中国石油峰值预测及其应对策略研究

王婷婷，黄 诚，张琪琛(.西南石油大学计算机科学学院，四川 成都 60500；.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 60500)

经济研究

中国石油峰值预测及其应对策略研究

王婷婷1，黄 诚1，张琪琛2
(1.西南石油大学计算机科学学院，四川 成都 610500；2.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500)

之前的学者对于中国石油产量及峰值的预测大都是根据的2000年以前的数据进行的，预测结果已经不具有准确性。本文将根据1990～2013年中国石油产量的最新数据分别利用Hubbert模型、广义翁氏模型、HCZ模型三种模型，预测中国石油的年产量以及峰值。尽管国外的大多数专家认为Hubbert模型是最适合石油预测的模型，但本文将三种模型的预测值和实际产量值进行对比，得出广义翁氏模型预测的结果更贴近实际值，更加适合中国石油产量的预测。面对即将到来的石油产量峰值，中国主要采取减少本土石油产量、投资国外资源、进行能源替代等多种应对策略。

石油峰值；Hubbert预测模型；广义翁氏模型；HCZ模型

美国地球物理学家Marion King Hubbert(1903～1989年)1949年在其发表的论文“Energy fromfossil fuels”中首先提出了呈现 “钟形曲线”，被称为“Hubbert峰值理论”的方法[1-2]。1956年他又利用这个逻辑方程成功预测了美国48个州的石油产量峰值将在1965年到1970年之间[3-5]。从此石油产量峰值的预测便在学术界引起激烈的争论，Hallock、Hirsch、Laherrere、Al-Fattah等石油地质学家开始用不同的方法对不同区或国家的石油产量进行预测[6-9]。

中国对于石油产量峰值的预测模型的研究开始于地球物理学家翁文波院士在1984年出版的《预测学基础》，他在书中指出任何有限体事物都是“兴起-成长-鼎盛-衰亡”的自然过程，油气的开采也有类似规律[10-11]。基于此理论，他又提出基于“泊松旋回”的“翁氏模型”[12]，该模型是中国第一个关于油气田储量、产量的中长期预测模型，为我国油气资源储量和产量的预测奠定了重要的方法和理论基础。继翁院士之后，陈元千、胡建国、张盛宗等地质学家不断完善翁氏模型，先后提出“威布尔模型”、“胡-陈-张模型”、“瑞利模型”等模型[13-15]。

之前的学者陈元千[16-17]、翟光明等[18]对于中国石油产量及峰值的预测大都是根据的2000年以前的数据进行的，而中国近十年的石油产量稳步增加，之前的预测结果大都不具有准确性。本文将根据1990～2013年中国石油产量的最新数据，分别用Hubbert模型、广义翁氏模型和HCZ模型对中国石油产量的峰值进行预测分析比较。

1 Hubbert模型预测

国外学者对于油气田生命周期以及产量峰值的研究比较早。Hubbert模型是Hubbert1962年通过美国油气实际资料拟合logistic曲线方程提出的石油预测模型[19]。

Hubbert模型通常要满足以下假设条件：产量随时间呈现钟形曲线；产量虽时间的推移是对称的；产量将以函数形式出现，并且有一个时间滞后常量；产量增加和减少在一个“上下”周期中，没有多个峰值[1]。

1.1 Hubbert模型简介

Hubbert模型主要有五个变量：石油年产量、石油累计产量、最终可采储量、产量峰值出现的时间以及成长系数。其标准的Hubbert模型公式见式(1)～(3)。

(1)

(2)

其中

(3)

由式(1)～(3)整理得式(4)。

(4)

为了便于计算，式(4)经变形变为式(5)。

(5)

(6)

1.2 对中国石油预测过程及结果分析

中国近几年的原油产量数据变化趋势见图1。

从图1可以看出，1986年以来，中国的原油产量处于相对稳定的壮年期，且呈现稳中略升的趋势，该时期以后的原油产量数据使得预测模型的建立更具准确性。

1.2.1 确定不同的URR的值

最终可采储量URR是Hubbert模型的关键参数，是石油峰值预测结果不同的原因之一。从上述推导过程可以看出，URR可以根据与Q数据线性回归得到的直线的截距和斜率所得。

图1 中国原油年产量(1950～2013年)

图2 P/Q与Q的直线拟合图(1986～2013年)

图3 P/Q与Q的直线拟合图(1990～2013年)

图4 P/Q与Q的直线拟合图(1996～2013年)

图5 P/Q与Q的直线拟合图(2000～2013年)

1.2.2 确定成长系数a值及预测结果

Hubbert模型中除了最关键的最终可采储量URR外，还有一个未知量是成长系数a。从式(4)可以看出来，当其他条件不变的情况下，成长系数a越大，产量P越大。a的大小决定了hubbert曲线的形状。a的值越大，产量变化的速度越快，曲线瘦高，峰值出现时间早；相反，a值越小，产量变化速度越慢，曲线矮胖，峰值出现时间晚。

不同URR情况下的原油年产量预测数据与实际年产量数据如表1所示。产量曲线如图6所示。

表1 不同URR情况下原油年产量预测值/万t

图6 不同URR情况下原油年产量预测曲线

从图6可以直观的看出，当URR=143亿t时，预测结果最接近实际值，此时的成长系数a的值为0.057，则本文中a取此值。

根据1990～2013年的原油累计产量数据，利用式(3)可预测出中国原油产量的峰值年出现时间为2018～2020年，然后根据式(2)预测出中国原油产量的峰值产量为20306万t。

2 广义翁氏模型

翁文波院士1984年提出泊松旋回模型，即我们常说的翁氏模型，随着统计分析和理论研究工作的深入，中国在石油预测模型的建立和应用方面都取得了很大的进展。广义翁氏模型是陈元千在1996年完成对翁氏模型的推导，然后对其进行扩展提出来的[20-23]。

2.1 广义翁氏模型简介

根据伽马函数分布的性质，t从0到的区间分布函数为式(7)。

(7)

对于油气田来说，其石油产量预测曲线和该概率分布曲线具有相似性，开发时间从0到∞的区间内，油气田的累计产量即可视为其可采储量，公式定义为式(8)。

(8)

式(8)两边同除以，变为式(9)。

(9)

式中NR为可采储量，NP为累计产量，Q为石油产量，t为时间。

根据翁先生在其专著中提出的泊松回旋模型，陈元千、胡建国等对该翁氏回旋模型进行推导[21-22]表示为式(10)、式(11)。

(10)

(11)

式(10)中产量Q对时间t求导，得式(12)。

(12)

tmax=bc

(13)

将式(13)带入式(10)得石油年产量峰值，见式(14)。

(14)

由式(11)可得，翁氏回旋模型预测的最终可采储量，见式(15)。

NR=acb+1Γ(b+1)

(15)

对于伽马函数Γ(b+1)，当b为正整数时，Γ(b+1)=b!，则式(15)变为式(16)。

NR=acb+1b!

(16)

关于该广义翁氏模型的求解，先对产量峰值公式(10)进行变形，然后对公式两边取对数得式(17)。

(17)

(18)

广义翁氏模型的求解核心是确定常数a、b、c的值。首先根据产量Q和其相对应的时间t，对式(18)使用线性迭代试差法给予不同的b值，从而得到相关系数最大且直线拟合结果最佳时对应的b值，这就是想要求的b值。然后通过线性回归和式(18)所得的直线确定其斜率B和截距A，从而可以得到a和c的值。最后把a、b、c的值分别带入式(10)、式(13)、式(14)、式(15)，就可以预测出石油年产量、年产量峰值发生的时间、年产量峰值以及最终可采储量。

2.2 预测过程及结果分析

利用广义翁氏模型预测1990～2013年中国原油年产量的数据如表2所示。翁氏模型预测石油年产量曲线如图8所示。

峰值时间为2023～2025年，峰值产量为25222.10万t。

图8 翁氏模型预测石油年产量曲线

表2 广义翁氏模型石油年产量预测值/万t

3 HCZ模型预测

HCZ模型是由胡建国、陈元千和张盛宗根据对大量油气田的开发资料的统计研究和理论推导提出来的[14]。该模型适应性强，可以简化为著名的龚帕兹(Gomportz)和莫尔(Moore)模型，也具有很强的代表性[16]。

3.1 HCZ模型简介

油气田开发中，油气田的累计产量与时间的关系式可根据时间增长函数表达为式(19)。

(19)

(20)

根据国内外大量油气田资料的统计研究，得到石油年产量和累计产量的产量比与时间t，有如下半对数直线关系(式(21))。

(21)

式(21)可变形为式(22)。

(22)

其中，a=10A，b=2.303B。

由式(19)、式(20)、式(22)可以推得式(23)、式(24)、式(25)。

(23)

(24)

(25)

其中，为可采储量。当很大时，e-btR趋近于0，式(25)可以写成式(26)。

(26)

由式(26)可得石油累计产量，见式(27)。

(27)

石油年产量见式(28)。

(28)

式(28)对时间t求导，见式(29)。

(29)

(30)

峰值产量，见式(31)。

(31)

为了方便计算，对式(9)取对数变为式(32)。

(32)

假设

α=logNR

(33)

(34)

X=e-bt

(35)

则式(32)变为线性方程(式(36))。

logNp=α-βX

(36)

模型的计算首先根据石油年产量和累计产量的数据由式(21)线性回归求出截距A和斜率B的值，然后推得a和b的数值。b值确定后，再根据式(35)求得不同的x的值，由式(36)进行和x的线性回归，求得截距和斜率的数值。将的值带入式(33)可以得到可采储量。将上述求得的值带入式(27)、式(28)、式(30)、式(31)，可以分别得到石油的累计产量、年产量、峰值产生的时间以及峰值产量。

3.2 预测过程及结果分析

根据1990～2013年的中国石油产量和累计产量的实际数据，结合式(21)进行线性回归得直线拟合图见图9，可求出截距A=-1.209，斜率B=0.011，并推得a=10-1.209，b=0.025333。

根据b值以及式(35)求得不同的x值，然后根据式(36)对logNP和x的值进行线性回归，得到直线拟合图见图10。其中截距=6.351和斜率=1.039，推得NR=106.351。

根据式(28)预测的石油年产量结果见表3。

表3 HCZ模型石油年产量预测值/万t

图9 LOG(Q/Np)与t的直线拟合

峰值时间为2024～2025年，峰值产量为20911.85万t。

5 三种模型预测结果比较分析

1990～2013年的中国原油年产量以及Hubbert模型、广义翁氏模型、HCZ模型三个模型的年产量预测值结果曲线如图11所示。

图10 和x的直线拟合

图11 三个模型年产量预测曲线

预测值与实际值的差距将决定哪个模型更加适合中国石油年产量以及峰值的预测。预测值与实际值之间的均值平方根公式见式(37)、式(38)。

(37)

(38)

RRMS反映的是产量预测值与实际值的离散程度，DRMS反映的是RRMS与QMAX的相对差距。这两个值越小的时候表示曲线拟合程度越好，预测的结果越准确。三种预测模型的RRMS和DRMS值如表4所示。

表4 三种模型的RRMS和DRMS值

从图11和表4不难看出，Hubbert模型的预测结果偏低，是不准确的，因为该模型主要适用于采出量达到可采储量的50%左右就进入递减期的油田。HCZ的预测结果则介于其他两个模型中间。而广义翁氏模型的预测结果比较贴近实际值，说明比较符合中国石油产量稳定期较长的实情。

6 中国应对石油峰值的策略

石油资源不仅是一个国家重要的战略物资，还影响着一个国家的经济发展。但是石油资源不可再生且越来越紧缺，世界各国都即将面临石油产量峰值的出现。石油峰值的出现意味着低成本、经济性可采石油产量增长率趋近于零，产量峰值过后产量将逐步下滑[2]。为此各国纷纷开始对石油峰值采取应对策略。

图12 中国近几年原油进口量和出口量

6.1 中国石油产量峰值即将来临

从上述预测分析结果可以看出，对于中国石油产量的预测，广义翁氏模型预测的结果较为准确。所以本文采用广义翁氏模型的预测结果作为中国石油峰值的测定。根据预测结果可看出，如果不采取任何措施，中国石油产量的峰值很快就会到来。

6.2 中国对石油产量峰值的应对策略

邱中建院士等人2005年在其发表的文章中认为，中国原油产量高峰期来得晚一点，高峰值平一点，持续时间长一点更有利[24]。从目前的资料和文献来看，中国采取的应对策略主要有以下几点。

1)限制本土石油产量增幅，保护本国石油资源，是我国应对石油峰值问题的首要任务。从图12可以看出原油进口量越来越大，出口量越来越少。

2)加大南海和渤海等海域石油资源的投资，从而增大其在石油总供应量中所占的比例。

3)积极投资南美和西北非等国外石油资源。

4)结合中国实际资源国情进行能源替代，大力推广清洁化利用煤炭资源，特别是推广坑口煤电厂的建设是当前中国应对石油峰值的现实的选择。

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The peak of China’s oil production forecasting and strategies research

WANG Ting-ting1，HUANG Cheng1，ZHANG Qi-chen2

(1.School of Computer Science，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China;2.School of Geoscience and Technology，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China)

About the projections for China’s oil production and peak，previous scholars are mostly based on data from 2000 years ago.The predicted results has already not be accurate.This article will predict China’s oil production and peak on the basis of the latest data from 1990 to 2013 by Hubbert model，generalized WengShi model and HCZ model.Most foreign experts think the Hubbert model is most suitable model for the projections of oil production and peak.But the comparison results of three models predicted values and actual values in this paper show that the predicted results of generalized WengShi model are more close to the actual value and more suitable for China’s oil production foresting.Facing to the upcoming peak of oil production，China adopted a variety of strategies，such as reducing domestic oil production，investment overseas resources and alternative energy，etc.

peak oil；Hubbert model；generalized WengShi model；HCZ mode

2015-03-07

页岩气等温吸附模型研究项目资助(编号：PLN1314)

王婷婷(1989-)，女，山东烟台人，硕士研究生，主要研究方向为石油峰值预测的研究。E-mail：linwangtingting@163.com。

黄诚(1970-)，男，四川成都人，副教授，硕士，主要研究方向为石油峰值预测的研究、地理信息系统在石油行业中的应用。

TE15

A

1004-4051(2015)12-0038-07