油氣生產(chǎn)過程中放空燃燒氣的檢測與回收利用現(xiàn)狀

薛 明，范俊欣，李興春，崔翔宇 ，吳百春

（1.石油石化污染物控制與處理國家重點實驗室，北京 102206；2.中國石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，北京 102206）

油氣行業(yè)由于油氣生產(chǎn)過程中存在的甲烷與二氧化碳排放而成為全球應(yīng)對氣候變化的關(guān)注焦點［1］。我國油氣行業(yè)由于甲烷等溫室氣體排放底數(shù)不清，相應(yīng)減排技術(shù)缺乏大規(guī)模應(yīng)用，仍面臨著較大的減排壓力［2-3］。除了非正常工況產(chǎn)生的甲烷超級排放源之外，油氣生產(chǎn)過程中的放空燃燒（火炬）排放也是典型的甲烷排放源之一［1，4-5］。2017年全球放空燃燒氣量達(dá)到1.41×1011m3，CO2排放量達(dá)到3.5×109m3，等同于7.5×1011kW·h的發(fā)電量，超過了整個非洲的年電力消耗［6］。

美國自2018年起加大了在二疊紀(jì)盆地的油氣開發(fā)力度。該區(qū)域伴生天然氣有近4%被放空燃燒；而在特拉華盆地，這一比例甚至達(dá)到8%［7］。在北達(dá)科他州頁巖氣生產(chǎn)區(qū)，頁巖油生產(chǎn)過程中同樣伴隨著伴生氣放空燃燒氣量的增加［8］。放空燃燒氣不僅造成能源浪費(fèi)，氣體燃燒過程中排放的非甲烷總烴、氮氧化物、硫氧化物還會對區(qū)域環(huán)境質(zhì)量及人體健康產(chǎn)生影響，碳黑與甲烷的排放還會加劇溫室效應(yīng)［9］。

近年來，隨著世界銀行資助的全球放空燃燒氣減排（Global Gas Flaring Reduction，GGFR）計劃的推進(jìn)，全球主要能源公司都將減排的重點目標(biāo)放在放空燃燒氣的控制上，在放空燃燒氣的計量、檢測、組分分析、減排控制技術(shù)方面都有了顯著的提升?；谇捌趯ξ覈?3個油氣田的放空燃燒氣量的調(diào)查，日放空燃燒氣量達(dá)到3.33×106m3，折合年放空燃燒氣量1.1×109m3［10］，存在著巨大的資源回收潛力。本文擬通過對國內(nèi)外放空燃燒氣計量與控制技術(shù)方面的總結(jié)，為國內(nèi)油氣行業(yè)甲烷檢測與減排技術(shù)研究提供參考。

1 放空燃燒氣的定義與檢測

1.1 放空燃燒氣的定義

參照GGFR的定義［6，11］，放空燃燒包括兩類：一類為常規(guī)條件下出于安全、設(shè)備維護(hù)等原因進(jìn)行的放空燃燒；一類為異常工況條件下的燃燒，主要包括現(xiàn)場測試階段、管輸外運(yùn)條件不足及事故放空條件下采取的一種處理手段。大部分條件下，要求放空氣以98%左右的燃燒效率進(jìn)行完全燃燒，降低對生產(chǎn)區(qū)域周邊人口健康的影響。當(dāng)放空氣量達(dá)不到點火條件，如氣體濃度較低、含水率較高時，現(xiàn)場會直接排放這一部分氣體，稱為冷放空（Cold Venting）。

在我國油氣生產(chǎn)過程中，正常工況下的放空燃燒氣主要存在于部分油氣生產(chǎn)單井的套管氣排放，油氣處理站（轉(zhuǎn)油站、增壓站）等。部分零散、偏遠(yuǎn)井的套管氣排放，氣量較小，壓力較低，不具備經(jīng)濟(jì)回收價值，一般通過采用油氣混輸措施減少套管氣排放；而在油氣處理站，氣量相對較高，可以通過建設(shè)放空氣回收工程減少放空燃燒［12］。非正常工況下的放空燃燒主要存在于油氣井口試井、維修、事故等狀態(tài)下。

1.2 放空燃燒氣的常規(guī)檢測方法

ALLEN等［4］對美國油氣生產(chǎn)中的放空燃燒氣排放開展的現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，小部分火炬的排放占放空燃燒總排放量的一半以上，當(dāng)98%的默認(rèn)燃燒效率提升至100%時，二氧化碳排放量將減少14%。加拿大阿爾伯塔省建議在油氣處理站、管道集輸、天然氣處理站等有多股氣體放空的場所安裝流量計［13-15］。當(dāng)放空氣氣量波動較大、組分構(gòu)成復(fù)雜及測定難度較大時，會對流量計的干濕氣耐受度、氣體流速、量程范圍等提出較高要求。滿足要求的流量計主要包括超聲流量計、插入式流速探針、光學(xué)式流量計等（見表1）［14，16-17］。

表1 油氣行業(yè)使用的主要放空燃燒氣流量計一覽

在場站沒有安裝流量計時，還可以參照API 521標(biāo)準(zhǔn)［16］，基于火炬照片估算放空燃燒氣量（見圖1）。使用的計算公式見式（1）～式（3）。

式中：Lf為實際火焰長度，m；Lp為照片測量的火焰長度，cm；Dp為照片測量的燃燒管內(nèi)徑，cm；Df為燃燒管實際內(nèi)徑，m；Q為放空燃燒氣體能量流量，J/s；F為放空燃燒氣量，m3/s；Cg為結(jié)合氣體熱值，J/m3。

圖1 利用火炬照片估算放空燃燒氣量示意

1.3 遙感技術(shù)檢測放空燃燒氣中的甲烷排放量

在GGFR的資助下，ELVIDGE等［18］自2009年起依托參與計劃的成員國與成員公司上報的放空燃燒氣量數(shù)據(jù)，與來自美國國防氣象衛(wèi)星（DMSP）OLS系統(tǒng)可見光與熱輻射信號觀測數(shù)據(jù)建立相關(guān)性，并反演出1994年至2008年全球放空燃燒氣量。在反演過程中，部分冷凝氣提過程沒有上報、火炬燃燒波動、火炬燃燒錯誤識別、不同區(qū)域氣象條件（干燥/濕潤氣候等）均有可能給估算結(jié)果帶來不確定性。

此后，ANEJIONU等［19］使用美國大氣宇航局中等精度分光輻射成像遙感數(shù)據(jù)（MODIS）估算尼日利亞放空燃燒氣量，CASADIO等［20］使用短波紅外輻射數(shù)據(jù)（SWIR）對全球放空燃燒的持續(xù)時間進(jìn)行估測，以及CHOWDHURY等［21-22］使用Landsat 8衛(wèi)星日間觀測數(shù)據(jù)對加拿大以及泰國灣、波斯灣、墨西哥灣等海上作業(yè)平臺的放空燃燒火炬位置進(jìn)行識別。

2012年底，由于軌道降級引起DMSP光輻射污染，無法再進(jìn)行全球數(shù)據(jù)的跟蹤記錄，研究人員開始使用美國大氣海洋局可見紅外成像輻射檢測（VIIRS）的遙感數(shù)據(jù)。ELVIDGE等［23］利用VIIRS數(shù)據(jù)能夠覆蓋不同波長熱輻射信號的特點，對放空燃燒氣夜間短波與近紅外輻射峰值信號進(jìn)行收集處理，得到全球放空燃燒氣的總量。VIIRS的空間分辨率達(dá)到417 m，能夠在城市燈光影響下實現(xiàn)對放空燃燒的識別；同時，與DMSP只能識別燃燒火焰高溫點不同，VIIRS能夠?qū)崿F(xiàn)對放空燃燒火焰99%的溫度區(qū)間覆蓋，進(jìn)而實現(xiàn)對上游油氣生產(chǎn)、下游煉油化工、液化天然氣（LNG）處理終端等環(huán)節(jié)的區(qū)分。在獲得熱輻射數(shù)據(jù)后，利用每月平均熱輻射總量數(shù)據(jù)，結(jié)合在尼日利亞、美國德克薩斯州、美國北達(dá)科他州油氣生產(chǎn)放空燃燒報告數(shù)據(jù)，以及國際天然氣行業(yè)商業(yè)信息智庫（CEDIGAZ）在全球47個國家的放空燃燒氣量報告數(shù)據(jù)［24］，可以得到輻射量與放空燃燒氣量之間的對數(shù)關(guān)系，并用于反演計算。

除了針對放空燃燒氣量的遙感數(shù)據(jù)反演外，LI等［25］還利用臭氧層監(jiān)測設(shè)備（Ozone Monitoring Instrument，OMI）測定的氮氧化物濃度，結(jié)合MODIS數(shù)據(jù)，對極地油氣生產(chǎn)過程對空氣質(zhì)量產(chǎn)生的影響進(jìn)行了討論，但并未進(jìn)行放空燃燒氣量的估算。ZHANG等［26］結(jié)合OMI以及VIIRS遙感數(shù)據(jù)，對墨西哥海上油氣平臺放空燃燒的時空變化規(guī)律開展討論，分別采用了二氧化硫、氮氧化物的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了放空燃燒氣量的估算，使用空氣質(zhì)量因子對氮氧化物濃度的估算結(jié)果進(jìn)行了校正，并與實際數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。同油氣生產(chǎn)企業(yè)上報的放空燃燒氣量數(shù)據(jù)對比，遙感數(shù)據(jù)估算結(jié)果偏高。

目前，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)已能夠?qū)崿F(xiàn)對油氣生產(chǎn)過程放空燃燒的監(jiān)控［27］，但值得注意的是，當(dāng)前對于全球放空燃燒氣量的估算是基于伴生氣排放量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行的，與實際的放空燃燒氣量相比還存在較大的不確定性，例如：由于缺乏相關(guān)報告數(shù)據(jù)，致密氣等非常規(guī)能源開發(fā)過程中試采與測試階段的放空燃燒氣量無法通過熱輻射值進(jìn)行反演計算；國內(nèi)頁巖氣、煤層氣基本為干氣，硫、氮等組分的濃度基本為零，無法通過遙感獲得的二氧化硫、氮氧化物數(shù)據(jù)進(jìn)行放空燃燒氣量的估算。另外，地面放空燃燒火炬的統(tǒng)計范圍也將極大影響遙感數(shù)據(jù)的反演過程。我國油氣行業(yè)針對甲烷、二氧化碳等溫室氣體排放使用的核算指南采用了排放因子估算法進(jìn)行放空火炬燃燒量的核算［28］，要求油氣生產(chǎn)企業(yè)上報放空燃燒氣流量、除CO2外的含碳化合物總含碳量等。然而，除規(guī)模較大的天然氣處理廠等能夠?qū)崿F(xiàn)98%的放空燃燒效率，或利用物質(zhì)平衡估算放空燃燒氣量外，油氣試采與生產(chǎn)過程的放空燃燒排放效率仍缺乏實測數(shù)據(jù)的驗證與支持，核算結(jié)果也存在較大的不確定性，亟待通過現(xiàn)場檢測、衛(wèi)星遙感等手段進(jìn)行核查與比對。

1.4 全球放空燃燒氣減排計劃

針對放空燃燒帶來的影響，世界銀行資助了GGFR，鼓勵能源公司利用回收措施減少放空燃燒，在2030年熄滅常規(guī)火炬。世界銀行認(rèn)為參與該計劃會使油氣公司在資源優(yōu)化管理、環(huán)境友好型油氣生產(chǎn)、全球商業(yè)品牌價值、作業(yè)區(qū)塊平衡、企業(yè)形象等方面受益。根據(jù)該計劃第一階段采用VIIRS數(shù)據(jù)對全球放空燃燒氣的摸底情況［29］，俄羅斯、伊拉克、伊朗、美國及阿爾及利亞為放空燃燒氣量排名前5的國家（見圖2）。我國在2014～2016年的放空燃燒氣量基本保持在每年2×109m3左右水平，2017年降低至1.6×109m3。

圖2 不同國家的放空燃燒氣量

2 放空氣回收利用技術(shù)

針對放空氣回收，LAYFIELD等［30］總結(jié)了15類回收利用技術(shù)（見表2），并以美國北達(dá)科他州等地的實際案例進(jìn)行了對比。除了針對甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇等高附加值產(chǎn)品的催化劑研究［31-32］之外，作為放空燃燒氣大國的尼日利亞，還建設(shè)了1.4×104m3/d的小型氣態(tài)轉(zhuǎn)液態(tài)（GTL）回收裝置，將天然氣轉(zhuǎn)化為柴油、甲醇以及氨等產(chǎn)品［33］?；贕TL理念優(yōu)化后的STG+技術(shù)也在西非陸上油氣田以及海上浮動平臺進(jìn)行了應(yīng)用［34］。

國內(nèi)對放空氣回收以液化天然氣、壓縮天然氣、發(fā)電等方式居多［35-37］，在管道輸送過程中還有采用壓差回收天然氣等技術(shù)［38］，井口或放空氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)產(chǎn)品的技術(shù)未見相關(guān)應(yīng)用。

塔里木油田是較早開展放空氣治理工作的區(qū)域之一，除了針對低壓放空氣采取增壓處理回收、部分氣體回注地層、高壓高產(chǎn)井放空氣進(jìn)行分離回收外，還針對邊遠(yuǎn)零散天然氣井以及試采井通過脫硫、增壓、脫水后開展壓縮天然氣技術(shù)回收，在天然氣處理站利用液化天然氣技術(shù)開展放空氣的回收［39-41］，并在天然氣處理站檢維修期間通過增壓設(shè)備進(jìn)行放空氣的回收［42］。另外，針對海上油氣開發(fā)，還有針對單個平臺的浮式天然氣液化（FLNG）技術(shù)，以及針對平臺群的伴生氣管網(wǎng)循環(huán)利用優(yōu)化等方面的技術(shù)應(yīng)用［43-44］。

表2 放空氣主要回收利用技術(shù)

從當(dāng)前國內(nèi)外放空氣回收利用技術(shù)的應(yīng)用情況來看，適用于較高放空氣量（大于2×104m3/d）的天然氣壓縮、液化技術(shù)在國內(nèi)已得到普遍使用，然而在控制典型放空氣排放源的同時，針對邊遠(yuǎn)零散井以及低壓、小氣量天然氣井的放空氣回收利用也應(yīng)提上日程。在建設(shè)成本合理、投資回報率較高的前提下，井口及處理站天然氣直接轉(zhuǎn)化為液態(tài)產(chǎn)品的技術(shù)路線將具有較大應(yīng)用潛力。

3 結(jié)語

油氣生產(chǎn)過程中的放空燃燒，不僅會帶來資源浪費(fèi)與環(huán)境污染，也會對全球氣候變化產(chǎn)生一定影響，通過利用經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)減少放空燃燒刻不容緩。我國油氣生產(chǎn)中的放空燃燒仍存在計量統(tǒng)計較少、估算較多、底數(shù)不清等問題。利用遙感數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)對火炬燃燒點的定位識別，但在放空燃燒氣量的確定方面，除了進(jìn)一步提高遙感衛(wèi)星檢測精度及頻率以減少不良?xì)庀髼l件的影響之外，還需開展遙感數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實際檢測數(shù)據(jù)的比對分析，提高反演模型估算的準(zhǔn)確性。

在放空燃燒氣減排方面，建議各油氣生產(chǎn)區(qū)結(jié)合油氣盆地地質(zhì)情況、地面工程以及天然氣放空排放等特點，優(yōu)化工藝流程，制定相應(yīng)的放空氣回收技術(shù)方案。各油氣田公司天然氣放空情況較為復(fù)雜，多數(shù)放空氣量小，分布分散，需要針對各油氣田天然氣放空特點及情況進(jìn)行具體分析，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效的回收利用。同時，建議開展井口放空天然氣氣態(tài)轉(zhuǎn)液態(tài)化產(chǎn)品相關(guān)工業(yè)試驗與應(yīng)用示范的研究。