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赵素平等:天然气供应能力测算方法构建及分析软件开发

字体: 放大字体  缩小字体 发布日期:2021-09-15  来源:天然气工业  浏览次数:6669
 作者简介赵素平,女,1979 年生,硕士;长期从事天然气开发战略规划方面的研究工作。地址:(100083)北京市海淀区学院路20 号。ORCID: 0000-0002-2951-3008。

E-mail: zhaosp69@petrochina.com.cn

赵素平1 陆家亮1 黄  诚2 刘丽芳1

1. 中国石油勘探开发研究院

2. 西南石油大学

摘要:为了构建适合我国天然气产业实际的天然气供应能力测算方法和相关软件,分析了影响天然气供应能力的外部因素和天然气产业链内部因素,分别考虑国产气、进口气(管道气+ LNG)两种气源类型,构建了供应能力分析流程,统筹考虑国内外资源情况建立了基于项目可靠性、经济性、战略安全性的项目优化方法,并利用情景规划思路编制了供应能力分析软件。研究结果表明:①天然气供应能力受资源基础、投资规模、勘探开发节奏、开发技术、成本、气价、政策法规、多气源优化等多方面因素的影响;②所构建的测算方法模型符合我国天然气供应能力评价实际和现有数据库资料的特点,通过对不同类型气田、不同进口气源单独计算并汇总到公司、国家层面,可以大幅度提高预测的精度;③供应能力分析软件设置了多种计算方法,可以针对研究需要灵活选择,对于新增储量模块,可以选择生命模型法进行预测或者直接录入规划数值,对于国产气产量潜力分析模块,有开发方案的气田采用稳产年限、稳产期规模等开发指标预测气田产量,而无开发方案的气田和未来新增储量则通过类比同类型气田采气速度、稳产期末采出程度等参数来测算气田产气量。结论认为,该研究成果可以有效地提高天然气供应能力预测的精度和效率。

关键词:天然气;供应能力;测算方法;软件开发;国产气;进口气;新增储量预测;产气量预测

0  引言

天然气作为最清洁的化石能源,是现阶段我国能源消费结构调整最现实的选择[1]。天然气产业链包括上游供气、中游储运和下游利用,上游供应能力是天然气产业链各项基础设施建设的依据,也是制定国家能源发展战略的重要基础,科学评价天然气供应能力对于战略规划部署意义重大。
国外一些跨国石油企业和咨询机构如BP、IHS、IEA 等经过数年的研究,形成了自己的成熟方法和模型,能够对全球天然气供需进行预测[2-5],但由于管理模式、发展阶段和数据库完善程度不同,测算方法和指标取值与国内差别较大。如IHS 的测算模型基于盆地资源规模序列法预测天然气新增储量,利用固定的开发指标(如建产期)进行天然气产量预测, 其灵活性满足不了国内专业研究的需要;BP、壳牌等机构模型的特点为全球性宏观分析,针对具体国家和地区研究精度不够;美国EIA 的NEMS 模型基于钻井数量和单井产气量剖面进行预测[4],需要庞大的以单井生产资料为基础的数据库支持,其方法和模型并不适用于国内天然气数据资料特点和预测流程。国内针对天然气上、下游单项研究技术较多,如气藏递减率、单井产能、需求预测方法等,但缺乏一体化评价模型和软件。
笔者通过全面分析影响天然气供应能力的资源、技术、需求等各环节的关键因素,以及各因素间的联动关系,建立了基于气田不同开发阶段的产气量(仅针对国产气)计算数学模型,国外进口气基于合同参数测算供应能力,统筹考虑经济性、可靠性等设定项目优选原则,并利用情景规划思路研发了配套软件。
1  天然气供应能力影响因素

1.1  供应能力内涵及影响因素

鉴于我国天然气的产供销特点[6-7],本文所述的天然气供应能力是指国内气田生产能力、进口管道气、进口LNG 能力之和并扣除必要的损耗,能够供应给消费市场的能力。
影响天然气供应能力的因素可分为外部因素和天然气产业链内部因素(表1)。外部因素包括社会环境和能源环境,其中社会环境有国家政策、环境要求等,能源环境包括能源消费结构、可替代能源竞争性等。产业链内部因素主要是天然气资源特点、需求约束等,此外还包括投资、价格、技术等条件, 以及保证季节性波动、长期供应、战略安全的需求等[8-10]
表1  天然气供应能力影响因素表

1.2  供应能力分析流程

根据供应能力内涵,分国产气、进口气(管道气+ LNG)两种气源类型构建分析流程图(图1)。

图1  天然气供应能力分析流程图

国产气供应能力按照探明储量和未来新增储量进行分析。探明储量供应能力:如果已经编制气田开发方案或调整方案,气田开发指标采用方案指标, 没有方案的气田开发指标采用类比法确定。新增储量供应能力:首先需要对未来年度新增储量规模进行预测,以资源量、资源类型、勘探规律和勘探指标为基础,测算未来增储潜力。评价已探明储量和未来新增储量开发技术的可行性,如果技术上能够开发,则通过开发指标测算产气量潜力和商品量潜力,并进行可靠性、经济性评价,通过设定优化原则优化建产项目,最后累积各开发项目商品量之和, 扣除部分损耗即为国产气供应能力。

进口气按照已签合同和未签合同项目进行分析。对于有合同的项目按照合同约定给出供应潜力,无合同的通过可靠性、经济性、战略性评价优选进口气新增项目,最终得出进口气供应能力。

2  天然气供应能力分析方法

根据我国现有供气特点,天然气供应能力分析方法主要包括进口气、国产气供应能力分析方法,以及在供大于求或开发投资不足时必须进行的天然气供应项目优化方法。

进口气供应能力分析的主要依据是已签合同和有供气意向气源。我国签订的大多为照付不议合同, 所以进口气供应能力主要是将已有合同和供气意向的项目,根据合同协定供气量按照时间序列进行叠加,再考虑一部分现货交易量。进口气供气参数包括起始年份、合同年限、年供气量、气价等,进口气参数多采用合同约定数值,不涉及方法模型的构建,此不赘述。

以下重点介绍国产气项目供应能力测算方法和供气项目优化方法。

2.1  国产气供应能力测算方法

从分析流程图来看,国产气供应测算的两个核心是未来新增储量潜力预测和产气量潜力预测。

新增储量预测方法主要有生命模型法、油田规模序列法、重点领域剖析法等[11-14]。国家、公司层面一般采用生命模型法较多,但具体到盆地用得较多的则是重点领域剖析法。笔者采用生命模型法(包括HCZ模型、Compertz模型、Hubbert模型、翁氏模型)进行储量预测,需要的数据包括资源量、资源探明率和历史新增储量等。生命模型法预测新增储量已有成熟的数学模型可以借用[11-12],本文不再详细论证。

国产气产量预测方法主要包括资源采气速度法、生命模型法、储采比控制法、项目构成法等[12-14]。其中项目构成法最精确,需要庞大的勘探开发数据支撑,适合专业预测,本文采用项目构成法研究思路,重点对具体评价参数和数学模型进行构建[15-16],以下对此方法论证过程进行重点介绍。

项目构成法是以投入开发的项目或气田为基本单位,以可采储量为基础,按开发规律和开发指标预测气田不同开发阶段的产气量,然后根据气田稳产方式计算产能建设和投资需求,通常中高渗透整装气藏采用单井稳产模式,页岩气、致密气等低渗透复杂气藏采用井间接替模式[17-19],产能建设投资测算结果用于经济评价和项目优化,其关键在于单气田/项目产气量预测。项目构成法需要准备的开发参数为:可采储量、采气速度或开发方案设计产能、建产期、稳产期或稳产期末采出程度、废弃产量、单井递减率等。

2.1.1  气田开发阶段划定及特点

气田的开发周期通常可分为三个阶段:①上产期,新井不断投产,产气量逐渐上升;②稳产期,产气量达到最高值并保持较长时间稳产;③递减期,由于地层有效驱动能量衰竭,导致产气量逐年下降,直到现有的技术条件已无法从气藏中采出天然气为止(图2)。

图2  气藏开发产气量变化规律示意图

2.1.2  气田不同开发阶段产气量计算方法

2.1.2.1  上产期产气量

一般情况下,气田的上产期时间较短,通过不断地投产新井,以达到设计的最大产气量。

上产期内,年产气能力等于当年新建产能与前期建成产能在当年的总产气量之和(扣除递减后), 计算公式为:

式中Q表示第年产气量,108 m3 PCet 表示上年末产能,108 m3 PCin 表示当年新建产能,108 m3 Rqc 表示新建产能当年贡献率。
2.1.2.2  稳产期产气量

稳产期是气田开发的黄金时期,这时的产气量达到最大值。随着地层有效驱动能量的逐步衰减,最大产气量将逐渐失去维持的条件,产气量也将开始递减。

式中PCmax 表示气田稳产期产气量,108 m3 G表示评价可动用技术可采储量,108 m3 vgGR 表示可采储量采气速度。
2.1.2.3  递减期产气量

判定气田进入递减期的方法有以下两种:

1)利用稳产期进行判定:若对气田的稳产持续时间有较大把握时,可利用稳产期指标,确定进入递减期的时间。即当生产年数(i)满足如下条件时, 认为气田已进入递减期:

2)利用稳产期末采出程度进行判定:当年累计采出程度满足如下条件时,认为气田已进入递减期。

式中Rg表示第年累计采出程度;Rgt 表示稳产期末采出程度。

递减期产气量确定的关键参数是递减率,在油气田生产动态分析中,常将油气田产气量递减率(Dc) 定义为:

式中Q表示当年产气量,108m3Qi-1 表示上年产气量, 108 m3

若令气田在递减期内的总采出气量为GD,而稳产期末的产气量为Q0(即递减期产气量的初值),气田废弃产气量为QT,气田递减期的年数为T,则上述变量的含义和关系如图3 所示。

 

图3  气田递减期产气量预测模型变量关系图

由图3 可得出,递减期内第年的产气量为:








 

将公式(14)代入公式(6),即可求出产气项目在递减期内的产气量。

国产气第年的供应潜力即为第年各开发项目的商品气量(产气量与商品率乘积)之和扣除部分损耗,即

式中Gs表示第年天然气供应量,108 m3 表示气田或项目数量;Qni 表示气田在第年的产气量,108 m3 Rc表示气田的商品率;Qgl 表示损耗气量,108 m3
2.2  供气项目优化方法

在供大于求或开发投资不足时,需要优选供气项目以形成效益最优、可靠程度最高、最有利于可持续发展的供应方案。项目优化是指以经济效益、开发阶段、项目可靠性、能源战略安全为优化原则,对供气项目进行排序优化。

2.2.1  供气项目评分原则

供气项目的优选评分指标包括:固定选择权(是否为必选项目)、项目可靠程度、开发阶段、财务评价指标、收益优先级等。

2.2.1.1  进口气项目评分

进口气项目通过经济评价后,有经济效益的项目被筛选出来,可以成为供气来源。根据天然气进口合同的签订与否,赋予不同的评分指标值:①未签订合同的项目经济效益要达标才能纳入优化序列;②固定选择权,已签合同项目优先,预测期项目其次;③可靠程度高者优先;④经济收益好者优先。

2.2.1.2  国产气项目评分

国产气项目通过经济评价后,有经济效益的项目被筛选出来,可以成为供气来源。根据项目投产与否,赋予不同的评分指标值:①开发项目经济效益要达标才能纳入优化序列;②固定选择权,已开发优先,未开发、未来新增其次;③可靠程度高者优先;④经济收益好者优先。

2.2.2  供气项目优选

在开发投资规模小于气田/项目建产投资需求规模时,或者供需趋势供大于求时,将所有供气项目按上述评分排队,从高到低选取供气项目。其中,已签进口气项目、已开发气田的优先级高于未签进口气项目、未开发气田和未来新增储量。固定选择权同一级别的,可靠程度高的优先。可靠程度同一级别的,经济效益好的优先。考虑进口气照付不议供气特点和能源战略安全[20],同等条件下优先选择已签合同进口气。参与优选的项目按此顺序进行排序。

3  天然气供应能力分析软件研发及应用

3.1  软件设计

根据分析需要,软件设计新增储量预测、供应潜力预测、经济评价、情景分析(含投资约束功能)4个功能模块(图4)。

图4  天然气供应能力分析软件功能界面图

3.2  软件功能

该软件可以实现单独测算不同情景下储量潜力、供应潜力,以及基于供应潜力分析和投资约束条件下的项目优化和供应方案计算。图5为某盆地6个气田在无约束情景、效益约束情景(内部收益率大于10%)、效益+投资约束情景(内部收益率大于10%,投资240亿元)下的供应潜力,分别为792×10m3/a、349×10m3/a、92×10m3/a,软件根据约束条件和气田效益情况进行项目优化,再计算出供应潜力。

图5  某盆地不同情景供气潜力分析结果图

可以根据需要建立供气项目树形结构,并汇总、评价、分析各节点的供应能力,能够科学、快速评价国家、公司、气田不同层面的新增储量潜力、产气量潜力和供应能力(图6)。可以对产气量潜力、供应能力评价结果进行分类统计(图7)。根据研究目的,可以实现不同气藏类型、储量类型、开发类型、供气来源、产气区域、效益分段等供应构成分类统计。

图6  树形结构供气量分析界面图

图7  产气量构成统计分析图

3.3  软件优点

1)多种方法灵活选择。新增储量预测、国产气项目稳产期产气量、经济评价参数都设置了多种方法供选择,多种方法灵活选择功能提高了软件的可操作性。

2)计算速度快、准确。软件计算速度快,可大幅提高工作效率,降低人为误差和计算失误。完成同样的评价工作量,此前需要数周时间,在具备基础数据库的条件下,应用该软件几分钟就能完成数据导入、评价计算、图形展示等工作。

3.4  实例测算

2016—2017 年课题组利用该软件测算了中国国产气产量趋势[21],预测的“十三五”末国内天然气年产量介于1 750×10~ 1 850×10m3, 与实际吻合程度高,预测“十四五”末年产气量介于 2 100×10~ 24 50×10m3,符合目前开发趋势;预测2035年产气量介于2 800×108~3 300×10m(表 2)。这些预测结果被行业内普遍认可采纳。

表2  中国天然气产量预测结果表[19]

4  结论

1)天然气供应能力受资源基础、投资规模、勘探开发节奏、开发技术、成本气价、政策法规、多气源优化等多方面因素的影响。通过构建供应能力分析流程,优选生命模型法预测新增储量规模;优选项目构成法并构建数学模型预测产气量规模;选择净现值和内部收益率作为经济评价指标;统筹考虑国内外资源建立基于项目可靠性、经济性、战略安全性的项目优化方法,并利用情景规划思路编制了供应能力分析软件。

2)供应能力分析软件设置了多种计算方法,可针对研究需要灵活选择。对于新增储量模块,可选择生命模型法进行预测或者直接录入规划数值;对于国产气产量潜力分析模块,有开发方案的气田采用稳产年限、稳产期规模等开发指标预测气田产量,而若无开发方案的气田和未来新增储量则通过类比同类型气田采气速度、稳产期末采出程度等参数测算气田产气量。供气项目排序时可选择内部收益率或净现值作为经济优化指标。

3)应用该方法和软件的关键是勘探开发参数的科学取值及对未来气价、成本走势的正确判断,需多角度咨询相关专业人士的观点,并可以对不确定性参数设定情景,形成多情景天然气供应方案。

4)本文构建的方法和软件基于中国天然气评价经验和数据库特点,通过对不同类型气田、不同进口气源单独计算并汇总,可以有效提高预测精度;软件可以对多节点进行灵活计算,可大幅提高计算速度,降低人为误差;供气目标多功能分类统计,能够充分展示供应方案的构成特点。

 

 
 
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