郭艷東，王衛(wèi)紅，王秀芝，劉 華，胡小虎，戴 城

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；2.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引 言

頁(yè)巖氣是指主體位于暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖中的天然氣聚集[1]。頁(yè)巖氣藏地質(zhì)特征復(fù)雜，儲(chǔ)集空間具有多尺度特征，存在納米孔隙、微米孔隙、微裂隙、裂縫等，頁(yè)巖的孔隙度低，滲透率極低。頁(yè)巖氣井沒(méi)有自然產(chǎn)能，需采用水平井加大規(guī)模水力壓裂的方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，頁(yè)巖氣井在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，具有產(chǎn)量遞減快、穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間較短、低產(chǎn)量生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)的特點(diǎn)。頁(yè)巖氣井工程成本高、投資大、內(nèi)部收益率較低，經(jīng)濟(jì)效益是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的重要指標(biāo)。頁(yè)巖氣田在開(kāi)發(fā)方案編制的過(guò)程中既要考慮獲得較高的采出程度又要考慮獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益，由于開(kāi)發(fā)方案包含各類(lèi)技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，很多指標(biāo)既相互依賴(lài)，又互相影響，因此給開(kāi)發(fā)方案的評(píng)價(jià)和優(yōu)選帶來(lái)很大困難。另外，決策人員有時(shí)很容易受某一具體指標(biāo)的影響，常常會(huì)單憑一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)或技術(shù)指標(biāo)而肯定或否定整個(gè)方案。

國(guó)內(nèi)學(xué)者主要對(duì)常規(guī)油氣田開(kāi)發(fā)方案的優(yōu)化進(jìn)行了相關(guān)的研究。段永剛等[2]根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析原理,建立了氣田開(kāi)發(fā)方案評(píng)價(jià)和優(yōu)選的灰色關(guān)聯(lián)度的分析方法；張數(shù)球[3]利用模糊優(yōu)化理論優(yōu)選了某油藏開(kāi)發(fā)方案，并根據(jù)實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證；肖芳淳[4]提出了模糊灰元優(yōu)化理論，引用實(shí)例說(shuō)明優(yōu)選結(jié)果與其他方法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相符；馮玉國(guó)[5]根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度定義，運(yùn)用擴(kuò)展的最小二乘方準(zhǔn)則構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，建立了一種油田開(kāi)發(fā)方案評(píng)價(jià)灰色優(yōu)化理論模型；張吉等[6]根據(jù)模糊集中的模糊一致關(guān)系理論，建立了改進(jìn)的模糊一致矩陣法優(yōu)選氣田開(kāi)發(fā)方案；韓興剛等[7]介紹了“正交試驗(yàn)”法在油氣田開(kāi)發(fā)方案編制中的應(yīng)用，克服了傳統(tǒng)方法無(wú)法確定因素間交互作用的局限性；趙明宸等[8]提出用理想解排序法來(lái)進(jìn)行油田開(kāi)發(fā)方案的綜合評(píng)價(jià)，建立了油田開(kāi)發(fā)方案綜合優(yōu)選的數(shù)學(xué)模型；林巍等[9]建立了一種應(yīng)用于油田開(kāi)發(fā)方案優(yōu)選的灰色關(guān)聯(lián)分析方法，對(duì)油田不同的開(kāi)發(fā)方案進(jìn)行了優(yōu)選；匡建超等[10]提出了改進(jìn)的遺傳優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并在新場(chǎng)氣田開(kāi)發(fā)方案優(yōu)選中進(jìn)行了應(yīng)用；盧波等[11]針對(duì)某海洋斷塊油田，利用灰色模糊聚類(lèi)法來(lái)對(duì)油藏進(jìn)行聚類(lèi)，為某海洋斷塊油藏的開(kāi)發(fā)提供依據(jù)；劉長(zhǎng)波[12]對(duì)基于灰色關(guān)聯(lián)理想解法的油氣田開(kāi)發(fā)方案進(jìn)行了一定的分析與探討。

上述研究均沒(méi)有涉及頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)方案優(yōu)化方面的相關(guān)內(nèi)容，沒(méi)有根據(jù)頁(yè)巖氣田的開(kāi)發(fā)特征和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行規(guī)律，研究適合頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)方案的優(yōu)化方法。為此，本文根據(jù)頁(yè)巖氣田的開(kāi)發(fā)特點(diǎn)，開(kāi)展了頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)方案優(yōu)化研究，分析了不同技術(shù)政策和不同經(jīng)濟(jì)參數(shù)條件下，各個(gè)開(kāi)發(fā)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)灰色優(yōu)化理論，在方案指標(biāo)預(yù)測(cè)和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，以總產(chǎn)能、建產(chǎn)規(guī)模、穩(wěn)產(chǎn)年限、EUR、財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值及內(nèi)部收益率等評(píng)價(jià)指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，建立了基于灰色優(yōu)化理論的頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)方案多目標(biāo)優(yōu)化方法和流程。該方法和流程適用于頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)方案的編制，可以確定頁(yè)巖氣田最優(yōu)開(kāi)發(fā)方案。

1 灰色優(yōu)化理論模型

頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)方案的評(píng)價(jià)優(yōu)選是一個(gè)多目標(biāo)的決策問(wèn)題。目前應(yīng)用的多目標(biāo)決策方法有多種，灰色優(yōu)化理論是其中方法之一，它可以對(duì)系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中的因素間的相對(duì)變化情況進(jìn)行分析，不需要太多數(shù)據(jù)，卻能夠較好地確定因素之間的關(guān)聯(lián)程度[9]。因?yàn)轫?yè)巖氣田的特殊性，開(kāi)發(fā)方案優(yōu)化時(shí)涉及的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較多，需要考慮的因素更加復(fù)雜，所以本文在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)方案優(yōu)化研究過(guò)程中，采用灰色優(yōu)化理論確定最優(yōu)開(kāi)發(fā)方案。通過(guò)灰色優(yōu)化理論可以分析備選方案與“理想方案”和“負(fù)理想方案”的關(guān)聯(lián)度，然后運(yùn)用擴(kuò)展的最小二乘方準(zhǔn)則建立目標(biāo)函數(shù)，建立了一種頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)方案評(píng)價(jià)的灰色優(yōu)化理論模型[5]，該模型具體計(jì)算過(guò)程如下所述。

1.1 建立指標(biāo)特征量矩陣

設(shè)有n個(gè)備選頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)方案，每個(gè)方案有m項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，則有m×n階指標(biāo)特征量矩陣，見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：xij為第j(j=1,2,…,n)個(gè)開(kāi)發(fā)方案的第i(i=1,2,…,m)個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的特征量。一般情況下，它有效益型(越大越優(yōu))和成本型(越小越優(yōu))2種。

1.2 確定理想方案和負(fù)理想方案

由于原始數(shù)據(jù)中各指標(biāo)的量綱不同，不可公度。因此需要進(jìn)行無(wú)量綱化處理，常用的方法有均值化、區(qū)間值化和歸一化等。設(shè)I+為效益型指標(biāo)的集合,I-為成本型指標(biāo)的集合,則“理想方案”見(jiàn)式(2)，“負(fù)理想方案”見(jiàn)式(3)。

(2)

(3)

1.3 計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度

第j個(gè)方案與“理想方案”第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的近似程度用灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)表示為式(4)。

ξi(xij,x+)=

(4)

第j個(gè)方案與“負(fù)理想方案”第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的近似程度用灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)表示，見(jiàn)式(5)。設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重為Wi(i=1,2,…,m),則第j個(gè)方案與“理想方案”的灰色關(guān)聯(lián)度表示，見(jiàn)式(6)。第j個(gè)方案與“負(fù)理想方案”的灰色關(guān)聯(lián)度表示，見(jiàn)式(7)。

ξi(xij,x-)=

(5)

(6)

(7)

1.4 建立多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)模型

從多維空間概念出發(fā)，灰色關(guān)聯(lián)度又可理解為被比較數(shù)列構(gòu)成的點(diǎn)與參考數(shù)列確定的點(diǎn)之間的相對(duì)空間距離(但關(guān)聯(lián)度越大，它們之間的相對(duì)距離越小，反之亦然)。因此，構(gòu)造所有方案與“理想方案”的加權(quán)關(guān)聯(lián)度平方和與“負(fù)理想方案”的加權(quán)關(guān)聯(lián)度平方和之總和為最大的目標(biāo)函數(shù)，見(jiàn)式(8)。

(8)

式(8)為所求的灰色優(yōu)化理論模型，uj越大方案越優(yōu)。

2 頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)方案多目標(biāo)優(yōu)化方法和流程

頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)方案的優(yōu)化主要包括開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)方案指標(biāo)預(yù)測(cè)、開(kāi)發(fā)方案經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)方案多目標(biāo)優(yōu)選等四大部分。每個(gè)部分都要根據(jù)頁(yè)巖氣的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的研究，才能得到適合頁(yè)巖氣田的最優(yōu)方案。頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)方案優(yōu)化研究流程見(jiàn)圖1。

圖1 頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)方案優(yōu)化流程示意圖Fig.1 Flow diagram of shale gas developmentplan optimization

2.1 開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)

在地質(zhì)評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)技術(shù)政策研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)。頁(yè)巖氣井的經(jīng)濟(jì)效益與開(kāi)發(fā)技術(shù)政策關(guān)系密切，開(kāi)發(fā)技術(shù)政策的研究是開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。但頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)政策受地質(zhì)和工程影響明顯，開(kāi)發(fā)技術(shù)政策研究的結(jié)果是一個(gè)優(yōu)化的區(qū)間，具有多解性。因此,在進(jìn)行頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)開(kāi)發(fā)技術(shù)政策的研究成果進(jìn)行多套開(kāi)發(fā)方案的設(shè)計(jì)。

頁(yè)巖氣井投資大、成本高，不同的井距和布井方式直接影響方案的經(jīng)濟(jì)效益，因此方案設(shè)計(jì)時(shí)要考慮不同的井距和布井方式；頁(yè)巖氣井初期遞減快，穩(wěn)產(chǎn)期短，建產(chǎn)規(guī)模的大小決定了氣田的穩(wěn)產(chǎn)期和投產(chǎn)計(jì)劃，對(duì)方案的經(jīng)濟(jì)效益影響明顯，因此在方案設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)生產(chǎn)需求和投資計(jì)劃等因素設(shè)計(jì)不同的建產(chǎn)規(guī)模。

2.2 開(kāi)發(fā)方案指標(biāo)預(yù)測(cè)

采用考慮人工壓裂縫特征的頁(yè)巖氣數(shù)值模擬方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)方案指標(biāo)預(yù)測(cè)。頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)方案指標(biāo)預(yù)測(cè)是否準(zhǔn)確，直接影響開(kāi)發(fā)方案的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和方案的優(yōu)選。頁(yè)巖氣井采用人工壓裂方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，壓裂后形成了復(fù)雜的壓裂縫網(wǎng)，采用常規(guī)的數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)氣井的開(kāi)發(fā)指標(biāo)誤差較大，因此需要采用考慮人工壓裂縫特征的頁(yè)巖氣數(shù)值模擬方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)方案指標(biāo)預(yù)測(cè)。

2.3 開(kāi)發(fā)方案經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

采用頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)方案經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。頁(yè)巖氣田的開(kāi)采特征不同于常規(guī)氣田，產(chǎn)量遞減快、穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間短、低產(chǎn)量生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)頁(yè)巖氣田投資大、成本高，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行規(guī)律具有特殊性。因此,要采用適合頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)特征和經(jīng)濟(jì)規(guī)律的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法來(lái)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。頁(yè)巖氣的補(bǔ)貼政策和氣價(jià)也直接影響方案的經(jīng)濟(jì)效益，在方案經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)時(shí)要考慮氣價(jià)和補(bǔ)貼政策的變化。

2.4 開(kāi)發(fā)方案多目標(biāo)優(yōu)選

采用基于灰色優(yōu)化理論的多目標(biāo)優(yōu)選方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)方案的評(píng)價(jià)和優(yōu)選。頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在進(jìn)行方案評(píng)價(jià)時(shí)單一的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)很難確定最優(yōu)的開(kāi)發(fā)方案，難以滿足決策的需求。在開(kāi)發(fā)方案指標(biāo)預(yù)測(cè)和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)完成后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的需要，采用前文介紹的基于灰色優(yōu)化理論的多目標(biāo)優(yōu)選方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)方案的評(píng)價(jià)和優(yōu)選，最后確定最優(yōu)開(kāi)發(fā)方案。

3 頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)方案優(yōu)化實(shí)例研究

3.1 開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)和指標(biāo)預(yù)測(cè)

以國(guó)內(nèi)西南地區(qū)某頁(yè)巖氣田為例開(kāi)展頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)方案優(yōu)化研究。某頁(yè)巖氣田可部署面積64.5 km2，資源量257.7×108m3。該氣田開(kāi)發(fā)技術(shù)政策研究結(jié)果表明，頁(yè)巖氣井最優(yōu)水平段長(zhǎng)度為1 500 m左右，布井方式采用交叉叢式布井，水平井合理井距為300～400 m。

本次研究對(duì)井距和建產(chǎn)規(guī)模兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。按照水平井長(zhǎng)度1 500 m，井距400 m和350 m，建產(chǎn)規(guī)模分別為15×108m3、12.5×108m3、10×108m3，共設(shè)計(jì)六套方案，見(jiàn)表1。

表1 某頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)方案基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of the gas field development plan

采用考慮人工壓裂裂縫特征的頁(yè)巖氣數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)該氣田單井產(chǎn)量模式。按照5.5×104m3/d的產(chǎn)量配產(chǎn)，可以穩(wěn)產(chǎn)2年， 30年累產(chǎn)氣0.96×108m3，單井指標(biāo)預(yù)測(cè)曲線見(jiàn)圖2。

根據(jù)方案設(shè)計(jì)、投產(chǎn)計(jì)劃及單井產(chǎn)量模型，預(yù)測(cè)了不同方案的開(kāi)發(fā)指標(biāo)，見(jiàn)表2。

圖2 頁(yè)巖氣田單井產(chǎn)量預(yù)測(cè)曲線Fig.2 Prediction curve of single well productionin shale gas field

表2 某頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)方案指標(biāo)預(yù)測(cè)表
Table 2 Prediction indexes of the gas field development plan

參數(shù)方案一方案二方案三方案四方案五方案六井距/m400400400350350350總生產(chǎn)井?dāng)?shù)/口838383939393總產(chǎn)能/(108 m3)15.115.115.116.816.816.8建產(chǎn)規(guī)模/(108 m3)15.012.510.015.012.510.0第一年產(chǎn)氣量/(108 m3)0.50.50.50.50.50.5第二年產(chǎn)氣量/(108 m3)5.05.05.05.05.05.0建產(chǎn)期/a356556穩(wěn)產(chǎn)年限/a12323430年累產(chǎn)氣量/(108 m3)78.778.678.487.687.487.2

3.2 開(kāi)發(fā)方案經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

根據(jù)開(kāi)發(fā)方案指標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果，采用頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)方案經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法在三種經(jīng)濟(jì)參數(shù)條件下對(duì)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)參數(shù)為：平均單井鉆采投資6 123萬(wàn)元，操作成本135元/103m3，管理費(fèi)60元/103m3，氣價(jià)1.322元/m3(不含稅)。三種經(jīng)濟(jì)條件下各個(gè)開(kāi)發(fā)方案經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3，各方案內(nèi)部收益率見(jiàn)圖3～5。

表3 某頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)方案經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果表Table 3 Economic evaluation results of the gas field development plan

3.2.1 條件1：現(xiàn)有補(bǔ)貼政策(2016～2018年，0.3元/m3，2019～2020年，0.2元/m3)

現(xiàn)有頁(yè)巖氣補(bǔ)貼政策下，400 m和350 m井距六套開(kāi)發(fā)方案的內(nèi)部收益率均高于8%，不同方案的內(nèi)部收益率不同，見(jiàn)表3和圖3。同樣井距的情況下，方案的建產(chǎn)規(guī)模越小，采氣速度越慢，內(nèi)部收益率和財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值越低，也就是說(shuō)越晚建產(chǎn)，效益越差，采速越快，效益越好；同樣建產(chǎn)規(guī)模情況下，井距越小，可接替井?dāng)?shù)越多，穩(wěn)產(chǎn)期越長(zhǎng)，但隨著井?dāng)?shù)增加，投資也增加，由于建產(chǎn)較晚的井在經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)期內(nèi)貢獻(xiàn)較小，加之資金價(jià)值的影響，導(dǎo)致收益率越低。在優(yōu)選開(kāi)發(fā)方案時(shí)，如果主要考慮經(jīng)濟(jì)效益，則開(kāi)發(fā)方案一最優(yōu)，井?dāng)?shù)少，風(fēng)險(xiǎn)小；如果綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和穩(wěn)產(chǎn)期，則方案二、方案三和方案五都較優(yōu)，如果既考慮經(jīng)濟(jì)效益，又考慮穩(wěn)產(chǎn)期，評(píng)價(jià)指標(biāo)不唯一時(shí)，很難得出最優(yōu)開(kāi)發(fā)方案。

3.2.2 條件2：現(xiàn)有補(bǔ)貼政策(0.2元/m3)延長(zhǎng)5年到2025年，其他條件不變

在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)方案經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)時(shí)，還要考慮到財(cái)稅政策的變化。假如現(xiàn)有補(bǔ)貼政策延長(zhǎng)5年，各方案收益率提高3.7%左右，2021～2025年產(chǎn)量比例較大的方案效益提高較大；井距小、井?dāng)?shù)多的財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值較高，各方案經(jīng)濟(jì)效益都較好，見(jiàn)表3和圖4。因此,在方案優(yōu)選時(shí)，主要考慮穩(wěn)產(chǎn)期和累產(chǎn)氣量等技術(shù)指標(biāo)。如果主要考慮穩(wěn)產(chǎn)期，方案六最優(yōu)；如果綜合考慮多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)也很難確定最優(yōu)方案。

圖3 現(xiàn)有補(bǔ)貼政策下各開(kāi)發(fā)方案內(nèi)部收益率Fig.3 Development plan internal rate of return underthe existing subsidy policy

圖4 補(bǔ)貼政策延長(zhǎng)至2025年各開(kāi)發(fā)方案內(nèi)部收益率Fig.4 Development plan internal rate of return underthe subsidy policy extended to 2025

3.2.3 條件3：2020年以后，天然氣價(jià)格2%的年上漲率

在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)方案經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)時(shí)，還要考慮到天然氣價(jià)的變化。從目前來(lái)看，天然氣價(jià)上漲是大概率事件，假如2020年補(bǔ)貼結(jié)束以后，天然氣價(jià)格以2%的增長(zhǎng)率上漲，則所有方案的收益率均達(dá)到10%以上，各方案效益都較好；綜合采氣速度越慢的方案內(nèi)部收益率和財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值增加較大；所有方案的凈現(xiàn)值均有較大提高，井距小，井?dāng)?shù)多，后期產(chǎn)量比例大的方案提高較大，見(jiàn)表3和圖5。在這種條件下，各個(gè)方案的經(jīng)濟(jì)效益都比較好，因此在方案優(yōu)選時(shí)，主要考慮穩(wěn)產(chǎn)期和累產(chǎn)氣量等技術(shù)指標(biāo)。如果主要考慮穩(wěn)產(chǎn)期，方案六最優(yōu)；如果綜合考慮多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)很難確定最優(yōu)方案。

3.3 開(kāi)發(fā)方案優(yōu)選

通過(guò)前文研究可以看出，各個(gè)方案的總產(chǎn)能、建產(chǎn)規(guī)模、穩(wěn)產(chǎn)期、累產(chǎn)氣量、內(nèi)部收益率、財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值和總投資都各不相同，最優(yōu)方案的確定是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)選的問(wèn)題，很難根據(jù)單一的指標(biāo)來(lái)確定最優(yōu)方案。因此需要采用前文所述的基于灰色優(yōu)化理論的多目標(biāo)優(yōu)選方法對(duì)六套開(kāi)發(fā)方案進(jìn)行優(yōu)選。選取條件1(目前補(bǔ)貼政策)情況下的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行開(kāi)發(fā)方案優(yōu)選研究。

3.3.1 單目標(biāo)優(yōu)選

如果將開(kāi)發(fā)方案的某單一指標(biāo)作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，其余指標(biāo)作為次要評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用灰色優(yōu)化模型進(jìn)行計(jì)算，可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)多目標(biāo)優(yōu)選模型進(jìn)行驗(yàn)證(表4)。

圖5 2020年后氣價(jià)年上漲2%各開(kāi)發(fā)方案內(nèi)部收益率Fig.5 Development plan internal rate of return underthe price of gas rise by 2% per year after 2020

表4 模型計(jì)算權(quán)重取值表
Table 4 Weight value for model calculation

權(quán)重總產(chǎn)能建產(chǎn)規(guī)模穩(wěn)產(chǎn)期累產(chǎn)氣量投資凈現(xiàn)值內(nèi)部收益率權(quán)重一1%1%1%1%1%1%94%權(quán)重二1%1%94%1%1%1%1%

如果在方案優(yōu)選時(shí)主要考慮經(jīng)濟(jì)效益，即以?xún)?nèi)部收益作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，那么在優(yōu)選模型中，內(nèi)部收益率的權(quán)重就要占最大的百分比，其余指標(biāo)取很小的比重，具體權(quán)重的確定決策者可以根據(jù)實(shí)際的情況綜合確定，也可以采用專(zhuān)家打分法確定，這里按照權(quán)重方案一進(jìn)行取值，見(jiàn)表4。通過(guò)計(jì)算得到各個(gè)方案的最優(yōu)度，見(jiàn)圖6。通過(guò)圖6可以看出，如果以?xún)?nèi)部收益率為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，方案一的最優(yōu)度最大，大于0.8，是最優(yōu)方案，這與經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的結(jié)果相符合。

如果在方案優(yōu)選時(shí)主要考慮穩(wěn)產(chǎn)期，即以穩(wěn)產(chǎn)期作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，那么在優(yōu)選模型中，穩(wěn)產(chǎn)期的權(quán)重就要占最大的百分比，其余指標(biāo)取很小的比重，具體權(quán)重的確定決策者可以根據(jù)實(shí)際的情況綜合確定，也可以采用專(zhuān)家打分法確定，這里按照權(quán)重方案二進(jìn)行取值，見(jiàn)表4。通過(guò)計(jì)算得到各個(gè)方案的最優(yōu)度，見(jiàn)圖7。通過(guò)圖7可以看出，如果以穩(wěn)產(chǎn)期為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，方案六的最優(yōu)度最大，大于0.8，是最優(yōu)方案，這與方案六的穩(wěn)產(chǎn)期是4年最長(zhǎng)的情況相符合。

通過(guò)分別選取內(nèi)部收益率和穩(wěn)產(chǎn)期兩個(gè)單一指標(biāo)作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果可以得出，優(yōu)化模型評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況一致，優(yōu)化結(jié)果取決于評(píng)價(jià)目標(biāo)權(quán)重的大小。

圖6 內(nèi)部收益率為主要評(píng)價(jià)目標(biāo)各方案最優(yōu)度Fig.6 Optimal degree considering internal rateof return as the primary objective

圖7 穩(wěn)產(chǎn)期為主要評(píng)價(jià)目標(biāo)各方案最優(yōu)度Fig.7 Optimal degree considering stable productiontime as the primary objective

3.3.2 多目標(biāo)優(yōu)選

如果將開(kāi)發(fā)方案的多個(gè)指標(biāo)作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，其余指標(biāo)作為次要評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用灰色優(yōu)化模型進(jìn)行計(jì)算，可以對(duì)開(kāi)發(fā)方案進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)選，確定最優(yōu)開(kāi)發(fā)方案(表5)。

表5 多目標(biāo)優(yōu)選模型權(quán)重取值表Table 5 Weight value for multi objective optimization model

如果將內(nèi)部收益率和穩(wěn)產(chǎn)期作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，且內(nèi)部收益率的權(quán)重取60%，穩(wěn)產(chǎn)期權(quán)重取30%，其余指標(biāo)10%，即按照權(quán)重方案三進(jìn)行評(píng)價(jià)，則方案一的最優(yōu)度最大，為最優(yōu)開(kāi)發(fā)方案，各個(gè)開(kāi)發(fā)方案的排序?yàn)榉桨敢?方案四>方案五>方案二>方案六>方案三，見(jiàn)圖8。

如果將穩(wěn)產(chǎn)期和內(nèi)部收益率作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，且穩(wěn)產(chǎn)期的權(quán)重取50%，內(nèi)部收益率權(quán)重取40%，其余指標(biāo)10%，即按照權(quán)重方案四進(jìn)行評(píng)價(jià)，則方案五的最優(yōu)度最大，為最優(yōu)開(kāi)發(fā)方案，各個(gè)開(kāi)發(fā)方案的排序?yàn)榉桨肝?方案六>方案四>方案一>方案二>方案三，見(jiàn)圖9。

如果將內(nèi)部收益率、穩(wěn)產(chǎn)期和累產(chǎn)氣量三個(gè)指標(biāo)作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，且三個(gè)指標(biāo)權(quán)重相等均取30%，其余指標(biāo)10%，即按照權(quán)重方案五進(jìn)行評(píng)價(jià)，則方案四的最優(yōu)度最大，為最優(yōu)開(kāi)發(fā)方案，各個(gè)開(kāi)發(fā)方案的排序?yàn)榉桨杆?方案五>方案六>方案一>方案二>方案三，見(jiàn)圖10。

在實(shí)際頁(yè)巖氣田生產(chǎn)過(guò)程中一般要考慮經(jīng)濟(jì)效益較高，保持一定的穩(wěn)產(chǎn)期，且盡可能多產(chǎn)氣，所以綜合分析認(rèn)為，方案四為最優(yōu)開(kāi)發(fā)方案，推薦某頁(yè)巖氣田按照方案四進(jìn)行實(shí)施。

為了研究方便，本次僅將內(nèi)部收益率、穩(wěn)產(chǎn)期和累產(chǎn)氣量三個(gè)指標(biāo)作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行研究，在開(kāi)發(fā)方案的優(yōu)選過(guò)程中可以將其他幾個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)根據(jù)實(shí)際情況作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，提高權(quán)重。頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)方案優(yōu)化的研究，是建立在氣田開(kāi)發(fā)指標(biāo)預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上的，開(kāi)發(fā)指標(biāo)預(yù)測(cè)的結(jié)果是否準(zhǔn)確非常關(guān)鍵。在實(shí)際頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，頁(yè)巖氣藏可能因?yàn)閴毫岩悍蹬?、?yīng)力敏感等因素發(fā)生變化，從而影響氣井的產(chǎn)量，這就給開(kāi)發(fā)方案帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，因此在進(jìn)行開(kāi)發(fā)方案優(yōu)選時(shí)要加強(qiáng)對(duì)氣藏的評(píng)價(jià)和認(rèn)識(shí)，考慮到因氣藏變化產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 主要考慮收益率，次要考慮穩(wěn)產(chǎn)期各方案最優(yōu)度Fig.8 Optimal degree considering internal rate of returnas primary objective and stable production time assecondary objective

圖9 主要考慮穩(wěn)產(chǎn)期，次要考慮收益率各方案最優(yōu)度Fig.9 Optimal degree considering stable production timeas primary objective and internal rate of returnas secondary objective

圖10 內(nèi)部收益率、穩(wěn)產(chǎn)期和累產(chǎn)氣量同等權(quán)重各方案最優(yōu)度Fig.10 Optimal degree considering internal rate ofreturn,stable production time and cumulative gasproduction the same weight

4 結(jié) 論

1) 頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)方案的優(yōu)化評(píng)價(jià)是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化的問(wèn)題，建立了基于灰色優(yōu)化理論的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)方案多目標(biāo)優(yōu)化方法和流程，該方法和流程適用于確定頁(yè)巖氣田最優(yōu)開(kāi)發(fā)方案。

2) 不同經(jīng)濟(jì)參數(shù)條件下，開(kāi)發(fā)方案的效益變化規(guī)律不同。目前氣價(jià)和補(bǔ)貼政策下，同樣井距的情況下，方案的建產(chǎn)規(guī)模越小，采氣速度越慢，內(nèi)部收益率和財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值越低，采速越快，效益越好；同樣建產(chǎn)規(guī)模情況下，井距越小，井?dāng)?shù)越多，建產(chǎn)較晚的井在經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)期內(nèi)貢獻(xiàn)較小，加之資金價(jià)值的影響，導(dǎo)致收益率越低。如果現(xiàn)有補(bǔ)貼政策延長(zhǎng)5年，2021～2025年產(chǎn)量比例較大的方案經(jīng)濟(jì)效益的提高較大；如果2020年補(bǔ)貼結(jié)束以后，天然氣價(jià)格以2%的增長(zhǎng)率上漲，綜合采氣速度越慢的方案內(nèi)部收益率和財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值增加的越大。

3) 對(duì)于某頁(yè)巖氣田，在現(xiàn)有氣價(jià)和補(bǔ)貼政策下，如果將內(nèi)部收益率、穩(wěn)產(chǎn)期和累產(chǎn)氣量3個(gè)指標(biāo)同等考慮，方案四的最優(yōu)隸屬度最高。另外，方案四具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，具有一定的穩(wěn)產(chǎn)期，且累產(chǎn)氣量大，為最優(yōu)開(kāi)發(fā)方案。

隨著頁(yè)巖氣田的開(kāi)發(fā)，頁(yè)巖氣藏可能發(fā)生變化，從而給開(kāi)發(fā)方案帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此在進(jìn)行開(kāi)發(fā)方案優(yōu)選時(shí)要加強(qiáng)對(duì)氣藏的評(píng)價(jià)和認(rèn)識(shí)，考慮到因氣藏變化產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。