石油与天然气生产过程甲烷逃逸排放检测与核算研究现状及建议.pdf
doi10.12006/j.issn.1673-1719.2018.118薛明 , 翁艺斌 , 刘光全 , 等 . 石油与天然气生产过程甲烷逃逸排放检测与核算研究现状及建议 [J]. 气候变化研究进展 , 2019, 15 2 187-196Xue M, Weng Y B, Liu G Q, et al. Current status on fugitive methane emission measurements and inventory during oil and gas production [J]. Climate Change Research, 2019, 15 2 187-196石油与天然气生产过程甲烷逃逸排放检测与核算研究现状及建议薛 明1,2,翁艺斌1,2,刘光全1,2,李兴春1,2,李 湘3,于胜民3,崔翔宇1,2,宋 磊1,21 石油石化污染物控制与处理国家重点实验室,北京 102206;2 中国石油安全环保技术研究院,北京 102206;3 国家应对气候变化战略研究和国际合作中心,北京 100038气候变化研究进展第 15 卷 第 2 期 2019 年 3 月 CLIMATE CHANGE RESEARCHVol. 15 No. 2March 2019摘 要 甲烷作为油气生产中的主要气态污染物和增温潜势较强的一类温室气体,其逃逸排放检测与核算是中国油气行业温室气体控制与减排过程中的首要问题。通过比较国内外油气行业逃逸甲烷排放核算方法,以及总结当前国内外油气田现场开展的甲烷排放检测研究,对油气行业企业级温室气体清单编制提出了建议。在甲烷逃逸排放核算方面,由于生产过程、工艺等出现的变化,建议加快建立符合我国油气生产实际情况的排放因子,纳入放空气燃烧的周期变化、绿色完井措施使用、陆上 / 海上油气生产等内容,鼓励油气生产企业通过设备组件统计、现场实测等方式进行排放因子更新。针对逃逸甲烷现场检测数据不足,影响核算结果对比的现状,在开展油气生产过程现场检测时,建议自下而上与自上而下检测方法相结合,保证检测结果的可验证性、可重复性,并谨慎看待针对部分油气生产区块的检测结果进行大尺度区域甲烷逃逸排放量的推算结果。关键词 甲烷排放;泄漏检测;石油与天然气生产;温室气体清单收稿日期 2018-08-30; 修回日期 2018-11-02资助项目 国家科技重大专项课题( 2016ZX05040-004;中国石油集团重大科技专项课题( 2016E-1208;中国石油集团科技项目( 2016D-5006-08)作者简介 薛明,男,高级工程师, 引 言全球化石能源消费带来碳排放增长,由此引发温室效应等环境问题。甲烷在百年尺度上增温潜势( Global Warming Potential, GWP)是二氧化碳的21 倍左右,是近期实现有效减排需要优先控制的一类温室气体。根据国际能源署 2017 年的估算结果[1],全球油气行业在 2015 年排放约 7600 万 t 甲烷,天然气生产过程约占其中的 55。天然气生产过程中的甲烷排放量在很大程度上决定了天然气能否作为过渡性 bridging energy 的清洁能源存在。虽温室气体排放然国际主流能源公司已经通过提高装置能效、投资清洁能源等行动来降低能源消耗与温室气体排放,温室气体排放控制仍然是能源行业未来发展的重点战略之一[2]。由于甲烷逃逸排放量的准确计量决定了对应减排技术的实用性与针对性,因此甲烷逃逸排放检测是应对气候变化最为基础也是最为重要的环节之一。在温室气体排放清单方面, 2004 年,中国以 1996 年 IPCC 国家温室气体清单指南 修订版 为依据,首次向联合国提交国家气候变化信息通报,油气行业温室气体排放始终是清单中的重要组成部气候变化研究进展 2019 年188温室气体排放分。我国油气系统温室气体逃逸排放研究基础较为薄弱,清单编制很大程度上借鉴了加拿大的相关工作经验[3]。随着 2009 年美国页岩气革命以来天然气产量的快速增长,水力压裂、水平井技术等在油气行业得到了广泛应用,对清单编制中甲烷排放因子的更新提出了新的需求。而近年来,国际油气行业甲烷排放检测技术也有了长足发展,各类高精度、大范围、长期定量检测方法都在现场得到了验证,为进一步推进准确测量油气生产过程的甲烷排放,提高企业级甲烷排放清单准确性提供了可能。本研究通过对国际与国内油气行业甲烷排放核算与检测验证现状进行梳理,探讨甲烷排放核算中存在不确定性的环节,以及在开展甲烷排放检测中需注意的主要问题,为我国油气行业企业级甲烷排放检测与核算工作提供参考。1 国际油气行业甲烷排放核算现状1.1 部分国家油气行业甲烷核算情况国际上,针对油气行业甲烷排放的核算基本采用了固定部分排放因子,并根据油气生产企业每年上报数据更新排放因子的方法。美国环保署( U.S. EPA)于 2009 年 10 月第一次发布温室气体强制报告规定( GHGRP,Greenhouse Gas Reporting Program,并于 2010 年 11 月 30 日正式发布联邦级法规 CFR Subpart W Petroleum and Natural Gas Systems,强制要求油气生产企业按照美国石油地质协会( AAPG,American Association of Petroleum Geologists)对油气生产盆地的定义,以生产区块( facility level)为单位上报企业级温室气体排放数据。这一强制报告制度要求油气生产企业通过甲烷排放检测,或以设备组件数及设备活动水平计算甲烷排放量。针对油气开发过程中不同组件的排放因子,分别参照了美国石油协会[4]及相关科研机构、公司在前期开展的研究[5]。此外,美国环保署在联合国气候变化框架公约下按照 2006 年 IPCC 国家温室气体清单指南每年编制国家温室气体排放清单,称为 GHGI( Greenhouse Gas Inventory。由于 GHGRP 只针对年排放 25000 t 以上的油气生产区块进行数据上报,因此理论上 GHGI 的结果应高于 GHGRP,但由于核算边界、排放源类型、核算方法等存在差别,因此总体排放结果仍有一定差异。甲烷排放因子不能准确描述现场实际工艺水平以及水力压裂、柱塞举升等油气生产工艺的规模化应用,是造成差异的主要原因[6]。目前,美国环保署主要通过 GHGRP 统计的企业级温室气体排放数据对已有的清单数据进行动态更新,以保证清单数据能够真实反映油气生产现场的实际情况。加拿大按照 2006 年 IPCC 国家温室气体清单指南中第三层次( Tier 3)方法编制国家温室气体清单,在设施级别上基于严格的自下而上数据[7],对油气系统中的甲烷排放分排放环节和排放源类型[3],对特定年份如 2005 年、 2011 年等的数据进行核算,而在其余年份则使用内插方法进行估算。2018 年,加拿大已完成 2016 年度温室气体排放数据的核算提交,根据该年统计结果,使用排放因子计算作为温室气体核算方法的数据占 63,之后为物料衡算法 16[7]。在排放因子确定过程中,主要依照平均逃逸排放检测结果、经验公式回归、过程模拟计算、能源消耗与生产数据结合及企业报告的排放数据等进行逐个核定[8]。对于加拿大温室气体排放清单而言,部分甲烷排放组件如气动设备(阀门、化学注剂泵 、压缩机、分离器、管线伴热等个数的统计,以及这些组件在不同类型能源开采过程中的应用情况尚未见到公开的准确信息。澳大利亚实施国家温室气体及能源报告行动National Greenhouse and Energy Reporting Act,要求油气生产者对生产过程中的温室气体排放进行汇总上报,相关检测、核算排放的方法在 2008 年发布[9],在排放因子上,澳大利亚在气体处理、冷放空、气动阀门、化学注剂泵、非正常工况排放等部分借鉴了美国石油协会的标准[4],部分排放因子依照澳大利亚温室气体信息系统( Australian Greenhouse Emissions Ination System)中企业上报数据进行修正[10],在温室气体数据报告上做到了不同行业每季度进行公开发布。2 期 189薛明,等石油与天然气生产过程甲烷逃逸排放检测与核算研究现状及建议1.2 国际石油公司甲烷排放核算报告情况根据美国环保协会( Environmental Defense Fund, EDF)对美国 65 家油气生产公司的甲烷排放数据披露情况的调查[11], 2017 年, 27 的油气公司对 60 的甲烷排放指标,如甲烷绝对排放量、排放强度、减排目标,以及泄漏检测和修复频率( Leak Detection and Repair, LDAR)等进行了分析,58 的油气公司至少披露了部分甲烷排放指标。随着公众关注度逐渐提高,国际油气公司在参与国际甲烷减排计划如全球火炬消减计划( GGFR、全球甲烷倡议( GMI 的同时,也通过加入相关气候组织如气候变化与清洁空气联盟( Climate and Clean Air Coalition, CCAC、油气行业气候倡议组织( Oil and Gas Climate Initiative, OGCI)等,实现甲烷逃逸排放数据核算方法的对标与统一,并制定共同的减排目标。例如,英国石油公司( BP、埃尼石油公 司( ENI,意大利、墨西哥国家石油公司( Pemex、西南能源公司( SWN,美国、雷普索尔公司 Repsol,西班牙 、挪威国家石油公司( Equinor、道达尔公司( Total, 法国)等加入了气候与清洁空气联盟组织开展的油气甲烷伙伴关系( Oil and Gas Methane Partnership, OGMP,通过该组织提供的技术指导文件进行甲烷排放核算,并公开包括气动泵与气动阀门、组件与设备逸散排放、含湿封的离心压缩机、往复式压缩机及盘根密封、甘醇脱水器、液化天然气 LNG 储罐、排液过程 / 井口、水力压裂完井过程,以及套管气等环节的甲烷排放[12]。在核算过程中,排放因子部分参照了美国石油协会[4]的结果,并鼓励开展全面的现场检测,并统计实测数据[13]。 2017 年,上述石油公司在 9 个国家开展了油气生产、集输、处理、液化天然气出口等环节的甲烷排放调查,并向 OGMP 上报了调查的装置数量在全公司资产中的比例,其中美国西南能源公司与挪威国家石油公司的调研比例超过 80[14]。2 国际油气行业甲烷排放检测与核算对比分析研究油气行业针对甲烷排放一般有自上而下 top-down 与自下而上 bottom-up 两类检测方法。传统的自下而上方法主要通过红外热成像等手段查找甲烷排放 / 泄漏点,并使用大流量采样器 hi-flow sampler 进行排放速率测定[15]。该方法能够协助现场生产人员快速查找泄漏点,因此得到了较为广泛的应用。近年来,随着检测技术的快速发展,无人机、车载等检测方式在油气生产现场有了较为广泛的应用 表 1[16-36],并重点关注以下几个问题1 自下而上的设备组件级别检测能否准确表征油气生产过程甲烷排放; 2 自上而下与自下而上检测结果相互比较,以及与清单数据比较; 3 不同国家官方与企业上报数据中是否有未纳入统计的典型排放源。Allen 等[16]针对美国主要油气生产区利用设备组件检测与示踪剂下风向法结合检测发现,利用检测结果插值计算得到的美国油气行业甲烷排放量同美国温室气体排放清单相比,完井返排阶段甲烷排放明显较低,而气动阀门、气动泵、设备泄漏等甲烷逃逸排放则显著高于清单数据。尽管样本代表性可能存在不足,使用大流量采样器开展检测还存在仪器响应问题[37],但该研究针对油气生产流程及不同生产工艺水平对甲烷排放的影响进行了深入讨论,也激发了美国学术界对油气行业甲烷排放检测的一系列研究。由于异常工况引起的甲烷排放被认为是油气生产过程中的显著排放源之一。 Brandt 等[38]对比分析了 2013 年之前针对美国与加拿大油气系统开展的甲烷排放检测结果,与相应国家温室气体清单数据进行了比较,认为超级排放源 super emitters的存在可能是造成实测数据明显偏高的原因。自2013 年起,美国环保协会在全美境内资助了高校、研究院等 16 个与油气生产行业甲烷排放检测有关的研究项目,覆盖了从油气生产、处理、输送等整个产业链,并与美国环保署温室清单数据进行了对比[39]。通过对相关研究的整理, Alvarez 等[40]认为美国油气行业甲烷排放量占其油气生产总量的2.3,这一结果与美国环保署公布的 1.7 有较大差异,而这一差异主要是在生产环节产生的。在生产环节,将近 90 的甲烷排放是由 10 左右处于气候变化研究进展 2019 年190温室气体排放异常工况下的油气生产场站产生的,是甲烷的超级排放源。值得注意的是,异常工况在一般油气生产过程中的发生频率缺乏统计,具有较大的随机性,上述研究中采用自上而下检测较多,在类似“快照”式( snapshot)检测下能否保证对异常工况的核算具有统计代表性,仍值得商榷。除了油气生产量与甲烷排放速率间无显著相关性之外[40],在针对套管气甲烷排放进行核算时,使用固定的油气比进行统计可能会使结果偏低。 Johnson 等[30]在加拿大阿尔伯塔省针对无人机检测、企业上报、排放因子计算等 3 种甲烷排放核算方法的结果进行了比对,在劳埃德明斯特( Lloydminster)区域实测结果是统计结果的 5 倍多,使用固定油气比计算套管气甲烷排放是统计结果偏低的原因,这一发现与 Roscioli 等[35]在加拿大稠油出砂冷采区块的研究结果一致。针对同样的排放组件,不同国家、能源类型的生产过程也会造成甲烷排放差异。 Day 等[24]对澳大利亚新南威尔士州与昆士兰地区的煤层气井进行了检测,发现天然气发电机排放、气动阀门、放空,以及设备泄漏为主要逸散源。其中,气动阀门排放因子低于 Allen 等[16]的结果与美国石油协会[4]的表 1 2014 2018 年国际油气行业生产过程甲烷排放检测研究统计Table 1 Studies of methane emission measurements in the international oil 2 CNPC Research Institute of Safety and Environmental Technology, Beijing 102206, China;3 National Center for Climate Change Strategy and International Cooperation, Beijing 100038, ChinaAbstract As a potent greenhouse gas with high global warming potential, methane emission measurement and inventory are the major challenges for the oil and gas industry in China to achieve greenhouse gas emission control and reduction. In this paper, recommendations on greenhouse gas inventory were raised based on the comparison among various inventory s worldwide, and the methane emission studies during oil and gas production. Suggestions were made to improve the greenhouse gas inventory based on the status quo of the oil and gas production in China. For fugitive methane emission, it is recommended to update the emission factor embracing the change in oil and gas production process, such as reduced flaring period, application of green well completion, and distinguish between onshore and offshore production, etc., and encourage oil and gas companies to update the methane emission factors based on component level calculations or actual measurements. Both top-down and bottom-up s are encouraged during methane emission measurements so as to make the measurements verifiable and repeatable. It should be cautious to extrapolate the local-based measurements to regional or national levels.Keywords Methane emission; Leakage measurement; Oil and gas production; Greenhouse gas inventoryXUE Ming1, 2, WENG Yi-Bin1, 2, LIU Guang-Quan1, 2, LI Xing-Chun1, 2, LI Xiang3, YU Sheng-Min3, CUI Xiang-Yu1, 2, SONG Lei1, 2from gas field water in Southern Gas Field, Sichuan Basin, China [J]. Water, Air, Soil Pollution, 2014, 2254 1902Yang S, Yang W, Chen G, et al. Greenhouse gas emissions from oilfield-produced water in Shengli Oilfield, Eastern China [J]. Journal of Environmental Sciences, 2016, 46 101-108仲佳爱 , 陈国俊 , 张中宁 , 等 . 四川盆地气矿天然气开发过程中温室气体的排放特征 [J]. 环境科学研究 , 2015, 28 3 355-360政府间气候变化专门委员会 . 2006 年 IPCC 国家温室气体清单指南 [R]. 神奈川县 , 日本 日本全球环境战略研究所 , 2006Chen G, Yang S, Lv C, et al. An improved for estimating GHG emissions from onshore oil and gas exploration and development in China [J]. Science of the Total Environment, 2017, 574 707-715[48] [49] [50] [51] [52] Allen D T, Smith D, Torres V M, et al. Carbon dioxide, methane and black carbon emissions from upstream oil and gas flaring in the United States [J]. Current Opinion in Chemical Engineering, 2016 13 119-123The National Academies of Sciences Engineering Medicine. Improving characterization of anthropogenic methane emissions in the United States [M]. Washington DC National Academy of Sciences, 2018许跃 , 唐俊红 , 王国建 , 等 . 含油气盆地地质甲烷释放研究综述 [J]. 地质学报 , 2016, 90 3 553-558Zheng G, Xu W, Etiope G, et al. Hydrocarbon seeps in petroliferous basins in China a first inventory [J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2018, 151 269-284[53] [54] [55] 气候变化研究进展 2019 年196温室气体排放部分术语解释生产区块、场站、组件级核算( facility level, site-level, equipment/component-level美国环保署定义的生产区块级( Facility)指油气生产公司在一个油气生产盆地的甲烷排放总量,与我国温室气体核算中的以独立法人企业或视同法人的独立核算单位为企业对应。主要区别在于,美国油气生产企业的生产区块级温室气体清单是根据企业下属场站、联合站等的管件、阀门、法兰排放因子与数量,乘以这些组件的活动水平得到,属于根据组件、设备数量与活动水平得到的温室气体清单,我国的生产区块级温室气体数据是按照企业下属场站、联合站等的排放因子,乘以场站的个数得到的,属于场站级别的温室气体清单。气动设备( pneumatic device利用天然气或压缩空气驱动操作的设备,一般有气动阀门( pneumatic controller)与化学注剂泵( chemical injection pump)两类。三相分离器( three-phase separator页岩气生产过程对进口产出的水 / 砂 / 气三相进行分离操作的装置。管线伴热( line heater为防止低温条件下管线内部冻凝或水合物生成而在管线外部包裹进行加热的装置,一般使用天然气作为加热燃料来源。冷放空( cold venting指天然气未经燃烧直接排放至大气。甘醇脱水器( glycol dehydrator利用甘醇作为主要处理剂脱除天然气中所含水汽,并使处理后的天然气满足管网输送对气体含水率要求的装置。压裂返排液( flowback water压裂过程结束后返回至地面的压裂液与地层水混合液,初期含少量压裂液,后期以地层水为主。