背景介紹

美國(guó)約有360萬(wàn)口廢棄或孤兒油氣井，甲烷（CH?）年排放總量估計(jì)為0.23–2.6太克（Tg），其中10%以下的“超級(jí)排放源”可能貢獻(xiàn)超過(guò)90%的總排放量。由于這些井多處于無(wú)業(yè)主監(jiān)管、位置偏遠(yuǎn)、排放差異大，國(guó)家和州政府亟需一種高靈敏度、成本可控、可擴(kuò)展性強(qiáng)的泄漏量化方法，以優(yōu)先確定封堵對(duì)象并進(jìn)行碳減排核算。 當(dāng)前多數(shù)遙感平臺(tái)（如衛(wèi)星、航空）對(duì)于10 kg/h 以下的泄漏無(wú)探測(cè)能力，而傳統(tǒng)方法如艙室法、渦動(dòng)相關(guān)法則受限于成本、布設(shè)難度與空間分辨率。因此，現(xiàn)場(chǎng)地面?zhèn)鞲衅?無(wú)人機(jī)平臺(tái)結(jié)合的新型觀測(cè)系統(tǒng)正在成為突破點(diǎn)。來(lái)自洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Los Alamos National Laboratory）等單位的研究團(tuán)隊(duì)采用Aeris MIRA Pico 與 MIRA Ultra 中紅外激光氣體分析儀，構(gòu)建了一個(gè)多平臺(tái)、多距離、近地面與空中協(xié)同的觀測(cè)與反演體系，重點(diǎn)解決以下問(wèn)題：                
如何可靠地定量低于10 kg/h 的中等強(qiáng)度孤兒井排放？
如何在野外排除背景干擾并區(qū)分污染源？
如何構(gòu)建適用于單傳感器布設(shè)的大規(guī)模應(yīng)用技術(shù)路徑？

研究方法

1、實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)與對(duì)象

本研究針對(duì)新墨西哥州Hobbs地區(qū)一口已識(shí)別的高排放孤兒井Foster 1S進(jìn)行野外采樣。該井歷史上具有高壓甲烷積聚，存在主泄漏（閥門放空）與次泄漏（套管微滲）兩種排放路徑。

2、地面布設(shè)與儀器部署

使用4套激光光譜儀，沿主風(fēng)向部署于7.5m、15m、22.5m與47m位置，所有儀器采樣頻率為1 Hz，傳感器高度約1.6 m，與煙羽高度一致。            
7.5 m：MIRA Ultra（測(cè)CH?+C?H?+C?H?）+風(fēng)速儀    
 15 m：MIRA Pico（CH?+C?H?）+風(fēng)速儀    
  22.5 m：Picarro G4302（CH?）    
47 m：MIRA Pico（CH?+C?H?）

3. 無(wú)人機(jī)穿越觀測(cè)（UAS）

搭載MIRA Pico Methane-Ethane分析儀與Trisonica Mini風(fēng)速儀（該平臺(tái)在團(tuán)隊(duì)之前發(fā)表的文獻(xiàn)中有詳細(xì)的描述與介紹https://mp.weixin.qq.com/s/XbynsHsgD2_2P-fjpyPgqw），沿多個(gè)橫截面（60–140 m）多高度反復(fù)穿越煙羽，獲得橫向濃度積分?jǐn)?shù)據(jù)，并通過(guò)風(fēng)速矢量轉(zhuǎn)換為通量估算。

結(jié) 果

1、主泄漏量化（閥門放空）

 地面反演法（Pico/Ultra）：10.53 ± 1.16 kg CH?/h
  直接流量法（Ventbuster）：9.0 ± 0.25 kg CH?/h
  誤差約15%，優(yōu)于傳統(tǒng)方法（偏差高達(dá)數(shù)倍）

2、次泄漏量化（表層套管）

 地面反演：0.67 ± 0.08 kg CH?/h
 UAS 穿越：0.38 ± 0.10 kg CH?/h
觀測(cè)前后間隔2小時(shí)，風(fēng)速與方向相近，驗(yàn)證兩者一致性

3、CH?-C?H? 同步測(cè)量：驗(yàn)證污染源

 MIRA Pico（15 m）測(cè)得 C?H?/CH? 比為0.121 mol/mol
 實(shí)驗(yàn)室氣相色譜GC比值為0.124 mol/mol
 證明觀測(cè)值來(lái)自Foster 1S，未被區(qū)域背景或生物源干擾

討 論

Aeris MIRA Pico / Ultra 分析儀的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)

CH?-C?H? 同時(shí)測(cè)量的科學(xué)與應(yīng)用意義            
 ?污染源甄別：石油天然氣逸散有C?H?，生物源甲烷無(wú)；乙烷比例穩(wěn)定性可直接識(shí)別油氣源  
 信號(hào)濾波與校準(zhǔn)：使用C?H?作為輔助參數(shù)識(shí)別混入背景風(fēng)、非典型突增等異常
多組分排放核算：未來(lái)可支持聯(lián)合甲烷+VOC排放因子體系建設(shè)，適用于碳核查、政策執(zhí)行

結(jié)論

本研究展示了一套由Aeris MIRA Pico / Ultra 中紅外激光氣體分析儀構(gòu)成的地面-無(wú)人機(jī)協(xié)同觀測(cè)體系，結(jié)合實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)與煙羽反演模型，實(shí)現(xiàn)在不依賴大型平臺(tái)或高昂設(shè)備條件下，對(duì)孤兒油氣井 0.5–10 kg CH?/h 范圍排放的高精度定量。其主要貢獻(xiàn)包括：            
 構(gòu)建了一種 低成本、高靈敏、可規(guī)?；瘡?fù)制 的甲烷泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)路徑；
 提出以 實(shí)測(cè)煙羽結(jié)構(gòu) 替代傳統(tǒng)穩(wěn)定度模型的新方法，顯著提升反演準(zhǔn)確性;
 驗(yàn)證了 CH?-C?H? 同步觀測(cè)在源識(shí)別與背景排除中的關(guān)鍵價(jià)值。
在孤兒井?dāng)?shù)量龐大、排放異質(zhì)性強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)背景下，該技術(shù)體系具備大范圍推廣潛力，并可進(jìn)一步擴(kuò)展至城市天然氣管網(wǎng)泄漏監(jiān)測(cè)、設(shè)施級(jí)排放監(jiān)管、碳信用核算等領(lǐng)域，成為下一代甲烷減排與氣候行動(dòng)支撐工具的基礎(chǔ)。