石油天然气行业甲烷排放卫星监测技术进展及启示

曹保久，曹兴涛，谷广锋，刘铭辉，王国柱

(1. 海油总节能减排监测中心有限公司 天津 300457； 2. 中海油能源发展股份有限公司北京安全环保工程技术研究院 天津 300457)

0 引 言

甲烷是全球第二大温室气体，其排放后20年尺度内的温室效应是二氧化碳的84倍，百年尺度内的温室效应是二氧化碳的28倍，对目前全球变暖的贡献达25%以上[1]。研究表明通过快速降低工业、农业活动等产生的甲烷排放可减缓全球近10年变暖速率30%[2]。2020年，全球油气行业共排放甲烷约76424kt，其中陆地上游常规油气活动排放约38315kt。为有效削减油气行业甲烷排放，应建立行业甲烷排放清单，且需完善甲烷监测体系。目前甲烷监测有基于生产现场小尺度范围内的排放源、泄漏点等测量数据，进而延伸至区域与国家尺度的自下而上的方式和基于飞机、卫星等区域尺度的观测数据，可结合大气传输模型以自上而下的方式来评估区域的排放量。采用2种方式对美国9个盆地的油气生产、收集、处理、输送和储存、城燃配送、炼制和输送等的甲烷排放监测表明：由于观测范围、方法等不同，2种方式甲烷排放监测情况存在一定的差异，自上而下的甲烷排放监测方式可更全面、直观、快速地获得区域尺度全排放源的信息，近年来发展迅速[3]。

我国高度重视甲烷排放监测工作，2021年，生态环境部发布了《关于统筹和加强应对气候变化与生态环境保护相关工作的指导意见》，提出加强将温室气体监测逐步纳入生态环境监测体系统筹中，试点开展石油天然气等重点行业甲烷排放监测工作，并将探索大尺度区域甲烷等排放监测。据国际能源署(IEA)估计，2020年中国油气行业排放甲烷约3150kt，占世界排放量的4.4%。我国油气行业甲烷排放卫星监测尚处于起步探索阶段，本文将介绍卫星监测甲烷的原理、甲烷监测卫星的现状和国外油气行业的卫星监测的研究与应用情况，以期为甲烷泄漏监测、修复与回收提供支撑。

1 卫星监测甲烷技术原理

1.1 太阳光反射遥感探测

卫星对甲烷的太阳光反射遥感观测主要基于2.3µm、3.3µm和7.66µm的光谱吸收特征，采用傅里叶变化光谱仪从干涉强度讯号中提取光源辐射的发射光谱或物质的吸收光谱[4-5]。卫星通过观测甲烷羽流吸收部分反射光谱的方式，关键仪器为广角法布里-珀罗标准具，其由间隔几微米的2块部分反射板制成干涉仪，如图1所示[6]。一部分光穿过2个表面，其余部分通过前被镜面反射，当特定波长的光线以特定角度进入将以相长方式发生干涉时便出现随角度变化的波长滤波器。当太阳光穿过含甲烷的大气层时，红外光谱中某些波段的光波会被吸收，然后呈现出其特征光谱。

图1 太阳光反射监测原理示意图Fig.1 Schematic diagram of sunlight reflection monitoring principle

为确定区域的完整光谱信息，卫星须拍摄200多张图像，并利用所有的相关波长对每个特征进行测量和数据反演，如图2所示。

图2 卫星数据反演Fig.2 Satellite data inversion

1.2 激光雷达

激光雷达主要通过差分吸收激光雷达，模块既为固态激光器的振荡器提供抽运能量，同时作为可调谐光学参量振荡器的光源，并产生2个波长为1.6µm左右的双脉冲。甲烷将吸收其特征光谱脉冲，不吸收另一个脉冲，因此，可根据2个波长的反射光强度计算大气中的甲烷含量，如图3所示[7-8]。

图3 激光雷达监测原理Fig.3 Lidar monitoring principle

激光雷达卫星不易受云层、大气物质中气溶胶、水蒸气等大气物质的影响，不受日照时间限制，白天与夜间均可进行观测，其激光耀斑小，空间分辨率高，可以提供大气垂直剖面的信息和补充对高纬度地区的监测[9]。德国航空航天中心与法国国家太空研究中心联合研制的激光雷达卫星MERLIN计划于 2024年发射，届时甲烷监测分辨率可望进一步提高。

2 卫星监测甲烷现状

2.1 甲烷监测卫星分布

目前已有多颗卫星可进行甲烷监测，加拿大GHGSat公司通过双星的方法进行了甲烷泄漏监测，即通过一颗灵敏度较低的卫星先确定甲烷浓度似乎正在上升的大概区域，再通过GHGSat-D和GHGSat-C1两颗卫星用于高分辨率的甲烷排放监测。由于技术不断改进、观测任务逐渐聚焦，故监测精度逐渐提升至5ppbv，表1汇总了部分甲烷卫星参数。

表1 部分甲烷监测卫星Tab.1 Some methane monitoring satellites

2.2 卫星数据反演

通过卫星观测的区域光谱信号和通过浓度反演得到的甲烷柱浓度还需结合观测地的风向、风速等气象条件和地面监测数据、大气传输模型进行排放反演，并需建立模型以校正甲烷排放量。甲烷卫星遥感反演可分为以下4步：①前向模型设计，建立大气流动、混合、沉降等传输过程的模型；②反演过程与场景范围内反演；③空间柱浓度解析反演；④反演结果校正，不确定性分析[10]。可以采用基于物理法和数据驱动法进行甲烷柱浓度反演：物理法是将地面、大气、仪器之间辐射传输建立模型；数据驱动法则是以统计的方法提取图像中的信息进行反演[11]。用于反演的大气辐射传输模型有VLIDORT、LBLRTM、SCIAMACHY等[12]。

可靠的观测资料、便捷的大气传输前向模型、充分的先验信息、优化的排放估计等是卫星数据反演的关键因素。

2.3 油气行业甲烷排放卫星监测

采用卫星对油气行业甲烷排放监测目前尚处于起步阶段。2019年1月，GHGSat卫星发现了油气输送管道压缩站10～43t/h的甲烷泄漏及其周边4～32t/h的其他来源甲烷泄漏，并计算了这些点位2018年2月至2019年1月共泄漏甲烷(142±34)kt[13]。2018年 2月15日，美国俄亥俄州一口油井发生天然气泄漏，研究人员首次采用TROPOMI卫星监测数据对甲烷泄漏情况进行计算，结果表明甲烷泄漏速率约为120t/h，20d内共泄漏甲烷60kt[14]。基于TROPOMI和GOSAT的观测数据对美国尤因塔盆地与二叠纪盆地2处油气产区甲烷排放情况的研究结果表明油气产量较高的区域甲烷的柱浓度较高[15]，由此可见，卫星观测数据既可以用于甲烷大规模泄漏的计算，同时对于区域内甲烷排放情况的评估也具有一定的应用前景。

2021年，IEA在甲烷追踪器项目中首次采用卫星监测数据对全球油气行业的甲烷排放情况进行评估，并通过卫星发现了5个国家2020年大规模的甲烷泄漏量约2692kt，如图5所示。

图5 2020年卫星发现的甲烷泄漏量Fig.5 Methane leakage detected by satellite in 2020

由于海水对阳光的吸收作用，故卫星监测海上甲烷排放尚处于起步阶段。国际石油公司与GHGSat公司联合研究面向海上油气活动甲烷排放的“闪烁模式”监测技术，其通过更小的角度测量将卫星传感器聚焦于海面反射最强的位置，以降低海面反射的太阳光闪烁对数据采集的影响，进行海上甲烷排放卫星测量的可行性研究和提升海上监测的分辨率。

2.4 油气行业甲烷排放卫星监测案例

目前采用卫星已经能够实现油气行业地面设施级别甲烷羽流位置、排放强度等监测。采用GF-5、ZY-1和Prisma卫星收集美国油气产区二叠盆地150km×200km范围内2019—2020年期间4个不同日期的30幅图像，通过分析2100～2450nm波段的红外光谱信息发现了37股甲烷羽流，其中29次通量＞1000kg/h，进一步分析发现新的设施甲烷大量排放频率是旧设施的2.6倍，排放量是旧设施的 2倍。该区域地面甲烷排放源主要分为4类，即压缩机站、储罐区、火炬、井口。其中压缩机排放最多，占比50%；火炬排放量为1640～2640kg/h，贡献21%。显示出甲烷并未充分燃烧，同时发现火炬排放甲烷主要来自新建的设施，表明新的设施无法与油气收集、加工、输送能力相匹配[16]。

3 结论与启示

卫星监测具有覆盖面广和可获得空间尺度的甲烷排放总量成本低等特点，现阶段通过卫星已经能够对陆地油气田设施级别的甲烷历史进行组织排放、无组织排放及其通量观测与计算。应注意的是，基于太阳光反射的遥感技术易受云层遮挡、气溶胶、风速、水体、地表物体、地表参数不确定性等因素影响，且在高纬度地区和夜间应用受到一定限制，激光雷达技术可提升卫星的分辨率与灵敏度，实现全天候监测，并覆盖高纬度地区。同时通过不断优化反演算法联合了多卫星观测，并结合地面、无人机等观测数据进行校验，提升了卫星监测精度。此外，卫星遥感甲烷排放动态监测技术也是未来研究方向之一。

建立适用于我国油气行业的甲烷卫星监测技术、以自上而下的方式获得区域至设施级甲烷排放数据和结合自下而上的排放清单确定排放源才能够更好地开展甲烷泄漏检测，建立甲烷排放清单才能为油气行业减污降碳协同增效奠定基础。■