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實驗室；2.中國石油集團安全環(huán)保技術研究院有限公司；3.中國石油華北油田分公司煤層氣與儲氣庫事業(yè)部；4.生態(tài)環(huán)境部對外合作與交流中心；5.美國斯坦福大學)

0 引 言

《巴黎協(xié)定》正式生效明確了全球“2℃溫升目標”。2020年習主席在聯(lián)合國大會上向世界莊嚴宣布“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的自主貢獻目標。雖然美國退出《巴黎協(xié)定》，但低碳轉型已是全球大勢所趨，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在天然氣是低碳、清潔、綠色、多元的能源等方面達成共識[2]。

據(jù)統(tǒng)計[3-4]，2018年全球天然氣產(chǎn)量增長1 900億m3，天然氣消費增長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術界的爭議，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是二氧化碳的84倍[7]，近期減排更具有現(xiàn)實意義。我國《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》首次提出深化各類低碳試點，實施近零碳排放區(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)利用狀況的基礎上，對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)量和消費量大國。據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，中國的天然氣消費量年增長率高達17.7%，需求強盛。雖然天然氣在我國能源消費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，遠低于天然氣占一次能源消費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比例[3]

2017年，國家出臺《加快推進天然氣利用的意見》(發(fā)改能源〔2017〕1217號)，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中分別占10%和15%的發(fā)展目標。

1.2 石油公司天然氣業(yè)務發(fā)展策略

傳統(tǒng)的石油業(yè)務已不能滿足當前低碳轉型的需要，氣候變化促進傳統(tǒng)石油公司向一體化能源公司轉型。殼牌公司2018年發(fā)布能源轉型報告[8]，認為10 a內需求增長最大的領域是天然氣、化學品和新能源。道達爾認為天然氣是核心業(yè)務之一，并通過提高天然氣產(chǎn)量占比降低產(chǎn)品碳強度，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)務并投資。很多國際石油公司提出了天然氣發(fā)展目標，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

國際石油公司近幾年在天然氣方面動作頻繁[8-10]，重點聚焦三個方面：①對天然氣業(yè)務進行投資。2015年殼牌公司收購英國天然氣公司(BP group)，擴大在天然氣生產(chǎn)方面的全球領先地位；?？松梨?、英國石油公司BP和雪佛龍重點投資美國本土的頁巖氣市場。②發(fā)展LNG業(yè)務。道達爾收購法國Engie集團旗下LNG資產(chǎn)，成為全球第二大LNG運營商；殼牌在荷蘭建立卡車LNG加油站，與世界最大的郵輪運營商Carnival公司簽署協(xié)議供應LNG，收購為船舶和工業(yè)客戶提供LNG燃料的挪威公司Gasnor；?？松梨谂c中國浙江能源集團簽署了20年的液化天然氣供應協(xié)議；2020年BP宣布與新奧集團簽署天然氣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項目布局，面向新型的亞洲天然氣市場。③擴展天然氣產(chǎn)業(yè)鏈。推動天然氣替代傳統(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年道達爾組建子公司Total Spring，在法國境內布局民用天然氣零售和清潔電力業(yè)務，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的全球增溫潛力，20 a增溫潛勢是二氧化碳的84倍，100年增溫潛勢是二氧化碳的28倍[7]。自2005年起美國天然氣產(chǎn)量劇增，引發(fā)了人們對于氣候影響的擔憂，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。近年來很多學者通過實地監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)實測數(shù)據(jù)比EPA清單估算數(shù)值更高，Ramón等[13]通過設施級別實測法得出美國油氣行業(yè)中甲烷的排放量比EPA估計高出60%，主要差距在于異常工況引起的排放。

在國內，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告指南(試行)》[14]，天然氣企業(yè)設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)氣井的設施逃逸排放因子是2.50 t/(a·個)，油井的是0.23 t/(a·個)，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]對四川氣田管輸系統(tǒng)天然氣進行天然氣泄漏檢測，2001年平均每個站場年泄漏量1 823 m3，換算為場站1.3 t/(a·個)，遠低于國家指南中排放因子增壓站85.05 t/(a·個)和計量站31.5 t/(a·個)。

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)和地下儲氣庫也均有排放，如圖2所示。組件級排放的環(huán)節(jié)主要集中在天然氣生產(chǎn)過程的返排過程、化學注劑泵、氣動閥門、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裝置，占比為33%，其次是天然氣脫水和設備泄漏，分別占14%和13%，吹掃放空和儲罐也占總排放的9%和8%，如圖3所示。甲烷排放量主要與生產(chǎn)工藝、流程，設備情況和管理水平有關。

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)設備級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，達成共贏。近年來有多家關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”、《甲烷減排指導原則》(MGP)伙伴關系、“全球甲烷行動倡議”和“氣候與清潔空氣聯(lián)盟”等，旨在通過集體行動，優(yōu)勢互補，推動整個油氣行業(yè)減排。2014年包括BP、道達爾、沙特阿美和殼牌等在內的九大石油公司宣布成立的油氣行業(yè)氣候倡議組織(簡稱OGCI)，致力于推動整個油氣價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》的目標做出貢獻。自2017年起，BP、殼牌、道達爾、北京燃氣等23家公司簽署了《甲烷減排指導原則》(Methane Guiding Principles)，該原則編制了一套10項最佳實踐指南和最佳實踐工具包，旨在減少整個天然氣供應鏈中甲烷排放。除此之外，EPA的“全球甲烷行動倡議”(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劃，促進成員的甲烷減排項目開發(fā)，消減油氣行業(yè)火炬產(chǎn)生的碳排放和環(huán)境影響。

二是設立溫室氣體及甲烷減排目標。設置碳減排目標可以加速推動公司向低碳轉型。2020年OGCI成員公司中已有BP、殼牌、道達爾、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2050年“凈零排放”，設立相應的溫室氣體減排目標，降低自身能源產(chǎn)品碳排放強度并減低甲烷排放強度，如表2所示。通過兩年的努力，OGCI成員上游甲烷強度已由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，為中國實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”主動擔當作為。

表2 石油公司減排目標

三是重視甲烷監(jiān)測技術的跨學科應用。在2013年之前，天然氣生產(chǎn)過程中甲烷逸散很少直接測量，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、地面車載監(jiān)測，無人機監(jiān)測，衛(wèi)星監(jiān)測等對天然氣作業(yè)中的甲烷排放進行了大量測量，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水平，氣動控制器和設備泄漏的排放量高于EPA的估算預測值。?？松梨?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)開始使用無人機監(jiān)測或衛(wèi)星監(jiān)測，為甲烷泄漏提供早期和廣泛的檢測。甲烷監(jiān)測技術近年來不斷完善并更新，從最初的人工儀器“點”的監(jiān)測擴展到紅外、監(jiān)測車等“面”的監(jiān)測，再到無人機、衛(wèi)星監(jiān)測的大尺度監(jiān)測，在實際工作中，對設備、場站、區(qū)域3個級別的監(jiān)測可互相補充驗證，可提高監(jiān)測結果的準確度。

3 結論及建議

目前天然氣行業(yè)正高速發(fā)展，全球天然氣產(chǎn)量和消費量逐年增長，傳統(tǒng)石油公司緊跟趨勢，加大天然氣業(yè)務投資，并發(fā)展LNG業(yè)務和擴展天然氣產(chǎn)業(yè)鏈，隨著天然氣業(yè)務占比的提高，可顯著降低企業(yè)產(chǎn)品碳排放強度。在全球應對氣候變化的大背景下，傳統(tǒng)石油公司已意識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，但目前缺乏有效的減排路徑和技術支撐，結合國際石油公司天然氣業(yè)務發(fā)展戰(zhàn)略和減排經(jīng)驗，提出以下幾點思考。

1)重視甲烷逸散基礎數(shù)據(jù)的監(jiān)測，準確的甲烷逸散監(jiān)測數(shù)據(jù)是溫室氣體減排的基礎。

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

2)識別天然氣開發(fā)過程中重點排放過程，對已有減排技術進行總結推廣應用。

國內天然氣開發(fā)雖然與國外流程大致相同，但基于國內地質條件和實際情況，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，如氣動裝置是歐美井場的主要泄漏點，但在中國的頁巖氣井場很多采用壓縮N2的氣動裝置，有效減少了甲烷逸散。在減排技術推廣應用方面，指南中明確提出通過節(jié)能減排技術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算方法，給減排量計算帶來巨大困難。目前國內各氣田已經(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，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和經(jīng)驗推廣。

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，在中國能源供應中的比例迅速增加，針對國內天然氣需求量缺口，國家多渠道進口國外天然氣資源。針對目前天然氣泄漏可能會加重溫室效應的輿論爭議，有國際機構和學者評估中國天然氣和煤炭全生命周期碳排放，但關鍵技術參數(shù)如燃氣或燃煤電廠發(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、進口LNG業(yè)務的高速發(fā)展，碳排放環(huán)節(jié)需進一步的識別和計算，但是國內研究此類天然氣環(huán)境效益空缺，有待進一步開展研究。

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

VOCs作為PM2.5和臭氧生成的共同前驅物，是我國“十四五”發(fā)展期間重點控制對象。在天然氣開發(fā)階段，甲烷與VOCs排放具有同源性，可對甲烷和VOCs進行協(xié)同監(jiān)測和管控。2021年1月1日頒布的GB 39728—2020《陸上石油天然氣開采工業(yè)大氣污染物排放標準》，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，也對放空天然氣提出了回收要求。目前中國已承諾2030年碳達峰，需加快開展甲烷與VOCs協(xié)同控制關鍵技術，促進空氣質量改善和碳達峰雙目標的達成。