能源投入回報值(EROI)評價方法及其在我國大慶油田的應用

胡 燕,馮連勇,齊 超,李 銳

(1.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院，北京100083；2. 中國石油大學(北京)工商管理學院，北京102249；3. 北京市燃氣集團，北京 100082)

Energy Return on Investment稱為能源投入回報值，簡稱EROI，是一種評價能源生產的新方法。以往能源生產的可行性分析大多以現金流、利潤率等作為評價指標，以追求經濟效益為目的。隨著化石能源稀缺性及其對經濟限制性作用的凸顯，這些以貨幣為單位的衡量方法忽略了能源生產過程中對能源的消耗，不能完全評價自然資源開采的真正價值。EROI方法同時計算了能源產出和能源投入，既能夠評價能源生產的效率和價值，還能得出為社會提供的真正能源量，即凈能源量，而非總產量。

EROI方法在凈能源分析方法的基礎上發展起來。最早在1949年，White描述了凈能源對人類文明的重要性[1]。1955年，Cottrell[2]又說明凈能源對經濟社會的重要作用。1973年，Odum[3]提出，對于整個物種來講具有真正價值的是凈能源。1981年，Hall[4]在Science雜志上發表文章，不僅闡述了凈能源思想，而且還提出了單位“努力”(鉆井進尺)的石油產量這一指標，EROI的概念隱含其中。同年，Hall等人[5]正式提出EROI概念，并在1982年將其應用到美國石油領域的研究中來[6]。1984年，Cleveland等[7]繼續在Science雜志發表文章，對EROI提出了更為系統的探討。綜合1984～2012年學術界對EROI方法的研究發現：EROI的定義形式多樣，但表達的基本含義相同[8]；化石能源EROI值雖然較高但呈下降趨勢，多集中于對美國和全球的研究[9-12]；可再生能源和非常規能源的EROI值低于化石能源[13-16]；中國對于EROI的研究與國外相比非常少[17-18]。

1 EROI方法說明

1.1 EROI計算方法

最初，EROI的計算均采用熱當量法，將能源生產過程中的產出與投入轉化為熱當量值(式(1))。

(1)

(2)

式中λi表示第i種能源的質量因子。

EROI的計算需要確定兩個重要維度：一是“產出邊界”，確定了產出項的種類；二是“投入層級”，確定了投入項的種類。本文介紹Murphy等[19]建立的EROI方法兩維計算標準，并將其應用到大慶油田EROI的計算中來(表1)。

表1 EROI方法的兩維計算標準及其命名

表1中，EROI標識的第一個下標表示產出邊界，第二個下標表示投入層級。EROI1,i作為EROI計算標準(又稱EROIstnd)，以便比較不同研究結果。數據的可得性越強，計算的層級就越高，EROI標識的下標就會逐漸累加，如EROI1,d+id+lab+aux+env，但為簡便起見將其只表示成EROI1,env。該計算標準沒有說明產出中是否包括副產品，以及能源加總時是否進行了質量校正，因此研究者應在具體的研究中給予說明。

1.2 主要系數

1.2.1 能源質量因子

任何能源均具有“量”和“質”兩個屬性，熱當量法僅僅體現了能源“量”的屬性，但正是因為“質”的不同，等量的能源才具有不等量的經濟價值[20]。Cleveland[9]和Gagnon等[10]利用Divisia指數對化石能源進行了質量校正，但是沒有給出具體推導過程和計算過程。基于此，本文通過推導Divisia指數來介紹不同能源間的加總方法。

假定存在一個價值量(Vt)，包含了n種能源的價值(價格p與數量q的乘積)，見式(3)。

(3)

式(3)兩邊對時間t求全微分，得式(4)。

(4)

經變換后得式(5)。

(5)

以Divisia數量指數為基礎做進一步推導，見式(6)。

(6)

求關于時間[0,T]的積分，得到Divisia數量指數，見式(7)。

(7)

對等式兩邊去對數后，進一步推導得到式(8)。

(8)

由于能源年產量和價格數據具有不連續性，我國成品油和天然氣價格受國家控制而表現出間斷性，所以需要考慮離散數據下的Divisia指數，即在區間[0,T]等距離插入m-1個點進行離散化，同時，將能源化為熱當量值E并用價格區分其差異，得到式(9)。

(9)

簡化后，即對任意t∈[0,T]得到式(10)。

(10)

1.2.2 能源轉換系數

直接投入的能源均已物理單位表示，其轉換系數來自《中國能源統計年鑒》中“能源折平均低位發熱量系數表”。但是，間接投入一般均以貨幣為單位，能源轉換系數需要表示出單位貨幣量所包含的能源量，也就是間接投入的包被能。工業能源強度(圖1)被認為是能源生產過程中間接投入最合適的轉換系數[21]。

圖1 2000～2012年我國工業能源強度

2 實證分析

2.1 大慶油田簡介

目前，大慶油田是我國產量最大的油田，為我國的石油工業做出了巨大貢獻。本文按照原油產量變動趨勢將大慶油田生產分為四個時期：快速上升期、緩慢上升期、平穩期、下降期(圖2)。

2.2 數據說明和計算標準

大慶油田年度統計數據包括兩部分：能耗指標統計(包括汽油、柴油、自用油、自耗氣和電量等)和財務統計。根據該數據特點，確定產出邊界為生產階段，投入為兩個層級，第一層級為直接投入，第二層級為直接投入和間接投入的總和。另外，在對石油天然氣產量和直接投入量加總過程中進行了質量校正，其計算標準如表2所示。

圖2 1960～2012年大慶油田原油產量及其占全國總產量比重

表2 大慶油田EROI兩維計算標準及其命名

層級能源投入熱當量法質量因子修正法層級1直接能源投入EROI1,dEROI1,Qd層級2間接能源投入EROIstndEROI1,Qstnd

表2中，Qd表示質量校正后的直接投入，Qstnd表示質量校正后的直接與間接投入總和。EROI1,d表示將產出和直接投入轉換成熱當量后作比值；EROI1,Qd表示將產出和直接投入進行質量校正后作比值。EROIstnd和EROI1,Qstnd計算較為復雜，計算公式如式(11)、式(12)所示。

(11)

(12)

2.3 EROI值計算結果

大慶油田EROIstnd從2001年的10∶1下降到2012年的6.4∶1，四種計算結果顯示了相同的下降趨勢，但熱當量法比質量因子修正法計算的結果要高些(表3)。本文發現采用熱當量法和質量因子修正法計算的產出量差距很小，原因一是天然氣產量在大慶油田的總產量中比重很小，其中2001年僅為4.36%，2012年僅為7.13%，在石油占絕大比例的情況下，修正法對總產量的影響作用甚微；原因二是天然氣出廠價格由國家發改委制定，這在很大程度上扭曲并低估了天然氣真正價值，致使質量因子修正法的使用效果減弱。

表3 大慶油田EROI值結果

本文還采用外推法對EROIstnd進行了預測，將2001～2012年的年均增長率作為未來5年產出量和投入量的增長率，結果顯示未來5年EROI值將持續下降(圖3)。如果按照目前的遞減趨勢，EROI將在20年之內達到1∶1。按照大慶油田計劃，未來將繼續保持4000萬t/a的產量，本文也將此作為預測結果之一。盡管如此，EROIstnd依舊處于下降趨勢(圖3)。需要說明，本文在計算EROI值過程中沒有考慮環境外部性，但實際上大慶油田的采油方式經歷了從水驅產油到聚驅采油的過程，聚驅物質對環境具有不可逆轉的破壞性，若能夠統計出環境外部性能源支付，那么EROI值將大大降低。

圖3 大慶油田EROIstnd值歷史趨勢及其預測

2.4 敏感性及影響因素分析

能源強度的大小對EROI值的影響不可忽略，由此本文在目前工業能源強度數據的基礎上提高并降低10%，對EROIstnd值進行敏感性分析。結果顯示，當能源強度提高10%時，2001～2012年EROIstnd值年平均降低5.9%，當能源強度降低10%時，EROIstnd值年平均升高6.7%。此外，本文又采用正交分解法對EROI的影響因素進行分析。首先確定影響大慶油田EROIstnd的因素有產量、汽油、柴油、自用油、自耗氣、電量、間接投入、工業能源強度。其中，間接投入單位為109元、工業能源強度單位為噸標煤/萬元，其他因素單位為1015J。再者，取2001～2012年的年平均變動率絕對值作為水平變動率，以2012年數據為基礎分別減增水平變動率，取得水平1和水平2。結果顯示，EROIstnd值受各因素影響的敏感程度從大到小依次為：間接投入、工業能源強度、產量、自耗氣、柴油、自用油、汽油、電量；最優方案下的EROIstnd值可達到7∶1，優化途徑為增加產量和汽油量的同時減少其他因素的數量，電量使用量保持不變。

3 結論

過去十年中，我國勘探開發技術雖然有了大幅進步，但并沒有阻止大慶油田生產能力的下降。造成這一問題的主要原因是油田的開采難度越來越大、面臨的挑戰越來越多，能源、資金、人力投入越來越多的同時產量卻不升反降。作為我國目前最大的油田，大慶油田目標是建設“百年油田”，可是從EROI值來看，大慶油田需要重新審視戰略規劃。對于EROI方法來說，它的發展時間雖然較短，但目前國外學術界對該方法重視程度很高，不僅應用到軍事領域，更將其與石油峰值、碳排放等重點問題結合，分析了整個能源和經濟領域的基本現狀和發展情況。尤其是我國在石油需求增速大于供給增速的背景下，石油公司、政府在進行生產評價時應當轉變視角并吸收新思想和新方法，利用EROI這一工具，站在能源效益而非只有經濟效益的角度來規劃和指導今后能源行業的發展。

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