頁巖革命對美國油氣價格長期關系的影響研究＊

謝亮，孫仁金

(中國石油大學（北京）經濟管理學院）

由于燃料油和天然氣在發(fā)電等領域的相互替代關系，美國的原油和天然氣價格曾在很長一段時間內維持著穩(wěn)定相關關系。21世紀以來，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術的發(fā)展提高了天然氣的發(fā)電效率，這是天然氣價格相對于原油價格在21世紀初有所提高的一個原因。之后，水力壓裂技術的突破使得頁巖氣產量激增，油氣價格長期關系隨之發(fā)生變化。受益于類似技術，頁巖油產量激增，全球原油產量快速增長。頁巖氣和頁巖油產量增長對油氣價格長期關系變化影響幾何？未來油氣價格長期關系可能向什么方向變化？這是本文要回答的問題。

1 相關文獻述評

美國市場原油與天然氣價格之間的關系一直是學術界熱衷的話題，這一方面是因為研究二者的關系可以為投資者及能源消費商提供合適的投資、購買和儲存策略，另一方面是由于長期以來原油價格對于天然氣價格變化的主導作用，要想把握天然氣價格的變化規(guī)律必須考慮二者間的關系。

起初，大量文獻支持美國原油與天然氣價格間存在長期關系，例如：巴赫邁爾（Bachmeier）等[1]，維拉爾（Villar）等[2]，布朗（Brown）等[3]，哈特利（Hartley）等[4]，穆罕默迪（Mohammadi）[5]和姬強（Ji）等[6]。這些研究大多基于協(xié)整檢驗和誤差修正模型（ECM），發(fā)現(xiàn)二者存在長期正向協(xié)整關系，但同時也觀察到二者短期“脫鉤”現(xiàn)象，這可由市場基礎來解釋，例如天然氣存儲水平、天氣以及颶風對產量的影響。這些研究還表明，美國原油價格相對于天然氣價格呈弱外生性。哈特利等學者發(fā)現(xiàn)，美國原油與天然氣價格之間的關系是間接的，通過天然氣和渣油燃料的競爭起作用，并且發(fā)電技術的發(fā)展使得天然氣熱效率提高，從而提高了天然氣相對渣油燃料的價格。穆罕默迪利用基于門限自回歸模型（TAR）和動量門限自回歸模型（MTAR）的協(xié)整檢驗，對美國原油與天然氣價格的關系進行檢驗，發(fā)現(xiàn)二者間的長期關系是不對稱的。姬強等應用面板協(xié)整檢驗，發(fā)現(xiàn)相比于全球經濟活動，原油價格對天然氣價格的長期影響更強。

頁巖氣革命暴發(fā)后，許多學者注意到油氣價格的長期“脫鉤”現(xiàn)象，二者長期關系發(fā)生轉變。德博克（De Bock）[7]運用向量自回歸（VAR）模型發(fā)現(xiàn)，與2005年前相比，美國天然氣和原油價格之間的聯(lián)系變弱。蘭伯格（Ramberg）等[8]利用向量自回歸誤差修正（VEC）模型發(fā)現(xiàn)，2006年以后，天然氣價格相對于石油價格有所下降。埃爾多斯（Erd?s）[9]應用向量自回歸誤差修正模型發(fā)現(xiàn)，2009年由于大西洋套利活動停止，天然氣價格與原油價格關系發(fā)生了結構性變化，二者相依性減弱。布里吉達（Brigida）[10]、席雯雯等[11]運用馬爾科夫轉換協(xié)整方程發(fā)現(xiàn)，原油和天然氣的長期協(xié)整關系存在兩個狀態(tài)：2000年前，原油價格表現(xiàn)相對好于天然氣價格的狀態(tài)（原油價格上漲時，天然氣價格上漲幅度低于預期）；2000年8月出現(xiàn)短期變化，天然氣價格表現(xiàn)相對好于原油價格，2009年5月之后，這種關系恢復到原來狀態(tài)。

之后，許多學者嘗試解釋原油價格和天然氣價格關系的變化。哈特利等學者[12]發(fā)現(xiàn)，美國原油和天然氣的相對價格受到名義匯率的影響。邦恩（Bunn）等學者[13]利用大量近似因子模型研究了基本面和金融投機對美國原油與天然氣價格聯(lián)動關系的影響，發(fā)現(xiàn)金融投機活動加強了這一關系?？ú郑–aporin）等學者[14]運用斷點協(xié)整檢驗和向量自回歸誤差修正模型發(fā)現(xiàn)，頁巖氣革命使得原油價格和天然氣價格長期關系發(fā)生了結構性變化?？挤蚵↘aufmann）等[15]使用協(xié)整向量自回歸（CVAR）模型研究發(fā)現(xiàn)，美國天然氣價格相對于其他化石燃料價格的變化，很大程度上是由于采用了聯(lián)合循環(huán)技術提高了天然氣發(fā)電效率，而頁巖氣產量的變化對美國天然氣價格的長期影響相對較小。

盡管已有的研究已經對美國原油價格和天然氣價格的關系作了較為全面深入的分析，但似乎都忽視了頁巖油革命可能給二者關系帶來的影響。同時，盡管許多研究考慮到了結構斷點，但這些斷點大多是先驗的，例如德博克[7]，埃爾多斯[9]和卡波林等[14]。其他研究，例如蘭伯格等[8]使用了G-H協(xié)整檢驗，布里吉達[10]、席雯雯等[11]使用了馬爾科夫轉換協(xié)整方程，這些方法能識別未知斷點，但只考慮了油氣價格關系的兩種狀態(tài)。本文的創(chuàng)新之處在于：1）不僅考慮了頁巖氣革命對美國油氣價格關系的影響，還考慮了頁巖油革命可能給美國油氣價格關系帶來的影響，即考慮到油氣價格長期關系可能存在三種狀態(tài)；2）使用能識別兩個未知斷點的協(xié)整檢驗方法，內生性地識別頁巖油氣革命對美國油氣價格長期關系的作用時點；3）通過實證方法證明頁巖油氣革命對美國油氣價格長期關系產生了影響。

2 數(shù)據(jù)及模型

2.1 變量選取與數(shù)據(jù)處理

本文選取了如下變量：美國亨利天然氣交易中心（HH）實際天然氣現(xiàn)貨價格（美元/百萬英熱單位）、西得克薩斯原油（WTI）實際現(xiàn)貨價格（美元/桶）、美國天然氣總產量（十億立方英尺/日）、世界原油總產量（百萬桶/日）。實際現(xiàn)貨價格序列由名義現(xiàn)貨價格序列除以相應的美國消費者價格指數(shù)（CPI）得到，CPI由原始數(shù)據(jù)調整到以1997年1月為基期。由于天然氣市場是區(qū)域性的，而原油市場是全球性的，本文用美國天然氣產量代表美國天然氣市場供給力量，用世界原油產量代表原油市場的供給力量。美國頁巖氣產量的增長驅動了美國天然氣總產量增長，美國頁巖油產量增長驅動了世界原油產量增長，因而本文用美國天然氣產量和世界原油產量的變化來表征美國頁巖氣產量和頁巖油產量變化。

油氣名義價格和產量數(shù)據(jù)均來源于美國能源信息署（EIA），原始CPI指數(shù)來源于美聯(lián)儲經濟數(shù)據(jù)庫。價格和指數(shù)序列的樣本區(qū)間均為1997年1月至2019年12月，產量序列的樣本區(qū)間均為2000年1月至2019年12月。為消除異方差的影響和減少數(shù)據(jù)波動性，本文對所有變量序列進行了取對數(shù)處理。最終得到的變量記為LNNGP、LNOP、LNNGQ和LNWOQ，分別表示美國實際天然氣價格、美國實際原油價格、美國天然氣總產量和世界原油總產量的對數(shù)。

2.2 油氣價格走勢回顧

圖1顯示1997年1月至2019年12月的美國原油和天然氣的實際現(xiàn)貨價格，可以看出，在2009年之前，原油和天然氣的實際現(xiàn)貨價格具有基本一致的走勢。2008年6月之前，二者均呈波動上漲態(tài)勢，并且在2008年初開始迅猛上漲，在2008年6月達到峰值，之后受全球性金融危機的影響二者開始迅速下跌。在2008年之前，原油價格雖然保持上漲態(tài)勢，但并沒有劇烈的波動，而天然氣價格出現(xiàn)了幾次劇烈波動，這主要是因為颶風和異常氣候的影響。

圖1 原油和天然氣實際現(xiàn)貨價格

2009-2014年，原油價格觸底反彈，總體呈上漲態(tài)勢，天然氣價格則始終在低位震蕩。這一時期，美國頁巖氣產量的迅速增長帶動了美國天然氣總產量快速增長，但受金融危機影響，美國經濟增長緩慢，進而導致天然氣需求增長緩慢。同期，世界原油產量雖有所增長但增長緩慢，以中國為代表的新興經濟體受金融危機影響較小，仍保持較快的經濟增速，導致全球原油需求較快增長。

2014年之后，原油和天然氣價格最初有所下跌，之后均在低位震蕩。這一時期，美國頁巖油產量的迅速增長導致全球原油產量持續(xù)增長，而中國由高速發(fā)展轉為高質量發(fā)展，全球原油需求增速放緩。美國經濟增長仍然乏力，天然氣總產量繼續(xù)保持較高增速。油氣價格在一些時段呈相反走勢，這表明油氣價格長期關系并非一成不變。

2.3 模型

考慮到美國油氣價格長期關系可能存在兩個斷點的情況，本文使用允許存在兩次未知中斷的協(xié)整檢驗方法，以內生性地識別斷點位置。本文使用向量自回歸誤差修正（VEC）模型，說明油氣價格長期關系的變化，證明頁巖油氣革命對油氣價格長期關系確實產生了影響。

2.3.1 結構突變協(xié)整檢驗

檢驗變量間是否存在協(xié)整關系的常用方法有E-G兩步法和約翰森（Johansen）協(xié)整檢驗方法，這兩種方法無法考慮到協(xié)整關系中的水平項、趨勢項或斜率系數(shù)的中斷，因而可能錯誤地拒絕變量間存在長期關系的零假設。為此，格雷戈里（Gregory）等[16]開發(fā)了一個基于殘差的測試，即GH協(xié)整檢驗方法，允許變量間的協(xié)整關系發(fā)生變化，并能內生性地識別斷點以避免主觀選擇斷點可能帶來的偏差。但GH協(xié)整檢驗僅能識別一個斷點，在此基礎上，Hatemi-J[17]提出了一種新的協(xié)整檢驗方法，即H-J協(xié)整檢驗方法，該方法能識別兩個未知的斷點，考慮協(xié)整方程中截距和斜率同時發(fā)生突變，本文基于該方法構建如下模型：

式中，C0和β0分別表示在協(xié)整關系發(fā)生突變前的截距和斜率系數(shù)；C1、C2和β1、β2分別表示在協(xié)整關系發(fā)生第一、第二次突變后截距和斜率系數(shù)的變化；μt表示殘差項。D1t和D2t兩個虛擬變量定義如下：

參數(shù)τ1∈(0，1)，τ2∈(0，1)，[ ]表示取整運算。根據(jù)Hatemi-J的做法，將τ1和τ2的取值范圍限定為τ1∈(0.15，0.70)，τ2∈(0.15+τ1，0.85)。Hatemi-J提出了三個檢驗統(tǒng)計量，分別為ADF*、Zt*和Zα*，并給出了統(tǒng)計量的臨界值。

2.3.2 向量自回歸誤差修正模型

本文構建的向量自回歸誤差修正模型如下：

式中，Xt是模型中變量構成的向量，Δ表示差分，α是調整系數(shù)向量，ecmt-1為誤差修正項，p是向量自回歸誤差修正模型的滯后階數(shù)，φi是變量短期波動的影響系數(shù)矩陣，εt是殘差項向量，λ是協(xié)整系數(shù)矩陣。

如果變量間存在協(xié)整（長期）關系，就可以構建向量自回歸誤差修正模型。在一個協(xié)整方程中，如果某個變量具有顯著的調整系數(shù)，并且符號與自身協(xié)整系數(shù)符號相反，那么當變量的短期波動偏離長期均衡時，該變量會作出調整以恢復到均衡狀態(tài)。對于二變量的向量自回歸誤差修正模型，如果某個變量的協(xié)整系數(shù)顯著且與自身協(xié)整系數(shù)符號相反，那么存在從另一個變量到該變量的長期因果關系。

3 實證分析

3.1 全樣本分析

全樣本的單位根檢驗結果如表1所示。ADF檢驗和PP檢驗的結果均表明，美國天然氣和原油價格序列在5%顯著水平下是非平穩(wěn)序列，而其一階差分序列在5%顯著水平下是平穩(wěn)序列，所以價格序列均為一階單整序列，因而可以對其進行協(xié)整檢驗，協(xié)整檢驗結果如表2所示。

約翰森協(xié)整檢驗結果表明，在整個樣本期內，美國油氣價格間不存在單一的長期關系，而H-J協(xié)整檢驗結果表明，當考慮到協(xié)整關系發(fā)生兩次變化時，美國油氣價格間存在長期關系。即在整個樣本期內美國油氣價格間始終存在長期關系，只是由于重大事件的影響，長期關系發(fā)生了結構性變化。

3.2 子樣本分析

3.2.1 油氣價格長期關系的演變

盡管H-J協(xié)整檢驗結果表明在全樣本期內美國油氣價格間始終存在長期關系，為了加強這一證據(jù)，本文對由H-J協(xié)整檢驗的ADF*統(tǒng)計量所確定的斷點劃分出的三個子樣本分別進行約翰森協(xié)整檢驗，結果如表3所示。

約翰森協(xié)整檢驗的結果表明，在本文選取的三個子樣本區(qū)間內，美國油氣價格始終存在長期關系，這和H-J協(xié)整檢驗得到的結果一致。為進一步分析油氣價格間長期關系的變化情況，本文構建了二變量的向量自回歸誤差修正（VEC）模型，包括協(xié)整系數(shù)和調整系數(shù)，部分結果見表4。

表1 全樣本單位根檢驗結果

表2 全樣本協(xié)整檢驗結果

表3 子樣本二變量協(xié)整檢驗結果

在第一個子樣本區(qū)間內，長期來看，存在由原油價格到天然氣價格的單向因果關系，當原油價格上漲1%時，天然氣價格相應上漲0.729%，當油氣價格偏離長期均衡時，僅有天然氣價格以0.219的速度進行調整，使油氣價格在近5個月內恢復至均衡狀態(tài)。

在第二個子樣本區(qū)間內，天然氣價格和原油價格之間存在雙向的長期因果關系，并且由天然氣價格到原油價格的因果關系更強烈。長期來看，當原油價格上漲1%，天然氣價格相應下跌1.083%；當天然氣價格下跌1%，原油價格上漲0.923%。當油氣價格偏離長期均衡時，天然氣價格和原油價格分別以0.093和0.148的速度進行調整，使油氣價格在第4個月左右恢復至均衡狀態(tài)。

第三個子樣本區(qū)間的結果與第一個子樣本區(qū)間類似，僅存在由原油價格到天然氣價格的長期因果關系，并且原油價格對天然氣價格有長期正向影響。當原油價格上漲1%時，天然氣價格相應上漲0.851%，而且當油氣價格偏離長期均衡時，僅有天然氣價格以0.331的速度進行調整，使油氣價格在近3個月內恢復至均衡狀態(tài)。

綜合三個子樣本區(qū)間的結果發(fā)現(xiàn)，在第二個子樣本區(qū)間油氣價格長期關系比較特殊，主要表現(xiàn)為天然氣價格的長期變化引導原油價格的長期變化。這是因為，美國的天然氣定價完全市場化，原油價格主要通過影響天然氣需求來影響天然氣價格，而能源價格由市場供需共同決定[18]，這一時期，主要是供給端主導天然氣價格。還應注意，當油氣價格偏離長期均衡時，其恢復到長期均衡的速度正在變快，這可能是因為能源市場金融化程度不斷提高，投機活動加強了二者的聯(lián)系[13]。

3.2.2 頁巖革命對油氣價格長期關系的影響

為了分析頁巖油氣革命對油氣價格長期關系帶來的影響，本文首先進行了協(xié)整檢驗（見表5），跡統(tǒng)計量和最大特征值統(tǒng)計量均表明，在選取的樣本區(qū)間內變量間存在協(xié)整關系。接著，構建了向量自回歸誤差修正（VEC）模型，并使用脈沖響應函數(shù)來分析美國天然氣總產量和世界原油總產量對油氣價格的影響（見圖2-圖7）。

表4 二變量VEC模型部分結果

表5 子樣本多變量協(xié)整檢驗結果

由圖2至圖7可知，2008年10月至2013年11月，美國天然氣總產量對美國天然氣價格產生長期負向影響而對美國原油價格產生長期正向影響，這有助于解釋這一時期美國油氣價格長期關系為什么表現(xiàn)為負向均衡。2013年12月至2019年12月，美國天然氣總產量和世界原油總產量均對美國油氣價格產生長期負向影響，這有助于解釋這一時期美國油氣價格長期關系為什么恢復到正向均衡。可以認為，美國天然氣總產量和世界原油總產量在美國油氣價格長期關系的演變中發(fā)揮了中介作用。美國天然氣總產量和世界原油總產量的持續(xù)快速增長導致美國天然氣價格和原油價格相繼進入下跌期，市場把握了油氣價格的變化趨勢并建立了新的平衡。

4 結論

本文使用H-J斷點協(xié)整檢驗和向量自回歸誤差修正模型分析了頁巖革命對美國油氣價格長期關系產生的影響，并得到以下結論。

圖2 2008年10月至2013年11月天然氣總產量增加一個單位對天然氣價格的影響

圖3 2008年10月至2013年11月天然氣總產量增加一個單位對原油價格的影響

圖4 2013年12月至2019年12月天然氣總產量增加一個單位對天然氣價格的影響

圖5 2013年12月至2019年12月天然氣總產量增加一個單位對原油價格的影響

圖6 2013年12月至2019年12月原油總產量增加一個單位對原油價格的影響

圖7 2013年12月至2019年12月原油總產量增加一個單位對天然氣價格的影響

美國油氣價格之間始終存在長期關系，只是在不同時期有所差異。當美國頁巖氣產量開始激增后，美國天然氣價格進入下跌期，美國油氣價格長期關系由正向均衡轉為負向均衡，這一時期，主要是天然氣價格變化引導了原油價格的變化。當頁巖油產量開始激增后，美國原油價格進入下跌期，油氣價格長期關系恢復到頁巖氣革命暴發(fā)前的正向均衡，這一時期，原油價格重新主導了天然氣價格。當油氣價格偏離長期均衡時，其恢復到長期均衡所需時間正在縮短，這可能是能源市場金融化程度不斷加深的結果。脈沖響應結果表明，美國天然氣總產量和世界原油總產量在美國油氣價格長期關系中發(fā)揮了作用，也就是說，頁巖革命確實影響了美國油氣價格長期關系。

受新冠肺炎疫情和“歐佩克+”產油國談判破裂的影響，WTI油價出現(xiàn)斷崖式下跌，美國頁巖油企業(yè)迎來一波破產或重組浪潮，可能使頁巖油產量增長不可持續(xù)。從長遠看，供需寬松局面仍將存在，油價在低位運行可能成為新常態(tài)。隨著液化天然氣（LNG）貿易的發(fā)展，美國天然氣產量過剩的局面或許將得到扭轉，可能將美國天然氣價格推向上漲區(qū)間，那樣，美國油氣長期價格關系可能再次轉變?yōu)樨撓蚓狻?/p>

油氣投資者須密切關注重大事件可能對油氣價格長期關系造成的影響，及時調整投資策略。能源消費商須正確認識油氣價格的長期關系，制定合適的購買和存儲策略或調整能源消費結構。