海洋石油开发的系统动力学模型

海洋石油开发的系统动力学模型

1海洋资源的可持续开发利用研究海洋经济是支持社会经济发展的物质基础。从制度上看，可持续发展海洋资源或资源系统是实现社会经济可持续发展的先决条件。国内外科学家对海洋资源的可持续发展进行了大量的研究。作为研究和处理各种复杂系统问题的有效工具，系统动态机制的方法越来越受到重视。国外科学家使用系统动力学分析经济系统和人口系统，国内科学家建立了系统动力学模型，分析了自然资源和社会经济可持续发展的问题。1.1海洋资源开发利用的研究海洋可持续发展包括三层含义,即海洋经济的持续性、海洋生态的持续性和社会的持续性,海洋的可持续发展以保证海洋经济发展和资源永续利用为目的,实现海洋经济发展与经济环境相协调,经济、社会、生态效益相统一(张德贤,2000;王诗成,2007;蒋铁民,2008)。运用海洋可持续发展理论和海域承载力理论研究海洋资源开发的可持续性(狄乾斌,2008),从我国的海洋产业入手,分析我国海洋资源开发利用的状况,从海洋产业结构和产业布局、海洋管理和海洋开发技术等方面总结我国海洋开发的问题,并针对这些问题,提出切实可行的实现海洋可持续发展的途径和措施(李桂香,1998;王诗成,2001;于保华、胥宁,2003;王殿昌,2008;)。国外学者对海洋资源的发展和研究进行研究,建立相应的模型,认为技术在海洋资源发展过程中起到极其重要的作用(ReadPaul、Fernandes、Teresa,2003;SideJonathan、JowittPaul,2002)。国内学者则以具体省份为例研究海洋资源可持续发展,对辽宁省所拥有的海洋资源进行概述后,分析了辽宁海洋资源开发与海洋生态环境保护之间的关系,提出开展海域资源价值折损评估,采用政策调控和市场机制保护海洋生态环境(梁喜新,1993;汤天滋、王文翰,2002)。利用我国重要海洋产业数据,分析我国海洋资源开发利用的状况,并从海洋产业结构和布局及管理等角度总结海洋资源开发存在的问题,提出实现海洋资源可持续发展的途径(于保华、胥宁,2003;张耀光、关伟,2002)。学者从海洋资源与环境保护角度分析,研究开发海洋的过程中,存在着海洋环境污染、海洋渔业资源衰退等问题(王喜玲,1999;孙吉亭,2000;寇丽丽、孙向红,2002)。1.2建立与可持续发展的系统动力学模型到20世纪70年代初系统动力学被用来解决很多领域的问题,成为比较成熟的学科,系统动力学到20世纪70年代初所取得的成就使人们相信它是研究和处理诸如人口、自然资源、生态环境、经济和社会等相互连带的复杂系统问题的有效工具。基于市场均衡论和信用风险理论,完善运用于分析代际消费计划的系统动力学机制模型,并提出可替换选择(BillHarris,2000)。国内学者将系统动力学运用于研究资源与社会经济的可持续发展,结合“长白山生态环境保护与可持续发展系统动力学模型”建立的实际经验,对怎样用系统动力学研究可持续发展问题进行了概略的阐述,概述了系统动力学所具有的普遍特征和一些独特的认识论和方法论特征(肖广岭,1997)。建立我国水资源以及航运可持续发展的系统动力学模型,前者引入水资源可持续发展因子,将水资源与社会、经济、人口、环境放在一个大系统中,研究满足我国未来用水需求,保证水资源可持续发展的策略;后者描述航运可持续发展的因果逻辑关系,在确定以航运供给量、航运短缺量和资源环境承载力为决策作用点的基础上,构造航运可持续发展动力学模型,并给出模型中相关系数的确定方法(陈成鲜,2000;真虹,2001)。运用系统动力学原理,建立石化工业可持续发展的系统动力学模型,对模型中的反馈环的结构、功能做具体分析,从而揭示石化工业可持续发展影响因素的交互作用机理(朱强,2003)。国内外学者运用系统动力学研究海洋可持续发展很少,从系统动力学的角度研究了我国海洋可持续发展所面临的问题,在分析海洋可持续发展系统特征的基础上,建立了海洋可持续发展的系统动力学仿真模型(刘波,2003)。2可再生生物资源可持续发展的系统动力学机制模型2.1基于可持续发展的经济和社会经济子系统因果关系图用于分析海洋不可再生资源可持续开发系统内各因素的相互影响关系(见图1)。由于整个系统包含的因素较多,为了便于分析,可以将海洋可持续开发系统划分为海洋不可再生资源和环境子系统、社会经济子系统,每个子系统都有自己的结构特点和独特的功能,其中一个子系统的输出是其他子系统的输入,子系统之间彼此联系。社会经济子系统提供海洋不可再生资源开发所需要的勘探和开发投资,提供经济生产技术水平支持,以及各种宏观的经济因素,它包括市场价格、利润、技术水平等方面。其中技术进步在整个系统中处于支配地位,通过影响和支配生产来决定系统中各要素的地位、作用和相互关系。而勘探直接投资和开发直接投资的变化可以作为海洋可持续发展的衡量指标。海洋不可再生资源可持续开发是以海洋资源和环境为物质基础。海洋资源和环境的状况不仅影响系统的整体功能和运行,而且对系统的发展方向和过程也起到重要的作用。社会经济子系统考虑利润、投资以及生产能力等因素,主要的因果反馈回路是:正反馈(见图2)。海洋不可再生资源和环境子系统主要考虑资源储量、采出量、资源承载能力和污染物排放等因素,主要的因果反馈回路是:正反馈(见图3)。根据现有资源的实际利用情况,资源和环境子系统主要研究海洋石油资源的开发和利用。因果反馈关系图用于帮助分析系统内各因素的相互影响关系,在此只考虑系统内主要因素的影响,略去了次要因素的影响。由于正反馈联系使系统内各因素的变化加强和放大,既是系统不稳定的原因,也是系统得以发展和进化的动力。从对各子系统的主要因果关系分析中可以看出,正反馈回路是各子系统的主要反馈回路,说明在不考虑子系统间的相互影响时,各子系统的发展都偏向于不稳定,敏感于子系统的初始变化。2.2基于开发的石油勘探系统动力学建模思路因果与相互关系图只能描述反馈结构的基本方面,不能表示不同性质的变量的区别,这是它的弱点。为了清晰地描述影响反馈系统的动态性能的积累效应,采用系统动力学流图来描述系统的动态反馈机制。根据系统动力学原理,首先对石油开发总体结构和反馈机制进行研究,根据实际情况划分系统的子块;然后根据系统中变量的因果关系确定变量的种类;第三,确定系统中各反馈回路之间的耦合关系,并将各子块耦合为一个复杂系统;最后就是建立系统中各变量的系统动力学方程,初步估计有关参数,利用Vensim软件构件计算机仿真模型的流图。参照以上思路,将海洋石油勘探开发可持续发展系统动力学模型流图组建如图4所示。方程式的建立是海洋石油开发可持续发展系统动力学模型最重要的一环,下面给出模型中关键的状态方程、速率方程和辅助方程(以下用到的单位调整值均为避免单位不统一而设置,作用仅为调整单位,数值为1)(见表1)。3通过分析可持续发展海洋石油资源的动态机制，澄清3.1变量实证分析海洋石油资源开发可持续发展的动力学机制模型建立后,选取适合的数据变量进行实证分析,其中主要包括的数据有勘探直接投资(ec)、新增净探明石油可采储量(po)、石油价格(p)、储量替代率(rr)、收入(tr)、储采平衡率(b)和新增采出量(op)等(见表2)。3.2模拟结果与实际结果对比分析构建的模型能否有效反映现实状况,直接决定了模型仿真和政策分析质量的高低。因此,在进行仿真试验前,必须对模型进行有效性验证。其方法有理论检验和历史仿真检验两种,前者主要研究模型边界是否合理,模型变量之间的关系是否有现实意义,参数取值是否有实际意义以及方程量纲是否一致;后者则选定过去某一时刻,将仿真得到的结果与实际结果相比照,考察这两者是否吻合,以验证模型是否能有效代表实际系统。对于本文构建的海洋不可再生资源可持续开发的系统动力学模型,可以按照上述方法逐步验证。理论检验较为简单,在此略过不述。在通过理论检验之后,即可进行历史仿真检验。选取的三个指标即新增净探明石油可采储量、销售收入和储采平衡率在模型中的地位重要而且处于整个回路的开始、中间和结尾,因此具有很强的代表意义。将1995—2008年中海油公司开采海洋石油资源的数据输入模型,可以得到一组模拟数据,将模拟数据与实际数据进行比较,分析两者之间的相对误差(见表3)。现实的环境系统十分复杂,模型只是现实系统的抽象和近似。构建的模型能否有效代表现实系统,直接决定了模型仿真和政策分析质量的高低,因此必须对模型进行有效性验证。选择储采平衡率和销售收入两个变量进行误差分析,可由图5和图6看出其相应仿真得到的结果与实际结果的对比图。图5中b代表储采平衡率,op代表新增采出量,po代表新增净探明石油可采储量。由设定的速率方程可以得出,新增采出量和新增净探明石油可采储量决定储采平衡率,当新增采出量和新增净探明石油可采储量的模拟数量曲线与实际数量曲线完全重合时,得到b1曲线即储采平衡率的模拟数量曲线和b2曲线即储采平衡率的实际数量曲线。经过历史仿真检验,储采平衡率模拟结果与历史数据较好吻合,变化趋势一致。图6中tr代表销售收入,op代表新增采出量,p代表石油价格。由设定的速率方程可以得出,新增采出量和石油价格决定销售收入,当新增采出量和石油价格的模拟数量曲线与实际数量曲线完全重合时,得到tr1曲线即销售收入的模拟数量曲线,和tr2曲线即销售收入的实际数量曲线。经过历史仿真检验,销售收入模拟结果与历史数据较好吻合,变化趋势一致。4可持续发展理论海洋可持续发展策略分析基于海洋可持续发展的系统动力学仿真模型进行,海洋不可再生资源的可持续利用就是对资源的协调利用、高效利用、环保利用。4.1海洋不可再生资源与资源的关系对海洋不可再生资源的协调开发利用首先包括人与海洋间的协调,即海洋不可再生资源对区域社会经济发展和人类生存、发展和享乐等方面的需求程度的满足,与人类海洋开发活动对海洋自然进化引导间的协调,由图2可以看出,社会经济子系统提供海洋不可再生资源开发所需要的勘探和开发投资,提供经济生产技术水平支持,以及各种宏观的经济因素,它包括市场价格、利润、技术水平等方面。其次是资源与资源及资源与生态环境间的协调,海洋不可再生资源可持续开发是以海洋资源和环境为物质基础,每种资源都不是孤立存在的,而是存在于复杂的生态系统之中。图3显示海洋不可再生资源和环境子系统中的资源储量、采出量、资源承载能力和污染物排放之间的相互影响关系,海洋资源和环境的状况不仅影响系统的整体功能和运行,而且对系统的发展方向和过程也起到重要的作用。如果社会经济系统在开发海洋不可再生资源过程中遵循生态规律,则使生态系统中各个环节良性互动。如果违背了海洋生态规律,不合理的开发和利用不可再生资源,就会使海洋资源难以存在、形成和积累,那么这种对海洋不可再生资源和环境子系统的影响将会通过它所在的生态系统网络形式辐射开,从而构成对其他海洋资源存在的影响。4.2海洋石油资源利用率分析对海洋不可再生资源的高效开发利用包括两方面,一是提高开发效率,即以尽可能低的海洋资源消耗产出尽可能高的经济效益;二是提高海洋资源利用率,即在生态系统的整体性允许情况下,达到在时空上对资源的最大利用率。本文以海洋石油资源为例进行分析,考虑到我国海洋石油资源开发的实际情况,得出投资是影响新增净探明石油可采储量、储采平衡率和销售收入这三个指标可持续发展的主要因素的结论。增加总投资,意味着勘探投资和开发投资都增加,因此加快油气资源勘探力度,增加探明地质储量,保持适当的勘探开发投资比例对于油田增储稳产可以起到重要的作用。4.3海洋石油资源污染的危害环保利用就是要将环境保护战略持续应用于海洋不可再生资源的整体开发过程中,增加生态效率,减少环境风险,避免社会经济子系统的经济活动对海洋不可再生资源环境子系统产生不可恢复的破坏。本文以海洋石油资源为例,海洋石油资源开发过程中,特别要注意保护工作,因为石油进入海水后,对生物资源的危害是相当严重的,石油进入海洋使海水中大量的溶解氧被石油吸收掉,油膜覆盖水面,造成海水缺氧,使海洋生物死亡。海水被油污染的长期危害使鱼、贝类积累某些致癌物质,通过食物链到达人类这一级,从而危害人类健康。资源开发过程中污染系数的减少需要技术发展的支持和国家宏观政策、管理体质的完善,通过加强污染治理,减少海洋污染,逐步改善海洋环境,为海洋经济发展创造更好的环境。5对策和建议5.1海洋油气资源投资的成本投资是影响资源开发可持续发展的主要因素,目前海洋油气开发具有资金密集、高风险和高回报等特点,陆上油气资源开发所需投资一般不超过300万美元,但是海洋油气资源开发的投资一般是陆上勘探的3-5倍。在海洋浅水区投资一口钻井的成本在500万美元以上,在深海区投资钻井则需要800万至1亿美元,一个深海平台的投资成本超过10亿美元。增加总投资,意味着勘探投资和开发投资都增加,因此可以同时增加新增探明石油储量和当年采油量,对于油田增储稳产可以起到重要的作用。5.2平台建设、提升对深水勘探开发效率的影响分析近几年,石油公司不断加强深水油气资源勘探开发力度。据Douglas-Westwood发布的数据,2004—2008年全球海上勘探开发投资额稳步上升,2013年海上勘探开发投资额将徘徊在3600亿美元左右,与2008年相比增加38%左右。对于同一油区而言,在勘探初期以明确重点勘探阵地、获得规模储量为发展目标,勘探投资比例必然占据主导地位。之后,开始进入新建产能阶段,开发投资比例逐渐上升。当油区进入发展中期,这一阶段是油田投资回收的高峰期,开发逐步超越勘探而成为投资主体。在油田的发展中后期,产量进入快速递减阶段,稳定产量依赖于新油区的勘探开发,这一阶段勘探难度逐步增大,单位新增储量的获得越来越依赖于更高的勘探技术。因此不同的发展时期,勘探、开发投资的有效配置,将会获得最佳的综合经济效益。对于不同深度区域,在保持浅水区的勘探开发投资的情况下,增强对深水勘探开发的力度。据Douglas-Westwood研究表明,2007年浅水和深水钻井支出总共约717亿美元,预计到2013年增加到893亿美元,其中深水部分增加57%。2009年由于金融危机海上油气资源的