页岩气开发利用过程中甲烷排放的研究 ·...
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第16卷第6期2014年12月
资源与产业RESOURCES&INDUSTRIES
Vol16No6Dec2014
http://wwwresourcesindustriesnetcn zycy@cugbeducn
收稿日期:2014-08-29;修订日期:2014-10-18;责任编辑:任宝琴。基金项目:国家社科基金重大项目 (13&ZD159);国家自然科学基金项目 (71303258,71373285)。
通讯作者:唐旭(Email:tangxu2001@163com)
引用格式:余晨,唐旭,张宝生.页岩气开发利用过程中甲烷排放的研究 [J].资源与产业,2014,16(6):1-7 YuChen,TangXu,ZhangBaosheng.MethaneEmissionDuringShalegasDevelopment[J].Resources&Industries,2014,16(6):1-7
页岩气开发利用过程中甲烷排放的研究
余 晨,唐 旭,张宝生
(中国石油大学 工商管理学院,北京 102249)
摘 要:在页岩气开采、加工、存储、运输到消费的全生命周期中,甲烷排放存在于每一个开发利用环节。由于国内的页岩气生产尚未进入大规模商业开发阶段,相应的对于甲烷排放量的测算很少。为此,文章基于
页岩气开发利用的全过程,研究了在此过程中甲烷的主要排放途径,从全生命周期以及各阶段两方面梳理了
国外学者对页岩气开发利用过程中甲烷排放量的已有研究,结合我国页岩气资源禀赋特点和资源量进行了相
应的甲烷排放量测算和分析。结果表明:1)在页岩气的整个开发过程中,甲烷排放问题比较突出,平均排放率在326%左右;2)在页岩气开发利用的不同阶段甲烷排放量差异较大,其中生产阶段尤其是完井阶段排放率最大;3)甲烷排放削弱了页岩气的减排效果,并可能影响页岩气是一种比煤和石油更清洁的能源这一论断的正确性。
关键词:页岩气;甲烷排放;全生命周期;政府监管
中图分类号:F205;TE122 文献标识码:A 文章编号:1673-2464(2014)03-0000-00
METHANEEMISSIONDURINGSHALEGASDEVELOPMENT
YUChen,TANGXu,ZHANGBaosheng
(SchoolofBusinessandManagement,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)
Abstract:Methaneemissionhappensinshalegassmining,processing,restoring,transportingandconsuming.Chinasshalegassproductionhasnotyetenteredalargescale,solessmeasurementhasbeendoneonitsmethaneemission.Thispaperanalyzesthemajormethaneemissionaspectsfromtheentirecircleandeachstage,basedonthereferencesofmethaneemissionvolume,measuresthemethaneemissionquantityonthebasisofChinasshalegasresourceabundanceandvolume,andindicatesthattheemissionrateis3.26% inthewholecirclebutvaryingateachstage,highestinwellcompletionstage.Themethaneemissionweakenstheeffectofshalegasemission,andmayconfusetheideaofshalegasbeingacleanerenergythancoalandoil.Keywords:methaneemission;entirelifecircle;governmentalsupervision
0 引言
伴随着能源需求的日益攀升和常规油气资源的
不断消耗,油气供需矛盾日益突出。与此同时,低
碳经济和环境保护的压力又刺激了社会对清洁能源
的需求。在油气资源短缺和节能减排的双重背景
下,非常规油气资源的勘探开发,尤其是页岩气的
网络出版时间:2014-12-03 16:30网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/11.5426.TD.20141203.1630.021.html
第6期 余 晨等:页岩气开发利用过程中甲烷排放的研究
开发利用,在世界范围内受到了广泛的重视。与此
同时,伴随着美国 “页岩气革命”的成功,世界各
国更是涌现了一股 “页岩气热”。在水平井技术和
压裂技术不断进步的推动下,页岩气勘探开发正在
由北美向全球扩展,已然成为了全球油气资源勘探
开发的一个新亮点。
页岩气是指赋存于暗色富有机质和极低渗透率
的泥页岩、泥质粉砂岩以及砂岩夹层系统中,在页
岩孔隙和天然裂缝中以游离方式存在,在干酪根
和黏土颗粒表面上以吸附状态存在,甚至在干酪
根和沥青质中还可能以溶解状态存在的天然气,
是自生自储、连续聚集的非常规天然气藏[1]。天
然气由于其燃烧时造成的污染小 (约为石油的1/40,煤炭的1/800)而被称为大自然赋予的 “绿
色能源”[2]。页岩气,作为非常规天然气的一种,
目前通常被视作一种重要的低碳排放的清洁环保
型新能源[3]。从燃烧的角度来看,页岩气对环境
的影响比煤和石油要小得多,然而从整个开发利用
的生命周期考虑,页岩气是否仍然可以被视为一种
清洁能源?
事实上,从整个碳足迹来看,页岩气对气候变
化的影响是比较复杂且充满争议的。其原因在于:
在页岩气的开发利用过程中,其主要成分———甲烷
气体会由于各种操作、设备以及人为等原因逃逸
或是排放到大气中。甲烷是 IPCC发表的国家温室气体排放清单中一种比较重要的温室气体,虽然
它在大气中的含量仅次于 CO2,但它对于温室效应的作用在 100年范围内是 CO2的 25倍,在 20年的范围内是CO2的72倍
[4]。因此,页岩气在整
个开发利用过程中排放出多少甲烷气体将直接影
响到页岩气对减排的贡献大小,甚至影响页岩气
是一种比煤和石油更清洁的能源这一论断的正确
性。然而,这过程中甲烷排放量究竟多大存在着
比较大的不确定性[5-12]。除了影响页岩气的清洁效
应之外,排放出的甲烷还可能泄露到含水层中,造
成一定的地下水污染,亦可能带来一定的安全隐患
和经济损失。
基于此,本文从页岩气开发利用的过程出发,
研究了在此过程中甲烷的排放途径,梳理了国外
学者专家对于页岩气开发利用过程中甲烷排放量
的研究情况并结合我国页岩气资源禀赋特点和资
源量进行了相应的甲烷排放量测算和分析,进而
为我国如火如荼进行的页岩气勘探开发工作提供
决策参考。
1 页岩气开发利用过程中甲烷排放途径
11 页岩气的开发利用过程
由于页岩气的储层非常致密,孔隙度一般为4%~6%,渗透率小于 0001×10-3μm2,所以除了极少数天然裂缝十分发育的页岩气储层可以直接
投入生产外,其余90%以上的页岩气井需要采取水力压裂等增产措施沟通天然裂缝,提高产量[13]。
此外,水平井技术、多层压裂技术、同步压裂技术
等等技术的结合使用亦对页岩气的开发增产作用
很大。
页岩气的整个开发利用过程如图1所示,在勘探结束后首先进行井场调查和井场准备,然后钻
井,通过水力压裂在页岩地层形成流动通道,让地
层中的甲烷气体和其他烃类气体迁移到生产井。在
完井作业后,需要使用液体清洗压裂后的井以允
许气体进行生产,这一过程称为完井返排。一般
生产出来的页岩气会含有一定的杂质,因此通常
需要进行加工处理,之后再进行管网运输、分配,
到达发电厂或其他终端消费者手中。事实上,当
完井之后,井场的操作过程以及将气体运送到消
费者手中的过程对于页岩气和常规天然气而言是
一样的。
图1 页岩气的开发利用过程注:根据参考文献 [14]修改。
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12 甲烷排放的主要路径
对应于页岩气的整个开发利用过程,期间甲烷
排放主要有8种途径:钻井和完井过程中的排放,井场生产过程中的排放,气体在加工、存储 (例如
存成LNG形式)、运输、分配和终端燃烧过程中的排放[14]。其中,在钻井和完井的过程中,甲烷的
排放有两种情况:一是因为完井工艺和质量问题造
成页岩沿各类井筒、原有废弃井大量释放,尤其是
在完井返排过程中,返排液中携带着大量的甲烷气
体,远远超过了返排液中能溶解的数目,因而带来
了很大程度的甲烷泄漏;二是甲烷通过未被发现的
断裂或封闭不良的 “盖层”发生泄漏[15]。井场生
产过程中甲烷的排放主要来源于井场的常规排气和
设备泄漏。运输过程中甲烷的排放主要是通过管道
的泄漏产生的。另外,在终端燃烧的过程中,由于
天然气的燃烧效率并不是100%,因而也存在着小部分的甲烷排放。
2 页岩气开发利用过程中的甲烷排放率
在页岩气的整个开发利用过程中,甲烷的排放量是指从页岩气的勘探开发一直到最终的运输利用
的每个环节通过井场排放、管道泄漏等所有途径排
放的所有甲烷量的总和。因此,可以将甲烷的排放
图2 页岩气全生命周期甲烷排放率的估计
率
定义为对于1m3的甲烷而言,从生产它到利用它的整个过程所排放的甲烷量与该1m3比值的百分比,简单来说,就是排放量占产量的比率。
21 全生命周期的甲烷排放率
由于国内的页岩气生产尚未进入大规模商业开
发阶段,相应的对于页岩气开发利用过程中甲烷排
放量的测算很少,而欧美国家页岩气商业开发较为
成熟,专家学者们针对甲烷排放量的研究也较多,
结论分歧也较大。图2总结了部分国外学者专家对于页岩气开发利用过程中甲烷排放率的估计
结果[89,14,1622]。
从图2可以看到,专家们对于甲烷排放率的估计差别很大,Howarth[9]、Pétron[21]以及美国国家海洋和大气管理局 (NOAA)[22]给出的估计值偏高,而其余的专家给出的估计值比较低,基本在2%左右,与EPA[17]给出的数据比较接近。估计值最高的是NOAA,他们采用了空气取样、航空遥感技术和质量平衡技术计算了丹佛—朱尔斯堡盆地和犹他
州的尤因塔盆地的甲烷排放率,其研究结果表示页
岩气在开发利用过程中甲烷的排放率在 62% ~117%左右。与之相近的是 Howarth的研究结果,认为排放率在36%~79%。不过,他们的估计结果得到了其他专家的反驳。Cathels等人[8]认为
Howarth等假设在钻出阶段气体直接被排放到空气
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第6期 余 晨等:页岩气开发利用过程中甲烷排放的研究
中而忽略了实际生产中可能对技术气体进行捕获,
同时也忽略了技术进步在减少甲烷排放上的作用。
而NOAA的研究由于只调查了两个盆地的数据,样本数目以及样本的可靠性备受质疑。
相比而言,比较令人信服的一项研究是最近由
美国德克萨斯大学[23]进行的。该研究由环境保护
基金 (EDF)和 9所能源公司 (包括 BP、壳牌、西南能源等)共同赞助,建立在实际的现场测量所
得到的大量数据的基础上完成的。这些数据来源于
9个能源公司其遍布美国的190个天然气生产基地(150个生产作业、27个完井返流、9个卸载作业和4个修井作业)。它们包含了差不多500多个页岩气井的不同的发展阶段及其生产过程。他们通过
取样调查发现大部分水力压裂完井操作有设备支
持,能够减少99%的甲烷排放量。由于这种设备,完井过程中甲烷的排放量比 EPA在2013年4月发布的2011历年国家排放估算低了97%。但是设备泄漏量要比 EPA估计的数据高出30%左右。综合考虑完井和井场的日常操作过程,德克萨斯大学认
为在天然气生产的过程中甲烷的平均排放量为天然
气生产总值的04%。但这个研究并没有考虑到整个生命周期的气体排放 (包括管道泄漏等),仅仅
只包含了生产过程。
此外,HISCERA、卡内基梅隆大学[14]、世界
观察研究所和德意志银行[24]等机构也相继进行了
类似的研究,这些研究所的得出的结论表明天然气
排放率很小,其产生的影响也较小。
不同专家学者研究结果的差别产生的主要原因
有以下几点:1)不同专家学者所采用的研究和测量方法,以及选取的调查样本存在很大的不同;2)甲烷气体的扩散性较强,本身的测量就存在一定难
度,而且排放量也和不同的测量仪器、测量的位置
和时间等有关;3)不同气田的地质构造、生产工艺、技术水平、所受国家、地区的政策监管等差别
较大;4)很多学者的研究都是基于前人研究数据的基础上的,然而随着技术的进步以及其他因素的
影响,其结果是在不断变化的。
虽然不同的专家学者考虑的因素不同,采用的
研究方法也不尽相同,但是他们的研究结论也可以
给我们提供一个全生命周期的甲烷排放率的范围,
大概在04%~117%左右。如果采用专家们所估计的排放率来描述,我们可以得到在整个生命周期
中甲烷的排放率平均在326%左右。
22 页岩气开发利用各阶段的甲烷排放率
如果从页岩气开发利用全过程的各个阶段来
看,不同阶段甲烷的排放情况有所不同。表 1是Howarth等人对页岩气开发利用过程中完井作业阶段、常规排气和设备泄漏、加工、运输、存储、分
配阶段进行的分阶段的排放量估计。
表1 常规天然气和页岩气在开发各阶段甲烷排放率的估计 %
开发过程 常规天然气 页岩气
完井过程中的排放 001 19
常规排气和设备泄漏 03~19 03~19
液体装卸过程中的排放 0~026 0~026
气体加工过程中的排放 0~019 0~019
运输、存储及分配过程中的排放 14~36 14~36
总排放 17~60 36~79
从表 1可以看出,在页岩气开发利用的过程中,其生产过程尤其是完井阶段,甲烷的排放率最
大,几乎是常规天然气的190倍。EPA[25-26]也指出,在完井阶段,页岩气的甲烷排放量甚至能达到常规
天然气的100倍。而其他阶段,对于页岩气和常规天然气而言,甲烷的排放情况并没有很大的差别。
参考其他专家的研究结果,本文得到了页岩气
生产环节的甲烷排放情况 (表2)
表2 页岩气开发过程中各阶段甲烷排放率的估计
各阶段 甲烷排放率/%
生产过程 227
加工过程 02
运输、存储过程 046
分配过程 033
总排放 326
从表2可以看到,要降低甲烷的排放量可以从页岩气生产过程尤其是完井阶段入手,通过采用各
种减排工艺,例如绿色完井技术、气井排液技术等
控制其排放量。目前很多学者的研究结果已经表明
采取减排工艺对于甲烷排放量的控制非常
有效[8,23,27-28]。
3 我国页岩气开发利用过程中的甲烷排放量估算
虽然不同的专家学者对于甲烷排放量的研究结
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资 源 与 产 业 2014年
果不尽相同,但是不可否认的是,页岩气开发过程
中甲烷排放问题始终存在,而且排放量也并非小
数。甲烷排放量将直接影响着页岩气作为一种清洁
能源的减排效果,甚至可能影响页岩气比煤和石油
更清洁的论断的正确性。
影响页岩气对于温室效应贡献大小的最主要的
因素是其最终燃烧排放的CO2量以及整个生命周期过程中排放的甲烷量。如果甲烷排放量过大,页岩
气对于减缓温室效应的贡献势必越小。假设生产1立方米的页岩气,如果采用排放率的平均值———
326%来计算,那么将有00326m3的页岩气直接被排放到大气中。如果忽略生产过程中的其他碳排
放,仅考虑主要的甲烷排放量和终端消费的 CO2量,则页岩气的CO2排放量为:B=Q×CJ×ρJ×EJ-E+Q1×Q1×ρJ×E(J-E)1, (1)
式中:Q为页岩气产量,m3;CJ为页岩气中甲烷的平均含量,以95%计算;ρJ为标准状态下甲烷的密度,0717g/L;E(J-E)为燃烧情况下甲烷与 CO2的
质量折算系数,为 44/16;Q1为甲烷排放量,m3;
E(J-E)1为造成同等温室效应下甲烷与 CO2的质量折算系数为25。根据公式 (1)计算,可以得到开发利用 1m3的页岩气,总共产生的 CO2的质量为246kg,如果没有该部分的甲烷排放,则页岩气利用过程中的CO2排放量为187kg。由此可见,甲烷排放对于页岩气的温室效应减排贡献的削弱作用
很大。
美国能源信息署 (EIA)2013年估计中国技术可采页岩气储量在1115万亿立方英尺 (约32万亿m3),是世界上页岩气储量最大的国家。目前中国的页岩气开采刚刚起步,采收率比较低。而根据美
国油气杂志的报道,美国页岩气的平均采收率在
47% ~10%之间。如果未来中国的页岩气采收率能达到美国的平均采收率水平 (约6%),那么中国能够开采出的页岩气大概为2万亿m3,所带来的
CO2排放量将为374亿t,相当于2009年中国CO2排放总量 (7687亿t)的48%。BP的能源统计年鉴显示,中国2012年的CO2排放量位居世界第一,如果甲烷的排放率得不到控制,那么未来页岩气的
开发利用带来的如此庞大的CO2排放量,则会给中国原本已经非常承重的减排压力拴上更为承重的
包袱。
4 结论与启示
在页岩气开发利用的众多环节都存在着不同程
度的甲烷排放,本文通过梳理国外学者对页岩气开
发利用过程中甲烷排放量的已有研究得到了以下
结论:
1)在排放量方面,尽管不同地区、地质构造、生产工艺、技术水平以及政策监管力度都可能导致
不同的甲烷排放率,但总体而言,甲烷排放数量仍
不容忽视,平均排放率在326%左右。2)在排放环节方面,不同阶段甲烷的排放情
况存在着比较大的差异。生产过程甲烷的排放率约
为227%,加工过程为02%,运输、存储过程为046%,分配过程为033%。可以看到,甲烷排放最严重的是在页岩气的生产过程,尤其是完井阶段
甲烷的排放率最大 (其排放量几乎能够达到常规天
然气的100倍,甚至更多);而在其他阶段,对于页岩气和常规天然气而言,甲烷的排放情况并没有
很大差别。
3)在排放影响方面,甲烷气体的排放对于页岩气温室效应减排的贡献削弱作用很明显,如果排
放量过大,甚至有可能影响页岩气是一种比煤和石
油更清洁的能源这一论断的正确性。
我国是一个页岩气资源大国,发育有多套湖相
泥页岩层系,具有分布范围广、有机质丰度高、厚
度大、埋藏浅、成熟度低、以生油为主的特点,从
寒武系到古近系都有分布[29]。从整体的页岩气发
育的地质条件来看,我国的地质条件和美国具有许
多相似之处,但是我国的页岩气地质条件要更为复
杂,后期改造强烈,保存条件差,导致我国页岩气
形成和富集的机理更为复杂,面临的技术挑战更加
严峻。多变的地质条件、多样的页岩气发育类型和
模式、相关监管制度的空白、相应技术水平的落后
以及资源潜力区环境薄弱、水资源稀缺等突出问题
将更加剧我国的甲烷排放问题,不利于我国页岩气
的有效清洁开采。我们应该认识到页岩气开发是政
府、公众和油气企业之间关于利益和环境保护的博
弈。政府必须在能源发展和环境保护之间找到一种
平衡,理性看待页岩气开发,保护好国家资源和公
众健康,认真监管油气企业页岩气开发过程,严格
执行环境保护规范。与此同时,政府还需要出台多
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第6期 余 晨等:页岩气开发利用过程中甲烷排放的研究
种法律法规,严格监管页岩气开发使用过程中的甲
烷排放方面。从企业角度而言,企业在页岩气开发
之前需要对前期的勘探、开发的工艺、技术的支撑
等方面做诸多考量,不断学习国内外先进的减排工
艺,例如绿色完井技术、气井排液技术等等,不断
推进技术创新,严格控制甲烷排放。已有研究也表
明,技术进步和政府监管对于页岩气开发利用过程
中甲烷排放的控制具有很明显的作用。因此,政
府、企业和公众必须重视技术进步和政府监管,要
在页岩气热的形势下理性看待页岩气的开发、谨慎
对待页岩气开发利用过程中的甲烷排放问题。
此外,由于页岩气藏储层、地质结构等的差
异,我国不可能完全借鉴美国的勘探开发技术,要
实现我国页岩气大规模经济有效开发,同时减少甲
烷排放等问题带来的负面影响,我国必须立足于国
情,必须在借鉴国外经验的基础上,走中国式的页
岩气发展之路。
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