天然气行业甲烷排放及其减排...对现状：基于文献调研的分析_李孥.pdf

第 卷第期 年月中国矿业 ，收稿日期：责任编辑：刘硕基金项目：国家自然科学基金项目资助（编号：）第一作者简介：李孥（），女，河北张家口人，博士研究生，主要从事能源资源预测、能源开发对环境影响评估等方面的工作，：。通讯作者简介：王建良（），男，陕西富平人，教授，主要从事油气系统工程、能源经济管理等方面的工作，：。引用格式：李孥，孙齐，王建良，等 天然气行业甲烷排放及其减排应对现状：基于文献调研的分析 中国矿业，（）：，：，（）：，矿业管理与经济文章编号：（）：天然气行业甲烷排放及其减排应对现状：基于文献调研的分析李孥，孙齐，王建良，邓辉，刘睿（中国石油大学（北京）经济管理学院，北京 ；中国石油天然气股份有限公司天然气销售分公司，北京 ；中国石油大学（北京）中国油气产业发展研究中心，北京 ；中国石油大学（北京）碳中和与创新能源发展研究院，北京 ；昆仑数智科技有限公司，北京 ）摘要：甲烷是一种增温潜势比二氧化碳更强的温室气体，能源活动中煤炭及油气开采过程是甲烷排放相对集中的领域。随着能源低碳转型的推进，天然气产业链已成为能源活动甲烷排放增量的主体，甲烷排放问题也成为制约天然气行业高质量发展的瓶颈。为有效解决该问题，需对天然气行业甲烷排放的相关问题进行全面深入的研究。因此，本文全面梳理了天然气行业甲烷排放来源认识、核算评估和减排方式三个方面的国内外文献。首先，明确了不同类型天然气及产业链不同环节的甲烷排放源，挖掘该问题的重要性及研究的必要性；其次，从自底向上和自顶向下两个方面梳理了天然气行业甲烷排放的核算研究，分析不同类型方法的应用特点，评估排放规模；最后，以技术和政策两个方面为切入点梳理天然气行业甲烷减排方式，分析其应用现状及减排效果。通过对上述三方面文献的梳理与分析，明确了天然气行业甲烷排放现有研究的可借鉴之处及不足，并针对其不足给出未来研究的建议，从而有效应对天然气行业甲烷排放所带来的诸多挑战。关键词：天然气；甲烷；排放源；核算；减排中图分类号：；文献标识码：，（，；，；，；，；，）：，中 国 矿 业第 卷 ，：，：；甲烷是一种比二氧化碳具有更强增温潜势的温室气体，根据政府间气候变化专门委员会（）第五次评估报告数据，甲烷 年水平的全球增温潜势是二氧化碳的 倍，年水平则是二氧化碳的 倍，对当前全球变暖的贡献率约为四分之一，是仅次于二氧化碳的第二大温室气体。根据 国家温室气体清单指南数据，全球人类活动导致的甲烷排放源主要来自能源活动、工业生产过程、农业活动、土地利用和废弃物处理五个部分。其中，农业活动和能源活动排放的甲烷最多，分别占总排放量的 和。但相比于农田及动物排放等相对固定的排放源，能源活动与能源战略规划密切相关，具有较高的人为可控性，由此对能源活动导致的甲烷排放进行减排控制具有更为现实的可行性及可操作性，成为当前甲烷减排以及在短期内扭转气候变化态势的有效途径之一。在能源活动中，煤炭及油气开采过程是甲烷排放相对集中的领域。天然气作为当前能源转型过程中的主力清洁能源，肩负着推动能源供给革命发展的重要使命，其需求量短期内仍将持续上涨，随之而来的甲烷排放也会成为能源活动中甲烷排放的最主要来源。大力发展天然气的目的是让其代替高碳能源（主要是煤炭），由此促进能源体系的整体低碳化。但天然气产业链甲烷排放所造成的温室效应会在相当程度上抵消天然气消费所减排的二氧化碳，使得天然气的低碳效果大打折扣。因此，如何深入认识天然气行业的甲烷排放源，并充分掌握其排放规模，由此进行有效的减排，成为当前学术界关注的焦点。在 核心数据库以“天然气行业甲 烷 排 放（）”为关键词进行检索，得到 条相关文献。在 平台（）中，对 条文献进行文献计量分析，得到的历年文章数量变化情况以及历年关键词数量变化情况，如图和图所示。由图可知，研究天然气行业甲烷排放的文献整体上不断增多，表明国内外学者对该话题的关注度在逐年攀升。年的文献数量为历年最高，可能是因为在 年 联合国气候变化框架公约 第 次缔约方会议上，个国家共同签署了“全球甲烷承诺”，此举推动甲烷正式站在了应对气候变化的舞台之上，甲烷成为社会各界关注的焦点，与甲烷相关的研究相应增多。天然气行业是甲烷排放的重要来源，因此天然气行业甲烷排放相关的文章数量在 年激增，这也是业内对该话题关注度提升的直接体现。由图 可 知，除 了 在 检 索 时 输 入 的 关 键 词“”“”“”外，近五年天然气行业 甲烷 排 放 相 关 研究的关键 词 主 要 集 中 于“”“”“”“”。这表明天然气行业甲烷排放与温室气体及气候变化相关的研究关联程度较高，是研究温室气体排放及气候变化的重要切入点。第期李孥，等：天然气行业甲烷排放及其减排应对现状：基于文献调研的分析图历年天然气行业甲烷排放相关文章数量变化情况 图历年天然气行业甲烷排放相关关键词数量变化情况 通过梳理国内外相关文献，现有对天然气行业甲烷排放问题的研究可被分为三类：一是通过定性的理论分析或实例分析认识天然气行业的甲烷排放，属于发现问题的范畴；二是通过核算的方式定量评估天然气行业的甲烷排放，属于认识问题的范畴；三是通过定性的建议方式或定量的优化方式减少天然气行业的甲烷排放，属于解决问题的范畴。各研究环节关系及要点如图所示。研究天然气行业甲烷排放相关问题，目的在于使决策者及从业者意识到该问题并制定相应的解决方案，由此促进天然气行业的高质量发展、提升能源结构调整升级的效果，并有效减缓气候变化。天然气行业甲烷排放来源认识研究认识甲烷排放来源的相关研究，是天然气行业甲烷排放研究系统的基础。作为一个新兴的研究方向，公众与业界对该问题的关注是从近十年才开始的，但已产出了较为丰富的研究成果，有效提高了社会各界对天然气行业甲烷排放的重视程度。目前，此类研究主要围绕认识不同类型天然气的甲烷排放源和认识产业链不同环节的甲烷排放源展开。认识不同类型天然气甲烷排放源方面按照气源，天然气可分为常规天然气和非常规天然气，典型的非常规气包括煤层气、页岩气和致密气。常规天然气和非常规天然气在地质特征、赋存状态及聚集机理等方面均有明显不同，由此导致其开采条件及开发工艺也存在差异，致使其甲烷排放源也有所不同。因此，现有天然气行业甲烷排放源识别的文献也根据气源的不同，分为以下几类。）常规天然气产业链甲烷排放源的识别。此类研究主要是基于多个产区或一个产区的多个站点的生产实践，分析所研究区块的主要排放源。且大多研究局限于单个组件或环节，如井口套管、采出水等，对整个系统的全面性研究很少。）页岩气产业链甲烷排放源的识别。对于页中 国 矿 业第 卷图各研究环节关系及要点 岩气产业链甲烷排放源的识别是天然气行业甲烷排放关注度最高的一个研究领域，且由于页岩气在美国的蓬勃发展，也致使美国成为页岩气产业链甲烷排放研究的核心区域 。页岩气开发与常规天然气的显著区别是在勘探开发阶段使用了水力压裂技术，根据美国环境保护署（）公布的有关数据，勘探开发阶段使用水力压裂技术的甲烷排放是未使用该技术的 多倍，成为页岩气产业链最大的排放源点。）煤层气产业链甲烷排放源的识别。煤层气俗称煤矿瓦斯，是煤的伴生资源，此类甲烷排放是中国最大的甲烷排放源。现有文献中，专门针对煤层气开发甲烷排放的研究较为缺乏，大多是以煤矿开采和矿后活动的甲烷逃逸为切入点来认识和研究煤层气，且研究重点是以煤矿安全生产为导向，控制及回收煤层气，从而减少甲烷的逸散 。）致密气产业链甲烷排放源的识别。致密气即致密砂岩气，一般归为非常规天然气，早期被中国归为常规天然气，但由于其与页岩气类似，储层渗透率极低，因此，伴随着水力压裂技术在页岩气开发领域的普遍推广应用，致密气的开发技术也由常规方式转向水力压裂等非常规方式，这也是其现在被视为非常规天然气的主要原因，基于这一原因，致密气产业链的甲烷排放源点早期与常规天然气类似，如今与页岩气相似，目前没有致密气产业链甲烷排放的相关研究。认识产业链不同环节甲烷排放源方面天然气产业链分为上游、中游和下游三部分，其中，上游包括勘探开发、生产和收集处理三个环节，中游包括长距离储气运输环节，下游则是分销环节，上中下游因其涉及的活动不同，甲烷排放的源点也有所差异。因此，现有与天然气产业链各环节排放源认识相关的文献，也可以被分为三类。）上游活动甲烷排放源的识别研究。上游是天然气产业链的起点，上游的勘探开发环节涉及钻井、录井、测井和完井等活动，由于水力压裂技术的第期李孥，等：天然气行业甲烷排放及其减排应对现状：基于文献调研的分析使用导致完井阶段甲烷排放量剧增，因此现有研究对勘探开发阶段甲烷排放源的识别主要集中在完井活动方面。生产环节涉及采气、集气等活动 ；收集处理环节涉及原料气的脱硫、脱水等活动。根据相关研究，这两个环节的主要排放源来自气体处理设施如压缩机、气动控制器及储罐等的甲烷逃逸排放。）中游活动甲烷排放源的识别研究。中游主要涵盖天然气存储及长距离管道运输等活动，相关研究显示甲烷排放源主要来自加压管道、储气设施等设备的放空与泄露，维修作业或设备故障也会释放大量甲烷。）下游活动甲烷排放源的识别研究。下游主要涉及天然气分配和销售等活动，其排放源与中游相似，主要来自管道及储气设施。除此之外，下游还有一项重要排放源，即客户计量表的维护检修过程。除了上述三类以产业链各环节为切入点的源点识别研究外，还有部分文献关注贯穿于多个环节的排放源，即由阀门、连接件及管件等组成各项设备的密封部位的甲烷逃逸。天然气行业甲烷排放核算评估研究甲烷排放的核算研究是天然气行业甲烷排放研究系统的核心。目前对天然气行业甲烷排放核算评估的研究主要有两类：一是利用自底向上估算法进行的核算研究，即确定排放源的排放因子和活动因子，然后采用插值计算法对设施级、地区级甚至国家级的甲烷排放量进行估算；二是利用自顶向下估算法进行的核算研究，即通过测量有界区域的甲烷浓度来量化该区域的甲烷排放量。利用自底向上估算法进行核算的研究方面自底向上估算法是甲烷排放核算应用较为广泛的一种方法，主要是依据温室气体清单展开。现有天然气系统甲烷清单编制主要依据 国家温室气体清单编制指南（年修订版）以及 年国家温室气体清单指南（修订版）。为天然气系统甲烷核算提供了三个层级的方法。第一层级的方法是基于活动数据和 推荐的缺省排放因子估算天然气产业链的甲烷排放量。第二层级的方法与第一层级的计算公式相同，采用同样的活动数据，但排放因子选择拟研究国家的排放因子。利用这两种方法核算甲烷排放的文献中，研究区域一般为全球 或中国 ，且多以产业链的大环节为单位进行核算，如 利用一种新型的自底向上方法估计了 年间全球油气系统生产过程累计释放甲烷 ，其中，来自天然气生产、输送和分配；杨梓诚等 利用 提供的清单数据核算了 年中国油气行业甲烷逃逸排放量，计算结果显示，天然气系统的甲烷排放量从 年的 增长到 年的 。天然气系统设备多、工艺繁杂、不确定性问题突出，但上述文献对相关问题考虑不足。工艺技术的更新迭代也必然会对排放因子产生影响，采用过时的排放因子会对核算准确性造成很大影响。为了解决这一问题，给出了第三层级的核算方法，即针对单个或多个工厂，对产业链各环节设备级的排放源进行直接测量，从而核算排放总量，更新排放清单。这一方法对监测、测量等技术要求较高，目前的研究区域都集中在天然气产业较为发达的美国，部分研究是对全产业链进行核算，如 等 利用第三层级方法估计了 页岩气全生命周期温室气体排放量为 ；部分研究是对某些环节进行核算，如 等 测量了美国 个城市分配系统的甲烷排放量，排放因子来自于对 个地下管道泄漏和 个计量和调节设施的直接测量，核算结果为 ；部分研究还考虑了核算过程中的不确定性问题，如 等 通过分析 项先前研究中 个天然气甲烷泄露测量值，发现现有清单所公布的甲烷排放不确定性范围太窄，在未来的研究中需要更大样本量以达到目标置信区间。此外，美国气体研究院（）与美国环境保护署（）共同编制了基于本国情况的温室气体清单，也有部分文献将现场测量得到的结果与该清单进行对比，为清单中排放因子的更新提供建议。利用自顶向下估算法进行核算的研究方面现有研究中，常用的