Введение 4
Глава 1. Проблема оценки эмиссии метана природными и антропогенными источниками 7
1.1. Существующие подходы оценки эмиссии СН4 природными и антропогенными источниками 7
1.2. Спутниковые данные в проблеме восстановления пространственного
распределения источников метана 10
1.3. Спектрорадиометр ТНОРОМ1 и радиометр УПИЭ 11
Глава 2. Оценка эмиссии метана факельными установками Западной Сибири 20
2.1. Характеристики факельных установок по данным спутниковых наблюдений 20
2.2. Инвентаризация ФУ 21
2.3. Оценка эмиссии ФУ 27
Глава 3. Оценка эмиссии метана 30
3.1. Метод оценки эмиссии метана 30
3.2. Постановка эксперимента 33
3.3. Результаты 36
Заключение 38
Литература 39
Приложение А. Характеристики факельных установок Западной Сибири 44
Технологические процессы, связанные с подготовкой и добычей нефти, ее хранением и транспортировкой приводят к выделению в атмосферу попутного нефтяного газа (ПНГ). При отсутствии инфраструктуры по утилизации выходящего на поверхность Земли газа, 85% которого составляют метан, этан, пропан, бутан, некоторая часть ПНГ сжигается в факельных установках (ФУ) в местах расположения месторождения. Сброс газа в атмосферу и его сжигание происходят также на этапах переработки нефти и ее транспортировки.
По данным Национального управления океанических и атмосферных исследований США, полученным с использованием спутниковых наблюдений, в 2012 г. в мире функционировало 7467 ФУ в 88 странах мира [1]. В 2015 г. в этих странах установлено уже 13605 ФУ [2]. В 2012 г. 2399 установок находилось на территории США. В числе лидеров также Россия (1053), Канада (332), Нигерия (325) и Китай (309) [1].
Однако, по объему сжигаемого газа распределение другое: Россия, Ирак, Иран, Нигерия, Венесуэла, США [1]. По оценкам [1,2] в 2012-2015 гг. в ФУ ежегодно сжигалось около 140 миллиардов кубометров газа, что приводило к выбросу в атмосферу порядка 300 миллионов тонн СО2.
Следуют отметить, что при сжигании нефтяного газа в атмосферу поступают не только парниковые газы СО2 и метан, но и окись азота, сернистый ангидрид, сажа. Окись азота NO практически же сразу реагирует с кислородом воздуха, образуя аэрозолей.
В силу отсутствия регулярных и полных данных по расположению факельных установок и режиму их функционирования для оценки воздействия ФУ на биосферу Земли необходимо проведение мониторинга характеристик этих установок, а также системы «атмосфера - подстилающая поверхность» в зоне их расположения. Ключевой характеристикой этого мониторинга является объем сжигаемого попутного газа.
Целью данной работы является оценка эмиссия метана предприятиями нефтяной промышленности на территории Западной Сибири в 2019 г. по спутниковым данным.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
• инвентаризация факельных установок на территории Западной Сибири, установленных по данным спутниковых наблюдений в 2019 г.;
• оценка эмиссии метана при сжигании попутного нефтяного газа в ФУ региона;
• разработка модели и оценка эмиссии метана предприятиями нефтяной про-мышленности на территории Западной Сибири по данным спутниковых наблюдений.
Следует отметить, что в отличии от работ [3,4], в которых предлагались подходы восстановления характеристик факельных установок по данным каналов видимого диапазона спектрорадиометра MODIS, в данном исследовании технология поиска ФУ и оценка эмиссии метана в них базируется на данных каналов видимого и ближнего ИК-диапазона радиометра VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite) [5], проводящих мониторинг Земли в ночное время. Более того, как показано в [1,6,7], данные этой группы каналов VIIRS позволяют установить не только координаты высокотемпературных термальных аномалий, но и их характеристики — температуру и площадь. Именно эти параметры ФУ необходимы для установления интенсивности эмиссии метана при сжигании НПГ в них.
Информационной основой работы в задачах, связанных с мониторингом ФУ, являлся «сырой поток» данных радиометра VIIRS спутников SNPP и NOAA-20, принимаемый в режиме реального времени наземной станцией УниСкан-24 в Алтайском государственном университете, и создаваемые на его основе продукты уровня 1 и 2 (см., например, [8-10] и представленные там ссылки). Данные спектрорадиометра TROPOMI (TROPOspheric Monitoring Instrument) спутника Sentinel-5 Precurcor (Sentinel-5P) [11,12] Европейского космического агентства использовались при оценке эмиссии метана предприятиями нефтяной промышленности, расположенными на территории Западной Сибири.
Структура работы следующая. В первой главе обсуждаются существующие подходы оценки эмиссии метана природными и антропогенными источниками, роль спутниковых данных при восстановлении пространственного распределения источников газа. Представлены характеристики сенсоров, данные которых используются при решении задач работы.
Во второй главе представлена технология поиска и оценки эмиссии метана факельными установками Западной Сибири.
Третья глава работы посвящена обсуждению подхода к оценке эмиссии метана предприятиями нефтяной промышленности по данным спутниковых наблюдений и его реализации для территории Западной Сибири.
В заключении приведены основные результаты работы.
В Приложении представлены характеристики факельных установок Западной Сибири.
Главной целью работы является оценка эмиссия метана предприятиями нефтяной промышленности на территории Западной Сибири в 2019 г. по спутниковым данным.
В результате решения задач, направленных на достижение заявленной цели, получены следующие результаты.
• Проведена инвентаризация факельных установок на территории Западной Сибири, установленных по данным спутниковых наблюдений в 2019 г. Установлены компании-операторы этих установок.
• Реализована технология оценки эмиссии метана при сжигании попутного нефтяного газа в ФУ региона. Показано, что эмиссия метана ФУ Западной Сибири составляет 0.3 Тг/год.
• Разработана модель и проведена оценка эмиссии метана предприятиями нефтяной промышленности на территории Западной Сибири по данным спутниковых наблюдений. Установлено, что в результате деятельности предприятий нефтяной промышленности в 2019 г. в атмосферу региона поступило порядка 3.1 Тг метана.
Автор выражает благодарность д.ф.-м.н., проф. А. А. Лагутину за постановку задачи, научное руководство и обсуждение представленных в работе результатов, а также к.ф.-м.н., доц. Е. Ю. Мордвину и коллективу лаборатории космического мониторинга и вычислительных технологий АлтГУ — за предоставление данных по характеристикам факельных установок на территории Западной Сибири.
