《Environmental Science & Technology》：Methane by the Numbers: The Need for Clear and Comparable Methane Intensity Metrics
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本文深入探讨了当前全球石油天然气行业甲烷排放强度（methane intensity）核算的困境，系统分析了六种主流定义，指出半数指标因将全部甲烷排放归于天然气生产，在比较中产生偏差且实用价值有限。研究推荐了三种基于总能源产出的无偏且可互比的指标——甲烷排放因子EFCH4、甲烷能源强度MIe和真正的甲烷损失率MILR，并论证了其在供应链排放累积计算中的简便性与稳健性。这为统一甲烷绩效评估、支持欧盟甲烷条例等政策制定、以及推动行业减排提供了关键的标准化工具和清晰路径。
引言
在全球共同努力减少石油天然气行业甲烷排放的背景下，对稳健、透明和标准化的甲烷强度指标的需求日益凸显。这些指标广义上量化了相对于单位能源产量或物理产出的甲烷排放，对于绩效基准测试、政策制定和推动减排至关重要。一个客观且定义一致的甲烷强度指标，在最佳情况下，能够实现跨公司、跨地区和跨时间段的比较，为更高的透明度和问责制提供途径。清晰可比的指标是欧盟新甲烷法规中拟议进口标准、液化天然气（LNG）买家主导的倡议（如“净零液化天然气减排联盟”，CLEAN）以及各种独立天然气认证工作的基本支柱。
然而，甲烷强度指标的应用充满了方法论上的挑战，包括多重定义、不一致的术语和不同的计算基准。本文旨在澄清一系列常见的甲烷强度指标及其相互关系，讨论其优势和局限性，分享在测量、报告和核查（MRV）中最佳实践使用甲烷指标的建议，并展示基于能源的指标如何能在整个石油天然气供应链中实现简单而稳健的甲烷强度计算。
甲烷排放指标
常见的甲烷排放指标可归纳为六种定义，详见表1。虽然这些指标都以某种方式将甲烷排放与产量相关联，但它们在以下方面存在差异：是考虑总甲烷排放还是仅考虑与天然气生产相关的甲烷；是考虑总产量、仅天然气产量，还是仅天然气中的甲烷含量；以及比率是基于质量、体积还是能量。令人困惑的是，所有这些指标在口语中可能都被称为“甲烷强度”。此外，指标可以使用产出（produced）或销售（marketed）的油气量来计算，尽管基于销售量的指标最能体现消费点的排放影响。值得注意的是，销售数据通常也更可靠，因为它们经常在供应链的多个点被供应商和接收方共同测量。相比之下，特别是在石油和重油产地，未销售的天然气产量可能只能估算。由于销售量在各辖区也更为普遍可用，本文后续将销售量作为归一化基准。
推荐的甲烷排放指标
甲烷排放因子， EFCH4[g/MJ]
由于石油天然气行业的主要任务是生产具有能源价值的碳氢化合物，因此每单位销售能源的甲烷排放——在此定义为甲烷排放因子EFCH4[g/MJ]——可以说是最终重要的指标。超越石油天然气范畴，这个简单的指标还允许跨部门直接比较，例如，与水电站或煤炭生产每输送单位能源的相对甲烷排放进行比较。然而，尽管EFCH4是一个简洁的排放效益指标，但它缺乏政策沟通中青睐的百分比单位，并且不易被理解为油气生产过程中的“损失率”。
甲烷能源强度， MIe[%]
一个简单的替代方案是定义甲烷能源强度MIe，它考虑的是排放甲烷的能量含量与输送能量之比。这给出了一个无量纲的有限比率，通常介于零和一之间，易于以百分比单位报告，并代表了因甲烷排放而损失的输送能量比例。值得注意的是，MIe通过一个恒定比例因子（甲烷基于质量的高位热值，HHVCH4/ρCH4= 0.055571 MJ/g）与EFCH4直接相关，因此这两个指标可以互换。此外，如果总甲烷排放基于能源产量在石油和天然气之间进行分配，那么MIe同样可以解释为天然气生产（无论是来自干气还是伴生气）中因甲烷排放而损失的能量百分比。
甲烷强度（真正的“损失率”）， MILR[%]
由天然气可持续性倡议（NGSI）定义的甲烷强度或真正的“损失率”MILR[%]，名义上量化了在进入市场前排放的销售天然气的百分比。这是在公共或政策论坛上最容易沟通的概念性指标，这是一个显著优势。此外，如表1中的方程所示，如果总甲烷排放基于销售能量的相对比例分配给石油和天然气，那么MILR与EFCH4成比例（通过天然气热值、天然气中甲烷的体积分数和标准条件下的甲烷密度进行缩放），并且可以容易地计算任何处理气和/或油的场地或设施的数值。这意味着MILR可以作为单一的损失率指标，在油气场地中一致地应用。
排放的能量分配
正如Allen等人所指出的，“考虑到产品的价值在于其能源含量，排放的能量分配是一个合理的选择”。作为能量基准普遍性的一个迹象，大多数天然气产品的交易，如亨利港现货价格，都是以能量为基础计算的。此外，鉴于碳氢化合物井通常生产天然气、石油和水的混合物，这种方法对于许多甲烷排放源来说通常是唯一符合逻辑的选择，因为这些排放源不能轻易地单独归因于石油或天然气。最明显的是，这包括现场分离器及相关设备，这些设备按设计处理混合流体，并且在航空测量中可能是显著的甲烷排放源。来自这些单元的甲烷排放本质上与石油和天然气的联合流动相关。同样，在处理石油和天然气的场地，来自火炬、加热器、发电机、钻井、维修和维护活动的甲烷排放也是石油和天然气联合生产的副产品。这一现实反映在MiQ的指南中，该指南建议，除天然气脱水器排气口和与压缩机特别相关的排放外，所有其他来源的甲烷排放都应“按能量分配”给石油和天然气。虽然从数学上讲，能量分配意味着石油和天然气的EFCH4是相等的，但现有的卫星通量反演清单试图推导出独立的石油和天然气甲烷排放因子，表明这在经验上是合理的。具体而言，使用Shen等人和Chen等人的33个国家综合数据，石油的生产加权平均甲烷排放因子为0.17 g/MJ，天然气为0.22 g/MJ，考虑到这些估计中可能存在的不确定性，两者大约均为0.2 g/MJ。
基于能量分配甲烷排放的一个重要后果是，三个主要指标EFCH4、MIe和MILR通过乘法比例因子直接相关。这意味着，只要在计算中使用的独立的油气产量数据、热值和气体甲烷分数被报告，它们最终是可以互换的；我们顺便建议，这应成为所有强度报告的默认要求。产量数据和热值数据通常很容易找到。然而，根据作者的经验，销售气体中甲烷的摩尔（或体积）分数（特别是MILR所需的）更难获取。尽管特别是在上游场地的气体中甲烷分数变化范围很大，大约在0.4-0.98之间，但只要计算中使用的数值被报告，这就不是关键问题。许多近期研究通常假设摩尔分数为0.9，这可以作为默认参考值。这种互换性意味着可以在同一张图中用所有三个指标同时绘制数据。
将全部甲烷排放归因于天然气生产的“损失率”指标
表1中其余三个指标——甲烷与全气比率（通常称为“损失率”，或油气气候倡议（OGCI）定义的“甲烷强度”），MGRwg、甲烷与天然气能量比率MGRe和甲烷与天然气甲烷比率（有时称为“甲烷损失率”）MGRCH4——的不同之处在于，它们隐含地将所有甲烷排放分配给天然气。Allen等人先前已经强调了这种方法的问题，特别是在同时生产石油和天然气的地区（包括北美所有主要盆地）。除了不符合生命周期分析原则外，将所有甲烷排放分配给天然气生产本身就不切实际地意味着与石油生产相关的甲烷排放为零。如果石油随后被分配甲烷排放（例如，作为如下文进一步讨论的供应链计算的一部分），这可能进一步导致排放的双重计算，特别是在一个先前已将全部排放分配给天然气的地区。
审视MGRwg、MGRe和MGRCH4的定义，可以发现这些指标也是无界的，并且都随着天然气产量趋近于零而趋于无穷大。虽然分离出生产的天然气质量看起来很直观，但这种分离最终意味着所得指标不是“损失率”，而是计算区域内气油比的间接且不精确的表示。这在图1a中很明显，该图绘制了北美油气盆地来自近期测量的MGRwg，并揭示了数据如何遵循销售能量中天然气所占比例的简单倒数拟合。这种有问题的依赖性意味着MGRwg、MGRe和MGRCH4在具有不同气油生产比例的地区之间不能直接比较。尽管围绕倒数趋势的分散性识别了甲烷性能的有意义的差异，但这些差异在很大程度上被总能量中天然气比例的强烈依赖性所掩盖，这在气油比较低的地区变得尤为突出。作者认为，将总排放完全归因于天然气生产的简单“损失率”指标在场地间比较时本质上是具有误导性的，应予以避免。
在单个场地，如果将MGR指标定义为基于产出气而非销售气，它作为代表场地损失的天然气比例的环境指标可能具有实用性。然而，这个定义在实践中也可能存在问题。首先，许多上游场地处理石油和天然气，但在该设施本身没有任何天然气生产。然而，这些设施通常仍有报告或可测量的排放。基于产出加上接收的天然气来定义MGR是可能的，但这个指标忽略了接收气体的蕴含排放，除非它们也以某种方式作为供应链的一部分加以考虑。其次，使用气举或一系列强化采油方法的场地将天然气重新注入储层。特别是在海上设施，大部分提取的天然气可能被回注。在这些场地，天然气可能被“产出”多次，使得天然气产量成为一个模糊且不确定的分母。第三点也是最重要的一点，在许多石油生产场地，未销售的天然气产量没有被直接测量。相反，产生的天然气通常是通过将不经常测量的气油比（GOR）或溶解气（GIS）值乘以石油产量来估算的，这导致了不可靠的估计，特别是在重油产地。实际上，使用一系列测量方法的实地研究已经显示了多个石油和重油田地的例子，它们有可测量的甲烷排放，但报告的天然气产量为零，或者测量的甲烷排放超过了总报告的天然气产量以及总产量加上接收量。这些因素可能导致误导性的比较，例如，两个具有相同甲烷排放的场地，但对未销售天然气产量的不同估算，可能导致显著不同的MGR。
相比之下，图1b以表1的前三个指标绘制了相同的甲烷排放数据；该图没有显示出对气油比的单一依赖性。这意味着这些指标普遍适用，并且可以在不同盆地之间直接比较，最重要的是，盆地之间的分散性表明了每单位输送能量排放的甲烷量的性能差异。值得注意的是，最近的一份预印本在比较EFCH4与MGRCH4时，正确地说明了简单的损失率有利于天然气为主的场地，但错误地断言EFCH4有利于石油为主的场地；表1和图1都表明情况并非如此，具体而言，EFCH4、MIe和MILR都与气油生产比例无关。
最后，值得注意的是，可以使用一组单一的数据点在同一张图上绘制表1的三个主要指标——EFCH4、MIe和MILR。如上所述，EFCH4和MIe通过一个恒定比例因子相关。然而，如果假设一个共同的参考天然气热值和气体甲烷分数，那么这两个指标也与MILR直接成比例，如右侧坐标轴所示。
在等效基础上比较近期甲烷强度目标
利用表1中的方程，可以将各种已发布的甲烷目标在一个共同基础上进行比较。使用MILR或EFCH4指标定义的目标显示为水平线，因为它们对总产出能量中天然气的比例没有内在依赖性。这包括OneFuture 2025年天然气生产目标0.28%（这是其从生产到分销整体目标1.00%的组成部分）和MiQ的“A级”目标，其规定了陆上天然气生产为0.05%，陆上石油生产为50 g/BOE。绿色的水平虚线代表科罗拉多州2030年“主要运营商”的温室气体排放目标6.80 tCO2e/kBOE，保守地假设仅排放甲烷，并使用法规规定的IPCC第五次评估报告中的甲烷全球变暖潜势（GWP100）为30，以及油的能量含量为5.689 MMBtu/bbl，这相当于损失率MILR= 0.236%。实际上，如果运营商也排放CO2，则适用的实际甲烷目标会更低。这种模糊性是建议采用单独的而非综合的温室气体目标的原因之一。此外，正如IPCC第六次评估报告所指出的，“使用GWP100将甲烷排放表示为CO2当量排放，将恒定甲烷排放对全球地表温度的影响夸大了3-4倍……同时，在引入新排放源后的20年内，将任何新甲烷排放源的影响低估了4-5倍”。
值得注意的是，基于MGRwg的目标（如上所述，将石油和天然气的总甲烷排放归于天然气）随总能量中天然气比例的变化而变化。这包括OGCI 2025年“强度”目标0.2%和美国废弃能源费（WEC）下石油和天然气设施甲烷收费开始的阈值。随着总能量中天然气比例趋近于零，MGRwg趋于无穷大，用MGRwg定义的目标必然意味着在没有天然气生产的场地不允许有甲烷排放，尽管石油稳定过程通常会排放甲烷。这个问题在制定WEC规则时可能已被认识到，该规则为“无天然气销售”的场地规定了单独的限制10 tCH4/MMbbl。奇怪的是，这两种不同的限制在理论上会抑制在天然气占油气总产出能量低于4.7%的场地的减排。原则上，在这个范围内的场地可能会被反常地激励停止天然气回收，以获得更高的甲烷限制而无需缴费。虽然这在实践中不太可能成为一个重大问题，但它凸显了使用MGRwg作为上游油气场地指标的固有挑战。
评估供应链中甲烷强度的重要考虑因素
计算供应链中的甲烷强度（排放可能发生在独立运营的不同阶段）会带来特殊挑战，可能需要特定场地或运营商的考虑以确保准确性。虽然可以估算特定环节的甲烷强度，但由于系统边界和分配实践的差异，它们不一定具有可加性。最值得注意的是，由于现场消耗或化学加工，进出每个环节的油气量和产品的能量含量可能不是恒定的。上游运营商可能不知道其产品与供应链末端产品之间的确切联系，也不知道生产一单位最终销售产品具体需要多少其产品。然而，假设如上所述对排放进行能量分配，那么仍然可以直截了当地计算供应链每个阶段的甲烷排放因子。
对于任何从上游设施接收能源产品的设施j，其输出的总供应链甲烷排放因子EFCH4,j计算公式如上所述。重要的是，无论设施j是否处理或消耗任何部分接收的能源产品，和/或生产其自身独立的、共同构成其输出的产品，等式1都成立。更一般地说，只要供应链上的每个设施都使用类似的公式计算其甲烷排放因子，那么EFCH4,i就代表了进入设施j的每个输入的累积上游供应链甲烷排放因子。这意味着等式1准确地跟踪了整个供应链的甲烷排放，并且具体来说，在任何点计算的EFCH4,j都代表了到该点的总累积供应链排放。最后，即使天然气中甲烷的摩尔分数沿供应链变化，通过将等式1代入表1的MILR方程，并使用供应链中该点的相关摩尔分数，仍然可以容易地计算每个阶段（包括最终消费者处）的甲烷强度。
尽管如上所述推荐排放的能量分配，但如果需要替代的分配方法，那么如果将其推广到合并每种产品的单独排放因子，等式1仍然可以成立。这里，mCH4,j,k是设施j直接排放并分配给产品k的甲烷，Aj,i,k是设施j对从设施i接收的每种产品k的甲烷排放分配，Ej,k是作为产品k离开设施j的销售能量，而EFCH4,j,k是设施j对产品k的甲烷排放因子。最后，对于盆地、州或国家层面的调查，如果整个供应链被包含在调查范围内，则不需要等式1或2，可以直接使用盆地的所有最终销售能量产出直接计算EFCH4、MIe和MILR。
最后，我们注意到上述方程的分子总是直接转化为直到并包括所关注设施的供应链上的累积甲烷排放质量。因此，对这些方程分母的简单修改可以计算出最终使用产品中蕴含的甲烷排放。例如，对于下游化肥厂j，等式1通过用生产的化肥质量替换Ej，并注意mCH4,j是化肥厂排放的甲烷，可以准确表示每单位化肥产量的甲烷排放。
建议
基于前述分析，应避免使用将总甲烷排放完全归因于天然气的指标，因为它们主要衡量的是感兴趣区域内石油和天然气生产的相对比例，并且在盆地之间不可比。这包括MGRwg、MGRe和MGRCH4。这些指标在供应链计算中尤其成问题，将所有排放简单地分配给单一产品可能导致其他产品强度的低估和/或排放的双重计算。
相比之下，将总甲烷排放与油气总能量进行比较的甲烷排放指标——EFCH4[g/MJ] 和 MIe[%]——或将归因于天然气的甲烷排放与销售天然气产量进行比较的指标——MILR[%]——易于计算，普遍适用，对天然气和石油的相对产量没有内在依赖性，并且最终可以互换。
对于公共和政策沟通，被NGSI、MiQ、OneFuture和Veritas采用的甲烷强度或真正的“损失率”MILR[%]是有利的，因为它在概念上描述了在进入市场前排放的天然气或甲烷的百分比。然而，由于MILR与EFCH4直接成比例，它作为一个单一的、易于沟通的“损失率”指标可能更有用，可以一致地应用于所有油气场地。
尽管用于计算MILR的国家、州和
