车载Vocus PTR-MS移动监测油气井的VOCs排放

去几年里,在水平和水力压裂技术支撑下,北美地区天然气的量有了显著的增加,但由此生的境影响依然存在大的争

移动PTR-MS

近来,为研究油气井排放物对环境的影响,Aerodyne的研究人员们在美国一个油气产区部署了一台车载Vocus 2R PTR-TOF仪器。该仪器安装在Aerodyne移动实验室 (AML)内,同时配置了可调谐红外直接激光吸收光谱仪(TILDAS)来观测甲烷和乙烷。车载PTR-MS的数据除了提供挥发性有机物(VOCs)的排放量,同时也能帮助鉴别甲烷的排放源头。通常来讲,甲烷背景浓度较高且排放源众多,这使得其溯源分析相对较难。当废气从油气井排出后,在大气的稀释作用下,其烟羽中所含VOCs浓度会迅速降低,因此精确的的测绘VOCs分布需要检测仪器具有极低的检测限,而这正是本研究中所采用的Vocus PTR-MS的标志性分析特性之一。

示踪排放方法 

在油气井公司的配合下,Aerodyne团队在油气井场设置了双示踪排放点。双示踪通量比观测法参照示踪装置的已知排放量,能定量测量化学物质的泄露量[Allen et al., 2013; Lamb et al., 1995; Mitchell et al., 2015; Roscioli et al., 2017; Roscioli et al., 2015; Yacovitch et al., 2017]。

示踪排放装置包括:一罐无害的挥发性示踪气体,该气体的挥发量是可控制和已知的;一个气体质量流量控制器,用来精确的测量挥发性气体的挥发量;一个GPS装置,用于精确记录排放点的坐标。通过驾驶移动实验室AML来追踪油气井下风方向的示踪气体,连续测量并计算其实时稀释倍数,据此Aerodyne团队能够计算出油气产区不同生产装置泄露的气体浓度。更多关于本节方法说明,请查看Aerodyne之前发表的相关文献 [a, b, c]。

Aerodyne移动实验室(AML)在50 千米/小时以下的时速下,其搭载的Vocus PTR-TOF对油气井排放物进行连续观测。Vocus PTR-TOF数据存储频率为1谱/秒,对应于空间分辨率为14米或更佳。Vocus PTR-MS的采样进口位于AML前段,经过一段两米的长的Teflon管,每分钟采样量为五标准升。采样数据通过Tofware分析软件进行后处理。

在油气井下风处0.5到2千米的距离,Vocus PTR-TOF测得10-100 ppt的苯,二甲苯,甲苯和其它挥发性有机物(VOCs)。

油气井排放结果

图中显示了在一个油气场遭遇到的废气烟羽测量结果。此次烟羽排放中,苯对甲烷和乙烷的摩尔排放率分别为0.8和3.8ppt/ppt.

 

车载Vocus PTR-TOF在油气井产区遭遇到的废气烟羽。左上角:乙烷浓度着色的车辆行走轨迹。左下角:苯与甲烷浓度的散点图,充分证明了两种物质的共同来源。右边: Vocus测得的苯的浓度变化趋势与天然气井烟羽中的甲烷完全一致。值得注意的是,苯的浓度变化过程只持续了15秒,充分证明了Vocus PTR-TOF的高频采样率和高灵敏度对于通量测量实验的不可或缺性。

 

文献

US Energy Information Administration: Drilling Productivity Report, available at: http://www.eia.gov/petroleum/drilling/, last accessed: 1 December 2018

Allen, D. T., et al. (2013), Measurements of methane emissions at natural gas production sites in the United States, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 110(44), 17768-17773, doi:10.1073/pnas.1304880110.

Lamb, B. K., et al. (1995), Development of Atmospheric Tracer Methods to Measure Methane Emissions from Natural-Gas Facilities and Urban Areas, Environ. Sci. Technol., 29(6), 1468-1479, doi:10.1021/es00006a007.

Mitchell, A. L., et al. (2015), Measurements of Methane Emissions from Natural Gas Gathering Facilities and Processing Plants: Measurement Results, Environ. Sci. Technol., 49(5), 3219-3227, doi:10.1021/es5052809.

Roscioli, J. R., S. C. Herndon, T. I. Yacovitch, W. B. Knighton, D. Zavala-Araiza, M. R. Johnson, and D. R. Tyner (2017), Characterization of Methane Emissions from Cold Heavy Oil Production with Sands (CHOPS) Facilities, J. Air Waste Manage. Assoc., submitted.

Roscioli, J. R., et al. (2015), Measurements of methane emissions from natural gas gathering facilities and processing plants: measurement methods, Atmos. Meas. Tech., 8(5), 2017-2035, doi:10.5194/amt-8-2017-2015.

Yacovitch, T. I., C. Daube, T. L. Vaughn, C. S. Bell, J. R. Roscioli, W. B. Knighton, D. D. Nelson, D. Zimmerle, G. Pétron, and S. C. Herndon (2017), Natural gas facility methane emissions: measurements by tracer flux ratio in two US natural gas producing basins, Elem. Sci. Anth., 5, 69, doi:10.1525/elementa.251.