石油公司天然氣低碳開發(fā)策略及減排探討＊

徐文佳 盧 鍇 史小利 楊昱錕 曹冬冬

(1.石油石化污染物控制與處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中國石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司；3.中國石油華北油田分公司煤層氣與儲(chǔ)氣庫事業(yè)部；4.生態(tài)環(huán)境部對(duì)外合作與交流中心；5.美國斯坦福大學(xué))

0 引 言

《巴黎協(xié)定》正式生效明確了全球“2℃溫升目標(biāo)”。2020年習(xí)主席在聯(lián)合國大會(huì)上向世界莊嚴(yán)宣布“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的自主貢獻(xiàn)目標(biāo)。雖然美國退出《巴黎協(xié)定》，但低碳轉(zhuǎn)型已是全球大勢(shì)所趨，并引發(fā)新一輪的全球能源革命。天然氣雖然是化石能源，但與煤炭相比，用于發(fā)電的全生命周期溫室氣體排放低于煤炭發(fā)電，可降低14%～49%[1]。2018年的世界天然氣大會(huì)在天然氣是低碳、清潔、綠色、多元的能源等方面達(dá)成共識(shí)[2]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)[3-4]，2018年全球天然氣產(chǎn)量增長1 900億m3，天然氣消費(fèi)增長1 950億m3，增速均超過5%，2019年天然氣在一次能源中的比重上升到24.2%的歷史新高。“十二五”期間，我國一次能源生產(chǎn)量中天然氣年均增長7%[5]。但天然氣生產(chǎn)鏈中甲烷逸散問題一直是學(xué)術(shù)界的爭(zhēng)議，特別是非常規(guī)天然氣中水力壓裂的使用，甲烷泄漏量比天然氣高30%～100%[6]。甲烷由于二十年增溫潛勢(shì)是二氧化碳的84倍[7]，近期減排更具有現(xiàn)實(shí)意義。我國《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》首次提出深化各類低碳試點(diǎn)，實(shí)施近零碳排放區(qū)示范工程，控制非二氧化碳溫室氣體排放。

本文在分析全球天然氣開發(fā)利用狀況的基礎(chǔ)上，對(duì)比了國際石油公司天然氣開發(fā)策略，并探討了國際石油公司發(fā)展天然氣過程中減排措施，提出了天然氣開發(fā)過程中需要注意的環(huán)境問題。

1 全球天然氣資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

1.1 全球天然氣開發(fā)利用狀況

美國、俄羅斯具有豐富的天然氣資源，天然氣產(chǎn)量和消費(fèi)量都排在世界前列，伊朗和加拿大也是天然氣產(chǎn)量和消費(fèi)量大國。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，中國的天然氣消費(fèi)量年增長率高達(dá)17.7%，需求強(qiáng)盛。雖然天然氣在我國能源消費(fèi)總量中的占比逐年提升，已從2008年的3.2%提高到2018年的7.4%[3]，但相比其他國家仍然較低，遠(yuǎn)低于天然氣占一次能源消費(fèi)比例的世界平均水平30%，如圖1所示。

圖1 2018年天然氣占一次能源消費(fèi)比例[3]

2017年，國家出臺(tái)《加快推進(jìn)天然氣利用的意見》(發(fā)改能源〔2017〕1217號(hào))，明確逐步將天然氣培育成為我國現(xiàn)代能源體系的主體能源，提出2020年、2030年天然氣在一次能源消費(fèi)中分別占10%和15%的發(fā)展目標(biāo)。

1.2 石油公司天然氣業(yè)務(wù)發(fā)展策略

傳統(tǒng)的石油業(yè)務(wù)已不能滿足當(dāng)前低碳轉(zhuǎn)型的需要，氣候變化促進(jìn)傳統(tǒng)石油公司向一體化能源公司轉(zhuǎn)型。殼牌公司2018年發(fā)布能源轉(zhuǎn)型報(bào)告[8]，認(rèn)為10 a內(nèi)需求增長最大的領(lǐng)域是天然氣、化學(xué)品和新能源。道達(dá)爾認(rèn)為天然氣是核心業(yè)務(wù)之一，并通過提高天然氣產(chǎn)量占比降低產(chǎn)品碳強(qiáng)度，并全線拓展天然氣產(chǎn)業(yè)鏈和提高液化天然氣使用效率[9]。沙特阿美也開始涉足天然氣業(yè)務(wù)并投資。很多國際石油公司提出了天然氣發(fā)展目標(biāo)，未來10～15 a繼續(xù)提高天然氣產(chǎn)量至60%以上，如表1所示。

表1 石油公司天然氣發(fā)展目標(biāo)

國際石油公司近幾年在天然氣方面動(dòng)作頻繁[8-10]，重點(diǎn)聚焦三個(gè)方面：①對(duì)天然氣業(yè)務(wù)進(jìn)行投資。2015年殼牌公司收購英國天然氣公司(BP group)，擴(kuò)大在天然氣生產(chǎn)方面的全球領(lǐng)先地位；埃克森美孚、英國石油公司BP和雪佛龍重點(diǎn)投資美國本土的頁巖氣市場(chǎng)。②發(fā)展LNG業(yè)務(wù)。道達(dá)爾收購法國Engie集團(tuán)旗下LNG資產(chǎn)，成為全球第二大LNG運(yùn)營商；殼牌在荷蘭建立卡車LNG加油站，與世界最大的郵輪運(yùn)營商Carnival公司簽署協(xié)議供應(yīng)LNG，收購為船舶和工業(yè)客戶提供LNG燃料的挪威公司Gasnor；埃克森美孚與中國浙江能源集團(tuán)簽署了20年的液化天然氣供應(yīng)協(xié)議；2020年BP宣布與新奧集團(tuán)簽署天然氣LNG購銷協(xié)議；俄羅斯天然氣工業(yè)股份公司(俄氣)和俄羅斯石油公司(俄石油)也在加快LNG項(xiàng)目布局，面向新型的亞洲天然氣市場(chǎng)。③擴(kuò)展天然氣產(chǎn)業(yè)鏈。推動(dòng)天然氣替代傳統(tǒng)能源發(fā)電，美國大部分天然氣用于發(fā)電，降低了電廠二氧化碳排放；2017年道達(dá)爾組建子公司Total Spring，在法國境內(nèi)布局民用天然氣零售和清潔電力業(yè)務(wù)，在印度通過收購和合資成立天然氣銷售公司。

2 天然氣開發(fā)過程溫室氣體排放管控

2.1 天然氣生產(chǎn)過程碳排放核算及特征

天然氣中主要組分為烴類化合物，烴類組分含量在60%～90%，含量最多的是甲烷。甲烷相比二氧化碳具有更強(qiáng)的全球增溫潛力，20 a增溫潛勢(shì)是二氧化碳的84倍，100年增溫潛勢(shì)是二氧化碳的28倍[7]。自2005年起美國天然氣產(chǎn)量劇增，引發(fā)了人們對(duì)于氣候影響的擔(dān)憂，據(jù)2018年美國環(huán)境署(EPA)排放清單[12]，甲烷排放占總排放10%，天然氣系統(tǒng)的排放位列甲烷排放的第二位。近年來很多學(xué)者通過實(shí)地監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比EPA清單估算數(shù)值更高，Ramón等[13]通過設(shè)施級(jí)別實(shí)測(cè)法得出美國油氣行業(yè)中甲烷的排放量比EPA估計(jì)高出60%，主要差距在于異常工況引起的排放。

在國內(nèi)，依據(jù)《中國石油和天然氣生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南(試行)》[14]，天然氣企業(yè)設(shè)施逃逸和工藝放空甲烷排放因子缺省值均高于石油企業(yè)，如井口裝置，天然氣系統(tǒng)氣井的設(shè)施逃逸排放因子是2.50 t/(a·個(gè))，油井的是0.23 t/(a·個(gè))，相差10.9倍。但該指南中天然氣系統(tǒng)的排放因子還存在較大的不確定性，據(jù)劉明禮等[15]對(duì)四川氣田管輸系統(tǒng)天然氣進(jìn)行天然氣泄漏檢測(cè)，2001年平均每個(gè)站場(chǎng)年泄漏量1 823 m3，換算為場(chǎng)站1.3 t/(a·個(gè))，遠(yuǎn)低于國家指南中排放因子增壓站85.05 t/(a·個(gè))和計(jì)量站31.5 t/(a·個(gè))。

甲烷逸散排放主要產(chǎn)生于天然氣工藝中的生產(chǎn)、處理、集輸、存儲(chǔ)及分銷過程[16-18]，據(jù)2019年美國石油和天然氣系統(tǒng)排放清單[17]，甲烷排放在陸上生產(chǎn)中所占比例最高，為49%，其次是天然氣收集和增壓環(huán)節(jié)占25%，在天然氣分銷、天然氣輸送、天然氣處理、離岸生產(chǎn)和地下儲(chǔ)氣庫也均有排放，如圖2所示。組件級(jí)排放的環(huán)節(jié)主要集中在天然氣生產(chǎn)過程的返排過程、化學(xué)注劑泵、氣動(dòng)閥門、組件泄漏、吹掃放空等。在2019年美國排放清單中，甲烷最大排放源來自于氣動(dòng)裝置，占比為33%，其次是天然氣脫水和設(shè)備泄漏，分別占14%和13%，吹掃放空和儲(chǔ)罐也占總排放的9%和8%，如圖3所示。甲烷排放量主要與生產(chǎn)工藝、流程，設(shè)備情況和管理水平有關(guān)。

圖2 2019年美國天然氣行業(yè)甲烷主要排放環(huán)節(jié)及占比[17]

圖3 2019年美國天然氣行業(yè)設(shè)備級(jí)甲烷排放分布及占比[17]

2.2 石油公司甲烷減排策略

一是開展減排合作，達(dá)成共贏。近年來有多家關(guān)于甲烷減排的國際合作組織相繼成立，主要包括“油氣行業(yè)氣候倡議組織”、《甲烷減排指導(dǎo)原則》(MGP)伙伴關(guān)系、“全球甲烷行動(dòng)倡議”和“氣候與清潔空氣聯(lián)盟”等，旨在通過集體行動(dòng)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，推動(dòng)整個(gè)油氣行業(yè)減排。2014年包括BP、道達(dá)爾、沙特阿美和殼牌等在內(nèi)的九大石油公司宣布成立的油氣行業(yè)氣候倡議組織(簡(jiǎn)稱OGCI)，致力于推動(dòng)整個(gè)油氣價(jià)值鏈中甲烷排放量的大幅減少，幫助成員公司為《巴黎協(xié)定》的目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。自2017年起，BP、殼牌、道達(dá)爾、北京燃?xì)獾?3家公司簽署了《甲烷減排指導(dǎo)原則》(Methane Guiding Principles)，該原則編制了一套10項(xiàng)最佳實(shí)踐指南和最佳實(shí)踐工具包，旨在減少整個(gè)天然氣供應(yīng)鏈中甲烷排放。除此之外，EPA的“全球甲烷行動(dòng)倡議”(Global Methane Initiative，GMI，2004年成立)和世界銀行發(fā)起的“全球火炬消減計(jì)劃”(Global Gas Flare Reduction，GGFR，2002年成立)也是致力于甲烷減排的多邊合作計(jì)劃，促進(jìn)成員的甲烷減排項(xiàng)目開發(fā)，消減油氣行業(yè)火炬產(chǎn)生的碳排放和環(huán)境影響。

二是設(shè)立溫室氣體及甲烷減排目標(biāo)。設(shè)置碳減排目標(biāo)可以加速推動(dòng)公司向低碳轉(zhuǎn)型。2020年OGCI成員公司中已有BP、殼牌、道達(dá)爾、埃尼、雷普索爾公司(Repsol)、挪威國家石油公司(Equinor)、西方石油公司(Occidental)7家成員響應(yīng)2050年“凈零排放”，設(shè)立相應(yīng)的溫室氣體減排目標(biāo)，降低自身能源產(chǎn)品碳排放強(qiáng)度并減低甲烷排放強(qiáng)度，如表2所示。通過兩年的努力，OGCI成員上游甲烷強(qiáng)度已由2017年的0.3%下降至2019年的0.23%[19]。中國石油(CNPC)和中國石化(Sinopec)也提出了各自的低碳目標(biāo)，為中國實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”主動(dòng)擔(dān)當(dāng)作為。

表2 石油公司減排目標(biāo)

三是重視甲烷監(jiān)測(cè)技術(shù)的跨學(xué)科應(yīng)用。在2013年之前，天然氣生產(chǎn)過程中甲烷逸散很少直接測(cè)量，一般采用估算方法，自2013年以來國際石油企業(yè)通過資助高校研究等方式使用紅外監(jiān)測(cè)、地面車載監(jiān)測(cè)，無人機(jī)監(jiān)測(cè)，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)等對(duì)天然氣作業(yè)中的甲烷排放進(jìn)行了大量測(cè)量，據(jù)David T. Allen[18，29]等研究發(fā)現(xiàn)甲烷在完井的排放量低于先前估計(jì)水平，氣動(dòng)控制器和設(shè)備泄漏的排放量高于EPA的估算預(yù)測(cè)值。埃克森美孚(Exxon Mobil)，荷蘭皇家殼牌(Royal Dutch Shell)，雪佛龍(Chevron)，康菲石油公司(Conoco Phillips)和BP等公司已經(jīng)開始使用無人機(jī)監(jiān)測(cè)或衛(wèi)星監(jiān)測(cè)，為甲烷泄漏提供早期和廣泛的檢測(cè)。甲烷監(jiān)測(cè)技術(shù)近年來不斷完善并更新，從最初的人工儀器“點(diǎn)”的監(jiān)測(cè)擴(kuò)展到紅外、監(jiān)測(cè)車等“面”的監(jiān)測(cè)，再到無人機(jī)、衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的大尺度監(jiān)測(cè)，在實(shí)際工作中，對(duì)設(shè)備、場(chǎng)站、區(qū)域3個(gè)級(jí)別的監(jiān)測(cè)可互相補(bǔ)充驗(yàn)證，可提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

3 結(jié)論及建議

目前天然氣行業(yè)正高速發(fā)展，全球天然氣產(chǎn)量和消費(fèi)量逐年增長，傳統(tǒng)石油公司緊跟趨勢(shì)，加大天然氣業(yè)務(wù)投資，并發(fā)展LNG業(yè)務(wù)和擴(kuò)展天然氣產(chǎn)業(yè)鏈，隨著天然氣業(yè)務(wù)占比的提高，可顯著降低企業(yè)產(chǎn)品碳排放強(qiáng)度。在全球應(yīng)對(duì)氣候變化的大背景下，傳統(tǒng)石油公司已意識(shí)到甲烷減排的重要性，部分公司提出了雄心勃勃的減排目標(biāo)，但目前缺乏有效的減排路徑和技術(shù)支撐，結(jié)合國際石油公司天然氣業(yè)務(wù)發(fā)展戰(zhàn)略和減排經(jīng)驗(yàn)，提出以下幾點(diǎn)思考。

1)重視甲烷逸散基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確的甲烷逸散監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是溫室氣體減排的基礎(chǔ)。

目前國外已采用無人機(jī)、衛(wèi)星對(duì)區(qū)域尺度甲烷排放進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)手段和方式方面不斷完善，而國內(nèi)在此技術(shù)方面剛剛起步，準(zhǔn)確性還有待完善，在目前油氣行業(yè)甲烷排放通用的計(jì)算方法還是采用排放因子估算方法，但基于此方法計(jì)算減排量會(huì)帶來巨大的不確定性和誤差。雖然指南中明確說明鼓勵(lì)有條件的企業(yè)自行監(jiān)測(cè)，但由于投入較大人力、物力，且缺乏技術(shù)指導(dǎo)，目前幾乎沒有企業(yè)使用自行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，目前指南還從未更新過排放因子。

2)識(shí)別天然氣開發(fā)過程中重點(diǎn)排放過程，對(duì)已有減排技術(shù)進(jìn)行總結(jié)推廣應(yīng)用。

國內(nèi)天然氣開發(fā)雖然與國外流程大致相同，但基于國內(nèi)地質(zhì)條件和實(shí)際情況，在開發(fā)過程中某些環(huán)節(jié)的排放系數(shù)不能照搬國外研究成果，如氣動(dòng)裝置是歐美井場(chǎng)的主要泄漏點(diǎn)，但在中國的頁巖氣井場(chǎng)很多采用壓縮N2的氣動(dòng)裝置，有效減少了甲烷逸散。在減排技術(shù)推廣應(yīng)用方面，指南中明確提出通過節(jié)能減排技術(shù)甲烷回收利用量可予以扣除，但目前企業(yè)均不重視且缺少完善的計(jì)算方法，給減排量計(jì)算帶來巨大困難。目前國內(nèi)各氣田已經(jīng)采取了不少卓有成效的天然氣減排措施，如先鋪管道再打井，避免試井階段的放空氣浪費(fèi)，以及使用三相分離器，有效控制井口的逸散氣，但目前減排效果和減排量還沒有更好的總結(jié)和經(jīng)驗(yàn)推廣。

3)開展天然氣開發(fā)過程中全生命周期研究，特別是進(jìn)口天然氣環(huán)境效益研究。

天然氣行業(yè)近年來蓬勃發(fā)展，在中國能源供應(yīng)中的比例迅速增加，針對(duì)國內(nèi)天然氣需求量缺口，國家多渠道進(jìn)口國外天然氣資源。針對(duì)目前天然氣泄漏可能會(huì)加重溫室效應(yīng)的輿論爭(zhēng)議，有國際機(jī)構(gòu)和學(xué)者評(píng)估中國天然氣和煤炭全生命周期碳排放，但關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如燃?xì)饣蛉济弘姀S發(fā)電效率并不是基于中國本土數(shù)據(jù)，而采用美國或其他區(qū)域數(shù)據(jù)，并不能完全反映中國的實(shí)際情況。特別是液化天然氣是近年來迅速增長的產(chǎn)業(yè)，隨著國際管道天然氣、進(jìn)口LNG業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，碳排放環(huán)節(jié)需進(jìn)一步的識(shí)別和計(jì)算，但是國內(nèi)研究此類天然氣環(huán)境效益空缺，有待進(jìn)一步開展研究。

4)開展甲烷與VOCs協(xié)同管控，加快甲烷和VOCs協(xié)同控制處理關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。

VOCs作為PM2.5和臭氧生成的共同前驅(qū)物，是我國“十四五”發(fā)展期間重點(diǎn)控制對(duì)象。在天然氣開發(fā)階段，甲烷與VOCs排放具有同源性，可對(duì)甲烷和VOCs進(jìn)行協(xié)同監(jiān)測(cè)和管控。2021年1月1日頒布的GB 39728—2020《陸上石油天然氣開采工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)定了陸上石油天然氣開采工業(yè)非甲烷總烴的排放控制要求之外，也對(duì)放空天然氣提出了回收要求。目前中國已承諾2030年碳達(dá)峰，需加快開展甲烷與VOCs協(xié)同控制關(guān)鍵技術(shù)，促進(jìn)空氣質(zhì)量改善和碳達(dá)峰雙目標(biāo)的達(dá)成。