加拿大西部致密油资源的生命周期评估

《Energy & Fuels》：Life Cycle Assessment of Western Canadian Tight Oil Resources

本研究对加拿大西部13个致密油层进行生命周期评估（LCA），发现2017年BC、AB、SK地区汽油碳排放强度分别为85.7、89.2、111 gCO?e/MJ，SK地区因操作排放（尤其是通风）较高。评估了水力压裂用水（AB地区最大用水达44,900 m3/井）和地震事件关联性（1.3%油井与地震相关）。研究证实LCA能有效分析多环境因子权衡，需关注区域法规（如SK低环保标准）和资源特性（如Duvernay深井用水多）。

　　近年来，随着全球对能源需求的不断增长，加拿大的石油资源开发活动日益活跃，尤其是在西部地区。这里，尤其是不列颠哥伦比亚省（BC）、阿尔伯塔省（AB）和萨斯喀彻温省（SK），已成为紧油（tight oil）开发的重要区域。紧油是一种从低渗透性岩层中通过多级水力压裂和水平钻井技术提取的石油资源。这些技术的应用虽然提高了石油产量，但也带来了诸多环境挑战。为了更好地理解和评估这些环境影响，本研究采用了生命周期评估（LCA）的方法，对加拿大西部地区的13个紧油开采层进行了比较分析。LCA不仅能够评估从生产到最终使用全过程的温室气体（GHG）排放强度，还能够分析水资源的使用情况以及与水力压裂相关的地震事件。

本研究的目的是评估2017年加拿大西部地区13个紧油开采层在生产过程中的排放强度、淡水使用量以及与水力压裂相关的地震活动的空间分布。为此，研究团队开发了一种名为FUSE（统一源和排放模型框架）的数据处理和分析工具，该工具结合了公开数据和开源LCA模型，用于生成从油田到炼油厂（WTR）的排放强度估计。FUSE基于Python编程语言开发，允许用户根据不同的标准（如钻井日期、井类型、位置、油田名称、生产类型、地质构造等）筛选和评估特定的油井。通过FUSE，数据可以被整理并导出为OPGEE V2.0模型可以接受的格式。OPGEE V2.0是一个用于估算从油田到炼油厂入口的GHG排放强度的工具。

在研究过程中，数据主要来源于多个数据库，包括加拿大地质调查数据库（geoSCOUT）和阿尔伯塔省能源监管局（AER）、不列颠哥伦比亚省石油与天然气委员会（BCOGC）以及萨斯喀彻温省的Petrinex数据库。这些数据涵盖了超过20万口自2005年1月至2017年12月期间在加拿大西部地区钻探的油井，以及2017年的设施数据、水力压裂活动、设施与油井之间的连接关系以及设施体积数据。地震数据则来自加拿大诱发地震合作组织（CISC）的西部加拿大地震目录。此外，研究还利用了加拿大原油分析数据和石油炼厂生命周期库存模型（PRELIM V1.2）来估算原油的能源使用和GHG排放。

研究中评估的13个紧油开采层包括巴肯（SK）、贝弗希尔（AB）、卡迪姆（AB）、查理湖（AB）、杜文格（AB）、杜文奈（AB）、下肖纳万（SK）、蒙尼（AB）、蒙尼（BC）、佩基斯科（AB）、奴隶点（AB）、维京（AB）和维京（SK）。这些地区在地理上分布广泛，从半干旱草原地区到针叶林和山地森林。这些地区之间存在显著的环境差异，这不仅体现在水资源的可用性上，也体现在生产过程中的环境影响上。

在评估过程中，研究团队发现，紧油生产的环境影响主要来源于生产阶段的运营排放活动，尤其是在萨斯喀彻温省，这些活动对排放强度的影响尤为明显。例如，蒙尼（BC）和蒙尼（AB）的汽油排放强度在北美范围内处于较低水平，平均值分别为85.7（83.3–88.4）和87.0（84.3–91.0）gCO?e/MJ-汽油。这些数据表明，某些地质构造的油井在运营过程中对环境影响较小，这可能与这些地区较少的排放活动和较高的能源回收率有关。

此外，研究还发现，2017年加拿大西部地区的紧油上游生产活动（包括预生产、生产及运输）导致了约14.8百万吨的CO?e排放。这一结果凸显了紧油生产对环境的影响，尤其是在温室气体排放方面。同时，研究团队还通过时空相关性分析，发现1.3%的紧油井在2012至2017年间与地震事件相关联。这表明，虽然水力压裂活动可能与地震事件之间存在一定的关联，但这种关系并不一定意味着因果关系，而是为了评估这些活动在生命周期评估中的潜在影响。

在水资源使用方面，研究人员发现，水力压裂的用水量在不同地区存在显著差异。例如，阿尔伯塔省和不列颠哥伦比亚省的紧油井在2012至2017年间分别消耗了31.4百万和13.4百万立方米的水，这些数据占各自省份水力压裂用水总量的51%和38%。在阿尔伯塔省，水力压裂用水主要来源于地表水、地下水和废水，而在不列颠哥伦比亚省，70.9%的用水来自淡水，28.2%来自咸水。尽管如此，水力压裂活动对水资源的影响仍然存在不确定性，尤其是在南部阿尔伯塔省和萨斯喀彻温省，这些地区面临较高的水资源压力，主要由于农业用途的需求。

在地震事件的相关性分析中，研究人员发现，阿尔伯塔省和不列颠哥伦比亚省的紧油井在2012至2017年间与39次地震事件相关联。这些地震事件的时空相关性分析表明，水力压裂活动可能与地震事件之间存在一定的联系，但这种联系并不足以证明因果关系。因此，研究团队建议在未来的生命周期评估中，应更加关注这种潜在的关联性，并进一步研究如何减少这种风险。

此外，研究团队还进行了敏感性分析，以评估22个关键参数对生命周期排放强度的影响。敏感性分析的结果表明，某些参数（如炼油配置、气油比、通风、放空和燃料气体消耗率）对排放强度的影响较大，而其他参数的影响则相对较小。这表明，在进行生命周期评估时，需要综合考虑多种因素，并根据实际情况调整模型参数，以提高评估的准确性。

综上所述，本研究不仅提供了加拿大西部地区紧油资源开发的环境影响数据，还揭示了不同地质构造在环境表现上的差异。这些发现对于理解紧油开发的环境影响具有重要意义，并为未来的政策制定和环境管理提供了科学依据。研究团队建议，在未来的生命周期评估中，应更加关注环境影响的全面性和复杂性，并结合最新的数据和技术手段，以提高评估的准确性和可靠性。同时，对于水资源使用和地震事件的相关性，仍需进一步研究和关注，以确保紧油开发的可持续性和环境友好性。