天然氣供應能力測算方法構建及分析軟件開發

趙素平 陸家亮 黃 誠 劉麗芳

1. 中國石油勘探開發研究院 2. 西南石油大學

0 引言

天然氣作為最清潔的化石能源，是現階段我國能源消費結構調整最現實的選擇[1]。天然氣產業鏈包括上游供氣、中游儲運和下游利用，上游供應能力是天然氣產業鏈各項基礎設施建設的依據，也是制定國家能源發展戰略的重要基礎，科學評價天然氣供應能力對于戰略規劃部署意義重大。

國外一些跨國石油企業和咨詢機構如BP、IHS、IEA等經過數年的研究，形成了自己的成熟方法和模型，能夠對全球天然氣供需進行預測[2-5]，但由于管理模式、發展階段和數據庫完善程度不同，測算方法和指標取值與國內差別較大。如IHS的測算模型基于盆地資源規模序列法預測天然氣新增儲量，利用固定的開發指標（如建產期）進行天然氣產量預測，其靈活性滿足不了國內專業研究的需要；BP、殼牌等機構模型的特點為全球性宏觀分析，針對具體國家和地區研究精度不夠；美國EIA的NEMS模型基于鉆井數量和單井產氣量剖面進行預測[4]，需要龐大的以單井生產資料為基礎的數據庫支持，其方法和模型并不適用于國內天然氣數據資料特點和預測流程。國內針對天然氣上、下游單項研究技術較多，如氣藏遞減率、單井產能、需求預測方法等，但缺乏一體化評價模型和軟件。

筆者通過全面分析影響天然氣供應能力的資源、技術、需求等各環節的關鍵因素，以及各因素間的聯動關系，建立了基于氣田不同開發階段的產氣量（僅針對國產氣）計算數學模型，國外進口氣基于合同參數測算供應能力，統籌考慮經濟性、可靠性等設定項目優選原則，并利用情景規劃思路研發了配套軟件。

1 天然氣供應能力影響因素

1.1 供應能力內涵及影響因素

鑒于我國天然氣的產供銷特點[6-7]，本文所述的天然氣供應能力是指國內氣田生產能力、進口管道氣、進口LNG能力之和并扣除必要的損耗，能夠供應給消費市場的能力。

影響天然氣供應能力的因素可分為外部因素和天然氣產業鏈內部因素（表1）。外部因素包括社會環境和能源環境，其中社會環境有國家政策、環境要求等，能源環境包括能源消費結構、可替代能源競爭性等。產業鏈內部因素主要是天然氣資源特點、需求約束等，此外還包括投資、價格、技術等條件，以及保證季節性波動、長期供應、戰略安全的需求等[8-10]。

表1 天然氣供應能力影響因素表

1.2 供應能力分析流程

根據供應能力內涵，分國產氣、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：如果已經編制氣田開發方案或調整方案，氣田開發指標采用方案指標，沒有方案的氣田開發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模進行預測，以資源量、資源類型、勘探規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技術的可行性，如果技術上能夠開發，則通過開發指標測算產氣量潛力和商品量潛力，并進行可靠性、經濟性評價，通過設定優化原則優化建產項目，最后累積各開發項目商品量之和，扣除部分損耗即為國產氣供應能力。

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、經濟性、戰略性評價優選進口氣新增項目，最終得出進口氣供應能力。

2 天然氣供應能力分析方法

根據我國現有供氣特點，天然氣供應能力分析方法主要包括進口氣、國產氣供應能力分析方法，以及在供大于求或開發投資不足時必須進行的天然氣供應項目優化方法。

進口氣供應能力分析的主要依據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，根據合同協定供氣量按照時間序列進行疊加，再考慮一部分現貨交易量。進口氣供氣參數包括起始年份、合同年限、年供氣量、氣價等，進口氣參數多采用合同約定數值，不涉及方法模型的構建，此不贅述。

以下重點介紹國產氣項目供應能力測算方法和供氣項目優化方法。

2.1 國產氣供應能力測算方法

從分析流程圖來看，國產氣供應測算的兩個核心是未來新增儲量潛力預測和產氣量潛力預測。

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，需要的數據包括資源量、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學模型可以借用[11-12]，本文不再詳細論證。

國產氣產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數據支撐，適合專業預測，本文采用項目構成法研究思路，重點對具體評價參數和數學模型進行構建[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的項目或氣田為基本單位，以可采儲量為基礎，按開發規律和開發指標預測氣田不同開發階段的產氣量，然后根據氣田穩產方式計算產能建設和投資需求，通常中高滲透整裝氣藏采用單井穩產模式，頁巖氣、致密氣等低滲透復雜氣藏采用井間接替模式[17-19]，產能建設投資測算結果用于經濟評價和項目優化，其關鍵在于單氣田/項目產氣量預測。項目構成法需要準備的開發參數為：可采儲量、采氣速度或開發方案設計產能、建產期、穩產期或穩產期末采出程度、廢棄產量、單井遞減率等。

2.1.1 氣田開發階段劃定及特點

氣田的開發周期通常可分為三個階段：①上產期，新井不斷投產，產氣量逐漸上升；②穩產期，產氣量達到最高值并保持較長時間穩產；③遞減期，由于地層有效驅動能量衰竭，導致產氣量逐年下降，直到現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 氣田不同開發階段產氣量計算方法

2.1.2.1 上產期產氣量

一般情況下，氣田的上產期時間較短，通過不斷地投產新井，以達到設計的最大產氣量。

上產期內，年產氣能力等于當年新建產能與前期建成產能在當年的總產氣量之和（扣除遞減后），計算公式為：

式中Qi表示第i年產氣量，108m3；PCet表示上年末產能，108m3；PCin表示當年新建產能，108m3；Rqc表示新建產能當年貢獻率。

2.1.2.2 穩產期產氣量

穩產期是氣田開發的黃金時期，這時的產氣量達到最大值。隨著地層有效驅動能量的逐步衰減，最大產氣量將逐漸失去維持的條件，產氣量也將開始遞減。

式中PCmax表示氣田穩產期產氣量，108m3；GR表示評價可動用技術可采儲量，108m3；vgGR表示可采儲量采氣速度。

2.1.2.3 遞減期產氣量

判定氣田進入遞減期的方法有以下兩種：

1）利用穩產期進行判定：若對氣田的穩產持續時間有較大把握時，可利用穩產期指標，確定進入遞減期的時間。即當生產年數（i）滿足如下條件時，認為氣田已進入遞減期：

i＞項目投產年份＋建產期年限＋穩產期年限－2 （3）

2）利用穩產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。

式中Rgi表示第i年累計采出程度；Rgt表示穩產期末采出程度。

遞減期產氣量確定的關鍵參數是遞減率，在油氣田生產動態分析中，常將油氣田產氣量遞減率（Dc）定義為：

式中Qi表示當年產氣量，108m3；Qi-1表示上年產氣量，108m3。

若令氣田在遞減期內的總采出氣量為GD，而穩產期末的產氣量為Q0（即遞減期產氣量的初值），氣田廢棄產氣量為QT，氣田遞減期的年數為T，則上述變量的含義和關系如圖3所示。

將公式（14）代入公式（6），即可求出產氣項目在遞減期內的產氣量。

國產氣第i年的供應潛力即為第i年各開發項目的商品氣量（產氣量與商品率乘積）之和扣除部分損耗，即

式中Gsi表示第i年天然氣供應量，108m3；N表示氣田或項目數量；Qni表示n氣田在第i年的產氣量，108m3；Rcn表示n氣田的商品率；Qgl表示損耗氣量，108m3。

2.2 供氣項目優化方法

在供大于求或開發投資不足時，需要優選供氣項目以形成效益最優、可靠程度最高、最有利于可持續發展的供應方案。項目優化是指以經濟效益、開發階段、項目可靠性、能源戰略安全為優化原則，對供氣項目進行排序優化。

2.2.1 供氣項目評分原則

供氣項目的優選評分指標包括：固定選擇權（是否為必選項目）、項目可靠程度、開發階段、財務評價指標、收益優先級等。

2.2.1.1 進口氣項目評分

進口氣項目通過經濟評價后，有經濟效益的項目被篩選出來，可以成為供氣來源。根據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濟效益要達標才能納入優化序列；②固定選擇權，已簽合同項目優先，預測期項目其次；③可靠程度高者優先；④經濟收益好者優先。

2.2.1.2 國產氣項目評分

國產氣項目通過經濟評價后，有經濟效益的項目被篩選出來，可以成為供氣來源。根據項目投產與否，賦予不同的評分指標值：①開發項目經濟效益要達標才能納入優化序列；②固定選擇權，已開發優先，未開發、未來新增其次；③可靠程度高者優先；④經濟收益好者優先。

2.2.2 供氣項目優選

在開發投資規模小于氣田/項目建產投資需求規模時，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、已開發氣田的優先級高于未簽進口氣項目、未開發氣田和未來新增儲量。固定選擇權同一級別的，可靠程度高的優先。可靠程度同一級別的，經濟效益好的優先。考慮進口氣照付不議供氣特點和能源戰略安全[20]，同等條件下優先選擇已簽合同進口氣。參與優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及應用

3.1 軟件設計

根據分析需要，軟件設計新增儲量預測、供應潛力預測、經濟評價、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（內部收益率大于10%）、效益＋投資約束情景（內部收益率大于10%，投資240億元）下的供應潛力，分別為792×108m3/a、349×108m3/a、92×108m3/a，軟件根據約束條件和氣田效益情況進行項目優化，再計算出供應潛力。

可以根據需要建立供氣項目樹形結構，并匯總、評價、分析各節點的供應能力，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、產氣量潛力和供應能力（圖6）。可以對產氣量潛力、供應能力評價結果進行分類統計（圖7）。根據研究目的，可以實現不同氣藏類型、儲量類型、開發類型、供氣來源、產氣區域、效益分段等供應構成分類統計。

3.3 軟件優點

1）多種方法靈活選擇。新增儲量預測、國產氣項目穩產期產氣量、經濟評價參數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，此前需要數周時間，在具備基礎數據庫的條件下，應用該軟件幾分鐘就能完成數據導入、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氣產量趨勢[21]，預測的“十三五”末國內天然氣年產量介于 1 750×108～ 1 850×108m3，與實際吻合程度高，預測“十四五”末年產氣量介于2 100×108～24 50×108m3，符合目前開發趨勢；預測2035年產氣量介于2 800×108～3 300×108m3（表2）。這些預測結果被行業內普遍認可采納。

表2 中國天然氣產量預測結果表[19]

4 結論

1）天然氣供應能力受資源基礎、投資規模、勘探開發節奏、開發技術、成本氣價、政策法規、多氣源優化等多方面因素的影響。通過構建供應能力分析流程，優選生命模型法預測新增儲量規模；優選項目構成法并構建數學模型預測產氣量規模；選擇凈現值和內部收益率作為經濟評價指標；統籌考慮國內外資源建立基于項目可靠性、經濟性、戰略安全性的項目優化方法，并利用情景規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劃數值；對于國產氣產量潛力分析模塊，有開發方案的氣田采用穩產年限、穩產期規模等開發指標預測氣田產量，而若無開發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、穩產期末采出程度等參數測算氣田產氣量。供氣項目排序時可選擇內部收益率或凈現值作為經濟優化指標。

3）應用該方法和軟件的關鍵是勘探開發參數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人士的觀點，并可以對不確定性參數設定情景，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驗和數據庫特點，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計，能夠充分展示供應方案的構成特點。