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趙素平1 陸家亮1 黃 誠2 劉麗芳1
1. 中國石油勘探開發(fā)研究院
2. 西南石油大學
摘要:為了構建適合我國天然氣產(chǎn)業(yè)實際的天然氣供應能力測算方法和相關軟件，分析了影響天然氣供應能力的外部因素和天然氣產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)部因素，分別考慮國產(chǎn)氣、進口氣（管道氣＋ LNG）兩種氣源類型，構建了供應能力分析流程，統(tǒng)籌考慮國內(nèi)外資源情況建立了基于項目可靠性、經(jīng)濟性、戰(zhàn)略安全性的項目優(yōu)化方法，并利用情景規(guī)劃思路編制了供應能力分析軟件。研究結果表明：①天然氣供應能力受資源基礎、投資規(guī)模、勘探開發(fā)節(jié)奏、開發(fā)技術、成本、氣價、政策法規(guī)、多氣源優(yōu)化等多方面因素的影響；②所構建的測算方法模型符合我國天然氣供應能力評價實際和現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫資料的特點，通過對不同類型氣田、不同進口氣源單獨計算并匯總到公司、國家層面，可以大幅度提高預測的精度；③供應能力分析軟件設置了多種計算方法，可以針對研究需要靈活選擇，對于新增儲量模塊，可以選擇生命模型法進行預測或者直接錄入規(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)指標預測氣田產(chǎn)量，而無開發(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)來測算氣田產(chǎn)氣量。結論認為，該研究成果可以有效地提高天然氣供應能力預測的精度和效率。
關鍵詞:天然氣；供應能力；測算方法；軟件開發(fā)；國產(chǎn)氣；進口氣；新增儲量預測；產(chǎn)氣量預測
0 引言
1.1 供應能力內(nèi)涵及影響因素
1.2 供應能力分析流程
根據(jù)供應能力內(nèi)涵，分國產(chǎn)氣、進口氣（管道氣＋ LNG）兩種氣源類型構建分析流程圖（圖1）。
國產(chǎn)氣供應能力按照探明儲量和未來新增儲量進行分析。探明儲量供應能力：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)指標采用方案指標， 沒有方案的氣田開發(fā)指標采用類比法確定。新增儲量供應能力：首先需要對未來年度新增儲量規(guī)模進行預測，以資源量、資源類型、勘探規(guī)律和勘探指標為基礎，測算未來增儲潛力。評價已探明儲量和未來新增儲量開發(fā)技術的可行性，如果技術上能夠開發(fā)，則通過開發(fā)指標測算產(chǎn)氣量潛力和商品量潛力，并進行可靠性、經(jīng)濟性評價，通過設定優(yōu)化原則優(yōu)化建產(chǎn)項目，最后累積各開發(fā)項目商品量之和， 扣除部分損耗即為國產(chǎn)氣供應能力。
進口氣按照已簽合同和未簽合同項目進行分析。對于有合同的項目按照合同約定給出供應潛力，無合同的通過可靠性、經(jīng)濟性、戰(zhàn)略性評價優(yōu)選進口氣新增項目，最終得出進口氣供應能力。
2 天然氣供應能力分析方法
根據(jù)我國現(xiàn)有供氣特點，天然氣供應能力分析方法主要包括進口氣、國產(chǎn)氣供應能力分析方法，以及在供大于求或開發(fā)投資不足時必須進行的天然氣供應項目優(yōu)化方法。
進口氣供應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， 所以進口氣供應能力主要是將已有合同和供氣意向的項目，根據(jù)合同協(xié)定供氣量按照時間序列進行疊加，再考慮一部分現(xiàn)貨交易量。進口氣供氣參數(shù)包括起始年份、合同年限、年供氣量、氣價等，進口氣參數(shù)多采用合同約定數(shù)值，不涉及方法模型的構建，此不贅述。
以下重點介紹國產(chǎn)氣項目供應能力測算方法和供氣項目優(yōu)化方法。
2.1 國產(chǎn)氣供應能力測算方法
從分析流程圖來看，國產(chǎn)氣供應測算的兩個核心是未來新增儲量潛力預測和產(chǎn)氣量潛力預測。
新增儲量預測方法主要有生命模型法、油田規(guī)模序列法、重點領域剖析法等[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領域剖析法。筆者采用生命模型法（包括HCZ模型、Compertz模型、Hubbert模型、翁氏模型）進行儲量預測，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。生命模型法預測新增儲量已有成熟的數(shù)學模型可以借用[11-12]，本文不再詳細論證。
國產(chǎn)氣產(chǎn)量預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、項目構成法等[12-14]。其中項目構成法最精確，需要龐大的勘探開發(fā)數(shù)據(jù)支撐，適合專業(yè)預測，本文采用項目構成法研究思路，重點對具體評價參數(shù)和數(shù)學模型進行構建[15-16]，以下對此方法論證過程進行重點介紹。
項目構成法是以投入開發(fā)的項目或氣田為基本單位，以可采儲量為基礎，按開發(fā)規(guī)律和開發(fā)指標預測氣田不同開發(fā)階段的產(chǎn)氣量，然后根據(jù)氣田穩(wěn)產(chǎn)方式計算產(chǎn)能建設和投資需求，通常中高滲透整裝氣藏采用單井穩(wěn)產(chǎn)模式，頁巖氣、致密氣等低滲透復雜氣藏采用井間接替模式[17-19]，產(chǎn)能建設投資測算結果用于經(jīng)濟評價和項目優(yōu)化，其關鍵在于單氣田/項目產(chǎn)氣量預測。項目構成法需要準備的開發(fā)參數(shù)為：可采儲量、采氣速度或開發(fā)方案設計產(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。
氣田的開發(fā)周期通常可分為三個階段：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)氣量達到最高值并保持較長時間穩(wěn)產(chǎn)；③遞減期，由于地層有效驅動能量衰竭，導致產(chǎn)氣量逐年下降，直到現(xiàn)有的技術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)氣量計算方法
一般情況下，氣田的上產(chǎn)期時間較短，通過不斷地投產(chǎn)新井，以達到設計的最大產(chǎn)氣量。
上產(chǎn)期內(nèi)，年產(chǎn)氣能力等于當年新建產(chǎn)能與前期建成產(chǎn)能在當年的總產(chǎn)氣量之和（扣除遞減后）， 計算公式為：
穩(wěn)產(chǎn)期是氣田開發(fā)的黃金時期，這時的產(chǎn)氣量達到最大值。隨著地層有效驅動能量的逐步衰減，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。
判定氣田進入遞減期的方法有以下兩種：
1）利用穩(wěn)產(chǎn)期進行判定：若對氣田的穩(wěn)產(chǎn)持續(xù)時間有較大把握時，可利用穩(wěn)產(chǎn)期指標，確定進入遞減期的時間。即當生產(chǎn)年數(shù)（i）滿足如下條件時， 認為氣田已進入遞減期：
2）利用穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度進行判定：當年累計采出程度滿足如下條件時，認為氣田已進入遞減期。
遞減期產(chǎn)氣量確定的關鍵參數(shù)是遞減率，在油氣田生產(chǎn)動態(tài)分析中，常將油氣田產(chǎn)氣量遞減率（Dc） 定義為：
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系如圖3 所示。
由圖3 可得出，遞減期內(nèi)第i 年的產(chǎn)氣量為：
將公式（14）代入公式（6），即可求出產(chǎn)氣項目在遞減期內(nèi)的產(chǎn)氣量。
國產(chǎn)氣第i 年的供應潛力即為第i 年各開發(fā)項目的商品氣量（產(chǎn)氣量與商品率乘積）之和扣除部分損耗，即
在供大于求或開發(fā)投資不足時，需要優(yōu)選供氣項目以形成效益最優(yōu)、可靠程度最高、最有利于可持續(xù)發(fā)展的供應方案。項目優(yōu)化是指以經(jīng)濟效益、開發(fā)階段、項目可靠性、能源戰(zhàn)略安全為優(yōu)化原則，對供氣項目進行排序優(yōu)化。
2.2.1 供氣項目評分原則
供氣項目的優(yōu)選評分指標包括：固定選擇權（是否為必選項目）、項目可靠程度、開發(fā)階段、財務評價指標、收益優(yōu)先級等。
進口氣項目通過經(jīng)濟評價后，有經(jīng)濟效益的項目被篩選出來，可以成為供氣來源。根據(jù)天然氣進口合同的簽訂與否，賦予不同的評分指標值：①未簽訂合同的項目經(jīng)濟效益要達標才能納入優(yōu)化序列；②固定選擇權，已簽合同項目優(yōu)先，預測期項目其次；③可靠程度高者優(yōu)先；④經(jīng)濟收益好者優(yōu)先。
國產(chǎn)氣項目通過經(jīng)濟評價后，有經(jīng)濟效益的項目被篩選出來，可以成為供氣來源。根據(jù)項目投產(chǎn)與否，賦予不同的評分指標值：①開發(fā)項目經(jīng)濟效益要達標才能納入優(yōu)化序列；②固定選擇權，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)濟收益好者優(yōu)先。
2.2.2 供氣項目優(yōu)選
在開發(fā)投資規(guī)模小于氣田/項目建產(chǎn)投資需求規(guī)模時，或者供需趨勢供大于求時，將所有供氣項目按上述評分排隊，從高到低選取供氣項目。其中，已簽進口氣項目、已開發(fā)氣田的優(yōu)先級高于未簽進口氣項目、未開發(fā)氣田和未來新增儲量。固定選擇權同一級別的，可靠程度高的優(yōu)先。可靠程度同一級別的，經(jīng)濟效益好的優(yōu)先。考慮進口氣照付不議供氣特點和能源戰(zhàn)略安全[20]，同等條件下優(yōu)先選擇已簽合同進口氣。參與優(yōu)選的項目按此順序進行排序。
3 天然氣供應能力分析軟件研發(fā)及應用
3.1 軟件設計
根據(jù)分析需要，軟件設計新增儲量預測、供應潛力預測、經(jīng)濟評價、情景分析（含投資約束功能）4個功能模塊（圖4）。
3.2 軟件功能
該軟件可以實現(xiàn)單獨測算不同情景下儲量潛力、供應潛力，以及基于供應潛力分析和投資約束條件下的項目優(yōu)化和供應方案計算。圖5為某盆地6個氣田在無約束情景、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）下的供應潛力，分別為792×108 m3/a、349×108 m3/a、92×108 m3/a，軟件根據(jù)約束條件和氣田效益情況進行項目優(yōu)化，再計算出供應潛力。
可以根據(jù)需要建立供氣項目樹形結構，并匯總、評價、分析各節(jié)點的供應能力，能夠科學、快速評價國家、公司、氣田不同層面的新增儲量潛力、產(chǎn)氣量潛力和供應能力（圖6）。可以對產(chǎn)氣量潛力、供應能力評價結果進行分類統(tǒng)計（圖7）。根據(jù)研究目的，可以實現(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、效益分段等供應構成分類統(tǒng)計。
3.3 軟件優(yōu)點
1）多種方法靈活選擇。新增儲量預測、國產(chǎn)氣項目穩(wěn)產(chǎn)期產(chǎn)氣量、經(jīng)濟評價參數(shù)都設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）計算速度快、準確。軟件計算速度快，可大幅提高工作效率，降低人為誤差和計算失誤。完成同樣的評價工作量，此前需要數(shù)周時間，在具備基礎數(shù)據(jù)庫的條件下，應用該軟件幾分鐘就能完成數(shù)據(jù)導入、評價計算、圖形展示等工作。
3.4 實例測算
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]，預測的“十三五”末國內(nèi)天然氣年產(chǎn)量介于1 750×108 ～ 1 850×108 m3， 與實際吻合程度高，預測“十四五”末年產(chǎn)氣量介于 2 100×108 ～ 24 50×108 m3，符合目前開發(fā)趨勢；預測2035年產(chǎn)氣量介于2 800×108～3 300×108 m3 （表 2）。這些預測結果被行業(yè)內(nèi)普遍認可采納。
表2 中國天然氣產(chǎn)量預測結果表[19]
4 結論
1）天然氣供應能力受資源基礎、投資規(guī)模、勘探開發(fā)節(jié)奏、開發(fā)技術、成本氣價、政策法規(guī)、多氣源優(yōu)化等多方面因素的影響。通過構建供應能力分析流程，優(yōu)選生命模型法預測新增儲量規(guī)模；優(yōu)選項目構成法并構建數(shù)學模型預測產(chǎn)氣量規(guī)模；選擇凈現(xiàn)值和內(nèi)部收益率作為經(jīng)濟評價指標；統(tǒng)籌考慮國內(nèi)外資源建立基于項目可靠性、經(jīng)濟性、戰(zhàn)略安全性的項目優(yōu)化方法，并利用情景規(guī)劃思路編制了供應能力分析軟件。
2）供應能力分析軟件設置了多種計算方法，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行預測或者直接錄入規(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)指標預測氣田產(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。供氣項目排序時可選擇內(nèi)部收益率或凈現(xiàn)值作為經(jīng)濟優(yōu)化指標。
3）應用該方法和軟件的關鍵是勘探開發(fā)參數(shù)的科學取值及對未來氣價、成本走勢的正確判斷，需多角度咨詢相關專業(yè)人士的觀點，并可以對不確定性參數(shù)設定情景，形成多情景天然氣供應方案。
4）本文構建的方法和軟件基于中國天然氣評價經(jīng)驗和數(shù)據(jù)庫特點，通過對不同類型氣田、不同進口氣源單獨計算并匯總，可以有效提高預測精度；軟件可以對多節(jié)點進行靈活計算，可大幅提高計算速度，降低人為誤差；供氣目標多功能分類統(tǒng)計，能夠充分展示供應方案的構成特點。
