Un nouveau système basé sur la spectroscopie à peigne de fréquence est conçu pour surveiller en permanence les fuites de méthane dans les zones de production de pétrole et de gaz. (a) Le système mesure l'absorption de gaz à l'aide d'un réseau de faisceaux laser longue distance (jaune dans l'illustration du bas). Il enregistre l'évolution des concentrations de gaz au cours du temps (b) puis utilise des modèles atmosphériques pour calculer l'emplacement de la fuite et son taux d'émission (c). Crédit :Sean Coburn, Université du Colorado à Boulder
Les chercheurs ont mené les premiers tests sur le terrain d'un nouveau système laser capable de localiser avec précision l'emplacement de très petites fuites de méthane sur une superficie de plusieurs kilomètres carrés. La nouvelle technologie pourrait un jour être utilisée pour surveiller en permanence les fuites de méthane coûteuses et dangereuses sur les sites de production de pétrole et de gaz.
En tant que composant principal du gaz naturel, le méthane peut fuir pendant la production normale de pétrole et de gaz ou par des fuites inconnues dans l'infrastructure de production. Ces fuites coûtent non seulement de l'argent aux sociétés pétrolières et gazières, mais contribuent également au changement climatique et peuvent être dangereuses pour les personnes. Aujourd'hui, une personne ou une équipe doit se rendre sur différents sites pour vérifier les fuites avec une caméra spéciale sensible au méthane à courte distance. Cette approche prend du temps et pourrait manquer des fuites de méthane qui sont de nature intermittente.
"Notre approche permet aux mesures d'être autonomes, qui permet une surveillance continue d'une zone, " a déclaré le co-auteur principal de l'étude Sean Coburn, de l'Université du Colorado à Boulder. « Cette technologie pourrait jouer un rôle important dans la réduction des émissions de méthane des activités de production, atténuer les tensions entre le développement urbain et la production de pétrole et de gaz et aider à éviter des catastrophes comme la fuite de stockage de méthane d'Aliso Canyon en 2015 qui a libéré 90, 000 tonnes de méthane dans l'atmosphère."
Dans Optique , Le journal de l'Optical Society pour la recherche à fort impact, chercheurs de l'Université du Colorado, le National Institute of Standards and Technology (NIST) et la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) ont montré que leur système peut détecter de manière unique les lentes, fuites de méthane de faible volume à un kilomètre de distance dans un environnement extérieur. Ils ont démontré que le système peut détecter les fuites avec un débit équivalent à seulement 25 % du rythme respiratoire au repos d'une personne.
La méthode pourrait également être utilisée pour mesurer d'autres gaz afin de fournir de nouvelles informations sur la pollution de l'air.
"Notre système est basé sur la spectroscopie laser à peigne de fréquence, qui découle des travaux lauréats du prix Nobel de Jan Hall à l'Université du Colorado, " dit Coburn. " En raison des progrès récents, nous avons pu sortir cette technologie du laboratoire et l'utiliser sur le terrain pour la première fois. La combinaison de cette technique de spectroscopie de précision avec de nouvelles méthodes de calcul nous a permis de localiser les sources de méthane et de déterminer les taux d'émission avec une sensibilité et une portée inégalées. »
Cette tête optique contient le système de lancement laser qui lance la lumière laser vers des rétroréflecteurs situés à 1 kilomètre. Il est montré en train de fonctionner lors d'un test mené à l'installation d'essai de Table Mountain dans le Colorado. Crédit :Sean Coburn, Université du Colorado à Boulder
Rapide, analyse précise
Le méthane et d'autres gaz absorbent la lumière à des longueurs d'onde infrarouges spécifiques, créant un spectre d'absorption qui peut être utilisé comme une empreinte digitale pour détecter les gaz dans l'air. Le nouveau système utilise un faisceau laser à balayage avec des réflecteurs discrets placés autour du champ pour déterminer la quantité de méthane dans l'air qui coupe chaque trajet du faisceau. La comparaison des mesures de deux trajets de faisceau laser montre si une fuite est présente dans la zone entre les trajets. L'emplacement exact et la taille de la fuite sont déterminés à l'aide de méthodes nouvellement développées qui utilisent des modèles atmosphériques qui simulent la façon dont les gaz se déplacent dans la zone au moment de la mesure.
Un élément clé du système est un laser à peigne de fréquence, qui émet des centaines de milliers de longueurs d'onde infrarouges, plutôt que celle émise par les lasers traditionnels. L'utilisation de ce type de laser pour la spectroscopie permet des mesures rapides sur une large gamme de longueurs d'onde avec une très haute résolution, ce qui s'est avéré important pour distinguer les gaz qui absorbent à des longueurs d'onde similaires tels que le méthane et l'eau.
"Le changement de concentration de méthane sous le vent d'une petite fuite est à peu près le même que le changement de méthane dû à la dilution par la vapeur d'eau qui se produit lorsqu'une tempête de pluie commence, " a expliqué Grégory Rieker, chercheur principal sur le projet de développement de la technologie de détection du méthane. « La spectroscopie en peigne à fréquence laser nous permet simultanément, et avec précision, mesurer la vapeur d'eau et le méthane. Cela nous permet de corriger l'eau dans l'air, ce qui est essentiel pour détecter de très petites augmentations de méthane sur une grande surface."
Le système calcule également la concentration de méthane de fond, qui peut changer au fur et à mesure que le vent tourne. Ceci est essentiel pour distinguer une petite fuite d'un changement dans la concentration globale de méthane dans l'air.
« Une grande partie des émissions de méthane qui contribuent aux émissions de gaz à effet de serre provenant du pétrole et du gaz proviendrait de fuites intermittentes, " a déclaré Caroline Alden, co-auteur principal de l'étude. « Pour détecter et analyser ces types de fuites en continu, nous avons développé des méthodes de calcul qui fournissent un historique de la variation des émissions au fil du temps. »
Des chercheurs ont utilisé la spectroscopie laser à peigne de fréquence pour détecter les gaz atmosphériques sur le terrain pour la première fois. L'illustration montre les « dents » de deux lasers à peigne de fréquence déployés sur le terrain interférant les uns avec les autres pour sonder les gaz atmosphériques dans de grandes régions. Crédit :Des chercheurs ont utilisé pour la première fois la spectroscopie laser à peigne de fréquence pour détecter les gaz atmosphériques sur le terrain. L'illustration montre.
Mesures de méthane en extérieur
Les chercheurs ont fait la démonstration du système dans une série de tests conçus pour imiter des scénarios qui pourraient être rencontrés dans un champ de pétrole et de gaz. Ils ont logé le laser à peigne de fréquence dans une remorque mobile et ont généré plusieurs trajets de faisceaux qui couvraient chacun environ un kilomètre jusqu'à un réflecteur à faible coût.
Pour une expérience, les chercheurs ont configuré le système pour quantifier une petite fuite contrôlée à environ 1 kilomètre de la remorque mobile et à 50 mètres des faisceaux laser. En plus de déterminer quand la fuite contrôlée était active et comment les taux d'émission ont changé sur 20 heures, les chercheurs ont démontré des mesures d'émissions aussi faibles que 2 grammes par minute.
Dans un autre essai, ils ont placé cinq fuites potentielles de méthane à divers endroits entre plusieurs chemins de faisceau laser. Les chercheurs ont pu identifier les sources de fuite et déterminer les taux d'émission de ces fuites.
En plus de continuer à affiner le système et à le tester dans divers scénarios, les chercheurs prévoient de travailler avec des partenaires de l'industrie pour voir comment le système fonctionnera sur les sites réels de production de pétrole et de gaz. En collaboration avec la société dérivée Longpath Technologies, ils veulent commercialiser la technologie en tant que service de détection pour l'industrie pétrolière et gazière.
