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Análisis de las características de variación espaciotemporal de la concentración de la columna de metano en la Cuenca Pérmica.
Antecedentes de la investigación
La identificación y cuantificación efectivas de las características de las emisiones de metano en las regiones de petróleo y gas son requisitos previos para formular medidas precisas de reducción de emisiones. El monitoreo tradicional de las emisiones de metano se basa principalmente en métodos estadísticos de inventario ascendentes, que presentan problemas como retraso en la actualización, resolución espacial limitada e insuficiencia de datos. El desarrollo de la tecnología de teledetección satelital ha proporcionado una nueva perspectiva descendente para el monitoreo del metano atmosférico. El sensor TROPOMI, a bordo del satélite Sentinel-5P, proporciona datos de observación diarios de cobertura global de la concentración de columna de metano atmosférico (XCH4) con una resolución espacial de 7 km × 3,5 km, combinando las ventajas de una amplia cobertura espaciotemporal y una resolución espacial relativamente alta.
Este estudio utiliza datos de observación satelital Sentinel-5P/TROPOMI para analizar las características de variación espaciotemporal del XCH4 en la Cuenca Pérmica, explora el impacto de las actividades de desarrollo de yacimientos petrolíferos en la distribución regional de la concentración de metano y su evolución, y tiene como objetivo proporcionar apoyo científico para el monitoreo y control de las emisiones de metano en las áreas de extracción de petróleo y gas.
Área de estudio
La Cuenca Pérmica, ubicada en el oeste de Texas y el sureste de Nuevo México, es una de las regiones de petróleo y gas más grandes y activas del mundo, con una superficie aproximada de 190 000 a 220 000 kilómetros cuadrados. Múltiples capas de petróleo y gas se superponen verticalmente dentro de la cuenca, contribuyendo con aproximadamente el 44 % de la producción de petróleo crudo de EE. UU. y el 19 % de la producción de gas natural, y cuenta con más de 130 000 pozos activos. La extracción intensiva ha generado importantes emisiones de metano (principalmente por fugas de equipos, venteo de gas asociado y combustión incompleta), con intensidades de emisión de aproximadamente 1,8 % a 2,9 %, y numerosas fuentes puntuales de alta tasa de emisión, lo que la convierte en una región típica para estudiar las variaciones espaciotemporales del metano en los campos de petróleo y gas.
Figura 1.Región de la Cuenca Pérmica (Fuente: Google Satellite)
Métodos de investigación
1. Análisis de estabilidad
El coeficiente de variación (CV) es una medida estadística que refleja la variabilidad de los valores observados. Se calcula como la razón entre la desviación estándar y la media. La fórmula es la siguiente:
En la fórmula, CV es el coeficiente de variación, σ es la desviación estándar y μ es la media. Un valor de CV mayor indica que XCH4 fluctúa más con el tiempo, mientras que un valor de CV menor indica que XCH4 fluctúa menos con el tiempo y es más estable.
2. Índice de Hurst
El índice de Hurst, basado en el análisis de rango estándar (R/S), es un método eficaz para describir cuantitativamente la dependencia a largo plazo de la información de series temporales. Fue propuesto por primera vez por el hidrólogo británico Hurst. Su fórmula de cálculo es la siguiente:
En la fórmula, R es el rango, S es la desviación estándar, c es una constante, los valores observados se dividen en n subsecuencias y m es cualquier entero positivo entre (0, n). El exponente de Hurst (H) varía entre (0, 1) y es un indicador importante para evaluar la durabilidad de los datos de series temporales a largo plazo.
Resultados de la investigación
1. Características de la variación anual de la concentración media de XCH4
La Figura 2 muestra la variación anual promedio de la concentración de metano en la columna atmosférica en la Cuenca Pérmica entre 2020 y 2025, y la Figura 3 muestra la distribución espacial de la concentración anual promedio de XCH4 en la Cuenca Pérmica durante el mismo período. Los resultados indican que la concentración de metano en la columna atmosférica en la Cuenca Pérmica aumentó gradualmente de 1876,34 ppb en 2020 a 1915,88 ppb en 2025, un incremento de 39,54 ppb, con un aumento anual promedio de aproximadamente 7,9 ppb. En general, la concentración de metano se mantiene significativamente más alta que hace cinco años, lo que indica que la presión de emisión regional de metano sigue siendo elevada.
Figura 2. Variación de la concentración media anual de la columna de metano en la Cuenca Pérmica desde 2020 hasta 2025.
Figura 3.Distribución espacial de la concentración media anual de XCH4 en la Cuenca Pérmica, 2020-2025
2. Características de la variación estacional de la concentración media de XCH4
La variación trimestral de la concentración media de metano en la columna atmosférica en la Cuenca Pérmica entre 2020 y 2025 se muestra en la Figura 4, y la distribución espacial de la concentración media trimestral de XCH4 en la Cuenca Pérmica entre 2020 y 2025 se muestra en la Figura 5. Los resultados muestran que la tendencia interanual general de la concentración de metano en la columna atmosférica en la Cuenca Pérmica entre 2020 y 2025 es de aumento gradual, y la concentración en cada trimestre muestra una tendencia ascendente a largo plazo. Por ejemplo, el primer trimestre (Q1) aumentó de 1858,17 ppb en 2020 a 1909,27 ppb en 2025, y el cuarto trimestre (Q4) aumentó de 1886,69 ppb a 1927,46 ppb. En segundo lugar, la concentración de XCH4 muestra un claro patrón de fluctuación estacional: los trimestres Q3 y Q4 suelen ser más altos, mientras que los trimestres Q1 y Q2 son relativamente más bajos, y la concentración es máxima en el cuarto trimestre de cada año.
Figura 4. Variación trimestral de la concentración media de metano en la columna atmosférica en la Cuenca Pérmica, 2020-2025.
II. Análisis de las tendencias de variación de XCH4
El coeficiente de variación (CV) de XCH4 en la Cuenca Pérmica de 2020 a 2025 se muestra en la Figura 6, y la distribución del índice de Hurst de XCH4 en la Cuenca Pérmica de 2020 a 2025 se muestra en la Figura 7. Los resultados muestran que el CV por píxel de la Cuenca Pérmica se distribuye principalmente entre 0,005 y 0,022, lo que indica que la serie temporal de concentración de XCH4 es relativamente estable con bajas fluctuaciones. El índice de Hurst por píxel se distribuye principalmente entre 0,0017 y 0,9984, con una media de 0,59. Las áreas con un índice de Hurst mayor que 0,5 representan el 71,7% del área total, lo que indica una tendencia positiva fuerte y persistente en los cambios futuros de la concentración de XCH4, lo que significa que la tendencia de cambio de XCH4 en la mayoría de las áreas será la misma que en el pasado.
Figura 6.Coeficiente de variación (CV) de XCH4 en la Cuenca Pérmica, 2020–2025
Figura 7. Distribución del índice de Hurst de XCH4 en la Cuenca Pérmica, 2020–2025.
Valor de aplicación industrial
Basándose en las capacidades de monitorización regional XCH4 y análisis de tendencias espaciotemporales del Sentinel-5P, y centrándose en escenarios como el macrocontrol, la predicción de tendencias, la calibración de inventarios y la gestión del cumplimiento, su valor de aplicación es el siguiente:
Las compañías de petróleo y gas reducen las emisiones y aumentan la eficiencia.Basándose en los patrones de variación espacio-temporal del metano en la región, este estudio sirve de guía para la regulación de la intensidad de la minería, la recuperación eficiente del gas asociado y la optimización de la eficiencia de la combustión, contribuyendo así al cumplimiento de la normativa ambiental y a la gestión de la reducción de emisiones a largo plazo.
Regulación gubernamental y gestión del carbono: Calibrar los inventarios regionales de emisiones de metano, mejorar la precisión de la contabilidad de gases de efecto invernadero y apoyar el control ambiental total de las emisiones, la formulación de políticas climáticas y la supervisión atmosférica rutinaria.
Estandarización técnica de la industriaEsto establecerá un proceso estandarizado para la monitorización de metano mediante teledetección satelital en zonas de petróleo y gas, que podrá extenderse a cuencas de petróleo y gas en todo el mundo, promoviendo la aplicación operativa de la monitorización integrada espacio-tierra.
Finanzas verdes y control de riesgosProporciona datos objetivos para la evaluación ESG, el crédito verde y la inversión baja en carbono, y permite la prevención y el control tempranos de los riesgos ambientales basándose en las tendencias de concentración.
gobernanza climática globalProporciona datos científicos a gran escala y a largo plazo que respaldan los objetivos nacionales de neutralidad de carbono, el cumplimiento de las normas climáticas internacionales y la cooperación mundial para la reducción de las emisiones de metano.