基于理论引导的经验模型提升无人机磁测定位与表征无记录废弃油气井的精度

《Environmental Science & Technology》：Improving UAV Magnetic Surveys with a Theory-Guided Empirical Model for Locating and Characterizing Undocumented Orphaned Oil and Gas Wells

　　

无记录废弃油气井（undocumented orphaned oil and gas wells）可能因物质意外释放而构成风险，但由于记录不完整且地表指示物常缺失，其定位十分困难。无人机（UAV）磁测技术日益被用于识别钢套管油井，但现有调查通常止步于目标检测，对传感器高度如何影响异常强度、埋深估计或未检出置信度提供的指导有限。在此，研究人员开发了一种基于物理原理、经校准的经验模型，建立了峰值磁异常幅值与磁力仪至钢套管顶部距离之间的关系。利用已知传感器高度下测量的异常幅值，该模型提供三个实用输出：在套管不可见时估计套管顶部埋深、使指定深度套管仍可被检出的最大传感器高度，以及将变高异常校正至统一参考高度。研究人员利用加利福尼亚州Wildcat Canyon Regional Park和俄克拉荷马州Osage Ranch的多高度UAV调查数据标定了这一关系，并将其应用于宾夕法尼亚州Hillman State Park，识别出一个得到地面磁测支持的无记录井候选点，并对三口有记录井的埋深进行了估计，其结果与独立深度约束一致。

论文解读：基于理论引导经验模型的无人机磁测技术优化——以无记录废弃油气井定位与表征为例

研究背景与问题

无记录废弃油气井（undocumented orphaned oil and gas wells, UOWs）可能成为地下与地表之间的不良通道，通过物质意外释放带来场地安全与土地利用风险，释放物包括轻质烷烃（C1–C5）、苯系物（BTEX）以及硫化氢（H?S）。截至2024年，美国官方记录约13万口废弃井，另有估计超百万口无记录井。这些井的记录多基于早期的罗盘-链测量或经纬仪测量，坐标误差可达数米至数百米，加之野外笔记丢失、坐标系变更等因素，使得已有数据库中的井位不确定性极大。

钢制套管具有强铁磁性，可通过磁测进行识别。无人机（UAV）磁测能够在比载人航空更低的高度获取更密集的数据，覆盖范围大于地面磁测，尤其适用于崎岖地形、密林覆盖及城市环境。然而，现有工作流大多止于目标检测，缺乏对传感器高度影响异常强度、埋深估计可靠性以及未检出结果可信度的定量指导。传统磁反演方法虽可提供深度信息，但存在非唯一性，且需假设源几何形态、磁化率等参数，不适合作为常规筛查手段。

为此，研究人员提出一种基于物理原理、经现场标定的经验模型，建立峰值磁异常幅值与磁力仪至套管顶部距离之间的关系，旨在将UAV磁测从单纯的目标检测扩展至埋深估计、探测能力评估和高度归一化三个实用功能。

研究方法与技术路线

研究采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   等效磁极对模型：将钢套管近似为轴向磁化的等效磁极对，推导出垂直分量异常表达式，并通过灵敏度分析确定影响异常幅值的关键参数。
2. 2.
   线性近似与泰勒展开：针对UAV飞行高度变化有限的实际情况，将逆平方关系线性化，导出峰值异常幅值与传感器至套管顶部距离（Z_v）之间的线性关系式。
3. 3.
   多高度UAV磁测标定飞行：在加利福尼亚州Wildcat Canyon Regional Park和俄克拉荷马州Osage Ranch两个场地，使用Geometrics MagArrow总场磁力仪，采用绳索拖曳或刚性杆悬挂方式，在多个名义高度（35–90 m AGL）进行网格化飞行，采集不同高度下的磁异常数据。
4. 4.
   数据处理流程：包括剔除非测线段、消除MagArrow航向效应伪影（滚动窗口背景扣除）、降低平台噪声（四阶Butterworth低通滤波）、峰值拾取（局部最大值超过背景5 nT以上）及人工去除线边缘和基础设施相关异常。
5. 5.
   跨距影响分析：通过从密集10 m间距Wildcat Canyon数据中抽稀模拟20–60 m测线间距，量化离轴采样对峰值恢复率和埋深估计的影响。

研究结果

4.1 线性近似的验证

在Wildcat Canyon的已知填埋井（套管长1400 m、直径0.1143 m、埋深约1.5 m）上方，以35、45、55、65 m四个名义高度进行飞行。实测峰值异常幅值与基于记录套管参数计算的理论值吻合良好，证实了在35–65 m AGL范围内峰值异常幅值随高度近似线性变化。

4.2 经验线性模型的建立

4.2.1 Osage Ranch现场测试井

在Osage Ranch选择五口视觉可识别的井（一口全埋、两口切割露出、两口连接抽油机），在40–90 m AGL六个高度进行标定飞行。结果显示，切割/埋藏井和抽油机关联井呈现明显不同的幅值-高度行为。

4.2.2 线性经验模型的建立

结合Wildcat Canyon和Osage Ranch数据，分别对两类井进行线性回归。对于切割/埋藏或最小暴露井（Z_v ≈ 20–95 m），模型为：ΔB_peak = ?0.97 Z_v + 93.69；对于抽油机关联井，模型为：ΔB_peak = ?2.62 Z_v + 277.65。拟合的95%置信带显示了两类井的显著差异。

4.2.3 测线间距的影响

通过从10 m间距数据抽稀模拟更大间距发现：相对于10 m基线，20 m间距恢复约87%，30 m间距约78%，40 m间距仅约57%。理论最坏情况曲线（R = s/2）与观测趋势一致。离轴采样会导致埋深高估，据此推导了偏差修正公式，并给出了考虑检测阈值和最大预期埋深的测线间距设计准则。

4.3 应用案例：Hillman State Park

在宾夕法尼亚州Hillman State Park的应用中，研究人员利用建立的模型从UAV磁测数据中识别出一个无记录井候选点，并通过地面磁测验证确认。同时，对三口有记录井的埋深进行了估计，结果与独立深度约束一致。

讨论与结论

本研究开发的物理引导经验模型将UAV磁测从单纯的目标检测拓展至三个实用功能：（1）根据已知传感器高度下的检测异常估计套管顶部埋深；（2）在采集前根据预期埋深和检测阈值确定最大允许传感器高度，辅助飞行设计；（3）将不同高度采集的异常幅值归一化到统一参考高度，便于场间比较。模型在三个不同地理区域的现场应用中得到了验证，包括加州、俄克拉荷马州和宾夕法尼亚州。研究还明确了测线间距对峰值恢复率和埋深估计偏差的影响，并提供了定量修正公式。

研究结论表明，该模型可作为UAV磁测工作流的有效补充，在不依赖完整场地反演的前提下，为无记录废弃井的筛查、优先级排序和后续地面验证提供实用的定量依据。