中國(guó)石油峰值預(yù)測(cè)及其應(yīng)對(duì)策略研究

王婷婷，黃 誠(chéng)，張琪琛(.西南石油大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，四川 成都 60500；.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 60500)

經(jīng)濟(jì)研究

中國(guó)石油峰值預(yù)測(cè)及其應(yīng)對(duì)策略研究

王婷婷1，黃 誠(chéng)1，張琪琛2
(1.西南石油大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500)

之前的學(xué)者對(duì)于中國(guó)石油產(chǎn)量及峰值的預(yù)測(cè)大都是根據(jù)的2000年以前的數(shù)據(jù)進(jìn)行的，預(yù)測(cè)結(jié)果已經(jīng)不具有準(zhǔn)確性。本文將根據(jù)1990～2013年中國(guó)石油產(chǎn)量的最新數(shù)據(jù)分別利用Hubbert模型、廣義翁氏模型、HCZ模型三種模型，預(yù)測(cè)中國(guó)石油的年產(chǎn)量以及峰值。盡管?chē)?guó)外的大多數(shù)專(zhuān)家認(rèn)為Hubbert模型是最適合石油預(yù)測(cè)的模型，但本文將三種模型的預(yù)測(cè)值和實(shí)際產(chǎn)量值進(jìn)行對(duì)比，得出廣義翁氏模型預(yù)測(cè)的結(jié)果更貼近實(shí)際值，更加適合中國(guó)石油產(chǎn)量的預(yù)測(cè)。面對(duì)即將到來(lái)的石油產(chǎn)量峰值，中國(guó)主要采取減少本土石油產(chǎn)量、投資國(guó)外資源、進(jìn)行能源替代等多種應(yīng)對(duì)策略。

石油峰值；Hubbert預(yù)測(cè)模型；廣義翁氏模型；HCZ模型

美國(guó)地球物理學(xué)家Marion King Hubbert(1903～1989年)1949年在其發(fā)表的論文“Energy fromfossil fuels”中首先提出了呈現(xiàn) “鐘形曲線(xiàn)”，被稱(chēng)為“Hubbert峰值理論”的方法[1-2]。1956年他又利用這個(gè)邏輯方程成功預(yù)測(cè)了美國(guó)48個(gè)州的石油產(chǎn)量峰值將在1965年到1970年之間[3-5]。從此石油產(chǎn)量峰值的預(yù)測(cè)便在學(xué)術(shù)界引起激烈的爭(zhēng)論，Hallock、Hirsch、Laherrere、Al-Fattah等石油地質(zhì)學(xué)家開(kāi)始用不同的方法對(duì)不同區(qū)或國(guó)家的石油產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)[6-9]。

中國(guó)對(duì)于石油產(chǎn)量峰值的預(yù)測(cè)模型的研究開(kāi)始于地球物理學(xué)家翁文波院士在1984年出版的《預(yù)測(cè)學(xué)基礎(chǔ)》，他在書(shū)中指出任何有限體事物都是“興起-成長(zhǎng)-鼎盛-衰亡”的自然過(guò)程，油氣的開(kāi)采也有類(lèi)似規(guī)律[10-11]。基于此理論，他又提出基于“泊松旋回”的“翁氏模型”[12]，該模型是中國(guó)第一個(gè)關(guān)于油氣田儲(chǔ)量、產(chǎn)量的中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)模型，為我國(guó)油氣資源儲(chǔ)量和產(chǎn)量的預(yù)測(cè)奠定了重要的方法和理論基礎(chǔ)。繼翁院士之后，陳元千、胡建國(guó)、張盛宗等地質(zhì)學(xué)家不斷完善翁氏模型，先后提出“威布爾模型”、“胡-陳-張模型”、“瑞利模型”等模型[13-15]。

之前的學(xué)者陳元千[16-17]、翟光明等[18]對(duì)于中國(guó)石油產(chǎn)量及峰值的預(yù)測(cè)大都是根據(jù)的2000年以前的數(shù)據(jù)進(jìn)行的，而中國(guó)近十年的石油產(chǎn)量穩(wěn)步增加，之前的預(yù)測(cè)結(jié)果大都不具有準(zhǔn)確性。本文將根據(jù)1990～2013年中國(guó)石油產(chǎn)量的最新數(shù)據(jù)，分別用Hubbert模型、廣義翁氏模型和HCZ模型對(duì)中國(guó)石油產(chǎn)量的峰值進(jìn)行預(yù)測(cè)分析比較。

1 Hubbert模型預(yù)測(cè)

國(guó)外學(xué)者對(duì)于油氣田生命周期以及產(chǎn)量峰值的研究比較早。Hubbert模型是Hubbert1962年通過(guò)美國(guó)油氣實(shí)際資料擬合logistic曲線(xiàn)方程提出的石油預(yù)測(cè)模型[19]。

Hubbert模型通常要滿(mǎn)足以下假設(shè)條件：產(chǎn)量隨時(shí)間呈現(xiàn)鐘形曲線(xiàn)；產(chǎn)量雖時(shí)間的推移是對(duì)稱(chēng)的；產(chǎn)量將以函數(shù)形式出現(xiàn)，并且有一個(gè)時(shí)間滯后常量；產(chǎn)量增加和減少在一個(gè)“上下”周期中，沒(méi)有多個(gè)峰值[1]。

1.1 Hubbert模型簡(jiǎn)介

Hubbert模型主要有五個(gè)變量：石油年產(chǎn)量、石油累計(jì)產(chǎn)量、最終可采儲(chǔ)量、產(chǎn)量峰值出現(xiàn)的時(shí)間以及成長(zhǎng)系數(shù)。其標(biāo)準(zhǔn)的Hubbert模型公式見(jiàn)式(1)～(3)。

(1)

(2)

其中

(3)

由式(1)～(3)整理得式(4)。

(4)

為了便于計(jì)算，式(4)經(jīng)變形變?yōu)槭?5)。

(5)

(6)

1.2 對(duì)中國(guó)石油預(yù)測(cè)過(guò)程及結(jié)果分析

中國(guó)近幾年的原油產(chǎn)量數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

從圖1可以看出，1986年以來(lái)，中國(guó)的原油產(chǎn)量處于相對(duì)穩(wěn)定的壯年期，且呈現(xiàn)穩(wěn)中略升的趨勢(shì)，該時(shí)期以后的原油產(chǎn)量數(shù)據(jù)使得預(yù)測(cè)模型的建立更具準(zhǔn)確性。

1.2.1 確定不同的URR的值

最終可采儲(chǔ)量URR是Hubbert模型的關(guān)鍵參數(shù)，是石油峰值預(yù)測(cè)結(jié)果不同的原因之一。從上述推導(dǎo)過(guò)程可以看出，URR可以根據(jù)與Q數(shù)據(jù)線(xiàn)性回歸得到的直線(xiàn)的截距和斜率所得。

圖1 中國(guó)原油年產(chǎn)量(1950～2013年)

圖2 P/Q與Q的直線(xiàn)擬合圖(1986～2013年)

圖3 P/Q與Q的直線(xiàn)擬合圖(1990～2013年)

圖4 P/Q與Q的直線(xiàn)擬合圖(1996～2013年)

圖5 P/Q與Q的直線(xiàn)擬合圖(2000～2013年)

1.2.2 確定成長(zhǎng)系數(shù)a值及預(yù)測(cè)結(jié)果

Hubbert模型中除了最關(guān)鍵的最終可采儲(chǔ)量URR外，還有一個(gè)未知量是成長(zhǎng)系數(shù)a。從式(4)可以看出來(lái)，當(dāng)其他條件不變的情況下，成長(zhǎng)系數(shù)a越大，產(chǎn)量P越大。a的大小決定了hubbert曲線(xiàn)的形狀。a的值越大，產(chǎn)量變化的速度越快，曲線(xiàn)瘦高，峰值出現(xiàn)時(shí)間早；相反，a值越小，產(chǎn)量變化速度越慢，曲線(xiàn)矮胖，峰值出現(xiàn)時(shí)間晚。

不同URR情況下的原油年產(chǎn)量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際年產(chǎn)量數(shù)據(jù)如表1所示。產(chǎn)量曲線(xiàn)如圖6所示。

表1 不同URR情況下原油年產(chǎn)量預(yù)測(cè)值/萬(wàn)t

圖6 不同URR情況下原油年產(chǎn)量預(yù)測(cè)曲線(xiàn)

從圖6可以直觀的看出，當(dāng)URR=143億t時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果最接近實(shí)際值，此時(shí)的成長(zhǎng)系數(shù)a的值為0.057，則本文中a取此值。

根據(jù)1990～2013年的原油累計(jì)產(chǎn)量數(shù)據(jù)，利用式(3)可預(yù)測(cè)出中國(guó)原油產(chǎn)量的峰值年出現(xiàn)時(shí)間為2018～2020年，然后根據(jù)式(2)預(yù)測(cè)出中國(guó)原油產(chǎn)量的峰值產(chǎn)量為20306萬(wàn)t。

2 廣義翁氏模型

翁文波院士1984年提出泊松旋回模型，即我們常說(shuō)的翁氏模型，隨著統(tǒng)計(jì)分析和理論研究工作的深入，中國(guó)在石油預(yù)測(cè)模型的建立和應(yīng)用方面都取得了很大的進(jìn)展。廣義翁氏模型是陳元千在1996年完成對(duì)翁氏模型的推導(dǎo)，然后對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展提出來(lái)的[20-23]。

2.1 廣義翁氏模型簡(jiǎn)介

根據(jù)伽馬函數(shù)分布的性質(zhì)，t從0到的區(qū)間分布函數(shù)為式(7)。

(7)

對(duì)于油氣田來(lái)說(shuō)，其石油產(chǎn)量預(yù)測(cè)曲線(xiàn)和該概率分布曲線(xiàn)具有相似性，開(kāi)發(fā)時(shí)間從0到∞的區(qū)間內(nèi)，油氣田的累計(jì)產(chǎn)量即可視為其可采儲(chǔ)量，公式定義為式(8)。

(8)

式(8)兩邊同除以，變?yōu)槭?9)。

(9)

式中NR為可采儲(chǔ)量，NP為累計(jì)產(chǎn)量，Q為石油產(chǎn)量，t為時(shí)間。

根據(jù)翁先生在其專(zhuān)著中提出的泊松回旋模型，陳元千、胡建國(guó)等對(duì)該翁氏回旋模型進(jìn)行推導(dǎo)[21-22]表示為式(10)、式(11)。

(10)

(11)

式(10)中產(chǎn)量Q對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，得式(12)。

(12)

tmax=bc

(13)

將式(13)帶入式(10)得石油年產(chǎn)量峰值，見(jiàn)式(14)。

(14)

由式(11)可得，翁氏回旋模型預(yù)測(cè)的最終可采儲(chǔ)量，見(jiàn)式(15)。

NR=acb+1Γ(b+1)

(15)

對(duì)于伽馬函數(shù)Γ(b+1)，當(dāng)b為正整數(shù)時(shí)，Γ(b+1)=b!，則式(15)變?yōu)槭?16)。

NR=acb+1b!

(16)

關(guān)于該廣義翁氏模型的求解，先對(duì)產(chǎn)量峰值公式(10)進(jìn)行變形，然后對(duì)公式兩邊取對(duì)數(shù)得式(17)。

(17)

(18)

廣義翁氏模型的求解核心是確定常數(shù)a、b、c的值。首先根據(jù)產(chǎn)量Q和其相對(duì)應(yīng)的時(shí)間t，對(duì)式(18)使用線(xiàn)性迭代試差法給予不同的b值，從而得到相關(guān)系數(shù)最大且直線(xiàn)擬合結(jié)果最佳時(shí)對(duì)應(yīng)的b值，這就是想要求的b值。然后通過(guò)線(xiàn)性回歸和式(18)所得的直線(xiàn)確定其斜率B和截距A，從而可以得到a和c的值。最后把a(bǔ)、b、c的值分別帶入式(10)、式(13)、式(14)、式(15)，就可以預(yù)測(cè)出石油年產(chǎn)量、年產(chǎn)量峰值發(fā)生的時(shí)間、年產(chǎn)量峰值以及最終可采儲(chǔ)量。

2.2 預(yù)測(cè)過(guò)程及結(jié)果分析

利用廣義翁氏模型預(yù)測(cè)1990～2013年中國(guó)原油年產(chǎn)量的數(shù)據(jù)如表2所示。翁氏模型預(yù)測(cè)石油年產(chǎn)量曲線(xiàn)如圖8所示。

峰值時(shí)間為2023～2025年，峰值產(chǎn)量為25222.10萬(wàn)t。

圖8 翁氏模型預(yù)測(cè)石油年產(chǎn)量曲線(xiàn)

表2 廣義翁氏模型石油年產(chǎn)量預(yù)測(cè)值/萬(wàn)t

3 HCZ模型預(yù)測(cè)

HCZ模型是由胡建國(guó)、陳元千和張盛宗根據(jù)對(duì)大量油氣田的開(kāi)發(fā)資料的統(tǒng)計(jì)研究和理論推導(dǎo)提出來(lái)的[14]。該模型適應(yīng)性強(qiáng)，可以簡(jiǎn)化為著名的龔帕茲(Gomportz)和莫爾(Moore)模型，也具有很強(qiáng)的代表性[16]。

3.1 HCZ模型簡(jiǎn)介

油氣田開(kāi)發(fā)中，油氣田的累計(jì)產(chǎn)量與時(shí)間的關(guān)系式可根據(jù)時(shí)間增長(zhǎng)函數(shù)表達(dá)為式(19)。

(19)

(20)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量油氣田資料的統(tǒng)計(jì)研究，得到石油年產(chǎn)量和累計(jì)產(chǎn)量的產(chǎn)量比與時(shí)間t，有如下半對(duì)數(shù)直線(xiàn)關(guān)系(式(21))。

(21)

式(21)可變形為式(22)。

(22)

其中，a=10A，b=2.303B。

由式(19)、式(20)、式(22)可以推得式(23)、式(24)、式(25)。

(23)

(24)

(25)

其中，為可采儲(chǔ)量。當(dāng)很大時(shí)，e-btR趨近于0，式(25)可以寫(xiě)成式(26)。

(26)

由式(26)可得石油累計(jì)產(chǎn)量，見(jiàn)式(27)。

(27)

石油年產(chǎn)量見(jiàn)式(28)。

(28)

式(28)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，見(jiàn)式(29)。

(29)

(30)

峰值產(chǎn)量，見(jiàn)式(31)。

(31)

為了方便計(jì)算，對(duì)式(9)取對(duì)數(shù)變?yōu)槭?32)。

(32)

假設(shè)

α=logNR

(33)

(34)

X=e-bt

(35)

則式(32)變?yōu)榫€(xiàn)性方程(式(36))。

logNp=α-βX

(36)

模型的計(jì)算首先根據(jù)石油年產(chǎn)量和累計(jì)產(chǎn)量的數(shù)據(jù)由式(21)線(xiàn)性回歸求出截距A和斜率B的值，然后推得a和b的數(shù)值。b值確定后，再根據(jù)式(35)求得不同的x的值，由式(36)進(jìn)行和x的線(xiàn)性回歸，求得截距和斜率的數(shù)值。將的值帶入式(33)可以得到可采儲(chǔ)量。將上述求得的值帶入式(27)、式(28)、式(30)、式(31)，可以分別得到石油的累計(jì)產(chǎn)量、年產(chǎn)量、峰值產(chǎn)生的時(shí)間以及峰值產(chǎn)量。

3.2 預(yù)測(cè)過(guò)程及結(jié)果分析

根據(jù)1990～2013年的中國(guó)石油產(chǎn)量和累計(jì)產(chǎn)量的實(shí)際數(shù)據(jù)，結(jié)合式(21)進(jìn)行線(xiàn)性回歸得直線(xiàn)擬合圖見(jiàn)圖9，可求出截距A=-1.209，斜率B=0.011，并推得a=10-1.209，b=0.025333。

根據(jù)b值以及式(35)求得不同的x值，然后根據(jù)式(36)對(duì)logNP和x的值進(jìn)行線(xiàn)性回歸，得到直線(xiàn)擬合圖見(jiàn)圖10。其中截距=6.351和斜率=1.039，推得NR=106.351。

根據(jù)式(28)預(yù)測(cè)的石油年產(chǎn)量結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 HCZ模型石油年產(chǎn)量預(yù)測(cè)值/萬(wàn)t

圖9 LOG(Q/Np)與t的直線(xiàn)擬合

峰值時(shí)間為2024～2025年，峰值產(chǎn)量為20911.85萬(wàn)t。

5 三種模型預(yù)測(cè)結(jié)果比較分析

1990～2013年的中國(guó)原油年產(chǎn)量以及Hubbert模型、廣義翁氏模型、HCZ模型三個(gè)模型的年產(chǎn)量預(yù)測(cè)值結(jié)果曲線(xiàn)如圖11所示。

圖10 和x的直線(xiàn)擬合

圖11 三個(gè)模型年產(chǎn)量預(yù)測(cè)曲線(xiàn)

預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的差距將決定哪個(gè)模型更加適合中國(guó)石油年產(chǎn)量以及峰值的預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的均值平方根公式見(jiàn)式(37)、式(38)。

(37)

(38)

RRMS反映的是產(chǎn)量預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的離散程度，DRMS反映的是RRMS與QMAX的相對(duì)差距。這兩個(gè)值越小的時(shí)候表示曲線(xiàn)擬合程度越好，預(yù)測(cè)的結(jié)果越準(zhǔn)確。三種預(yù)測(cè)模型的RRMS和DRMS值如表4所示。

表4 三種模型的RRMS和DRMS值

從圖11和表4不難看出，Hubbert模型的預(yù)測(cè)結(jié)果偏低，是不準(zhǔn)確的，因?yàn)樵撃Ｐ椭饕m用于采出量達(dá)到可采儲(chǔ)量的50%左右就進(jìn)入遞減期的油田。HCZ的預(yù)測(cè)結(jié)果則介于其他兩個(gè)模型中間。而廣義翁氏模型的預(yù)測(cè)結(jié)果比較貼近實(shí)際值，說(shuō)明比較符合中國(guó)石油產(chǎn)量穩(wěn)定期較長(zhǎng)的實(shí)情。

6 中國(guó)應(yīng)對(duì)石油峰值的策略

石油資源不僅是一個(gè)國(guó)家重要的戰(zhàn)略物資，還影響著一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但是石油資源不可再生且越來(lái)越緊缺，世界各國(guó)都即將面臨石油產(chǎn)量峰值的出現(xiàn)。石油峰值的出現(xiàn)意味著低成本、經(jīng)濟(jì)性可采石油產(chǎn)量增長(zhǎng)率趨近于零，產(chǎn)量峰值過(guò)后產(chǎn)量將逐步下滑[2]。為此各國(guó)紛紛開(kāi)始對(duì)石油峰值采取應(yīng)對(duì)策略。

圖12 中國(guó)近幾年原油進(jìn)口量和出口量

6.1 中國(guó)石油產(chǎn)量峰值即將來(lái)臨

從上述預(yù)測(cè)分析結(jié)果可以看出，對(duì)于中國(guó)石油產(chǎn)量的預(yù)測(cè)，廣義翁氏模型預(yù)測(cè)的結(jié)果較為準(zhǔn)確。所以本文采用廣義翁氏模型的預(yù)測(cè)結(jié)果作為中國(guó)石油峰值的測(cè)定。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果可看出，如果不采取任何措施，中國(guó)石油產(chǎn)量的峰值很快就會(huì)到來(lái)。

6.2 中國(guó)對(duì)石油產(chǎn)量峰值的應(yīng)對(duì)策略

邱中建院士等人2005年在其發(fā)表的文章中認(rèn)為，中國(guó)原油產(chǎn)量高峰期來(lái)得晚一點(diǎn)，高峰值平一點(diǎn)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)一點(diǎn)更有利[24]。從目前的資料和文獻(xiàn)來(lái)看，中國(guó)采取的應(yīng)對(duì)策略主要有以下幾點(diǎn)。

1)限制本土石油產(chǎn)量增幅，保護(hù)本國(guó)石油資源，是我國(guó)應(yīng)對(duì)石油峰值問(wèn)題的首要任務(wù)。從圖12可以看出原油進(jìn)口量越來(lái)越大，出口量越來(lái)越少。

2)加大南海和渤海等海域石油資源的投資，從而增大其在石油總供應(yīng)量中所占的比例。

3)積極投資南美和西北非等國(guó)外石油資源。

4)結(jié)合中國(guó)實(shí)際資源國(guó)情進(jìn)行能源替代，大力推廣清潔化利用煤炭資源，特別是推廣坑口煤電廠(chǎng)的建設(shè)是當(dāng)前中國(guó)應(yīng)對(duì)石油峰值的現(xiàn)實(shí)的選擇。

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The peak of China’s oil production forecasting and strategies research

WANG Ting-ting1，HUANG Cheng1，ZHANG Qi-chen2

(1.School of Computer Science，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China;2.School of Geoscience and Technology，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China)

About the projections for China’s oil production and peak，previous scholars are mostly based on data from 2000 years ago.The predicted results has already not be accurate.This article will predict China’s oil production and peak on the basis of the latest data from 1990 to 2013 by Hubbert model，generalized WengShi model and HCZ model.Most foreign experts think the Hubbert model is most suitable model for the projections of oil production and peak.But the comparison results of three models predicted values and actual values in this paper show that the predicted results of generalized WengShi model are more close to the actual value and more suitable for China’s oil production foresting.Facing to the upcoming peak of oil production，China adopted a variety of strategies，such as reducing domestic oil production，investment overseas resources and alternative energy，etc.

peak oil；Hubbert model；generalized WengShi model；HCZ mode

2015-03-07

頁(yè)巖氣等溫吸附模型研究項(xiàng)目資助(編號(hào)：PLN1314)

王婷婷(1989-)，女，山東煙臺(tái)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槭头逯殿A(yù)測(cè)的研究。E-mail：linwangtingting@163.com。

黃誠(chéng)(1970-)，男，四川成都人，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)槭头逯殿A(yù)測(cè)的研究、地理信息系統(tǒng)在石油行業(yè)中的應(yīng)用。

TE15

A

1004-4051(2015)12-0038-07