中国页岩气资源开发利用的能源安全效益评价与预测

黎江峰,吴巧生,周 娜,李思瑶

(1.北京大学 政府管理学院,北京 100871; 2.中国地质大学(武汉) 矿产资源战略与政策研究中心,湖北 武汉 430074;3.中国地质大学(武汉) 经济管理学院,湖北 武汉 430074)

一、引言

《巴黎协定》的通过奠定了世界各国广泛参与减排的基本格局,能源体系的低碳转型势在必行。[1]当前能源转型的核心是降低传统化石能源在能源消费中的比重,提高零碳或低碳能源的利用程度。[2]在能源转型的过渡阶段,需要清洁和现实可得的资源来保证转型过程的平稳。天然气作为相对清洁的能源品种已被学术界认为是最佳的桥梁性能源。[3]

中国自2007年开始成为天然气净进口国[4],天然气对外依存度逐年提高[5],国际能源署预计到2040年中国天然气进口量将达到2 800亿立方米,进口依存度增至50%[6]。美国页岩气资源的规模开发,给中国提供了一条开发利用页岩气等非常规天然气资源,来降低天然气资源对外依存度、提高能源安全水平、实现低碳发展目标的现实路径。[7]然而受限于成藏条件、技术水平与产业结构等,当前中国页岩气资源的开发程度远低于国家预期目标。[8]定量评价与预测页岩气等非常规天然气资源开发利用产生的能源安全效益,对我们理解页岩气等非传统能源在替代传统能源进程中的作用、缓解中国天然气资源对外依存度较高的被动局面,具有重要意义。

页岩气资源开发利用是当前学术界研究的热点话题,现有研究成果集中在页岩气开发的影响因素总结[9-11]、页岩气开发战略探讨[12-14]、政策评价与选择[8,15-16]、页岩气开发的经济效益评价[17-22]、环境效益评价[23-27]等方面。如Ma等[9]使用了结构方程模型将中国页岩气开发的影响因素分解为资源储量、环境影响、市场和技术因素。Ren等[13]分析了中国页岩气可持续发展的障碍，并提出了一系列可以克服这些障碍的战略措施。对标美国页岩气开发的经验，周娜等[8]、李世祥等[15]和彭民等[16]分别从财税政策和环境政策等方面给出了中国页岩气开发的政策方案。Hefley等[19]和Hardy等[20]关注美国马塞卢斯页岩气开发给当地带来的直接经济效益。国外学者[24-27]已经测算了美国典型页岩气产区页岩气开发全生命周期的水资源消耗和温室气体排放情况，国内则有董普等[23]关注中国页岩气开发的环境影响。

目前学者们对页岩气开发的能源安全效益关注较少,主要集中在美国页岩气革命产生的能源安全效益评估,也有借鉴美国经验评估本国页岩气开发的研究。如,美国能源部(EOA)在全美范围内开展了非常规天然气对美国能源安全保障能力评价。Victor等[28]采用Shannone Wiener多样性指数测算了不同页岩气发展情景下美国能源安全水平,结果显示页岩气的开发提高了美国能源供给的多样性。沈和[29]和Bilgili等[30]进一步指出页岩气革命不仅降低了美国的能源对外依存度,实现了美国的能源独立,而且提高了美国工业部门的就业和竞争力,同时也改变了全球天然气市场格局。在此基础上,Geng等[31]和黄卓等[32]量化分析了页岩气革命对全球和区域天然气市场的影响。Geng等[31]运用马尔科夫转换模型研究了页岩气革命前后北美和欧洲天然气市场的价格变动模式。该模型通过衡量1998—2015年的燃气价格差来确定页岩气革命对地区气价的影响。研究结果显示页岩气革命后,美国国内天然气价格变动模式从“略微上行”变为“大幅下降”,且价格的季节性变动不明显,而英国天然气价格变动模式从“大幅上行”趋于依靠石油价格“大幅下降”和“略微上升”,该结果表明页岩气革命使北美天然气价格实现了与区域石油价格的脱钩。黄卓等[32]的研究显示,2006年美国国内原油价格与天然气价格实现了脱钩。Acquah-Andoh等[33]研究了页岩气等非常规天然气投资在英国脱欧后对英国能源安全的影响。Adamus等[34]采用层次分析法对影响波兰能源安全的因素进行评价，发现开发页岩气对波兰的能源安全改善作用最大。国内学者主要从美国页岩气革命带来的能源对外依存度的下降来简单刻画页岩气的能源安全效益,以此总结出对我国能源安全的启示[35]。

综合现有研究,已有文献中对于页岩气资源开发利用的能源安全效益研究大多是选取对外依存度指标或价格脱钩水平等某一单独指标,或者从定性层面来进行分析,缺乏对页岩气等非常规天然气能源安全效益多层面的定量分析。本文尝试从资源禀赋、供给、需求、价格、市场和环境等多维度构建基于非常规天然气开发利用的天然气安全评价指标体系,分析非常规天然气开发利用产生的综合能源安全效益;在此基础上设定页岩气开发利用的学习效率情景,采用粒子群算法-极限学习机(PSO-ELM)模型对不同情景下的页岩气安全效益进行预测,探究不同学习曲线水平下的天然气安全水平变动情况。

二、研究方法

本文借鉴吕军等[36]和王树斌等[37]的研究,构建非常规天然气开发利用下的天然气安全评价指标集,利用熵值法(EM)计算天然气安全指数;在此基础上,构建PSO-ELM模型模拟不同学习情景下页岩气开发状态,以预测未来中国天然气安全态势。

(一)构建中国天然气安全评价指标体系

结合现有天然气安全影响因素的相关研究,考虑到新时代绿色发展的客观需求,本文从资源禀赋、供给、需求、价格波动、市场脆弱性和环境影响6个维度出发,共选取17个指标,构建了基于非常规天然气开发利用的天然气安全评价初始指标集(见表1)。该指标集由三个层级和三个要素构成。第一层为目标层,即中国天然气安全;第二层为准则层,包含了评价中国天然气安全的6个维度;第三层为指标层,是准则层的具体量化。本文分别选取常规天然气储产比、页岩气储产比和煤层气储产比以及常规天然气占世界储量水平4个指标反映天然气资源禀赋;供给状况则通过常规天然气、页岩气和煤层气的产量水平分别衡量;天然气消费占比、消耗强度和人均天然气消费量则用于反映天然气需求状况;天然气价格波动则是通过国际天然气历史价格及其波动系数两个指标衡量;天然气进口依存度、对外依存度、全球供应集中度和产需缺口4个变量用来刻画市场脆弱性;环境维度则通过天然气碳排放强度衡量。三个要素分别为指标含义、作用方向及编号。指标含义对各个指标的意义及计算方式进行了简要介绍,作用方向标明了指标的正负性,“+”代表正向指标,“-”表示负向指标。为简化后文分析,所有指标分别以x1～x17统一编号。为消除指标共线性的影响,论文采用K均值聚类对初始指标进行筛选。

表1 天然气安全评价初始指标集

(二)测算中国天然气安全指数

利用已经构建的评价指标体系,采用EM方法测算非常规天然气开发影响下的中国天然气安全状况,计算步骤如下:

(1)判断指标作用方向,并对指标进行标准化处理。

(2)分别计算指标i历年的比重pit,其中xit为指标标准化后的值。

(1)

(3)计算指标i的信息熵ei。

(2)

(4)确定指标权重wi。

(3)

(5)计算历年天然气安全指数Ci。

(4)

指标的原始数据来源于中国政府披露的国内非常规天然气储量与产量数据、《中国统计年鉴》《中国能源统计年鉴》《中国能源发展报告》《BP世界能源统计年鉴》、国际能源署(IEA)和美国能源署(EIA)网站的公开资料。GDP以1995年为基期价格进行计算。综合考虑各项指标数据的可得性,本文将研究期设为1996—2016年。

(三)中国页岩气开发的学习情境设定

根据《页岩气发展规划(2016—2020)》、相关行业报告以及国际权威机构对中国页岩气产量的判断,借鉴王树斌等[37]基于学习曲线理论设定的非常规油气开发技术学习率,本文考虑了中国页岩气开发的单位初始成本和实现规模化开发时的单位成本的学习效率差异。对标美国页岩气开发平均成本(0.67元/立方米),已有研究显示,在不存在中央直接补贴和地方财政补贴的情况下,中国页岩气平均成本为1.24～2.68元/立方米。目前,中国页岩气开发处于以国家级示范区为“点”的开发阶段,还没有实现由“点”的突破到全国层“面”上的大规模开发。根据中国现有页岩气开发技术特点,本文假设了两种目标情景对应的单位初始成本分别为2.5元/立方米和2.0元/立方米。美国优质页岩气产区的单井成本仅为1.5元/立方米。与美国页岩气开发的单井成本相比,中国页岩气单井的生产成本高于美国,但随着勘探开发的规模逐步扩大,假设未来中国页岩气开发的单位成本将会逐渐降至1.44元/立方米的水平。由此分析中国页岩气开发的两种不同目标情景。

情景Ⅰ:页岩气开发的初始成本为2.5元/立方米,实现了2020年300×108立方米的产量规划目标,但远低于2030年达到800×108～1 000×108立方米的产量目标。在学习过程中,到2030年单位页岩气产量的生产成本将会下降1元左右,降至1.44元/立方米,页岩气产量年均增速保持在5.1%。

情景Ⅱ:页岩气开发的初始成本为2.0元/立方米,实现了2020年300×108立方米及2030年800×108立方米的产量目标;2020—2035年页岩气产量保持年均5.1%的增长率;到2030年中国页岩气单位成本降至1.44元/立方米。

根据学习曲线理论,结合2种目标情景数据估算不同情景下技术学习率参数。不同情景下页岩气开发成本与累计产量关系如图1所示。

图1 两种目标情景下页岩气累计产量与单位成本变动

(四)中国页岩气资源开发利用的能源安全效益预测

本文构建PSO-ELM嵌套模型来评估及预测中国非常规天然气开发利用的能源安全效益,实施步骤如下:

(1)初始化PSO算法参数,包括种群规模n、粒子最大速度vmax、最大迭代次数t、惯性权重ω、加速因子c1和c2、随机数r1和r2以及ELM网络初始输入权值和隐层阈值。

(2)确定适应度函数,并计算每个粒子的适应度值。将适应度函数定义如下:

(5)

(3)找出具有最大适应度值的粒子所对应的个体位置,并将其作为初始种群最优位置gbest。

(4)更新粒子的速度、位置和适应度值。

(5)计算每个粒子在更新后的位置上的适应度值,并将其与pbest和gbest进行比较,如果优于pbest和gbest对应的适应度值,则用该粒子位置替代pbest和gbest。

(6)判断是否满足终止条件。若满足,则寻优结束,输出PSO算法的最优粒子,即ELM模型的网络权值和阈值;否则转至步骤(4)。

模型的预测精度通过最大绝对预测误差(Maximal Absolute Prediction Error, MAPE)指标来衡量。MAPE的定义如下:

(6)

三、研究结果与讨论

(一)指标体系构建

初始指标集聚类结果见表2。上述17个指标被分为7类,其中指标x2、x3、x6、x11和x12各自为一类,指标x1、x10、x15为一类,其他指标为一类。现对后两类指标集进行灰色关联分析,从中筛选出最重要的一个指标以反映一类指标的信息。

表2 聚类结果

对每一类指标,在进行灰色关联分析时,依次选定每一类的各个指标为参考序列,其他指标为比较序列,计算各指标间的灰色关联度,得到的灰色关联度判断矩阵分别为式(7)和式(8)。分别计算两式中每一行的均值,并按降序排列,以最大行均值对应的指标作为此类中重要的指标,即x15和x7。

(7)

(8)

由此,本文构建了涵盖资源禀赋、供给状况、价格波动、市场脆弱性4个维度,共7个评价指标的天然气安全评价指标体系,并给各指标重新编号(见表3)。从提炼出的指标体系可以看出,拥有丰富的非常规天然气资源禀赋,并通过技术突破实现非常规天然气资源的规模化开发利用对保障中国天然气安全具有重要意义。同时,受全球一体化进程与国际地缘政治影响,国际能源市场的变动直接影响中国天然气安全状况。

表3 天然气安全评价指标体系

(二)安全指数测算及讨论

利用已经构建的评价指标体系,根据式(1)～(4)计算出指标权重(见表4)。

表4 指标权重

在此基础上计算出的中国天然气安全指数如图2所示。1996年以来,中国天然气安全指数总体呈现波动上升趋势。2007年以前,中国天然气安全指数波动较大,受资源、供给和市场的影响大,天然气市场表现出较高的脆弱性。在此阶段,中国页岩气尚未开展全国性的资源潜力调查评估工作;煤层气自2005年实现地面抽采,但直到2007年煤层气地面抽采量增长并不显著。因此1996—2007年中国天然气安全指数的低位波动可以解释为未实现非常规天然气开发利用情况下的中国天然气安全状态。2008—2013年间,中国煤层气已经实现了规模化开发,2014年煤层气产量达到了36.9亿立方米;2012年中国开始产出页岩气,但到2013年底页岩气产量增幅并不明显。在国际油价大幅波动影响下,中国天然气安全指数的波动上升,体现了页岩气和煤层气的开发对市场风险的抑制作用。2014年以来,中国页岩气和煤层气探明储量和产量均实现了稳定增长,天然气安全指数逐年上升,这表明非常规天然气的开发利用对中国天然气安全具有积极作用。

图2 中国天然气安全指数(1996—2016)

(三)情景预测结果与讨论

本文以1996—2013年中国非常规天然气产量数据作为训练样本,以2014—2016年非常规天然气产量数据作为测试样本,选取上述7个指标作为PSO-ELM模型的输入,将天然气安全指数作为模型的输出,对模型进行训练和测试。

其中,PSO-ELM模型的参数设置如下:种群数量为20;局部搜索能力为1.5,全局搜索能力为1.7;最大进化数量为200,并基于上述参数使用PSO算法对ELM的初始权重和网络阈值进行寻优。PSO-ELM模型的训练和测试结果如图3所示。

图3 模型运行结果

其中,PSO-ELM模型在训练阶段和测试阶段的平均绝对百分比误差(MAPE)分别为0.835%和0.724%,且单个年份最大误差为2.37%,说明PSO-ELM模型具有较高的预测精度。

运用PSO-ELM模型,根据前文已经设定的页岩气产量增长情景,本文预测了到2035年中国天然气安全态势。根据IEA、BP等公开报告数据,对2030年和2035年全球天然气产量进行了设定,即到2030年,全球天然气产量为4.7×1012立方米,2035年为4.9×1012立方米。其他指标数据按照近5年的平均增速设置。模型预测结果如表5所示。

表5 不同情景下天然气安全指数

表5显示,不同情景下中国天然气安全变化趋势有差别。

情景Ⅰ中天然气安全指数维持在0.65左右,与2016年天然气安全状态差别不大,这表明在没有实现技术突破的情况下,即使页岩气产量实现了2020年的预期值,但由于技术能力系数不高,页岩气产量增速较缓,也不能形成良好的产业发展趋势。伴随着天然气需求的不断增长,此情景下非常规天然气不能满足总需求的增长,到2035年安全指数略有下降。

情景Ⅱ中,页岩气产量实现了2020年和2035年的预期,安全指数在2030年和2035年均为0.660,较2016年上升。结果显示,达到页岩气“十三五”规划设定的情景目标,实现中国非常规天然气开发利用,将给天然气安全带来明显的能源安全效益,但2035年安全指数并没有增加,可能与页岩气等非常规天然气的开发利用力度有关。

四、结论

本文通过构建天然气安全评价指标体系,以中国天然气安全状态为目标,考察了中国非常规天然气开发利用的能源安全效益。在此基础上,结合学习曲线理论,依据中国页岩气开发成本与美国页岩气开发经验,设定了两种学习率情景下页岩气产量增长情景,并运用PSO-ELM模型预测了未来中国非常规天然气开发利用对天然气安全的影响,结果显示:

(1)非常规天然气的开发利用对中国天然气安全具有正向效益。中国天然气安全在2008年和2014年出现了明显的拐点,分别对应着煤层气和页岩气资源规模化开发的时间点,这表明非常规天然气的开发利用对于抑制市场价格波动、降低供给脆弱性具有重要作用,能有效提高中国天然气安全状态。

(2)学习效率的差异影响中国页岩气开发进程,进而影响未来中国天然气安全状态。中国页岩气等非常规油气开发技术实践具有学习潜力和巨大的成本降低空间。在页岩气实现技术突破前提下,页岩气开发利用水平将得到显著提升,有助于提高中国天然气安全水平。