Регулярное сжигание на факеле , также известное как факельное сжигание на производстве , представляет собой метод и текущую практику утилизации больших нежелательных объемов попутного нефтяного газа (ПНГ) во время добычи сырой нефти . Газ сначала отделяется от жидкостей и твердых частиц ниже по течению от устья скважины , затем выпускается в факельную трубу и сжигается в атмосфере Земли (обычно в открытом диффузионном пламени ). Там, где это выполняется, нежелательный газ (в основном природный газ, в котором преобладает метан ) считается нерентабельным и может называться застрявшим газом , факельным газом или просто « отходным газом». Регулярное сжигание на факеле не следует путать с факельным сжиганием в целях безопасности, факельным сжиганием в целях технического обслуживания или другими методами сжигания, характеризующимися более короткой продолжительностью или меньшими объемами утилизации газа. [1] : 1 [2]
По оценкам, в 2018 году во всем мире было сожжено более 145 миллиардов кубических метров (5 триллионов кубических футов) природного газа. [3] Большая часть этого была регулярно сжигаемым ПНГ на тысячах скважин, и это количество отходов, равное потреблению природного газа в Южной и Центральной Америке. Крупнейшими семью практикующими странами с 2014 года являются Россия , Ирак , Иран , США , Алжир , Венесуэла и Нигерия . [4] Наибольшая активность наблюдается в отдаленных регионах России, а политический конфликт повышает уровни в других странах. США внесли почти 10% от общемирового показателя 2018 года. [5]
Регулярное сжигание газа в факелах, наряду с преднамеренным выбросом газа и непреднамеренными неконтролируемыми выбросами газа , имеет глубокие негативные последствия. Растрата первичного ресурса не обеспечивает никаких текущих экономических или будущих выгод для благосостояния , создавая при этом обязательства за счет накопления парниковых газов и других вредных загрязняющих веществ в биосфере . [6] [7] Поскольку большинство прогнозов показывают рост использования нефти и газа в обозримом будущем, в 2002 году Всемирный банк запустил международное Глобальное партнерство по сокращению сжигания газа в факелах (GGFRP); государственно-частное партнерство с целью отказа от расточительной практики. [8] В 2015 году он также запустил Инициативу «Ноль регулярных сжиганий газа к 2030 году», одобренную 32 странами, 37 компаниями и 15 банковскими учреждениями к концу 2019 года. [9] Одобрителями в США выступили федеральное правительство США, штат Калифорния и Всемирный банк. Глобальные данные за период с 1996 по 2018 год показывают, что объемы сжигаемого газа сократились на 10%, а добыча нефти выросла на 40% [10] .
Рутинное сжигание и выброс ПНГ практикуется с тех пор, как первые нефтяные скважины были коммерциализированы в конце 1850-х годов. Хотя жидкие и газообразные углеводороды имеют схожую плотность энергии по массе , в 1000 раз большее содержание энергии по объему жидкого топлива делает хранение и транспортировку более экономичными. [11] Широко распространенные средства преодоления этого относительного недостатка нефтяного газа были реализованы только в течение последних нескольких десятилетий. Например, трансконтинентальные газопроводы , связанные с региональными сетями сбора и распределения , в настоящее время распространены по всему миру. [12] Системы улавливания факельного газа (FGRS) для переработки ПНГ в жидкое или сжатое топливо на площадке скважины также стали все более мобильными и разнообразными по своим возможностям. [1] : 50
Процессы принятия решений, ведущие к расточительству ПНГ в настоящее время, во многом зависят от региональных обстоятельств. Как правило, краткосрочные финансовые и риск-управленческие цели лиц, принимающих решения, будут определять результат. Некоторые формы разрешений или иного регулирования факельной и вентиляционной деятельности существуют в большинстве юрисдикций , но детали сильно различаются. [1] : 20 [13] : 7 Факторы, которые могут увеличить расточительство, включают (неполный список):
В 2018 году во всем мире было сожжено 100 миллионов тонн (145 миллиардов кубических метров) попутного газа, что составляет около 3-4% всего газа, добываемого как из нефтяных, так и из газовых скважин. [18] Отходы дали около 350 миллионов тонн выбросов парниковых газов в эквиваленте CO2 , или около 1% из 33 миллиардов тонн диоксида углерода (CO2 ) , выделяемых при сжигании всех видов ископаемого топлива. [19] Накопление этих газов существенно нарушает планетарный углеродный цикл , и в настоящее время предпринимаются более широкие международные усилия по оценке масштабов ущерба и количественной оценке накапливающихся экономических издержек. [20]
Расходы на устранение сжигания газа в факелах лучше понятны и сильно различаются в зависимости от случая. Всемирный банк оценивает общую стоимость смягчения в 100 миллиардов долларов США. [18] Если бы он был выведен на рынок природного газа в развитой экономике, такой как в Соединенных Штатах, сжигаемый газ мог бы обеспечить около 17% от 30 триллионов кубических футов потребления США, [21] и потенциально мог бы быть оценен почти в 20 миллиардов долларов США. [18] В менее развитых странах выгоды могли бы иметь дальнейший эффект. Например, он мог бы обеспечить все текущее потребление по всей Южной и Центральной Америке. Если бы он использовался для выработки 750 миллиардов кВт-ч электроэнергии, он мог бы обеспечить все потребности африканского континента. [18]
Хотя сжигание в факелах является расточительным и производит вредные побочные продукты, как и другие виды сжигания ископаемого топлива, в краткосрочной перспективе оно менее разрушительно, чем выброс попутного газа, который в основном состоит из метана. Накопление атмосферного метана ответственно за около 25% изменений в воздействии на климат , несмотря на его почти в 100 раз меньшее содержание по сравнению с CO2 . [ 22] По данным Международного энергетического агентства , по крайней мере [23] [24] 75 миллионов тонн метана было выброшено нефтегазовой промышленностью посредством выброса в атмосферу и неорганизованных выбросов, и, по оценкам, 4 миллиона тонн было выброшено из-за неэффективности сжигания в факелах. [25] Использование ископаемого топлива людьми ответственно за около 20% всех выбросов метана , [26] а выбросы нефтегазовой промышленности ответственны за около 25% всех антропогенных источников. [22] Эти источники также нуждаются в более обширных усилиях по отслеживанию и смягчению последствий, поскольку, как прогнозируется, природный газ продолжит оставаться наиболее быстрорастущим источником первичной энергии в мире. [27]
Подобно сырой нефти, ПНГ является основным источником энергии как для газообразного топлива, так и для жидкого топлива , которые имеют высокую внутреннюю ценность в современной мировой экономике . [28] После извлечения ПНГ оставшимися логистическими барьерами для потребления являются экономически эффективная переработка и доставка на потребительские рынки . Альтернативы сжиганию и выбросу, предпочитаемые нефтяными компаниями, включают те, которые устраняют эти барьеры для попутного газа, не препятствуя производству более ценной нефти. [1] : 55
Глобальные данные за 2012 год показывают, что 15% всего попутного газа сжигалось или выбрасывалось в атмосферу, а 85% было использовано или сохранено для получения следующих экономических выгод: [18]
В следующем списке приведены другие существующие коммерчески выгодные альтернативы обычному сжиганию и выбросу в атмосферу, которые можно осуществлять на месте или поблизости:
В отчете Министерства энергетики США за 2019 год говорится, что вероятной причиной, по которой нефтяные компании могут не спешить внедрять существующие или передовые технологии FGRS, является то, что «законное, регулируемое сжигание в факелах является наименее рискованным вариантом и не требует изучения того, как применять новые технологии, или изменения существующих контрактов и методов эксплуатации». [1] : 55
«Майнеры» криптовалюты недавно определили факельный газ как потенциальный недорогой источник для своих энергоемких вычислений. Между этими двумя необычайно разными майнерами возник ряд партнерств с дальнейшей целью минимизировать каждый из их существенных углеродных следов . [30] [31]
Газовые факелы, использующие диффузионное пламя, в первую очередь зависят от тщательного смешивания воздуха и газа по всему выбрасываемому газовому потоку для максимизации сгорания. Скорость и падение давления газа при выходе из наконечника факельной трубы должны поддерживаться в оптимальных диапазонах для обеспечения адекватной турбулентной диффузии . Сохранение этих диапазонов является ключевыми целями процесса инженерного проектирования и сопутствующей стратегии управления . Значительные количества влаги, азота, углекислого газа или других неуглеводородных веществ, сопровождающих ПНГ, могут мешать горению. С другой стороны, правильно спроектированные и контролируемые впрыски горячего воздуха и пара могут улучшить горение и эффективность. [32] [33]
APG состоит в основном из метана вместе с меньшим количеством этана , пропана , бутана и других алканов . Когда факел работает эффективно , побочные продукты сгорания включают в себя в основном воду и углекислый газ, а также небольшое количество оксида углерода и оксидов азота (NoX). Таким образом, такие факелы демонстрируют высокую эффективность преобразования , в среднем улетучивается всего около 2% APG. Когда факел работает неэффективно, могут улетучиваться более существенные количества APG, иногда до 40%. [18] Также могут образовываться летучие органические соединения (ЛОС), токсичные соединения и другие вредные загрязнители. ЛОС и NoX могут действовать, производя приземный озон на уровнях, которые превышают стандарты качества воздуха . Наличие дыма указывает на плохо работающую факел, [29] : 534–537 и образующийся в результате короткоживущий черный углерод может ускорить таяние снега и льда. [34] [35]
Большинство других загрязняющих веществ в потоке ПНГ встречаются в следовых количествах . Они могут включать токсичные элементы, такие как ртуть и радон , которые встречаются в природе. Усилия по повышению нефтеотдачи, такие как гидравлический разрыв пласта, могут привнести другие. Распространенный природный загрязнитель сероводород позволяет создавать диоксид серы и серную кислоту в газовых факелах. [36] При повышенных концентрациях он может вызывать коррозию и другие проблемы с качеством воздуха , а также приводить к таким характеристикам, как « кислый газ » и «кислотный факел». С практической точки зрения, газовые потоки с более высоким уровнем загрязнения серой, скорее всего, будут сжигаться на факелах — где это разрешено — чем использоваться из-за их более низкой экономической ценности. [17]
.jpg/1280px-NASA's_Aqua_Satellite_Celebrates_10th_Annivesary_(7142186923).jpg)
Доступные мировые данные об объемах сжигания газа в факелах были крайне неопределенными и ненадежными примерно до 1995 года. После формирования GGFR в 2002 году участвующие исследователи из NOAA и академических институтов использовали спутниковые наблюдения для упрощения сбора данных и повышения точности измерений. [37] Несмотря на научные и технологические достижения, объемы, сообщаемые участниками отрасли и используемые регулирующими органами, по-прежнему иногда неточны. [38] [39] Количественная оценка и локализация выбросов метана из неправильно эксплуатируемых факелов, преднамеренной деятельности по сбросу газа и других утечек метана из оборудования также является приоритетом для партнерства GGFR, Глобальной инициативы по метану и других групп, которые охватывают как экономическую, так и экологическую сферу. [40]
Поскольку большинство факелов работают как открытое пламя, объемы можно вывести во время аэрофотосъемки, измеряя количество испускаемого света. Первый набор глобальных данных, охватывающий период с 1995 года, был получен в 2006 году с использованием Программы спутниковой метеорологии обороны (DMSP) и данных Google Earth . [37] Примерно после 2010 года точность отдельных измерений была дополнительно улучшена до более чем +/- 10% с использованием данных с инструментов VIIRS на спутниках NOAA-20 и Suomi NPP , а также инструментов MODIS на спутниках Aqua и Terra Обсерватории Земли НАСА . [41] [42] Анализ данных продолжает совершенствоваться с учетом вкладов других академических и специализированных групп. [43] [44] Карты глобальной активности теперь автоматически генерируются с использованием передовых методов, таких как машинное обучение , а выведенные объемы корректируются с учетом возмущений, таких как прерывистый облачный покров.
Дополнительные спутники и приборы уже введены в эксплуатацию и будут продолжать вводиться в эксплуатацию с возможностью измерения метана и других более мощных парниковых газов с улучшением разрешения. [40] [45] Прибор Tropomi [46], запущенный в 2017 году Европейским космическим агентством, может измерять концентрацию метана, диоксида серы, диоксида азота, оксида углерода, аэрозоля и озона в тропосфере Земли с разрешением в несколько километров. [47] [48] [49] Спутник CLAIRE, запущенный в 2016 году канадской фирмой GHGSat, может определять диоксид углерода и метан на расстоянии до 50 метров (160 футов), что позволяет его клиентам точно определять источник выбросов. [40]
Портативные приборы от таких поставщиков, как FLIR Systems [50] и Picarro [51], также способны обнаруживать иначе невидимые утечки и выбросы от неправильно работающих факелов. Они несколько менее практичны для мониторинга концентраций метана и других ЛОС в течение длительных периодов, но могут позволить специалистам по ремонту в отрасли, должностным лицам регулирующих органов и другим исследователям находить и документировать источники выбросов в режиме реального времени. [52]
Исследователи из Фонда защиты окружающей среды подробно картировали выбросы метана от нефтегазовых операций в Пермском бассейне США за период с 2019 по 2020 год. Их результаты показывают выбросы, по крайней мере, в три раза превышающие те, о которых сообщают операторы, и некоторую степень неисправности более 10% факелов. [53] [54] Было обнаружено, что около половины неисправных факельных стволов не горят и выпускают газы без какой-либо очистки. [55]
Организация Объединенных Наций [9] , Международное энергетическое агентство [56] и Всемирный банк признают рутинные усилия по сокращению сжигания в факелах как легко достижимые результаты с учетом существенных экономических, экологических и человеческих выгод. Эффект особенно велик в развивающихся странах, где интенсивность сжигания в факелах (т. е. количество сжигаемого газа на единицу добытой нефти) часто выше, в основном из-за их менее развитой инфраструктуры и рынков природного газа. Некоторые из ключевых стран, нацеленных на сокращение, включают Индонезию, Ирак, Казахстан, Мексику, Нигерию, Катар и Ханты-Мансийский автономный округ - Югра в России. [37]
С 1996 по 2018 год было достигнуто 10%-ное сокращение мирового объема сжигания (измеряется в кубических метрах - м 3 ), в то время как мировая добыча нефти выросла на 40% (правый рисунок). [10] Это сопровождалось 35%-ным сокращением глобальной интенсивности сжигания (измеряется в кубических метрах на баррель добытой нефти - м 3 /баррель). [57] Это было обусловлено, в частности, более ранними усилиями по сокращению в странах-партнерах GGFR, таких как Россия и Нигерия. [37] По состоянию на 2018 год Канада, Бразилия и несколько стран Ближнего Востока сжигали с интенсивностью ниже 1 м 3 /баррель по сравнению со средним мировым показателем 4,1 м 3 /баррель. Несколько африканских стран продолжают сжигать с интенсивностью более 10 м 3 /баррель, включая Камерун с более чем 40 м 3 /баррель. [58]
Всего четыре страны отвечают за почти 50% всего сжигаемого газа: Россия, Ирак, Иран и США. [59] Их интенсивность сжигания составляет от 3 до 10 м3 / баррель и существенно не улучшилась за последние несколько лет. [60] Каждая страна имеет обширную инфраструктуру и доступ к передовым технологиям, но также сложную деловую и политическую культуру, которая может быть более устойчивой к изменениям.
Согласно данным Управления энергетической информации США , в США зафиксировано снижение сжигания и выброса газа в атмосферу в течение десятилетий после Второй мировой войны . [5] Ближе к концу XX века этот показатель достиг минимума, составляющего около 1,5% от общего объема добычи ПНГ и 0,5% от общего объема добычи газа из нефтяных и газовых скважин.
Однако примерно с 2005 года активность сжигания попутного газа снова возросла, как показано на прилагаемых диаграммах. 32 штата принимают и регулируют сжигание и/или выброс попутного газа. [61] Наибольшие изменения объемов примерно с 1990 года произошли в Пермском бассейне на западе Техаса и Нью-Мексико, формации Баккен в Северной Дакоте и группе Игл-Форд на юго-востоке Техаса. [62]
Сжигание газа в факелах в Соединенных Штатах увеличилось как по объему, так и по проценту. В 2018 году сжигание газа в факелах достигло почти 50-летнего максимума, когда было сожжено 500 миллиардов кубических футов газа, что составляет 10% сжигаемого ПНГ. Сообщения об отрицательных ценах производителей на природный газ и о дальнейшем удвоении активности в Пермском бассейне привели к дальнейшему росту этой разрушительной практики в 2019 году в Соединенных Штатах. [16] [63] В 2018–2019 годах количество газа, ежедневно теряемого в Пермском бассейне, было способно удовлетворить потребности населения всего штата Техас. [64] [65] В настоящее время ведется строительство пяти новых магистральных газопроводов из региона, первый из которых будет введен в эксплуатацию в третьем квартале 2019 года, [66] а остальные планируется ввести в эксплуатацию в течение 2020–2022 годов. [1] : 23
Ослабление федеральных правил США, начавшееся в 2017 году, привело к дальнейшему увеличению отходов ПНГ как с государственных, так и с частных земель. [1] : 17–19 Они обобщены в отчете Министерства энергетики США за июнь 2019 года , в котором определены наиболее существенные изменения: [1] : 17
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )