北極地區石油資源開發潛力評估

許晴,胡麥秀

(上海海洋大學 上海 201306)

1 北極地區油氣資源概況

根據美國地質調查局2008年對北極地區的勘探結果,北極地區油氣資源總蘊藏量約為4 121.6億桶油當量,占世界未被發現可采油氣資源總量的20%;其中,未被發現可采石油資源總量約為899.8億桶油當量,占世界未被發現可采石油資源總量的13%[1]。北極地區未被發現可采的油氣資源主要分布于北極地區的大陸架區域和深度超過500 m 的深水區域,具體來講主要分布于25個地質省盆地,尤其集中在西西伯利亞盆地、北極阿拉斯加盆地、東巴倫支盆地、東格陵蘭裂谷盆地、葉尼塞-哈坦加盆地、美亞盆地和西格陵蘭-東加拿大盆地(表1)。

表1 北極地區未被發現可采油氣資源的主要分布Table 1 Main distribution of undiscovered recoverable gas resources in the Arctic

2 模型引入及理論基礎

國內外學術領域預測石油產量主要采用曲線擬合方法、理論模擬方法以及計量經濟模型,其中曲線擬合方法的應用比較廣泛。Hubbert是美國著名的石油地質學家,開創石油峰值理論模型研究,其于1949 年提出礦物資源的“鐘形曲線”問題,1962年利用實際資料擬合Logistic曲線的方法得到可用于預測石油累計產量和最終可采儲量的模型,該模型被命名為Hubbert模型。Hubbert模型是曲線擬合方法中比較經典的模型,考慮石油這種不可再生資源的生命體性質,對于未來作出較好的判斷,而不是簡單延伸現在的趨勢,在國外得到廣泛應用。國內外學者關于Hubbert模型的應用主要集中在石油等資源的產量峰值預測,如中國學者張映紅等[2]和黎斌林[3]選擇Hubbert模型預測石油資源的生產峰值。

2.1 模型拓展

單循環Hubbert模型存在明顯的缺陷,即忽略生產過程中對石油產量的制約因素,如油價上漲、新勘探領域和新技術、資源稀缺性加劇或政治事件。此外,Hubbert模型源于勘探和產量的自我調節,僅能反映勘探成本的內在動態而忽略價格成本關系,即忽略石油發現和生產的重要影響因素——盈利能力。因此,許多學者對Hubbert模型進行修正,認為石油的全面發現和生產可能涉及多個周期,每個周期的產量取決于相應石油資源的預期可盈利采收率[4],多循環Hubbert模型應運而生。多循環Hubbert模型的表達式為:

式中:k為生產循環數;i為生產循環時期;t為開發時間;qmax和tmax分別為石油年產量峰值和相應的時間;a為常數;e為自然對數函數的底數。

每個生產循環都有其自身的最終可采儲量(URR),最終可采儲量是對未來可采和已生產石油產量的估算,其預估值隨著知識增加、技術進步和經濟發展呈動態變化,包括累計產量、證實儲量、儲量增長量和未被發現可采量4個部分。最終可采儲量的計算公式為:

多個循環的最終總可采儲量可表示為:

那么,其邏輯方程即多個循環的石油累計產量可表示為:

未來的石油可采量可表示為:

在對多循環Hubbert模型的求解過程中,首先根據歷史石油產量確定生產循環數,而后使用非線性最小二乘回歸法計算模型參數。每個完整的生產周期都有自己的最終可采儲量,將每個生產周期的最終可采儲量相加便得到最終總可采儲量,通過使均方根最小得到參數最優值。

2.2 理論基礎

2.2.1 方法原理

Hubbert模型的理論根源在于石油的生命周期理論。生命周期理論認為石油資源屬于不可再生資源,所能利用的資源稟賦有限,最終均會走向耗竭。石油資源自開發之時必然經歷產量上升(緩慢上升、加速上升)、產量達到頂峰及產量下降(加速下降、緩慢下降)3個階段,表現為“倒U”形曲線或“鐘形曲線”。這是因為在石油生產模型中,通常假定石油生產過程的價值順序為從生產成本較低廉的石油到生產成本較高昂的石油,直至生產過程的邊際利潤耗盡。對于正在開采的油田而言,在短期內貿然提高石油采收率可能導致較高的邊際成本,這就意味著對于正在開采的油田實施產量調整缺乏靈活性,在預測未來石油供應時必須考慮時間對于石油生產的限制。基于上述假定,在短期內為提高某個地區的石油產量,必須投資開發新的油田。因此,石油的發現趨勢大致決定石油的產量趨勢,這種邏輯增長模式表現為“倒U”形曲線或“鐘形曲線”,可用Hubbert模型來描述。

綜上所述,在Hubbert模型等“鐘形曲線”模型中,石油的生產趨勢在某種程度上反映其早期的發現趨勢。有學者又對Hubbert模型補充經濟學理論基礎,認為石油發現過程受2種潛在效應控制即信息效應和耗竭效應[5],其中信息效應特指受信者根據所獲得的信息相應調整自己行為的現象。自然資源勘探過程中的信息包括地質信息和技術信息,勘探過程始于信息,信息又激勵進一步的勘探。人們會依據既有的知識水平判斷勘探成功的概率,繼而決定是否進行資源勘探活動;相對于未知區域,在有成功勘探歷史的區域找到資源的概率更高,因此人們偏好于在這些區域從事資源勘探活動。

2.2.2 使用條件

合理的Hubbert模型必然具有經濟和政治因素制約,主要包括:①石油需求呈指數增長;②在給定可獲得的石油資源規模條件下,未來一段時間的石油資源開采成本、利潤水平和技術發展趨勢可以被合理地估計;③石油市場的營商環境穩定,即政治和市場規則穩定;④在石油交易過程中,在資源擁有者可獲得客觀利潤的同時,消費者有支付石油價格的能力[6]。

根據英國石油公司(BP)數據庫的歷史石油產量數據,自1860年以來北極國家的石油產量歷經上升、穩定、下降、上升的階段,產量曲線近似“鐘形曲線”。因此,基于曲線擬合理論的Hubbert模型等峰值模型符合北極國家的石油產量趨勢(圖1)。

圖1 北極國家的石油產量趨勢Fig.1 Oil production trend of Arctic countries

隨著全球現代化進程的加快,石油作為重要的戰略資源,北極國家及全球對其的需求與日俱增。一方面,以中國為代表的新興力量的石油需求量連年攀升,刺激其石油進口量的增加,無形中擴大俄羅斯、美國作為重要石油生產國的石油出口市場;另一方面,在可以預見的未來,以美國為首的發達經濟體將擺脫金融危機及歐洲債務等困境,國內經濟將進一步復蘇,石油需求量將與其經濟同步增長。根據美國能源信息署(EIA)的分析,2030年世界石油需求量較2020年有望增長0.5%。

石油最終可采儲量包括累計產量、證實儲量、儲量增長量和未被發現可采量4個部分,其具體數值關乎石油產量預測的精確度。然而石油產量預測是浩繁的系統工程,尤其針對北極地區的石油資源,個人或單個學術組織難以完成各項數值評估。美國地質調查局(USGS)對北極地區進行地理勘探,在此基礎上發布北極地區未被發現可采石油資源量以及模型所需的其他關鍵數據。

3 北極地區石油資源開發潛力評估

3.1 樣本選取和數據來源

綜合考慮北極石油開發實際進展以及數據可獲得性,本研究選取俄羅斯、加拿大以及美國為樣本代表北極國家,主要涉及石油的未被發現可采量、儲量增長量、探明儲量和產量數據。其中,3個國家1860—1964年的石油產量數據來自《帕爾格雷夫:世界歷史統計》[7],1965—2019年的石油產量及探明儲量數據來自英國石油公司的《世界能源統計回顧》[8];美國及俄羅斯的石油未被發現可采量和儲量增長量數據來自美國地質調查局官網[9],加拿大的石油未被發現可采量和儲量增長量數據來自加拿大統計局官網。

3.2 北極地區石油資源開發的情景設計

3.2.1 設計依據

北極地區的未被發現可采石油資源代表其勘探潛力,已被發現石油資源代表其開發潛力。基于石油勘探、開發和生產的進程,北極地區的未被發現可采石油資源須歷經勘探過程從而轉化為已被發現資源,在資源商業性機會增加以及市場、技術、法規等許可的前提下,經生產過程最終轉化為實際產出。根據信息效應,人們會依據既有的知識水平判斷勘探成功的概率,繼而決定是否進行資源勘探活動。由于北極大部分地區是未知區域,人們對于北極地區未被發現可采石油資源的勘探開發意愿必然不同于非北極地區。王淑玲等[10]認為受地質油藏條件、極地自然環境和工程設施等因素的限制,北極石油資源的開發難度大,目前該地區的石油開發尚不具備經濟性。此外,相較于非北極地區,北極地區石油資源勘探的相關信息較少,未被發現可采石油資源轉化為實際產出的時間有待商榷。

與此同時,北極地區內部各地質盆地的勘探基礎也有所不同。①亞歐大陸向北延伸至北極圈內形成北極陸上區域,其中一部分歸屬俄羅斯,構成俄羅斯的北極陸上領土。俄羅斯北極石油資源開發項目數量眾多,但絕大多數分布在北極陸上區域,主要集中在亞馬爾-涅涅茨自治區和克拉斯諾亞爾克邊疆區。俄羅斯北極大陸架區域的石油開發進展緩慢,且尚未有大規模的石油資源開發活動[11]。②美國在北極地區的石油資源主要分布在阿拉斯加州,阿拉斯加自然資源廳將該地區具有潛在開采價值的地塊劃分為5塊,即波弗特海、北坡、北坡山腳、庫克灣和阿拉斯加半島。③加拿大因育空地區、西北地區以及努納武特部分地區位于北極圈內,面積占其國土總面積的40%。目前僅西北地區開展石油生產活動,且全部集中在諾曼韋爾斯附近,帝國石油資源有限公司、殼牌加拿大有限公司、康菲石油加拿大有限公司等多家公司持有該地區的油氣生產許可證,而其他地區尚未有油氣開采計劃。

3.2.2 情景設計

基于Hubbert峰值理論的信息效應,人們對有石油生產基礎地區的勘探開發意愿更加強烈,該地區未被發現可采石油資源轉化為實際產出的概率更高。結合上述依據分析可知,非北極地區與北極地區、北極地區內部各地質盆地之間的勘探基礎存在較大差異。因此,本研究比較不同情景設定下北極國家石油產量的預測結果,明晰開發北極地區未被發現可采石油資源對北極國家石油產量及其峰值的影響,進而探討北極地區石油資源的開發潛力。

根據美國地質調查局的勘探結果,俄羅斯、美國和加拿大在北極圈內共擁有18個含油氣地質盆地。梳理3個國家的北極石油資源開發情況可知,絕大多數石油開發項目位于西西伯利亞盆地、阿拉斯加北坡盆地、西北內陸盆地以及斯維德魯普盆地。因此,假定在未來一段時間內,北極國家對上述4個地質盆地(重點地區)進行石油勘探開發活動的意愿高于其他14個地質盆地(次重點地區)。此外,假定研究過程滿足Hubbert模型的必要限制因素,即穩定的政治和市場規則。

綜上所述,設定北極國家的3種石油勘探開發方案,北極國家石油資源的最終可采儲量有3種核算方法。①情景一:北極國家未被發現可采石油資源僅包含北極國家在非北極地區的未被發現可采石油資源,在此種情景下,北極國家石油資源的最終可采儲量為1 309.38億t;②情景二:北極國家未被發現可采石油資源包括北極國家在非北極地區和重點地區的未被發現可采石油資源,在此種情景下,北極國家石油資源的最終可采儲量為1 385.55億t;③情景三:北極國家未被發現可采石油資源包括北極國家在非北極地區和次重點地區的未被發現可采石油資源,在此種情景下,北極國家石油資源的最終可采儲量為1 357.13億t。

3.3 參數可靠性檢驗

使用擬合度檢驗方式來檢驗模型的預測結果,計算公式為:

式中:RRMS為均值平方根,反映石油產量預測值與實際值的離散程度;qactual和qforecast分別為實際產量與預測產量;n為預測年;DRMS為均值平方根與最大產量的相對差距。

當DRMS≤5.5%時,擬合程度較高;當5.5%18%時,擬合程度較低。經測算,擬合程度較高,表明預測結果可信(表2)。

表2 北極國家石油產量預測可靠性檢驗Table 2 Reliability test of oil production forecast in Arctic countries

3.4 情景分析

石油資源是重要的戰略物資,影響地區經濟發展。未來世界各國都將面臨出現石油產量峰值,這意味著低成本、經濟性可采石油產量增長率趨近于零,石油產量將在峰值過后逐步下滑。在3種情景下,多循環Hubbert模型對北極國家石油產量峰值的預測如表3所示。

表3 多循環Hubbert模型對北極國家石油產量峰值的預測Table 3 Prediction of peak oil production of Arctic countries by multi cycle Hubbert model

從Hubbert模型的預測結果來看,3種情景下北極國家均未達到石油產量峰值,這意味著北極國家石油開采正由資源品質好、成本低的階段向資源品質一般、成本較高的階段過渡。隨著URR 的增加,北極國家石油產量峰值時間遞延,其原因在于開發北極地區未被發現可采石油資源增加北極國家可采石油資源儲備,延緩石油產量峰值的到來。

根據預測結果,開發北極地區未被發現可采石油資源可使北極國家石油產量峰值時間遞延2～4年。值得注意的是,由于北極國家在重點地區的未被發現可采石油資源更加豐厚,開發重點地區的未被發現可采石油資源將使石油產量峰值時間遞延的效果更加明顯。近年來,以俄羅斯、美國、加拿大為代表的北極國家在世界石油市場的供給地位逐年上升,這些國家的石油產量峰值及其時間不僅關乎本國命運,還將對世界石油市場產生深刻影響。

4 結論與建議

根據研究結果,將不開發北極地區未被發現可采石油資源的情景作為參照時,由于重點地區未被發現可采石油資源更加豐厚,對其開發將使北極國家石油產量峰值時間的遞延效果更加明顯。鑒于此,北極國家未來須大力發展西西伯利亞盆地、阿拉斯加北坡盆地、西北內陸盆地和斯維爾德魯盆地等地區的石油開采項目。在當前世界石油資源愈發緊缺而石油資源需求愈發上漲的背景下,北極國家應抓住機遇、順勢而為,積極挖掘北極地區石油資源的開采潛力,在延緩本國石油產量峰值到來的同時,緩解世界石油資源供給矛盾。