小型排放源导致美国石油和天然气行业大部分的甲烷排放

詹姆斯·P·威廉姆斯1,2, Mark Omara 1,2, 安东尼·希梅尔贝格2, 丹尼尔·萨瓦拉-阿拉亚扎1, 凯特琳·麦凯1,2，约书亚·本梅瓜伊1,2,3，玛丽安·萨金特3, 史蒂文·C·沃菲斯3, 史蒂文·P·汉布尔格1,2，以及Ritesh Gautam1,2 James P. Williams (jamwilliams@edf.org) 和 Ritesh Gautam (rgautam@edf.org) 联系方式：1环境保护基金会，纽约，纽约州，10010，美国2MethaneSAT, LLC,奥斯汀，德克萨斯州78701，美国3哈佛大学，剑桥，马萨诸塞州 02138，美国 收到：2024年5月11日 – 开始讨论：2024年5月22日 修订：2024年11月22日 – 通过：2024年11月27日 – 出版：2025年2月4日 降低油气（油-气）行业的甲烷排放已被确定为至关重要的摘要。 重要的全球战略以降低近期气候变暖。最近的测量，特别是通过卫星和空中遥感技术进行的测量，强 调了针对少量以高排放速率排放甲烷的设施（即“超级排放者”）进行测量和缓解的重要性。然而，单个油气设施的低排放速率排放的贡献，这些排放通常未被发现，对其了解不足，尤其是在全国和区域层面总估算的背景下。在这项工作中，我们收集了使用低检测限的方法获得的经验测量数据，以制定2021年美国大陆（CONUS）中游和上游油气部门的总甲烷排放设施级别估算。我们发现，在总排放量14.6（12.7–16.8）Tgyr中−1美国本土（CONUS）2021年油气甲烷排放中，70%（95%置信区间：61%-81%）源自排放设施。<100kg/h−1并且30%（26%–34%）和∼80%（68%–90%）源自排放设施。<10及<200千克−1尽管不同油气生产盆地的排放分布曲线存在差异，但低排放设施持续被发现占盆地总排放的大多数（即从排放设施的60%到86%总盆地排放的范围）。<100kg/h−1). 我们估计，生产井场是区域油气甲烷排放的70%，我们发现，在2021年仅占全国油气生产10%的井场，却不成比例地占到了总井场排放的67%至90%。我们的结果也与从几个独立的航空遥感任务（例如，MethaneAIR、Bridger Gas Mapping LiDAR、AVIRIS-NG（机载可见光/红外成像系统——下一代）、全球机载观测站）中获得的数据广泛一致，这些任务覆盖了五个至八个主要油气盆地。我们的发现强调了考虑小排放源对总油气甲烷排放的重大贡献的重要性。虽然减少高排放设施的排放很重要，但这不足以整体减缓油气行业甲烷排放，根据这项研究，美国油气行业的甲烷排放主要由小排放源主导。跟踪排放随时间的变化和设计有效的减缓政策应考虑小型甲烷源对总排放的巨大贡献。 1514 J. P. Williams等人：小型来源占美国油气排放的大多数 1 引言 发现，90%的总甲烷排放量来自那些以排放率排放的产井场地。<100kg/h−1奥玛拉等人的后续研究（2022年）强调，来自产量低于15桶油当量/日的低产井场总的甲烷排放量−1即，1 Mcf=1000 ft³3天然气=19.2公斤甲烷，温度为15.6°C，压力为1 atm；1桶油当量（boe）=6 Mcf；假设天然气中甲烷含量为80%），这占所有CONUS生产井站总数的80%，负责了油气生产领域几乎所有甲烷排放量的一半。Kunkel等人（2023）观察到，使用具有3 kgh LOD的BridgerGML遥感平台。−1，与先前在二叠纪盆地某区域进行的Carbon Mapper检测相结合，显示出对Carbon Mapper所列出的低于10 kgh的LOD（最低可检测浓度）来源的显著贡献。−1 Cusworth等人（2022年）发现，美国大陆（CONUS）几个主要油气产区（除阿巴拉契亚盆地外）的总甲烷排放量（包括非油气来源）中有35%来自排放设施。>10千克−1表明65%的排放来自排放设施<10千克−1尽管这些使用独立测量平台的研究为低甲烷排放油气设施的重要性提供了新的见解，但通常仍然缺乏对来自不同排放速率阈值、在单个油气盆地以及全国范围内汇总的相对排放份额的定量评估。 甲烷是一种短生命周期但强大的温室气体，其全球变暖潜力在20年内比二氧化碳（CO2）强80倍以上（AR6综合报告）。2 气候变化2023，2024）。因此，甲烷排放的减少已成为实现短期快速气候缓解的关键目标（Ocko等人，2021）。在北美，甲烷排放的最大来源之一是石油和天然气（石油-天然气）行业，其中大部分排放来自生产（即上游）和运输-储存（即中游）行业（Alvarez等人，2018）。多项研究，尤其是在过去十年中，都集中在量化石油-天然气行业的甲烷来源，特别强调美国大陆（CONUS）（Alvarez等人，2018；de Gouw等人，2020；Omara等人，2018；Lu等人，2022；Zhang等人，2020；Shen等人，2022；Cusworth等人，2022；Nesser等人，2024；Brandt等人，2016；Duren等人，2019；Maasakkers等人，2021；Lu等人，2023；Worden等人，2022）。一些研究已经认识到一小部分高排放站点（即“超级排放者”）的重要性，并报告它们占甲烷总排放的大部分（Brandt等人，2016；Cusworth等人，2022；Duren等人，2019；Sherwin等人，2024）。这些超级排放设施的特征排放率阈值对于甲烷测量平台至关重要，尤其是针对检测高排放点源的遥感技术。航空和卫星遥感技术使对石油和天然气站点排放的监测更加频繁，并对大面积进行快速制图成为可能，尽管它们在检测灵敏度方面存在局限性。尽管提高了定位和量化高排放站点排放的能力，但对低甲烷排放设施的特征，尤其是那些排放速率低于大多数点源检测遥感平台检测限（LOD）的设施，以及它们对石油-天然气甲烷总排放的贡献，仍然缺乏足够的了解。 存在多种不同的甲烷量化方法，这些方法在来源的空间分辨率、后勤限制、实施成本和最低检测限（LODs）方面有所不同。测量方法敏感性和最低检测限具有重要的政策影响。例如，美国环保署（EPA）最近发布了规定，将超级排放事件定义为排放速率阈值为100千克/小时的事件。−1或更高（新、重建和改进源以及现有源的绩效标准：现有源排放指南：石油和天然气行业气候审查，2024年），尽管没有明确信息说明在此定义中捕获了该区域总排放的百分比。卫星和航空遥感方法具有从1-3 kgh的点源LOD范围。−1针对Bridger的机载GML（Johnson等人，2021年；Kunkel等人，2023年；Thorpe等人，2024年；Xia等人，2024年）至约200kg。−1对于GHGSat（Sherwin等，2023）。相比之下，基于地面的测量方法，如OTM33A（其他测试方法33A）和示踪剂释放，其检测限（LODs）<1千克−1(Fox等人，2019)。Raviku-mar等人（2018）使用Fugitive Emissions Abatement Simulation Toolkit (FEAST)进行的一项研究提出，一种具有0.1–1 kgh LOD的方法。−1将足以捕捉石油-天然气部门的所有排放，而量化低于此阈值的排放能力不会导致任何显著的减缓增加。最终，需要对排放的总体百分比贡献进行澄清。 尽管一些研究提供了关于美国内陆油气部门不同低排放基础设施贡献的重要但有限的见解，但对于它们对整个部门、区域和国家规模排放的整体贡献仍缺乏了解。Xia等人（2024年）最近的一项研究结合了来自四个油气盆地的Bridger Gas Mapping LiDAR（Bridger GML）的航空遥感数据，并补充了用于低于BridgerGML LOD排放设施的组件级建模，发现1-10 kgh范围内有显著更多的排放源。−1与环保署（EPA）使用的排放分布相比，范围（range）有所变化（Xia et al., 2024）。在一项针对美国本土（CONUS）生产井场的研究中，油气行业的甲烷排放主要来源（Alvarez etal., 2018; Omara et al., 2018; Rutherford et al., 2021），Omara et al.（2018） 样本站点包括低于方法检测限（LOD）的测量或报告为零排放的测量，但有两个研究（Brantley et al., 2014；Lan et al., 2015）的测量数据除外，这些将在第2.3节中稍后讨论。此外，对于生产井站点的测量，我们只关注提供测量日期/月份的设施级气体生产数据的测量数据。我们编制的测量数据集包括常规有意（例如，气动设备的排放）和非有意（例如，设备故障和/或阀门、接头和法兰的泄漏）排放，尽管我们移除了任何归因于高排放间歇事件（如返排和液体卸载）的测量数据，如果该信息存在，但我们无法完全排除这些高排放间歇来源的排放包含在我们的编制数据集中。此外，如果我们提供的信息中包含了与火炬排放相关的经验测量数据，我们将移除这些数据，因为这些排放将单独处理，如以下所述。 从给定的排放率阈值中去除，这需要表征整个排放分布，而不仅仅是高排放部分。 排放者。在这项工作中，我们创建并分析基于测量的美国上游和中游油气设施甲烷排放速率分布，以确定不同排放速率阈值对总甲烷排放的百分比贡献。首先，我们使用从地面采样平台收集的经验性测量数据，开发一个自下而上的基于设施的模型来估计2021年美国大陆（CONUS）上游和中游设施的甲烷排放。接着，我们将我们基于设施层面的、基于人口的数据进行汇总，以确定来自不同排放速率阈值设施的甲烷排放在国家层面和盆地层面的贡献，此外，我们还与空中遥感平台进行比较。最后，我们按设施类别分解排放分布曲线，以分析总排放百分比贡献在不同设施类型之间的变化情况。 我们根据设施类别对经验测量进行分类，包括生产井场、汇集与增压（G&B）压缩机站、传输与储存压缩机（T&S）站或加工厂。我们将来自生产井场的经验测量分为六个生产组，根据各独立研究中报告的日平均总天然气产量。我们使用日平均总天然气产量数据而不是石油和天然气产量数据，原因有两个：（1）经验测量研究中提供的设施级石油产量数据的可用性有限；（2）在先前的工作中观察到的气体产量与排放率之间的既定关系（Omara等人，2018年，2022年，2024年）。生产组的气体产量范围（图1）被选定为均匀分配超过方法 LOD 的经验测量到所有六个生产组。这种分类创造了九个不同的设施类别：G&B 压缩机、T&S 压缩机、加工厂和六个生产井场组。我们进一步将九个不同的设施类别划分为五个主要设施类别：低产量井场，这些井场生产油和气的组合<15 boed−1（即，每年0.13千吨甲烷的生产）−1非低产油田，产量≥15桶当量油/日（boed）−1, 处理厂，G&B压缩机，以及T&S压缩机。除了这些设施分类外，我们还包括可见光红外成像辐射计套件（VIIRS）的火焰检测和火焰气体体积估计在我们的分析中，这些被视为一个独立的甲烷源，因为火焰可以位于上游和中游石油-天然气行业的多个设施类别上。 2 材料与方法 2.1 实验测量 我们整理了16项研究（Brantley et al., 2014; Caultonet al., 2019; Deighton et al., 2020; Goetz et al., 2015;Lan et al., 2015; Mitchell et al., 2015; Omara et al., 2016, 2018; Rella et al., 2015; Riddick et al., 2019; Robertson et al., 2017, 2020; Subramanian et al., 2015;Yacovitch et al., 2015; Zhou et al., 2021; Zimmerl