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Analyse des caractéristiques de variation spatio-temporelle de la concentration de méthane dans le bassin permien
Contexte de la recherche
L'identification et la quantification précises des caractéristiques des émissions de méthane dans les régions pétrolières et gazières sont indispensables à l'élaboration de mesures de réduction des émissions pertinentes. La surveillance traditionnelle des émissions de méthane repose principalement sur des méthodes statistiques d'inventaire ascendantes, qui présentent des inconvénients tels que le délai de mise à jour des données, une résolution spatiale limitée et une précision insuffisante. Le développement de la télédétection satellitaire a ouvert une nouvelle perspective descendante pour la surveillance du méthane atmosphérique. Le capteur TROPOMI, embarqué à bord du satellite Sentinel-5P, fournit quotidiennement des données d'observation de la concentration de méthane dans la colonne atmosphérique (XCH4) à l'échelle mondiale, avec une résolution spatiale de 7 km × 3,5 km, combinant ainsi les avantages d'une couverture spatio-temporelle étendue et d'une résolution spatiale relativement élevée.
Cette étude utilise les données d'observation du satellite Sentinel-5P/TROPOMI pour analyser les caractéristiques de variation spatio-temporelle du XCH4 dans le bassin permien, explore l'impact des activités de développement des champs pétrolifères sur la distribution régionale de la concentration de méthane et son évolution, et vise à fournir un soutien scientifique pour la surveillance et le contrôle des émissions de méthane dans les zones d'extraction de pétrole et de gaz.
Zone d'étude
Le bassin permien, situé à l'ouest du Texas et au sud-est du Nouveau-Mexique, est l'une des régions pétrolières et gazières les plus vastes et les plus exploitées au monde, couvrant une superficie d'environ 190 000 à 220 000 kilomètres carrés. De multiples couches de pétrole et de gaz se superposent verticalement au sein du bassin, contribuant à environ 44 % de la production américaine de pétrole brut et à 19 % de la production de gaz naturel, et comptant plus de 130 000 puits actifs. L'extraction intensive a entraîné d'importantes émissions de méthane (principalement dues aux fuites d'équipements, aux émissions de gaz associés et à la combustion incomplète), avec des intensités d'émission d'environ 1,8 % à 2,9 %, et de nombreuses sources ponctuelles à fort taux d'émission, ce qui en fait une région typique pour l'étude des variations spatio-temporelles du méthane dans les champs pétroliers et gaziers.
Figure 1.Région du bassin permien (Source : Google Satellite)
Méthodes de recherche
1. Analyse de stabilité
Le coefficient de variation (CV) est une mesure statistique qui reflète la variabilité des valeurs observées. Il se calcule comme le rapport de l'écart type à la moyenne. La formule est la suivante :
Dans cette formule, CV représente le coefficient de variation, σ l'écart type et μ la moyenne. Un CV élevé indique une plus grande variabilité de XCH4 au fil du temps, tandis qu'un CV faible indique une plus grande stabilité de XCH4.
2. Indice de Hurst
L'indice de Hurst, basé sur l'analyse de l'étendue standard (R/S), est une méthode efficace pour décrire quantitativement la dépendance à long terme des séries temporelles. Il a été proposé initialement par l'hydrologue britannique Hurst. Sa formule de calcul est la suivante :
Dans la formule, R représente l'étendue, S l'écart type, c une constante, les valeurs observées sont divisées en n sous-séquences, et m un entier positif compris entre 0 et n. L'exposant de Hurst (H) varie entre 0 et 1 et constitue un indicateur important pour évaluer la robustesse des données de séries temporelles à long terme.
Résultats de la recherche
1. Caractéristiques de variation annuelle de la concentration moyenne de XCH4
La figure 2 présente l'évolution annuelle moyenne de la concentration de méthane dans la colonne atmosphérique du bassin permien de 2020 à 2025, tandis que la figure 3 illustre la distribution spatiale de cette concentration moyenne annuelle (XCH4) dans le même bassin sur la même période. Les résultats montrent une augmentation progressive de la concentration de méthane dans la colonne atmosphérique du bassin permien, passant de 1 876,34 ppb en 2020 à 1 915,88 ppb en 2025, soit une hausse de 39,54 ppb, avec une augmentation annuelle moyenne d'environ 7,9 ppb. Globalement, la concentration de méthane demeure nettement supérieure à celle d'il y a cinq ans, ce qui indique que la pression d'émission de méthane à l'échelle régionale reste élevée.
Figure 2. Variation de la concentration moyenne annuelle de la colonne de méthane dans le bassin permien de 2020 à 2025.
Figure 3.Répartition spatiale de la concentration moyenne annuelle de XCH4 dans le bassin permien, 2020-2025
2. Caractéristiques de variation saisonnière de la concentration moyenne de XCH4
La variation trimestrielle moyenne de la concentration de méthane dans la colonne de gaz du bassin permien entre 2020 et 2025 est illustrée par la figure 4, tandis que la distribution spatiale de cette concentration moyenne trimestrielle (XCH4) est présentée par la figure 5. Les résultats montrent une tendance interannuelle globale à la hausse de la concentration de méthane dans la colonne de gaz du bassin permien entre 2020 et 2025, avec une augmentation progressive sur le long terme. Par exemple, la concentration au premier trimestre (T1) est passée de 1 858,17 ppb en 2020 à 1 909,27 ppb en 2025, et celle du quatrième trimestre (T4) de 1 886,69 ppb à 1 927,46 ppb. Deuxièmement, la concentration de XCH4 présente un schéma de fluctuation saisonnière clair : les concentrations des troisième et quatrième trimestres sont souvent plus élevées, tandis que celles des premier et deuxième trimestres sont relativement plus faibles, et la concentration est la plus élevée au quatrième trimestre de chaque année.
Figure 4. Variation trimestrielle moyenne de la concentration de méthane dans la colonne du bassin permien, 2020-2025
II. Analyse des tendances de variation du XCH4
Le coefficient de variation (CV) du XCH4 dans le bassin permien de 2020 à 2025 est présenté sur la figure 6, et la distribution de l'indice de Hurst du XCH4 dans le bassin permien de 2020 à 2025 est présentée sur la figure 7. Les résultats montrent que le CV par pixel du bassin permien se situe principalement entre 0,005 et 0,022, ce qui indique une relative stabilité de la série temporelle des concentrations de XCH4, avec de faibles fluctuations. L'indice de Hurst par pixel se situe principalement entre 0,0017 et 0,9984, avec une moyenne de 0,59. Les zones présentant un indice de Hurst supérieur à 0,5 représentent 71,7 % de la superficie totale, ce qui indique une forte tendance positive et persistante des variations futures de la concentration de XCH4. Autrement dit, la tendance d'évolution du XCH4 dans la plupart des zones restera similaire à celle observée par le passé.
Figure 6.Coefficient de variation (CV) du XCH4 dans le bassin permien, 2020-2025
Figure 7. Distribution de l'indice de Hurst du XCH4 dans le bassin permien, 2020-2025.
valeur d'application industrielle
S’appuyant sur les capacités de surveillance régionale XCH4 et d’analyse des tendances spatio-temporelles de Sentinel-5P, et axées sur des scénarios tels que le macro-contrôle, la prévision des tendances, l’étalonnage des stocks et la gestion de la conformité, sa valeur d’application est la suivante :
Les entreprises pétrolières et gazières réduisent leurs émissions et augmentent leur efficacité.En se basant sur les variations spatio-temporelles du méthane dans la région, on peut orienter la régulation de l'intensité minière, la récupération efficace du gaz associé et l'optimisation de l'efficacité de la combustion, contribuant ainsi au respect des normes environnementales et à la gestion à long terme de la réduction des émissions.
Réglementation gouvernementale et gestion du carbone: Pour calibrer les inventaires régionaux des émissions de méthane, améliorer la précision de la comptabilisation des gaz à effet de serre et soutenir le contrôle des émissions totales environnementales, l'élaboration de politiques climatiques et la surveillance atmosphérique de routine.
normalisation technique industrielleCela permettra d'établir un processus standardisé pour la surveillance par télédétection satellitaire du méthane dans les zones pétrolières et gazières, qui pourra être étendu aux bassins pétroliers et gaziers du monde entier, favorisant ainsi l'application opérationnelle d'une surveillance intégrée espace-sol.
Finance verte et contrôle des risquesElle fournit des données objectives pour l'évaluation ESG, le crédit vert et l'investissement à faible émission de carbone, et permet la prévention et le contrôle précoces des risques environnementaux en fonction des tendances de concentration.
gouvernance climatique mondialeElle fournit un soutien scientifique à long terme et à grande échelle en matière de données pour les objectifs nationaux de neutralité carbone, la conformité aux normes climatiques internationales et la coopération mondiale en matière de réduction des émissions de méthane.