北極地區(qū)石油資源開發(fā)潛力評(píng)估

許晴,胡麥秀

(上海海洋大學(xué) 上海 201306)

1 北極地區(qū)油氣資源概況

根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局2008年對(duì)北極地區(qū)的勘探結(jié)果,北極地區(qū)油氣資源總蘊(yùn)藏量約為4 121.6億桶油當(dāng)量,占世界未被發(fā)現(xiàn)可采油氣資源總量的20%;其中,未被發(fā)現(xiàn)可采石油資源總量約為899.8億桶油當(dāng)量,占世界未被發(fā)現(xiàn)可采石油資源總量的13%[1]。北極地區(qū)未被發(fā)現(xiàn)可采的油氣資源主要分布于北極地區(qū)的大陸架區(qū)域和深度超過500 m 的深水區(qū)域,具體來講主要分布于25個(gè)地質(zhì)省盆地,尤其集中在西西伯利亞盆地、北極阿拉斯加盆地、東巴倫支盆地、東格陵蘭裂谷盆地、葉尼塞-哈坦加盆地、美亞盆地和西格陵蘭-東加拿大盆地(表1)。

表1 北極地區(qū)未被發(fā)現(xiàn)可采油氣資源的主要分布Table 1 Main distribution of undiscovered recoverable gas resources in the Arctic

2 模型引入及理論基礎(chǔ)

國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)領(lǐng)域預(yù)測(cè)石油產(chǎn)量主要采用曲線擬合方法、理論模擬方法以及計(jì)量經(jīng)濟(jì)模型,其中曲線擬合方法的應(yīng)用比較廣泛。Hubbert是美國(guó)著名的石油地質(zhì)學(xué)家,開創(chuàng)石油峰值理論模型研究,其于1949 年提出礦物資源的“鐘形曲線”問題,1962年利用實(shí)際資料擬合Logistic曲線的方法得到可用于預(yù)測(cè)石油累計(jì)產(chǎn)量和最終可采儲(chǔ)量的模型,該模型被命名為Hubbert模型。Hubbert模型是曲線擬合方法中比較經(jīng)典的模型,考慮石油這種不可再生資源的生命體性質(zhì),對(duì)于未來作出較好的判斷,而不是簡(jiǎn)單延伸現(xiàn)在的趨勢(shì),在國(guó)外得到廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于Hubbert模型的應(yīng)用主要集中在石油等資源的產(chǎn)量峰值預(yù)測(cè),如中國(guó)學(xué)者張映紅等[2]和黎斌林[3]選擇Hubbert模型預(yù)測(cè)石油資源的生產(chǎn)峰值。

2.1 模型拓展

單循環(huán)Hubbert模型存在明顯的缺陷,即忽略生產(chǎn)過程中對(duì)石油產(chǎn)量的制約因素,如油價(jià)上漲、新勘探領(lǐng)域和新技術(shù)、資源稀缺性加劇或政治事件。此外,Hubbert模型源于勘探和產(chǎn)量的自我調(diào)節(jié),僅能反映勘探成本的內(nèi)在動(dòng)態(tài)而忽略價(jià)格成本關(guān)系,即忽略石油發(fā)現(xiàn)和生產(chǎn)的重要影響因素——盈利能力。因此,許多學(xué)者對(duì)Hubbert模型進(jìn)行修正,認(rèn)為石油的全面發(fā)現(xiàn)和生產(chǎn)可能涉及多個(gè)周期,每個(gè)周期的產(chǎn)量取決于相應(yīng)石油資源的預(yù)期可盈利采收率[4],多循環(huán)Hubbert模型應(yīng)運(yùn)而生。多循環(huán)Hubbert模型的表達(dá)式為:

式中:k為生產(chǎn)循環(huán)數(shù);i為生產(chǎn)循環(huán)時(shí)期;t為開發(fā)時(shí)間;qmax和tmax分別為石油年產(chǎn)量峰值和相應(yīng)的時(shí)間;a為常數(shù);e為自然對(duì)數(shù)函數(shù)的底數(shù)。

每個(gè)生產(chǎn)循環(huán)都有其自身的最終可采儲(chǔ)量(URR),最終可采儲(chǔ)量是對(duì)未來可采和已生產(chǎn)石油產(chǎn)量的估算,其預(yù)估值隨著知識(shí)增加、技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈動(dòng)態(tài)變化,包括累計(jì)產(chǎn)量、證實(shí)儲(chǔ)量、儲(chǔ)量增長(zhǎng)量和未被發(fā)現(xiàn)可采量4個(gè)部分。最終可采儲(chǔ)量的計(jì)算公式為:

多個(gè)循環(huán)的最終總可采儲(chǔ)量可表示為:

那么,其邏輯方程即多個(gè)循環(huán)的石油累計(jì)產(chǎn)量可表示為:

未來的石油可采量可表示為:

在對(duì)多循環(huán)Hubbert模型的求解過程中,首先根據(jù)歷史石油產(chǎn)量確定生產(chǎn)循環(huán)數(shù),而后使用非線性最小二乘回歸法計(jì)算模型參數(shù)。每個(gè)完整的生產(chǎn)周期都有自己的最終可采儲(chǔ)量,將每個(gè)生產(chǎn)周期的最終可采儲(chǔ)量相加便得到最終總可采儲(chǔ)量,通過使均方根最小得到參數(shù)最優(yōu)值。

2.2 理論基礎(chǔ)

2.2.1 方法原理

Hubbert模型的理論根源在于石油的生命周期理論。生命周期理論認(rèn)為石油資源屬于不可再生資源,所能利用的資源稟賦有限,最終均會(huì)走向耗竭。石油資源自開發(fā)之時(shí)必然經(jīng)歷產(chǎn)量上升(緩慢上升、加速上升)、產(chǎn)量達(dá)到頂峰及產(chǎn)量下降(加速下降、緩慢下降)3個(gè)階段,表現(xiàn)為“倒U”形曲線或“鐘形曲線”。這是因?yàn)樵谑蜕a(chǎn)模型中,通常假定石油生產(chǎn)過程的價(jià)值順序?yàn)閺纳a(chǎn)成本較低廉的石油到生產(chǎn)成本較高昂的石油,直至生產(chǎn)過程的邊際利潤(rùn)耗盡。對(duì)于正在開采的油田而言,在短期內(nèi)貿(mào)然提高石油采收率可能導(dǎo)致較高的邊際成本,這就意味著對(duì)于正在開采的油田實(shí)施產(chǎn)量調(diào)整缺乏靈活性,在預(yù)測(cè)未來石油供應(yīng)時(shí)必須考慮時(shí)間對(duì)于石油生產(chǎn)的限制。基于上述假定,在短期內(nèi)為提高某個(gè)地區(qū)的石油產(chǎn)量,必須投資開發(fā)新的油田。因此,石油的發(fā)現(xiàn)趨勢(shì)大致決定石油的產(chǎn)量趨勢(shì),這種邏輯增長(zhǎng)模式表現(xiàn)為“倒U”形曲線或“鐘形曲線”,可用Hubbert模型來描述。

綜上所述,在Hubbert模型等“鐘形曲線”模型中,石油的生產(chǎn)趨勢(shì)在某種程度上反映其早期的發(fā)現(xiàn)趨勢(shì)。有學(xué)者又對(duì)Hubbert模型補(bǔ)充經(jīng)濟(jì)學(xué)理論基礎(chǔ),認(rèn)為石油發(fā)現(xiàn)過程受2種潛在效應(yīng)控制即信息效應(yīng)和耗竭效應(yīng)[5],其中信息效應(yīng)特指受信者根據(jù)所獲得的信息相應(yīng)調(diào)整自己行為的現(xiàn)象。自然資源勘探過程中的信息包括地質(zhì)信息和技術(shù)信息,勘探過程始于信息,信息又激勵(lì)進(jìn)一步的勘探。人們會(huì)依據(jù)既有的知識(shí)水平判斷勘探成功的概率,繼而決定是否進(jìn)行資源勘探活動(dòng);相對(duì)于未知區(qū)域,在有成功勘探歷史的區(qū)域找到資源的概率更高,因此人們偏好于在這些區(qū)域從事資源勘探活動(dòng)。

2.2.2 使用條件

合理的Hubbert模型必然具有經(jīng)濟(jì)和政治因素制約,主要包括:①石油需求呈指數(shù)增長(zhǎng);②在給定可獲得的石油資源規(guī)模條件下,未來一段時(shí)間的石油資源開采成本、利潤(rùn)水平和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)可以被合理地估計(jì);③石油市場(chǎng)的營(yíng)商環(huán)境穩(wěn)定,即政治和市場(chǎng)規(guī)則穩(wěn)定;④在石油交易過程中,在資源擁有者可獲得客觀利潤(rùn)的同時(shí),消費(fèi)者有支付石油價(jià)格的能力[6]。

根據(jù)英國(guó)石油公司(BP)數(shù)據(jù)庫(kù)的歷史石油產(chǎn)量數(shù)據(jù),自1860年以來北極國(guó)家的石油產(chǎn)量歷經(jīng)上升、穩(wěn)定、下降、上升的階段,產(chǎn)量曲線近似“鐘形曲線”。因此,基于曲線擬合理論的Hubbert模型等峰值模型符合北極國(guó)家的石油產(chǎn)量趨勢(shì)(圖1)。

圖1 北極國(guó)家的石油產(chǎn)量趨勢(shì)Fig.1 Oil production trend of Arctic countries

隨著全球現(xiàn)代化進(jìn)程的加快,石油作為重要的戰(zhàn)略資源,北極國(guó)家及全球?qū)ζ涞男枨笈c日俱增。一方面,以中國(guó)為代表的新興力量的石油需求量連年攀升,刺激其石油進(jìn)口量的增加,無形中擴(kuò)大俄羅斯、美國(guó)作為重要石油生產(chǎn)國(guó)的石油出口市場(chǎng);另一方面,在可以預(yù)見的未來,以美國(guó)為首的發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體將擺脫金融危機(jī)及歐洲債務(wù)等困境,國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)將進(jìn)一步復(fù)蘇,石油需求量將與其經(jīng)濟(jì)同步增長(zhǎng)。根據(jù)美國(guó)能源信息署(EIA)的分析,2030年世界石油需求量較2020年有望增長(zhǎng)0.5%。

石油最終可采儲(chǔ)量包括累計(jì)產(chǎn)量、證實(shí)儲(chǔ)量、儲(chǔ)量增長(zhǎng)量和未被發(fā)現(xiàn)可采量4個(gè)部分,其具體數(shù)值關(guān)乎石油產(chǎn)量預(yù)測(cè)的精確度。然而石油產(chǎn)量預(yù)測(cè)是浩繁的系統(tǒng)工程,尤其針對(duì)北極地區(qū)的石油資源,個(gè)人或單個(gè)學(xué)術(shù)組織難以完成各項(xiàng)數(shù)值評(píng)估。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)對(duì)北極地區(qū)進(jìn)行地理勘探,在此基礎(chǔ)上發(fā)布北極地區(qū)未被發(fā)現(xiàn)可采石油資源量以及模型所需的其他關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

3 北極地區(qū)石油資源開發(fā)潛力評(píng)估

3.1 樣本選取和數(shù)據(jù)來源

綜合考慮北極石油開發(fā)實(shí)際進(jìn)展以及數(shù)據(jù)可獲得性,本研究選取俄羅斯、加拿大以及美國(guó)為樣本代表北極國(guó)家,主要涉及石油的未被發(fā)現(xiàn)可采量、儲(chǔ)量增長(zhǎng)量、探明儲(chǔ)量和產(chǎn)量數(shù)據(jù)。其中,3個(gè)國(guó)家1860—1964年的石油產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自《帕爾格雷夫:世界歷史統(tǒng)計(jì)》[7],1965—2019年的石油產(chǎn)量及探明儲(chǔ)量數(shù)據(jù)來自英國(guó)石油公司的《世界能源統(tǒng)計(jì)回顧》[8];美國(guó)及俄羅斯的石油未被發(fā)現(xiàn)可采量和儲(chǔ)量增長(zhǎng)量數(shù)據(jù)來自美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局官網(wǎng)[9],加拿大的石油未被發(fā)現(xiàn)可采量和儲(chǔ)量增長(zhǎng)量數(shù)據(jù)來自加拿大統(tǒng)計(jì)局官網(wǎng)。

3.2 北極地區(qū)石油資源開發(fā)的情景設(shè)計(jì)

3.2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

北極地區(qū)的未被發(fā)現(xiàn)可采石油資源代表其勘探潛力,已被發(fā)現(xiàn)石油資源代表其開發(fā)潛力?；谑涂碧?、開發(fā)和生產(chǎn)的進(jìn)程,北極地區(qū)的未被發(fā)現(xiàn)可采石油資源須歷經(jīng)勘探過程從而轉(zhuǎn)化為已被發(fā)現(xiàn)資源,在資源商業(yè)性機(jī)會(huì)增加以及市場(chǎng)、技術(shù)、法規(guī)等許可的前提下,經(jīng)生產(chǎn)過程最終轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)出。根據(jù)信息效應(yīng),人們會(huì)依據(jù)既有的知識(shí)水平判斷勘探成功的概率,繼而決定是否進(jìn)行資源勘探活動(dòng)。由于北極大部分地區(qū)是未知區(qū)域,人們對(duì)于北極地區(qū)未被發(fā)現(xiàn)可采石油資源的勘探開發(fā)意愿必然不同于非北極地區(qū)。王淑玲等[10]認(rèn)為受地質(zhì)油藏條件、極地自然環(huán)境和工程設(shè)施等因素的限制,北極石油資源的開發(fā)難度大,目前該地區(qū)的石油開發(fā)尚不具備經(jīng)濟(jì)性。此外,相較于非北極地區(qū),北極地區(qū)石油資源勘探的相關(guān)信息較少,未被發(fā)現(xiàn)可采石油資源轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)出的時(shí)間有待商榷。

與此同時(shí),北極地區(qū)內(nèi)部各地質(zhì)盆地的勘探基礎(chǔ)也有所不同。①亞歐大陸向北延伸至北極圈內(nèi)形成北極陸上區(qū)域,其中一部分歸屬俄羅斯,構(gòu)成俄羅斯的北極陸上領(lǐng)土。俄羅斯北極石油資源開發(fā)項(xiàng)目數(shù)量眾多,但絕大多數(shù)分布在北極陸上區(qū)域,主要集中在亞馬爾-涅涅茨自治區(qū)和克拉斯諾亞爾克邊疆區(qū)。俄羅斯北極大陸架區(qū)域的石油開發(fā)進(jìn)展緩慢,且尚未有大規(guī)模的石油資源開發(fā)活動(dòng)[11]。②美國(guó)在北極地區(qū)的石油資源主要分布在阿拉斯加州,阿拉斯加自然資源廳將該地區(qū)具有潛在開采價(jià)值的地塊劃分為5塊,即波弗特海、北坡、北坡山腳、庫(kù)克灣和阿拉斯加半島。③加拿大因育空地區(qū)、西北地區(qū)以及努納武特部分地區(qū)位于北極圈內(nèi),面積占其國(guó)土總面積的40%。目前僅西北地區(qū)開展石油生產(chǎn)活動(dòng),且全部集中在諾曼韋爾斯附近,帝國(guó)石油資源有限公司、殼牌加拿大有限公司、康菲石油加拿大有限公司等多家公司持有該地區(qū)的油氣生產(chǎn)許可證,而其他地區(qū)尚未有油氣開采計(jì)劃。

3.2.2 情景設(shè)計(jì)

基于Hubbert峰值理論的信息效應(yīng),人們對(duì)有石油生產(chǎn)基礎(chǔ)地區(qū)的勘探開發(fā)意愿更加強(qiáng)烈,該地區(qū)未被發(fā)現(xiàn)可采石油資源轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)出的概率更高。結(jié)合上述依據(jù)分析可知,非北極地區(qū)與北極地區(qū)、北極地區(qū)內(nèi)部各地質(zhì)盆地之間的勘探基礎(chǔ)存在較大差異。因此,本研究比較不同情景設(shè)定下北極國(guó)家石油產(chǎn)量的預(yù)測(cè)結(jié)果,明晰開發(fā)北極地區(qū)未被發(fā)現(xiàn)可采石油資源對(duì)北極國(guó)家石油產(chǎn)量及其峰值的影響,進(jìn)而探討北極地區(qū)石油資源的開發(fā)潛力。

根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的勘探結(jié)果,俄羅斯、美國(guó)和加拿大在北極圈內(nèi)共擁有18個(gè)含油氣地質(zhì)盆地。梳理3個(gè)國(guó)家的北極石油資源開發(fā)情況可知,絕大多數(shù)石油開發(fā)項(xiàng)目位于西西伯利亞盆地、阿拉斯加北坡盆地、西北內(nèi)陸盆地以及斯維德魯普盆地。因此,假定在未來一段時(shí)間內(nèi),北極國(guó)家對(duì)上述4個(gè)地質(zhì)盆地(重點(diǎn)地區(qū))進(jìn)行石油勘探開發(fā)活動(dòng)的意愿高于其他14個(gè)地質(zhì)盆地(次重點(diǎn)地區(qū))。此外,假定研究過程滿足Hubbert模型的必要限制因素,即穩(wěn)定的政治和市場(chǎng)規(guī)則。

綜上所述,設(shè)定北極國(guó)家的3種石油勘探開發(fā)方案,北極國(guó)家石油資源的最終可采儲(chǔ)量有3種核算方法。①情景一:北極國(guó)家未被發(fā)現(xiàn)可采石油資源僅包含北極國(guó)家在非北極地區(qū)的未被發(fā)現(xiàn)可采石油資源,在此種情景下,北極國(guó)家石油資源的最終可采儲(chǔ)量為1 309.38億t;②情景二:北極國(guó)家未被發(fā)現(xiàn)可采石油資源包括北極國(guó)家在非北極地區(qū)和重點(diǎn)地區(qū)的未被發(fā)現(xiàn)可采石油資源,在此種情景下,北極國(guó)家石油資源的最終可采儲(chǔ)量為1 385.55億t;③情景三:北極國(guó)家未被發(fā)現(xiàn)可采石油資源包括北極國(guó)家在非北極地區(qū)和次重點(diǎn)地區(qū)的未被發(fā)現(xiàn)可采石油資源,在此種情景下,北極國(guó)家石油資源的最終可采儲(chǔ)量為1 357.13億t。

3.3 參數(shù)可靠性檢驗(yàn)

使用擬合度檢驗(yàn)方式來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)結(jié)果,計(jì)算公式為:

式中:RRMS為均值平方根,反映石油產(chǎn)量預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的離散程度;qactual和qforecast分別為實(shí)際產(chǎn)量與預(yù)測(cè)產(chǎn)量;n為預(yù)測(cè)年;DRMS為均值平方根與最大產(chǎn)量的相對(duì)差距。

當(dāng)DRMS≤5.5%時(shí),擬合程度較高;當(dāng)5.5%18%時(shí),擬合程度較低。經(jīng)測(cè)算,擬合程度較高,表明預(yù)測(cè)結(jié)果可信(表2)。

表2 北極國(guó)家石油產(chǎn)量預(yù)測(cè)可靠性檢驗(yàn)Table 2 Reliability test of oil production forecast in Arctic countries

3.4 情景分析

石油資源是重要的戰(zhàn)略物資,影響地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。未來世界各國(guó)都將面臨出現(xiàn)石油產(chǎn)量峰值,這意味著低成本、經(jīng)濟(jì)性可采石油產(chǎn)量增長(zhǎng)率趨近于零,石油產(chǎn)量將在峰值過后逐步下滑。在3種情景下,多循環(huán)Hubbert模型對(duì)北極國(guó)家石油產(chǎn)量峰值的預(yù)測(cè)如表3所示。

表3 多循環(huán)Hubbert模型對(duì)北極國(guó)家石油產(chǎn)量峰值的預(yù)測(cè)Table 3 Prediction of peak oil production of Arctic countries by multi cycle Hubbert model

從Hubbert模型的預(yù)測(cè)結(jié)果來看,3種情景下北極國(guó)家均未達(dá)到石油產(chǎn)量峰值,這意味著北極國(guó)家石油開采正由資源品質(zhì)好、成本低的階段向資源品質(zhì)一般、成本較高的階段過渡。隨著URR 的增加,北極國(guó)家石油產(chǎn)量峰值時(shí)間遞延,其原因在于開發(fā)北極地區(qū)未被發(fā)現(xiàn)可采石油資源增加北極國(guó)家可采石油資源儲(chǔ)備,延緩石油產(chǎn)量峰值的到來。

根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果,開發(fā)北極地區(qū)未被發(fā)現(xiàn)可采石油資源可使北極國(guó)家石油產(chǎn)量峰值時(shí)間遞延2～4年。值得注意的是,由于北極國(guó)家在重點(diǎn)地區(qū)的未被發(fā)現(xiàn)可采石油資源更加豐厚,開發(fā)重點(diǎn)地區(qū)的未被發(fā)現(xiàn)可采石油資源將使石油產(chǎn)量峰值時(shí)間遞延的效果更加明顯。近年來,以俄羅斯、美國(guó)、加拿大為代表的北極國(guó)家在世界石油市場(chǎng)的供給地位逐年上升,這些國(guó)家的石油產(chǎn)量峰值及其時(shí)間不僅關(guān)乎本國(guó)命運(yùn),還將對(duì)世界石油市場(chǎng)產(chǎn)生深刻影響。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)研究結(jié)果,將不開發(fā)北極地區(qū)未被發(fā)現(xiàn)可采石油資源的情景作為參照時(shí),由于重點(diǎn)地區(qū)未被發(fā)現(xiàn)可采石油資源更加豐厚,對(duì)其開發(fā)將使北極國(guó)家石油產(chǎn)量峰值時(shí)間的遞延效果更加明顯。鑒于此,北極國(guó)家未來須大力發(fā)展西西伯利亞盆地、阿拉斯加北坡盆地、西北內(nèi)陸盆地和斯維爾德魯盆地等地區(qū)的石油開采項(xiàng)目。在當(dāng)前世界石油資源愈發(fā)緊缺而石油資源需求愈發(fā)上漲的背景下,北極國(guó)家應(yīng)抓住機(jī)遇、順勢(shì)而為,積極挖掘北極地區(qū)石油資源的開采潛力,在延緩本國(guó)石油產(chǎn)量峰值到來的同時(shí),緩解世界石油資源供給矛盾。