基于自相关时延特征的CCUS井筒泄漏定位：方法与现场应用

《Energies》：Leak Location in CCUS Wellbores Using Autocorrelation Delay Features: Method and Field Application Liwei Zhang, Xiang Bai, Xiaoyi Zhai, Jianchun Fan, Qijia Zhou, Zhiming Jiang and Min Li

　　

在强背景噪声条件下，CCUS注入井筒的稳定泄漏定位仍面临挑战。研究人员提出了一种基于泄漏声学信号自相关时间延迟特征的定位方法。该方法针对受限空间内泄漏噪声的产生及其在井筒中的波导传播特性，建立了直达声分量与底部反射回波的时延关系，并开发了集信号预处理、归一化自相关分析、特征提取与位置反演于一体的工作流程。实验结果表明，在不同泄漏工况下，主导自相关时延特征保持稳定，而泄漏位置变化则产生可区分的峰谷模式。在测试条件下，该方法实现了较高的定位精度，绝对误差为0.018至0.046米，相对误差为0.76%至1.93%。在一口CO2注入井中开展的现场应用进一步验证了该方法的实际可行性。总体而言，该方法为CCUS注入井筒泄漏定位提供了一种稳定有效的技术途径，在噪声环境下的工程应用中展现出潜力。

研究背景方面，在双碳目标与深度脱碳约束下，碳捕集、利用与封存（CCUS）被视为化石能源及高耗能行业大规模减排的关键路径。注入井作为连接地面设施与深部储层的核心通道，其完整性直接决定封存安全性。现有监测手段中，环空压力监测虽广泛应用，但难以直接确定泄漏位置；分布式光纤声波传感（DAS）虽分辨率高，却受限于成本与部署条件。因此，开发一种低成本、易部署、抗噪性强的单点测量轴向泄漏定位技术具有重要工程价值。研究人员针对这一问题，提出了基于自相关时延特征的泄漏定位方法，并在室内模拟井筒与新疆某CO₂注入井中完成了验证。

关键技术方法上，研究人员构建了同轴管柱-套管模拟井筒实验系统，采用可更换孔板方案预设泄漏位置（轴向距离井口2.0米、2.2米、2.4米）与控制孔径（1毫米、2毫米、3毫米），利用Zhaohua CRY372声传感器采集井口声压波动信号，采样率设为50千赫兹。数据处理遵循去均值、归一化离散自相关函数构建、非零滞后区间峰值识别及基于一维波导近似的位置反演流程，全程无需多点同步测量与声压幅值标定。

研究结果部分，首先分析了泄漏声源特性与传播机制。局部缺陷处形成高速射流，产生以宽带为主的辐射噪声，在井筒环形波导中形成直达波与底部边界反射回波的稳定多径传播结构，为时延特征提取提供了物理基础。其次，室内实验表明，油管-套管压差主要影响信号幅值与频谱能量分布，主导自相关时延峰位置偏移小于0.1毫秒，表现出对压力扰动的鲁棒性；泄漏位置变化导致时延峰发生规律性移动，验证了方法的定位敏感性；孔径增大仅增强特征峰清晰度，未引起系统性位置漂移，证明方法对声源强度变化具有适应性。在11组室内工况下，定位绝对误差为0.018至0.046米，相对误差为0.76%至1.93%。现场应用中，于新疆某井成功从复杂背景噪声中提取出自相关特征时延，换算得到泄漏深度约为64.41米，证实了方法的工程适用性。

讨论与结论部分，研究人员指出，该方法仅需单点井口测量即可实现轴向定位，避免了多点部署成本与同步难题。室内实验验证了其在变工况下的稳定性，现场应用展示了抗噪能力与实际操作可行性。尽管现场缺乏独立真值验证，但结果为CCUS井筒完整性管理提供了一种低成本、可快速部署的风险 mitigation 选项。论文发表于《Energies》，强调了该方法在强噪声环境下为泄漏闭环风险管理提供实验依据与方法框架的重要价值。