中國油氣行業甲烷逃逸排放核算與時空特征研究

楊梓誠，高俊蓮，唐旭，仲冰，張博*

1 中國礦業大學(北京)管理學院，北京 100083

2 中國石油大學(北京)經濟管理學院，北京 102249

0 引言

大氣中的甲烷是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體，作為一種短壽命的溫室氣體，其在20年內的全球增溫潛勢是二氧化碳的84倍，在100年內的全球增溫潛勢是二氧化碳的28倍[1]。在2003～2012年的十年間，全球甲烷排放量約為每年558 Tg，范圍在540～568 Tg之間；2012年大氣甲烷的表面干空氣摩爾分數達到1810 ppb，是1750年的2.5倍[2]。我國在全球甲烷排放格局中占有重要位置，2000年以來約占全球人為甲烷排放量的14%～22%[3]。

近年來，我國人為源甲烷排放增長較快。2019年6月發布的《中華人民共和國氣候變化第二次兩年更新報告》顯示，2014年我國甲烷排放總量為5529.2萬t，其中能源活動中油氣行業甲烷逃逸排放為112.7萬t，是2005年相應排放量的5.1倍，年均增長率為20%[4]。伴隨我國油氣消費的快速增長[5-7]，在油氣系統各環節，例如生產、處理、儲運和分銷過程，均會產生大量的甲烷逃逸排放[8]。如果不對甲烷排放及其氣候效應加以考慮，我國未來天然氣消費需求的急劇攀升將會直接影響天然氣在能源綠色低碳轉型過程中有效發揮其“過渡能源”的作用。

然而，我國油氣行業的甲烷逃逸排放問題尚未得到充分重視，相關研究并不多見。早期，張仁健等[9]結合油氣活動水平及單一的甲烷排放因子，計算得出1990年和1994年我國油氣行業甲烷逃逸排放量。Zhang等[10]估算了我國1980—2007年能源活動相關的甲烷排放，該研究考慮油氣系統的主要環節并且采用具體的排放因子，識別了我國油氣行業的甲烷逃逸排放及相應變化趨勢。Peng等[11]參考國外文獻的相關排放因子，核算了1980—2010年我國主要人為源的甲烷排放情況，分析了油氣行業甲烷逃逸排放的空間分布特點。黃滿堂等[12]考慮了IPCC(聯合國政府間氣候變化專門委員會)排放因子缺省值的不足，對2015年我國油氣行業的甲烷逃逸排放進行了測算，相關結果涉及省級尺度甲烷排放的具體情況。盡管我國油氣行業甲烷逃逸排放的相關研究已取得一定進展，但是仍然存在諸多不足：首先，大部分研究采用《IPCC 2006年國家溫室氣體清單指南》推薦的缺省排放因子，不能很好地反映我國油氣甲烷逃逸排放的實際情況，排放因子存在很大的不確定性；其次，在時間尺度上各研究核算的年份較早，缺少涵蓋近期年份的時間序列研究；第三，缺少針對不同尺度油氣行業甲烷逃逸排放的專門研究。在我國積極履行2030年碳達峰和2060年碳中和國際承諾，實現溫室氣體全面減排的大背景下，開展我國油氣行業甲烷逃逸排放相關研究的重要性日益凸顯。

基于此，本文擬基于油氣行業甲烷逃逸排放清單編制方法，對2000年以來我國油氣行業的甲烷逃逸排放進行初步測算，展現2000—2017年我國油氣行業甲烷逃逸排放的時空特征，著重分析其時空演變趨勢以及結構變化，并綜合相關研究進展，探討甲烷逃逸排放清單研究的差異性與存在的不足，最終提出完善和改進油氣行業甲烷逃逸排放清單編制的相關建議，以期對我國油氣行業的甲烷排放研究起到一定的促進作用。

1 油氣行業甲烷逃逸排放核算方法與數據來源

根據《聯合國氣候變化框架公約》要求，為提高同其他清單研究結果的可對比性，IPCC提供國家溫室氣體清單編制方法學，其編制的相關指南是世界各國編制官方國家清單的技術規范和參考標準[13]。為進一步完善國家溫室氣體清單的編制，IPCC陸續推出了一系列清單指南[14-18]，其中包括石油和天然氣行業的溫室氣體清單編制方法。經過多年的實踐，相關內容、方法、技術更加完整、合理、科學，推動了各國官方清單準確性和可比性的持續提高。我國從《中華人民共和國氣候變化第二次國家信息通報》開始參考應用《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》(以下簡稱《IPCC 2006指南》)[19]。近年來，我國國家溫室氣體排放清單的編制開始朝常態化更新的方向發展[20]。

根據最新的《IPCC2006年國家溫室氣體清單指南2019修訂版》(以下簡稱《IPCC 2019》)的內容，油氣系統中的甲烷逃逸排放包括整個系統中的設備泄漏、工藝排空和火炬燃燒3個部分[21]?！禝PCC 2006指南》提供了3個層級的方法核算石油和天然氣系統產生的甲烷逃逸排放，考慮到數據的可獲得性，使用最為廣泛的是第一層級方法，甲烷排放計算公式為：

其中，E代表甲烷逃逸總排放量，P為原油和天然氣系統各環節的活動水平數據，EF為甲烷排放因子，i為石油或天然氣系統，k為石油和天然氣系統的活動類別。

參照《IPCC 2019》的界定，石油系統的排放源包括原油勘探、生產、運輸、煉制、分銷過程中的工藝排空、設備泄漏和火炬燃燒(見圖1)；天然氣系統的排放源涉及天然氣勘探、生產、加工處理、運輸和儲存、分銷過程中的工藝排空、設備泄漏和火炬燃燒(見圖2)。本研究對油氣系統不同環節的逃逸排放分別進行核算，石油系統涉及的排放源包括原油勘探、原油生產(陸上、海上)、原油運輸(管道、油輪、油罐車或鐵路)、原油煉制；天然氣系統包括天然氣勘探、天然氣生產(陸上、海上)、天然氣處理、天然氣運輸、天然氣的儲存和分銷。相關甲烷排放因子均來自《IPCC 2019》(見表1)。相比于《IPCC 2006指南》，《IPCC 2019》將油氣系統各個環節中工藝排空、設備泄漏和火炬燃燒進行了統一核算，未進行細分。同時，《IPCC 2019》考慮了不同減排技術和實踐的影響?？紤]到目前油氣系統中各個環節技術比例數據難以獲取，文中分別按照兩種推薦的情景進行估算和分析，分別為油氣系統以排放更高的技術和實踐為主的高排放情景和排放更低的技術和實踐為主的低排放情景。省級原油和天然氣產量數據源自《中國能源統計年鑒》[22]、海上原油和天然氣產量來源于《中國海洋統計年鑒》[23]和《中國海洋經濟統計公報》[24]，各地區歷年油氣產量見表2和表3(考慮到篇幅問題，選取部分年份)。由于2017年省級海洋原油和天然氣產量數據無法獲得，本研究采取前兩年數據的平均占比推算得到。

表1 油氣系統各環節的甲烷排放因子Table 1 Methane emission factors of oil & natural gas production chains

表2 各地區原油產量(單位：1000 m3)Table 2 Crude oil production by region(1000 m3)

表3 各地區天然氣產量(單位：MM m3)Table 3 Natural gas production by region(MM m3)

圖1 石油系統甲烷逃逸排放的主要環節Fig. 1 Fugitive methane emissions in the production chains of oil systems

圖2 天然氣系統甲烷逃逸排放的主要環節Fig. 2 Fugitive methane emissions in the production chains of natural gas systems

（續表）

2 我國油氣行業甲烷逃逸排放規模與構成的歷史變化

圖3展示了我國石油行業甲烷逃逸排放的總體變化趨勢。其中，圖3(a)為以排放更低的技術和實踐為主情景下的石油行業甲烷逃逸排放量，圖3(b)為以排放更高的技術和實踐為主情景下的石油行業甲烷逃逸排放量?？梢钥闯鰣D3(a)和圖3(b)在歷年甲烷排放趨勢上是一致的。從2000年到2015年，除2009年，總體排放一直保持穩定增長，但2015年以后開始下降，主要歸因于原油產量的下降。以低排放情景為例，2015年，我國石油行業的甲烷逃逸排放總量為762.4 Gg，是2000年的1.4倍，平均年增長率為2.0%。2017年相比于2015年下降了9.1%，為696.6 Gg。

圖3 2000—2017年石油系統的甲烷排放情況Fig. 3 Methane emissions of oil systems from 2000 to 2017

從排放源來看，原油生產過程對石油系統甲烷排放的貢獻最大，主要來源為陸上和海上原油生產。研究期內，陸上原油生產在低排放情景下平均占石油系統甲烷排放的77.5%，而在高排放情景下為80.3%。原油勘探、運輸環節(管道、油罐車和鐵路)相關的甲烷排放普遍較小，圖中一并歸為其他來源。在圖3(a)中，2017年陸上原油生產甲烷排放量為483.0 Gg，占總排放的69.3%，海上原油生產為139.9 Gg(20.0%)，原油運輸(油輪)為35.4 Gg(5.0%)，原油煉制為20.4 Gg(2.9%)，其他來源為17.8 Gg(2.5%)。2000～2017年，生產環節(陸上和海上)、運輸環節、煉制環節和其他來源總體貢獻我國石油系統甲烷排放總量的93.5%、2.8%、2.0%和1.7%。在 圖3(b)中，2017年陸上原油生產甲烷排放量為569.4 Gg，占總排放的72.7%，海上原油生產為139.9 Gg(17.9%)，原油運輸(油輪)為35.4 Gg(4.5%)，原油煉制為20.4 Gg(2.6%)，其他來源為17.8 Gg(2.3%)。生產環節(陸上和海上)、運輸環節、煉制環節和其他來源總體貢獻我國石油系統甲烷排放總量的94.3%、2.4%、1.7%和1.5%。可以發現，高排放情景下的陸上原油生產排放比低排放情景高出86.4 Gg，從而導致各環節占比發生一定變化。

圖4展示了2000～2017年我國天然氣行業的甲烷逃逸排放情況。圖4(a)為低排放情景下的天然氣行業甲烷排放情況。伴隨天然氣產量的不斷提升，天然氣系統的甲烷逃逸排放也在不斷增加，2000年的排放量為141.7 Gg，此后一直保持快速增長，到2017年為1000.7 Gg，是2000年的7.0倍，平均年增長率為12.1%。在高排放情景下(圖4(b)），天然氣行業甲烷排放量平均年增長速度與前者大致相同，但增長量較大，2000的排放量為322.5 Gg，到2017年為2505.3 Gg，是2000年的8.0倍。

圖4 2000—2017年天然氣系統甲烷排放情況Fig. 4 Methane emissions of natural gas systems from 2000 to 2017

在排放來源方面，低排放情景下天然氣行業中的生產環節是最大的排放源，該環節2000年的甲烷排放量為57.4 Gg，到2017年增長到340.5 Gg，是2000年的6.0倍。2017年，該環節占天然氣系統總排放的34.0%。天然氣運輸環節2000年的甲烷排放量為31.6 Gg，到2017年增加到308.8 Gg，是2000年的9.8倍。2017年，該環節占天然氣系統總排放30.8%。此外，天然氣分銷和處理環節分別占2017年總排放的14.8%和8.4%。其他排放來源(如海上天然氣生產以及天然氣勘探)甲烷排放量較小?？傮w上，生產、處理、儲存、運輸、分銷環節和其他來源在天然氣系統排放總量中的占比為37.7%、9.5%、6.1%、27.2%、13.0%和6.3%。但在高排放情景下，天然氣行業中的運輸環節成為最大的甲烷排放源，其中2000年甲烷排放量為82.3 Gg，2010年所貢獻的甲烷量超過天然氣生產環節，為362.9 Gg。2017年，天然氣運輸、分銷和生產環節的甲烷排放量分別為804.2 Gg(32.0%)、698.9Gg(27.9%)和548.2 Gg(21.9%)。生產、處理、儲存、運輸、分銷環節和其他來源總體占天然氣系統排放總量的25.1%、11.4%、5.9%、29.4%、25.5%和2.6%。天然氣運輸環節在兩種情景下的甲烷逃逸排放差異說明其具有較大的減排潛力。

3 我國油氣行業甲烷逃逸排放的區域分布特征

圖5為我國各地區油氣勘探開發環節相關的甲烷逃逸排放情況。由于數據的可獲得性，未考慮油氣儲存和分銷等環節的甲烷排放。圖5(a)和(b)分別是在低排放情景和高排放情景下各地區甲烷逃逸排放量。計算后發現，兩種情景下各地區的甲烷排放占比基本一致，因而以低排放情景為例進行結果分析。從圖5(a)中區域分布特征來看，東北、西北以及華東地區都存在排放大省。2000年，黑龍江、山東、新疆和四川貢獻全國油氣勘探開發相關甲烷逃逸排放總量的60.5%，相應的排放量分別為188.3 Gg(30.0%)、92.2 Gg(14.5%)、74.2 Gg(11.7%)和28.7 Gg(4.50%)。其他省份甲烷排放量合計139.4 Gg(22.0%)。到2010年，陜西(173.7 Gg)成為第一大省份，新疆(166.4 Gg)、黑龍江(146.0 Gg)、天津(104.1 Gg)也是油氣勘探開發相關甲烷排放的重要區域，上述4個地區合計貢獻60.6%。2017年，陜西貢獻的排放量達到251.9 Gg(22.7%)，其次是新疆185.7 Gg(16.7%)、黑龍江129.4 Gg(11.7%)、四川113.2Gg(10.2%)，上述4個地區貢獻全國排放總量的61.2%。

圖5 2000—2017年分區域油氣勘探開發相關甲烷排放Fig. 5 Methane emissions from oil and natural gas exploration and production by region from 2000 to 2017

整體來看，我國油氣勘探開發布局的變動使得甲烷排放在空間分布上也相應變化。從2000年到2017年陜西油氣勘探開發相關甲烷排放的年均增長率為12.8%，遠高于其他地區。黑龍江的甲烷排放逐年減少，但在全國仍占很大比例。2000—2008年主要的甲烷排放省份為黑龍江、山東和新疆，到2017年主要集中在陜西、新疆和四川，油氣勘探開發關聯甲烷排放的空間轉移很大程度上和西北以及西南地區天然氣產量快速增加有關，因而呈現出由東北以及華北地區向西北和西南地區的轉移趨勢。

4 我國油氣行業甲烷逃逸排放總體清單及文獻結果對比

本研究遵循《IPCC 2006 指南》第一層級方法，選取《IPCC 2019》中更新的甲烷排放因子區間，按照兩種情景估算了我國油氣行業歷年的甲烷排放范圍，其中2000年的甲烷逃逸排放總量的估值范圍為703.6～970.4 Gg，2017年為1697.3～3288.3 Gg。在低排放情景下，2000年石油和天然氣系統的甲烷逃逸排放量分別為561.9 Gg(占比79.9%)和141.7 Gg(占比20.1%)；到2017年，石油和天然氣系統的甲烷逃逸排放總量分別增長為696.6 Gg(占比41.0%)和1000.7 Gg(占比59.0%)。在高排放情景下，2017年石油和天然氣系統的甲烷逃逸排放總量分別為783.0 Gg和2505.3 Gg，占我國油氣行業甲烷逃逸排放總量的23.8%和76.2%。具體結果見表4。

表4 中國油氣行業甲烷逃逸排放總量(單位：Gg)Table 4 Total methane emissions from China’s oil & natural gas systems(Gg)

為進一步說明我國國家尺度油氣行業甲烷逃逸排放清單研究情況，圖6對比了代表性文獻和本研究的核算結果。從整體排放變化趨勢來看，共同的判斷是我國油氣行業的甲烷逃逸排放呈逐年增加。作為對比情景，采用《IPCC 2006 指南》中第一層級的方法和適用發展中國家報告范圍中的排放因子估算了歷年油氣行業甲烷逃逸排放量[17]，2000年的結果為372.2 Gg，到2017年為1337.7 Gg，結果普遍偏低。EDGAR5.0數據庫中所給出的我國2015年油氣行業甲烷逃逸排放量為3169.5 Gg，是2000年的2.35倍，并且年均增長率為6.0%[25]，上述數值均遠大于國內研究人員的核算結果。Peng等[11]認為，2000年和2010年我國油氣行業的甲烷逃逸排放量為900 Gg和1600 Gg，高于基于《IPCC 2006 指南》計算得出的369.7 Gg和849.8 Gg，但在本研究的結果范圍內。國家溫室氣體清單報道的2010、2012和2014年的甲烷逃逸排放量分別為964 Gg、1119 Gg和1127 Gg，與基于《IPCC 2006 指南》的核算結果較為接近[4,19,26-27]，低于本研究結果。Chen等[28]研究表明，2010—2013年我國油氣生產的甲烷逃逸排放沒有明顯的增長趨勢，甚至在2011年甲烷排放量還出現了下降。由于Zhang等[10]所選取的計算方法和《IPCC 2006指南》的核算方法相同，因而在2000—2007年的核算結果非常相近。

圖6 我國油氣系統甲烷逃逸排放相關代表性研究結果對比Fig. 6 Comparison of representative studies on the methane emissions from China’s oil and natural gas systems

總體上，上述研究的結果差異主要可以歸因于核算范圍、所選取的方法和不同來源的排放因子以及活動水平數據。其中，從核算范圍看，相比于其他研究而言，Chen等[28]缺少對原油煉制、天然氣的儲存和分銷等環節的核算，這是導致其核算值略低的原因之一。從活動水平數據看，大部分研究均采用公開的統計數據，偏差很少。因此，估算值的差異主要來自于方法的差異和排放因子的選取。從方法上看，Zhang等[10]和Chen等[28]的研究采用《IPCC 2006指南》第一層級方法。Peng等[11]將石油系統作為整體，采用統一排放因子(2.9 t/1000 m3)進行估算，而在天然氣系統依據天然氣產量和逃逸排放比率(4.8%～2.0%)進行估算，因而與其他研究相比，其不確定性較大。我國國家溫室氣體清單采用《IPCC 2006指南》中第一層級和第三層級相結合的方法。EDGAR5.0數據庫和中國國家清單并未對中國油氣系統排放估算細節進行說明，也未提供所采用的排放因子，但均指出清單的不確定性較大。從表5可以看出，Chen 等[28]的甲烷排放因子較小是其估算值偏小的另一個原因。《IPCC2019》提高了部分環節的排放因子水平，因此估算結果明顯高于基于《IPCC 2006指南》的值，這與近年來國際上的相關研究報道油氣甲烷排放通常被低估的發現相一致。

表5 代表性文獻中的甲烷排放因子Table 5 Methane emission factors in representative literature

5 結論和建議

5.1 結論

(1)2000—2017年我國油氣行業甲烷逃逸排放持續增加。綜合考慮特定甲烷排放因子，2000年油氣行業甲烷逃逸排放總量的估算范圍為703.6(低排放情景)～970.4 Gg(高排放情景)，到2017年增長到1697.3～3288.3 Gg。石油系統的甲烷排放先增加后下降，從2000年的561.9～648.0 Gg增長到2017年的696.6～783.0 Gg；天然氣系統的甲烷排放保持持續增長，從2000年的141.7～322.5 Gg增長到2017年的1000.7～2505.3 Gg。在我國能源轉型進程中，天然氣被視為關鍵過渡能源，對天然氣的需求量不斷擴大，與之相關的天然氣系統各環節甲烷排放正在快速增長。

(2)在研究期內，低排放情景下生產環節(陸上和海上)、運輸環節、煉制環節和其他來源總體貢獻我國石油系統甲烷排放總量的93.5%、2.8%、2.0%和1.7%；生產、處理、儲存、運輸、分銷環節和其他來源在天然氣系統排放總量中的總體占比為37.7%、9.5%、6.1%、27.2%、13.0%和6.3%。在高排放情景下，生產環節(陸上和海上)、運輸環節、煉制環節和其他來源總體貢獻我國石油系統甲烷排放總量的94.3%、2.4%、1.7%和1.5%；生產、處理、儲存、運輸、分銷環節和其他來源占天然氣系統排放總量的25.1%、11.4%、5.9%、29.4%、25.5%和2.6%。油氣系統中的生產環節以及天然氣系統的儲存和運輸環節(高排放情景)是關鍵排放源，這些重點排放源具有較大的減排潛力。

(3)2000—2017年，我國油氣勘探開發相關甲烷逃逸排放存在較大的空間分布差異且變化顯著。2000年，甲烷逃逸排放主要源自于東北和華北地區的油氣資源開發，黑龍江和山東是這兩個地區的排放大省。隨后，黑龍江和山東的甲烷排放呈下降趨勢，而陜西、新疆和四川的甲烷排放持續增加，主要歸因于油氣勘探開發區域轉移。其中，陜西油氣勘探開發相關甲烷排放的增長最為顯著，2017年陜西、新疆、四川和黑龍江合計占當年油氣勘探開發環節甲烷排放總量的61.2%(低排放情景)。

(4)與其他清單研究結果的對比表明，關于我國油氣行業甲烷逃逸排放研究的核算結果仍然存在較大的差異。甲烷逃逸排放因子和活動水平數據以及核算范圍不完整都是引起清單差異的重要來源?，F有研究的有限性以及相關清單研究方法與手段的不足導致當前仍然不足以清晰準確地認識我國不同尺度油氣系統甲烷排放格局。

5.2 建議

針對我國油氣行業甲烷逃逸排放清單研究的不足，本研究僅對我國2000—2017年的油氣行業甲烷逃逸排放進行了初步的核算與分析，完善油氣行業甲烷逃逸排放清單的編制工作仍有大量工作要做。主要建議如下：

(1)積極推進我國官方國家甲烷排放清單編制的常態化。采用《IPCC 2006 指南》方法學和后續更新的國家溫室氣體清單方法學編制長時間序列的官方國家溫室氣體清單，尤為迫切。目前，基于項目負責制的國家溫室氣體清單編制安排無論從質量上還是效率上，均無法滿足不同層面的清單需求，不利于及時推進甲烷減排工作。清單編制的常態化可以動態反映我國不同類別甲烷排放的變化情況，而且清單的一致性和可比性會大大提高，同樣有利于針對油氣行業制定具體的減排行動計劃[29]。

(2)建立適宜于我國油氣行業甲烷逃逸排放清單編制的方法學。支持開展反映不同尺度油氣系統特征的甲烷逃逸排放因子研究以及基于實測的計算方法和其他清單編制方法學研究。加快我國油氣行業特定排放因子的測量和數據收集與統計，探討 “自上而下”和“自下而上”的清單編制方法的結合[30]。整合不同層級活動水平和關聯排放因子數據，針對全產業鏈，構建完整全面的清單可靠性識別與優化方法，強化清單研究的一致性。

(3)積極推進高分辨率油氣系統甲烷排放源識別工作。鼓勵涉及油氣產業鏈不同環節的能源企業，積極投入自主技術裝備研發，對代表性的設備進行連續性甲烷排放現場檢測，建立設備級的排放水平數據庫[31]。積極開展不同空間尺度(如設備、場站、采油廠、區塊、油氣田)的高分辨率甲烷排放監測與統計分析工作[32]，將有助于形成基于大數據的油氣行業甲烷減排決策和最佳工程實踐，協同推進我國能源行業甲烷減排事業。