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Pressure transient analysis for detecting leakages along active and abandoned wells

本研究证明了利用实时井下压力数据进行压力瞬态分析（PTA），以检测并估算挪威海域某代表性砂岩储层内活跃及弃置井中诱发裂缝和套管失效的泄漏率的可行性。

原作者： Joshua Mugisha, Anton Shchipanov, Hans Joakim Skadsem, Ingebret Fjelde

发布于 2026-07-08

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原作者： Joshua Mugisha, Anton Shchipanov, Hans Joakim Skadsem, Ingebret Fjelde

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，你正在管理一个位于深海海底、巨大的地下水箱（储层）。你正在向其中泵入水以储存能量或捕获碳。最大的担忧是什么？如果这些水通过水箱盖上的裂缝逃逸，或者通过你用来注水的管道侧面泄漏出来，该怎么办？如果发生泄漏，可能会污染淡水资源或泄露到大气中。

这篇论文就像是一个关于如何利用一种已经安装在许多此类井中的工具——位于深处的永久压力计——来及早发现这些泄漏的侦探故事。

以下是该研究的简单拆解：

侦探的工具箱：压力瞬变分析 (PTA)

把压力计想象成一个非常灵敏的麦克风，正在倾听井的“心跳”。研究人员使用了一种称为压力瞬变分析 (PTa) 的方法。

类比： 想象你正在向气球里吹气。如果气球是完美的，压力会平稳上升。但如果有一个小孔，压力的表现就会不同——它可能会突然下降，或者上升得更慢，因为空气正在逃逸。
方法： 研究人员观察了压力随时间变化的情况，特别使用了被称为“导数”（它可以突出压力曲线的变化）的数学技巧。他们还创建了一个“安全区”（称为不确定性包络线）。如果压力曲线超出了这个安全区，那就是一个红旗信号，意味着出问题了。

他们研究的两个主要场景

由于无法去挖掘真实的井进行测试，研究人员使用计算机模拟来研究两种特定的泄漏方式。

1. “盖子上的裂缝”（诱发破裂）

问题： 当你泵水速度过快或压力过高时，你可能会意外地弄裂位于储层上方的岩层（盖层）。这会为水向上喷射到浅层淡水区域创造一条新路径。
测试： 他们模拟了一个“阶跃速率测试”，这就像是在观察压力计的同时，一点一点地调大水龙头，然后又调大一点，再调大很多。
发现： 当岩层破裂且水开始向上泄漏时，压力计的读数会出现明显的“凹陷”或下降。计算机模型显示，如果大约 2% 的水开始泄漏，压力计就能察觉到它。这就像是听到一种特定的“嘶嘶声”，告诉你气球有个洞。

2. “漏水的管道”（套管后泄漏）

问题： 井内衬有钢管（套管）并用水泥密封。随着时间的推移，水泥可能会开裂或从管壁或岩石中脱离。这会在管道后面形成一条隐藏的通道，让水从深层储层偷溜到浅层。
场景 A（活跃井）： 井目前正在注水。研究人员模拟了水通过损坏的水泥泄漏的情况。他们发现，如果水泥变得足够“漏”（其渗透率约为岩石本身的 10%），压力曲线就会改变形状，呈现出表示泄漏的下降斜率。
场景 B（废弃井）： 如果井已经封堵并废弃，但附近有一口邻近的井正在注水，会发生什么？邻近井的泵送压力可以将水通过损坏的水泥压入废弃井。研究人员展示了，即使废弃井处于“关闭”状态，其压力计仍然可以“感觉到”泄漏，并显示出证明水正在不该流动的地方移动的特征信号。

结果：我们到底能检测到什么？

这项研究是一项“可行性检查”，也就是说，他们在问：“这在理论上是否可行？”

是的，它有效： 计算机模拟证明，这些压力计可以检测到活跃井和废弃井中的泄漏。
阈值： 该方法擅长捕捉大约 2% 或更多 总注水量的泄漏。如果泄漏是微小的（小于 2%），数据的“噪声”可能会掩盖它，使其难以被发现。
优势： 与其他需要昂贵的光纤电缆或地震卡车（类似于派出一支团队到地面监听震动）的方法不同，这种方法使用的是已经存在的压力计。这相当于对读取数据的软件进行了一次“免费”升级。

局限性（注意事项）

作者非常诚实地说明了他们没有做的事情：

它是模拟实验： 他们还没有在真实的海洋泄漏井中测试此方法。他们仅使用了计算机模型。
简单条件： 他们假设流体只是水，且温度恒定。涉及高温地热流体或二氧化碳（会改变物态）的现实情况更为复杂，并未在此进行测试。
“噪声”问题： 现实中的压力计并不完美；它们会有静态干扰和抖动。研究人员使用“安全包络线”试图忽略这些抖动，但在现实世界中，要将微小的泄漏与嘈杂的压力计区分开来，比在计算机中要难得多。

核心结论

这篇论文提出了一种新的“倾听”我们地下井的方法。通过利用我们现有的压力计，并寻找压力数据中特定的“凹陷”或“斜率”，我们或许能够在活跃井甚至旧的废弃井发生环境灾难之前，捕捉到泄漏。这就像是给井配备了一个听诊器，用来监听泄漏的声音，而不是等待水溢出来。

技术摘要：利用压力瞬变分析检测活跃及弃置井沿线的泄漏情况

问题陈述
地下井完整性对于环境安全和运营效率至关重要，特别是在大规模地质注水、地热能开发以及碳捕集与封存（CCS）等项目中。主要风险涉及从目标地层通过受损的井筒完整性向浅层区域或大气泄漏。潜在的泄漏路径包括通过盖层传播的诱发裂缝、套管-水泥或水泥-地层界面的失效，以及弃置井（封堵与弃置，P&A）中的跨流现象。虽然存在光纤监测和微地震调查等监测技术，但它们往往在成本、部署复杂性或对微量泄漏的敏感度方面面临局限。此外，现有的压力瞬变分析（PTA）方法主要侧重于单一的泄漏场景，而非能够同时诊断多种路径的综合方法。本研究旨在解决如何利用广泛存在的永久下井压力计（PDG），开发一种可行且具有成本效益的监测方案，以检测活跃井和弃置井中的泄漏。

方法论
本研究采用基于代表性挪威近海砂岩储层的机械式井-储层建模方法。流体流动模拟假设为单相、等温、低压缩性流体（水）流动。研究分为两个主要的调查部分：

诱发裂缝与盖层泄漏：
- 建模： 利用储层模拟器 Rubis 采用伪耦合工作流来模拟压力诱发的裂缝开启与扩展。应用了压力依赖型裂缝渗透率函数 $k_f(p)$ 到裂缝网格块中，以模拟一旦达到特定裂缝压力 ( $p_f$ ) 时，从基质流向裂缝流的转变。
- 场景： 在一个三层系统（目标地层、盖层、浅层地层）中模拟了一个垂直注水井。模型追踪了裂缝从目标地层穿过盖层并进入浅层地层的生长过程。
- 分析： 生成了合成阶梯速率测试（SRT）数据。数据使用增强了不确定性包络线（UE）概念的 PTA-SRT 方法进行解释。计算了归一化压力瞬变的 Bourdet 导数。UE 是基于参考导数（破裂前）建立的，用以区分真实的泄漏特征与测量噪声。
套管后方泄漏（套管-水泥-岩石完整性失效）：
- 建模： 开发了一个复合储层模型，其中套管后方的水泥护层被赋予了不同的有效渗透率 ( $k_c$ )。这使得模拟流体在没有诱发裂缝的情况下，通过受损的水泥带从目标地层迁移到浅层地层。
- 场景： 模拟了两种不同情况：
  - 活跃井： 采用恒定速率注水测试，随后进行关井期分析，以研究流动和压力恢复响应。
  - 弃置（P&A）井： 模拟了一个附近的活跃注水井，以诱发受阻井中的压力干扰。通过模拟的无线下井压力计在长时间关井期间对弃置井进行监测。
- 分析： 将 PTA 应用于关井和流动数据。将压力和 Bourdet 导数的诊断对数-对数图与代表“无泄漏”（单地层流动）和“全贯通”（两地层流动）的参考极限进行对比。

核心贡献与结果
研究证明了结合 PDG 数据与 PTA 方法在特定场景下检测泄漏的可行性：

诱发裂缝检测： 带有不确定性包络线的 PTA-SRT 方法成功检测到了诱发裂缝的发生。裂缝开启的特征被识别为 Bourdet 导数的下降趋势。当泄漏率达到总注入体积的约 2% 时，该方法检测到了裂缝向浅层地层（越层泄漏）的扩展。在模拟案例中，低于此阈值时，泄漏特征难以从噪声中区分。
活跃井中的套管后方泄漏： 研究表明，增加有效水泥渗透率 ( $k_c$ ) 会导致流动期间压力导数呈现下降趋势。当相对水泥渗透率 ( $k_c/k_m$ ) 接近 0.1 时，泄漏是可检测的，这对应于约 2% 的泄漏体积。
弃置井中的套管后方泄漏： 适配于弃置井的 PTA 框架成功识别了由附近注水井诱发的关井期间的泄漏特征。当水泥渗透率等于或大于目标地层渗透率，且泄漏体积超过注入体积的 1% 时，该方法能够检测到泄漏。
噪声处理： 不确定性包络线概念的应用被证明在区分真实泄漏信号与 PDG 测量固有噪声方面非常有效，前提是泄漏信号必须超过噪声幅度（例如，导数偏差 > 2 bar，而噪声 < 1 bar）。

意义与主张
作者将这项工作定位为建立应用 PTA/PDG 方法进行泄漏检测概念基础的可行性研究。本研究的意义在于：

运营效率： 所提出的方法利用流动瞬变解释（注水期间）和标准的关井数据，可能避免与专用测井相关的成本和生产损失。
现有基础设施的利用： 该方法利用了 PDG，这些设备已广泛部署在活跃井中，并且通过无线技术在弃置井中也日益普及，为光纤或微地震调查提供了一种可扩展且潜在成本更低的替代方案。
补充监测： 研究表明，基于 PTA 的泄漏检测可以作为地表套管压力（SCP）监测的实用补充，提供地表测量所缺乏的深度特定检测能力。

局限性与未来工作
论文明确指出，结果仅在以下特定假设下有效：垂直井、均匀无限作用储层以及单相等温流。作者承认，未进行完全耦合地质力学的裂缝代理建模以及静态水泥渗透率的假设都是简化处理。他们强调，PTA 解释的非唯一性要求必须结合地质数据和生产历史进行综合分析。至关重要的是，作者总结道，需要进一步使用现场数据进行测试与验证，并结合其他监测技术进行交叉验证，以使该方法成熟并投入实际工业应用。