少量泄漏的天然气井产生大量的温室气体排放

从地下开采天然气的油井经常会向空气中泄漏大量的甲烷，这是一种强大的温室气体。普林斯顿大学(Princeton University)的一组研究人员发现，在世界上最大的产气地区之一，大部分排放都来自一小部分油井，这一发现对如何控制这一问题具有重大意义。

由土木与环境工程学副教授马克·曾德尔罗(Mark Zondlo)领导的研究人员花了两年时间对马塞勒斯页岩的排放进行了采样。马塞勒斯页岩盆地从西弗吉尼亚州一直延伸到纽约州。在发表在《环境科学与技术》(Environmental Science and Technology)杂志上的一项研究中，作者报告称，10%的油井占到作为开采副产品泄漏到大气中的气体的四分之三以上。这相当于增加了50万辆汽车的温室气体排放，约占美国汽车市场的2%。

不过，Zondlo表示，这一发现可能为减轻对环境的影响带来一线希望，因为修复数量相对较少的“超排放”油井，可能会大幅减少排放。他警告说，确定泄漏最严重的油井并不总是那么容易，部分原因是油井的排放会随着时间发生变化。

美国土木与环境工程系(Department of Civil and Environmental Engineering)的光学机械工程师詹姆斯·麦斯皮里特(James McSpiritt)正在调整涡流协方差塔，这是一种用于测量空气污染的固定设备。该设备允许研究人员收集数据，他们可以将这些数据与从移动实验室收集的样本进行比较。

Photo by Bernhard Buchholz

研究人员说，这些排放可能是多种做法的结果，包括故意打开阀门以缓解油井压力，或者阀门无意间卡住了。此前的研究对德克萨斯州和西弗吉尼亚州的小样本油井进行了研究，并就“超级排放者”的影响得出了类似的结论。这项新研究首次着眼于美国产量最高的页岩盆地的开采情况，并代表了所测到的最大的油井总数。

连同Zondlo,前副主任Andlinger中心外部伙伴关系对能源和环境问题,团队的主要人员包括Elie Bou-Zeid,土木与环境工程教授和杰弗里•费茨前土木与环境工程学系的研究学者和前研发策略师Andlinger中心。曾在曾德罗实验室担任博士后研究员的达纳·考尔顿(Dana Caulton)负责现场取样。

Zondlo和团队使用的激光在移动实验室,普林斯顿大学的大气化学实验,测量空气中甲烷的浓度的精确波长的光在空中,看到有多少光被吸收的气体在空气中,特别是由甲烷。利用这项技术，研究人员可以辨别出空气中甲烷的含量，并计算出与油井相关的排放量。

Zondlo说，这些发现为最终限制天然气开采造成的碳污染提供了一条途径。他说，更好地理解某些井为何以及如何比其他井泄漏得更多，可以为“缓解压力的实际途径”提供信息。

天然气主要由甲烷组成，甲烷是最强大的温室气体之一，比二氧化碳捕捉热量的能力强30倍左右，加速了全球变暖。天然气是美国燃料结构的重要组成部分，约占美国电力生产的35%，每年为约6000万美国家庭供暖。即使在最有效的操作中，也会有一些泄漏。但曾德罗表示，新发现表明，该行业有可能大幅降低对环境的影响。

目前，天然气公司通常使用红外成像摄像机来寻找泄漏点，红外成像摄像机通过“看到”甲烷来识别泄漏点，但这种技术不够灵敏，无法捕捉到大多数泄漏点，除非摄像机几乎位于泄漏点的顶部。因此，红外成像相机并不是大范围筛选的调查工具，也不能提供甲烷释放量的定量数据。

Zondlo说，尽管超级排放者可能在时间上有所不同，但这取决于排放是来自一次性阀门卡住，还是来自持续存在的问题，比如法兰漏水。

Zondlo估计，使用激光可能会在一开始增加监测成本，但他表示，天然气公司将通过回收损失的产品来收回大部分成本。他说，如果装备得当，在油井上工作的服务车辆可以提供一条有效监测排放的途径，同时还可以提供共同的风速和风向预测。

Zondlo说:“如果常规服务车辆装有甲烷传感器，它就可以标记出甲烷含量远远超过以往探井水平的井台，并找出问题最大的探井平台。”

他说，他的技术和许多其他有前途的技术都是存在的，现在的问题是如何扩大这些技术的规模，并在实地加以实施。在他的移动实验室里使用的大多数激光器都是定制的，制造成本也很高，但佐德罗说，他正在用更普通的材料，如led，来制造激光器。

斯坦福大学(Stanford University)能源工程副教授亚当•勃兰特(Adam Brandt)表示，这项研究“表明，找到并修复这些少量的‘超级排放者’，可能是一种成本效益高的方式，可以大幅减少天然气生产作业产生的温室气体排放。”勃兰特没有参与这项研究。

科学家大卫·里昂环保基金会之前一直在甲烷排放评估,说“这项研究的结果加强迫切需要减少甲烷泄漏来自宾夕法尼亚州的现有非常规天然气井,这些泄漏代表7000万美元的天然气资源浪费和产生短期气候影响相当于九个燃煤发电厂。”

研究人员的下一步是看看这些超级发射器有什么共同之处。Zondlo计划研究油井的特性，如产量、设备使用年限和作业者的规模，以了解油井何时以及为何会成为大型排放源，以期为缓解措施提供依据。

除了Mark Zondlo、Elie boui – zeid、Jeffrey Fitts和Dana Caulton之外，论文作者还包括土木与环境工程系的本科生Jessica M. Lu和Haley M. Lane;土木与环境工程系研究生李维·m·高尔斯顿、郭学慧、潘达;土木及环境工程系光学机械工程师麦斯皮里特;德国国家计量研究所;哥伦比亚大学地球与环境工程系;亨特顿中央地区高中的拉尔斯·温特说。美国国家海洋和大气管理局为这项研究提供了部分支持。