《Clean Technologies》：Interface-Controlled Wellbore Leakage in CCUS Wells: Microannulus Formation, Pathway Evolution, Detection, and Risks
井筒完整性是地质CO?封存的核心问题，因为井可能穿透旨在封存注入CO?及被驱替卤水的地层。本批判性叙述性综述考察了套管–水泥和水泥–地层界面处的缺陷如何形成、演化，并促成水力连通及潜在泄漏。对实验室实验、现场观测、数值模型和诊断研究进行了比较，并关注每类证据所能确立的内容。水泥蚀变、结构脱粘、可测量的流体运移和后果性泄漏是截然不同的观测结果。界面导流能力取决于水力开度（hydraulic aperture）、连通性、有效应力、热力与压力循环、流体化学以及流动历史；机械闭合或沉淀可能限制通道，而重新加载或溶解可能保持或扩大通道。诊断解释需要针对方法和井进行特定校准：未检测到的异常并不能确立零流动。卤水运移、溶解CO?传输和游离相CO?进入具有不同的压力、毛细管和饱和度控制条件。所提出的界面到风险框架将缺陷证据、暴露、相特定运移和可能的受体后果联系起来，而不将该框架视为校准的风险模型。优先事项包括循环测试、耦合多相表征、现场验证以及实验室到现场的不确定性量化。
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引言
碳捕集与封存（CCS）涉及捕集CO?并将其注入深层地质构造，以实现长期与大气隔离。成功的地质封存需要具备足够容量和注入能力，同时保持注入CO?和被驱替地层流体的封存性的地层。深层咸水层和枯竭油气藏是主要的封存目标，因其广泛分布且具备大规模注入的潜在容量。封存通常针对深度约800米以上的目标，此处的高压和高温条件使CO?能够以相对较高的密度存在。注入后，CO?驱替地层卤水并作为多相流系统的一部分在储层中运移。由于CO?通常比地层卤水密度低，浮力促进其在封存层段内向上运移，因此上覆封盖系统的完整性对长期封存至关重要。构造和地层圈闭最初将可动CO?保留在低渗透性封盖地层之下，而残余捕集、溶解于地层卤水以及长期矿物反应逐渐降低其流动性。主要封存项目的经验表明，地质CO?注入和监测可在多种地质背景下实施。
受注入影响的地下区域不仅限于游离相CO?羽流。大体积注入提高储层压力并驱替地层流体，产生可能延伸至可动CO?羽流之外的压力足迹。因此，潜在泄漏通道无需遇到游离相CO?即可具有水力相关性：注入引起的压力也可能驱动地层卤水通过足够连通的特征。这在含有既有井的成熟沉积盆地中尤为重要。图1将羽流接触与压力暴露区分开来；二者均不能在没有连通通道和驱动力势的情况下确立泄漏。
井是穿透地质单元的工程化通道，而这些地质单元原本提供自然封存。常规下套管固井井依赖钢套管提供结构支撑和流体输送，依赖环空水泥提供套管支撑和渗透性地层间的水力隔离。因此，完整性不仅取决于钢材和整体水泥环的性质，还取决于套管–水泥和水泥–地层界面的胶结。潜在通道包括套管损伤、水泥裂缝或沟槽、固井不完整、封隔器缺陷以及脱粘的套管–水泥或水泥–地层界面。缺陷的存在本身并不确立泄漏；流体运移还需要与源的水力连接以及足够的驱动力以维持通过通道的传输。
井筒通道可在整个井生命周期内形成或变化。施工缺陷可建立薄弱胶结、沟槽或局部界面缺陷，而随后的压力、温度和应力变化可能引发脱粘或改变现有开度。反应性富CO?流体可进一步改变水泥、钢材和通道几何形态，因此传导率可能随耦合的力学和化学演化而增加或减少。弃井改变屏障配置，但不一定消除沿套管、水泥、封隔器或其界面残留的缺陷。
微环隙之所以重要，是因为它们沿旨在维持层间隔离的界面发展。套管–水泥或水泥–地层边界处的脱粘可形成狭窄的环空通道，其水力传导率可能显著超过胶结良好的整体水泥。单个缺陷不一定构成整个井的失效；封存相关性取决于缺陷是否组合成在封存重要层段内足够连通且具传导性的通道。本综述考虑的主要工程井筒通道总结于图2。
早期CO?井完整性研究主要关注波特兰水泥的耐久性，但随后的实验室和现场证据表明，化学蚀变不一定直接对应水力失效。水泥在扩散受限暴露下可能保持相对低渗透性，而优先运移可能沿套管–水泥或水泥–地层界面发生。这一证据将关注点从水泥蚀变本身转向优先通道的连通性和水力行为。
力学和反应性流动研究随后表明界面传导率是动态的。沉淀或机械闭合可能限制流动，而应力、开度、化学和流体更新的其他组合可保持或扩大连通通道。因此，界面状态不能仅通过缺陷存在或整个井生命周期中的单一恒定渗透率来可靠表征。
先前的综述已整合多个尺度的井完整性。Zhang和Bachu考察既有井，Carroll等人综合耦合的化学、力学和传输过程，Bai等人讨论生命周期完整性和监测。Ahammad和Azadbakht处理注入井完整性控制，而Eissa等人将井完整性挑战与德克萨斯封存背景联系起来。Lackey等人明确连接材料研究、完整性表征、筛选、泄漏建模和管理。将机制与风险整合因此是一个既定方向。此处处理的更狭义问题是：如何解释缺陷证据、水力连通、流体运移和后果性泄漏之间的转变，而不将这些观测视为等同。
本综述考察如何利用井筒界面的观测来评估封存风险。先前的综述涵盖水泥退化、耦合过程、生命周期完整性和风险管理。此处强调五个独立问题：材料是否已改变、缺陷是否存在、缺陷是否水力连通、流体是否在运移、以及该运移是否可能影响受体？每个问题需要不同的证据。所提出的界面到风险框架确定了在进入下一评估之前需要压力、流动、源归因或受体数据的位置。第9节将此方法与先前的综述和模型进行比较。
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综述方法和证据框架
本批判性叙述性综述考察地质CO?封存中的井筒界面行为。它考虑缺陷形成、水力连通性、流体运移和通道演化。评估实验室、现场、建模和诊断证据所能确立的内容以及存在不确定性的地方。目标是连接界面机制与封存风险，而非估计失效频率。
通过针对性文献检索和既有综述的参考文献列表确定相关出版物。检索词涵盖"套管水泥界面"、"微环隙水力开度"、"CO?封存井筒泄漏"、"遗留井完整性"、"井完整性风险综述"、"反应性传输水泥裂缝"和"井筒泄漏风险不确定性"。检索结果尽可能与出版商、DOI和机构记录进行核对，包括ScienceDirect/Elsevier、Springer Nature、MDPI和大学知识库。报告的数值结果尽可能与可访问的原始文本核对。基础研究无出版年份下限，同时纳入截至2026年的相关工作。密切相关的综述的参考文献列表被检查以识别额外研究。这是针对批判性叙述性综述的针对性方法，而非Scopus或Web of Science的详尽系统检索。
标题、摘要以及可用的全文或出版商描述被评估其与套管–水泥和水泥–地层界面、水力连通性、诊断解释和可能的封存后果的相关性。优先考虑以下研究：(a)报告明确定义的实验条件和测量的水力响应，(b)呈现可解释的现场观测，(c)说明泄漏模型中使用的假设和边界条件，或(d)提供直接相关的综合或实用风险框架。关于整体水泥、开放岩石裂缝和其他相关材料的研究仅在能识别其作为固井井筒类比物的局限性时用作支持证据。缺乏足够测试细节的报告不用于定量比较。同一实验数据集的重复描述不被计为独立证据。
研究按证据类型、界面或材料、尺度、流体相、压力、温度、加载和流动条件、水力测量和响应进行比较。测量与模型预测相区分。比较考虑了实验和建模条件、其局限性以及个别研究中报告的测量或建模变化。
不同水力指标或测试条件下的数值不进行合并。综合遵循SANRA中的叙述性综述报告指南。
综合借鉴实验室实验、现场研究、地质力学和反应性传输建模、井诊断和遗留井评估。水力开度、固有渗透率、有效相渗透率和水力传导率使用其原始定义和单位报告。流体相、实验持续时间和测量尺度的差异限制了研究间的直接比较。
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从整体水泥蚀变到界面控制型传输
早期地质CO?封存中的井完整性研究主要关注波特兰水泥的化学耐久性，因为水化水泥在富CO?环境中具有反应性。溶解的CO?降低流体pH并与含钙水泥相反应，产生碳化、矿物溶解、沉淀，以及在足够苛刻条件下钙硅酸盐 hydrate 的渐进脱钙。早期碳酸盐沉淀可能局部降低孔隙度和渗透率，而长期酸性暴露可增加孔隙度并削弱蚀变材料。因此，蚀变的速率和程度不仅取决于CO?的存在，还取决于流体化学、pH、矿物缓冲、温度、传输机制以及反应性流体的持续补充。注入流杂质可能提供额外控制，因为其组成随捕集源变化，其地下效应取决于与地层流体和矿物的相互作用。
实验证据说明了传输条件的重要性。Duguid和Scherer研究了碳化卤水暴露下的水泥退化以及流体缓冲的影响。Kutchko等人考察了封存条件下初始完整的H级水泥的蚀变。这些研究说明了为什么暴露化学和传输机制必须伴随任何水泥耐久性解释。短期实验室蚀变速率不应被视为数十年井屏障性能的直接测量。
长期现场证据强化了这一区分。Carey等人检查了SACROC单元在约三十年CO?暴露后回收的套管、水泥和页岩。尽管水泥已大量碳化，整体水泥渗透率仍相对较低，而CO?运移的证据集中在套管–水泥和水泥–页岩界面附近。在天然CO?生产井中，Crow等人测量的水泥岩心渗透率为0.3–32 μD，而垂直干扰测试解释给出的有效屏障系统渗透率约为0.5–1 mD。紧密采样的界面、有限的套管腐蚀和压力历史支持显著运移受到限制，而非完美水力隔离。岩心与屏障系统测量之间的差异说明了为什么低基质渗透率本身不能表征完整的井筒通道。
这一区分将关注点从水泥基质转向优先通道。套管–水泥和水泥–地层界面、水泥裂缝、施工相关沟槽和微环隙可提供对流流动路线，绕过完整低渗透水泥的大部分阻力。在胶结良好的系统中，通过水泥基质的传输可能主要以扩散控制为主，而连续的界面间隙、裂缝或沟槽可能主要受通道开度、连通性、表面条件、应力状态和水力驱动力控制。SACROC和天然CO?现场观测的对比表明，存在合理的通道类型本身并不确立该通道是开放的、连通的或水力显著的。
直接界面实验进一步表明这些通道是动态的而非静态导管。Carey等人观察到CO?–卤水流经工程化套管–水泥微环隙时的反应、套管腐蚀和碳酸盐沉淀，证明通道性质可在流体传输过程中改变。更广泛的实验和反应性传输研究同样表明，裂缝和界面可能变得传导性降低、持续存在或扩大，取决于通道几何、应力、流体化学、流速和停留时间。
水泥蚀变和流体泄漏需要分别评估。碳化或溶解改变水泥，但显著泄漏还需要连续、导电路线和驱动压力。蚀变水泥在基质渗透率低且不存在连通缺陷的情况下可保持限制性屏障。相反，狭窄裂缝、沟槽或脱粘界面在连接相关层段时可携带流动。图3说明了这两种传输设置。
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微环隙和界面缺陷在井生命周期中的形成
微环隙可在固井期间或井寿命后期形成。其尺寸和连续性取决于原始水泥胶结以及随后的压力、温度和应力历史。一些间隙仅部分延伸环绕套管或在短距离后停止；另一些在压缩下闭合。因此其水力重要性取决于连续性和传导率，而非仅可见脱粘。
初始界面条件在钻井液驱替、水泥放置、水化和胶结发展期间建立。不完整的泥浆清除、残余滤饼、凝固期间的气体运移、水泥收缩、表面污染和套管偏心不良可减少接触或产生薄弱区域和沟槽。水泥–管体胶结对表面条件敏感，油基泥浆膜可显著降低套管–水泥胶结质量。偏心套管还产生不均匀的环空几何和应力集中，增加后续损伤的敏感性。在外界面，胶结行为取决于水泥和地层性质以及完井几何。既有施工缺陷很重要，因为后续开裂和脱粘通常从这些薄弱区域起始。
水泥凝固后，套管压力、环空压力、储层压力和周围应力的变化改变固井环空的力学状态。由于钢、水泥和地层岩石变形不同，加载和卸载可在任一水泥界面产生开裂、剪切损伤或分离。Jackson和Murphey观察到套管压力变化后的环空流动，与永久变形和界面接触丧失一致，而数值研究表明产生的失效模式取决于几何、材料性质、应力状态和加载历史。当水力加载超过维持接触的力学阻力时，流体压力也可扩展既有脱粘界面。因此界面几何可在不形成全新缺陷的情况下改变。
温度变化增加另一加载机制。注入CO?可能比周围地层冷，而关井允许井热恢复，在运行期间产生重复冷却和再加热。套管、水泥和岩石之间的差异热膨胀改变界面应力，并可在易感条件下促进开裂或脱粘。冷却与De Andrade和Sangesland建模配置中的界面脱粘相关，但实验室观测表明热循环并非在每个试样中产生严重新损伤，且通常扩展循环前已存在的缺陷。地层性质和力学约束也影响响应。因此热加载是界面演化的一个贡献因素，而非失效的独立预测因子。
相关热载荷是注入流体与给定深度周围套管、水泥和岩石之间的温差，而非仅地表注入温度。例如，10–20°C的流体和60–100°C的岩石可能意味着40–90°C的局部对比，但仅当这些温度发生在同一深度时。井下温度还取决于流速、热交换、流体性质和运行历史。由于产生的梯度随深度和时间变化，水泥应变和界面开度必须针对所建模的井条件进行评估。
Hosking等人对理想化1.5 km井中30天内的井底注入温度（0–15°C）和压力（15–23 MPa）的144种组合进行了建模。在其模型中，冷却驱动的套管收缩是套管–水泥胶结损伤的主要原因。温度的影响强于压力，而较高注入压力部分抵消收缩。Dong等人还发现注入速率在耦合井筒温度和水泥应力计算中很重要：较高的建模速率促进径向开裂和界面脱粘，但降低剪切压缩失效风险。两项研究均未确立通用温度或速率阈值。注入速率、关井、重启和热恢复应一起评估，重复损伤的预测需要疲劳和界面强度数据。
关井、重启、压力测试、修井和弃井在初始注入后继续改变井。重复压力和热循环可激活或扩展既有缺陷，循环加载可在超过材料耐久性时产生疲劳相关水泥损伤。弃井引入封隔器–套管以及取决于配置的封隔器–地层界面，这些界面仍暴露于地下压力和应力。腐蚀在不利CO?封存条件下也可能导致套管完整性损失。Jiang等人表明封隔器–套管界面处压力驱动的脱粘取决于原位应力、水泥性质、渗透率和界面强度，且水力连通仅在足够缺陷扩展后发展。
因此界面缺陷的水力意义在形成后并非固定。有效应力、热加载、反应性蚀变和通道几何可随后限制、保持或增加界面传导率。井筒界面传导率的主要控制因素概念性总结于图4。
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界面通道的水力行为和动态演化
一旦界面缺陷形成，其水力意义取决于其是否在现有驱动力下提供连通且足够传导的通道。机械可检测的微环隙若间断或强约束可能传输少量流体，而狭窄但连续的通道可保持导电性。Welch等人例如测量了平均初始水力开度仅6.8 ± 1.0 μm的水泥–钢界面流动。此类测量表明微米级缺陷可传输流体，但其本身并不确立后果性封存泄漏。
界面流动受通道几何、表面接触、连通性、流体性质、应力状态和加载历史控制。机械加载改变接触和开度，而流体流动和反应可改变表面几何和传导率。
几何、力学和水力开度描述不同性质。几何开度是对立表面之间的局部物理分离，而力学开度反映与界面力学状态相关的分离。水力开度是等效流动参数，表示可再现测量水力传导率的理想化通道的开度。这些量可能显著不同，因为真实套管–水泥和水泥–地层界面包含粗糙度、接触区域、收缩、曲折通道和局部较大开口。
本综述中使用的水力量具有不同含义。水力开度是从流动推断的等效开口，不一定是观测间隙。固有渗透率是材料或等效域性质。水力传导率通过单相达西流动中的关系考虑流体性质。体积传导率将流动与指定通道的水力势差联系起来。每单位连通宽度的传导率定义为相关关系；对于光滑槽，其等于特定表达式。整体水泥或复合系统渗透率不能直接转换为微环隙开度，除非使用适当的流动模型。
裂缝流动研究表明粗糙度和表面接触产生物理开口与水力传导率之间的非线性关系。套管–水泥系统中也观察到类似行为。Garcia Fernandez等人发现微环隙几何存在显著周向变化，包括同一试样内的近接触区域和较大局部间隙。因此水力开度应理解为等效传输性质，而非均匀环空间隙。
在约2 m套管–水泥试样中，Moghadam等人即使力学分析预测界面闭合时也观察到可测量流动。约15–30 μm的残余水力开度取决于微环隙内的流体压力；其拟合的固有残余开度约10 μm代表所测试试样的零流体压力极限，而非通用间隙尺寸。Welch等人同样观察到微米级水泥–钢通道的有限导电性。
流动对水力开度的敏感性可通过立方定律近似说明，该定律适用于通过光滑窄槽的稳态、层流、单相不可压缩牛顿流体流动，具有无滑移边界。对于恒定流体密度，重力修正形式为相关方程。水力开度增加50%给出计算的3.375倍流动增加，翻倍给出八倍流动，所有其他项固定。这些是理想化敏感性，而非现场泄漏乘数。粗糙度、接触、曲折度、变化密度和多相流动需要额外处理。
流体性质和测试历史也影响推断的水力开度。Meng等人报告水创造通道约2–17 μm和液态CO?测试0.7–6 μm。这些研究特定范围不应解释为固有流体差异：作者指出先前通道创造、水泥配方和水泥–压板界面压力损失的可能影响。从完整测试组件推断的水力开度因此可包括目标水泥–套管界面之外的阻力。
一阶有效正应力表示使用压缩正应力约定。在固定总应力下，增加流体压力降低有效压缩。在实际井中，套管膨胀和周围应力变化也可改变总正应力，因此提高套管压力不等同于提高微环隙内压力。
Gomez等人和Stormont等人将套管–水泥流动与围压、套管和孔隙压力联系起来。Welch等人发现剪切位移可根据试样历史增加或减少水力开度。在Moghadam等人报告的60 mL/min循环中，开度随套管压力从0升至40 MPa而从约32降至21 μm，卸载时返回约32 μm。Meng等人测量了应力敏感开度并使用耦合力学泄漏模型比较恒定和应力依赖表示。其CO?情景分别产生2.84和11.25 t/year；约四倍差异是模型特定结果，而非通用泄漏修正因子。类似有效应力敏感性已在裂缝固井水泥中报告。
加载和卸载可改变开度和渗透率。表1报告这些变化以及获得这些变化的测试或模型条件。
水力测量取决于试样几何、流体相、应力历史和测试条件。报告范围描述所研究系统；它们不可转移为全尺寸井的泄漏阈值。
水力性质可在通道变为导电后继续变化。矿物沉淀、固体再分布、机械变形和时间依赖地层行为可限制流动，而重新加压、循环加载或持续反应性传输可保持或增加传导率。
反应性传输可在反应产物积累于水力重要收缩处时限制流动。Huerta等人观察到稀释酸流经裂缝水泥时的流动限制，使用酸类似物研究反应性泄漏。Cao等人测量了CO?富卤水暴露期间的裂缝变窄和测试后渗透率约为初始值一半。在Newell和Carey的水泥–粉砂岩实验中，有效卤水渗透率从约200降至90 mD的初始下降源于向两相scCO?–卤水流动的转变。随后降至约35 mD归因于细粒运移和水泥衍生材料再分布，可能贡献来自相饱和度变化。因此相流动性变化必须与固有通道渗透率变化区分。Carey等人观察到局部碳酸盐填充伴随通道扩大；复合石灰岩–水泥/套管系统保持导电且未显示净渗透率下降。因此局部矿物填充本身不能确立完整通道的密封。
通道几何和流体更新强烈影响结果。Luquot等人观察到较小裂缝中相对低流动条件下的大量沉淀和渗透率降低，而较大或更强冲刷的通道保持相对导电。Wenning等人发现反应性反馈将流动集中到原始流动路径面积的约16–40%，尽管广泛局部限制仍留下连通优先通道。沉淀或平均开度降低不一定消除水力连通。
周围地层的时间依赖变形可提供另一限制机制。Enayatpour等人研究了页岩蠕变作为潜在环空屏障过程，而墨西哥湾沿岸井眼闭合测试提供了现场尺度类似物，其中可变形页岩在测试条件下渐进限制开放通道。该机制反映地层变形而非原始水泥胶结的恢复。
加压流体也可在水力加载超过维持接触的力学阻力时扩展既有脱粘界面。热和运行循环可通过改变套管变形和局部应力修改同一界面。
反应性传输也可扩大连通通道。Cao等人对CO?富卤水流动期间水泥–砂岩缺陷的渐进打开进行了成像；单独测试渗透率的类似试样在10天内从约150 mD增加至1.2 D。水力测量和8天成像序列来自不同试样。Luquot等人和Yalcinkaya等人同样报告了持续流体更新保持或增加通道传导率的条件。Wolterbeek等人表明间歇性高流量暴露可通过在缺陷内重复更新反应性流体来限制持续衰减。
初始开度、停留时间、流体更新和水力边界条件强烈影响反应性传输是否限制、保持或扩大通道。Deremble等人描述了连通通道一部分中的溶解可为下游沉淀提供材料。Brunet等人使用约250次裂缝水泥模拟识别了有利于打开或自密封的机制，并发现初始开度和流体停留时间是有用控制。较长停留时间可有利于反应和沉淀，而快速流体更新可维持溶解并输送反应产物。在固定压差下，渐进限制降低流动并可进一步增加停留时间；恒定流动条件维持流体更新并抑制部分反馈。图5总结了这些替代反应性结果。
表1总结了选定水力测量和模型结果及其主要比较限制。
研究内比率提供比直接汇集不同试样和流体中的绝对渗透率或开度值更可辩护的比较。表2显示归一化变化，其中分子和分母具有定义的共同基础。它还包括相条件或空间采样阻止有效水力比较的情况。方向、幅度和可逆性因此取决于加载历史、流体机制以及响应代表实际测量还是模型预测。
井筒界面完整性取决于连通性和传导率如何随时间变化，而非简单缺陷分类为开放或闭合。第6节考虑哪些测量可区分这些状态。
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诊断界面状态、水力连通和泄漏
井完整性诊断测量屏障的不同方面。水泥测井评估胶结和覆盖；压力测试调查水力连通；温度、流动、声学和示踪剂测量可指示运移或帮助识别其源。
常规水泥胶结测井、变密度测井和超声水泥评估方法评估套管、水泥和地层之间的声学或力学耦合。其响应受套管和水泥性质、井筒流体、工具位置和界面状态影响。超声方法可提供水泥分布、沟槽和声阻抗的改进方位表征，但这些测量主要仍是结构性的。异常响应可指示胶结不良或不完整水泥覆盖，而不确立连续传导通道。
基于压力的诊断更直接处理水力连通。压力保持和机械完整性测试评估所测试水力体积的封存性，但该体积之外的通道可能未被检测。垂直和压力干扰测试可识别旨在保持隔离的层段间的连通，并提供连通系统有效传导率的估计。Gasda等人使用有效井筒或扰动带渗透率表示该响应，该渗透率可包括水泥、界面、套管相关特征和相邻扰动地层，而非唯一定义的微环隙。
Duguid等人比较了既有井中的声波和超声水泥评估、回收水泥和套管外水力测量。实验室测量指示低整体水泥渗透率，而垂直干扰测试建议套管外复合系统显著更大的有效传导率。
推断传导率在压力响应接近测试和仪器分辨率时变得越来越不确定，因此非检测不确立零水力连通。持续套管压力提供异常水力行为的另一指示，尽管类似响应可能源于油管或套管泄漏、环空气体运移、水泥缺陷或界面通道。热诱导环空压力积累和有意施加的压力必须与持续流体源支持的持续压力区分。
定量压力测试解释需要定义的压力扰动、测量的压力-时间响应、隔离测试体积、仪表精度、流体压缩性和连通井筒-地层系统的正演模型。有效水力传导率可写为仅当相关流速和水力势差在所述相和边界条件下独立已知时。在干扰测试中，有效渗透率或传导率通过将瞬态压力观测与模型匹配来推断；反演是非唯一的，因为连通通道长度、存储和复合带性质也影响压力。通过压力保持测试或观察不到可分辨干扰因此不确立零微环隙导电性。
流体运移可产生可测量的热异常而不揭示负责通道的几何。数值研究表明CO?或卤水泄漏可产生由流速、流体性质、通道几何和热传递控制的温度响应。分布式温度传感沿井提供重复或连续测量，但可检测性取决于泄漏量级、通道几何、光纤位置、热性质和背景不确定性。
Zhang等人估计了建模注入井中CO?泄漏的DTS检测限。其估计从仅温度精度时的约0.005 kg/s升至包含模型误差时的0.05 kg/s，以及包含指定热和地质不确定性时约0.1 kg/s。在后一种情况下，0.1 kg/s在其建模条件下可与无泄漏区分，而0.05 kg/s的结果重叠。这些数字适用于该井配置和分析。不同热对比、传感器位置和地层性质需要新的敏感性估计。
生产测井在流动超过工具灵敏度时提供更直接证据。旋转流量计测量可识别流体速度并在适当条件下估计流速，尽管低速率或套管后运移可能低于检测阈值。声学或噪声测井响应移动流体产生的声音，可识别结构性测量可能不明显的动态活动。解释取决于流体相、流动机制、速率和信号源定位能力。
噪声测井没有普遍适用的最小可检测套管后流速。响应取决于流体相、泄漏几何、压降、声衰减、背景噪声和工具频率范围。流速只能从适用于那些条件的校准推断。没有此类校准，安静测井不能用于设定泄漏的定量上限。
示踪剂方法可证明与已知源的连通。注入流体中引入的化学或同位素示踪剂随后在监测位置检测，性能受分配、吸附、扩散、持久性、采样策略和分析灵敏度影响。在CO2CRC Otway项目中，Stalker等人使用多种示踪剂识别注入和观测位置之间注入CO?的突破。然而检测不唯一确定运移是否通过微环隙、水泥裂缝、环空沟槽、地层裂缝或其组合发生。
分布式声学传感可根据部署和采集配置提供结构或动态信息。Raab等人观察到深度依赖响应与常规水泥胶结信息大致可比，指示对套管–水泥–地层耦合的敏感性。DAS解释因此取决于被监测的物理信号。
DAS测量沿光纤的动态应变或应变率。其响应取决于标距长度、询问器设置、电缆耦合、信号频率和背景噪声。流速估计需要受控速率实验或验证的流动–声学模型，以及报告噪声和检测不确定性。
Gundih CCS试点说明了组合诊断证据的必要性。Marbun等人使用水泥评估、油管检查、压力、温度、旋转流量计和声学噪声测量评估了转换为CO?注入前的既有JPN-1气井。440和881 m附近的温度和声学异常指示可疑泄漏区，而旋转流量计测井显示无流动且压力测井保持静水。声学信号不足以确定径向源距离，因此这些观测不唯一定位界面通道。挤水泥后，压力保持测试通过且声学活动减少，但胶结接受标准未满足，气体泄漏和套管损伤仍是关切。作者结论是需要进一步修复或再完井才能转换；这是注入前气井完整性评估，而非观测到的CO?注入泄漏事件。
CO?封存现场实践类似地组合压力、温度、流动、机械完整性、水泥评估和监测测量，因为个别技术在不同空间尺度运行且具有不同操作限制。当结构、水力和流动敏感观测相互一致时，诊断置信度增加。
表3总结了常见诊断测量的信号及其可支持的结论。
诊断灵敏度应为每种方法和测试配置报告，包括在所述置信水平下可与基线区分的最小信号。压力测试解释需要仪表不确定性和压力-时间模型；DTS需要热基线和流动–温度校准；DAS和噪声测井需要校准传感器耦合和背景噪声表征。没有这些，不能分配可辩护的最小泄漏率。表3因此总结了支持的推断和检测限。
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从物理通道到封存相关风险
井筒缺陷的封存意义取决于其与封存系统的水力连接以及由此产生运移的后果。封存风险评估因此需要将通道行为与储层条件、地质架构、驱动力和受体暴露一起考虑。
物理缺陷不一定构成完整泄漏通道。水力连通需要缺陷或渗透层段之间足够连接以形成连续路线。局部不连续若终止于合格屏障材料内可能保持水力不显著，但若与另一缺陷、渗透层段或旁通特征连接则变得重要。相关水力单元因此是完整连通通道而非孤立缺陷。
此处泄漏意指存储相关CO?或被驱替地层流体通过意外通道超出预期封存层段的运移。该物理定义与管辖区特定合规标准分开。风险取决于定义运移情景的可能性和后果，包括速率、持续时间、目的地和受体暴露。
泄漏情景需要流体源、连通通道和净驱动力势。源可包括注入CO?、富CO?卤水或被驱替地层流体。对于垂直流动，压差必须与重力一起解释；高绝对压力本身不确立向上流动。在多相通道中，非润湿CO?进入和流动性还取决于毛细管力、饱和度、润湿性和相对渗透率。传输卤水的通道在相同条件下不一定传输游离相CO?。
应用此论证时必须考虑三种不同流体状态。地层卤水可响应注入驱动压力扰动而移动，即使井位于游离相CO?羽流之外。溶解CO?随水相移动并可改变水化学而不构成单独游离气体运移前沿。游离相CO?在许多盐水润湿条件下是非润湿相，可能被盐水传导收缩排除，直到局部相压差超过适用毛细管进入压力。进入压力取决于界面张力、润湿性和局部喉道几何。
一旦两相均可进入连通通道，其流动性取决于演化的相饱和度和相对渗透率。示意性地，等效多孔通道模型中的相流动满足相关比例关系，受相特定压力/毛细管关系、几何、重力和水力连通性约束。该表达式不将单相立方定律预测不变地应用于两相井筒流动。作为条件筛选示例，毛细管进入压力超过可用CO?–卤水相压差的盐水填充收缩仍可传导压力驱动卤水，同时延迟游离相CO?进入；一旦相压差超过进入，CO?通量仍取决于饱和度、润湿性和有效流动网络。
连通通道仅在暴露于存储诱导水力条件时才变得项目相关。与可动CO?羽流直接接触是暴露的一种形式，但注入诱导压力可显著延伸超出游离相CO?足迹。预测羽流之外的井因此仍可相关，如果项目诱导压力达到连通通道。暴露还取决于注入速率和持续时间、储层性质、深度、边界条件和项目几何。距注入井距离因此仅是井经历的压力和饱和度条件的代理。
美国VI级审查区域考虑建模的CO?羽流和与地下饮用水源潜在危害相关的压力条件，以及可能作为导管的人工穿透。AoR不是整个数学压力足迹。概念风险框架不替代井识别、评估、纠正措施和再评估的适用要求。
地层穿透也控制通道是否能损害封存。限制在封存层段内的缺陷不提供完整逃逸路线，除非其穿越封盖系统或与绕过它的另一特征连接。在复合密封中，多个低渗透单元可共同限制垂直运移，而传导井可通过其他有效屏障提供捷径。
运移超出预期封存层段时，后果取决于其量级、目的地和受体暴露。潜在受体包括地下饮用水源、允许封存层段外的其他地层、地表或海床环境、大气和基础设施。项目尺度研究表明井存在或传导率本身不决定受体风险；储层压力和CO?饱和度、通道行为、地质运移路线和受体关系必须一起考虑。
图6将通道状态和水力暴露与可能的运移和受体效应联系起来；诊断为每项评估提供证据。
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遗留井作为界面到风险概念的应用
遗留井是相对于拟议或运营封存项目考虑的既有井。各研究中的用法不同；此处该术语包括活跃、闲置、暂停和废弃井，不暗示特定施工年龄、所有权状态或完整性条件。封堵废弃、未封堵和孤儿井不是可互换类别。历史记录有助于识别进一步评估的井，但很少确立界面当前水力状态。记录不良本身不确立泄漏。
施工和弃井信息随监管时代、运营商、井状态和记录质量变化。结构化数据库可能包含位置、深度、状态、套管和弃井信息，而完井报告、水泥记录、封堵文件和修井历史可能不完整或分布于历史文件中。Lackey等人发现墨西哥湾海上井的详细评估需要从通用井数据库之外的监管文件重建。清单不确定性增加另一限制，因为未记录或定位不良的井无法通过清单筛选可靠评估；磁法、地球物理、遥感和数据驱动方法因此被研究用于定位孤儿井。
井龄可反映监管时代、完井方法、运行历史、腐蚀暴露、弃井实践和记录质量的差异。
由于许多井无法获得直接完整性测量，种群尺度评估通常从基于记录的属性开始，如深度和地质穿透、套管和水泥配置、封隔器状态、井状态和年龄、完整性历史、可访问性和数据质量。Watson和Bachu发现观测泄漏指标与包括环空水泥覆盖、外部套管腐蚀、套管失效和弃井状态在内的属性之间存在统计关联。这些关系支持大种群筛选，但不确立单个井包含活跃水力通道。Nowamooz等人类似地使用水泥高度、偏差、封隔器类型、井龄、井型和信息可用性来分类相对泄漏潜力，而非直接测量泄漏。
地质穿透提供井配置与封存相关性之间更直接的联系。Arbad等人将封存储层和封盖层段的穿透以及报告的屏障配置纳入遗留井筛选。这区分了终止于关键封存层段之上的井与穿透它们的井，比总深度更具信息性。环空水泥和封隔器记录描述预期屏障几何，但不确立当前胶结质量或水力隔离。历史套管腐蚀、套管失效、持续套管压力、地表套管通气流动或气体运移提供异常结构或水力行为的更强证据，尽管它们可能不唯一识别负责通道。
种群筛选后，候选井必须根据封存储层穿透、封盖系统穿透和项目特定水力暴露进行评估。Celia等人将实际历史井位置和不确定有效井渗透率纳入油田尺度CO?和卤水运移估计，允许在特定储层条件下评估井性质。Zulqarnain等人使用结合井配置与空间和地质关系的降阶井和场地尺度泄漏指数。White等人纳入储层压力和CO?饱和度、不确定遗留井性质、CO?和卤水泄漏以及潜在USDW影响，将井渗透率不确定性传播通过系统级评估，而非将不确定井视为确认失效。
项目暴露应使用压力和饱和度条件而非羽流接触或注入井距离单独评估。Lackey等人使用含1000口遗留井的建模封存系统发现，基于泄漏倾向先验信息的优先级排序可优于主要基于注入井距离的方法。距离影响水力暴露，但其相关性取决于储层压力传播和单个井的水力性质。
遗留井筛选支持关于表征、监测、测试和修复的决策。Duguid等人将运移可能性与潜在后果分开，而纠正措施研究表明可访问性、井口状态、侧钻、障碍、不完整记录和裸眼层段可强烈影响干预可行性。Romdhane等人将筛选、监测和修复连接到海上封存工作流程中。
代表种群筛选、地质评估、水力建模、风险评估和纠正措施规划的典型方法在表4中比较。
当合理通道与关键密封相交、经历相关压力或CO?暴露并可能影响受体时，筛选优先级提高。记录不完整时，针对性测试可能比分配精确数值风险评分更有用。
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集成界面到风险框架和研究优先事项
没有单一观测捕捉界面控制泄漏的完整过程。水泥状态、通道几何、水力响应、诊断、储层暴露和潜在后果描述问题的不同部分。图6中的框架组织连接它们所需的证据。
生命周期加载建立和修改界面条件；缺陷可发展为连通水力通道；通道传导率可随力学、水力、热和化学条件变化。封存相关性仅在足够连通且传导的通道暴露于存储相关水力条件和足够驱动力时出现。超出预期封存的运移在与相关受体相互作用时变得有后果。该进程是有条件的：缺陷可能保持不连通，连通通道可能保持水力限制性，传导通道可能不经历相关暴露或足够驱动力
