油气开发多目标二层规划投资决策模型研究及应用

陈普信

［摘 要］近年来，国内各大石油公司认真贯彻落实国家战略，保障能源安全。在油气田高质量发展的新形势下，油田开发投资决策如何落实发展目标、优化投资结构、提升投资价值、确保发展规划目标的实现已成为亟待解决的头等要务。文章以X油田为例，采用单变量因素分析法、蒙特卡洛分析法等，建立一套多目标二层规划投资决策模型，以期指导未来的投资规划，为实现发展目标奠定基础。

［关键词］多目标二层规划；投资决策；产量目标；盈亏平衡油价

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2023.12.051

［中图分类号］F832.48［文献标识码］A［文章编号］1673-0194（2023）12-0157-04

0     引 言

油田开发过程中，随着资源量不断的开采、利用，资源量逐渐减少，原油生产能力也在日益降低。为了保证油田的长期稳产与可持续发展，必须寻求新的资源接替区域，不断地部署新井位、找资源，加大資金的投入力度，因此投资是具有连续性的。大部分油田随着开发的深入，含水逐年上升，产量逐年下降；同时，随着近几年国外主要石油产区的动荡，导致油价剧烈波动，需要将开发策略从原来的完成产量任务转变为如何获得较好的经济效益。投资连续不断地增加，除了会增加新井产量，还会造成折旧折耗成本的增加，导致油田生产成本的增加。如何优化好投资，协调好投资与产量之间的关系，既要完成产量任务，又要保证获得较好的经济效益成为投资决策者关心的主要

问题［1］。

以往基于产能项目投资及工作量的优化研究，未给出盈利目标，不能够全面支撑新形势下油田综合投资决策。本文以X油田为例，在已有的二层规划模型基础上，以产量目标、盈亏平衡油价目标为基础，采用单变量因素分析法、蒙特卡洛分析等，对项目影响因子进行定量分析，总结经验公式，建立一套能够反映开发规律、成本控制、效益敏感性分析的综合投资决策模型，以此实现项目全生命周期的开发、投资、成本、效益评价的目标，为下一步产能建设项目的投资决策提供参考依据。

1     多目标二层规划投资决策模型建立

二层规划是为了解决分层系统中决策对象的分散决策问题而发展出来的一门学科［2］。对于油田开发投资决策而言，石油公司及整体指标（产量目标、盈亏平衡目标、储采比目标等）构成了上层决策体系，即领导体系；而开发单位及项目层面指标（财务内含报酬率、百万吨开发工程投资、建产能力等）构成了下层配合体系，即追随体系。石油公司层面要实现既定的产量目标、盈利目标需要不断地进行投资、成本投入，通过新建产能弥补老井产量的递减，从而保持一定规模的产量，必然要求产建项目层面不仅要实现产能目标，也要优化好投资，以美国证券交易委员会（United States Securities and Exchange Commission，SEC）储量

为核心，通过一体化优化，控制折旧折耗等成本上涨，确保石油公司层面盈利目标的实现，这个交互迭代过程可以表述为

MinF=F（x，v）（1）

式（1）中，MinF为上层规划目标，其决策向量为x，其目标为最小化函数F（x，v）。

s.t.G（x）≤0（2）

式（2）中，G（x）为上层约束函数。

Minv=f（x，y）（3）

式（3）中，Minv为下层规划目标，其决策向量为y，其目标为最小化目标函数为f（x，y）。

s.t.g（x，y）≤0（4）

式（4）中，g（x，y）为下层约束函数。

上层决策作用于下层目标和下层约束，且下层以最优值反映到上层，实现上下层的相互作用。通过纵向的迭代循环，多轮次、多层次的优化，更为全面地描述两级决策体系之间的交互过程。

多目标二层规划决策模型框架中，其上层模型针对石油公司层面，上层模型目标是在完成产量任务下，保持一定的盈利能力，并且具有可持续发展潜力。下层模型针对增量新井产能建设项目，目标为产能规模及投资收益要求，投资收益要求包含两个指标：一是投资项目财务内部收益率要满足基准收益率要求［3］；二是百万吨产能开发工程投资的投资规模要合理。

1.1   上层模型建立

多目标二层规划决策模型的上层模型以“盈亏平衡油价”为中心建立，满足产量目标需求等约束条件，上层规划模型中涉及盈亏平衡油价计算模型、产量模型、成本模型、税费参数，其中盈亏平衡油价模型是根据本量利经济模型公式推导得出［4］。

1.2   下层模型建立

下层模型对象为增量新井产能建设项目投资规模预测，有两个约束条件：一是新建（增）产能规模；二是产能项目投资决策财务可行性要求，即财务内部收益率要满足基准收益率要求［5］。

本研究应用百万吨产能开发工程投资进行开发工程投资规模预测，首先基于“现金流法”研究推导建立了百万吨产能开发工程投资与财务内部收益率关系数学模型。油田产能建设项目现金流入主要为原油销售收入，取决于原油价格与产量，评价期内各年产量可以用初产、递减率来表示，因此决定现金流入的主要为初产、递减率、原油价格；油田产能建设项目现金流出主要为建设投资、经营成本、税金及附加等。

1.3   整体模型求解算法

二层规划模型的上层是一个非线性规划问题，其决策变量是实值。下层模型是确定开发工程投资规模，已确定的开发工程投资规模影响上层模型中的成本，为了解决模型求解问题，根据油田决策指标的特点，改进了差分进化算法（Differential Evolution，DE），解决了二层规划上层决策体系的问题。采用隐式枚举方法来解决下层决策体系的问题，提高从下层到上层响应的准确性［6-7］。

2     模型应用

X油田自2000年正式勘探开发以来，先后经历了3个阶段，一是区带探索寻求突破阶段，开展技术集中攻关；二是快速发展阶段，开发全面展开，实现迅速生产；三是持续增储稳产阶段，原油产量持续稳增。

X油田经历了20多年的持续勘探开发，取得了较大的成果，目前年生产原油120万吨。近年来，X油田积极响应国家加大勘探开发力度的要求，规划未来5年（2023—2027年）内年产量达到240万吨，原油价格45美元/桶实现盈亏平衡。针对X油田，应用多目标二层规划决策模型进行投资优化，实现上述目标主要方案如下。

2.1   产量及产能预测

规划未来5年年度产量从120万吨上升至240万吨。根据存量老井产量及递减率预测未来存量产量，结合年度产量目标，倒减出增量新井产量，按照产能系数考虑新井递减，采用叠加计算方法，预测出未来5年需新建产能207万吨。

2.2   SEC储量预测

SEC储量采用“现金流法”预测，分为存量老井及增量新井。目前，油田存量老井产量持续上升，按照新老井构成采用简化的“分年叠加”进行预测；增量新井按照评价口径下的单井SEC储量及新井工作量进行预测。

首先，预测指基准日后的产量指标，然后建立油气价格、投资、操作成本和相关税费的数学逻辑关系，估算净现金流，根据SEC储量判定标准，确定剩余SEC储量。经济极限产量是操作收入与操作支出相平衡的产量。

（1）存量老井SEC储量。存量老井SEC储量预测按照“老井+新井”构成的方法进行预测，分年预测叠加计算，预测结果如表1所示。

（2）增量新井SEC储量。采用“现金流法”按照评价口径成本取值进行预测，预测结果如表2所示。

（3）SEC储量预测。结合本油田sec储量预测软件预计到第5年末45美元/桶下SEC储量达到

1 862万吨，储采比达到7.7，预测结果如表3所示。

2.3   开发投资预测

从模型预测结果可以看出，初期产量、递减率、原油价格、税金及附加、经营成本是决定百万吨产能开发工程投资与收益率关系的主要因素。在影响因素分析基础上，笔者以近10年油田投产新井为研究对象，运用大数据分析不同油藏类型新井初期产量及递减规律，提炼出产量模型，建立百万产能开发工程投资与财务内部收益率关系图，得出财务内部收益率满足基准收益率时的单井初期日产油量与百万产能开发工程投资关系曲线，即为一定初产条件下的百万吨产能开发工程投资控制界限。

2023—2027年未来5年，各年初产的确定参考历史初产水平及下降趋势，按照初产与百万吨产能开发工程投资关系，预测未来5年开发工程投资为20.7亿元。

2.4   成本预测模型

油气开发过程中涉及多种成本要素，根据成本要素与油气产出量的敏感性，油气田生产成本通常可分为固定成本和变动成本。固定成本是指发生额与当年产量没有直接关系的费用支出，包括地面固定资产折旧、地下油气资产折耗、人工成本等。变动成本是指费用与开井数、产量高低有关，主要包括与开井数有关的作业费、措施费等；与产液量有关的，如动力费、油气处理费、污水处理费等；与驱油物注入有关的费用，如注水费、注蒸汽费、注聚合物费等；与产油量有关的费用，如燃料费、运输费等。

固定成本中人工成本根据总额控制，考虑上涨，上涨率按照近年来消费者物价指数（Consumer Price Index，CPI）进行预测。折旧折耗中油气资产按照月度折耗率计提，固定资产按照年限法计提，其中，油气资产折耗率=当期产量/上期末SEC已开发储量×100%；油气资产折额=（上年期末油气资产净值+当年新增油气资产）×油气资产折耗率；固定资产折旧=固定资产原值×折旧率；变动操作成本采用单位成本控制，参考近年平均水平进行目标优化

预测。

期间费用中管理费用根据总额控制，考虑上涨，上涨率按照近年来CPI指数进行预测；销售费用按照销售收入的0.5%计取；勘探费用按照当年新增勘探费用计取，包含物化探、二三维、不成功探井。

2.5   税费预测模型

销售税金及附加主要城市维护建设税、教育费附加及地方教育附加、资源税、特别收益金等。其中，①原油增值税按详细估算方法计算，销项税按13%的税率计算，进项税根据不同的成本项按不同的比例抵扣，增值税仅作为计算城市维护建设税和教育费附加的依据，不作为项目的现金流出；②城市维护建设税按增值税额的7%计征；③教育费附加及地方教育附加按增值税额的5%计征；④资源税，根据财政部、国家税务总局《关于调整原油、天然气资源税有关政策的通知》（财税〔2014〕73号）规定，自2014年12月1日起，减征后胜利油田分公司原油资源税实际征收率按销售额4.56%计取；⑤特别收益金，根据财政部2014年12月下发的《关于提高石油特别收益金起征点的通知》（财税〔2014〕115号），从2015年1月1日起，将石油特别收益金起征点提高至65美元/桶，仍实行5级超额累进从价定率计征。

2.6   盈亏平衡油价预测及目标优化

在上述条件下，未来5年内盈亏平衡油价从53.1美元/桶降至46.7美元/桶，较45美元/桶的目标相差1.7美元/桶。要对盈亏平衡目标优化分析，主要包括单因素优化和双因素优化。第一，单因素优化。仅考虑一个因素的变动，假设其他因素保持不变，计算每个因素对盈亏平衡油价的影响程度，确定每个因素敏感程度。第二，双因素优化。单因素优化分析确定敏感性较大的因素，计算两个因素同时变化时对盈亏平衡油价的影响。

首先，在二层规划决策模型基础上，采用试算法，计算其中某个因素的变化；其次，在二层规划决策模型基础上，采用试算法，计算其中两个因素的变化，对盈亏平衡油价的影响。例如，操作成本降低7%及百万吨产能开发工程投资降低10%可以实现5年末45美元/桶盈亏平衡；新增SEC储量增加12%及百万吨产能开发工程投资降低9%可以实现5年末45美元/桶盈亏平衡。

3     结束语

为有效提升油气田开发水平，本文建立了一套多目標二层规划投资决策模型，该模型能够实现既定产量目标、盈亏平衡油价目标下的勘探开发工程投资优化，解决了石油公司层面、产能建设项目层面决策对象的分散决策问题，为实现投资的高质量发展奠定了基础。

主要参考文献

［1］王临飞.油田老区改造投资项目经济效益评价方法［J］.化学工程与装备，2021（8）：182-183.

［2］胡长英.双层规划理论及其在管理中的应用［M］.北京：知识产权出版社，2016：159-161．

［3］张付兴.SEC储量评估参数取值方法及应用［J］.科技信息，2013（3）：78-79.

［4］侯春华.基于差分进化算法的油田开发二层规划模型求解及应用［J］.四川师范大学学报（自然科学版），2019（2）：

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［5］任宝生，刘志斌，赵明，等.油田开发二层多目标措施结构优化模型及算法［J］.断块油气田，2008（2）：49-51.

［6］王羽，王连敏，梁伯勋.油田开发二层规划方法研究［J］.天然气地球科学，2010（4）：657-659.

［7］邓勇，杜志敏，陆燕妮.油田开发二层规划优化模型研究

［J］.大庆石油地质与开发，2008（1）：67-70.