边缘甲烷分子从哪里来？液化天然气出口对美国天然气供应和甲烷排放的影响

关于作者 Brian C. Prest是一位经济学家，同时也是未来资源研究所（RFF）的学者，专注于气候变化经济学、能源经济学以及油气供应经济学。Prest运用经济理论和计量经济学来改进能源和环境政策的设计。他的近期工作包括提高碳的社会成本的科学依据以及围绕油气供应的各种政策的经济学建模。 致谢 本研究得到了RFF基金的资助。我感谢Alan Krupnick、Daniel Raimi、Kevin Rennert和Richard Morgenstern提出的宝贵意见。 关于RFF 资源未来基金会（RFF）是一家位于华盛顿特区的独立、非营利性研究机构。其使命是通过公正的经济研究和政策参与改善环境、能源和自然资源决策。RFF致力于成为最受信赖的研究洞察力和政策解决方案的来源，这些方案将促进健康的环境和繁荣的经济。 工作论文是作者为了信息交流与讨论目的而传播的研究材料。这些论文不一定经过正式的同行评审。这里表达的观点是个人作者的观点，可能与RFF的其他专家、官员或董事的观点有所不同。 分享我们的工作 我们的工作可在Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 国际（CC BY-NC-ND 4.0）许可下分享和改编。您可以在任何媒介或格式中复制和重新分发我们的材料；您必须提供适当的信用，提供许可的链接，并表明是否有更改，且您不得施加额外的限制。您可以通过任何合理的方式进行，但不能以任何暗示许可方支持您或您使用的形式进行。您不得将材料用于商业目的。如果您混合、改编或基于该材料构建，您不得分发修改后的材料。如需更多信息，请访问https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/. 摘要 过去十年中美国液化天然气（LNG）出口的激增引发了对其可能提高国内天然气价格和加剧本地及全球环境影响（尤其是甲烷这一强效温室气体常从美国油气基础设施中泄漏）的担忧。然而，美国油气供应的甲烷泄漏率差异很大——甚至高达一个数量级，这给美国LNG的碳足迹带来了不确定性。本文模拟了美国油气出口需求增加对国内油气价格、美国盆地边缘油气供应以及该边缘供应隐含的甲烷强度的影响。每增加10亿立方英尺/天的天然气出口需求预计将使国内天然气价格上升约2.5%，同时由于伴生的石油供应增加，将使原油价格降低0.5%。美国对天然气出口需求的供应反应不成比例地来自预计甲烷泄漏率较低的盆地，以阿巴拉契亚地区为首，为满足出口需求而供应的天然气有效甲烷强度（1.7%泄漏率）低于美国平均天然气供应（3.1%）。对石油需求增加的供应反应呈现出相反的模式，高泄漏率的二叠纪供应排挤了如阿巴拉契亚地区等低泄漏率的盆地，导致非常高的有效甲烷泄漏率（9.1%）。这些广泛变化的 有效甲烷泄漏率表明，2015年取消美国原油出口禁令可能比扩大LNG出口更能推动美国甲烷排放。特别是，模型结果显示，2015-2023年美国原油出口引发的甲烷排放量是同期美国LNG出口引发的排放量的两倍，前者的诱导排放相当于超过20亿立方英尺/天天然气出口引发的预期排放。 内容 1. 引言 1 第二章 文献 3 2.1. 美国区域石油和天然气供应弹性32.2. 来自油气供应和LNG的甲烷排放42.3. 天然气出口对国内天然气价格的影响5 3. 数据 6 4. 方法 6 4.1. 钻探74.2. 井筒完井84.3. 新钻井的产量94.4. 既有井的生产104.5. 需求冲击的建模124.1. 包含甲烷泄漏估计13 5. 结果 14 5.1. 钻井弹性145.2. 初始生产率弹性165.3. 生产路径175.4. 美国总体石油和天然气供应弹性19第五节 外部价格冲击的影响205.6. 外生需求冲击的影响22 6. 与其他LNG研究结果的比较 28 7. 结论 29 参考文献 30 33附录 1. 引言 美国液化天然气（LNG）的出口在过去十年中迅速增长，从2015年的实际上零增长到2023年12月超过130亿立方英尺/天（Bcf/d）（EIA 2024b），相当于美国天然气供应的10%以上。截至2024年第四季度（2024Q4），已建成14 Bcf/d的峰值LNG出口能力，另外11 Bcf/d正在运营或建设中，还有16 Bcf/d已获得能源部（DOE）批准（见EIA 2025）。即使没有额外的出口码头获得批准，美国的出口能力也可能增加到超过40 Bcf/d，接近当前美国生产水平的40%。这引发了关于大量出口需求可能对美国天然气价格和出口LNG的生命周期温室气体排放的影响的担忧。所有这些都导致了拜登政府于2024年1月暂停LNG出口码头的审批，以重新评估扩大出口是否符合《天然气法》中的“公共利益”指导原则。 出口液化天然气的碳排放强度受到了特别的关注，有一篇经常被引用的论文，Howarth (2024) 认为，来自德克萨斯州西部/新墨西哥州东南部二叠纪盆地的液化天然气，由于油气基础设施的甲烷泄漏量高，其生命周期碳排放强度将高于煤炭。然而，经济力量可能会推动美国天然气供应不仅限于二叠纪盆地，也可能包括其他盆地。例如，阿巴拉契亚盆地是总美国天然气供应的最大贡献盆地，其甲烷泄漏率显著较低——据 Sherwin 等人 (2024) 的实证观察，低至阿巴拉契亚部分地区0.75%，高至二叠纪部分地区9.63%，低达10倍。然而，这两个盆地是美国天然气供应的两个最大来源，2022年共同贡献了近一半。这表明，它们对增加天然气供应以满足出口需求的相对贡献——即边际供应——对于围绕液化天然气出口碳排放强度的讨论至关重要，包括它是否真的比煤炭更具碳排放强度。 本文通过扩展动态石油和天然气市场分析模型（DOGMA）（Newell et al. 2019；Newell and Prest 2019；Prest 2022；Prest et al. 2024b），分析了美国油气出口需求增加对美国盆地边际油气供应、加权平均甲烷强度以及国内油气价格的影响。我使用DOGMA来估算美国油气供应对由美国油气出口需求增加引起的价格变化的响应。这产生了按盆地分别估计的边际油气供应量，我将这些数据与基于Sherwin et al.（2024）的盆地级甲烷泄漏率估计相结合，计算与响应天然气出口需求（或石油出口需求）上升的边际天然气供应相关的加权平均甲烷泄漏率。 我发现三个关键结果。首先，二叠纪盆地的石油和天然气供应对石油价格（以及石油需求冲击）的反应强烈，而以天然气为主的阿巴拉契亚生产则对天然气价格（以及天然气需求冲击）的反应强烈。这两个盆地主导了美国天然气供应对价格上涨的整体反应，共同代表了边际天然气供应的59%。 由于外生增加的天然气价格，保持油价不变，阿巴拉契亚贡献了45个百分点，而二叠纪贡献了14个百分点。此外，对天然气出口需求的内生增加提高了天然气价格，但适度降低了油价，这主要是由于伴生油的诱导性生产；由于后者对油价（而非天然气价格）的敏感性更高，因此对天然气需求的反应更强烈的阿巴拉契亚（边际供应量的58%）相对于二叠纪（2%）来说，反应更大。 第二个发现源于这些动态：为了应对增加的天然气出口需求而增加的边际天然气供应，其甲烷排放强度（1.7%的泄漏率）低于平均水平（3.1%），这归因于低泄漏的阿巴拉契亚盆地的不成比例的贡献。相比之下，由石油出口需求引发的边际天然气供应的碳强度（9.1%的泄漏率）比平均水平（3.1%）高得多，这是由于来自高泄漏的二叠纪盆地的天然气供应不成比例的直接效应以及低泄漏的阿巴拉契亚地区生产被间接挤出的一种连锁反应。 高边际天然气供应的有效甲烷强度对石油需求的反应所带来的后果表明，2015年美国原油出口禁令的废除可能对推动美国甲烷排放产生了更大，但尚未充分认识到的后果，这可能超过了人们可能认为更受关注的液化天然气出口暂停。具体来说，模型结果表明，2015年至2023年美国原油出口可能驱动的甲烷排放量是美国同期液化天然气出口的两倍多，前者排放量相当于由超过20亿立方英尺/天（Bcf/d）的天然气出口需求所预期的排放量，这是未来考虑的出口能力的大致范围。 第三，每增加1亿立方英尺/天的出口需求预计将使天然气价格上升约2.5%，同时使原油价格下降0.5%。这一影响与较大需求变动呈近似线性关系。以2024年第四季度为例，大约有11亿立方英尺/天的新的液化天然气终端正在建设中，我预计这将导致国内天然气价格上升30%，同时原油价格下降5%。对于每天增加10万桶的石油出口需求，类似的思维实验表明，这将使美国原油价格上升0.8%，同时使天然气价格下降0.6%。 我的研究结果的局限性主要源于对未来美国甲烷泄漏率的不确定性。我使用的甲烷强度估计是基于Sherwin等人（2024年）的研究，该研究反映了2016年至2021年间在六个主要油气产区进行的近100万次空中测量，包括阿巴拉契亚盆地和二叠纪盆地。然而，对其他盆地的外推是必要的。此外，甲烷捕获技术的改进可能会在未来改变这些泄漏率，尽管美国可能近期的甲烷监管放松可能会减缓这些改进。 最后，由于我的模型没有包含对LNG全球替代模式的表征，我的结果并未完全反映LNG对全球排放的影响。这取决于LNG的使用多大程度上代表了能源服务的消费增加，以及多大程度上替代了其他可能具有更高或更低碳强度的燃料，从而可能增加或减少全球碳排放。 超出关于液化天然气出口可能影响的直接政策问题，本文还丰富了美国石油和天然气供应经济学的文献。我提供了关于钻井与石油天然气价格弹性的盆地级估计，钻井活动与井产量弹性的新估计，以及美国石油和天然气供应的时变自价格和交叉价格弹性。 第二章 文献 这篇论文处于三个文学领域的交叉点。第一个是页岩时代美国油气供应的经济，重点关注供给弹性。第二个背景是美国油气供应的甲烷排放以及LNG出口对那些排放可能产生的影响。第三个关注的是最近对LNG出口可能对美国天然气价格产生的影响的分析。我依次讨论了这些问题。 2.1. 美国区域石油和天然气供应弹性 在有关石油和天然气供应弹性（参见Prest等人2024a对石油供应弹性的回顾）的广泛文献中，大部分文献并没有达到处理本研究问题所必需的空间或时间尺度。这需要估算盆地级别的长期均衡供应反应或更精细的估算。相比之下，文献中对石油和天然气供应弹性的估计大多关注短期供应反应或汇总至国家或全球规模（Hausman和Kellogg 2015；Balke和Brow 2018；Caldara等人2019；Kilian 2022）。尽管一些研究考虑了特定美国地区（Mason和Roberts 2018；Gilbert和Roberts 2020），但它们倾向于是对单个盆地或少量地区集群盆地的案例研究，而不是全国综合估算。 本研究开发的新版DOGMA模型旨在通过提供全国性的盆地级弹性系数和供应估计来填补这一空白。DOGMA的根源可以追溯到页岩时代经济学文献中的几篇论文（Newell等，2019；Newell和Prest，2019；Prest，2022；Prest等，2024b）。与本研究最相关的是Prest（2022），他使用了一个全国性的模型，将美国油气供应汇总为八个供应商，以及Prest等（2024b），他们使用了一个具有76个供应商的空间细化模型，但仅包括五个盆地，所有这些盆地都位于美国西部。那些论文在区域粒度和全国理解之间进行了权衡。本文开发的DOGMA版本将细化模型结构扩展到整个美国。 Prest (2022) 建模了美国不同石油和天然气供应来源之间的市场互动，其中涉及联邦拥有的土地上的生产与非联邦拥有土地（即私人、州和部落土地）上的生产。本文还分析了这些动态，但以更细致的方式，这对于考虑到特定盆地的甲烷强度是必要的。更多详细信息请参阅第4节。 2.2. 来自油气供应和LNG的甲烷排放 在遥感技术（包括空中和卫星）方面取得的进展引发了对美国油气基础设施甲烷排放的新一波研究（Alvarez等人