基于成本级差分析的油气储量等级评价方法研究

陈 璐， 陈民锋*， 王兆琪， 张琪琛， 李春明

(1.中国石油大学(北京) 石油工程学院， 北京 102249； 2.中国石油大庆油田公司 第十采油厂， 黑龙江 大庆 166405)

基于成本级差分析的油气储量等级评价方法研究

陈 璐1， 陈民锋1*， 王兆琪1， 张琪琛1， 李春明2

(1.中国石油大学(北京) 石油工程学院， 北京 102249； 2.中国石油大庆油田公司 第十采油厂， 黑龙江 大庆 166405)

储量资源是油气公司的重要资产，对油气储量价值进行合理评估，有利于科学开采油气资源以及优化投资组合.科学地评价油气资源价值就是对油气资源进行价值分级.由于储量资源受地质、所处地理位置、交通运输和油藏开发等不同条件的影响，各储量资源会形成不同的级差成本.基于级差成本原理以及油气田勘探开发生产过程的条件，对储量价值评估指标进行选取，构建指标样本集.采用多元回归和德尔菲法对初步选取的21个储量价值评估指标的特征值进行量化表征，应用主成分分析法提取出构成总成本的5类成本级差即外部成本级差、集输成本级差、投资成本级差、开采成本级差和生产成本级差，建立了各成本级差与单因素之间的关系以及储量价值评价指标体系的三级分层结构，进而可以确定不同评价指标的影响权重，最终得到对油气储量的优劣等级进行评价.通过基于成本级差的评价体系建立，可定量表征油气储量的价值等级，为合理评估油田储量价值提供有利的支持.

油气储量； 价值等级； 成本级差； 评价体系； 因子特征值

0 引言

油气资源是人类赖以生存和发展的重要自然资源之一，同时也是油气公司最重要的资产.对油气储量价值进行合理评估是石油企业投资决策的基础，能促进企业整体效益的提高与油气储量利用价值的最大化，对科学开采油气资源，节约和充分利用油气资源具有重要的理论和现实意义[1-3].目前，国内外很多学者对油气储量价值评估进行了大量的研究，提出了一些评估方法和模型，对指导油气生产管理起到了一定的作用.国内外常用的方法和模型几乎都是基于油气储量的价值形成方面分析，有其自身的特点和适用条件，但对投资、生产经营中各个方面考虑不全[4-6].

由于油气储量资源受地质条件、储量大小、开采难易程度以及油气田所处地理位置、交通运输条件、自然环境等诸多主、客观因素的影响，将导致不同油气藏勘探成本和开发及开采成本的不同，进而使得不同油气田储量资源在勘探开发过程中形成成本级差，进而影响到油气储量的价值评估结果[7-12].成本级差将油气储量的价值与油气田资源条件的差异紧密地联系起来，因此，为科学合理地评价油气储量价值，可以通过对大量矿场实际数据的比较分析，确定不同条件下油气储量资源的价值等级参数，对油气田资源进行优劣等级评价，即价值分级[13-16].

通过系统调研国内外储量价值的研究方法，总结发现储量价值具体体现在“油田外部条件、储量级别、内部开采条件”等三大类指标上，因此，从“油藏的外部情况”、“储量等级”和“油藏内部开发条件”三个方面归纳分析影响储量价值的各项指标[17-21].

首先调研收集油田基本信息，初步筛选出21个反映油田指标数据，进而应用德尔菲法和多元回归方法定量表征单个影响因素指标的评估价值，并得到各因素评估价值的相对变化特征值；在此基础上，应用主成分分析法提取出构成总成本的5类成本级差即外部成本级差、集输成本级差、投资成本级差、开采成本级差和生产成本级差，建立了各成本级差与单因素之间的关系以及评估层级结构.最后结合权重和相对变化特征值，计算分别得到各油田“外部开发条件、储量等级、油藏内部开采条件”三个方面的级差等级值，如图1所示，进而可以综合评价油田储量价值.

图1 储量价值评估构成示意图

1 油气储量价值分级评价量化矩阵的建立

1.1 油气储量价值等级评价的步骤

为结合成本级差，科学合理地评价油气储量价值等级，计算思路及步骤如下：

(1)确定影响储量资源价值的地质、自然和社会经济等方面的客观因素，并对资源条件因素进行基本的分层分类，初步确定油气资源价值的分级模型；

(2)采用多元回归和德尔菲法对全部指标因素进行量化，并在此基础上划分各个指标的下分等级，确定其不同等级取值对储量价值影响的特征值，即等级影响程度值；

(3)应用数学方法提取影响储量价值的主成分，根据各主分包含的具体指标明确其基于成本级差概念的物理意义，同时得到下层各因素对上层成本级差影响的权系数，由此建立确定储量价值等级的数学模型；

(4)得出评价油气储量价值分级的数学模型后，在具体评价某一油气田储量价值等级时，只需将所需油气田资料数据输入分级模型，即可计算出资源等级.

1.2 渗流方程及其基本解

分别从“外部开发条件、储量等级、油藏内部开采条件”三个方面对储量价值评估指标进行选取，构建指标样本集，如表1所示.综合分析储量价值评价的构成，共有30个影响指标，为保证后续评价层级即影响权重的准确性，需去除同类中相关性较强的指标后得到21个指标参数进行研究，如表1所示.

表1 储量价值评估指标样本库

1.3 评估指标量化处理的特征值表征方法

由于各个评估指标对各级各类成本级差的影响作用程度不同，影响程度值即为评估指标的特征值.将评估指标特征值在0～1间量化表征，便于后续应用主成分法分析.21个指标可以分为以下两类：①评估指标为定性、类别型指标，即非数量因子；②评估指标为定量、数学关系型指标，即数量因子.两种不同类型评估指标的特征值量化方法不同.

1.3.1 确定非数量因子的特征值

在确定非数量因子等级尺度和特征值时，首先列出该因子的各种可能取值情况，然后采用德尔菲法征询专家不同因子取值对相应成本部分的影响程度，在收集整理专家意见的基础上得出非数量因子的等级尺度及各等级的特征值[22,23].

德尔菲法，又名专家评判法，是一种采用专家匿名发表意见的方式，通过多轮次调查专家对问卷所提问题的看法，经过反复征询、归纳、修改，最后汇总成专家基本一致的看法，作为最终结果.这种方法具有广泛的代表性，较为可靠[24].德尔菲法的主要步骤包括：调查表的设计，专家的选择，结果处理和预测过程.接下来以“油气藏构造”为例，具体阐述利用德尔菲法确定非数量因子的特征值的过程.主要步骤如下：

(1)设计调查表结构、设定基准值：假设对外部成本不考虑其他因素，以成本最高的特征值为基准1.

例如在不同油气藏构造类型中，复合构造的勘探开发时所需成本最高，则特征值为基准1，油气藏构造特征值调查表如表2所示.

表2 油气藏构造特征值调查表

(2)专家评判：由专家给出其他因子类型所需成本相对于最高成本的倍数，如其他油气藏构造所需成本相对于复合构造成本的倍数.

专家评判是德尔菲法的评价结果优劣的关键.对本模型来说，专家要有丰富的实践经验和较高理论水平，专家的代表面要广，专家总体具有权威性.

(3)数据统计处理：假定专家N人，统计变量一般有很多个取值，对每一个“定类变量”取其“众值(即出现频率最高对应的值)”做为其估计值.以“简单构造”为例，不同专家给出成本相对倍数如表3所示.

表3 简单构造特征值专家评价统计表

对N个专家给出的 M个数据进行分析，得到“简单构造”相对于“复合构造”成本相对倍数的频率及累计频率分布，如图2所示.

图2 简单构造特征值频率分布图

可以看出，专家评判中0.4出现频率最高，为“简单构造”成本相对倍数的众值，即取做特征值.同理得到其他两类构造的特征值，进而得到全部特征值如表4所示.

表4 油气藏构造特征值表

1.3.2 确定数量因子的特征值

数量因子在量化过程中，利用多元回归法分析现有的大量数据，总结得到各个指标分别与勘探开发投资成本的关系，并由此进行分级和确定其特征值.下面以“储量大小”为例，具体阐述数量因子特征值的确定过程.

(1)建立评价指标与相应成本间的函数关系:收集样本数据，用“数学拟合回归”得到储量大小与单位投资成本之间的数量关系，如图3所示.

图3 储量大小与单位投资成本之间 的数量关系

y=6.089+5 542.265 5/x

(1)

式(1)中：x为储量，y为单位储量投资成本.

从回归系数a=6.089，b=5 542.265 5，得知“储量大小”为定量正向性指标，即储量增大，单位投资成本减小，与实际情况相符.

确定各指标同单位成本之间的函数关系后，对指标进行分级，并确定其相应的特征值.确定因子等级尺度要注意尽可能使样本数据均匀分布在各等级间.

(2)特征值的确定:按照储量大小分类标准对收集样本分析统计如表5所示.

表5 油气田储量大小分类

(3)确定每组储量等级的特征值:上述统计分组的方式为“组距分组”，在“组距分组”中，用“组中值”代表每组的特征，再根据回归得到储量大小与投资成本间的数量关系，量化每组对应的单位投资成本.因子各等级尺度所对应的特征值是一个相对值，以成本最高的储量级别为基准，即假设“小型油田”的评估特征值为1，特征值即为评估对象投资成本与基准投资成本的比值，最终得到各储量大小等级对应的特征值如表6所示.其中，“组中值”为分组上限和下限的算术平均值.

表6 油气田储量大小特征值

基于上述两种方法计算得到全部21个指标对相应成本部分的特征值，如表7所示.

表7 油气储量等级评价特征值量化矩阵

2 油气储量等级评价体系的建立

2.1 基于主成分分析法的油气储量分级评价

已得到n个油田的 21 项指标的特征值，形成样本分析库，如表8所示，进行主成分分析.主成分分析法是一种降维的统计分析方法，将原来变量重新组合成一组相互无关的几个综合变量，根据实

际需要从中取出几个较少的总和变量尽可能多地反映原来变量的信息，通过计算主成分对各评价指标的方差贡献以及主成分与评价指标间的相关系数，建立起储量价值评价指标体系的分层结构.

选取n个油田的 21 项指标的特征值，则有原始数据矩阵：

(2)

式(2)中：xij的第一个下标i是油田样本单位，第二个下标j是第j个指标变量，xij表示第i个油田的第j个指标影响储量价值的特征值.

为了消除各项指标之间在量纲化和数量级上的差别，对指标数据进行标准化：

(3)

(4)

(5)

得到标准化矩阵：

(6)

根据标准化后的数据矩阵建立协方差矩阵R，协方差矩阵是反映数据之间相关关系密切程度的统计指标，值越大，说明有必要对数据进行主成分分析.

对于变量x1,x2,…,xp的相关系数矩阵：

(7)

根据协方差矩阵R求出特征值、主成分贡献率和累计方差贡献率，确定主成分个数.

通过对21个变量采取主成分分析，提取因子，可提取5个主成分作为原有21个变量的主因子.这5个主成分的方差贡献率分别为12.44%、12.26%、27.29%、19.95%和17.54%，可以反映原有21个指标变量89.47%的信息量，具有较高的构建效度.

旋转后的因子得分矩阵如表8所示.反映各主成分在原始变量上的负荷，即各成分与原始21个因子的相关关系.

按照各因子所包括的主要题项的含义对其进行命名，模型结果显示：

主成分1包含了地貌特征、油气藏构造、海上油藏水深、储层岩性等4个变量，由于这些变量都是油气藏的外部条件，外部自然条件差则油田经营获得所需各项生产要素、取得外部支持的难度也大，由此所带来的成本称为外部成本，导致的成本级差称为外部成本级差，因此将主成分1命名为外部成本级差.

主成分2包含了集输距离、集输方式、集输设备条件、地面原油品质4个变量，反映了油田的集输条件的优劣.而油田的集输条件的优劣直接影响了原油生产销售过程中集输成本的高低，集输条件好则集输成本低，反之则高.因此将主成分2 定义为由集输条件好坏形成的原油生产经营成本级差——集输成本级差.

主成分3包含了储量探明程度、探明地质储量大小和储量丰度3个变量，直接表征了油田的储量规模，储量规模越大，勘探、开发工程建设投资的规模效益越高，单位储量投资成本、单位产量生产成本就越低，从而带来成本级差.因此将成分3命名为投资成本级差.

主成分4包括资源类型、储集类型、驱动类型即开发方式、采油方式、油气藏埋深5个变量，具体影响着油田的开采成本，因而命名为开采成本级差.

主成分5包括有效厚度、渗透率、非均质性、地下原油粘度以及饱和压力等5个变量，反映油田所需的生产成本，命名为生产成本级差.生产成本即井的产出、油气在地面进行处理、送至外输站所发生的成本费用，包括油田及地面设施的维护管理费、材料、人工费用，包括井下作业及三脱费用等.

根据因子分析结果建立起储量价值评价指标体系的三级分层结构.在该三层结构中，第一层次是目标层，作为一级指标层，即为最终油田的储量价值；第二层次是准则层，作为二级指标层，即5类成本级差；第三级则是各类具体的构成因素，为三级指标层.在储量价值评价过程中，科学有效的评价指标体系的建立是后期评价、得到具体评语的基础，可定量表征油气储量的价值等级，为合理评估油田储量价值提供有利的支持.

表8 正交旋转后的因子分析结果

2.2 储量等级影响因素的权重确定

在利用主成分分析方法建立储量价值评估指标体系的过程中，可以根据主成分的贡献率和因子得分系数得到储量等级影响因素的权重.在统计分析中，因子得分系数矩阵中的回归系数反映了变量的变化对主成分的影响权重，贡献率则表征各主成分对一级目标指标的影响程度.因此，分别对5类成本级差的贡献率以及因子得分系数进行归一化处理后，可以得到储量等级不同层级上影响因素的权重分配，结果如表9所示.

2.3 油气储量等级评价体系

根据主成分分析法的原理，利用参数对评价结果累计贡献率可以筛选出哪些指标对于储量价值评价不可或缺.考虑到实际过程中矿场资料的有限以及取值的不确定性，当选取的参数指标对评价结果的权重影响达到全部指标的85%时，即认为指标可以完整代表油田的属性.故而推荐评价储量价值的指标参数16个，包括：地貌特征、海上油藏水深、集输距离、地面原油品质、储量探明程度、探明地质储量大小、储量丰度、开发方式、油气藏埋深、储集类型、资源类型、采油方式、有效厚度、渗透率、非均质性和地下原油粘度.

以X-C油田为例，对其储量价值等级进行了测算分析，结果如表10所示.X-C为一陆上断块油田，探明地质储量2 200万吨，储量丰度191.3万吨，油层埋深1 467米；原油比重0.859、黏度为13.4 mPa·s；弹性驱动，现阶段注水开发，开采出的原油采用管线运输.

根据公式(8)可以计算得到储量价值等级值：

G=(λ外G外+λ集G集)+λ投G投+

(λ开G开+λ生G生)

(8)

式(8)中：λ外—外部成本级差权重，λ集—集输成本级差权重，λ投—投资成本级差权重，λ开—开采成本级差权重，λ生—生产成本级差权重；G外—外部成本级差等级值，G集—集输成本级差等级值，G投—投资成本级差等级值，G开—开采成本级差等级值，G生—生产成本级差等级值.

3 结论

通过以上研究，可以得出以下认识：

(1)通过分析储量价值在“外部开发条件、储量等级、油藏内部开采条件”三个方面的主要体现，选取21个储量价值评估指标进行量化表征，应用主成分分析法提取出构成总成本的5类成本级差即外部成本级差、集输成本级差、投资成本级差、开采成本级差和生产成本级差，进而建立了各成本级差与单因素之间的关系以及评估层级结构，并得到各层评价指标的权重，最终得到对油气田储量资源的优劣等级评价.

(2)基于评价指标对评价结果累计贡献率的不同，筛选出储量价值评价时推荐的评估指标参数指标16个，可以在一定程度上解决因资料有限而无法合理评价储量价值等级的问题.

(3)基于成本级差的价值等级评价方法考虑的因素较全面，且不需要复杂的成本、产量等基础资料和预测数据，有效地规避了由于经营管理不善所造成的油田储量评估失真.

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【责任编辑：陈 佳】

Evaluation study on value ranking of oil and gas reserves based on cost differential

CHEN Lu1, CHEN Min-feng1*, WANG Zhao-qi1, ZHANG Qi-chen1, LI Chun-ming2

(1.College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China; 2.Tenth Oil Pruduction Plant, PetroChina Daqing Oil Field Company, Daiqing 166405, China)

Oil and gas reserves is one of the most important assets of oil and gas companies.Rational assessment of reserves value is both conducive to scientific developing and investment portfolio.Consequently,a comprehensive evaluation system and standards for value classification of oil and gas reserves should be established.Scientifically evaluating the oil and gas reserves value is to classify the oil and gas reserves value.Due to various influences by geology,geographical location,transportation and reservoir development,reserve of resources may gain differential cost.In the light of the theory of cost differential and the characteristic of the exploration and development of the oil and gas resources,reserves value evaluation indicators have been selected and the sample set has also been established.The eigenvalue of reserves 21 value indicators has been quantified by applying multiple regression and delphi method and then 5 main types of cost differential which include external cost differential,transportation cost differential, investment cost differential, exploitation cost differential and production cost differential have been determined by applying principal component analysis.Consequently,not only the relationship between different kinds of cost differential and value indicators,but also the assessment models of oil and gas reserves value has been established.On basis of that, influence weight of total 21 indicators and value ranking of reserves can be derived,which will provide favorable support for scientific and reasonable value evaluation of oil and gas reserves.

oil and gas reserves; value classification; cost differential; assessment system; factor eigenvalue

2016-09-21

国家科技重大专项项目(2016ZX05033005-007)

陈 璐(1991-)，女，黑龙江大庆人，在读硕士研究生，研究方向：油气田开发系统理论方法、提高采收率技术通讯作者:陈民锋(1971-)，男，河南清丰人，副研究员，博士，研究方向：油气田开发系统理论方法、提高采收率技术，cmfllp96@126.com

1000-5811(2017)01-0102-08

TE348

A