【应用】孤儿油气井甲烷泄漏的精确量化

背景介绍

美国约有360万口废弃或孤儿油气井，甲烷（CH₄）年排放总量估计为0.23–2.6太克（Tg），其中10%以下的“超级排放源”可能贡献超过90%的总排放量。由于这些井多处于无业主监管、位置偏远、排放差异大，国家和州政府亟需一种高灵敏度、成本可控、可扩展性强的泄漏量化方法，以优先确定封堵对象并进行碳减排核算。 当前多数遥感平台（如卫星、航空）对于10 kg/h 以下的泄漏无探测能力，而传统方法如舱室法、涡动相关法则受限于成本、布设难度与空间分辨率。因此，现场地面传感器+无人机平台结合的新型观测系统正在成为突破点。来自洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）等单位的研究团队采用Aeris MIRA Pico 与 MIRA Ultra 中红外激光气体分析仪，构建了一个多平台、多距离、近地面与空中协同的观测与反演体系，重点解决以下问题：                
如何可靠地定量低于10 kg/h 的中等强度孤儿井排放？
如何在野外排除背景干扰并区分污染源？
如何构建适用于单传感器布设的大规模应用技术路径？

研究方法

1、实验地点与对象

本研究针对新墨西哥州Hobbs地区一口已识别的高排放孤儿井Foster 1S进行野外采样。该井历史上具有高压甲烷积聚，存在主泄漏（阀门放空）与次泄漏（套管微渗）两种排放路径。

2、地面布设与仪器部署

使用4套激光光谱仪，沿主风向部署于7.5m、15m、22.5m与47m位置，所有仪器采样频率为1 Hz，传感器高度约1.6 m，与烟羽高度一致。            
7.5 m：MIRA Ultra（测CH₄+C₂H₆+C₃H₈）+风速仪    
 15 m：MIRA Pico（CH₄+C₂H₆）+风速仪    
  22.5 m：Picarro G4302（CH₄）    
47 m：MIRA Pico（CH₄+C₂H₆）

3. 无人机穿越观测（UAS）

搭载MIRA Pico Methane-Ethane分析仪与Trisonica Mini风速仪（该平台在团队之前发表的文献中有详细的描述与介绍https://mp.weixin.qq.com/s/XbynsHsgD2_2P-fjpyPgqw），沿多个横截面（60–140 m）多高度反复穿越烟羽，获得横向浓度积分数据，并通过风速矢量转换为通量估算。

结 果

1、主泄漏量化（阀门放空）

 地面反演法（Pico/Ultra）：10.53 ± 1.16 kg CH₄/h
  直接流量法（Ventbuster）：9.0 ± 0.25 kg CH₄/h
  误差约15%，优于传统方法（偏差高达数倍）

2、次泄漏量化（表层套管）

 地面反演：0.67 ± 0.08 kg CH₄/h
 UAS 穿越：0.38 ± 0.10 kg CH₄/h
观测前后间隔2小时，风速与方向相近，验证两者一致性

3、CH₄-C₂H₆ 同步测量：验证污染源

 MIRA Pico（15 m）测得 C₂H₆/CH₄ 比为0.121 mol/mol
 实验室气相色谱GC比值为0.124 mol/mol
 证明观测值来自Foster 1S，未被区域背景或生物源干扰

讨 论

Aeris MIRA Pico / Ultra 分析仪的关键优势

CH₄-C₂H₆ 同时测量的科学与应用意义            
 污染源甄别：石油天然气逸散有C₂H₆，生物源甲烷无；乙烷比例稳定性可直接识别油气源  
 信号滤波与校准：使用C₂H₆作为辅助参数识别混入背景风、非典型突增等异常
多组分排放核算：未来可支持联合甲烷+VOC排放因子体系建设，适用于碳核查、政策执行

结论

本研究展示了一套由Aeris MIRA Pico / Ultra 中红外激光气体分析仪构成的地面-无人机协同观测体系，结合实测风场与烟羽反演模型，实现在不依赖大型平台或高昂设备条件下，对孤儿油气井 0.5–10 kg CH₄/h 范围排放的高精度定量。其主要贡献包括：            
 构建了一种 低成本、高灵敏、可规模化复制 的甲烷泄漏监测技术路径；
 提出以 实测烟羽结构 替代传统稳定度模型的新方法，显著提升反演准确性;
 验证了 CH₄-C₂H₆ 同步观测在源识别与背景排除中的关键价值。
在孤儿井数量庞大、排放异质性强的现实背景下，该技术体系具备大范围推广潜力，并可进一步扩展至城市天然气管网泄漏监测、设施级排放监管、碳信用核算等领域，成为下一代甲烷减排与气候行动支撑工具的基础。