胡俊坤 敬興勝 劉海峰 紀(jì)文 劉毅
(1.中國(guó)石油西南油氣田公司,四川 成都 610051;2.中國(guó)石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院,四川 成都 610095)
自1990 年聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(IPCC)首次發(fā)布評(píng)估報(bào)告以來(lái),全球已有50 多個(gè)國(guó)家碳排放實(shí)現(xiàn)了達(dá)峰,133個(gè)國(guó)家提出了碳中和目標(biāo)愿景,覆蓋全球2/3 溫室氣體排放。在油氣行業(yè),國(guó)際石油公司低碳轉(zhuǎn)型步伐有異,但基本趨同[1]。以習(xí)近平為核心的黨中央統(tǒng)籌國(guó)內(nèi)國(guó)際兩個(gè)大局,作出了碳達(dá)峰、碳中和(以下簡(jiǎn)稱“雙碳”)重大戰(zhàn)略決策。在第75 屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上,國(guó)家主席習(xí)近平宣布中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。
目前中國(guó)能源消費(fèi)以化石能源為主,碳排放總量大。根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)的研究成果,2020 年中國(guó)二氧化碳排放總量中與能源相關(guān)的排放占比達(dá)88%左右,能源結(jié)構(gòu)的低碳化是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵[11-12]?!?030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》明確提出建立統(tǒng)一規(guī)范的碳排放統(tǒng)計(jì)核算體系,支持行業(yè)、企業(yè)依據(jù)自身特點(diǎn)開(kāi)展碳排放核算方法學(xué)研究,提高統(tǒng)計(jì)核算水平。2014 年12 月,國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)印發(fā)了《中國(guó)石油和天然氣生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南(試行)》,為油氣行業(yè)的碳排放核算和預(yù)測(cè)提供了基礎(chǔ)依據(jù),但該指南未能考慮油氣生產(chǎn)的差異,要準(zhǔn)確核算和預(yù)測(cè)天然氣生產(chǎn)企業(yè)碳排放,需進(jìn)一步開(kāi)展研究完善該方法。不少學(xué)者對(duì)碳排放核算方法進(jìn)行了研究,但針對(duì)天然氣行業(yè)或企業(yè)的相關(guān)研究相對(duì)較少和薄弱[2-7]。
天然氣生產(chǎn)企業(yè)碳排放核算與預(yù)測(cè)的對(duì)象僅為二氧化碳,邊界包括主要生產(chǎn)系統(tǒng)、輔助生產(chǎn)系統(tǒng),以及直接為生產(chǎn)服務(wù)的附屬生產(chǎn)系統(tǒng)?;谔烊粴馍a(chǎn)企業(yè)的作業(yè)鏈,從天然氣勘探、開(kāi)發(fā)、處理、輸送四個(gè)環(huán)節(jié),系統(tǒng)性地梳理出天然氣生產(chǎn)過(guò)程中的二氧化碳排放四大來(lái)源,分別為化石燃料燃燒、火炬燃燒、工藝放空與電力隱含二氧化碳排放。天然氣生產(chǎn)企業(yè)碳排放的核算與預(yù)測(cè)邊界及排放源如圖1所示。
圖1 天然氣生產(chǎn)企業(yè)碳排放核算與預(yù)測(cè)邊界示意圖
天然氣勘探作業(yè)包括為識(shí)別勘探區(qū)域,探明天然氣儲(chǔ)量而進(jìn)行的地質(zhì)調(diào)查、地球物理勘探、鉆探及相關(guān)活動(dòng)。其中,鉆探環(huán)節(jié)具體包括鉆前工程、鉆井、測(cè)井、固井、試油、封閉或完井等作業(yè)。基于天然氣勘探的作業(yè)鏈,二氧化碳排放主要來(lái)源于作業(yè)車(chē)輛,井隊(duì)作業(yè)期間、固井下套管期間、試油起下管柱期間等環(huán)節(jié)柴油機(jī),供電發(fā)電機(jī),電驅(qū)鉆機(jī),試油火炬燃燒等。從排放源的角度梳理可知,天然氣勘探作業(yè)環(huán)節(jié)的二氧化碳排放源可歸為燃料燃燒、火炬燃燒、電力隱含等三類(lèi)二氧化碳排放。
天然氣開(kāi)發(fā)作業(yè)包括對(duì)氣藏中天然氣通過(guò)氣井采到地面的整套工藝技術(shù),大致可分為鉆井工程作業(yè)、采氣工程作業(yè)、集輸工程作業(yè)?;谔烊粴忾_(kāi)發(fā)的作業(yè)鏈,二氧化碳排放主要來(lái)源于采氣環(huán)節(jié)的水套爐裝置、電伴熱裝置、提升泵、加注泵、轉(zhuǎn)水泵以及集輸氣環(huán)節(jié)的增壓機(jī)組、脫水裝置、空壓機(jī)、長(zhǎng)明火等。從排放源的角度梳理可知,天然氣開(kāi)發(fā)作業(yè)環(huán)節(jié)的二氧化碳排放源可歸為燃料燃燒、火炬燃燒、電力隱含等三類(lèi)二氧化碳排放。
天然氣處理作業(yè)包括使天然氣符合商品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)或管道輸送要求而采用的工藝過(guò)程,包括脫水、脫除酸性氣體(也稱脫硫脫碳,即脫除天然氣中的酸性組分如H2S、CO2和有機(jī)硫化物等)、脫凝液(含天然氣凝液回收)和脫除固體顆粒等雜質(zhì),以及硫黃回收和尾氣處理等作業(yè)?;谔烊粴馓幚淼淖鳂I(yè)鏈,二氧化碳排放主要來(lái)源于脫硫裝置中的加熱裝置、泵類(lèi)運(yùn)行系統(tǒng)、尾氣處理,脫水裝置以及長(zhǎng)明火等。從排放源的角度梳理可知,天然氣處理作業(yè)環(huán)節(jié)的二氧化碳排放源可歸為燃料燃燒、火炬燃燒、工藝放空、電力隱含等四類(lèi)二氧化碳排放。
天然氣輸送作業(yè)包括凈化處理之后的天然氣到用戶之間的輸送作業(yè)。輸送環(huán)節(jié)二氧化碳排放主要來(lái)源于計(jì)量站、增壓站、配氣站的耗能設(shè)備以及應(yīng)急火炬系統(tǒng)。從排放源的角度梳理可知,天然氣輸送環(huán)節(jié)的二氧化碳排放源可歸為燃料燃燒、火炬燃燒、工藝放空、電力隱含等四類(lèi)二氧化碳排放。
天然氣生產(chǎn)企業(yè)碳排放核算的工作流程主要包括五步:第一步確定核算邊界,識(shí)別碳排放源;第二步依據(jù)監(jiān)測(cè)資料,梳理活動(dòng)數(shù)據(jù)(導(dǎo)致碳排放的生產(chǎn)或消費(fèi)活動(dòng)量的表征,例如各種化石燃料的消耗量);第三步根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或?qū)崪y(cè)資料,確定排放因子數(shù)據(jù)(表征單位生產(chǎn)或消費(fèi)活動(dòng)量的碳排放系數(shù),例如每單位化石燃料消耗所對(duì)應(yīng)的二氧化碳排放量);第四步分別計(jì)算化石燃料燃燒產(chǎn)生的碳排放量、火炬系統(tǒng)燃燒產(chǎn)生的碳排放量、工藝放空碳排放量及購(gòu)入電力消耗隱含的碳排放量;第五步匯總計(jì)算企業(yè)二氧化碳排放量,同時(shí)結(jié)合天然氣產(chǎn)量,可計(jì)算企業(yè)二氧化碳排放強(qiáng)度。
天然氣生產(chǎn)企業(yè)的二氧化碳排放量等于核算邊界內(nèi)各個(gè)業(yè)務(wù)作業(yè)環(huán)節(jié)的化石燃料燃燒碳排放量、火炬系統(tǒng)燃燒產(chǎn)生的碳排放量、工藝放空碳排放量及購(gòu)入電力消耗隱含的碳排放量之和,按公式(1)計(jì)算:
式中,E為天然氣生產(chǎn)企業(yè)的二氧化碳排放總量,tCO2;E燃料燃燒,S為天然氣生產(chǎn)業(yè)務(wù)S下化石燃料燃燒二氧化碳排放量,tCO2;E火炬系統(tǒng),S為天然氣生產(chǎn)業(yè)務(wù)S下火炬系統(tǒng)二氧化碳排放量,tCO2;E工藝放空,S為天然氣生產(chǎn)業(yè)務(wù)S下工藝放空二氧化碳排放量,tCO2;E電力隱含,S為天然氣生產(chǎn)業(yè)務(wù)S下購(gòu)入電力消耗隱含的二氧化碳排放量,tCO2。
2.1.1 化石燃料燃燒排放
不同業(yè)務(wù)活動(dòng)化石燃料燃燒的二氧化碳排放量主要基于相應(yīng)業(yè)務(wù)作業(yè)下各個(gè)燃燒設(shè)施,不同化石燃料消耗量及其碳排放因子進(jìn)行測(cè)算,即化石燃料燃燒碳排放量等于化石燃料消耗量乘以其排放因子,按公式(2)計(jì)算:
式中,ADi為化石燃料的消耗量,104Nm3;EFi為化石燃料i的排放因子,tCO2/104Nm3;CCi為化石燃料i的含碳率,tCO2/104Nm3;OFi為化石燃料i的碳氧化率;n為化石燃料種數(shù)。
2.1.2 火炬系統(tǒng)燃燒排放
天然氣生產(chǎn)企業(yè)火炬系統(tǒng)燃燒的二氧化碳排放通常分為正常工況下的火炬氣燃燒排放(例如長(zhǎng)明火炬系統(tǒng)碳排放)以及由于事故導(dǎo)致的火炬氣燃燒排放,兩種工況產(chǎn)生的二氧化碳排放量之和即為火炬系統(tǒng)燃燒碳排放量,按公式(3)計(jì)算:
式中,E正?;鹁?,S為天然氣生產(chǎn)業(yè)務(wù)S正常工況下火炬氣燃燒碳排放量,tCO2;E事故火炬,S為天然氣生產(chǎn)業(yè)務(wù)S由于事故導(dǎo)致的火炬氣燃燒碳排放量,tCO2。
式中,Q正?;鹁妫琲為正常工況下第i支火炬系統(tǒng)的氣體流量,104Nm3;CC非CO2,i為第i支火炬系統(tǒng)中非二氧化碳含碳化合物的總含碳量,tCO2/104Nm3;OFi為第i支火炬系統(tǒng)中的碳氧化率,%;VCO2,i為第i支火炬系統(tǒng)中的二氧化碳體積濃度,%;m為火炬系統(tǒng)數(shù)。
式中,GF事故,j為第j次事故時(shí)的平均火炬氣流速度,104Nm3/h;T事故,j為第j次事故持續(xù)時(shí)間,h;CC非CO2,j為第j次事故火炬氣流中非二氧化碳?xì)怏w含碳量,tCO2/104Nm3;OFj為第j次事故火炬氣流的碳氧化率,%;VCO2,j為第j次事故火炬氣流中的二氧化碳體積濃度,%;p為核算期內(nèi)的突發(fā)事故次數(shù)。
事故火炬的持續(xù)時(shí)間T事故,j及平均氣流速度GF事故,j應(yīng)按照事故調(diào)查報(bào)告取值。如果數(shù)據(jù)難以獲取,可取火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量最大值作為事故發(fā)生期間火炬系統(tǒng)的平均氣流速度。對(duì)于火炬氣中二氧化碳濃度,如果有火炬氣體成分分析,可直接采用分析結(jié)果,如果無(wú)氣體成分分析,可追溯發(fā)生事故的設(shè)施或井口,根據(jù)產(chǎn)氣井或事故發(fā)生期前或事故后一個(gè)月時(shí)間尺度內(nèi)的氣體中二氧化碳的平均濃度確定。
2.1.3 工藝放空排放
天然氣生產(chǎn)企業(yè)工藝放空的二氧化碳排放大致分為天然氣處理作業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳排放與輸送過(guò)程中事故導(dǎo)致放空作業(yè)中的二氧化碳排放,兩種情景產(chǎn)生的二氧化碳排放量之和即為工藝放空碳排放量,按公式(6)計(jì)算。隨著零散氣回收技術(shù)的發(fā)展,放空量的減少,輸送事故導(dǎo)致二氧化碳的排放越來(lái)越少,工藝放空排放以天然氣處理過(guò)程中的碳排放為主。
式中,E處理作業(yè)放空為天然氣處理作業(yè)產(chǎn)生的碳排放量,tCO2;E輸送事故放空為輸送過(guò)程中事故導(dǎo)致放空作業(yè)產(chǎn)生的碳排放量,tCO2。
天然氣處理作業(yè)放空的二氧化碳主要來(lái)自處理過(guò)程中酸氣脫除(包括胺、膜和分子篩等工藝)、二氧化碳脫除等工藝,其二氧化碳排放量可根據(jù)酸性氣體處理前和處理后,進(jìn)口、出口氣體流量及氣體中二氧化碳體積濃度,按公式(7)計(jì)算:
式中,Qin,i為進(jìn)入第i套酸氣脫除設(shè)備的氣體體積,104Nm3;VCO2,in,i為進(jìn)入第i套酸氣脫除設(shè)備的二氧化碳體積濃度,%;Qout,i為經(jīng)過(guò)第i套酸氣脫除設(shè)備處理后的氣體體積,104Nm3;VCO2,out,i為經(jīng)過(guò)第i套酸氣脫除設(shè)備處理后的二氧化碳體積濃度,%;k為酸氣脫除和二氧化碳脫除的設(shè)備序號(hào)。
天然氣輸送過(guò)程中事故導(dǎo)致放空作業(yè)產(chǎn)生的碳排放,主要依據(jù)事故放空氣量與二氧化碳體積濃度,按公式(8)計(jì)算:
式中,GF輸送事故,i為第i次輸送事故時(shí)的平均放空氣流速度,104Nm3/h;T輸送事故,i為第i次輸送事故持續(xù)時(shí)間,h;VCO2,i為第i次輸送事故放空氣中的二氧化碳體積濃度,%;p為核算期內(nèi)的輸送事故次數(shù)。
2.1.4 電力消耗隱含排放
天然氣生產(chǎn)企業(yè)凈購(gòu)入電力消費(fèi)引起的二氧化碳排放,主要依據(jù)企業(yè)電力消耗量與所在區(qū)域電網(wǎng)年平均供電排放因子,按公式(9)計(jì)算:
式中,AD電力,S為天然氣生產(chǎn)業(yè)務(wù)S核算期內(nèi)凈購(gòu)入電力消耗量,MWh;EF電力,S為天然氣生產(chǎn)業(yè)務(wù)S所在區(qū)域電網(wǎng)年平均供電排放因子,tCO2/MWh。
天然氣生產(chǎn)企業(yè)碳排放預(yù)測(cè)基于碳排放核算體系,預(yù)測(cè)的工作流程主要包括六步:第一步確定預(yù)測(cè)的生產(chǎn)作業(yè)邊界和時(shí)間范圍。第二步梳理企業(yè)近幾年產(chǎn)量、能耗和碳排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù),總結(jié)能耗和碳排放規(guī)律,確定能耗和碳排放的基準(zhǔn)數(shù)值。針對(duì)業(yè)務(wù)涵蓋不同類(lèi)型氣藏開(kāi)發(fā)的企業(yè),需要分類(lèi)梳理產(chǎn)量、能耗和碳排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。第三步在確定的預(yù)測(cè)邊界和時(shí)間范圍內(nèi),根據(jù)企業(yè)的發(fā)展規(guī)劃,梳理勘探、開(kāi)發(fā)、處理和輸送各業(yè)務(wù)的工作量和產(chǎn)量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),同時(shí)確定相關(guān)基礎(chǔ)參數(shù)。第四步依據(jù)能耗基準(zhǔn)數(shù)值,結(jié)合產(chǎn)量和工作部署,預(yù)測(cè)化石燃料燃燒碳排放和電力消耗隱含碳排放;依據(jù)碳排放基準(zhǔn)數(shù)值,結(jié)合天然氣處理量和工作部署,預(yù)測(cè)工藝放空和火炬系統(tǒng)碳排放量。第五步依據(jù)碳排放源預(yù)測(cè)結(jié)果,匯總預(yù)測(cè)企業(yè)二氧化碳排放量。第六步將預(yù)測(cè)結(jié)果與碳排放基準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析,確定引起碳排放變化的原因,為提出針對(duì)性的降碳措施奠定基礎(chǔ)。
四川盆地天然氣勘探開(kāi)發(fā)歷史悠久,氣藏類(lèi)型豐富多樣?;诮⒌奶烊粴馍a(chǎn)企業(yè)碳排放核算與預(yù)測(cè)方法,選取典型的頁(yè)巖氣、常規(guī)氣和高含硫氣藏開(kāi)發(fā)(表1)作為實(shí)例研究對(duì)象,核算天然氣開(kāi)發(fā)企業(yè)的碳排放量和碳排放強(qiáng)度,弄清不同類(lèi)型氣藏碳排放結(jié)構(gòu);預(yù)測(cè)天然氣開(kāi)發(fā)企業(yè)的碳排放趨勢(shì)。
表1 四川盆地不同類(lèi)型氣藏氣體組分表
根據(jù)建立的天然氣生產(chǎn)企業(yè)碳排放核算步驟與方法,在當(dāng)前基礎(chǔ)參數(shù)取值(表2)情況下,結(jié)合選取的頁(yè)巖氣、常規(guī)氣和高含硫氣藏2021 年開(kāi)發(fā)實(shí)際情況,計(jì)算可得不同類(lèi)型氣藏開(kāi)發(fā)企業(yè)的碳排放總量、碳排放強(qiáng)度和碳排放結(jié)構(gòu),分別如圖2、圖3所示。
表2 天然氣生產(chǎn)企業(yè)碳排放核算基礎(chǔ)參數(shù)取值表
圖2 不同類(lèi)型氣藏開(kāi)發(fā)企業(yè)2021年的碳排放總量與碳排放強(qiáng)度圖
圖3 不同類(lèi)型氣藏開(kāi)發(fā)企業(yè)2021年的碳排放來(lái)源結(jié)構(gòu)圖
由不同類(lèi)型氣藏開(kāi)發(fā)企業(yè)2021 年的碳排放總量和碳排放強(qiáng)度核算結(jié)果可知,不同類(lèi)型氣藏開(kāi)發(fā)企業(yè)的碳排放強(qiáng)度(生產(chǎn)單位油當(dāng)量的碳排放量)存在巨大差異,選取的典型實(shí)例中,高含硫氣藏開(kāi)發(fā)企業(yè)的碳排放強(qiáng)度約為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)企業(yè)的20 倍。從不同類(lèi)型氣藏開(kāi)發(fā)企業(yè)的碳排放來(lái)源結(jié)構(gòu)可知,頁(yè)巖氣生產(chǎn)的碳排放來(lái)源以電力隱含排放和燃料燃燒排放為主,不含工藝尾氣排放;常規(guī)氣生產(chǎn)碳排放以燃料燃燒排放和工藝尾氣排放為主;高含硫氣藏生產(chǎn)的碳排放以工藝尾氣排放和燃料燃燒排放為主。
引起不同類(lèi)型氣藏開(kāi)發(fā)企業(yè)碳排放差異的主要原因是,不同氣藏氣體組分和資源品位等的差異造成工藝路線不同,從而使得碳排放來(lái)源和碳排放強(qiáng)度存在差異。針對(duì)頁(yè)巖氣而言,由于不含凈化環(huán)節(jié),減少了工藝尾氣排放。針對(duì)四川盆地常規(guī)氣和高含硫氣藏開(kāi)發(fā)企業(yè)而言,天然氣處理環(huán)節(jié)碳排放量大,占比高。
根據(jù)建立的天然氣生產(chǎn)企業(yè)碳排放預(yù)測(cè)步驟與方法,在選取的頁(yè)巖氣、常規(guī)氣和高含硫氣藏開(kāi)發(fā)企業(yè)2021 年碳排放核算的基礎(chǔ)之上,結(jié)合企業(yè)的中長(zhǎng)期規(guī)劃,可預(yù)測(cè)不同類(lèi)型氣藏開(kāi)發(fā)企業(yè)的碳排放量。頁(yè)巖氣和高含硫氣藏開(kāi)發(fā)企業(yè)碳排放預(yù)測(cè)結(jié)果如圖4所示。從不同類(lèi)型氣藏開(kāi)發(fā)企業(yè)碳排放量預(yù)測(cè)結(jié)果可知,隨著天然氣產(chǎn)量的增長(zhǎng),在不采取大的減碳措施情況下,企業(yè)的碳排放量將隨著天然氣產(chǎn)量的增長(zhǎng)呈剛性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。
圖4 不同類(lèi)型氣藏開(kāi)發(fā)企業(yè)碳排放量預(yù)測(cè)圖
1)根據(jù)天然氣生產(chǎn)企業(yè)的勘探、開(kāi)發(fā)、處理和輸送作業(yè)鏈,梳理出化石燃料燃燒排放、火炬系統(tǒng)燃燒排放、工藝放空排放和電力消耗隱含排放四大碳排放源,以此為基礎(chǔ)建立的碳排放核算與預(yù)測(cè)方法,適應(yīng)于天然氣生產(chǎn)企業(yè)和行業(yè)。
2)考慮到不同氣藏開(kāi)發(fā)的碳排放強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)存在較大的差異性,要保證天然氣生產(chǎn)碳排放核算和預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,同一企業(yè)或天然氣行業(yè)在進(jìn)行碳排放核算和預(yù)測(cè)時(shí),要進(jìn)行分類(lèi)核算和預(yù)測(cè)。同時(shí),要加強(qiáng)碳排放核算和預(yù)測(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和監(jiān)測(cè),確?;A(chǔ)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
3)在能耗雙控向碳排放雙控轉(zhuǎn)換的大趨勢(shì)下,為促進(jìn)油氣行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展,在建立碳排放雙控指標(biāo)時(shí),應(yīng)以碳排放強(qiáng)度指標(biāo)為核心,以碳排放總量指標(biāo)為輔,同時(shí)應(yīng)針對(duì)不同類(lèi)型的氣藏,建立不同的碳排放強(qiáng)度動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。
4)天然氣生產(chǎn)企業(yè)既是甲烷的主要生產(chǎn)供應(yīng)者,也是甲烷排放者,考慮到甲烷同為溫室氣體,且在全球大氣變暖潛勢(shì)方面潛力巨大,為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo),天然氣生產(chǎn)企業(yè)在關(guān)注二氧化碳減排的同時(shí),應(yīng)加強(qiáng)對(duì)甲烷減排的關(guān)注并采取相應(yīng)的控排措施。