Laserbaseret system tilbyder kontinuerlig overvågning af lækager fra olie- og gasdrift

Forskere har udført de første feltforsøg for et nyt laserbaseret system, der kan lokalisere placeringen af ​​meget små metanlækager over et område på flere kvadratkilometer. Den nye teknologi kan en dag bruges til løbende at overvåge for dyre og farlige metanlækager på olie- og gasproduktionsanlæg.

Som en primær komponent i naturgas, metan kan lække under normal olie- og gasproduktion eller gennem ukendte lækager i produktionsinfrastrukturen. Disse lækager koster ikke kun olie- og gasselskaber penge, men bidrager også til klimaændringer og kan være farlige for mennesker. I dag, en person eller et team skal rejse til forskellige steder for at tjekke for lækager med et specielt kamera, der er følsomt over for metan på tætte afstande. Denne tilgang er tidskrævende og kan gå glip af metanlækager, der er intermitterende i naturen.

"Vores tilgang tillader målinger at være autonome, som muliggør løbende overvågning af et område, " sagde co-lead forfatter af undersøgelsen Sean Coburn, fra University of Colorado i Boulder. "Denne teknologi kan spille en væsentlig rolle i at reducere metan-emissioner fra produktionsaktiviteter, lette spændingen mellem byudvikling og olie- og gasproduktion og hjælpe med at undgå katastrofer som 2015 Aliso Canyon metanopbevaringslækage, der udløste 90, 000 tons metan i atmosfæren."

I Optica , The Optical Society's journal for high impact research, forskere fra University of Colorado, National Institute of Standards and Technology (NIST) og National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) viste, at deres system unikt kan detektere langsom, lavvolumen metan lækker fra en kilometers afstand i udendørs omgivelser. De demonstrerede, at systemet kan detektere lækager med en flowhastighed svarende til kun 25 procent af en persons vejrtrækning i hvile.

Metoden kunne også bruges til at måle andre gasser for at give ny indsigt i luftforurening.

"Vores system er baseret på frekvenskamlaserspektroskopi, som stammede fra det nobelprisvindende arbejde af Jan Hall ved University of Colorado, " sagde Coburn. "På grund af de seneste fremskridt, vi var i stand til at tage denne teknologi ud af laboratoriet og bruge den i marken for første gang. Kombinationen af ​​denne præcisionsspektroskopiteknik med nye beregningsmetoder gjorde det muligt for os at lokalisere metankilder og bestemme emissionshastigheder med uovertruffen følsomhed og rækkevidde."

Hurtig, præcis analyse

Metan og andre gasser absorberer lys ved specifikke infrarøde bølgelængder, skabe et absorptionsspektrum, der kan bruges som et fingeraftryk til at detektere gasser i luften. Det nye system bruger en scannende laserstråle med diskrete reflektorer placeret rundt om feltet for at bestemme mængden af ​​metan i luften, der skærer hver strålebane. Sammenligning af målinger fra to laserstrålebaner viser, om der er en lækage i området mellem stierne. Den nøjagtige placering og størrelse af lækagen bestemmes ved hjælp af nyudviklede metoder, som anvender atmosfæriske modeller, der simulerer, hvordan gasser bevæger sig hen over området på tidspunktet for målingen.

En nøglekomponent i systemet er en frekvenskamlaser, som udsender hundredtusindvis af infrarøde bølgelængder, snarere end den ene bølgelængde, der udsendes af traditionelle lasere. Brug af denne type laser til spektroskopi muliggør hurtige målinger over en bred vifte af bølgelængder med meget høj opløsning, hvilket viste sig vigtigt for at skelne gasser, der absorberer ved lignende bølgelængder, såsom metan og vand.

"Ændringen i metankoncentrationen medvind fra en lille lækage er omtrent den samme som ændringen i metan på grund af fortynding med vanddamp, der opstår, når en regnbyge starter, " forklarede Gregory Rieker, hovedefterforsker på udviklingsprojektet for metansensorteknologi. "Laserfrekvenskamspektroskopi giver os mulighed for samtidigt, og præcist, måle vanddamp og metan. Dette lader os korrigere for vand i luften, hvilket er afgørende for at detektere meget små stigninger i metan over et stort område."

Systemet beregner også baggrundskoncentrationen af ​​metan, som kan ændre sig i takt med at vinden skifter. Dette er afgørende for at skelne en lille lækage fra en ændring i den samlede metankoncentration i luften.

"En stor del af de metan-emissioner, der bidrager til drivhusgasemissioner fra olie og gas, menes at være fra periodiske lækager, " sagde Caroline Alden, medforfatter på undersøgelsen. "For løbende at opdage og analysere disse typer lækager, vi udviklede beregningsmetoder, der giver en historie om, hvordan emissioner varierer over tid."

Udendørs metanmålinger

Forskerne demonstrerede systemet i en række test designet til at efterligne scenarier, der kunne stå over for i et olie- og gasfelt. De anbragte frekvenskamlaseren i en mobil trailer og genererede flere strålebaner, der hver dækkede omkring en kilometer til en billig reflektor.

For et eksperiment, forskerne konfigurerede systemet til at kvantificere en lille kontrolleret lækage omkring 1 kilometer fra den mobile trailer og 50 meter fra laserstrålerne. Ud over at bestemme, hvornår den kontrollerede lækage var aktiv, og hvordan emissionsraterne ændrede sig over 20 timer, forskerne demonstrerede målinger af emissioner helt ned til 2 gram i minuttet.

I en anden test, de placerede fem potentielle metanlækager på forskellige steder mellem flere laserstrålebaner. Forskerne var i stand til at lokalisere, hvilke kilder der lækker og bestemme emissionsraterne for disse lækager.

Ud over at fortsætte med at forfine systemet og teste det i forskellige scenarier, forskerne planlægger at arbejde med industripartnere for at se, hvordan systemet vil fungere på faktiske olie- og gasproduktionssteder. Arbejder med spin-off-virksomheden Longpath Technologies, de ønsker at kommercialisere teknologien som en detektionstjeneste til olie- og gasindustrien.