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（RFF）的成员，专注于气候变化经济学、能源经济学以及油气供应。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。他的近期工作包括改善碳的社会成本的科学基础以及油气供应方面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。感谢Alan Krupnick、Daniel Raimi、Kevin Rennert和Richard Morgenstern提出的宝贵意见。 关于RFF 未来资源研究所（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，改善环境保护、能源和自然资源决策。RFF致力于成为最广泛信赖的研究洞察和政策解决方案的来源，以实现健康的环境和繁荣的经济。 工作论文是作者为信息交流和讨论目的而传播的研究材料。它们不一定经过正式的同侪评审。此处表达的观点属于个别作者的观点，可能与RFF的其他专家、官员或董事的观点不同。 共享我们的工作 我们的工作可在Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 国际（CC BY-NC-ND 4.0）许可下共享和改编。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，提供许可证链接，并指出是否进行了修改，并且您不得应用额外的限制。您可以通过任何合理的方式这样做，但不能以任何方式表明许可方支持您或您的使用。您不得将材料用于商业目的。如果您混合、转换或基于材料进行构建，您不得分发修改后的材料。更多信息，请访问https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/. 摘要 过去十年美国液化天然气（LNG）出口激增，引发了对其增加国内天然气价格和推动当地及全球环境影响的担忧，尤其是由于甲烷，一种强效温室气体，通常从美国油气基础设施中泄漏出来。然而，美国油气供应各源头的甲烷泄漏率差异很大——高达一个数量级，这给美国LNG的碳足迹带来了不确定性。本文模拟了增加的美国油气出口需求对国内油气价格、美国盆地边际油气供应以及该边际供应中暗示的甲烷强度的影响。每天每增加10亿立方英尺（Bcf/d）的天然气出口需求预计将使国内天然气价格提高约2.5%，同时由于伴生的石油供应而使原油价格下降0.5%。美国对天然气出口需求的供应响应不成比例地来自估计甲烷泄漏率较低的盆地，以阿巴拉契亚地区为首，从而产生了一个有效甲烷强度（1.7%泄漏率）低于平均美国天然气供应（3.1%）的天然气供应以满足出口需求。对石油需求增加的供应响应显示出相反的模式，高泄漏率的二叠纪供应挤压了低泄漏率的盆地，如阿巴拉契亚地区，产生了一个非常高的有效甲烷泄漏率（9.1%）。这些广泛变化的实际甲烷泄漏率表明，2015年美国原油出口禁令的废除可能比扩大的LNG出口更能推动美国甲烷排放。特别是，模型结果表明，2015年至2023年期间美国原油出口导致的甲烷排放量是美国LNG出口导致的排放量的两倍，前者的诱发排放量相当于预计由超过20 Bcf/d的天然气出口导致的排放量。 内容 1. 引言 1 2. 文献 3 2.1. 北美地区油气供应弹性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. 新钻油井的生产94.4. 现有井生产104.5. 需求冲击建模124.1. 包含甲烷泄露估计13 5. 结果 14 5.1. 钻井弹性145.2. 初始生产力弹性165.3. 生产途径175.4. 美国总油气供应弹性195.5. 外部价格冲击的影响205.6. 外在需求冲击的影响22 6. 结果与其他LNG研究的比较 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年的实质性零增长到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量的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，另外还有11 Bcf/d正在投入使用或建设中，还有16 Bcf/d已获得美国能源部（DOE）的批准（见EIA 2025）。即使没有额外的出口终端获得批准，美国的出口能力也可能增加到40 Bcf/d以上，接近当前美国生产水平的40%。这引起了对大量出口需求拉动可能对美国天然气价格和出口LNG生命周期温室气体排放的影响的担忧，所有这些都促成了拜登政府在2024年1月暂停LNG出口终端审批的决定，以重新评估扩大出口是否符合《天然气法》中“公共利益”的方向。 碳出口LNG的碳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LNG，这里的油气基础设施甲烷泄漏率较高，其生命周期碳强度将高于煤炭。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，还包括其他盆地。例如，阿巴拉契亚盆地是美国天然气供应总量的最大贡献者，其甲烷泄漏率显著较低——根据Sherwin等人在2024年的实证观察，低至阿巴拉契亚部分地区0.75%，高至二叠纪部分地区9.63%，低至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年共同贡献了约一半的供应。这表明，它们在满足出口需求而增加的增量天然气供应中的相对贡献——即边际供应——是关于LNG出口碳强度辩论的关键，包括它是否确实比煤炭更具碳密集型。 本文通过扩展动态油气市场分析（DOGMA）模型（Newell等，2019；Newell和Prest，2019；Prest，2022；Prest等，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、加权平均甲烷强度及其对国内油气价格的影响。我利用DOGMA估计美国油气供应对由油气出口需求增加引起的价格变化的响应。这导致分别按盆地估算边际油气供应量，我将这些与基于Sherwin等（2024）的盆地级甲烷泄漏率估计相结合，计算出与因天然气出口需求（或石油出口需求）增加而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）反应强烈，而阿巴拉契亚盆地的生产，主要是一个天然气领域，对天然气价格（以及天然气需求冲击）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59%的边际天然气供应。 针对天然气价格外生增加的情况，在保持油价不变的情况下，阿巴拉契亚地区贡献了45个百分点，二叠纪盆地贡献了14个百分点。此外，天然气出口需求的外生增加导致天然气价格上涨，但适度降低油价，这是因为伴生石油生产的诱导；这导致阿巴拉契亚地区（边际供应的58%）对天然气需求的响应大于二叠纪盆地（2%），后者对油价的敏感性高于对天然气价格的敏感性。 第二个发现源于这些动态：为应对增加的天然气出口需求而产生的边际天然气供应，其甲烷排放强度（1.7%泄漏率）低于平均水平（3.1%），这是因为低泄漏率的阿巴拉契亚盆地的贡献不成比例。相比之下，由石油出口需求引发的边际天然气供应，其碳强度（9.1%泄漏率）远高于平均水平（3.1%），这是由于来自高泄漏率二叠纪盆地的天然气供应的直接效应不成比例的贡献，以及由于在低泄漏率的阿巴拉契亚地区挤出生产的间接、连锁效应的结合。 非常高的边际天然气供应的有效甲烷强度对石油需求的响应所导致的后果表明，2015年美国取消原油出口禁令可能产生了比预期更大的影响，但其影响力可能尚未得到充分认识。具体来说，模型结果表明，2015年至2023年期间美国原油出口可能引发的甲烷排放量是美国同期LNG出口的两倍多，前者的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引发的排放量，这大约是未来考虑的出口能力的预期范围。 第三，每次+1亿立方英尺/天的出口需求变化预计将使天然气价格提高约2.5%，同时降低原油价格0.5%。这一影响在大规模需求变化方面接近线性。以2024年第四季度的数据为例，大约有11亿立方英尺/天的新的液化天然气（LNG）终端正在建设中，对此我预计国内天然气价格将上涨30%，同时原油价格将下降5%。对于每日石油出口需求增加10万桶的类似思想实验，将使美国原油价格上升0.8%，同时降低天然气价格0.6%。 我的研究结果的主要保留意见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基于Sherwin等人（2024）的研究，该研究反映了2016-21年间在六个主要油气生产美国盆地进行的近100万次空中测量，包括阿巴拉契亚盆地和二叠盆地。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，尽管美国短期内可能放松甲烷监管，这可能会减缓这些改进。 最后，由于我的模型没有包含全球LNG替代模式的表现，我的结果并不完全反映LNG对全球排放的影响，这可能会根据LNG使用量代表了多少能源服务的增加消费和替代了多少碳强度可能更高或更低的燃料，从而导致全球碳排放量的增加或减少。 在关于液化天然气出口可能产生的影响的即时政策问题之外，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和天然气价格弹性的盆地级估计，关于钻井活动与井口产量弹性的新估计，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。 2. 文献 本文位于三个文献的交汇点。第一个是页岩时代美国油气供应的经济学，重点关注供应弹性。第二个背景是美国油气供应产生的甲烷排放以及液化天然气出口对那些排放的潜在影响。第三个涉及最近对液化天然气出口对美国天然气价格潜在影响的分析。我依次讨论了这些内容。 2.1. 北美地区油气供应弹性 尽管关于石油和天然气供应弹性的文献广泛（参见 Prest 等人 2024a 对石油供应弹性的综述），但其中大部分文献并未达到本研究所需的空间或时间尺度，本研究所需的是在盆地级别或更细的尺度上估计长期均衡供应反应。相比之下，文献中关于石油和天然气供应弹性的大多数估计都集中在短期供应反应上，或者汇总到国家或全球尺度（Hausman 和 Kellogg 2015；Balke 和 Brown 2018；Caldara 等人 2019；Kilian 2022）。虽然一些研究确实考虑了特定的美国地区（Mason 和 Roberts 2018；Gilbert 和 Roberts 2020），但它们往往是对单个盆地或少数区域集群盆地的案例研究，而不是全国性的综合估计。 本研究开发的新版本DOGMA模型旨在通过提供全国范围的盆地水平弹性和供应估计来填补这一空白。DOGMA模型起源于页岩时代经济学文献中的几篇论文（Newell等人2019年；Newell和Prest 2019年；Prest 2022年；Prest等人2024b年）。与本研究最密切相关的是Prest（2022年）使用了全国范围内的模型，将美国的油和气供应聚合为八个供应商，以及Prest等人（2024b年），他们使用了一个具有76个供应商的空间细粒度模型，但仅包括五个盆地，这些盆地均位于美国西部。那些论文在区域粒度与全国理解度之间进行了权衡。本文开发的DOGMA版本将细粒度模型结构扩展到了整个美国。 Prest（2022）模型化了美国油气供应不同来源之间的市场互动，在这种情况下，联邦所有土地上的生产与非联邦所有土地（即私人、州和部落土地）上的生产进行对比。本文也分析了这些动态，但以更细致的方式，这是为了考虑特定盆地的甲烷强度。更多细节可以在第4节找到。 2.2. 来自油气供应和LNG的甲烷排放 遥感技术的发展（包括航空和卫星遥感）引发了一股新的研究热潮，这些研究估计了美国油气基础设施的甲烷排放量（Alvarez等，2018；Om