勘探目標(biāo)投資優(yōu)化組合新方法

劉 鵬 高 樂(lè) 張厚和 高陽(yáng)東 張錦偉

（1.中海油研究總院有限責(zé)任公司；2.中海石油（中國(guó)）有限公司勘探部）

1 勘探目標(biāo)優(yōu)化投資組合現(xiàn)狀

油氣勘探投資評(píng)價(jià)的關(guān)鍵是回答該勘探項(xiàng)目“是否要進(jìn)行下去”和其后的“開(kāi)發(fā)是否有經(jīng)濟(jì)效益”的問(wèn)題，內(nèi)容包括3個(gè)層次：一是對(duì)基本目標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)、客觀、可靠的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)；二是在多個(gè)目標(biāo)中，選擇最優(yōu)目標(biāo)，預(yù)備可行目標(biāo)，剔除無(wú)效益目標(biāo)；三是對(duì)優(yōu)化選出的目標(biāo)提出若干種勘探方案，分析最佳投資分配方式，進(jìn)行勘探?jīng)Q策，即優(yōu)化勘探投資組合。特別是海上油氣田開(kāi)發(fā)工程方案遠(yuǎn)比陸地復(fù)雜，目前開(kāi)發(fā)模式主要包括獨(dú)立開(kāi)發(fā)、聯(lián)合開(kāi)發(fā)、依托開(kāi)發(fā)，工程方式主要包括全海式、海陸式、依托式，工程設(shè)施涉及平臺(tái)、海底管線、海底電纜、陸上終端、油氣集輸系統(tǒng)等，海上勘探目標(biāo)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)參數(shù)更多、技術(shù)方法難度更大。如果能夠解決這一問(wèn)題，陸上勘探目標(biāo)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)就可以據(jù)此簡(jiǎn)化處理。

勘探目標(biāo)優(yōu)化投資組合，是石油工業(yè)界根據(jù)1952年Markowitz提出的以風(fēng)險(xiǎn)最小為優(yōu)化目標(biāo)的均值—方差模型的證券投資組合理論，對(duì)其深入研究后，在考慮油氣勘探開(kāi)發(fā)產(chǎn)能建設(shè)等項(xiàng)目的特點(diǎn)和可操作性的前提下，建立了勘探開(kāi)發(fā)目標(biāo)（相當(dāng)于證券投資中的股票）優(yōu)選的高效投資組合（收益—風(fēng)險(xiǎn)兩維優(yōu)化）模型，從風(fēng)險(xiǎn)和收益兩個(gè)方面為勘探投資決策提供依據(jù)。

殼牌、?？松葒?guó)際石油公司早在20世紀(jì)60年代就開(kāi)始在石油勘探開(kāi)發(fā)投資評(píng)價(jià)中應(yīng)用優(yōu)化投資組合理論，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益[1]。根據(jù)油氣勘探開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)不僅包括價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)，還有政治、地質(zhì)、技術(shù)、外部環(huán)境等多種風(fēng)險(xiǎn)，以及出售周期長(zhǎng)、投資比重不允許隨意分割等有別于證券投資風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，利用IT技術(shù)，逐步形成了一些成熟勘探開(kāi)發(fā)優(yōu)化投資的計(jì)算方法和軟件，并廣泛應(yīng)用于勘探開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)分析、多項(xiàng)目投資優(yōu)化方面。20世紀(jì)90年代后期，國(guó)內(nèi)三大油公司開(kāi)始關(guān)注和應(yīng)用投資組合理論，引入成熟的商品軟件，并自主研發(fā)應(yīng)用軟件[2]。成熟的勘探投資組合評(píng)價(jià)軟件，其各階段的分析評(píng)價(jià)都是假設(shè)上階段是成功的基礎(chǔ)上再進(jìn)行下去，如地質(zhì)、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)僅限于靜態(tài)假設(shè)，缺少隨勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程而變化的動(dòng)態(tài)分析。

2 過(guò)程模擬新方法的提出

針對(duì)已鉆勘探目標(biāo)的分析普遍認(rèn)為，已證實(shí)成功的勘探目標(biāo)的生、儲(chǔ)、蓋、圈、運(yùn)、保等油氣成藏因素，在石油地質(zhì)理論上都具有類(lèi)似的組合特征?；谧匀坏乩憝h(huán)境的不同，鉆探技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)與開(kāi)發(fā)過(guò)程為勘探開(kāi)發(fā)主要不確定性因素。而同區(qū)帶中的目標(biāo)則有著相對(duì)統(tǒng)一的成藏因素特征和差異較小的自然地理環(huán)境，它們的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和開(kāi)發(fā)過(guò)程的不確定性應(yīng)該有著相對(duì)類(lèi)似的特點(diǎn)。

以此為基礎(chǔ)，把油氣成藏因素分為共享地質(zhì)因素（如生、圈、運(yùn)、保）和獨(dú)立地質(zhì)因素（如儲(chǔ)、蓋）兩大類(lèi)。共享地質(zhì)因素是對(duì)成藏區(qū)帶共性的描述，即在區(qū)帶范圍內(nèi)，那些適用于所有圈閉的地質(zhì)因素，是發(fā)現(xiàn)至少一個(gè)獲得穩(wěn)定油氣流的油氣田規(guī)模所必須滿足的共享地質(zhì)因素，其概率乘積表示為地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)值的共享概率。獨(dú)立地質(zhì)因素是對(duì)成藏區(qū)帶個(gè)性的描述，即在區(qū)帶范圍內(nèi)可能會(huì)局部變化的因素，其存在的可能性用獨(dú)立概率表示[3]。根據(jù)這兩個(gè)概率值對(duì)目標(biāo)群做出最優(yōu)排序。

在設(shè)定終止勘探的邊界條件下，模擬最優(yōu)目標(biāo)的鉆探過(guò)程和結(jié)果。如果模擬最優(yōu)目標(biāo)被證實(shí)不成功，則預(yù)示著排在最優(yōu)目標(biāo)后的其他目標(biāo)也不會(huì)成功；如果模擬證實(shí)最優(yōu)目標(biāo)能成功，再借鑒與其成藏因素、自然地理?xiàng)l件最為接近的油田開(kāi)發(fā)情況，模擬最優(yōu)目標(biāo)的油氣田開(kāi)發(fā)全過(guò)程，完成單一目標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)與收益的綜合評(píng)價(jià)，回答該目標(biāo)是否要投資進(jìn)行下去的問(wèn)題。該過(guò)程將以往獨(dú)立的地質(zhì)評(píng)價(jià)與技術(shù)評(píng)價(jià)融于一體，為建立過(guò)程模擬法優(yōu)化組合模型創(chuàng)造了條件。

為了更加明確這一模擬勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)和收益的關(guān)系，為決策者提供高效組合系列，可將Markowitz理論與這一模擬思路結(jié)合，形成一種全新的勘探目標(biāo)投資組合理論方法，命名為過(guò)程模擬法。

3 過(guò)程模擬法原理

該方法理論的提出是基于前面提到的Markowitz提出的風(fēng)險(xiǎn)收益理論建立的優(yōu)選高效投資組合模型，從風(fēng)險(xiǎn)和收益兩方面為勘探投資決策提供依據(jù)。其模型和約束的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中xi—— 1或者0，如果項(xiàng)目i選中為1，如果項(xiàng)目i未被選中則為0；

f1——風(fēng)險(xiǎn)最小函數(shù)；

f2——效益最大函數(shù)；

ci——目標(biāo)i的期望凈現(xiàn)值；

qi——目標(biāo)i的儲(chǔ)量或產(chǎn)量；

ei——目標(biāo)i的投資；

C——目標(biāo)組合收益均值；

Irri——目標(biāo)i的收益；

Q——目標(biāo)組合的儲(chǔ)量或產(chǎn)量下限；

E——目標(biāo)組合的投資上限；

IRR——目標(biāo)組合可接受的最低收益；

n——待選目標(biāo)總數(shù)；

C——目標(biāo)組合收益最低可接受值。

式（1）、式（2）、式（3）構(gòu)成了模型的目標(biāo)函數(shù)。

目標(biāo)函數(shù)必須受如下條件約束：（1）目標(biāo)組合收益必須在最低可接受范圍內(nèi)；（2）目標(biāo)組合的儲(chǔ)量必須滿足要求儲(chǔ)量的需要；（3）目標(biāo)總投資控制在設(shè)定范圍內(nèi)；（4）每個(gè)目標(biāo)的收益不能低于要求的最低收益。以上4個(gè)約束條件的相應(yīng)表達(dá)式分別是式（6）至式（9）。

過(guò)程模擬法優(yōu)化勘探投資組合評(píng)價(jià)模型，是基于現(xiàn)有優(yōu)化投資組合理論提出一種全新的多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法。特別是，針對(duì)海上油氣田不同的開(kāi)發(fā)模式及其工程方式，建立了特有模型，開(kāi)展區(qū)帶經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)思路見(jiàn)圖1[3-4]。主要實(shí)現(xiàn)方法步驟包括：（1）輸入?yún)?shù)，包括區(qū)帶最小經(jīng)濟(jì)油氣田規(guī)模、共享概率、獨(dú)立概率、干井容限、可供鉆探目標(biāo)數(shù)等；（2）在區(qū)帶下的所有圈閉列表中，隨機(jī)抽取可供鉆探目標(biāo)數(shù)目的圈閉，形成一個(gè)目標(biāo)組，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，與每一個(gè)實(shí)際目標(biāo)的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)比較，判斷地質(zhì)成功或者干井；（3）如果模擬目標(biāo)為地質(zhì)成功，且實(shí)際目標(biāo)資源量大于最小商業(yè)規(guī)模則模擬目標(biāo)商業(yè)成功；（4）如果模擬目標(biāo)地質(zhì)成功，且實(shí)際目標(biāo)資源量大于經(jīng)濟(jì)規(guī)模極限則模擬目標(biāo)為經(jīng)濟(jì)成功；（5）根據(jù)前面的動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果，動(dòng)態(tài)確定經(jīng)濟(jì)目標(biāo)、商業(yè)目標(biāo)的開(kāi)發(fā)工程模式；（6）輸出評(píng)價(jià)結(jié)果，包括鉆探模擬結(jié)果、開(kāi)發(fā)工程模式、開(kāi)發(fā)過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果及區(qū)帶經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果；（7）根據(jù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合目標(biāo)組合約束條件，通過(guò)遺傳算法模擬出高效組合（即最優(yōu)投資組合）。對(duì)于陸上勘探目標(biāo)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，可根據(jù)上述原理簡(jiǎn)化處理，完全適用。

4 應(yīng)用實(shí)例

以中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司某分公司勘探目標(biāo)評(píng)價(jià)與優(yōu)化組合為例，共有21個(gè)圈閉目標(biāo)、41個(gè)層圈閉。實(shí)際鉆探結(jié)果表明，其中9個(gè)獲得商業(yè)油氣發(fā)現(xiàn)和地質(zhì)成功。根據(jù)勘探領(lǐng)域分別設(shè)定勘探目標(biāo)的預(yù)探數(shù)量比例，將勘探投資、儲(chǔ)量、開(kāi)發(fā)投資、產(chǎn)量等因素設(shè)為約束條件，對(duì)21個(gè)目標(biāo)、41個(gè)層圈閉進(jìn)行優(yōu)化組合分析，其高效組合結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖1 過(guò)程模擬法優(yōu)化投資組合評(píng)價(jià)流程

圖2 勘探目標(biāo)投資高效組合

將分析結(jié)果與Merak軟件優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分別選取新模型的3個(gè)方案和Merak的2個(gè)方案。5個(gè)方案中的目標(biāo)60%完全一致，部分方案目標(biāo)一致率達(dá)80%～90%。21個(gè)目標(biāo)的高效組合結(jié)果表明，其中已證實(shí)成功的目標(biāo)約占組合目標(biāo)的70%，證明了該方法與國(guó)外引進(jìn)的權(quán)威商業(yè)軟件的優(yōu)化結(jié)果基本一致，優(yōu)化結(jié)果符合生產(chǎn)實(shí)際。

5 過(guò)程模擬法創(chuàng)新點(diǎn)

過(guò)程模擬法根據(jù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)原則，利用IT強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)與數(shù)值算法，建立了過(guò)程模擬法優(yōu)化組合模型。主要包括4方面優(yōu)點(diǎn)：一是模擬目標(biāo)的勘探開(kāi)發(fā)全過(guò)程來(lái)完成單目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，特別是針對(duì)海上油氣田不同的開(kāi)發(fā)模式及其工程方式的復(fù)雜性建立了特有評(píng)價(jià)模型，使各目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)更加貼近實(shí)際的業(yè)務(wù)開(kāi)展過(guò)程，各階段的評(píng)價(jià)結(jié)果更趨合理；二是單目標(biāo)與同區(qū)帶或同類(lèi)圈閉的勘探經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、方法與結(jié)果趨于統(tǒng)一；三是可以一次完成所有勘探目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，并對(duì)其進(jìn)行篩選和依據(jù)結(jié)果作最優(yōu)排序；四是應(yīng)用所建立的高效投資組合（風(fēng)險(xiǎn)—效益兩維優(yōu)化）模型，從風(fēng)險(xiǎn)和收益兩個(gè)方面為勘探投資決策提供依據(jù)，更加全面、方便、快捷地實(shí)現(xiàn)了勘探投資組合方案的優(yōu)化，為減少勘探投資風(fēng)險(xiǎn)與油田減損增效提供了有效實(shí)用的勘探經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)新方法。

本文所提出的新方法應(yīng)用難點(diǎn)在于區(qū)帶經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)參數(shù)的確定和目標(biāo)優(yōu)選約束條件的設(shè)定。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中不僅需要全面詳實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)需要有具備很好專(zhuān)業(yè)功底的專(zhuān)家對(duì)參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，從而使方法能夠很好地應(yīng)用并服務(wù)于勘探?jīng)Q策。由于目前實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)有限，后續(xù)還需要不斷積累經(jīng)驗(yàn)，對(duì)軟件模型進(jìn)行持續(xù)的改進(jìn)和完善。