天然气行业甲烷排放及其减排应对现状：基于文献调研的分析

李 孥，孙 齐，王建良,3,4，邓 辉，刘 睿

(1.中国石油大学(北京)经济管理学院，北京 102249；
2.中国石油天然气股份有限公司天然气销售分公司，北京 102299；
3.中国石油大学(北京)中国油气产业发展研究中心，北京 102249；
4.中国石油大学(北京)碳中和与创新能源发展研究院，北京 102249；
5.昆仑数智科技有限公司，北京 102206)

甲烷是一种比二氧化碳具有更强增温潜势的温室气体，根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告数据，甲烷20年水平的全球增温潜势是二氧化碳的84倍，100年水平则是二氧化碳的28倍，对当前全球变暖的贡献率约为四分之一，是仅次于二氧化碳的第二大温室气体[1]。根据IPCC国家温室气体清单指南数据，全球人类活动导致的甲烷排放源主要来自能源活动、工业生产过程、农业活动、土地利用和废弃物处理五个部分。其中，农业活动和能源活动排放的甲烷最多，分别占总排放量的40%和35%[2]。但相比于农田及动物排放等相对固定的排放源，能源活动与能源战略规划密切相关，具有较高的人为可控性，由此对能源活动导致的甲烷排放进行减排控制具有更为现实的可行性及可操作性，成为当前甲烷减排以及在短期内扭转气候变化态势的有效途径之一。

在能源活动中，煤炭及油气开采过程是甲烷排放相对集中的领域。天然气作为当前能源转型过程中的主力清洁能源，肩负着推动能源供给革命发展的重要使命，其需求量短期内仍将持续上涨，随之而来的甲烷排放也会成为能源活动中甲烷排放的最主要来源。大力发展天然气的目的是让其代替高碳能源(主要是煤炭)，由此促进能源体系的整体低碳化[3]。但天然气产业链甲烷排放所造成的温室效应会在相当程度上抵消天然气消费所减排的二氧化碳，使得天然气的低碳效果大打折扣[4]。因此，如何深入认识天然气行业的甲烷排放源，并充分掌握其排放规模，由此进行有效的减排，成为当前学术界关注的焦点。

在Web of Science核心数据库以“天然气行业甲烷排放(methane emissions from the natural gas)”为关键词进行检索，得到3 107条相关文献。在BIBLIOMETRIC平台(bibliometric.com)中，对3 107条文献进行文献计量分析，得到的历年文章数量变化情况以及历年关键词数量变化情况，如图1和图2所示。

由图1可知，研究天然气行业甲烷排放的文献整体上不断增多，表明国内外学者对该话题的关注度在逐年攀升。2021年的文献数量为历年最高，可能是因为在2021年《联合国气候变化框架公约》第26次缔约方会议上，105个国家共同签署了“全球甲烷承诺”，此举推动甲烷正式站在了应对气候变化的舞台之上，甲烷成为社会各界关注的焦点，与甲烷相关的研究相应增多。天然气行业是甲烷排放的重要来源，因此天然气行业甲烷排放相关的文章数量在2021年激增，这也是业内对该话题关注度提升的直接体现。

图1 历年天然气行业甲烷排放相关文章数量变化情况

由图2可知，除了在检索时输入的关键词“methane”“natural gas”“emissions”外，近五年天然气行业甲烷排放相关研究的关键词主要集中于“greenhouse gas”“greenhouse gases”“carbon dioxide”“climate change”。这表明天然气行业甲烷排放与温室气体及气候变化相关的研究关联程度较高，是研究温室气体排放及气候变化的重要切入点。

图2 历年天然气行业甲烷排放相关关键词数量变化情况

通过梳理国内外相关文献，现有对天然气行业甲烷排放问题的研究可被分为三类：一是通过定性的理论分析或实例分析认识天然气行业的甲烷排放，属于发现问题的范畴；
二是通过核算的方式定量评估天然气行业的甲烷排放，属于认识问题的范畴；
三是通过定性的建议方式或定量的优化方式减少天然气行业的甲烷排放，属于解决问题的范畴。各研究环节关系及要点如图3所示。研究天然气行业甲烷排放相关问题，目的在于使决策者及从业者意识到该问题并制定相应的解决方案，由此促进天然气行业的高质量发展、提升能源结构调整升级的效果，并有效减缓气候变化。

图3 各研究环节关系及要点

认识甲烷排放来源的相关研究，是天然气行业甲烷排放研究系统的基础。作为一个新兴的研究方向，公众与业界对该问题的关注是从近十年才开始的，但已产出了较为丰富的研究成果，有效提高了社会各界对天然气行业甲烷排放的重视程度。目前，此类研究主要围绕认识不同类型天然气的甲烷排放源和认识产业链不同环节的甲烷排放源展开。

1.1 认识不同类型天然气甲烷排放源方面

按照气源，天然气可分为常规天然气和非常规天然气，典型的非常规气包括煤层气、页岩气和致密气。常规天然气和非常规天然气在地质特征、赋存状态及聚集机理等方面均有明显不同[5]，由此导致其开采条件及开发工艺也存在差异，致使其甲烷排放源也有所不同。因此，现有天然气行业甲烷排放源识别的文献也根据气源的不同，分为以下几类。

1) 常规天然气产业链甲烷排放源的识别[6-7]。此类研究主要是基于多个产区或一个产区的多个站点的生产实践，分析所研究区块的主要排放源。且大多研究局限于单个组件或环节，如井口套管[8]、采出水[9]等，对整个系统的全面性研究很少。

2) 页岩气产业链甲烷排放源的识别。对于页岩气产业链甲烷排放源的识别是天然气行业甲烷排放关注度最高的一个研究领域，且由于页岩气在美国的蓬勃发展，也致使美国成为页岩气产业链甲烷排放研究的核心区域[10-11]。页岩气开发与常规天然气的显著区别是在勘探开发阶段使用了水力压裂技术，根据美国环境保护署(EPA)公布的有关数据，勘探开发阶段使用水力压裂技术的甲烷排放是未使用该技术的20多倍，成为页岩气产业链最大的排放源点[12]。

3) 煤层气产业链甲烷排放源的识别。煤层气俗称煤矿瓦斯，是煤的伴生资源，此类甲烷排放是中国最大的甲烷排放源[13]。现有文献中，专门针对煤层气开发甲烷排放的研究较为缺乏，大多是以煤矿开采和矿后活动的甲烷逃逸为切入点来认识和研究煤层气，且研究重点是以煤矿安全生产为导向，控制及回收煤层气，从而减少甲烷的逸散[14-15]。

4) 致密气产业链甲烷排放源的识别。致密气即致密砂岩气，一般归为非常规天然气，早期被中国归为常规天然气[16]，但由于其与页岩气类似，储层渗透率极低，因此，伴随着水力压裂技术在页岩气开发领域的普遍推广应用，致密气的开发技术也由常规方式转向水力压裂等非常规方式，这也是其现在被视为非常规天然气的主要原因，基于这一原因，致密气产业链的甲烷排放源点早期与常规天然气类似，如今与页岩气相似，目前没有致密气产业链甲烷排放的相关研究。

1.2 认识产业链不同环节甲烷排放源方面

天然气产业链分为上游、中游和下游三部分，其中，上游包括勘探开发、生产和收集处理三个环节，中游包括长距离储气运输环节，下游则是分销环节，上中下游因其涉及的活动不同，甲烷排放的源点也有所差异[17]。因此，现有与天然气产业链各环节排放源认识相关的文献，也可以被分为三类。

1) 上游活动甲烷排放源的识别研究。上游是天然气产业链的起点，上游的勘探开发环节涉及钻井、录井、测井和完井等活动，由于水力压裂技术的使用导致完井阶段甲烷排放量剧增，因此现有研究对勘探开发阶段甲烷排放源的识别主要集中在完井活动方面[18]。

生产环节涉及采气、集气等活动[19-20]；
收集处理环节涉及原料气的脱硫、脱水等活动[21]。根据相关研究，这两个环节的主要排放源来自气体处理设施如压缩机、气动控制器及储罐等的甲烷逃逸排放[22]。

2) 中游活动甲烷排放源的识别研究。中游主要涵盖天然气存储及长距离管道运输等活动[23]，相关研究显示甲烷排放源主要来自加压管道、储气设施等设备的放空与泄露[24]，维修作业或设备故障也会释放大量甲烷[25]。

3) 下游活动甲烷排放源的识别研究。下游主要涉及天然气分配和销售等活动，其排放源与中游相似，主要来自管道及储气设施[26]。除此之外，下游还有一项重要排放源，即客户计量表的维护检修过程[27]。

除了上述三类以产业链各环节为切入点的源点识别研究外，还有部分文献关注贯穿于多个环节的排放源，即由阀门、连接件及管件等组成各项设备的密封部位的甲烷逃逸[28]。

甲烷排放的核算研究是天然气行业甲烷排放研究系统的核心。目前对天然气行业甲烷排放核算评估的研究主要有两类：一是利用自底向上估算法进行的核算研究，即确定排放源的排放因子和活动因子，然后采用插值计算法对设施级、地区级甚至国家级的甲烷排放量进行估算；
二是利用自顶向下估算法进行的核算研究，即通过测量有界区域的甲烷浓度来量化该区域的甲烷排放量[29]。

2.1 利用自底向上估算法进行核算的研究方面

自底向上估算法是甲烷排放核算应用较为广泛的一种方法，主要是依据温室气体清单展开。现有天然气系统甲烷清单编制主要依据《IPCC国家温室气体清单编制指南(1996年修订版)》[30]以及《IPCC 2006年国家温室气体清单指南(2019修订版)》[31]。IPCC为天然气系统甲烷核算提供了三个层级的方法。第一层级的方法是基于活动数据和IPCC推荐的缺省排放因子估算天然气产业链的甲烷排放量。第二层级的方法与第一层级的计算公式相同，采用同样的活动数据，但排放因子选择拟研究国家的排放因子。利用这两种方法核算甲烷排放的文献中，研究区域一般为全球[32]或中国[33-35]，且多以产业链的大环节为单位进行核算，如HÖGLUND[36]利用一种新型的自底向上方法估计了1980—2002年间全球油气系统生产过程累计释放甲烷3 047 Tg，其中，26%来自天然气生产、输送和分配；
杨梓诚等[37]利用IPCC提供的清单数据核算了2000—2017年中国油气行业甲烷逃逸排放量，计算结果显示，天然气系统的甲烷排放量从2000年的141.7～322.5 Gg增长到2017年的1 000.7～2 505.3 Gg。

天然气系统设备多、工艺繁杂、不确定性问题突出[38]，但上述文献对相关问题考虑不足。工艺技术的更新迭代也必然会对排放因子产生影响，采用过时的排放因子会对核算准确性造成很大影响。为了解决这一问题，IPCC给出了第三层级的核算方法，即针对单个或多个工厂，对产业链各环节设备级的排放源进行直接测量，从而核算排放总量，更新排放清单。这一方法对监测、测量等技术要求较高，目前的研究区域都集中在天然气产业较为发达的美国，部分研究是对全产业链进行核算，如JIANG等[39]利用第三层级方法估计了Marcellus页岩气全生命周期温室气体排放量为63～75 gCO2e/MJ；
部分研究是对某些环节进行核算，如LAMB等[27]测量了美国13个城市分配系统的甲烷排放量，排放因子来自于对230个地下管道泄漏和229个计量和调节设施的直接测量，核算结果为393 Gg/a；
部分研究还考虑了核算过程中的不确定性问题[40]，如BRANDT等[41]通过分析18项先前研究中15 000个天然气甲烷泄露测量值，发现现有清单所公布的甲烷排放不确定性范围太窄，在未来的研究中需要更大样本量以达到目标置信区间。

此外，美国气体研究院(GRI)与美国环境保护署(EPA)共同编制了基于本国情况的温室气体清单，也有部分文献将现场测量得到的结果与该清单进行对比[42]，为清单中排放因子的更新提供建议[19]。

2.2 利用自顶向下估算法进行核算的研究方面

现有研究中，常用的自顶向下估算法包括质量平衡飞行测量[43]和固定传感器测量[44]。根据测量区域的不同，甲烷排放量核算又可分为设施级、地区级、大陆级和全球级[45]，学者们针对不同级别区域核算采用的方法也有所不同。

1) 设施级核算。对设施级甲烷排放量核算常用的自顶向下方法有OTM33A测量方法和示踪剂释放技术，常用于气井[46]、矿井集输系统[47]及处理厂[48]等设施。MAAZALLAHI等[49]采用示踪剂释放方法来测量德国汉堡等18个城市燃气网泄漏产生的甲烷排放量。

2) 地区级核算。地区级核算常用的方法有机载测量、地面固定监测网测量和车载测量。KARION等[50]利用机载测量核算了犹他州某个油气田1 h内的甲烷排放量为55±15×103kg；
SARGENT等[51]使用大气测量和地面固定监测网测量核算了波士顿地区8年内的甲烷年平均排放量为198±47 Gg，其中，有127±24 Gg来自天然气逃逸；
PHILLIPS等[52]使用车载测量核算了美国波士顿地区天然气分配系统785 m管线的甲烷排放，共发现3 356个甲烷泄漏点，其浓度超过全球平均水平的15倍。

3) 大陆级、全球级核算。大陆级、全球级的核算常采用卫星观测法测量大空间范围内的甲烷浓度。TURNER等[53]通过反演大气制图扫描成像吸收光谱仪观测的数据，对北美地区的甲烷排放量进行了估算，估算结果显示，2009—2011年美国人为甲烷排放量为每年30.0～44.5 Tg，且有22%～31%来源于油气系统；
SHEN等[54]利用卫星观测的甲烷数据，通过大气反演分析量化了美国和加拿大单个石油和天然气盆地的甲烷排放量，将其结果汇总到国家尺度上，得到美国与油气相关的甲烷排放量为每年12.6±2.1 Tg，加拿大为2.2±0.6 Tg，均高于其向联合国报告的清单数据。

除此之外，还有部分研究关注自顶向下核算法与自底向上核算法的区别[55]，并分析区别产生的原因。对于差异原因的分析结果显示，超级排放源[56]、间歇性排放源[57]、异常工况[58]以及测量方法[59]等都会造成核算结果的差异。

有效减少甲烷排放，是天然气行业甲烷排放研究系统的最终落脚点，而达成该目标的前提，是找到甲烷减排的有效方式。但业界之前对甲烷的关注度较低，天然气行业甲烷减排相关研究更为有限。通过梳理有限的文献，将现有对天然气行业甲烷减排的研究分为两类：一是利用减排技术，此类方式是企业主体基于微观的减排方式；
二是利用政策管理，此类方式是政府管理者基于宏观的减排方式。

3.1 甲烷减排技术研究方面

通过技术介入控制甲烷排放是最直接、最行之有效的减排途径。现有研究中提到的天然气行业甲烷减排技术都集中于泄露检测与修复(leak detection and repair，LDAR)。该技术的应用前提是精准识别甲烷的排放源点，如ZHOU等通过应用一种新型移动测量系统，以识别甲烷在生产过程中的意外泄漏，为LDAR的顺利实施提供基础[60]。LDAR的减排效果也在多项研究中得到证实：DATTA等[61]的研究表明，使用LDAR可以持续改进甲烷的无组织排放，在减排案例中，仅对62%的泄露源进行密封维修就减少了90%以上的甲烷排放；
RAVIKUMAR等[62]通过量化36个非常规天然气设施的甲烷排放，来衡量LDAR的有效性，研究结果表明，通过一次LDAR，总排放量减少了44%，在后续测量中有90%的泄露源没有继续排放，但出现了新的泄露源，说明了多次检修的重要性。

除了探究技术应用的有效性外，成本也是决定技术能否有效实施的重要因素[37]，FOX等[63]通过引入移动测量平台、近距离便携式系统等来提高甲烷泄漏检测的速度和修复成本效益；
FOX等[64]使用泄漏检测和修复模拟器来检查multi-visit LDAR相对于single-visit LDAR的性能和成本效益。上述研究依然围绕美国的产业实践展开，目前仅有一篇文献关注了中国，WENG等[65]对天然气生产过程中甲烷易泄露设施的排放源进行了测量，基于实测数据利用模拟的方式分析了修复控制技术的减排潜力，并评估了所回收气体可带来的经济效益。

但LDAR是适用于逃逸性泄露甲烷排放的减排技术，天然气产业链中还有众多其他类型的排放源，仅利用该技术难以进行有效的系统性减排。除了LDAR外，也有学者在关注甲烷的负排放技术[66]，随着碳捕集、封存及再利用技术的普及和使用[67]，甲烷捕获将成为未来天然气行业甲烷减排的重要途径。

3.2 甲烷减排政策管理研究方面

通过政策管理方式进行减排是宏观层面解决甲烷排放的重要途径。美国环境保护署(EPA)早在20世纪90年代就已建立了甲烷减排的自愿项目，并颁布相关法规，MELVIN等[68]评估，该项目在1993—2009年间减少了127.9 Tg的甲烷排放，避免了0.006 ℃的全球升温。控制温室气体总量的减排政策对甲烷减排也有明显的促进作用，ZHANG等[69]通过建立具有两个状态变量的动态规划模型，评估得出对二氧化碳和甲烷同时征税，或对二氧化碳征税并对甲烷实行配额的混合策略是控制温室气体总量下降的有效途径。

天然气行业现有的减排管理研究可分为三类。第一类是减排政策选择建议的研究：RAVIKUMAR等[70]基于泄漏检测项目的实测数据，提出了四种有效减排甲烷的政策，其中，建立资金补贴政策是一项重要的选择。第二类是政策管理落实的路径研究：EVANS等[71]以俄罗斯油气行业为例，评估了俄罗斯如何通过环境罚款制度来影响甲烷排放；
KONSCHNIK等[72]提出了一个科学和政策相结合的综合框架，用于更有效地监测与评估甲烷排放情况；
INGELSO[73]研究表明，在美国和加拿大甲烷减排法规的约束下，油气行业运营商愿意支付至少200万美元用以实施减排新技术，以进一步降低甲烷排放量。第三类是对政策的量化研究：JOHNSON等[74]对加拿大政府发布的油气行业甲烷控制法规进行了全面的技术比较，并评估得到该法规的全面实施对甲烷的减排贡献将达到26%；
RABE等[75]针对美国政府对天然气行业甲烷排放征收排放税的政策，采用基于市场的分析来评估该政策对甲烷定价的影响，由此得到对甲烷减排的影响；
LACKNER等[76]为激励石油和天然气公司加大减排力度，分析了如何在现有法规的基础上设计合理的油气行业甲烷排放价格，并评估了所设计价格对甲烷排放的影响；
MARKS[77]的研究则表明，对甲烷排放进行定价将产生可观的净社会效益。从上述三类减排政策的研究可以看出，各国对甲烷减排政策的建立与实施均围绕资金或价格展开，这表明，基于资金或价格的政策工具是一项重要的减排方式。

4.1 结论

作为清洁低碳的能源，天然气在当今能源转型进程中发挥着不可替代的关键作用，但天然气产业链的甲烷排放却成为制约其高质量发展的桎梏。因此，对天然气行业甲烷排放的相关问题进行全面深入的研究迫在眉睫。本文从甲烷排放来源认识、甲烷排放核算评估及甲烷减排方式三个方面，系统回顾了天然气行业甲烷排放相关问题的研究现状，并得出以下结论。

1) 在天然气行业甲烷排放来源认识的研究中，学者们从多个角度分析了天然气行业的甲烷排放。通过分析可以发现，不论是哪种类型的天然气，以及天然气产业链的哪个阶段，都存在一定程度的甲烷排放，学者们在多个角度的关注与研究也展现了该问题的重要性以及研究的必要性。但是，现有研究还是具有一定的局限性，仍有可完善之处：一是目前的研究大多是基于多个产区或一个产区的多个站点的研究数据展开，分析的多是某个区域的排放情况，缺乏国家层面的全面系统研究，难以揭示所研究国家整个天然气行业甲烷排放的普适性规律；
二是现有研究多是针对一种气源的一个环节或多个环节进行分析，缺乏对常规天然气和各类非常规天然气产业链全生命周期的系统性研究，不利于深入认识天然气行业整体的甲烷排放情况。

2) 在天然气行业甲烷排放核算评估的研究中，学者们通过核算的方式加深了对天然气行业甲烷排放的认识，并由此掌握甲烷排放的规模。此部分研究较为成熟与全面，但依然有部分内容没有被关注到，比较突出的一点是：现有的甲烷排放核算研究仅关注了直接排放，忽略了因外购电力或热力而产生的间接排放。除此之外，自底向上核算法和自顶向下核算法由于测量及计算系统的差异过大，使得核算结果的完整性和准确性均不能得到有效保证，且自顶向下核算法的甲烷排放核算研究也均证实，自底向上核算法会严重低估天然气系统的甲烷排放。两类方法可互相验证，以确定温室气体清单中缺少的甲烷排放源。但核算结果不准确会影响天然气系统气候效应的有效评估，对后续的减排应对造成不利影响[45]。

3) 在天然气行业甲烷减排方式分析的研究中，技术和政策是两个最重要的减排途径，该部分是在上述两方面研究，即发现及认识问题的基础上，进行的管理应对研究。但由于该研究方向起步较晚，现有研究仍具有一定的局限性，主要体现在以下三个方面：一是关于减排技术的研究都是围绕LDAR展开，但除了LDAR外，还有众多针对工艺流程及设备的甲烷减排技术，可以进一步深入讨论；
二是LDAR所应用的排放源主要来源于甲烷的逃逸性泄露，未关注到因工艺流程所需而导致的放空及其他排放，因此上述研究的甲烷治理是“点对点”的，没有从技术布局或技术选择的角度考虑系统性减排优化问题；
三是现有的研究都是通过技术或政策减排方式来促进甲烷减排，两类方式单线进行，未形成技术与政策相结合的多层次治理体系。

通过梳理上述三方面文献发现，现有对天然气行业甲烷排放问题的研究几乎都是以美国的生产实践展开，有少数文献关注了加拿大，但是对中国及其他地区产业实践的研究非常匮乏。不同国家和地区的地质条件及开采条件是存在差异的，因此其生产处理过程中的工艺流程也不尽相同[54]，甲烷排放源会随之不同，不同国家的研究经验难以完全契合。中国的天然气产业发展起步较晚，对其甲烷排放的研究尚未形成体系，中国需根据自身特点加快研究步伐，以有效应对甲烷带来的诸多挑战。

4.2 建议

完善天然气行业甲烷排放研究任重道远，本文针对梳理上述文献所归纳的现有研究的不足之处，给出未来的研究建议如下所述。

1) 开展对天然气行业甲烷排放的多类型、多层级、全周期的系统性认识研究。对常规及非常规多个类型气源全生命周期各个环节的甲烷排放源进行全面系统的识别与梳理，并对其排放路径及表现形态进行详细的归纳与分析，由此形成清晰、成体系的认识链条。同时，在站场级别(微观)的认识研究基础上，开展区域级、国家级乃至全球级的宏观性研究，揭示天然气行业甲烷排放在不同层级下的排放规律与特征，为后续的核算及减排研究奠定重要基础。

2) 推动甲烷排放清单编制的常态化、动态化及全面化研究。目前的甲烷排放清单不论是在质量上还是效率上均难以满足不同层面的核算需求，推动清单编制常态化、动态化成为保证清单核算准确性及可靠性的关键。因此，需积极开展不同尺度的甲烷排放监测与统计工作，构建甲烷排放水平数据库，实时动态更新。并推动“自顶向下”和“自底向上”清单编制方法的结合，整合关联两类排放因子数据，构建全面完整的清单，强化清单研究的一致性。

3) 完善对所有类型排放源的全面治理，深化甲烷减排方式的统筹布局研究。对于天然气行业甲烷排放的三类主要来源：设备逃逸、工艺放空和火炬燃烧，开展有针对性的治理研究，形成覆盖全排放源的减排研究系统。对减排技术的应用进行管理性的统筹布局研究，促进技术减排效果最大化。构建政策与技术相结合的多元治理体系，通过宏观调控与微观干预，在达成减排目的的基础上，满足多方利益相关者的需求。

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