基于成本級差分析的油氣儲量等級評價方法研究

陳 璐， 陳民鋒*， 王兆琪， 張琪琛， 李春明

(1.中國石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院， 北京 102249； 2.中國石油大慶油田公司 第十采油廠， 黑龍江 大慶 166405)

基于成本級差分析的油氣儲量等級評價方法研究

陳 璐1， 陳民鋒1*， 王兆琪1， 張琪琛1， 李春明2

(1.中國石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院， 北京 102249； 2.中國石油大慶油田公司 第十采油廠， 黑龍江 大慶 166405)

儲量資源是油氣公司的重要資產(chǎn)，對油氣儲量價值進(jìn)行合理評估，有利于科學(xué)開采油氣資源以及優(yōu)化投資組合.科學(xué)地評價油氣資源價值就是對油氣資源進(jìn)行價值分級.由于儲量資源受地質(zhì)、所處地理位置、交通運(yùn)輸和油藏開發(fā)等不同條件的影響，各儲量資源會形成不同的級差成本.基于級差成本原理以及油氣田勘探開發(fā)生產(chǎn)過程的條件，對儲量價值評估指標(biāo)進(jìn)行選取，構(gòu)建指標(biāo)樣本集.采用多元回歸和德爾菲法對初步選取的21個儲量價值評估指標(biāo)的特征值進(jìn)行量化表征，應(yīng)用主成分分析法提取出構(gòu)成總成本的5類成本級差即外部成本級差、集輸成本級差、投資成本級差、開采成本級差和生產(chǎn)成本級差，建立了各成本級差與單因素之間的關(guān)系以及儲量價值評價指標(biāo)體系的三級分層結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可以確定不同評價指標(biāo)的影響權(quán)重，最終得到對油氣儲量的優(yōu)劣等級進(jìn)行評價.通過基于成本級差的評價體系建立，可定量表征油氣儲量的價值等級，為合理評估油田儲量價值提供有利的支持.

油氣儲量； 價值等級； 成本級差； 評價體系； 因子特征值

0 引言

油氣資源是人類賴以生存和發(fā)展的重要自然資源之一，同時也是油氣公司最重要的資產(chǎn).對油氣儲量價值進(jìn)行合理評估是石油企業(yè)投資決策的基礎(chǔ)，能促進(jìn)企業(yè)整體效益的提高與油氣儲量利用價值的最大化，對科學(xué)開采油氣資源，節(jié)約和充分利用油氣資源具有重要的理論和現(xiàn)實意義[1-3].目前，國內(nèi)外很多學(xué)者對油氣儲量價值評估進(jìn)行了大量的研究，提出了一些評估方法和模型，對指導(dǎo)油氣生產(chǎn)管理起到了一定的作用.國內(nèi)外常用的方法和模型幾乎都是基于油氣儲量的價值形成方面分析，有其自身的特點(diǎn)和適用條件，但對投資、生產(chǎn)經(jīng)營中各個方面考慮不全[4-6].

由于油氣儲量資源受地質(zhì)條件、儲量大小、開采難易程度以及油氣田所處地理位置、交通運(yùn)輸條件、自然環(huán)境等諸多主、客觀因素的影響，將導(dǎo)致不同油氣藏勘探成本和開發(fā)及開采成本的不同，進(jìn)而使得不同油氣田儲量資源在勘探開發(fā)過程中形成成本級差，進(jìn)而影響到油氣儲量的價值評估結(jié)果[7-12].成本級差將油氣儲量的價值與油氣田資源條件的差異緊密地聯(lián)系起來，因此，為科學(xué)合理地評價油氣儲量價值，可以通過對大量礦場實際數(shù)據(jù)的比較分析，確定不同條件下油氣儲量資源的價值等級參數(shù)，對油氣田資源進(jìn)行優(yōu)劣等級評價，即價值分級[13-16].

通過系統(tǒng)調(diào)研國內(nèi)外儲量價值的研究方法，總結(jié)發(fā)現(xiàn)儲量價值具體體現(xiàn)在“油田外部條件、儲量級別、內(nèi)部開采條件”等三大類指標(biāo)上，因此，從“油藏的外部情況”、“儲量等級”和“油藏內(nèi)部開發(fā)條件”三個方面歸納分析影響儲量價值的各項指標(biāo)[17-21].

首先調(diào)研收集油田基本信息，初步篩選出21個反映油田指標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)而應(yīng)用德爾菲法和多元回歸方法定量表征單個影響因素指標(biāo)的評估價值，并得到各因素評估價值的相對變化特征值；在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用主成分分析法提取出構(gòu)成總成本的5類成本級差即外部成本級差、集輸成本級差、投資成本級差、開采成本級差和生產(chǎn)成本級差，建立了各成本級差與單因素之間的關(guān)系以及評估層級結(jié)構(gòu).最后結(jié)合權(quán)重和相對變化特征值，計算分別得到各油田“外部開發(fā)條件、儲量等級、油藏內(nèi)部開采條件”三個方面的級差等級值，如圖1所示，進(jìn)而可以綜合評價油田儲量價值.

圖1 儲量價值評估構(gòu)成示意圖

1 油氣儲量價值分級評價量化矩陣的建立

1.1 油氣儲量價值等級評價的步驟

為結(jié)合成本級差，科學(xué)合理地評價油氣儲量價值等級，計算思路及步驟如下：

(1)確定影響儲量資源價值的地質(zhì)、自然和社會經(jīng)濟(jì)等方面的客觀因素，并對資源條件因素進(jìn)行基本的分層分類，初步確定油氣資源價值的分級模型；

(2)采用多元回歸和德爾菲法對全部指標(biāo)因素進(jìn)行量化，并在此基礎(chǔ)上劃分各個指標(biāo)的下分等級，確定其不同等級取值對儲量價值影響的特征值，即等級影響程度值；

(3)應(yīng)用數(shù)學(xué)方法提取影響儲量價值的主成分，根據(jù)各主分包含的具體指標(biāo)明確其基于成本級差概念的物理意義，同時得到下層各因素對上層成本級差影響的權(quán)系數(shù)，由此建立確定儲量價值等級的數(shù)學(xué)模型；

(4)得出評價油氣儲量價值分級的數(shù)學(xué)模型后，在具體評價某一油氣田儲量價值等級時，只需將所需油氣田資料數(shù)據(jù)輸入分級模型，即可計算出資源等級.

1.2 滲流方程及其基本解

分別從“外部開發(fā)條件、儲量等級、油藏內(nèi)部開采條件”三個方面對儲量價值評估指標(biāo)進(jìn)行選取，構(gòu)建指標(biāo)樣本集，如表1所示.綜合分析儲量價值評價的構(gòu)成，共有30個影響指標(biāo)，為保證后續(xù)評價層級即影響權(quán)重的準(zhǔn)確性，需去除同類中相關(guān)性較強(qiáng)的指標(biāo)后得到21個指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行研究，如表1所示.

表1 儲量價值評估指標(biāo)樣本庫

1.3 評估指標(biāo)量化處理的特征值表征方法

由于各個評估指標(biāo)對各級各類成本級差的影響作用程度不同，影響程度值即為評估指標(biāo)的特征值.將評估指標(biāo)特征值在0～1間量化表征，便于后續(xù)應(yīng)用主成分法分析.21個指標(biāo)可以分為以下兩類：①評估指標(biāo)為定性、類別型指標(biāo)，即非數(shù)量因子；②評估指標(biāo)為定量、數(shù)學(xué)關(guān)系型指標(biāo)，即數(shù)量因子.兩種不同類型評估指標(biāo)的特征值量化方法不同.

1.3.1 確定非數(shù)量因子的特征值

在確定非數(shù)量因子等級尺度和特征值時，首先列出該因子的各種可能取值情況，然后采用德爾菲法征詢專家不同因子取值對相應(yīng)成本部分的影響程度，在收集整理專家意見的基礎(chǔ)上得出非數(shù)量因子的等級尺度及各等級的特征值[22,23].

德爾菲法，又名專家評判法，是一種采用專家匿名發(fā)表意見的方式，通過多輪次調(diào)查專家對問卷所提問題的看法，經(jīng)過反復(fù)征詢、歸納、修改，最后匯總成專家基本一致的看法，作為最終結(jié)果.這種方法具有廣泛的代表性，較為可靠[24].德爾菲法的主要步驟包括：調(diào)查表的設(shè)計，專家的選擇，結(jié)果處理和預(yù)測過程.接下來以“油氣藏構(gòu)造”為例，具體闡述利用德爾菲法確定非數(shù)量因子的特征值的過程.主要步驟如下：

(1)設(shè)計調(diào)查表結(jié)構(gòu)、設(shè)定基準(zhǔn)值：假設(shè)對外部成本不考慮其他因素，以成本最高的特征值為基準(zhǔn)1.

例如在不同油氣藏構(gòu)造類型中，復(fù)合構(gòu)造的勘探開發(fā)時所需成本最高，則特征值為基準(zhǔn)1，油氣藏構(gòu)造特征值調(diào)查表如表2所示.

表2 油氣藏構(gòu)造特征值調(diào)查表

(2)專家評判：由專家給出其他因子類型所需成本相對于最高成本的倍數(shù)，如其他油氣藏構(gòu)造所需成本相對于復(fù)合構(gòu)造成本的倍數(shù).

專家評判是德爾菲法的評價結(jié)果優(yōu)劣的關(guān)鍵.對本模型來說，專家要有豐富的實踐經(jīng)驗和較高理論水平，專家的代表面要廣，專家總體具有權(quán)威性.

(3)數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理：假定專家N人，統(tǒng)計變量一般有很多個取值，對每一個“定類變量”取其“眾值(即出現(xiàn)頻率最高對應(yīng)的值)”做為其估計值.以“簡單構(gòu)造”為例，不同專家給出成本相對倍數(shù)如表3所示.

表3 簡單構(gòu)造特征值專家評價統(tǒng)計表

對N個專家給出的 M個數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到“簡單構(gòu)造”相對于“復(fù)合構(gòu)造”成本相對倍數(shù)的頻率及累計頻率分布，如圖2所示.

圖2 簡單構(gòu)造特征值頻率分布圖

可以看出，專家評判中0.4出現(xiàn)頻率最高，為“簡單構(gòu)造”成本相對倍數(shù)的眾值，即取做特征值.同理得到其他兩類構(gòu)造的特征值，進(jìn)而得到全部特征值如表4所示.

表4 油氣藏構(gòu)造特征值表

1.3.2 確定數(shù)量因子的特征值

數(shù)量因子在量化過程中，利用多元回歸法分析現(xiàn)有的大量數(shù)據(jù)，總結(jié)得到各個指標(biāo)分別與勘探開發(fā)投資成本的關(guān)系，并由此進(jìn)行分級和確定其特征值.下面以“儲量大小”為例，具體闡述數(shù)量因子特征值的確定過程.

(1)建立評價指標(biāo)與相應(yīng)成本間的函數(shù)關(guān)系:收集樣本數(shù)據(jù)，用“數(shù)學(xué)擬合回歸”得到儲量大小與單位投資成本之間的數(shù)量關(guān)系，如圖3所示.

圖3 儲量大小與單位投資成本之間 的數(shù)量關(guān)系

y=6.089+5 542.265 5/x

(1)

式(1)中：x為儲量，y為單位儲量投資成本.

從回歸系數(shù)a=6.089，b=5 542.265 5，得知“儲量大小”為定量正向性指標(biāo)，即儲量增大，單位投資成本減小，與實際情況相符.

確定各指標(biāo)同單位成本之間的函數(shù)關(guān)系后，對指標(biāo)進(jìn)行分級，并確定其相應(yīng)的特征值.確定因子等級尺度要注意盡可能使樣本數(shù)據(jù)均勻分布在各等級間.

(2)特征值的確定:按照儲量大小分類標(biāo)準(zhǔn)對收集樣本分析統(tǒng)計如表5所示.

表5 油氣田儲量大小分類

(3)確定每組儲量等級的特征值:上述統(tǒng)計分組的方式為“組距分組”，在“組距分組”中，用“組中值”代表每組的特征，再根據(jù)回歸得到儲量大小與投資成本間的數(shù)量關(guān)系，量化每組對應(yīng)的單位投資成本.因子各等級尺度所對應(yīng)的特征值是一個相對值，以成本最高的儲量級別為基準(zhǔn)，即假設(shè)“小型油田”的評估特征值為1，特征值即為評估對象投資成本與基準(zhǔn)投資成本的比值，最終得到各儲量大小等級對應(yīng)的特征值如表6所示.其中，“組中值”為分組上限和下限的算術(shù)平均值.

表6 油氣田儲量大小特征值

基于上述兩種方法計算得到全部21個指標(biāo)對相應(yīng)成本部分的特征值，如表7所示.

表7 油氣儲量等級評價特征值量化矩陣

2 油氣儲量等級評價體系的建立

2.1 基于主成分分析法的油氣儲量分級評價

已得到n個油田的 21 項指標(biāo)的特征值，形成樣本分析庫，如表8所示，進(jìn)行主成分分析.主成分分析法是一種降維的統(tǒng)計分析方法，將原來變量重新組合成一組相互無關(guān)的幾個綜合變量，根據(jù)實

際需要從中取出幾個較少的總和變量盡可能多地反映原來變量的信息，通過計算主成分對各評價指標(biāo)的方差貢獻(xiàn)以及主成分與評價指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)，建立起儲量價值評價指標(biāo)體系的分層結(jié)構(gòu).

選取n個油田的 21 項指標(biāo)的特征值，則有原始數(shù)據(jù)矩陣：

(2)

式(2)中：xij的第一個下標(biāo)i是油田樣本單位，第二個下標(biāo)j是第j個指標(biāo)變量，xij表示第i個油田的第j個指標(biāo)影響儲量價值的特征值.

為了消除各項指標(biāo)之間在量綱化和數(shù)量級上的差別，對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

(3)

(4)

(5)

得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣：

(6)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)矩陣建立協(xié)方差矩陣R，協(xié)方差矩陣是反映數(shù)據(jù)之間相關(guān)關(guān)系密切程度的統(tǒng)計指標(biāo)，值越大，說明有必要對數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析.

對于變量x1,x2,…,xp的相關(guān)系數(shù)矩陣：

(7)

根據(jù)協(xié)方差矩陣R求出特征值、主成分貢獻(xiàn)率和累計方差貢獻(xiàn)率，確定主成分個數(shù).

通過對21個變量采取主成分分析，提取因子，可提取5個主成分作為原有21個變量的主因子.這5個主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為12.44%、12.26%、27.29%、19.95%和17.54%，可以反映原有21個指標(biāo)變量89.47%的信息量，具有較高的構(gòu)建效度.

旋轉(zhuǎn)后的因子得分矩陣如表8所示.反映各主成分在原始變量上的負(fù)荷，即各成分與原始21個因子的相關(guān)關(guān)系.

按照各因子所包括的主要題項的含義對其進(jìn)行命名，模型結(jié)果顯示：

主成分1包含了地貌特征、油氣藏構(gòu)造、海上油藏水深、儲層巖性等4個變量，由于這些變量都是油氣藏的外部條件，外部自然條件差則油田經(jīng)營獲得所需各項生產(chǎn)要素、取得外部支持的難度也大，由此所帶來的成本稱為外部成本，導(dǎo)致的成本級差稱為外部成本級差，因此將主成分1命名為外部成本級差.

主成分2包含了集輸距離、集輸方式、集輸設(shè)備條件、地面原油品質(zhì)4個變量，反映了油田的集輸條件的優(yōu)劣.而油田的集輸條件的優(yōu)劣直接影響了原油生產(chǎn)銷售過程中集輸成本的高低，集輸條件好則集輸成本低，反之則高.因此將主成分2 定義為由集輸條件好壞形成的原油生產(chǎn)經(jīng)營成本級差——集輸成本級差.

主成分3包含了儲量探明程度、探明地質(zhì)儲量大小和儲量豐度3個變量，直接表征了油田的儲量規(guī)模，儲量規(guī)模越大，勘探、開發(fā)工程建設(shè)投資的規(guī)模效益越高，單位儲量投資成本、單位產(chǎn)量生產(chǎn)成本就越低，從而帶來成本級差.因此將成分3命名為投資成本級差.

主成分4包括資源類型、儲集類型、驅(qū)動類型即開發(fā)方式、采油方式、油氣藏埋深5個變量，具體影響著油田的開采成本，因而命名為開采成本級差.

主成分5包括有效厚度、滲透率、非均質(zhì)性、地下原油粘度以及飽和壓力等5個變量，反映油田所需的生產(chǎn)成本，命名為生產(chǎn)成本級差.生產(chǎn)成本即井的產(chǎn)出、油氣在地面進(jìn)行處理、送至外輸站所發(fā)生的成本費(fèi)用，包括油田及地面設(shè)施的維護(hù)管理費(fèi)、材料、人工費(fèi)用，包括井下作業(yè)及三脫費(fèi)用等.

根據(jù)因子分析結(jié)果建立起儲量價值評價指標(biāo)體系的三級分層結(jié)構(gòu).在該三層結(jié)構(gòu)中，第一層次是目標(biāo)層，作為一級指標(biāo)層，即為最終油田的儲量價值；第二層次是準(zhǔn)則層，作為二級指標(biāo)層，即5類成本級差；第三級則是各類具體的構(gòu)成因素，為三級指標(biāo)層.在儲量價值評價過程中，科學(xué)有效的評價指標(biāo)體系的建立是后期評價、得到具體評語的基礎(chǔ)，可定量表征油氣儲量的價值等級，為合理評估油田儲量價值提供有利的支持.

表8 正交旋轉(zhuǎn)后的因子分析結(jié)果

2.2 儲量等級影響因素的權(quán)重確定

在利用主成分分析方法建立儲量價值評估指標(biāo)體系的過程中，可以根據(jù)主成分的貢獻(xiàn)率和因子得分系數(shù)得到儲量等級影響因素的權(quán)重.在統(tǒng)計分析中，因子得分系數(shù)矩陣中的回歸系數(shù)反映了變量的變化對主成分的影響權(quán)重，貢獻(xiàn)率則表征各主成分對一級目標(biāo)指標(biāo)的影響程度.因此，分別對5類成本級差的貢獻(xiàn)率以及因子得分系數(shù)進(jìn)行歸一化處理后，可以得到儲量等級不同層級上影響因素的權(quán)重分配，結(jié)果如表9所示.

2.3 油氣儲量等級評價體系

根據(jù)主成分分析法的原理，利用參數(shù)對評價結(jié)果累計貢獻(xiàn)率可以篩選出哪些指標(biāo)對于儲量價值評價不可或缺.考慮到實際過程中礦場資料的有限以及取值的不確定性，當(dāng)選取的參數(shù)指標(biāo)對評價結(jié)果的權(quán)重影響達(dá)到全部指標(biāo)的85%時，即認(rèn)為指標(biāo)可以完整代表油田的屬性.故而推薦評價儲量價值的指標(biāo)參數(shù)16個，包括：地貌特征、海上油藏水深、集輸距離、地面原油品質(zhì)、儲量探明程度、探明地質(zhì)儲量大小、儲量豐度、開發(fā)方式、油氣藏埋深、儲集類型、資源類型、采油方式、有效厚度、滲透率、非均質(zhì)性和地下原油粘度.

以X-C油田為例，對其儲量價值等級進(jìn)行了測算分析，結(jié)果如表10所示.X-C為一陸上斷塊油田，探明地質(zhì)儲量2 200萬噸，儲量豐度191.3萬噸，油層埋深1 467米；原油比重0.859、黏度為13.4 mPa·s；彈性驅(qū)動，現(xiàn)階段注水開發(fā)，開采出的原油采用管線運(yùn)輸.

根據(jù)公式(8)可以計算得到儲量價值等級值：

G=(λ外G外+λ集G集)+λ投G投+

(λ開G開+λ生G生)

(8)

式(8)中：λ外—外部成本級差權(quán)重，λ集—集輸成本級差權(quán)重，λ投—投資成本級差權(quán)重，λ開—開采成本級差權(quán)重，λ生—生產(chǎn)成本級差權(quán)重；G外—外部成本級差等級值，G集—集輸成本級差等級值，G投—投資成本級差等級值，G開—開采成本級差等級值，G生—生產(chǎn)成本級差等級值.

3 結(jié)論

通過以上研究，可以得出以下認(rèn)識：

(1)通過分析儲量價值在“外部開發(fā)條件、儲量等級、油藏內(nèi)部開采條件”三個方面的主要體現(xiàn)，選取21個儲量價值評估指標(biāo)進(jìn)行量化表征，應(yīng)用主成分分析法提取出構(gòu)成總成本的5類成本級差即外部成本級差、集輸成本級差、投資成本級差、開采成本級差和生產(chǎn)成本級差，進(jìn)而建立了各成本級差與單因素之間的關(guān)系以及評估層級結(jié)構(gòu)，并得到各層評價指標(biāo)的權(quán)重，最終得到對油氣田儲量資源的優(yōu)劣等級評價.

(2)基于評價指標(biāo)對評價結(jié)果累計貢獻(xiàn)率的不同，篩選出儲量價值評價時推薦的評估指標(biāo)參數(shù)指標(biāo)16個，可以在一定程度上解決因資料有限而無法合理評價儲量價值等級的問題.

(3)基于成本級差的價值等級評價方法考慮的因素較全面，且不需要復(fù)雜的成本、產(chǎn)量等基礎(chǔ)資料和預(yù)測數(shù)據(jù)，有效地規(guī)避了由于經(jīng)營管理不善所造成的油田儲量評估失真.

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【責(zé)任編輯：陳 佳】

Evaluation study on value ranking of oil and gas reserves based on cost differential

CHEN Lu1, CHEN Min-feng1*, WANG Zhao-qi1, ZHANG Qi-chen1, LI Chun-ming2

(1.College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China; 2.Tenth Oil Pruduction Plant, PetroChina Daqing Oil Field Company, Daiqing 166405, China)

Oil and gas reserves is one of the most important assets of oil and gas companies.Rational assessment of reserves value is both conducive to scientific developing and investment portfolio.Consequently,a comprehensive evaluation system and standards for value classification of oil and gas reserves should be established.Scientifically evaluating the oil and gas reserves value is to classify the oil and gas reserves value.Due to various influences by geology,geographical location,transportation and reservoir development,reserve of resources may gain differential cost.In the light of the theory of cost differential and the characteristic of the exploration and development of the oil and gas resources,reserves value evaluation indicators have been selected and the sample set has also been established.The eigenvalue of reserves 21 value indicators has been quantified by applying multiple regression and delphi method and then 5 main types of cost differential which include external cost differential,transportation cost differential, investment cost differential, exploitation cost differential and production cost differential have been determined by applying principal component analysis.Consequently,not only the relationship between different kinds of cost differential and value indicators,but also the assessment models of oil and gas reserves value has been established.On basis of that, influence weight of total 21 indicators and value ranking of reserves can be derived,which will provide favorable support for scientific and reasonable value evaluation of oil and gas reserves.

oil and gas reserves; value classification; cost differential; assessment system; factor eigenvalue

2016-09-21

國家科技重大專項項目(2016ZX05033005-007)

陳 璐(1991-)，女，黑龍江大慶人，在讀碩士研究生，研究方向：油氣田開發(fā)系統(tǒng)理論方法、提高采收率技術(shù)通訊作者:陳民鋒(1971-)，男，河南清豐人，副研究員，博士，研究方向：油氣田開發(fā)系統(tǒng)理論方法、提高采收率技術(shù)，cmfllp96@126.com

1000-5811(2017)01-0102-08

TE348

A