油氣藏勘探目標(biāo)評(píng)價(jià)與投資組合優(yōu)選

付兆輝，秦偉軍，蔡利學(xué)，張中華

( 1.電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；2.中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083 )

0 引 言

近年來(lái)，中國(guó)對(duì)石油、天然氣的需求不斷增長(zhǎng)，油氣勘探領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，勘探對(duì)象逐漸多元化、復(fù)雜化，勘探工作需要在收集、分析大量地質(zhì)和地球物理信息的基礎(chǔ)上，利用經(jīng)濟(jì)和計(jì)算機(jī)等技術(shù)方法，建立統(tǒng)一決策平臺(tái)，分析勘探風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行科學(xué)的決策與合理的部署，以實(shí)現(xiàn)勘探的效益化。在石油公司勘探?jīng)Q策過(guò)程中，降低勘探風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)化勘探投資成為決策的主要內(nèi)容。

1 油氣藏勘探目標(biāo)評(píng)價(jià)內(nèi)容及模型

1.1 油氣藏勘探目標(biāo)評(píng)價(jià)范圍及內(nèi)容

早期的油氣勘探目標(biāo)評(píng)價(jià)主要是圍繞地質(zhì)因素開展評(píng)價(jià)[1-2]。20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)外石油公司針對(duì)預(yù)探區(qū)帶、圈閉、油氣藏3類勘探目標(biāo)，嘗試采用風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)和投資組合理論相結(jié)合進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，提高油氣勘探成效[3-4]。 Peter Rose提出了地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析和投資決策理念；20世紀(jì)90年代末又出現(xiàn)了TrapDES、OE等圈閉優(yōu)選評(píng)價(jià)系統(tǒng)；近年來(lái)，國(guó)外石油公司廣泛采用儲(chǔ)量商業(yè)價(jià)值評(píng)價(jià)技術(shù)對(duì)油氣藏開展評(píng)價(jià)。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)勘探目標(biāo)評(píng)價(jià)研究也有了較大進(jìn)展。針對(duì)預(yù)探區(qū)帶和圈閉2類勘探目標(biāo)評(píng)價(jià)，出現(xiàn)了一些新的研究成果[5-6]，但在油氣藏目標(biāo)評(píng)價(jià)方面開展的研究較少。目前石油公司仍然基于傳統(tǒng)的勘探程序和認(rèn)識(shí)部署勘探評(píng)價(jià)井，而沒有對(duì)地質(zhì)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行深入研究。這就忽視了地質(zhì)、經(jīng)濟(jì)等因素的不確定性帶來(lái)的鉆探風(fēng)險(xiǎn)，而這恰恰是評(píng)價(jià)井失利或沒有開發(fā)效益的主要原因。

此次所研究的油氣藏勘探目標(biāo)，是指為開展油氣藏評(píng)價(jià)描述而部署鉆探的油氣藏目標(biāo)。與傳統(tǒng)的靜態(tài)油氣藏相區(qū)別，油氣藏評(píng)價(jià)目標(biāo)強(qiáng)調(diào)資源風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)性，是一個(gè)動(dòng)態(tài)概念。

1.2 評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

在區(qū)帶、圈閉等勘探目標(biāo)評(píng)價(jià)優(yōu)選研究過(guò)程中，部分國(guó)內(nèi)學(xué)者積極探索形成了以風(fēng)險(xiǎn)分析-資源價(jià)值為核心的勘探目標(biāo)優(yōu)選決策模型[7-8]。

在油氣藏勘探目標(biāo)評(píng)價(jià)過(guò)程中，可以借鑒風(fēng)險(xiǎn)分析-資源價(jià)值優(yōu)選決策模型框架。但由于油氣藏勘探評(píng)價(jià)階段已有油氣發(fā)現(xiàn)，并可能上報(bào)了預(yù)測(cè)儲(chǔ)量，因此，該階段資源價(jià)值應(yīng)修正為“儲(chǔ)量?jī)r(jià)值”，模型進(jìn)而演化為“風(fēng)險(xiǎn)分析-儲(chǔ)量?jī)r(jià)值”模型。同時(shí)，因?yàn)橛蜌獠卦u(píng)價(jià)目標(biāo)落實(shí)程度要高于圈閉目標(biāo)，所以需要更加詳細(xì)地評(píng)價(jià)模型和指標(biāo)體系，進(jìn)行儲(chǔ)量?jī)r(jià)值的估算，并進(jìn)行投資組合分析。

2 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

對(duì)某石油公司2015年評(píng)價(jià)井失利原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表1)。結(jié)果表明，評(píng)價(jià)井失利原因可以歸納為4類[9-10]，失利的主要地質(zhì)因素為圈閉、儲(chǔ)層、油氣充注和保存條件。

表1 評(píng)價(jià)井失利分類及地質(zhì)原因解析

2.2 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)表征

綜合國(guó)內(nèi)外開展風(fēng)險(xiǎn)分析的技術(shù)方法，提出油氣藏勘探目標(biāo)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)用“油氣藏鉆探成功概率”來(lái)表征，其含義是當(dāng)油氣圈閉鉆獲工業(yè)油氣流后，在有效圈閉區(qū)內(nèi)部署鉆探的評(píng)價(jià)井獲得工業(yè)油氣流的概率。油氣藏是已有探井證實(shí)發(fā)現(xiàn)了油氣的圈閉，必須同時(shí)具備有效圈閉、有效儲(chǔ)層、有效充注、有效保存4個(gè)成藏條件(圖1)。這4項(xiàng)條件互相獨(dú)立、缺一不可。根據(jù)概率論原理，相互獨(dú)立事件同時(shí)發(fā)生的概率等于每一事件單獨(dú)發(fā)生概率的乘積，通過(guò)對(duì)油氣圈閉4項(xiàng)成藏條件的地質(zhì)分析和概率賦值，可以定量評(píng)價(jià)油氣藏勘探目標(biāo)鉆探成功的可能性。

圖1 油氣藏評(píng)價(jià)鉆探成功4要素匹配圖

油氣藏勘探目標(biāo)鉆探成功概率可表征為：

P鉆探成功=P圈閉條件·P儲(chǔ)層條件·P充注條件·P保存條件

(1)

式中：P鉆探成功為鉆探成功的概率；P圈閉條件為圈閉存在且完整的概率；P儲(chǔ)層條件為儲(chǔ)層存在且連續(xù)的概率；P充注條件為運(yùn)移和充注存在且有效的概率；P保存條件為蓋層存在且有效的概率。

油氣藏評(píng)價(jià)過(guò)程中部署的評(píng)價(jià)井，都是針對(duì)已有預(yù)探井證實(shí)有油氣發(fā)現(xiàn)的層系進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，油氣藏評(píng)價(jià)鉆探目標(biāo)可以以單目標(biāo)的方式出現(xiàn)，也

可以以有成因聯(lián)系的油氣藏群方式出現(xiàn)，而且后者更為普遍。因此，勘探優(yōu)選和決策時(shí)，既需要對(duì)單目標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，也需要對(duì)油氣藏鉆探目標(biāo)群開展評(píng)價(jià)。其中，單目標(biāo)評(píng)價(jià)是基礎(chǔ)，采用式(1)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

目標(biāo)群評(píng)價(jià)則是針對(duì)多個(gè)油氣藏單目標(biāo)開展評(píng)價(jià)，多個(gè)單目標(biāo)地質(zhì)要素的相關(guān)性普遍存在，尤其是儲(chǔ)層的發(fā)育和烴類的充注相關(guān)性非常高。因此，在計(jì)算目標(biāo)群鉆探成功發(fā)生概率時(shí)，首先要判斷各單目標(biāo)之間的相關(guān)性，即有無(wú)共同的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)或有無(wú)共享的概率因素?！澳繕?biāo)群鉆探成功概率”用至少一個(gè)單目標(biāo)鉆探成功發(fā)生的概率來(lái)表征。若各單目標(biāo)相互獨(dú)立，則計(jì)算公式為：

(2)

式中 ：Pi鉆探成功為某一單目標(biāo)鉆探成功的概率。

若目標(biāo)群之間具有相關(guān)性，即有共享的風(fēng)險(xiǎn)概率因素，則其鉆探成功的概率表征為：

(3)

式中：P共享為2個(gè)有相關(guān)性因素的共享概率；P共享=Pa·Pb；Pa、Pb為有相關(guān)性因素的概率；Px鉆探成功為某一目標(biāo)群其他條件的概率乘積。

2.3 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造特征，在建立地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系過(guò)程中，圈閉、儲(chǔ)層、充注及保存條件4項(xiàng)主因素，根據(jù)物理性質(zhì)及橫向變化情況等，又可分解成9項(xiàng)因子。其所包含的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)見表2。

表2 評(píng)價(jià)目標(biāo)鉆探成功發(fā)生概率評(píng)價(jià)參數(shù)體系

2.4 概率賦值原則

概率賦值主要根據(jù)對(duì)地質(zhì)特征的認(rèn)識(shí)程度以及資料的豐富程度進(jìn)行?？偟脑瓌t是：有更多的資料證明某地質(zhì)條件的存在性，此地質(zhì)因素可賦值較高，位于[1.0，0.8)之間；如果可證明某地質(zhì)條件存在的資料越少，賦值范圍就越低，可根據(jù)情況賦值[0.8，0.0)；若有資料證明某地質(zhì)條件不存在的，則可直接賦值為0.0。

在4類地質(zhì)主因素分別賦值后，根據(jù)式(1)，可以計(jì)算出單目標(biāo)油氣藏的鉆探成功概率；根據(jù)式(2)、(3)，可計(jì)算出多目標(biāo)油氣藏群的鉆探成功概率。

3 儲(chǔ)量?jī)r(jià)值評(píng)價(jià)與投資組合優(yōu)選

3.1 儲(chǔ)量風(fēng)險(xiǎn)分析

評(píng)價(jià)模型的第2個(gè)主要方面是儲(chǔ)量?jī)r(jià)值。儲(chǔ)量?jī)r(jià)值的計(jì)算基礎(chǔ)是儲(chǔ)量，根據(jù)國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，儲(chǔ)量計(jì)算用蒙特卡洛模擬法更為準(zhǔn)確[11]。蒙特卡洛模擬法總體思路是對(duì)油氣藏含油氣面積、油氣層有效厚度、單儲(chǔ)系數(shù)等儲(chǔ)量計(jì)算參數(shù)進(jìn)行論證，在構(gòu)建各參數(shù)分布函數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)隨機(jī)模擬和迭代，擬合出儲(chǔ)量累計(jì)概率曲線，并得到不同概率值的對(duì)應(yīng)儲(chǔ)量，得出的是油氣藏一個(gè)合理的儲(chǔ)量分布范圍。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)油氣藏實(shí)際情況，確定合理的采收率，計(jì)算出油氣藏的可采儲(chǔ)量。

蒙特卡洛模擬計(jì)算的儲(chǔ)量有平均值、標(biāo)準(zhǔn)方差、Swanson均值及P90、P75、P50、P25、P10等各種結(jié)果。借鑒國(guó)內(nèi)外石油公司的成熟技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，選取Swanson均值作為儲(chǔ)量?jī)r(jià)值評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。Swanson均值代表了儲(chǔ)量最佳估值，公式為：

PSwanson=0.3P90+0.4P50+0.3P10

(4)

式中：PSwanson為Swanson均值；P90為油氣藏鉆探評(píng)價(jià)有90%概率能獲得的儲(chǔ)量；P50為油氣藏鉆探評(píng)價(jià)有50%概率能獲得的儲(chǔ)量；P10為油氣藏鉆探評(píng)價(jià)有10%概率能獲得的儲(chǔ)量。

3.2 儲(chǔ)量?jī)r(jià)值計(jì)算

儲(chǔ)量?jī)r(jià)值計(jì)算的目的是判斷在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)條件下油氣藏投入開發(fā)后的經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)外通行的是采用現(xiàn)金流評(píng)價(jià)法，國(guó)內(nèi)近些年也大多應(yīng)用該方法。通過(guò)投資、成本等指標(biāo)，建立項(xiàng)目現(xiàn)金流入、流出模型，應(yīng)用評(píng)價(jià)期分年度現(xiàn)金流入、流出及行業(yè)基準(zhǔn)收益率，進(jìn)行效益指標(biāo)測(cè)算。測(cè)算指標(biāo)中最直觀的是凈現(xiàn)值，亦即評(píng)價(jià)模型中的“儲(chǔ)量?jī)r(jià)值”。

將現(xiàn)金流原理應(yīng)用于油氣藏勘探目標(biāo)評(píng)價(jià)項(xiàng)目中，以油氣藏的模擬開發(fā)方案為基礎(chǔ)，測(cè)算現(xiàn)金流出項(xiàng)、流入項(xiàng)指標(biāo)。其中，流入項(xiàng)主要為分年度的油氣產(chǎn)量銷售收入，其與產(chǎn)量模型相關(guān)；流出項(xiàng)包括分年度開發(fā)鉆井及地面建設(shè)投資及成本?；谏鲜鲈?，可以構(gòu)建現(xiàn)金流模型：

(5)

式中：NPV為凈現(xiàn)值，104元；CI為現(xiàn)金流入量，104元；CO為現(xiàn)金流出量，104元；ic為基準(zhǔn)收益率；t為時(shí)間序列數(shù)(取值1，2……T)；T為項(xiàng)目評(píng)價(jià)期時(shí)間，a。

3.3 投資組合優(yōu)選

美國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)家Markowitz提出投資組合理論，包含均值-方差分析方法和投資組合有效邊界模型2個(gè)重要內(nèi)容。均值是指投資組合的期望收益率，是單目標(biāo)的期望收益率的加權(quán)平均，權(quán)重為相應(yīng)的投資比例。方差是指投資組合的收益率的方差，收益率的標(biāo)準(zhǔn)方差刻畫了投資組合的風(fēng)險(xiǎn)。

利用投資組合原理，進(jìn)行油氣藏鉆探目標(biāo)評(píng)價(jià)和優(yōu)選，需要解決收益問題和風(fēng)險(xiǎn)問題[12]?？紤]到風(fēng)險(xiǎn)和收益相互影響，也考慮多目標(biāo)帶來(lái)多個(gè)組合的情況，在油氣藏鉆探目標(biāo)完成地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和價(jià)值評(píng)價(jià)后，可以初步進(jìn)行一次目標(biāo)過(guò)濾。一般對(duì)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)和價(jià)值評(píng)價(jià)設(shè)一個(gè)門檻值(如凈現(xiàn)值NPV≥0)，達(dá)不到門檻值的目標(biāo)舍棄，減少參與組合的目標(biāo)數(shù)量。然后采用蒙特卡羅法對(duì)不同目標(biāo)進(jìn)行模擬抽樣，進(jìn)行油氣藏鉆探目標(biāo)優(yōu)化組合。在投資總量約束條件下的投資組合計(jì)算，需對(duì)每個(gè)目標(biāo)提交2個(gè)參數(shù)：一個(gè)是儲(chǔ)量?jī)r(jià)值期望值E(r)，亦即投資組合價(jià)值，實(shí)際計(jì)算過(guò)程中采用NPV表示；另一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)方差σ(r)，亦即風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)際計(jì)算過(guò)程中采用標(biāo)準(zhǔn)方差。以這2個(gè)基礎(chǔ)參數(shù)作“投資組合價(jià)值-風(fēng)險(xiǎn)”分布圖(圖2)，畫出有效前沿曲線(圖2中各種投資組合散點(diǎn)前沿形成的曲線)，并在前沿曲線上尋找最優(yōu)組合。

其中，有效前沿曲線基于以下思路和公式得出[13]：達(dá)到門檻值的油氣藏目標(biāo)為N個(gè)，N個(gè)目標(biāo)形成所有組合的集合中，假定S是其中的可行集合(滿足約束條件的組合構(gòu)成的集合)，如果其中存在一個(gè)有效子集r(p)，在給定的方差中，r(p)在S中具有最大的期望收益，則計(jì)算公式為：

圖2投資組合收益-風(fēng)險(xiǎn)分布及有效前沿曲線

(6)

式中：max[E(rp)]為最大期望收益；E(rt)為不同組合的期望收益。

在給定的期望經(jīng)濟(jì)可采儲(chǔ)量中，r(p)在S中具有最小方差(或標(biāo)準(zhǔn)差)，計(jì)算公式如下：

(7)

式中：min[σ2(rp)]為最小方差；COV(rirj)為不同組合的方差。

則稱r(p)為有效前沿。從有效前沿的性質(zhì)知道，可先從目標(biāo)可行集中找到有效前沿(有效組合)，然后投資者只需在有效前沿上選出一個(gè)最優(yōu)目標(biāo)組合即可(最優(yōu)組合)。最優(yōu)組合處在有效前沿曲線斜率最大的切點(diǎn)附近，如圖2上的001-better5點(diǎn)。越過(guò)該點(diǎn)，價(jià)值變大，但伴隨的風(fēng)險(xiǎn)(標(biāo)準(zhǔn)方差)也增大。確定最優(yōu)投資組合，從而實(shí)現(xiàn)效益最大化、風(fēng)險(xiǎn)最小化，為高勘探?jīng)Q策提供依據(jù)[14-15]。

4 應(yīng)用實(shí)例

以2016年某石油公司計(jì)劃鉆探的17個(gè)氣藏目標(biāo)為例，利用該方法進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)選，執(zhí)行氣藏鉆探目標(biāo)評(píng)價(jià)優(yōu)選決策流程，提出氣藏評(píng)價(jià)勘探部署建議。前期評(píng)價(jià)在完成地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析、可采儲(chǔ)量計(jì)算和儲(chǔ)量?jī)r(jià)值計(jì)算后，對(duì)17個(gè)油氣藏目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化投資組合分析。根據(jù)石油公司勘探戰(zhàn)略和下年度評(píng)價(jià)規(guī)劃，給出的投資組合約束條件是：方案需新增天然氣可采儲(chǔ)量大于500×108m3；勘探投資控制在10×108元以內(nèi)；根據(jù)戰(zhàn)略布局，zsh1、zsh2、zsh4、zsh7、zsh15、zsh17號(hào)目標(biāo)具有戰(zhàn)略突破意義，可優(yōu)先考慮。在組合優(yōu)化時(shí)，根據(jù)各目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，采用蒙特卡羅法對(duì)不同方案進(jìn)行模擬抽樣。用線性優(yōu)選算法產(chǎn)生多達(dá)11 000個(gè)可能的鉆探目標(biāo)組合，作收益-風(fēng)險(xiǎn)分布圖及有效前沿曲線圖。在有效前沿曲線切線斜率突變點(diǎn)附近，優(yōu)選投資組合最佳方案。

根據(jù)石油公司穩(wěn)定發(fā)展的勘探戰(zhàn)略，最終傾向于選擇更加保險(xiǎn)的投資組合。表3中優(yōu)選了除zsh8、zsh11外的其他15個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)組合，經(jīng)過(guò)評(píng)價(jià)，最后一列組合風(fēng)險(xiǎn)最小，可采儲(chǔ)量和NPV居中。因此，優(yōu)先推薦該組合為油氣藏評(píng)價(jià)鉆探部署方案。

5 結(jié) 論

(1) 構(gòu)建了油氣藏鉆探目標(biāo)“地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)-儲(chǔ)量?jī)r(jià)值”評(píng)價(jià)模型，評(píng)價(jià)模型符合國(guó)際技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，符合石油公司效益勘探的發(fā)展方向。

(2) 油氣藏評(píng)價(jià)目標(biāo)優(yōu)選模型包括地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析與儲(chǔ)量?jī)r(jià)值分析2部分內(nèi)容。“油氣藏鉆探成功概率”表征油氣藏鉆探目標(biāo)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，可分為4個(gè)主因素：圈閉、儲(chǔ)層、油氣充注、保存條件?！皟?chǔ)量?jī)r(jià)值”用凈現(xiàn)值來(lái)表征，采用蒙特卡洛模擬法，擬合出儲(chǔ)量累計(jì)概率曲線，得出合理的儲(chǔ)量分布范圍，并采用現(xiàn)金流評(píng)價(jià)法，計(jì)算油氣藏開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。

表3 鉆探目標(biāo)評(píng)價(jià)前基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)結(jié)果

注：地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)概率取值為0～1，鉆探成功概率取值為1減去地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)概率。

(3) 利用投資組合原理，在石油公司發(fā)展戰(zhàn)略和投資總量約束條件下，進(jìn)行油氣藏評(píng)價(jià)目標(biāo)優(yōu)化組合，計(jì)算儲(chǔ)量?jī)r(jià)值期望值和標(biāo)準(zhǔn)差，并作“收益-風(fēng)險(xiǎn)”分布圖和有效前沿曲線，在有效前沿曲線切線斜率突變點(diǎn)附近，確定最佳投資組合。

(4) 利用優(yōu)選模型和投資組合原理，對(duì)某石油公司17個(gè)油氣藏評(píng)價(jià)目標(biāo)的部署方案進(jìn)行了優(yōu)選，最優(yōu)組合為除zsh8、zsh11外的其他15個(gè)目標(biāo)組合，該組合風(fēng)險(xiǎn)最小，可采儲(chǔ)量和NPV居中。

(5) 通過(guò)構(gòu)建油氣藏評(píng)價(jià)目標(biāo)優(yōu)選模型和實(shí)踐優(yōu)選，確立完善了符合油氣經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展要求的鉆探目標(biāo)評(píng)價(jià)體系，推動(dòng)了油氣勘探向效益勘探轉(zhuǎn)型，對(duì)油氣藏勘探評(píng)價(jià)及投資組合優(yōu)選具有一定的指導(dǎo)意義。