天然氣規(guī)劃產(chǎn)量目標風(fēng)險量化評價
——以中國石油西南油氣田為例

余 果 陳艷茹 李海濤 羅 莉

（1.中國石油西南油氣田公司，四川 成都 610051；2.中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610041）

0 引言

天然氣規(guī)劃產(chǎn)量目標是天然氣開發(fā)的“指南針”，是一個跨越時間長、覆蓋范圍廣、涉及環(huán)節(jié)多的復(fù)雜體系，其中風(fēng)險涉及天然氣產(chǎn)業(yè)鏈上、中、下游各環(huán)節(jié)，風(fēng)險因素多，因素與因素之間關(guān)系復(fù)雜［1］，識別困難，且不同產(chǎn)區(qū)、不同生產(chǎn)主體其風(fēng)險因素也不盡相同。天然氣開發(fā)規(guī)劃方案可行性影響最大的就是產(chǎn)量的實現(xiàn)水平［2］，也是規(guī)劃風(fēng)險的核心。做好產(chǎn)量目標風(fēng)險分析是規(guī)避風(fēng)險的有效手段［3］。為了更好地規(guī)避風(fēng)險，突出戰(zhàn)略規(guī)劃的指導(dǎo)作用，有必要開展規(guī)劃產(chǎn)量目標風(fēng)險量化評價研究。

目前行業(yè)內(nèi)產(chǎn)量風(fēng)險評價工作長期采用定性分析方式開展，主觀性較強［4］。針對這一技術(shù)盲點，以中國石油西南油氣田為例，以天然氣開發(fā)規(guī)劃編制程序和方法為切入點開展研究。通過對國內(nèi)外常用的風(fēng)險量化評價方法進行比較和篩選，突出產(chǎn)量目標中的關(guān)鍵風(fēng)險點，對規(guī)劃中的風(fēng)險因素進行分析，結(jié)合四川盆地近70 年的產(chǎn)量發(fā)展實際，選用蒙特卡洛方法建立適合四川盆地天然氣開發(fā)規(guī)劃產(chǎn)量目標風(fēng)險量化模型，有力支撐了中長期規(guī)劃方案優(yōu)化，進一步提高了規(guī)劃方案的科學(xué)性、可操作性和抗風(fēng)險性，實現(xiàn)了風(fēng)險評價從定性到定量、從研究到應(yīng)用的突破。

1 蒙特卡洛模擬法

常用風(fēng)險定量評價方法有專家調(diào)查法、樹型分析法、模糊綜合法、蒙特卡洛法、組合優(yōu)化法等［5］。對比分析風(fēng)險量化方法適用條件及優(yōu)缺點［6-9］，蒙特卡洛法相較于其它方法，計算過程復(fù)雜，需較多數(shù)據(jù)，但方法明確，能直接回答實現(xiàn)目標的概率。由于氣藏產(chǎn)量風(fēng)險量化需要綜合評價較多的風(fēng)險因素，只有對每個風(fēng)險因素充分地進行數(shù)值分析，尋找其數(shù)學(xué)規(guī)律。依據(jù)每個風(fēng)險因素的數(shù)值變化規(guī)律，用隨機數(shù)產(chǎn)生器來生成大量具有相同分布概率的風(fēng)險因素數(shù)值。綜合所有風(fēng)險因素的概率分布，預(yù)測天然氣產(chǎn)量的概率分布情況，才能對產(chǎn)量風(fēng)險量化系統(tǒng)進行客觀、準確、全面的評價。因此，蒙特卡洛方法適用于天然氣產(chǎn)量風(fēng)險量化研究。

蒙特卡洛模擬（Monte Carlo Simulation）又稱為隨機抽樣法，其本質(zhì)就是從概率分布中重復(fù)抽樣，以建立輸出變量的分布，常用于求解某個目標問題的概率。蒙特卡洛模擬的主要步驟如下：

1）對需要求解的問題建立數(shù)學(xué)模型。

2）確定數(shù)學(xué)模型中變量的概率分布密度函數(shù)。

3）依據(jù)概率分布密度函數(shù)，對模型變量進行隨機抽樣。

4）將抽取的隨機變量代入數(shù)學(xué)模型中，求取問題的解。

蒙特卡洛模擬的關(guān)鍵是要確定變量的概率分布密度函數(shù)。確定變量的概率分布密度函數(shù)，需要依據(jù)變量數(shù)值的變化規(guī)律，精確地求取各變量的分布函數(shù)。常用的概率分布密度函數(shù)包括離散分布、對數(shù)正態(tài)分布、等概率分布、泊松分布、階梯長方形分布、三角分布等。

2 規(guī)劃產(chǎn)量目標概率模擬

規(guī)劃產(chǎn)量目標風(fēng)險量化評價過程主要考慮氣藏資源、地質(zhì)特點風(fēng)險，模擬得到的產(chǎn)量結(jié)果可以視作是天然氣開發(fā)潛力。

2.1 模擬原理

天然氣中長期規(guī)劃產(chǎn)量預(yù)測方法主要有峰值預(yù)測法、Logistic 等，針對氣區(qū)而言，最常用的是產(chǎn)量構(gòu)成法［10-15］。產(chǎn)量構(gòu)成法是指根據(jù)氣田所處的開發(fā)階段，分成探明已開發(fā)、探明未開發(fā)和待探明三部分，通過計算每部分產(chǎn)量，求和得到整體產(chǎn)量［16］。

式中，Qt為t年推薦產(chǎn)量，108m3；q為待發(fā)現(xiàn)氣田的個數(shù)；i為氣田順序；t為時間，年；PD為探明已開發(fā)氣田產(chǎn)量，108m3／年；PUD為探明未開發(fā)氣田產(chǎn)量，108m3／年；UD為待探明氣田的產(chǎn)量，108m3／年；m為探明己開發(fā)氣田的個數(shù)；n為探明未開發(fā)氣田的個數(shù)；l為待探明氣田的個數(shù)。

產(chǎn)量構(gòu)成法中最小評價單元為氣田，氣田開發(fā)一般經(jīng)歷上產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、遞減和廢棄階段，產(chǎn)量評價函數(shù)隨評價單元所處開發(fā)階段不同而不同，產(chǎn)量評價函數(shù)是一個分段函數(shù)，表述為：

2）穩(wěn)產(chǎn)期（或采出程度小于穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度）產(chǎn)量Qt＝P

3）遞減期（或累計采出程度小于采收率）產(chǎn)量Qt＝Q（t-1）i×D

4）未開發(fā)或廢棄產(chǎn)量Qt＝0式中，Qt為第t年推薦產(chǎn)量，108m3；t為時間，年；N為建產(chǎn)周期，年；P為穩(wěn)產(chǎn)規(guī)模，108m3／年；Q（t-1）i為第t-1年產(chǎn)量，108m3；D為遞減率。

2.2 產(chǎn)量概率模擬模型

按照產(chǎn)量構(gòu)成法，探明已開發(fā)氣田、探明未開發(fā)氣田和待探明氣田三個部分面臨的風(fēng)險不盡相同。規(guī)劃單元所處開發(fā)階段不同，資料豐富程度和地質(zhì)認識程度不同，指標選定也存在差異［17］。對探明已開發(fā)氣田的認識程度隨生產(chǎn)的推進而不斷提高，整個生產(chǎn)期，在任意時間節(jié)點做出的預(yù)測都不能保證準確無誤，未來開發(fā)形勢存在變數(shù)；對探明未開發(fā)氣田，在缺乏動態(tài)資料的情況下準確獲取決定油氣田開發(fā)方式的參數(shù)是不可能的，未來開發(fā)趨勢存在不確定性；待探明氣田的資料少，決定生產(chǎn)能力的關(guān)鍵指標都是未知數(shù)，開發(fā)風(fēng)險最大。

2.2.1 探明已開發(fā)氣田

探明已開發(fā)氣田是指已經(jīng)落實儲量并且已經(jīng)穩(wěn)產(chǎn)開發(fā)的氣田。主要涉及的變量包括7個，分別為儲量落實程度、累產(chǎn)量、儲量動用程度、采速、穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度、遞減率、采收率。根據(jù)蒙特卡洛模擬方法和決策樹分析方法的思想，產(chǎn)量涉及的算法分為穩(wěn)產(chǎn)期、遞減期、產(chǎn)量為0的三個階段。

探明已開發(fā)氣田產(chǎn)量分布預(yù)測模型構(gòu)建如下：

式中，Q_Developedi為探明已開發(fā)氣田各期產(chǎn)量，108m3；m為各個時期，年；P1為儲量落實程度；P2為累產(chǎn)量，108m3；P3為儲量動用程度；P4為采速；P5為穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度；P6為遞減率；P7i采收率。

根據(jù)預(yù)測模型，繪出探明已開發(fā)氣田產(chǎn)量算法流程圖（圖1）。其算法流程為：①輸入已開發(fā)氣田的累產(chǎn)量和探明儲量，判斷累產(chǎn)量是否大于探明儲量，如果小于，則開始進入產(chǎn)量的計算過程。②輸入儲量動用程度、采速和穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度，判定動用地質(zhì)儲量采出程度是否小于穩(wěn)產(chǎn)期末地質(zhì)儲量采出程度，如果小于，則進入穩(wěn)產(chǎn)期，穩(wěn)產(chǎn)期產(chǎn)量＝采氣速度× 儲量動用程度× 探明儲量；如果大于，則進入下一個計算階段。③輸入采收率和遞減率，判斷動用地質(zhì)儲量采出程度是否小于采收率，如果小于，則進入遞減期，遞減期產(chǎn)量＝前一年產(chǎn)量×（1-遞減率）；如果大于，產(chǎn)量為0。

圖1 探明已開發(fā)氣田產(chǎn)量算法流程圖

探明已開發(fā)氣田產(chǎn)量分布模擬是將所有輸入變量導(dǎo)入探明已開發(fā)氣田產(chǎn)量算法流程圖中，根據(jù)算法流程圖各個不同階段的計算方法和步驟，先后得到在多次蒙特卡洛模擬重復(fù)實驗中，穩(wěn)產(chǎn)期、遞減期以及產(chǎn)量為0階段的年度概率分布情況，根據(jù)這三個階段的不同產(chǎn)量概率分布情況，得到規(guī)劃期內(nèi)所有年份各年的產(chǎn)量概率分布圖。

2.2.2 探明未開發(fā)氣田

探明未開發(fā)氣田是指已經(jīng)落實儲量但還未進行開發(fā)的氣田。主要涉及儲量落實程度、儲量動用程度、累產(chǎn)量、投產(chǎn)時間、建產(chǎn)周期、采速、穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度、遞減率、采收率等9個變量。根據(jù)蒙特卡洛模擬方法并結(jié)合決策樹方法的思想，具體算法可分為產(chǎn)能建設(shè)期、穩(wěn)產(chǎn)期、遞減期、產(chǎn)量為0的4個階段。

探明未開發(fā)氣田產(chǎn)量分布預(yù)測模型構(gòu)建如下：

式中，Q_Developedi為探明未開發(fā)氣田各期產(chǎn)量，108m3；m為各個時期，年；P1為儲量落實程度；P2為儲量動用程度；P3為累產(chǎn)量，108m3；P4為投產(chǎn)時間，年；P5為建產(chǎn)周期，年；P6為采速；P7為穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度；P8為遞減率；P9i為采收率。

根據(jù)預(yù)測模型，可繪出探明未開發(fā)氣田產(chǎn)量算法流程圖（圖2）。與探明已開發(fā)氣田產(chǎn)量算法流程相比，增加了判斷是否在建產(chǎn)期。即判斷所求年度是否在規(guī)劃期內(nèi)，如果小于，則進入產(chǎn)能建設(shè)期，產(chǎn)能建設(shè)期第X年產(chǎn)量＝儲量動用程度× 采氣速度×探明儲量×（X-1）／N。

圖2 探明未開發(fā)氣田產(chǎn)量算法流程圖

同理，探明未開發(fā)氣田產(chǎn)量分布模擬是將所有輸入變量導(dǎo)入探明未開發(fā)氣田產(chǎn)量算法流程圖中，根據(jù)算法流程圖各個不同階段的計算方法和步驟，先后得到產(chǎn)能建設(shè)期、穩(wěn)產(chǎn)期、遞減期、產(chǎn)量為0的四個階段年度概率分布情況，從而得到規(guī)劃期內(nèi)分年的產(chǎn)量概率分布圖。

2.2.3 待探明氣田

待探明氣田是指尚未落實儲量且還未進行開發(fā)的氣田，儲量可能每年新增。涉及的變量有10 個，分別為各周期新增探明儲量、儲量落實程度、儲量動用程度、累產(chǎn)量、投產(chǎn)時間、建產(chǎn)周期、采速、穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度、遞減率、采收率等10 個變量。涉及的算法分為產(chǎn)能建設(shè)期、穩(wěn)產(chǎn)期、遞減期、產(chǎn)量為0的4個階段。

待探明氣田產(chǎn)量分布預(yù)測模型構(gòu)建如下：

式中，Q_Developedi為待探明氣田各期天然氣產(chǎn)量，108m3；m為各個時期，年；P1為各周期新增探明儲量，108m3；P2為儲量落實程度；P3為儲量動用程度；P4為累產(chǎn)量，108m3；P5為投產(chǎn)時間，年；P6為建產(chǎn)周期，年；P7為采速；P8為穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度；P9為遞減率；P10為采收率。

根據(jù)預(yù)測模型，可繪出待探明氣田產(chǎn)量算法流程圖（圖3）。待探明氣田產(chǎn)量分布模擬與探明未開發(fā)氣田產(chǎn)量分布模擬的算法基本一致。

圖3 待探明氣田產(chǎn)量算法流程圖

3 應(yīng)用實例

西南油氣田在四川盆地的礦權(quán)范圍內(nèi)資源潛力巨大，規(guī)劃“十四五”新增探明儲量同比“十三五”，增幅達300%。區(qū)塊準備成熟，形成了海相碳酸鹽巖、頁巖氣、致密氣等領(lǐng)域規(guī)模上產(chǎn)區(qū)塊，能夠為天然氣快速上產(chǎn)提供強力支撐［18］。氣區(qū)通過突出集中勘探，突出高效開發(fā)，目前處于上產(chǎn)階段，正以“500億新會戰(zhàn)”的生動實踐貫徹新發(fā)展理念，在川南頁巖氣、川中古隆起、盆地致密氣和老區(qū)開創(chuàng)了的新發(fā)展格局，具備廣闊的勘探開發(fā)領(lǐng)域和立體開發(fā)的優(yōu)勢［19］。

西南油氣田在四川盆地的礦權(quán)范圍內(nèi)常規(guī)氣、致密氣為評價目標，應(yīng)用蒙特卡洛方法進行隨機抽值，對常規(guī)氣、致密氣規(guī)劃產(chǎn)量目標的進行概率模擬。

3.1 模擬單元劃分

四川盆地沉積、構(gòu)造的多旋回性形成了“三多”特征，即層系多、類型多、領(lǐng)域多。氣區(qū)常規(guī)氣、致密氣累計探明氣田114 個，含氣構(gòu)造57 個。部分生產(chǎn)規(guī)模較小，有必要對評價單元進行分類、合并［20］。

結(jié)合該氣區(qū)近期勘探開發(fā)形勢和產(chǎn)量概率模擬的模型特點，可以將模擬單元進行三級劃分。第一級根據(jù)“十四五”開發(fā)業(yè)務(wù)規(guī)劃，將評價對象劃分為安岳氣田、蓬萊氣區(qū)、川東北高含硫、川西深層、老氣田、火山巖、致密氣七大領(lǐng)域；第二級根據(jù)不同生產(chǎn)階段氣田的模擬流程不同，明確不同領(lǐng)域的勘探開發(fā)狀態(tài)，進一步將各領(lǐng)域劃分到探明已開發(fā)、探明未開發(fā)和待探明氣田三大類；第三級根據(jù)各領(lǐng)域不同區(qū)塊氣藏特征的不同，進一步拆分不同類型區(qū)塊，細分評價單元（表1）。

表1 四川盆地西南油氣田常規(guī)氣、致密氣規(guī)劃產(chǎn)量風(fēng)險評價表

3.2 量化參數(shù)指標描述

該氣區(qū)探明已開發(fā)氣田動態(tài)資料詳盡，指標規(guī)律認識相對靠實，開發(fā)指標概率分布主要依據(jù)生產(chǎn)動態(tài)和類比分析確定，通常采用離散函數(shù)，整體上概率曲線分布集中，風(fēng)險量化指標的離散程度最小。探明未開發(fā)氣田開發(fā)指標概率分布主要依據(jù)氣藏試采動態(tài)及類比分析確定，已編制方案氣藏以方案為依據(jù)，參數(shù)指標常采用離散函數(shù)；未編制方案氣藏采用類比法確定參數(shù)，參數(shù)指標可類比已開發(fā)區(qū)相應(yīng)指標分布函數(shù)，指標的離散程度居中。待探明氣田主要根據(jù)勘探目標區(qū)域宏觀地質(zhì)特征，借鑒類似氣田參數(shù)類比法確定，分布函數(shù)常采用標準函數(shù)，指標的離散程度最大（表2）。因此，在實際操作中，還需根據(jù)各領(lǐng)域?qū)嶋H情況，針對性選取概率分布曲線與參數(shù)。

表2 不同開發(fā)階段風(fēng)險量化指標取值方法表

在產(chǎn)量風(fēng)險模擬過程中，主要考慮儲量動用程度、建產(chǎn)周期、采氣速度、穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度、遞減率和采收率等6個指標為產(chǎn)量風(fēng)險量化研究的直接風(fēng)險指標。為確定氣區(qū)直接風(fēng)險指標的分布規(guī)律，以氣區(qū)63 個探明已開發(fā)海相碳酸鹽巖氣藏為樣本進行統(tǒng)計（圖4），并結(jié)合其風(fēng)險特點進行分析，結(jié)果表明儲量動用程度、采氣速度、穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度、遞減率和采收率的分布規(guī)律均符合對數(shù)正態(tài)分布特征，建產(chǎn)周期符合離散分布特征（表3）。

圖4 基于大量統(tǒng)計擬合的西南油氣田常規(guī)氣、致密氣風(fēng)險指標概率曲線圖

表3 基于大量統(tǒng)計擬合的西南油氣田常規(guī)氣、致密氣風(fēng)險指標概率分布參數(shù)表

3.3 產(chǎn)量概率模擬

利用研究開發(fā)的“天然氣規(guī)劃產(chǎn)量風(fēng)險量化分析軟件”，以現(xiàn)有儲量和未來規(guī)劃儲量為基礎(chǔ)，依據(jù)劃分的評價單元，采用蒙特卡洛模擬法隨機模擬1 000次，量化評價常規(guī)氣和致密氣“十四五”規(guī)劃產(chǎn)量目標，可以得出評價目標產(chǎn)量概率分布模擬結(jié)果。

通過對安岳氣田、蓬萊氣區(qū)、川東北高含硫、川西深層、老氣田、火山巖、致密氣七大領(lǐng)域各領(lǐng)域概率模擬結(jié)果的加總，得出該氣區(qū)常規(guī)氣和致密氣在2021—2035年的概率產(chǎn)量圖（圖5、圖6）。從圖中可以看出，規(guī)劃期常規(guī)氣和致密氣概率產(chǎn)量整體呈上產(chǎn)趨勢。在累計概率為P10 條件下，常規(guī)氣+致密氣產(chǎn)量在2021—2035 年均呈上升趨勢，由2021 年的254.7 × 108m3上升至2035 年的679.1 × 108m3，該產(chǎn)量結(jié)果代表最樂觀的產(chǎn)量；在累計概率為P50條件下，常規(guī)氣+致密氣產(chǎn)量在2021—2032 年間呈上升趨勢，由2021 年的249.2 × 108m3上升至2031 年的462.6 × 108m3，2031 年以后趨于穩(wěn)定，465 × 108m3左右產(chǎn)量穩(wěn)產(chǎn)至2035 年，P50 對應(yīng)的產(chǎn)量為基準產(chǎn)量，即產(chǎn)量結(jié)果代表最可能的產(chǎn)量；在累計概率為P90 條件下，常規(guī)氣+致密氣產(chǎn)量在2021—2029 年呈上升趨勢，由2021 年的244.16 × 108m3上升至2030年的320.74 × 108m3，而后逐漸遞減至2035 年的278.92 × 108m3，P90 對應(yīng)的產(chǎn)量為證實產(chǎn)量，即產(chǎn)量結(jié)果代表最悲觀的產(chǎn)量。

圖5 四川盆地西南油氣田常規(guī)氣+致密氣2021—2035年產(chǎn)量概率圖

圖6 四川盆地西南油氣田常規(guī)氣+致密氣2021—2035年P(guān)10-P90曲線圖

對規(guī)劃期主要時間節(jié)點2025 年概率產(chǎn)量分析，概率分布結(jié)果表明，氣區(qū)常規(guī)氣+致密氣最樂觀產(chǎn)量，即累計概率為P10條件下產(chǎn)量為348.9×108m3左右；氣區(qū)最可能產(chǎn)量，即累計概率為P50條件下產(chǎn)量為310.3× 108m3左右；氣區(qū)最悲觀產(chǎn)量，即累計概率為P90條件下產(chǎn)量為274.6×108m3左右。應(yīng)用效果表明，產(chǎn)量概率預(yù)測結(jié)果能夠評價氣區(qū)產(chǎn)量規(guī)劃方案風(fēng)險大小，可重點加快安岳氣田、川東北高含硫、蓬萊氣區(qū)和致密氣等領(lǐng)域建產(chǎn)工程，確?！笆奈濉币?guī)劃產(chǎn)量目標實現(xiàn)。

4 結(jié)論及認識

（1）規(guī)劃產(chǎn)量目標風(fēng)險評價需要對不同的風(fēng)險因素進行客觀、準確的評價，必然要生成及計算處理大量的風(fēng)險因素數(shù)據(jù)，蒙特卡洛方法能夠綜合考慮多種風(fēng)險因素，更為實用。

（2）引入蒙特卡洛隨機模擬方法，結(jié)合產(chǎn)量構(gòu)成原理，分成探明已開發(fā)氣田、探明未開發(fā)氣田和待探明儲量氣田三個部分建立產(chǎn)量概率模擬模型，能有效模擬理論上可能發(fā)生的任意參數(shù)組合，突破以往預(yù)測結(jié)果為一個數(shù)值的局限。

（3）以西南油氣田常規(guī)氣、致密氣為實例，明確了該氣區(qū)評價單元的劃分標準，研究模擬參數(shù)指標分布特征與取值，解決了蒙特卡洛隨機抽樣計算的關(guān)鍵問題；以現(xiàn)有儲量和未來規(guī)劃為基礎(chǔ)，開展產(chǎn)量概率模擬，計算2025 年累計概率為P50 條件下產(chǎn)量為310.3× 108m3左右。應(yīng)用效果表明，該風(fēng)險量化評價模型能夠量化規(guī)劃產(chǎn)量目標風(fēng)險大小，有力支撐中長期產(chǎn)量規(guī)劃方案優(yōu)化。