能源投入回報(bào)值(EROI)評(píng)價(jià)方法及其在我國(guó)大慶油田的應(yīng)用

胡 燕,馮連勇,齊 超,李 銳

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)工商管理學(xué)院，北京102249；3. 北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)，北京 100082)

Energy Return on Investment稱為能源投入回報(bào)值，簡(jiǎn)稱EROI，是一種評(píng)價(jià)能源生產(chǎn)的新方法。以往能源生產(chǎn)的可行性分析大多以現(xiàn)金流、利潤(rùn)率等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以追求經(jīng)濟(jì)效益為目的。隨著化石能源稀缺性及其對(duì)經(jīng)濟(jì)限制性作用的凸顯，這些以貨幣為單位的衡量方法忽略了能源生產(chǎn)過程中對(duì)能源的消耗，不能完全評(píng)價(jià)自然資源開采的真正價(jià)值。EROI方法同時(shí)計(jì)算了能源產(chǎn)出和能源投入，既能夠評(píng)價(jià)能源生產(chǎn)的效率和價(jià)值，還能得出為社會(huì)提供的真正能源量，即凈能源量，而非總產(chǎn)量。

EROI方法在凈能源分析方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)。最早在1949年，White描述了凈能源對(duì)人類文明的重要性[1]。1955年，Cottrell[2]又說明凈能源對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的重要作用。1973年，Odum[3]提出，對(duì)于整個(gè)物種來(lái)講具有真正價(jià)值的是凈能源。1981年，Hall[4]在Science雜志上發(fā)表文章，不僅闡述了凈能源思想，而且還提出了單位“努力”(鉆井進(jìn)尺)的石油產(chǎn)量這一指標(biāo)，EROI的概念隱含其中。同年，Hall等人[5]正式提出EROI概念，并在1982年將其應(yīng)用到美國(guó)石油領(lǐng)域的研究中來(lái)[6]。1984年，Cleveland等[7]繼續(xù)在Science雜志發(fā)表文章，對(duì)EROI提出了更為系統(tǒng)的探討。綜合1984～2012年學(xué)術(shù)界對(duì)EROI方法的研究發(fā)現(xiàn)：EROI的定義形式多樣，但表達(dá)的基本含義相同[8]；化石能源EROI值雖然較高但呈下降趨勢(shì)，多集中于對(duì)美國(guó)和全球的研究[9-12]；可再生能源和非常規(guī)能源的EROI值低于化石能源[13-16]；中國(guó)對(duì)于EROI的研究與國(guó)外相比非常少[17-18]。

1 EROI方法說明

1.1 EROI計(jì)算方法

最初，EROI的計(jì)算均采用熱當(dāng)量法，將能源生產(chǎn)過程中的產(chǎn)出與投入轉(zhuǎn)化為熱當(dāng)量值(式(1))。

(1)

(2)

式中λi表示第i種能源的質(zhì)量因子。

EROI的計(jì)算需要確定兩個(gè)重要維度：一是“產(chǎn)出邊界”，確定了產(chǎn)出項(xiàng)的種類；二是“投入層級(jí)”，確定了投入項(xiàng)的種類。本文介紹Murphy等[19]建立的EROI方法兩維計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，并將其應(yīng)用到大慶油田EROI的計(jì)算中來(lái)(表1)。

表1 EROI方法的兩維計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)及其命名

表1中，EROI標(biāo)識(shí)的第一個(gè)下標(biāo)表示產(chǎn)出邊界，第二個(gè)下標(biāo)表示投入層級(jí)。EROI1,i作為EROI計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)(又稱EROIstnd)，以便比較不同研究結(jié)果。數(shù)據(jù)的可得性越強(qiáng)，計(jì)算的層級(jí)就越高，EROI標(biāo)識(shí)的下標(biāo)就會(huì)逐漸累加，如EROI1,d+id+lab+aux+env，但為簡(jiǎn)便起見將其只表示成EROI1,env。該計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)沒有說明產(chǎn)出中是否包括副產(chǎn)品，以及能源加總時(shí)是否進(jìn)行了質(zhì)量校正，因此研究者應(yīng)在具體的研究中給予說明。

1.2 主要系數(shù)

1.2.1 能源質(zhì)量因子

任何能源均具有“量”和“質(zhì)”兩個(gè)屬性，熱當(dāng)量法僅僅體現(xiàn)了能源“量”的屬性，但正是因?yàn)椤百|(zhì)”的不同，等量的能源才具有不等量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[20]。Cleveland[9]和Gagnon等[10]利用Divisia指數(shù)對(duì)化石能源進(jìn)行了質(zhì)量校正，但是沒有給出具體推導(dǎo)過程和計(jì)算過程。基于此，本文通過推導(dǎo)Divisia指數(shù)來(lái)介紹不同能源間的加總方法。

假定存在一個(gè)價(jià)值量(Vt)，包含了n種能源的價(jià)值(價(jià)格p與數(shù)量q的乘積)，見式(3)。

(3)

式(3)兩邊對(duì)時(shí)間t求全微分，得式(4)。

(4)

經(jīng)變換后得式(5)。

(5)

以Divisia數(shù)量指數(shù)為基礎(chǔ)做進(jìn)一步推導(dǎo)，見式(6)。

(6)

求關(guān)于時(shí)間[0,T]的積分，得到Divisia數(shù)量指數(shù)，見式(7)。

(7)

對(duì)等式兩邊去對(duì)數(shù)后，進(jìn)一步推導(dǎo)得到式(8)。

(8)

由于能源年產(chǎn)量和價(jià)格數(shù)據(jù)具有不連續(xù)性，我國(guó)成品油和天然氣價(jià)格受國(guó)家控制而表現(xiàn)出間斷性，所以需要考慮離散數(shù)據(jù)下的Divisia指數(shù)，即在區(qū)間[0,T]等距離插入m-1個(gè)點(diǎn)進(jìn)行離散化，同時(shí)，將能源化為熱當(dāng)量值E并用價(jià)格區(qū)分其差異，得到式(9)。

(9)

簡(jiǎn)化后，即對(duì)任意t∈[0,T]得到式(10)。

(10)

1.2.2 能源轉(zhuǎn)換系數(shù)

直接投入的能源均已物理單位表示，其轉(zhuǎn)換系數(shù)來(lái)自《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》中“能源折平均低位發(fā)熱量系數(shù)表”。但是，間接投入一般均以貨幣為單位，能源轉(zhuǎn)換系數(shù)需要表示出單位貨幣量所包含的能源量，也就是間接投入的包被能。工業(yè)能源強(qiáng)度(圖1)被認(rèn)為是能源生產(chǎn)過程中間接投入最合適的轉(zhuǎn)換系數(shù)[21]。

圖1 2000～2012年我國(guó)工業(yè)能源強(qiáng)度

2 實(shí)證分析

2.1 大慶油田簡(jiǎn)介

目前，大慶油田是我國(guó)產(chǎn)量最大的油田，為我國(guó)的石油工業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)。本文按照原油產(chǎn)量變動(dòng)趨勢(shì)將大慶油田生產(chǎn)分為四個(gè)時(shí)期：快速上升期、緩慢上升期、平穩(wěn)期、下降期(圖2)。

2.2 數(shù)據(jù)說明和計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

大慶油田年度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括兩部分：能耗指標(biāo)統(tǒng)計(jì)(包括汽油、柴油、自用油、自耗氣和電量等)和財(cái)務(wù)統(tǒng)計(jì)。根據(jù)該數(shù)據(jù)特點(diǎn)，確定產(chǎn)出邊界為生產(chǎn)階段，投入為兩個(gè)層級(jí)，第一層級(jí)為直接投入，第二層級(jí)為直接投入和間接投入的總和。另外，在對(duì)石油天然氣產(chǎn)量和直接投入量加總過程中進(jìn)行了質(zhì)量校正，其計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

圖2 1960～2012年大慶油田原油產(chǎn)量及其占全國(guó)總產(chǎn)量比重

表2 大慶油田EROI兩維計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)及其命名

層級(jí)能源投入熱當(dāng)量法質(zhì)量因子修正法層級(jí)1直接能源投入EROI1,dEROI1,Qd層級(jí)2間接能源投入EROIstndEROI1,Qstnd

表2中，Qd表示質(zhì)量校正后的直接投入，Qstnd表示質(zhì)量校正后的直接與間接投入總和。EROI1,d表示將產(chǎn)出和直接投入轉(zhuǎn)換成熱當(dāng)量后作比值；EROI1,Qd表示將產(chǎn)出和直接投入進(jìn)行質(zhì)量校正后作比值。EROIstnd和EROI1,Qstnd計(jì)算較為復(fù)雜，計(jì)算公式如式(11)、式(12)所示。

(11)

(12)

2.3 EROI值計(jì)算結(jié)果

大慶油田EROIstnd從2001年的10∶1下降到2012年的6.4∶1，四種計(jì)算結(jié)果顯示了相同的下降趨勢(shì)，但熱當(dāng)量法比質(zhì)量因子修正法計(jì)算的結(jié)果要高些(表3)。本文發(fā)現(xiàn)采用熱當(dāng)量法和質(zhì)量因子修正法計(jì)算的產(chǎn)出量差距很小，原因一是天然氣產(chǎn)量在大慶油田的總產(chǎn)量中比重很小，其中2001年僅為4.36%，2012年僅為7.13%，在石油占絕大比例的情況下，修正法對(duì)總產(chǎn)量的影響作用甚微；原因二是天然氣出廠價(jià)格由國(guó)家發(fā)改委制定，這在很大程度上扭曲并低估了天然氣真正價(jià)值，致使質(zhì)量因子修正法的使用效果減弱。

表3 大慶油田EROI值結(jié)果

本文還采用外推法對(duì)EROIstnd進(jìn)行了預(yù)測(cè)，將2001～2012年的年均增長(zhǎng)率作為未來(lái)5年產(chǎn)出量和投入量的增長(zhǎng)率，結(jié)果顯示未來(lái)5年EROI值將持續(xù)下降(圖3)。如果按照目前的遞減趨勢(shì)，EROI將在20年之內(nèi)達(dá)到1∶1。按照大慶油田計(jì)劃，未來(lái)將繼續(xù)保持4000萬(wàn)t/a的產(chǎn)量，本文也將此作為預(yù)測(cè)結(jié)果之一。盡管如此，EROIstnd依舊處于下降趨勢(shì)(圖3)。需要說明，本文在計(jì)算EROI值過程中沒有考慮環(huán)境外部性，但實(shí)際上大慶油田的采油方式經(jīng)歷了從水驅(qū)產(chǎn)油到聚驅(qū)采油的過程，聚驅(qū)物質(zhì)對(duì)環(huán)境具有不可逆轉(zhuǎn)的破壞性，若能夠統(tǒng)計(jì)出環(huán)境外部性能源支付，那么EROI值將大大降低。

圖3 大慶油田EROIstnd值歷史趨勢(shì)及其預(yù)測(cè)

2.4 敏感性及影響因素分析

能源強(qiáng)度的大小對(duì)EROI值的影響不可忽略，由此本文在目前工業(yè)能源強(qiáng)度數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提高并降低10%，對(duì)EROIstnd值進(jìn)行敏感性分析。結(jié)果顯示，當(dāng)能源強(qiáng)度提高10%時(shí)，2001～2012年EROIstnd值年平均降低5.9%，當(dāng)能源強(qiáng)度降低10%時(shí)，EROIstnd值年平均升高6.7%。此外，本文又采用正交分解法對(duì)EROI的影響因素進(jìn)行分析。首先確定影響大慶油田EROIstnd的因素有產(chǎn)量、汽油、柴油、自用油、自耗氣、電量、間接投入、工業(yè)能源強(qiáng)度。其中，間接投入單位為109元、工業(yè)能源強(qiáng)度單位為噸標(biāo)煤/萬(wàn)元，其他因素單位為1015J。再者，取2001～2012年的年平均變動(dòng)率絕對(duì)值作為水平變動(dòng)率，以2012年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)分別減增水平變動(dòng)率，取得水平1和水平2。結(jié)果顯示，EROIstnd值受各因素影響的敏感程度從大到小依次為：間接投入、工業(yè)能源強(qiáng)度、產(chǎn)量、自耗氣、柴油、自用油、汽油、電量；最優(yōu)方案下的EROIstnd值可達(dá)到7∶1，優(yōu)化途徑為增加產(chǎn)量和汽油量的同時(shí)減少其他因素的數(shù)量，電量使用量保持不變。

3 結(jié)論

過去十年中，我國(guó)勘探開發(fā)技術(shù)雖然有了大幅進(jìn)步，但并沒有阻止大慶油田生產(chǎn)能力的下降。造成這一問題的主要原因是油田的開采難度越來(lái)越大、面臨的挑戰(zhàn)越來(lái)越多，能源、資金、人力投入越來(lái)越多的同時(shí)產(chǎn)量卻不升反降。作為我國(guó)目前最大的油田，大慶油田目標(biāo)是建設(shè)“百年油田”，可是從EROI值來(lái)看，大慶油田需要重新審視戰(zhàn)略規(guī)劃。對(duì)于EROI方法來(lái)說，它的發(fā)展時(shí)間雖然較短，但目前國(guó)外學(xué)術(shù)界對(duì)該方法重視程度很高，不僅應(yīng)用到軍事領(lǐng)域，更將其與石油峰值、碳排放等重點(diǎn)問題結(jié)合，分析了整個(gè)能源和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的基本現(xiàn)狀和發(fā)展情況。尤其是我國(guó)在石油需求增速大于供給增速的背景下，石油公司、政府在進(jìn)行生產(chǎn)評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)變視角并吸收新思想和新方法，利用EROI這一工具，站在能源效益而非只有經(jīng)濟(jì)效益的角度來(lái)規(guī)劃和指導(dǎo)今后能源行業(yè)的發(fā)展。

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