高分辨率全美天然气组分图谱揭示甲烷泄漏影响被严重低估

《Nature Communications》：High-resolution national mapping of natural gas composition substantially updates methane leakage impacts

　　本研究针对天然气组分空间和时间变异性被忽视、导致甲烷泄漏率估算不准确的问题，开发了一种结合时空克里金插值和以油气产量为输入的非线性模型的新方法，生成了美国本土高分辨率天然气组分图谱。结果显示，传统方法低估了部分盆地的生产归一化甲烷损失率高达54%，并揭示了共排放气体的显著变异性。该研究为更准确的排放评估、针对性测量策略和排放管理决策提供了关键数据支持，更新了对天然气供应链环境与健康影响的认识。

　　

甲烷（CH₄）是一种强效温室气体，其百年尺度的全球变暖潜势（GWP）是二氧化碳（CO₂）的28-36倍。油气行业的甲烷排放对人为气候强迫有重要贡献，然而，在评估其环境影响时，一个长期被忽视的关键因素是天然气本身的组成。天然气除主要成分甲烷外，还含有大量的重烃（如乙烷C₂H₆、丙烷C₃H₈等）和非烃类气体（如CO₂、氮气N₂）。这些共排放物质不仅影响气候（例如重烃贡献辐射强迫和臭氧形成），也关乎空气质量与人体健康（例如非甲烷挥发性有机化合物NMVOCs的危害）。更重要的是，计算生产归一化甲烷损失率（ρ = m/(p×x)，其中m为排放的甲烷质量，p为计量的产气总质量，x为产气中甲烷质量分数）这一关键排放强度指标时，其值与甲烷摩尔分数x成反比。若x被高估，ρ则会被低估。

然而，现有研究大多假设固定的全国性甲烷分数（如90%）或使用盆地级别的单一代表值，忽视了天然气组分在空间上（从盆地内到全国范围）和时间上（随储层枯竭、操作变化等）存在的巨大变异性。文献报道的甲烷含量低至巴肯盆地（Bakken）的47%，高至费耶特维尔页岩（Fayetteville Shale）的97%，凸显了统一假设的局限性。虽有部分公开数据集（如美国地质调查局USGS数据库、美国环保署温室气体报告计划GHGRP数据）提供了天然气组分信息，但这些数据稀疏、碎片化且时空覆盖不一致，难以支撑全国尺度的精确绘图，导致当前的甲烷泄漏影响评估存在显著不确定性。

为了解决这一关键数据缺口，来自斯坦福大学、劳伦斯伯克利国家实验室等机构的研究团队在《Nature Communications》上发表了题为“High-resolution national mapping of natural gas composition substantially updates methane leakage impacts”的研究论文。研究人员开发了一种创新的方法，将时空克里金（Kriging）插值与利用油气生产数据作为输入的非线性模型（多层感知机MLP）相结合，对美国本土的产出天然气（指气液分离后即刻的天然气）组分进行了高分辨率绘图。

研究人员主要利用了三种数据源：美国地质调查局（USGS）提供的1918-2014年间17,661口天然气井的详细组分数据；美国环保署温室气体报告计划（GHGRP）中2015-2021年间上报的750个陆上生产设施和599个处理设施的甲烷与CO₂分数数据；以及来自Enverus DrillingInfo的井级油气生产数据。研究方法的核心是空间插值与生产数据驱动的非线性预测相结合。首先，对每个盆地内的USGS和GHGRP生产设施数据，分别进行时空克里金插值，以获得基于空间相关性的组分预测。同时，利用油气生产量计算气油比（GOR），并训练一个多层感知机（MLP）模型，利用这些生产数据预测组分（主要针对甲烷C1和乙烷C2）。随后，通过逆方差加权将克里金预测结果和神经网络预测结果融合，并对所有组分进行归一化处理，确保总和为100%。该方法还提供了局部不确定性估计和盆地级别的置信区间。研究生成了空间分辨率为2 km × 2 km，时间间隔为5年的全国天然气组分图谱，并进行了严格的训练/测试集交叉验证以评估模型性能。

2.1 可用的产出天然气组分数据

研究人员系统梳理并整合了USGS和GHGRP两大全国性公开数据集。USGS数据提供了更悠久的历史和更精细的井级组分信息（包括15种气体组分），但数据截止于2014年且时空分布不均。GHGRP数据则更新更及时（年度更新），报告更一致，但其生产设施数据是县级别内同一运营商所有井的聚合平均值，空间分辨率相对较低。两者形成互补。此外，井级的油气生产数据被用来与组分数据对齐，并作为非线性模型的输入变量。

2.2 产出天然气组分的时空预测

本研究提出的融合方法显著提升了预测精度。与标准方法相比，该方法将平均绝对误差（MAE）降低了39%（相对于最近邻法）和15%（相对于普通克里金法）。在数据稀疏区域，利用辅助变量（油气产量）带来的改进更为明显，对USGS的C1数据提升约25%。这表明结合生产数据能有效捕捉由地质和操作因素引起的组分变化。

2.3 美国国家产出天然气组分图谱

研究生成了2016-2021期间基于不同数据源的全国甲烷分数分布图。基于USGS数据的估计在样本稀少的区域表现出较高的不确定性，而基于GHGRP生产设施数据的估计则因数据密度更高、更近期而具有较低的标准差。GHGRP处理设施的数据则提供了天然气进入处理厂时的组分视角，与生产端的数据存在差异，反映了处理过程（如脱除重烃）对组分的影响。

2.4 盆地级别产出天然气组分估计

通过以产气量为权重的空间平均，研究人员计算了各盆地级别的甲烷和CO₂平均分数及其不确定性。结果显示，不同数据源（USGS, GHGRP生产设施, GHGRP处理设施）得出的盆地级别估计在统计上具有一致性，增强了结果的可信度。重要的是，几乎所有盆地的平均甲烷分数都低于先前研究常用的90%假设值。

2.5 综合的完整产出天然气组分估计

通过整合各数据集优势（甲烷和CO₂主要采用GHGRP生产设施数据，其他组分采用USGS数据，并进行归一化），研究人员提供了主要盆地和美国全国的平均产出天然气组分。全国平均来看，甲烷（C1）占80.42%（±7.36%），其他主要组分包括乙烷（C2, 8.58%）、丙烷（C3, 3.64%）、氮气（N₂, 3.25%）和二氧化碳（CO₂, 1.99%）。各盆地组分差异巨大，例如威利斯顿盆地（Williston）和圣华金盆地（San Joaquin）的甲烷含量低于60%，而阿克拉盆地（Arkla）则高于93%。

2.6 近期甲烷损失率估计的更新

本研究最关键的应用之一是更新了生产归一化甲烷损失率（ρ）。研究人员将Sherwin等人（2024）研究中的固定90%甲烷分数替换为本研究得出的盆地特异性甲烷质量分数（由摩尔分数经分子量转换而来）。结果表明，纳入盆地特异性组分后，推断的甲烷损失率发生显著变化。在二叠纪盆地（Permian），修订后的损失率比先前估计高出26% [23%, 28%]；在圣华金盆地（San Joaquin），调整导致损失率增加54% [40%, 67%]。这表明传统假设严重低估了多数盆地的甲烷泄漏影响。只有在实际甲烷含量高于90%的盆地（如阿克拉盆地），损失率估计才会被调低。

本研究成功填补了在评估天然气供应链环境、健康和经济影响时的一个关键数据空白。通过开发先进的时空插值方法，生成了美国首个高分辨率、数据驱动的全国天然气组分图谱，显著更新了对甲烷泄漏影响的认识。研究揭示，由于忽视了天然气组分的实际变异性，先前研究可能严重低估了主要油气盆地的生产归一化甲烷损失率，低估幅度在7%至54%之间。这不仅对准确量化甲烷排放至关重要，也凸显了共排放的非甲烷组分（如NMVOCs、CO₂、H₂S等）在气候和健康影响方面的变异性，这些组分在当前温室气体排放清单和报告框架中往往未被充分核算。

该研究提供的框架和数据集为更精确的排放清单、针对性的减排措施以及未来测量活动的优化设计（通过不确定性估计指导信息增益最大的区域）奠定了坚实基础。需要注意的是，本研究估计的是分离器出口处的产出天然气组分，而非排放点的气体组分。排放气体组成会因处理过程、设备泄漏以及液体闪蒸等因素而改变。因此，将产出气体组分与排放气体组分联系起来，是未来需要进一步研究的重要方向。总之，这项工作强调了在评估油气行业环境影响时，必须考虑天然气本身的化学复杂性，为推动更全面、更准确的排放评估和管理提供了科学依据。