石油天然氣行業甲烷排放衛星監測技術進展及啟示

曹保久，曹興濤，谷廣鋒，劉銘輝，王國柱

(1. 海油總節能減排監測中心有限公司 天津 300457； 2. 中海油能源發展股份有限公司北京安全環保工程技術研究院 天津 300457)

0 引 言

甲烷是全球第二大溫室氣體，其排放后20年尺度內的溫室效應是二氧化碳的84倍，百年尺度內的溫室效應是二氧化碳的28倍，對目前全球變暖的貢獻達25%以上[1]。研究表明通過快速降低工業、農業活動等產生的甲烷排放可減緩全球近10年變暖速率30%[2]。2020年，全球油氣行業共排放甲烷約76424kt，其中陸地上游常規油氣活動排放約38315kt。為有效削減油氣行業甲烷排放，應建立行業甲烷排放清單，且需完善甲烷監測體系。目前甲烷監測有基于生產現場小尺度范圍內的排放源、泄漏點等測量數據，進而延伸至區域與國家尺度的自下而上的方式和基于飛機、衛星等區域尺度的觀測數據，可結合大氣傳輸模型以自上而下的方式來評估區域的排放量。采用2種方式對美國9個盆地的油氣生產、收集、處理、輸送和儲存、城燃配送、煉制和輸送等的甲烷排放監測表明：由于觀測范圍、方法等不同，2種方式甲烷排放監測情況存在一定的差異，自上而下的甲烷排放監測方式可更全面、直觀、快速地獲得區域尺度全排放源的信息，近年來發展迅速[3]。

我國高度重視甲烷排放監測工作，2021年，生態環境部發布了《關于統籌和加強應對氣候變化與生態環境保護相關工作的指導意見》，提出加強將溫室氣體監測逐步納入生態環境監測體系統籌中，試點開展石油天然氣等重點行業甲烷排放監測工作，并將探索大尺度區域甲烷等排放監測。據國際能源署(IEA)估計，2020年中國油氣行業排放甲烷約3150kt，占世界排放量的4.4%。我國油氣行業甲烷排放衛星監測尚處于起步探索階段，本文將介紹衛星監測甲烷的原理、甲烷監測衛星的現狀和國外油氣行業的衛星監測的研究與應用情況，以期為甲烷泄漏監測、修復與回收提供支撐。

1 衛星監測甲烷技術原理

1.1 太陽光反射遙感探測

衛星對甲烷的太陽光反射遙感觀測主要基于2.3μm、3.3μm和7.66μm的光譜吸收特征，采用傅里葉變化光譜儀從干涉強度訊號中提取光源輻射的發射光譜或物質的吸收光譜[4-5]。衛星通過觀測甲烷羽流吸收部分反射光譜的方式，關鍵儀器為廣角法布里-珀羅標準具，其由間隔幾微米的2塊部分反射板制成干涉儀，如圖1所示[6]。一部分光穿過2個表面，其余部分通過前被鏡面反射，當特定波長的光線以特定角度進入將以相長方式發生干涉時便出現隨角度變化的波長濾波器。當太陽光穿過含甲烷的大氣層時，紅外光譜中某些波段的光波會被吸收，然后呈現出其特征光譜。

圖1 太陽光反射監測原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of sunlight reflection monitoring principle

為確定區域的完整光譜信息，衛星須拍攝200多張圖像，并利用所有的相關波長對每個特征進行測量和數據反演，如圖2所示。

圖2 衛星數據反演Fig.2 Satellite data inversion

1.2 激光雷達

激光雷達主要通過差分吸收激光雷達，模塊既為固態激光器的振蕩器提供抽運能量，同時作為可調諧光學參量振蕩器的光源，并產生2個波長為1.6μm左右的雙脈沖。甲烷將吸收其特征光譜脈沖，不吸收另一個脈沖，因此，可根據2個波長的反射光強度計算大氣中的甲烷含量，如圖3所示[7-8]。

圖3 激光雷達監測原理Fig.3 Lidar monitoring principle

激光雷達衛星不易受云層、大氣物質中氣溶膠、水蒸氣等大氣物質的影響，不受日照時間限制，白天與夜間均可進行觀測，其激光耀斑小，空間分辨率高，可以提供大氣垂直剖面的信息和補充對高緯度地區的監測[9]。德國航空航天中心與法國國家太空研究中心聯合研制的激光雷達衛星MERLIN計劃于 2024年發射，屆時甲烷監測分辨率可望進一步提高。

2 衛星監測甲烷現狀

2.1 甲烷監測衛星分布

目前已有多顆衛星可進行甲烷監測，加拿大GHGSat公司通過雙星的方法進行了甲烷泄漏監測，即通過一顆靈敏度較低的衛星先確定甲烷濃度似乎正在上升的大概區域，再通過GHGSat-D和GHGSat-C1兩顆衛星用于高分辨率的甲烷排放監測。由于技術不斷改進、觀測任務逐漸聚焦，故監測精度逐漸提升至5ppbv，表1匯總了部分甲烷衛星參數。

表1 部分甲烷監測衛星Tab.1 Some methane monitoring satellites

2.2 衛星數據反演

通過衛星觀測的區域光譜信號和通過濃度反演得到的甲烷柱濃度還需結合觀測地的風向、風速等氣象條件和地面監測數據、大氣傳輸模型進行排放反演，并需建立模型以校正甲烷排放量。甲烷衛星遙感反演可分為以下4步：①前向模型設計，建立大氣流動、混合、沉降等傳輸過程的模型；②反演過程與場景范圍內反演；③空間柱濃度解析反演；④反演結果校正，不確定性分析[10]。可以采用基于物理法和數據驅動法進行甲烷柱濃度反演：物理法是將地面、大氣、儀器之間輻射傳輸建立模型；數據驅動法則是以統計的方法提取圖像中的信息進行反演[11]。用于反演的大氣輻射傳輸模型有VLIDORT、LBLRTM、SCIAMACHY等[12]。

可靠的觀測資料、便捷的大氣傳輸前向模型、充分的先驗信息、優化的排放估計等是衛星數據反演的關鍵因素。

2.3 油氣行業甲烷排放衛星監測

采用衛星對油氣行業甲烷排放監測目前尚處于起步階段。2019年1月，GHGSat衛星發現了油氣輸送管道壓縮站10～43t/h的甲烷泄漏及其周邊4～32t/h的其他來源甲烷泄漏，并計算了這些點位2018年2月至2019年1月共泄漏甲烷(142±34)kt[13]。2018年 2月15日，美國俄亥俄州一口油井發生天然氣泄漏，研究人員首次采用TROPOMI衛星監測數據對甲烷泄漏情況進行計算，結果表明甲烷泄漏速率約為120t/h，20d內共泄漏甲烷60kt[14]。基于TROPOMI和GOSAT的觀測數據對美國尤因塔盆地與二疊紀盆地2處油氣產區甲烷排放情況的研究結果表明油氣產量較高的區域甲烷的柱濃度較高[15]，由此可見，衛星觀測數據既可以用于甲烷大規模泄漏的計算，同時對于區域內甲烷排放情況的評估也具有一定的應用前景。

2021年，IEA在甲烷追蹤器項目中首次采用衛星監測數據對全球油氣行業的甲烷排放情況進行評估，并通過衛星發現了5個國家2020年大規模的甲烷泄漏量約2692kt，如圖5所示。

圖5 2020年衛星發現的甲烷泄漏量Fig.5 Methane leakage detected by satellite in 2020

由于海水對陽光的吸收作用，故衛星監測海上甲烷排放尚處于起步階段。國際石油公司與GHGSat公司聯合研究面向海上油氣活動甲烷排放的“閃爍模式”監測技術，其通過更小的角度測量將衛星傳感器聚焦于海面反射最強的位置，以降低海面反射的太陽光閃爍對數據采集的影響，進行海上甲烷排放衛星測量的可行性研究和提升海上監測的分辨率。

2.4 油氣行業甲烷排放衛星監測案例

目前采用衛星已經能夠實現油氣行業地面設施級別甲烷羽流位置、排放強度等監測。采用GF-5、ZY-1和Prisma衛星收集美國油氣產區二疊盆地150km×200km范圍內2019—2020年期間4個不同日期的30幅圖像，通過分析2100～2450nm波段的紅外光譜信息發現了37股甲烷羽流，其中29次通量＞1000kg/h，進一步分析發現新的設施甲烷大量排放頻率是舊設施的2.6倍，排放量是舊設施的 2倍。該區域地面甲烷排放源主要分為4類，即壓縮機站、儲罐區、火炬、井口。其中壓縮機排放最多，占比50%；火炬排放量為1640～2640kg/h，貢獻21%。顯示出甲烷并未充分燃燒，同時發現火炬排放甲烷主要來自新建的設施，表明新的設施無法與油氣收集、加工、輸送能力相匹配[16]。

3 結論與啟示

衛星監測具有覆蓋面廣和可獲得空間尺度的甲烷排放總量成本低等特點，現階段通過衛星已經能夠對陸地油氣田設施級別的甲烷歷史進行組織排放、無組織排放及其通量觀測與計算。應注意的是，基于太陽光反射的遙感技術易受云層遮擋、氣溶膠、風速、水體、地表物體、地表參數不確定性等因素影響，且在高緯度地區和夜間應用受到一定限制，激光雷達技術可提升衛星的分辨率與靈敏度，實現全天候監測，并覆蓋高緯度地區。同時通過不斷優化反演算法聯合了多衛星觀測，并結合地面、無人機等觀測數據進行校驗，提升了衛星監測精度。此外，衛星遙感甲烷排放動態監測技術也是未來研究方向之一。

建立適用于我國油氣行業的甲烷衛星監測技術、以自上而下的方式獲得區域至設施級甲烷排放數據和結合自下而上的排放清單確定排放源才能夠更好地開展甲烷泄漏檢測，建立甲烷排放清單才能為油氣行業減污降碳協同增效奠定基礎。■