油氣開發(fā)多目標(biāo)二層規(guī)劃投資決策模型研究及應(yīng)用

陳普信

［摘 要］近年來，國內(nèi)各大石油公司認(rèn)真貫徹落實國家戰(zhàn)略，保障能源安全。在油氣田高質(zhì)量發(fā)展的新形勢下，油田開發(fā)投資決策如何落實發(fā)展目標(biāo)、優(yōu)化投資結(jié)構(gòu)、提升投資價值、確保發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)的實現(xiàn)已成為亟待解決的頭等要務(wù)。文章以X油田為例，采用單變量因素分析法、蒙特卡洛分析法等，建立一套多目標(biāo)二層規(guī)劃投資決策模型，以期指導(dǎo)未來的投資規(guī)劃，為實現(xiàn)發(fā)展目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。

［關(guān)鍵詞］多目標(biāo)二層規(guī)劃；投資決策；產(chǎn)量目標(biāo)；盈虧平衡油價

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2023.12.051

［中圖分類號］F832.48［文獻標(biāo)識碼］A［文章編號］1673-0194（2023）12-0157-04

0 ? ? 引 言

油田開發(fā)過程中，隨著資源量不斷的開采、利用，資源量逐漸減少，原油生產(chǎn)能力也在日益降低。為了保證油田的長期穩(wěn)產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展，必須尋求新的資源接替區(qū)域，不斷地部署新井位、找資源，加大資金的投入力度，因此投資是具有連續(xù)性的。大部分油田隨著開發(fā)的深入，含水逐年上升，產(chǎn)量逐年下降；同時，隨著近幾年國外主要石油產(chǎn)區(qū)的動蕩，導(dǎo)致油價劇烈波動，需要將開發(fā)策略從原來的完成產(chǎn)量任務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾潍@得較好的經(jīng)濟效益。投資連續(xù)不斷地增加，除了會增加新井產(chǎn)量，還會造成折舊折耗成本的增加，導(dǎo)致油田生產(chǎn)成本的增加。如何優(yōu)化好投資，協(xié)調(diào)好投資與產(chǎn)量之間的關(guān)系，既要完成產(chǎn)量任務(wù)，又要保證獲得較好的經(jīng)濟效益成為投資決策者關(guān)心的主要

問題［1］。

以往基于產(chǎn)能項目投資及工作量的優(yōu)化研究，未給出盈利目標(biāo)，不能夠全面支撐新形勢下油田綜合投資決策。本文以X油田為例，在已有的二層規(guī)劃模型基礎(chǔ)上，以產(chǎn)量目標(biāo)、盈虧平衡油價目標(biāo)為基礎(chǔ)，采用單變量因素分析法、蒙特卡洛分析等，對項目影響因子進行定量分析，總結(jié)經(jīng)驗公式，建立一套能夠反映開發(fā)規(guī)律、成本控制、效益敏感性分析的綜合投資決策模型，以此實現(xiàn)項目全生命周期的開發(fā)、投資、成本、效益評價的目標(biāo)，為下一步產(chǎn)能建設(shè)項目的投資決策提供參考依據(jù)。

1 ? ? 多目標(biāo)二層規(guī)劃投資決策模型建立

二層規(guī)劃是為了解決分層系統(tǒng)中決策對象的分散決策問題而發(fā)展出來的一門學(xué)科［2］。對于油田開發(fā)投資決策而言，石油公司及整體指標(biāo)（產(chǎn)量目標(biāo)、盈虧平衡目標(biāo)、儲采比目標(biāo)等）構(gòu)成了上層決策體系，即領(lǐng)導(dǎo)體系；而開發(fā)單位及項目層面指標(biāo)（財務(wù)內(nèi)含報酬率、百萬噸開發(fā)工程投資、建產(chǎn)能力等）構(gòu)成了下層配合體系，即追隨體系。石油公司層面要實現(xiàn)既定的產(chǎn)量目標(biāo)、盈利目標(biāo)需要不斷地進行投資、成本投入，通過新建產(chǎn)能彌補老井產(chǎn)量的遞減，從而保持一定規(guī)模的產(chǎn)量，必然要求產(chǎn)建項目層面不僅要實現(xiàn)產(chǎn)能目標(biāo)，也要優(yōu)化好投資，以美國證券交易委員會（United States Securities and Exchange Commission，SEC）儲量

為核心，通過一體化優(yōu)化，控制折舊折耗等成本上漲，確保石油公司層面盈利目標(biāo)的實現(xiàn)，這個交互迭代過程可以表述為

MinF=F（x，v）（1）

式（1）中，MinF為上層規(guī)劃目標(biāo)，其決策向量為x，其目標(biāo)為最小化函數(shù)F（x，v）。

s.t.G（x）≤0（2）

式（2）中，G（x）為上層約束函數(shù)。

Minv=f（x，y）（3）

式（3）中，Minv為下層規(guī)劃目標(biāo)，其決策向量為y，其目標(biāo)為最小化目標(biāo)函數(shù)為f（x，y）。

s.t.g（x，y）≤0（4）

式（4）中，g（x，y）為下層約束函數(shù)。

上層決策作用于下層目標(biāo)和下層約束，且下層以最優(yōu)值反映到上層，實現(xiàn)上下層的相互作用。通過縱向的迭代循環(huán)，多輪次、多層次的優(yōu)化，更為全面地描述兩級決策體系之間的交互過程。

多目標(biāo)二層規(guī)劃決策模型框架中，其上層模型針對石油公司層面，上層模型目標(biāo)是在完成產(chǎn)量任務(wù)下，保持一定的盈利能力，并且具有可持續(xù)發(fā)展?jié)摿ΑＯ聦幽Ｐ歪槍υ隽啃戮a(chǎn)能建設(shè)項目，目標(biāo)為產(chǎn)能規(guī)模及投資收益要求，投資收益要求包含兩個指標(biāo)：一是投資項目財務(wù)內(nèi)部收益率要滿足基準(zhǔn)收益率要求［3］；二是百萬噸產(chǎn)能開發(fā)工程投資的投資規(guī)模要合理。

1.1 ? 上層模型建立

多目標(biāo)二層規(guī)劃決策模型的上層模型以“盈虧平衡油價”為中心建立，滿足產(chǎn)量目標(biāo)需求等約束條件，上層規(guī)劃模型中涉及盈虧平衡油價計算模型、產(chǎn)量模型、成本模型、稅費參數(shù)，其中盈虧平衡油價模型是根據(jù)本量利經(jīng)濟模型公式推導(dǎo)得出［4］。

1.2 ? 下層模型建立

下層模型對象為增量新井產(chǎn)能建設(shè)項目投資規(guī)模預(yù)測，有兩個約束條件：一是新建（增）產(chǎn)能規(guī)模；二是產(chǎn)能項目投資決策財務(wù)可行性要求，即財務(wù)內(nèi)部收益率要滿足基準(zhǔn)收益率要求［5］。

本研究應(yīng)用百萬噸產(chǎn)能開發(fā)工程投資進行開發(fā)工程投資規(guī)模預(yù)測，首先基于“現(xiàn)金流法”研究推導(dǎo)建立了百萬噸產(chǎn)能開發(fā)工程投資與財務(wù)內(nèi)部收益率關(guān)系數(shù)學(xué)模型。油田產(chǎn)能建設(shè)項目現(xiàn)金流入主要為原油銷售收入，取決于原油價格與產(chǎn)量，評價期內(nèi)各年產(chǎn)量可以用初產(chǎn)、遞減率來表示，因此決定現(xiàn)金流入的主要為初產(chǎn)、遞減率、原油價格；油田產(chǎn)能建設(shè)項目現(xiàn)金流出主要為建設(shè)投資、經(jīng)營成本、稅金及附加等。

1.3 ? 整體模型求解算法

二層規(guī)劃模型的上層是一個非線性規(guī)劃問題，其決策變量是實值。下層模型是確定開發(fā)工程投資規(guī)模，已確定的開發(fā)工程投資規(guī)模影響上層模型中的成本，為了解決模型求解問題，根據(jù)油田決策指標(biāo)的特點，改進了差分進化算法（Differential Evolution，DE），解決了二層規(guī)劃上層決策體系的問題。采用隱式枚舉方法來解決下層決策體系的問題，提高從下層到上層響應(yīng)的準(zhǔn)確性［6-7］。

2 ? ? 模型應(yīng)用

X油田自2000年正式勘探開發(fā)以來，先后經(jīng)歷了3個階段，一是區(qū)帶探索尋求突破階段，開展技術(shù)集中攻關(guān)；二是快速發(fā)展階段，開發(fā)全面展開，實現(xiàn)迅速生產(chǎn)；三是持續(xù)增儲穩(wěn)產(chǎn)階段，原油產(chǎn)量持續(xù)穩(wěn)增。

X油田經(jīng)歷了20多年的持續(xù)勘探開發(fā)，取得了較大的成果，目前年生產(chǎn)原油120萬噸。近年來，X油田積極響應(yīng)國家加大勘探開發(fā)力度的要求，規(guī)劃未來5年（2023—2027年）內(nèi)年產(chǎn)量達到240萬噸，原油價格45美元/桶實現(xiàn)盈虧平衡。針對X油田，應(yīng)用多目標(biāo)二層規(guī)劃決策模型進行投資優(yōu)化，實現(xiàn)上述目標(biāo)主要方案如下。

2.1 ? 產(chǎn)量及產(chǎn)能預(yù)測

規(guī)劃未來5年年度產(chǎn)量從120萬噸上升至240萬噸。根據(jù)存量老井產(chǎn)量及遞減率預(yù)測未來存量產(chǎn)量，結(jié)合年度產(chǎn)量目標(biāo)，倒減出增量新井產(chǎn)量，按照產(chǎn)能系數(shù)考慮新井遞減，采用疊加計算方法，預(yù)測出未來5年需新建產(chǎn)能207萬噸。

2.2 ? SEC儲量預(yù)測

SEC儲量采用“現(xiàn)金流法”預(yù)測，分為存量老井及增量新井。目前，油田存量老井產(chǎn)量持續(xù)上升，按照新老井構(gòu)成采用簡化的“分年疊加”進行預(yù)測；增量新井按照評價口徑下的單井SEC儲量及新井工作量進行預(yù)測。

首先，預(yù)測指基準(zhǔn)日后的產(chǎn)量指標(biāo)，然后建立油氣價格、投資、操作成本和相關(guān)稅費的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系，估算凈現(xiàn)金流，根據(jù)SEC儲量判定標(biāo)準(zhǔn)，確定剩余SEC儲量。經(jīng)濟極限產(chǎn)量是操作收入與操作支出相平衡的產(chǎn)量。

（1）存量老井SEC儲量。存量老井SEC儲量預(yù)測按照“老井+新井”構(gòu)成的方法進行預(yù)測，分年預(yù)測疊加計算，預(yù)測結(jié)果如表1所示。

（2）增量新井SEC儲量。采用“現(xiàn)金流法”按照評價口徑成本取值進行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如表2所示。

（3）SEC儲量預(yù)測。結(jié)合本油田sec儲量預(yù)測軟件預(yù)計到第5年末45美元/桶下SEC儲量達到

1 862萬噸，儲采比達到7.7，預(yù)測結(jié)果如表3所示。

2.3 ? 開發(fā)投資預(yù)測

從模型預(yù)測結(jié)果可以看出，初期產(chǎn)量、遞減率、原油價格、稅金及附加、經(jīng)營成本是決定百萬噸產(chǎn)能開發(fā)工程投資與收益率關(guān)系的主要因素。在影響因素分析基礎(chǔ)上，筆者以近10年油田投產(chǎn)新井為研究對象，運用大數(shù)據(jù)分析不同油藏類型新井初期產(chǎn)量及遞減規(guī)律，提煉出產(chǎn)量模型，建立百萬產(chǎn)能開發(fā)工程投資與財務(wù)內(nèi)部收益率關(guān)系圖，得出財務(wù)內(nèi)部收益率滿足基準(zhǔn)收益率時的單井初期日產(chǎn)油量與百萬產(chǎn)能開發(fā)工程投資關(guān)系曲線，即為一定初產(chǎn)條件下的百萬噸產(chǎn)能開發(fā)工程投資控制界限。

2023—2027年未來5年，各年初產(chǎn)的確定參考?xì)v史初產(chǎn)水平及下降趨勢，按照初產(chǎn)與百萬噸產(chǎn)能開發(fā)工程投資關(guān)系，預(yù)測未來5年開發(fā)工程投資為20.7億元。

2.4 ? 成本預(yù)測模型

油氣開發(fā)過程中涉及多種成本要素，根據(jù)成本要素與油氣產(chǎn)出量的敏感性，油氣田生產(chǎn)成本通?？煞譃楣潭ǔ杀竞妥儎映杀?。固定成本是指發(fā)生額與當(dāng)年產(chǎn)量沒有直接關(guān)系的費用支出，包括地面固定資產(chǎn)折舊、地下油氣資產(chǎn)折耗、人工成本等。變動成本是指費用與開井?dāng)?shù)、產(chǎn)量高低有關(guān)，主要包括與開井?dāng)?shù)有關(guān)的作業(yè)費、措施費等；與產(chǎn)液量有關(guān)的，如動力費、油氣處理費、污水處理費等；與驅(qū)油物注入有關(guān)的費用，如注水費、注蒸汽費、注聚合物費等；與產(chǎn)油量有關(guān)的費用，如燃料費、運輸費等。

固定成本中人工成本根據(jù)總額控制，考慮上漲，上漲率按照近年來消費者物價指數(shù)（Consumer Price Index，CPI）進行預(yù)測。折舊折耗中油氣資產(chǎn)按照月度折耗率計提，固定資產(chǎn)按照年限法計提，其中，油氣資產(chǎn)折耗率=當(dāng)期產(chǎn)量/上期末SEC已開發(fā)儲量×100%；油氣資產(chǎn)折額=（上年期末油氣資產(chǎn)凈值+當(dāng)年新增油氣資產(chǎn)）×油氣資產(chǎn)折耗率；固定資產(chǎn)折舊=固定資產(chǎn)原值×折舊率；變動操作成本采用單位成本控制，參考近年平均水平進行目標(biāo)優(yōu)化

預(yù)測。

期間費用中管理費用根據(jù)總額控制，考慮上漲，上漲率按照近年來CPI指數(shù)進行預(yù)測；銷售費用按照銷售收入的0.5%計??；勘探費用按照當(dāng)年新增勘探費用計取，包含物化探、二三維、不成功探井。

2.5 ? 稅費預(yù)測模型

銷售稅金及附加主要城市維護建設(shè)稅、教育費附加及地方教育附加、資源稅、特別收益金等。其中，①原油增值稅按詳細(xì)估算方法計算，銷項稅按13%的稅率計算，進項稅根據(jù)不同的成本項按不同的比例抵扣，增值稅僅作為計算城市維護建設(shè)稅和教育費附加的依據(jù)，不作為項目的現(xiàn)金流出；②城市維護建設(shè)稅按增值稅額的7%計征；③教育費附加及地方教育附加按增值稅額的5%計征；④資源稅，根據(jù)財政部、國家稅務(wù)總局《關(guān)于調(diào)整原油、天然氣資源稅有關(guān)政策的通知》（財稅〔2014〕73號）規(guī)定，自2014年12月1日起，減征后勝利油田分公司原油資源稅實際征收率按銷售額4.56%計?。虎萏貏e收益金，根據(jù)財政部2014年12月下發(fā)的《關(guān)于提高石油特別收益金起征點的通知》（財稅〔2014〕115號），從2015年1月1日起，將石油特別收益金起征點提高至65美元/桶，仍實行5級超額累進從價定率計征。

2.6 ? 盈虧平衡油價預(yù)測及目標(biāo)優(yōu)化

在上述條件下，未來5年內(nèi)盈虧平衡油價從53.1美元/桶降至46.7美元/桶，較45美元/桶的目標(biāo)相差1.7美元/桶。要對盈虧平衡目標(biāo)優(yōu)化分析，主要包括單因素優(yōu)化和雙因素優(yōu)化。第一，單因素優(yōu)化。僅考慮一個因素的變動，假設(shè)其他因素保持不變，計算每個因素對盈虧平衡油價的影響程度，確定每個因素敏感程度。第二，雙因素優(yōu)化。單因素優(yōu)化分析確定敏感性較大的因素，計算兩個因素同時變化時對盈虧平衡油價的影響。

首先，在二層規(guī)劃決策模型基礎(chǔ)上，采用試算法，計算其中某個因素的變化；其次，在二層規(guī)劃決策模型基礎(chǔ)上，采用試算法，計算其中兩個因素的變化，對盈虧平衡油價的影響。例如，操作成本降低7%及百萬噸產(chǎn)能開發(fā)工程投資降低10%可以實現(xiàn)5年末45美元/桶盈虧平衡；新增SEC儲量增加12%及百萬噸產(chǎn)能開發(fā)工程投資降低9%可以實現(xiàn)5年末45美元/桶盈虧平衡。

3 ? ? 結(jié)束語

為有效提升油氣田開發(fā)水平，本文建立了一套多目標(biāo)二層規(guī)劃投資決策模型，該模型能夠?qū)崿F(xiàn)既定產(chǎn)量目標(biāo)、盈虧平衡油價目標(biāo)下的勘探開發(fā)工程投資優(yōu)化，解決了石油公司層面、產(chǎn)能建設(shè)項目層面決策對象的分散決策問題，為實現(xiàn)投資的高質(zhì)量發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

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