偏差、缺少深度三維信息短板，探究雙目立體視覺在溫泉井套管裂紋識別、腐蝕坑深度測量、射孔/濾水管位置判定、井下落物三維精準(zhǔn)定位的技術(shù)優(yōu)勢。結(jié)合華北某溫泉度假區(qū)420?m溫泉地?zé)峋こ虒嵗厝懂a(chǎn)驗收?定期巡檢?故障排查?洗井效果可視化驗收標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程。研究結(jié)果表明，雙目井下成像系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫泉井筒病害可視化、量化檢測，大幅降低溫泉地?zé)峋蘧つ渴┕こ杀?，延長溫泉井使用壽命，為溫泉地?zé)峋L效運維、溫泉文旅項目高質(zhì)量開發(fā)提供可視化技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：溫泉地?zé)峋?；雙目井下成像；井筒完整性；套管腐蝕；濾水管堵塞；溫泉洗井驗收；地?zé)嵛穆每叼B(yǎng)；可視化測井

1 引言

地?zé)豳Y源作為清潔低碳可再生能源，近年來在溫泉康養(yǎng)、文旅度假、供暖開發(fā)等領(lǐng)域得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。溫泉文旅產(chǎn)業(yè)依托地下熱水資源打造溫泉酒店、康養(yǎng)小鎮(zhèn)、休閑度假區(qū)，已經(jīng)成為國內(nèi)文旅產(chǎn)業(yè)重要增長點。根據(jù)地?zé)豳Y源開發(fā)相關(guān)統(tǒng)計，我國已投入運營的溫泉地?zé)峋當(dāng)?shù)量超過萬眼，多數(shù)溫泉井開采年限達(dá)到5?20年。溫泉地下熱水富含鈣、鎂、碳酸氫根、氯離子等多種腐蝕性離子，井筒套管、濾水管長期浸泡于高溫礦化水中，會持續(xù)發(fā)生結(jié)垢、腐蝕、淤積等問題。井筒是地下熱水向上輸送的重要通道，井筒結(jié)構(gòu)完整性直接決定溫泉井出水能力、出水溫度以及溫泉項目運營壽命。

在溫泉井運維管理實際工作當(dāng)中，長期存在“重鉆井、輕運維"的現(xiàn)象。當(dāng)溫泉度假區(qū)出現(xiàn)出水量下降、水溫降低、出水渾濁等問題時，運維人員大多依靠水位監(jiān)測、抽水試驗、水質(zhì)化驗等間接手段推斷故障位置。上述方法只能判斷井筒是否出現(xiàn)故障，無法精準(zhǔn)定位病害深度、病害類型、破損范圍。傳統(tǒng)修井作業(yè)缺少直觀井下影像依據(jù)，經(jīng)常出現(xiàn)盲目洗井、無效修井，不僅耗費大量資金，還有可能對套管造成二次損傷。隨著可視化測井技術(shù)不斷成熟，井下電視成像設(shè)備逐步被引入地?zé)峋畽z測領(lǐng)域。其中雙目立體成像技術(shù)相較于傳統(tǒng)單目環(huán)視成像，具備三維測距、病害深度定量測量的獨特優(yōu)勢，能夠?qū)μ坠芨g坑、裂紋寬度、落物尺寸進(jìn)行量化分析。

北京鴻鷗成運研發(fā)的Φ68mm雙目井下成像系統(tǒng)，專為高溫高壓深井工況設(shè)計，耐溫可達(dá)175℃，承壓70MPa，能夠滿足絕大多數(shù)中深層高溫溫泉井內(nèi)窺檢測需求。本文圍繞雙目井下成像系統(tǒng)在溫泉井筒完整性檢測中的應(yīng)用展開深入研究，分析溫泉井常見病害成因，對比單目、雙目成像技術(shù)優(yōu)劣，結(jié)合現(xiàn)場工程案例形成一套可復(fù)制推廣的溫泉井可視化運維方案，為全國溫泉度假區(qū)地?zé)峋L效管護(hù)提供技術(shù)參考。

2 溫泉地?zé)峋Ｒ娋膊『︻愋图拔：Ψ治?/span>

2.1 碳酸鈣、硫酸鈣礦物結(jié)垢堵塞

溫泉熱水中溶解大量碳酸氫鈣，熱水從深部上升至井筒時，壓力下降、溫度發(fā)生小幅變化，碳酸氫鈣分解生成碳酸鈣沉淀物，附著在濾水管縫隙、套管內(nèi)壁。結(jié)垢屬于溫泉井普遍病害。結(jié)垢首先封堵濾水管過水縫隙，造成熱水進(jìn)水通道收窄，溫泉出水量逐年衰減；結(jié)垢持續(xù)加厚后井筒有效內(nèi)徑縮小，水流阻力增大，水泵抽水效率下降，嚴(yán)重時可造成濾水管堵死，溫泉井報廢。結(jié)垢病害從井下濾水管段開始，逐步向上延伸，隱蔽性強，地面抽水?dāng)?shù)據(jù)很難早期識別。

2.2 井底沉砂淤積

溫泉熱儲層多為砂巖、裂隙巖含水層，熱水開采過程中會攜帶少量地層細(xì)砂進(jìn)入井筒。長期抽水后，細(xì)砂不斷在井底沉淀堆積，沉砂抬升濾水管底部位置，堵塞下部進(jìn)水通道。沉砂嚴(yán)重時，砂面覆蓋全部濾水管，溫泉井出水量急劇下降。傳統(tǒng)抽水試驗只能發(fā)現(xiàn)水量減少，卻無法判斷沉砂厚度、沉砂頂面深度，清砂作業(yè)深度難以確定。

2.3 套管腐蝕、變形與破損

溫泉水中氯離子、硫酸根離子含量較高，屬于腐蝕性水體。鋼制套管長期在高溫腐蝕水環(huán)境下服役，內(nèi)壁、外壁容易出現(xiàn)點狀腐蝕坑、環(huán)狀腐蝕帶。腐蝕持續(xù)發(fā)展就會形成套管裂紋、孔洞。一旦套管破損，淺層冷水會順著裂隙混入井筒，冷水與深部溫泉熱水混合，直接導(dǎo)致溫泉出水溫度大幅降低，造成溫泉度假區(qū)運營損失。部分地?zé)峋阢@井施工后期，套管受地層應(yīng)力擠壓還會出現(xiàn)縮徑、彎曲變形，下放水泵受阻。

2.4 井壁串水、裂隙涌水

地層存在多層含水層，淺層低溫含水層與深部高溫?zé)醿又g依靠套管隔水。當(dāng)套管出現(xiàn)破損，淺層冷水順著破損位置涌入井筒，造成水溫下降。這種病害隱蔽性最高，僅依靠水質(zhì)、水溫監(jiān)測很難判斷冷水涌入位置。

2.5 井下落物

溫泉井維修、水泵檢修作業(yè)過程中，螺栓、電纜接頭、水泵配件等雜物不慎掉落井內(nèi)，形成井下落物。落物卡在濾水管位置，堵塞過水通道，還會阻礙后期井下儀器、水泵下放。落物打撈必須精準(zhǔn)掌握物體位置、尺寸，否則打撈作業(yè)極易失敗。

上述各類井筒病害最終都會轉(zhuǎn)化為溫泉度假區(qū)經(jīng)濟損失。溫泉井一旦出水衰減、水溫下降，溫泉酒店、康養(yǎng)項目客源會直接受到?jīng)_擊，停工修井會造成高額停業(yè)損失。因此開展定期可視化巡檢，早期識別井筒病害，提前開展預(yù)防性治理，是延長溫泉井使用壽命經(jīng)濟有效的手段。

3 雙目井下成像系統(tǒng)硬件組成與工作原理

3.1 系統(tǒng)整體硬件架構(gòu)

北京鴻鷗成運Φ68mm雙目井下成像成套系統(tǒng)主要由五大模塊組成：主控顯示控制箱、雙目水下探頭總成、鎧裝傳輸電纜、電動絞車卷線裝置、深度編碼器組件。主控箱搭載高亮遮陽顯示屏，可實時顯示井下畫面、深度數(shù)值，具備錄像、拍照、視頻存儲回放功能；雙目水下探頭外殼采用17?4PH高強度不銹鋼加工制造，具備強抗腐蝕能力，適配溫泉高礦化度水體環(huán)境；探頭搭載兩路獨立CMOS高清成像傳感器，配置耐高溫補光光源；鎧裝電纜自帶抗拉鋼絲，下放深度最大可達(dá)7000m；絞車配備自動計米滑輪，深度測量精度可達(dá)±0.1m，能夠精準(zhǔn)記錄每一段影像對應(yīng)的井下深度。整套設(shè)備可采用車載或野外便攜作業(yè)模式，適合溫泉度假區(qū)野外現(xiàn)場快速檢測。

3.2 雙目立體成像測量原理

雙目視覺成像原理模擬人類雙眼觀測物體。兩個攝像頭保持固定間距同時拍攝井筒內(nèi)壁同一位置的圖像，主控系統(tǒng)對兩幅圖像像素進(jìn)行匹配計算，根據(jù)視差原理解算出觀測目標(biāo)與探頭之間的空間距離，實現(xiàn)井筒內(nèi)壁三維重建與距離測量。在溫泉井檢測作業(yè)中，探頭下放至病害位置后，系統(tǒng)即可直接測出腐蝕坑深度、裂縫寬度、井下落物外形尺寸，實現(xiàn)病害定量評估。而傳統(tǒng)單目360°旋轉(zhuǎn)井下電視只能獲取二維平面圖像，僅能看見病害，無法測量病害深度，修井方案只能依靠經(jīng)驗估算。

3.3 溫泉井工況適配優(yōu)化設(shè)計

溫泉井下高溫、高壓、高礦化腐蝕環(huán)境對成像探頭提出嚴(yán)苛要求。本系統(tǒng)17?4PH不銹鋼外殼耐蝕性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通304不銹鋼，適合氯離子含量較高的溫泉水體；光源、電路板全部按照?20℃~175℃寬溫區(qū)間進(jìn)行元器件選型；密封結(jié)構(gòu)采用多重耐高溫氟橡膠密封件，杜絕熱水滲入探頭內(nèi)部。70MPa承壓能力可以覆蓋國內(nèi)絕大多數(shù)中深層溫泉井水壓條件。

4 雙目成像與單目成像技術(shù)在溫泉井檢測中優(yōu)缺點對比

單目360°旋轉(zhuǎn)井下電視是目前淺層地?zé)峋畽z測常用設(shè)備，探頭可以旋轉(zhuǎn)環(huán)視360°井壁全貌，設(shè)備價格相對低廉，在200?450m淺層低溫溫泉井當(dāng)中應(yīng)用廣泛。但是單目成像屬于二維成像，只能提供平面影像，無法測量腐蝕坑深度、裂紋寬度。當(dāng)溫泉井出現(xiàn)套管點狀腐蝕時，單目畫面無法區(qū)分淺表層腐蝕痕跡和已經(jīng)穿透管壁的深腐蝕坑，存在病害誤判風(fēng)險。

雙目井下成像系統(tǒng)除全景圖像觀測之外，額外增加三維測距定量檢測功能。在高溫中深層溫泉井、病害較為嚴(yán)重的地?zé)峋畽z測工作中優(yōu)勢明顯。在修井方案設(shè)計階段，可以根據(jù)腐蝕坑深度數(shù)據(jù)判斷套管剩余壁厚，科學(xué)評估套管安全等級；對井下落物進(jìn)行尺寸測量，精準(zhǔn)選擇打撈工具；洗井完成之后，可以定量對比洗井前后結(jié)垢厚度變化，科學(xué)評價洗井效果。二者對比結(jié)果表明：淺層低溫溫泉井、僅需查看井筒是否堵塞，可選用電纜式單目成像設(shè)備；井深大于500m、井底溫度高于80℃、套管腐蝕風(fēng)險較高、需要病害定量檢測的溫泉井，優(yōu)先選用雙目立體成像系統(tǒng)。

5 工程案例應(yīng)用分析

華北某康養(yǎng)溫泉度假區(qū)地?zé)峋昃疃?/span>420m，熱儲出水段位于340?380m，溫泉出水初始溫度58℃，度假區(qū)投入運營8年。2024年溫泉運營方發(fā)現(xiàn)，溫泉出水量逐月下降，出水溫度降低至51℃，溫泉酒店熱水供應(yīng)壓力不足。項目前期先后開展兩次抽水洗井作業(yè)，水量短暫回升后很快再次衰減，兩次修井均未查清根本故障原因。為查明井筒病害，度假區(qū)委托檢測單位采用鴻鷗成運雙目井下成像系統(tǒng)開展全井筒可視化檢測。

檢測作業(yè)當(dāng)天，設(shè)備下放從井口直至井底420m，全程錄制高清視頻影像。井下影像結(jié)果顯示，在352?365m濾水管段碳酸鈣結(jié)垢厚度較大，局部濾水縫隙已經(jīng)被結(jié)垢封堵；同時在218m深度位置發(fā)現(xiàn)套管腐蝕孔洞，淺層低溫地下水順著孔洞涌入井筒，是溫泉水溫下降的直接誘因。依靠雙目測距功能測得腐蝕坑最大深度2.1mm。根據(jù)檢測結(jié)果，運維方制定靶向治理方案，對濾水管段開展高壓旋轉(zhuǎn)射流除垢，對套管腐蝕破損段實施套管修補作業(yè)。治理完成之后，再次下入雙目成像系統(tǒng)復(fù)檢，對比治理前后井下影像，結(jié)垢基本清除，破損套管修復(fù)到位。溫泉井出水溫度回升至57℃，出水量恢復(fù)至設(shè)計水平。本次檢測避免了大范圍盲目修井，節(jié)約維修費用約28萬元，取得良好經(jīng)濟效益。

6 溫泉井雙目可視化檢測標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程

結(jié)合項目實踐，總結(jié)溫泉地?zé)峋p目成像檢測標(biāo)準(zhǔn)化流程：第一，檢測前期準(zhǔn)備，收集溫泉井鉆井檔案、套管結(jié)構(gòu)圖、歷史維修記錄，檢查絞車、電纜、探頭設(shè)備狀態(tài)；第二，井口安全防護(hù)，清理井口雜物，平穩(wěn)下放探頭，下放速度控制在5?10m/min；第三，全井筒連續(xù)錄像，從井底向上回放觀測，重點觀測濾水管段、套管接箍位置；第四，病害深度精準(zhǔn)定位，對腐蝕、結(jié)垢、破損位置停留觀測，啟用雙目測距測量病害參數(shù)；第五，檢測結(jié)束后回收探頭，導(dǎo)出視頻影像，編制可視化檢測報告，給出井筒健康評價與治理建議；第六，洗井或維修治理完成后，再次下入設(shè)備復(fù)檢，驗收治理效果。

7 結(jié)論與展望

溫泉地?zé)峋膊『κ侵萍s溫泉文旅項目長期運營的核心難題。雙目井下立體成像監(jiān)測系統(tǒng)憑借耐高溫高壓、三維定量測距的技術(shù)優(yōu)勢，能夠直觀查明套管腐蝕、濾水管堵塞、井下落物、冷水串流等各類井筒病害，為溫泉井故障治理提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。工程案例證明，采用雙目井下電視開展定期巡檢，能夠大幅降低溫泉井盲目修井成本，延長地?zé)峋勰晗?。未來隨著溫泉地?zé)岙a(chǎn)業(yè)智慧化運維不斷推進(jìn)，雙目可視化成像監(jiān)測將與深井分層測溫、數(shù)字孿生平臺深度融合，構(gòu)建溫泉地?zé)峋芷跀?shù)字化監(jiān)測體系，助力我國溫泉康養(yǎng)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 王貴玲,張薇.中國地?zé)豳Y源開發(fā)利用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].地學(xué)前緣,2020,27(01):1?10.

[2] HJ 164?2020,地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2020.

[3] 劉建軍.地?zé)峋坠芨g結(jié)垢機理及防治對策研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2021,48(3):156?162.

#地?zé)豳Y源勘查 #地?zé)釡y井 #中深層地?zé)?nbsp;#地?zé)衢_發(fā) #地?zé)峁┡?nbsp;#地源熱泵 #深井測溫 #井下可視化

設(shè)備類關(guān)鍵詞

井下電視成像、井下光學(xué)成像、分層測溫線纜、深井測溫系統(tǒng)、雙目測井成像、自存儲式井下探頭、地下水監(jiān)測設(shè)備、井下成像探頭、耐高溫測井線纜

技術(shù)工藝關(guān)鍵詞

精準(zhǔn)測井、井下可視化探測、井筒檢測、分層溫度監(jiān)測、地?zé)峋淳?、井筒缺陷排查、地?zé)岷畬佣ㄎ?、深井耐壓探測、井下立體成像

行業(yè)應(yīng)用關(guān)鍵詞

地?zé)峋\維、地?zé)豳Y源勘探、深層地?zé)峥辈椤⒚簩託饩綔y、石油修井、地下水環(huán)境監(jiān)測、廢棄地?zé)峋挪?、水源熱泵勘查、中深層換熱井檢測