激光系统能持续监测石油和天然气的泄漏？

【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】研究人员对一种新的基于激光的系统进行了第一次现场测试，该系统可以精确定位在几平方英里范围内的甲烷泄漏点。这项新技术有一天将被用于连续监测石油和天然气生产基地的昂贵和危险的甲烷泄漏。甲烷作为天然气的主要成分，可以在正常的石油和天然气生产过程中泄漏，也可以在生产基础设施中泄漏。这些泄漏不仅使石油和天然气公司蒙受了损失，而且还对气候变化造成了影响，并可能对人们造成危害。今天一个人或一个团队必须到不同的地方去检查是否有一个特殊的摄像头，它对近距离的甲烷敏感。这种方法是耗时的，可能会遗漏自然界中间歇性的甲烷泄漏。

图注：设计了一种基于频率梳光谱的新系统，用于连续监测油气生产领域的甲烷泄漏。(a)系统测量气体吸收使用一组长距离激光束(底部插画中的黄色)。它记录了气体浓度随时间的变化(b)，然后利用大气模型计算泄漏的位置和排放速率(c)。图片信息及版权：Sean Coburn, University of Colorado in Boulder

科罗拉多大学博尔德分校的肖恩·科本研究报告的合著者说：方法可以测量是自主的，这使得对一个区域的持续监测成为可能，这项技术可以在减少生产活动中的甲烷排放、缓解城市发展与石油和天然气生产之间的紧张关系，以及帮助避免像2015年的Aliso峡谷甲烷存储泄漏这样的灾难中发挥重要作用，该泄漏将9万吨甲烷排放到大气中。来自科罗拉多大学的研究人员,国家标准与技术研究院(NIST)和美国国家海洋和大气管理局(NOAA)表明：他们的系统独特的检测可以慢，少量的甲烷泄漏公里远的一个户外设置。该系统可以检测出泄漏流量，其流量相当于一个人静止呼吸频率的25%。该方法还可用于测量其他气体，以提供对空气污染的新见解。

Coburn说：系统基于频率梳激光光谱学，它来源于科罗拉多大学简·霍尔的诺贝尔奖获奖作品。 由于最近的进展，能够将这项技术从实验室中取出，并首次在该领域使用。将这种精密光谱技术与新的计算方法相结合，使我们能够精确地确定甲烷的来源，并以无与伦比的灵敏度和范围确定发射率。甲烷和其他气体吸收特定红外波长的光，形成一种吸收光谱，可以像指纹一样在空气中探测气体。这个新系统使用扫描激光束，在磁场周围放置离散的反射器，以确定空气中与每条光束路径相交的甲烷的数量。比较两束激光路径的测量结果表明，在路径之间的区域存在泄漏。泄漏的确切位置和大小是利用新开发的方法确定的，该方法利用大气模型模拟在测量时气体在该区域的移动情况。

图注：这个光头保持着激光发射系统，发射激光到1公里以外的反射反射器。在科罗拉多州的桌山测试设施进行的测试中显示了它的运行情况。图片信息及版权：Sean Coburn, University of Colorado in Boulder

该系统的一个关键部件是频率梳状激光器，它能发射数十万个红外波长，而不是传统激光器发出的一个波长。使用这种类型的激光光谱，可以快速测量波长范围很广的波长，分辨率非常高，这对于区分吸收类似甲烷和水等波长的气体非常重要。甲烷探测技术发展项目的首席研究员Gregory Rieker解释说：甲烷浓度的变化与甲烷的变化有关，这与当暴雨开始时水蒸汽稀释引起的甲烷变化是一样的。激光频率梳法使我们能够同时准确地测量水汽和甲烷。这让我们可以对空气中的水进行校正，这对于探测大面积甲烷的微小增加至关重要。该系统还计算了背景甲烷浓度，随着风向的变化，甲烷浓度也会发生变化。这对于区分空气中甲烷浓度变化的微小泄漏至关重要。研究报告的合著者卡罗琳·奥尔登说：造成温室气体排放的大量甲烷气体被认为是间歇性泄漏造成的，为了持续检测和分析这些类型的泄漏，开发了计算方法，提供了随时间变化的排放的历史。

图注：研究人员首次使用频率梳激光光谱学检测该领域的大气气体。图中显示的是“齿”状，这是由两个磁场部署的频率梳状激光器相互干扰来探测大区域的大气气体。图片信息及版权：Researchers have used frequency comb laser spectroscopy to detect atmospheric gases in the field for the first time. The illustration show

研究人员在一系列测试中演示了该系统，这些测试旨在模拟石油和天然气领域可能面临的情况。他们在一个移动拖车里安装了频率梳状激光器，并产生了多条波束路径，每条路径都覆盖了一公里的低成本反射器。在一个实验中，研究人员配置了这个系统来量化一个小的控制泄漏，距离移动拖车1公里，距离激光束50米。此外研究人员还确定了控制泄漏的时间，以及在20小时内的排放速率如何变化。在另一项测试中，他在多个激光束路径的不同位置放置了5个潜在的甲烷泄漏。研究人员能够查明哪些污染源在泄漏，并确定这些泄漏的排放率。除了继续完善系统并在不同的场景中测试它，研究人员还计划与行业合作伙伴合作，看看系统在实际的石油和天然气生产现场的表现。他们希望将这项技术商业化，作为石油和天然气行业的检测服务。

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参考：Optica

内容：经“博科园”判定符合今主流科学

来自：美国光学学会

编译：光量子

审校：博科园

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