天然氣供應(yīng)能力測算方法構(gòu)建及分析軟件開發(fā)

趙素平 陸家亮 黃 誠 劉麗芳

1. 中國石油勘探開發(fā)研究院 2. 西南石油大學(xué)

0 引言

天然氣作為最清潔的化石能源，是現(xiàn)階段我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整最現(xiàn)實(shí)的選擇[1]。天然氣產(chǎn)業(yè)鏈包括上游供氣、中游儲運(yùn)和下游利用，上游供應(yīng)能力是天然氣產(chǎn)業(yè)鏈各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的依據(jù)，也是制定國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要基礎(chǔ)，科學(xué)評價(jià)天然氣供應(yīng)能力對于戰(zhàn)略規(guī)劃部署意義重大。

國外一些跨國石油企業(yè)和咨詢機(jī)構(gòu)如BP、IHS、IEA等經(jīng)過數(shù)年的研究，形成了自己的成熟方法和模型，能夠?qū)θ蛱烊粴夤┬柽M(jìn)行預(yù)測[2-5]，但由于管理模式、發(fā)展階段和數(shù)據(jù)庫完善程度不同，測算方法和指標(biāo)取值與國內(nèi)差別較大。如IHS的測算模型基于盆地資源規(guī)模序列法預(yù)測天然氣新增儲量，利用固定的開發(fā)指標(biāo)（如建產(chǎn)期）進(jìn)行天然氣產(chǎn)量預(yù)測，其靈活性滿足不了國內(nèi)專業(yè)研究的需要；BP、殼牌等機(jī)構(gòu)模型的特點(diǎn)為全球性宏觀分析，針對具體國家和地區(qū)研究精度不夠；美國EIA的NEMS模型基于鉆井?dāng)?shù)量和單井產(chǎn)氣量剖面進(jìn)行預(yù)測[4]，需要龐大的以單井生產(chǎn)資料為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫支持，其方法和模型并不適用于國內(nèi)天然氣數(shù)據(jù)資料特點(diǎn)和預(yù)測流程。國內(nèi)針對天然氣上、下游單項(xiàng)研究技術(shù)較多，如氣藏遞減率、單井產(chǎn)能、需求預(yù)測方法等，但缺乏一體化評價(jià)模型和軟件。

筆者通過全面分析影響天然氣供應(yīng)能力的資源、技術(shù)、需求等各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵因素，以及各因素間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，建立了基于氣田不同開發(fā)階段的產(chǎn)氣量（僅針對國產(chǎn)氣）計(jì)算數(shù)學(xué)模型，國外進(jìn)口氣基于合同參數(shù)測算供應(yīng)能力，統(tǒng)籌考慮經(jīng)濟(jì)性、可靠性等設(shè)定項(xiàng)目優(yōu)選原則，并利用情景規(guī)劃思路研發(fā)了配套軟件。

1 天然氣供應(yīng)能力影響因素

1.1 供應(yīng)能力內(nèi)涵及影響因素

鑒于我國天然氣的產(chǎn)供銷特點(diǎn)[6-7]，本文所述的天然氣供應(yīng)能力是指國內(nèi)氣田生產(chǎn)能力、進(jìn)口管道氣、進(jìn)口LNG能力之和并扣除必要的損耗，能夠供應(yīng)給消費(fèi)市場的能力。

影響天然氣供應(yīng)能力的因素可分為外部因素和天然氣產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)部因素（表1）。外部因素包括社會環(huán)境和能源環(huán)境，其中社會環(huán)境有國家政策、環(huán)境要求等，能源環(huán)境包括能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、可替代能源競爭性等。產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)部因素主要是天然氣資源特點(diǎn)、需求約束等，此外還包括投資、價(jià)格、技術(shù)等條件，以及保證季節(jié)性波動(dòng)、長期供應(yīng)、戰(zhàn)略安全的需求等[8-10]。

表1 天然氣供應(yīng)能力影響因素表

1.2 供應(yīng)能力分析流程

根據(jù)供應(yīng)能力內(nèi)涵，分國產(chǎn)氣、進(jìn)口氣（管道氣＋LNG）兩種氣源類型構(gòu)建分析流程圖（圖1）。

國產(chǎn)氣供應(yīng)能力按照探明儲量和未來新增儲量進(jìn)行分析。探明儲量供應(yīng)能力：如果已經(jīng)編制氣田開發(fā)方案或調(diào)整方案，氣田開發(fā)指標(biāo)采用方案指標(biāo)，沒有方案的氣田開發(fā)指標(biāo)采用類比法確定。新增儲量供應(yīng)能力：首先需要對未來年度新增儲量規(guī)模進(jìn)行預(yù)測，以資源量、資源類型、勘探規(guī)律和勘探指標(biāo)為基礎(chǔ)，測算未來增儲潛力。評價(jià)已探明儲量和未來新增儲量開發(fā)技術(shù)的可行性，如果技術(shù)上能夠開發(fā)，則通過開發(fā)指標(biāo)測算產(chǎn)氣量潛力和商品量潛力，并進(jìn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)性評價(jià)，通過設(shè)定優(yōu)化原則優(yōu)化建產(chǎn)項(xiàng)目，最后累積各開發(fā)項(xiàng)目商品量之和，扣除部分損耗即為國產(chǎn)氣供應(yīng)能力。

進(jìn)口氣按照已簽合同和未簽合同項(xiàng)目進(jìn)行分析。對于有合同的項(xiàng)目按照合同約定給出供應(yīng)潛力，無合同的通過可靠性、經(jīng)濟(jì)性、戰(zhàn)略性評價(jià)優(yōu)選進(jìn)口氣新增項(xiàng)目，最終得出進(jìn)口氣供應(yīng)能力。

2 天然氣供應(yīng)能力分析方法

根據(jù)我國現(xiàn)有供氣特點(diǎn)，天然氣供應(yīng)能力分析方法主要包括進(jìn)口氣、國產(chǎn)氣供應(yīng)能力分析方法，以及在供大于求或開發(fā)投資不足時(shí)必須進(jìn)行的天然氣供應(yīng)項(xiàng)目優(yōu)化方法。

進(jìn)口氣供應(yīng)能力分析的主要依據(jù)是已簽合同和有供氣意向氣源。我國簽訂的大多為照付不議合同，所以進(jìn)口氣供應(yīng)能力主要是將已有合同和供氣意向的項(xiàng)目，根據(jù)合同協(xié)定供氣量按照時(shí)間序列進(jìn)行疊加，再考慮一部分現(xiàn)貨交易量。進(jìn)口氣供氣參數(shù)包括起始年份、合同年限、年供氣量、氣價(jià)等，進(jìn)口氣參數(shù)多采用合同約定數(shù)值，不涉及方法模型的構(gòu)建，此不贅述。

以下重點(diǎn)介紹國產(chǎn)氣項(xiàng)目供應(yīng)能力測算方法和供氣項(xiàng)目優(yōu)化方法。

2.1 國產(chǎn)氣供應(yīng)能力測算方法

從分析流程圖來看，國產(chǎn)氣供應(yīng)測算的兩個(gè)核心是未來新增儲量潛力預(yù)測和產(chǎn)氣量潛力預(yù)測。

新增儲量預(yù)測方法主要有生命模型法、油田規(guī)模序列法、重點(diǎn)領(lǐng)域剖析法等[11-14]。國家、公司層面一般采用生命模型法較多，但具體到盆地用得較多的則是重點(diǎn)領(lǐng)域剖析法。筆者采用生命模型法（包括HCZ模型、Compertz模型、Hubbert模型、翁氏模型）進(jìn)行儲量預(yù)測，需要的數(shù)據(jù)包括資源量、資源探明率和歷史新增儲量等。生命模型法預(yù)測新增儲量已有成熟的數(shù)學(xué)模型可以借用[11-12]，本文不再詳細(xì)論證。

國產(chǎn)氣產(chǎn)量預(yù)測方法主要包括資源采氣速度法、生命模型法、儲采比控制法、項(xiàng)目構(gòu)成法等[12-14]。其中項(xiàng)目構(gòu)成法最精確，需要龐大的勘探開發(fā)數(shù)據(jù)支撐，適合專業(yè)預(yù)測，本文采用項(xiàng)目構(gòu)成法研究思路，重點(diǎn)對具體評價(jià)參數(shù)和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行構(gòu)建[15-16]，以下對此方法論證過程進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

項(xiàng)目構(gòu)成法是以投入開發(fā)的項(xiàng)目或氣田為基本單位，以可采儲量為基礎(chǔ)，按開發(fā)規(guī)律和開發(fā)指標(biāo)預(yù)測氣田不同開發(fā)階段的產(chǎn)氣量，然后根據(jù)氣田穩(wěn)產(chǎn)方式計(jì)算產(chǎn)能建設(shè)和投資需求，通常中高滲透整裝氣藏采用單井穩(wěn)產(chǎn)模式，頁巖氣、致密氣等低滲透復(fù)雜氣藏采用井間接替模式[17-19]，產(chǎn)能建設(shè)投資測算結(jié)果用于經(jīng)濟(jì)評價(jià)和項(xiàng)目優(yōu)化，其關(guān)鍵在于單氣田/項(xiàng)目產(chǎn)氣量預(yù)測。項(xiàng)目構(gòu)成法需要準(zhǔn)備的開發(fā)參數(shù)為：可采儲量、采氣速度或開發(fā)方案設(shè)計(jì)產(chǎn)能、建產(chǎn)期、穩(wěn)產(chǎn)期或穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度、廢棄產(chǎn)量、單井遞減率等。

2.1.1 氣田開發(fā)階段劃定及特點(diǎn)

氣田的開發(fā)周期通?？煞譃槿齻€(gè)階段：①上產(chǎn)期，新井不斷投產(chǎn)，產(chǎn)氣量逐漸上升；②穩(wěn)產(chǎn)期，產(chǎn)氣量達(dá)到最高值并保持較長時(shí)間穩(wěn)產(chǎn)；③遞減期，由于地層有效驅(qū)動(dòng)能量衰竭，導(dǎo)致產(chǎn)氣量逐年下降，直到現(xiàn)有的技術(shù)條件已無法從氣藏中采出天然氣為止（圖2）。

2.1.2 氣田不同開發(fā)階段產(chǎn)氣量計(jì)算方法

2.1.2.1 上產(chǎn)期產(chǎn)氣量

一般情況下，氣田的上產(chǎn)期時(shí)間較短，通過不斷地投產(chǎn)新井，以達(dá)到設(shè)計(jì)的最大產(chǎn)氣量。

上產(chǎn)期內(nèi)，年產(chǎn)氣能力等于當(dāng)年新建產(chǎn)能與前期建成產(chǎn)能在當(dāng)年的總產(chǎn)氣量之和（扣除遞減后），計(jì)算公式為：

式中Qi表示第i年產(chǎn)氣量，108m3；PCet表示上年末產(chǎn)能，108m3；PCin表示當(dāng)年新建產(chǎn)能，108m3；Rqc表示新建產(chǎn)能當(dāng)年貢獻(xiàn)率。

2.1.2.2 穩(wěn)產(chǎn)期產(chǎn)氣量

穩(wěn)產(chǎn)期是氣田開發(fā)的黃金時(shí)期，這時(shí)的產(chǎn)氣量達(dá)到最大值。隨著地層有效驅(qū)動(dòng)能量的逐步衰減，最大產(chǎn)氣量將逐漸失去維持的條件，產(chǎn)氣量也將開始遞減。

式中PCmax表示氣田穩(wěn)產(chǎn)期產(chǎn)氣量，108m3；GR表示評價(jià)可動(dòng)用技術(shù)可采儲量，108m3；vgGR表示可采儲量采氣速度。

2.1.2.3 遞減期產(chǎn)氣量

判定氣田進(jìn)入遞減期的方法有以下兩種：

1）利用穩(wěn)產(chǎn)期進(jìn)行判定：若對氣田的穩(wěn)產(chǎn)持續(xù)時(shí)間有較大把握時(shí)，可利用穩(wěn)產(chǎn)期指標(biāo)，確定進(jìn)入遞減期的時(shí)間。即當(dāng)生產(chǎn)年數(shù)（i）滿足如下條件時(shí)，認(rèn)為氣田已進(jìn)入遞減期：

i＞項(xiàng)目投產(chǎn)年份＋建產(chǎn)期年限＋穩(wěn)產(chǎn)期年限－2 （3）

2）利用穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度進(jìn)行判定：當(dāng)年累計(jì)采出程度滿足如下條件時(shí)，認(rèn)為氣田已進(jìn)入遞減期。

式中Rgi表示第i年累計(jì)采出程度；Rgt表示穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度。

遞減期產(chǎn)氣量確定的關(guān)鍵參數(shù)是遞減率，在油氣田生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析中，常將油氣田產(chǎn)氣量遞減率（Dc）定義為：

式中Qi表示當(dāng)年產(chǎn)氣量，108m3；Qi-1表示上年產(chǎn)氣量，108m3。

若令氣田在遞減期內(nèi)的總采出氣量為GD，而穩(wěn)產(chǎn)期末的產(chǎn)氣量為Q0（即遞減期產(chǎn)氣量的初值），氣田廢棄產(chǎn)氣量為QT，氣田遞減期的年數(shù)為T，則上述變量的含義和關(guān)系如圖3所示。

將公式（14）代入公式（6），即可求出產(chǎn)氣項(xiàng)目在遞減期內(nèi)的產(chǎn)氣量。

國產(chǎn)氣第i年的供應(yīng)潛力即為第i年各開發(fā)項(xiàng)目的商品氣量（產(chǎn)氣量與商品率乘積）之和扣除部分損耗，即

式中Gsi表示第i年天然氣供應(yīng)量，108m3；N表示氣田或項(xiàng)目數(shù)量；Qni表示n氣田在第i年的產(chǎn)氣量，108m3；Rcn表示n氣田的商品率；Qgl表示損耗氣量，108m3。

2.2 供氣項(xiàng)目優(yōu)化方法

在供大于求或開發(fā)投資不足時(shí)，需要優(yōu)選供氣項(xiàng)目以形成效益最優(yōu)、可靠程度最高、最有利于可持續(xù)發(fā)展的供應(yīng)方案。項(xiàng)目優(yōu)化是指以經(jīng)濟(jì)效益、開發(fā)階段、項(xiàng)目可靠性、能源戰(zhàn)略安全為優(yōu)化原則，對供氣項(xiàng)目進(jìn)行排序優(yōu)化。

2.2.1 供氣項(xiàng)目評分原則

供氣項(xiàng)目的優(yōu)選評分指標(biāo)包括：固定選擇權(quán)（是否為必選項(xiàng)目）、項(xiàng)目可靠程度、開發(fā)階段、財(cái)務(wù)評價(jià)指標(biāo)、收益優(yōu)先級等。

2.2.1.1 進(jìn)口氣項(xiàng)目評分

進(jìn)口氣項(xiàng)目通過經(jīng)濟(jì)評價(jià)后，有經(jīng)濟(jì)效益的項(xiàng)目被篩選出來，可以成為供氣來源。根據(jù)天然氣進(jìn)口合同的簽訂與否，賦予不同的評分指標(biāo)值：①未簽訂合同的項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益要達(dá)標(biāo)才能納入優(yōu)化序列；②固定選擇權(quán)，已簽合同項(xiàng)目優(yōu)先，預(yù)測期項(xiàng)目其次；③可靠程度高者優(yōu)先；④經(jīng)濟(jì)收益好者優(yōu)先。

2.2.1.2 國產(chǎn)氣項(xiàng)目評分

國產(chǎn)氣項(xiàng)目通過經(jīng)濟(jì)評價(jià)后，有經(jīng)濟(jì)效益的項(xiàng)目被篩選出來，可以成為供氣來源。根據(jù)項(xiàng)目投產(chǎn)與否，賦予不同的評分指標(biāo)值：①開發(fā)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益要達(dá)標(biāo)才能納入優(yōu)化序列；②固定選擇權(quán)，已開發(fā)優(yōu)先，未開發(fā)、未來新增其次；③可靠程度高者優(yōu)先；④經(jīng)濟(jì)收益好者優(yōu)先。

2.2.2 供氣項(xiàng)目優(yōu)選

在開發(fā)投資規(guī)模小于氣田/項(xiàng)目建產(chǎn)投資需求規(guī)模時(shí)，或者供需趨勢供大于求時(shí)，將所有供氣項(xiàng)目按上述評分排隊(duì)，從高到低選取供氣項(xiàng)目。其中，已簽進(jìn)口氣項(xiàng)目、已開發(fā)氣田的優(yōu)先級高于未簽進(jìn)口氣項(xiàng)目、未開發(fā)氣田和未來新增儲量。固定選擇權(quán)同一級別的，可靠程度高的優(yōu)先。可靠程度同一級別的，經(jīng)濟(jì)效益好的優(yōu)先?？紤]進(jìn)口氣照付不議供氣特點(diǎn)和能源戰(zhàn)略安全[20]，同等條件下優(yōu)先選擇已簽合同進(jìn)口氣。參與優(yōu)選的項(xiàng)目按此順序進(jìn)行排序。

3 天然氣供應(yīng)能力分析軟件研發(fā)及應(yīng)用

3.1 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)分析需要，軟件設(shè)計(jì)新增儲量預(yù)測、供應(yīng)潛力預(yù)測、經(jīng)濟(jì)評價(jià)、情景分析（含投資約束功能）4個(gè)功能模塊（圖4）。

3.2 軟件功能

該軟件可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)測算不同情景下儲量潛力、供應(yīng)潛力，以及基于供應(yīng)潛力分析和投資約束條件下的項(xiàng)目優(yōu)化和供應(yīng)方案計(jì)算。圖5為某盆地6個(gè)氣田在無約束情景、效益約束情景（內(nèi)部收益率大于10%）、效益＋投資約束情景（內(nèi)部收益率大于10%，投資240億元）下的供應(yīng)潛力，分別為792×108m3/a、349×108m3/a、92×108m3/a，軟件根據(jù)約束條件和氣田效益情況進(jìn)行項(xiàng)目優(yōu)化，再計(jì)算出供應(yīng)潛力。

可以根據(jù)需要建立供氣項(xiàng)目樹形結(jié)構(gòu)，并匯總、評價(jià)、分析各節(jié)點(diǎn)的供應(yīng)能力，能夠科學(xué)、快速評價(jià)國家、公司、氣田不同層面的新增儲量潛力、產(chǎn)氣量潛力和供應(yīng)能力（圖6）?？梢詫Ξa(chǎn)氣量潛力、供應(yīng)能力評價(jià)結(jié)果進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)（圖7）。根據(jù)研究目的，可以實(shí)現(xiàn)不同氣藏類型、儲量類型、開發(fā)類型、供氣來源、產(chǎn)氣區(qū)域、效益分段等供應(yīng)構(gòu)成分類統(tǒng)計(jì)。

3.3 軟件優(yōu)點(diǎn)

1）多種方法靈活選擇。新增儲量預(yù)測、國產(chǎn)氣項(xiàng)目穩(wěn)產(chǎn)期產(chǎn)氣量、經(jīng)濟(jì)評價(jià)參數(shù)都設(shè)置了多種方法供選擇，多種方法靈活選擇功能提高了軟件的可操作性。

2）計(jì)算速度快、準(zhǔn)確。軟件計(jì)算速度快，可大幅提高工作效率，降低人為誤差和計(jì)算失誤。完成同樣的評價(jià)工作量，此前需要數(shù)周時(shí)間，在具備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的條件下，應(yīng)用該軟件幾分鐘就能完成數(shù)據(jù)導(dǎo)入、評價(jià)計(jì)算、圖形展示等工作。

3.4 實(shí)例測算

2016—2017年課題組利用該軟件測算了中國國產(chǎn)氣產(chǎn)量趨勢[21]，預(yù)測的“十三五”末國內(nèi)天然氣年產(chǎn)量介于 1 750×108～ 1 850×108m3，與實(shí)際吻合程度高，預(yù)測“十四五”末年產(chǎn)氣量介于2 100×108～24 50×108m3，符合目前開發(fā)趨勢；預(yù)測2035年產(chǎn)氣量介于2 800×108～3 300×108m3（表2）。這些預(yù)測結(jié)果被行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可采納。

表2 中國天然氣產(chǎn)量預(yù)測結(jié)果表[19]

4 結(jié)論

1）天然氣供應(yīng)能力受資源基礎(chǔ)、投資規(guī)模、勘探開發(fā)節(jié)奏、開發(fā)技術(shù)、成本氣價(jià)、政策法規(guī)、多氣源優(yōu)化等多方面因素的影響。通過構(gòu)建供應(yīng)能力分析流程，優(yōu)選生命模型法預(yù)測新增儲量規(guī)模；優(yōu)選項(xiàng)目構(gòu)成法并構(gòu)建數(shù)學(xué)模型預(yù)測產(chǎn)氣量規(guī)模；選擇凈現(xiàn)值和內(nèi)部收益率作為經(jīng)濟(jì)評價(jià)指標(biāo)；統(tǒng)籌考慮國內(nèi)外資源建立基于項(xiàng)目可靠性、經(jīng)濟(jì)性、戰(zhàn)略安全性的項(xiàng)目優(yōu)化方法，并利用情景規(guī)劃思路編制了供應(yīng)能力分析軟件。

2）供應(yīng)能力分析軟件設(shè)置了多種計(jì)算方法，可針對研究需要靈活選擇。對于新增儲量模塊，可選擇生命模型法進(jìn)行預(yù)測或者直接錄入規(guī)劃數(shù)值；對于國產(chǎn)氣產(chǎn)量潛力分析模塊，有開發(fā)方案的氣田采用穩(wěn)產(chǎn)年限、穩(wěn)產(chǎn)期規(guī)模等開發(fā)指標(biāo)預(yù)測氣田產(chǎn)量，而若無開發(fā)方案的氣田和未來新增儲量則通過類比同類型氣田采氣速度、穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度等參數(shù)測算氣田產(chǎn)氣量。供氣項(xiàng)目排序時(shí)可選擇內(nèi)部收益率或凈現(xiàn)值作為經(jīng)濟(jì)優(yōu)化指標(biāo)。

3）應(yīng)用該方法和軟件的關(guān)鍵是勘探開發(fā)參數(shù)的科學(xué)取值及對未來氣價(jià)、成本走勢的正確判斷，需多角度咨詢相關(guān)專業(yè)人士的觀點(diǎn)，并可以對不確定性參數(shù)設(shè)定情景，形成多情景天然氣供應(yīng)方案。

4）本文構(gòu)建的方法和軟件基于中國天然氣評價(jià)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)庫特點(diǎn)，通過對不同類型氣田、不同進(jìn)口氣源單獨(dú)計(jì)算并匯總，可以有效提高預(yù)測精度；軟件可以對多節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靈活計(jì)算，可大幅提高計(jì)算速度，降低人為誤差；供氣目標(biāo)多功能分類統(tǒng)計(jì)，能夠充分展示供應(yīng)方案的構(gòu)成特點(diǎn)。