Модели и методы прогнозирования освоения нефтегазовых ресурсов территорий различной изученности

В первой главе показан основной недостаток доминирующей на сегодняшний день системы геолого-экономических оценок - игнорирование неопределённости исходной информации, что на практике приводит к парадоксальным несоответствиям между приписанными территориям ресурсами УВ и возможностями их локализации. Рассматривается понятие неопределённости и её различные аспекты, проблема точности и достоверности количественных оценок ресурсов нефти и газа. Отмечается изменение места геологоразведки в недропользовании при переходе к рыночной экономике. Обращается внимание на аппарат теории нечётких множеств, который наиболее адекватен при моделировании достоверности геологической информации.

Во второй главе показана ограниченность традиционного инструмента прогнозирования - вариантного анализа. Предложено его расширение, опирающееся на возможности комбинаторно-вероятностного моделирования и современной вычислительной техники. На базе этого подхода выстроена схема прогнозирования перспектив нефтегазодобычи в регионе, в ходе которого учитываются основные факторы неопределённости, объединённые в две большие группы - экономические и геологические. Предлагаются пути решения проблем, возникающих при реализации комбинаторно-вероятностных моделей. Излагается авторская комбинаторно-вероятностная методика оценки инвестиционных проектов. Рассматриваются геолого-математические методы начальной корректировки показателей ресурсного потенциала крупных нефтегазоносных территорий.

В третьей главе изложены возможности применения общенаучного метода экспертных оценок при прогнозных исследованиях экономической целесообразности дальнейшей разведки и освоения нефтегазовых ресурсов. Они могут касаться как общих аспектов оценки нефтегазоносности территорий, так и более конкретных параметров и характеристик ожидаемых к открытию месторождений УВ. Нередко это единственный доступный способ численного представления ключевых параметров, и роль данного метода в достижении поставленной цели трудно переоценить.

В четвёртой главе определены пути использования аппарата теории нечётких множеств при решении основной задачи исследования. Для моделирования неопределённости при исследованиях геологического строения и нефтегазоносности территорий на основе концепции стоимостного эквивалента их изученности предлагается легко реализуемый метод. Показаны широкие возможности метода нечётких весов при вероятностном картировании ресурсов УВ.

В пятой главе, посвящённой вероятностному экономическому анализу, рассмотрены традиционные подходы, которые применимы для первоначальных оценок эффективности проектов освоения ресурсов УВ как в стоимостном виде, так и с использованием понятия полезности. Обосновываются авторские методы трансформации неопределённости, выраженной функцией принадлежности, в параметры вероятностного распределения, и оценки неопределённости совокупности показателей с использованием метода анализа иерархий. Предлагается метод решения проблемы стоимостной оценки затрат по доведению неопределённости до уровня, приемлемого для принятия решений инвестиционного характера в случае доисследования представляющих поисковый интерес территорий.

В шестой главе на основе разработанного модельно-методического аппарата реализована методика оценки ожидаемой эффективности неразведанных нефтегазовых ресурсов региона, по результатам расчётов по которой обосновывается целесообразность вовлечения в хозяйственный оборот неразведанных ресурсов УВ Республики Коми. Делается вывод об их экономической привлекательности даже при осторожных ценовых предположениях.

В заключении излагаются основные выводы и рекомендации по результатам выполненного диссертационного исследования.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Разработан модельно-методический аппарат, развивающий методику прогнозирования освоения нефтегазовых ресурсов при дефиците информации в ситуации слабой изученности перспективных территорий, позволяющий оптимизировать геологоразведочные работы и проводить оценку перспектив нефтегазодобычи с учётом экономических и геологических факторов риска (пп. 1.1 и 2.3 Паспорта специальности 08.00.13 ВАК РФ).

Ресурсы УВ, в отличие от запасов, - субстанция более предполагаемая, чем реальная. Их существование нуждается в подтверждении. Эта разница чётко прослеживается в зарубежных классификациях, где хорошо разведанные запасы характеризуются терминами measured, proved, менее разведанные - probable, inferred, а ресурсы описываются как possible, hypothetical, speculative. В то же время господствующая практика перенесения методик экономических оценок по критериям чистого дисконтированного дохода или родственных ему, разработанные для хорошо разведанных запасов, на прочие категории УВ игнорирует качественные отличия последних, чревата грубыми ошибками и тяжелыми финансовыми последствиями в случае принятия решений по результатам таких расчётов. Поэтому без учёта вероятностного характера ресурсов, низкой достоверности показателей невозможна адекватная оценка их экономической ценности, что предполагает существенную переработку инструментария экономических оценок.

Предлагаемый в диссертации модельно-методический аппарат формируется из моделей, методов и процедур, достаточных для проведения законченного цикла исследований перспектив развития нефтегазодобычи - от корректировки ресурсного потенциала до оценки и выбора вариантов прогнозных уровней добычи. Концептуально он базируется на вероятностной трактовке показателей ресурсов УВ и их экономических характеристик, прямой зависимости неопределённости и достоверности этих оценок от изученности территории. Место созданного аппарата в общей схеме прогноза динамики нефтегазодобычи показано на рис. 1.

Как следует из этого рисунка, помимо учёта экономической ситуации при исследовании и оценке вариантов развития нефтегазовой отрасли региона не менее важно всестороннее изучение её сырьевой базы, вероятностной трактовки её характеристик с учётом неопределённости имеющихся знаний о нефтегазоносности территории. В этой связи особый интерес представляют методы оперирования геологической и геофизической информацией, накопленной за годы обследования провинции, тем более что дальнейший прирост знаний в этой сфере сталкивается с рядом проблем. Это послужило одним из побудительных мотивов предпринятого исследования. В ходе работы стояла задача создать не только научно обоснованный, но и достаточно простой инструментарий оценки ресурсного углеводородного потенциала, который мог быть использован специалистами нефтегазодобывающих компаний и органов управления в сфере недропользования. Он должен давать возможность реализации методик решения разнообразных задач, возникающих при прогнозировании перспектив и возможностей развития нефтегазодобычи на территориях различной величины и изученности - от определения направлений геологоразведочных работ (ГРР) в общем до оценки инвестиционной привлекательности конкретных участков.

Состояние геологоразведочной отрасли сейчас многие специалисты характеризуют как кризисное. Если не будут предприняты меры, этот кризис может оставить сырьевые отрасли без ресурсной базы. Применительно к нефтегазовому сектору это означает, что потенциальные, в настоящий момент неразведанные ресурсы УВ не будут переведены в запасы, имеющие промышленное значение. Это обусловлено рядом причин, главными из которых являются:

1) потеря интереса к геологоразведке со стороны нефтедобывающих компаний, которые в 90-ые годы ХХ в. за бесценок овладели накопленной за советский период геологической и геофизической информацией, благодаря чему обеспечили свою деятельность запасами промышленных и С₂ категорий в среднем по России на период 25 лет, что вдвое превышает оптимальный уровень, которого придерживаются западные компании. Поэтому сейчас и на ближнюю перспективу они не видят смысла в существенных затратах на геологоразведку из собственных средств (по данным В.П. Орлова Орлов В.П. Сырьевая база углеводородов России на период до и после 2030 г. // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. 2009, № 4. - С. 2-6., более 80% прироста запасов нефти уже длительное время получаются на "старых" месторождениях за счёт их доразведки); проведение же работ за счёт бюджета резко сократилось;

2) сохраняющийся в геологоразведке с советских времён валовый подход к оценке проделанной работы и полученной в её результате информации, когда освоение выделенных средств имело фактический приоритет над качеством полученной информации - оценка того, насколько она добавила знаний о закономерностях распределения залежей провинции, находилась за рамками действовавшей экономической системы. Но вряд ли рыночные субъекты согласятся платить за метраж скважин и километраж профилей как таковой, им нужна более конкретная информация - например, каковы вероятность открытия залежей в том или ином районе, параметры и качественные характеристики сырья.

Поисково-разведочные работы на нефть и газ всегда были особенно масштабны и затратны, но весь риск от их проведения в условиях планово-директивной экономики государство принимало на себя. Добывающие организации вели работы по освоению и эксплуатации разведанных запасов нефти и газа, получив их от государства бесплатно. Эффективность геологоразведочных работ (ГРР) и добычи минерального сырья, которых могли разделять десятки лет, рассматривались порознь. Деятельность геологоразведочных организаций оценивалась по валовым показателям в соответствии с основополагающим принципом многократного превышения прироста запасов над добычей. Но период экстенсивного, затратного стиля работы отрасли не мог длиться долго - по объективным причинам происходило ухудшение горно-геологических и географических условий поисков. Так, ареал поисков месторождений УВ переместился в более северные районы, вплоть до арктического шельфа, и на восток страны. Экономический механизм ориентировал геологоразведку на завышение объёмов работ, стимулировал увлечение дорогостоящими видами работ при игнорировании малозатратных исследований, хотя они тоже были способны привести к приросту доказанных запасов. Экономические показатели геологоразведки при этом ухудшались.

С переходом экономики на рыночные отношения ситуация изменилась. В ходе приватизации в 1990-х гг. нефтяные компании получили в свое распоряжение промышленные запасы, разведанные ранее, и занимались их эксплуатацией, недостаточно уделяя внимание восполнению извлеченных запасов. Это время характерно для геологоразведочной отрасли резким снижением финансирования и объёмов работ. Если федеральные предприятия частично получали средства из бюджета, то организации рыночного сектора выполняли работы по договорам с добывающими или другими геологоразведочными предприятиями. «Газпром» и крупные нефтедобывающие компании имеют в своем составе геологические подразделения и решают с их помощью проблемы при получении и освоении новых перспективных участков. А средние и мелкие, по причине обеспеченности разведанными запасами и скромных финансовых возможностей, не проявляли большого интереса к требующим значительных капиталовложений геологоразведочным работам. Рынок ГРР резко сократился.

Формирующаяся в настоящее время система финансирования ГРР, в соответствии с общемировыми тенденциями, должна способствовать перераспределению риска их проведения между недропользователем и государством. Путей реализации такой системы существует несколько. Важно при этом отметить, что при общей тенденции к усилению роли государства в проведении геологических исследований бюджетные ассигнования являются в основном лишь средством стимулирования притока частных инвестиций в геологоразведочное производство. И в той или иной форме, прямо или косвенно, полностью или частично, ГРР оплачивается недропользователем.

Всё вышесказанное позволяет сделать вывод, что устанавливается прямая экономическая связь между этапами поиска и разведки, с одной стороны, и освоением и эксплуатацией месторождений полезных ископаемых, с другой. ГРР становятся полноправным элементом инвестиционных проектов по разведке, освоению и добыче полезных ископаемых, его начальным этапом. Это дает основания оценивать эффективность ГРР в рамках такого инвестиционного проекта, как правило, долгосрочного, этапы которого имеют свою специфику, разную степень неопределённости и риска. В этом случае к ГРР применимы как уже разработанные методики оценки инвестиционных проектов, так и разнообразные методы, алгоритмы и приемы, способствующие снижению неопределённости условий инвестирования, предлагаемые в диссертации применительно к ресурсам углеводородов. Поскольку существует прямая зависимость между уровнем неопределённости, доступной инвестору при принятии решения, и риском вложений в ГРР, одной из целей исследования стали выбор и разработка методов максимального использования имеющейся в распоряжении потенциального инвестора геологической информации, а также перевод геологической неопределённости в вероятностные экономические показатели эффективности освоения ресурсов УВ.

В диссертации предложены приёмы использования накопленной в процессе геологоразведочных работ информации для корректировки прогнозных ресурсов территорий различной величины (от нефтегазоносной провинции до участка), оценки локальной вероятности открытия залежей углеводородов, что позволит успешнее задействовать её для вероятностного экономического анализа в целях прогнозирования эффективности разведки и освоения углеводородного потенциала территорий. Целью работы были отбор и создание достаточно простых методов, обеспечивающих выполнение вышеперечисленных задач. Поиски шли в русле современных тенденций экономико-математической науки (т.н. "мягкой" оптимизации), для которых характерно стремление решать все более усложняющиеся задачи рыночной экономики (многие из которых носят многоэкстремальный, невыпуклый, разрывный характер) более простыми, наглядными, надёжными методами (эвристическими, имитационными, комбинаторными и т.п.). На схеме (рис. 1), где представлены основные этапы анализа и выбора рациональных эффективных вариантов динамики нефтегазодобычи, видно, что экономические параметры напрямую участвуют в процедуре оценки и отбора вариантов, а геологические должны получить предварительную количественную и вероятностную интерпретацию.

2. Проведена адаптация вероятностного картирования к специфике месторождений УВ, расширяющая возможности определения экономической целесообразности разведки нефтегазоносных территорий различной изученности с последующим освоением их ресурсов. Посредством его разнородная информация, прямо или косвенно характеризующая нефтегазоносность, агрегируется в вероятностные оценки обнаружения месторождений углеводородов на исследуемой территории, которые служат основой для получения выводов об экономической значимости ресурсов (п. 1.4 Паспорта специальности 08.00.13 ВАК РФ).

Вероятностное картирование УВ в наибольшей мере отвечает требованию учёта вероятностного характера ресурсов нефти и газа, и поэтому закономерно стало одним из основных инструментариев разработанного в диссертации модельно-методического аппарата. От вероятности легко перейти к экономической ценности ресурсов УВ, к риску инвестирования работ по их поиску и освоению для объективной оценки предпринимательских альтернатив. Известны геолого-математические разработки, дающие в итоге вероятностную картину распределения полезного ископаемого, - весовой метод Bonham-Carter G.F., Agterberg F.P., Wright D.F. Weights of evidence modeling: a new approach to mapping mineral potential // Agterberg F.P., Bonham-Carter G.F., eds. Statistical applications in the earth sciences: Geol. Survey Canada, 1989. - P.171-183. и метод нечётких весов Cheng Q., Agterberg F.P. Fuzzy weights of evidence method and its application in mineral potential mapping // Natural resources research, vol. 8, No. 1, 1999. - P. 27-35. , представляющий собой его обобщение и развитие. В основу вычислительных процедур последнего положены элементы теории нечётких (размытых) множеств, использование которых находит всё более широкое применение при решении задач в условиях неопределённости. Но изначально оба метода предназначались для составления карт распределения вероятностей обнаружения рудного полезного ископаемого, что делает проблематичным их использование для месторождений нефти и газа. Потребовалось провести модификацию метода нечётких весов к их специфике, после чего он стал пригоден для получения выводов об экономической значимости нефтегазовых ресурсов.

Метод нечётких весов - простой и эффективной способ агрегирования разнородной информации о нефтегазоносности территорий в единый показатель их перспективности - вероятность открытия новых месторождений нефти и газа, характеризуя тем самым степень приближения оценок к реальности. Он в наибольшей мере эффективен для отдельных лицензионных участков, по которым легче, чем для больших территорий, получить разнообразную информацию. Его суть состоит в использовании нечётких множеств, двоичных или троичных моделей проявления изучаемого свойства и его субъективных оценок, определение конструкции нечёткой вероятности как модели для вычисления апостериорной вероятности в каждом единичном элементе заданной площади. Метод позволяет пользоваться при определении функции принадлежности в равной степени объективной и субъективной информацией, повышая тем самым обоснованность оценок вероятности.

Использование нечётких множеств позволяет уменьшить нежелательное редуцирование информации. Нечёткая функция принадлежности может быть определена объективно, т.е. тем или иным способом вычислена, или субъективно, т.е. назначена, исходя из некоторых соображений. В конечном счете, для каждого единичного элемента исследуемой площади, включающего хотя бы одно наблюдение полезного ископаемого, можно, используя нечёткие признаки, с помощью линейной модели вычислить апостериорную вероятность при соблюдении принципа условной независимости признаков. Процедуры вычисления вероятности для больших площадей и отельных участков имеют свои особенности.

Вычислению апостериорной вероятности нефтегазоносности на заданной территории предшествуют анализ имеющихся геолого-геофизических данных, построение графика нормированной функции плотности ресурсов (рис. 2) и визуальная оценка её адекватности степени обследованности района. В зависимости от величины плотности ресурсов принимается решение о выборе модели (двоичной или троичной).

Рис. 2. Кривая нормированной плотности ресурсов.

Далее выполняются следующие операции.

1. Исходная карта территории представляется как совокупность элементарных ячеек фиксированного размера общим числом Т.

2. Подсчитывается число ячеек Д, приходящихся на месторождения.

3. Определяются априорная вероятность и априорные шансы

.

4. Определяются - суммарное число элементарных ячеек, соответствующих выявленным, подготовленным к бурению и находящимся в бурении структурам, и - суммарное количество ячеек в неперспективных и выведенных из бурения с отрицательным результатом структурах.

5. Вычисляется в элементарных ячейках площадь, занятая неразведанными и нелокализованными ресурсами:

6. Для каждой конкретной площади принимается размер условного минимального промышленного месторождения (тыс. т у.т.).

7. Принимается размер площади проекции на плоскость условного минимального промышленного месторождения К (км²).

8. Определяется площадь локализации условного минимального промышленного месторождения:

,

где q - плотность ресурсов (тыс. т.у.т./км²).

9. Определяется число зон локализации на исследуемой территории:

10. Определяется «пустой остаток» в зонах локализации в элементарных ячейках:

Q₁=(P-K)H (км²).

11. Определяется в элементарных ячейках суммарная площадь условных минимальных промышленных месторождений:

Q₂=K H (км²).

12. Определяется суммарная площадь предсказателя (км²) и предсказателя (км²).

13. Составляется матрица вероятностей по показателю Д, с одной стороны, и предсказателям A₁, A₂, A (в случае использования троичной модели) или А₁ и А₂ (при двоичной модели), с другой, с соблюдением соотношений

=6:4 и =4:6.

Соотношение = 1:1 либо любое другое в зависимости от исходных данных. При высокой плотности ресурсов рекомендуется перейти на двоичную модель.

14. С использованием матрицы вероятностей предсказателей вычисляются условные вероятности

, , , .

15. Вычисляются веса

, .

16. Вычисляются

ln O(Д|A₁)=W₀+W⁺, ln O (Д|A₂)=W₀+W^-,

где W₀=ln O_np .

17. По формуле вычисляются апостериорные вероятности P_пост(А₁), P_пост(А₂). Для нечёткой зоны P_пост(А)=P_пр(А).

18. Вычисляется средневзвешенную апостериорную вероятность

.

Иногда требуется дать точечную оценку вероятности обнаружения месторождения на исследуемой территории. В этом случае целесообразно использовать кривую нормированной плотности ресурсов (рис. 2), определив по ней значения функции принадлежности _А(х) и, тем самым, вероятности открытия в пределах нефтегазоносных области или района хотя бы одного промышленного месторождения.

Решение задачи вычисления апостериорной вероятности на локальной площади иллюстрируется на примере участка Тимано-Печорского нефтегазоносного бассейна (рис. 3), где в качестве предсказателей А₁, А₂ рассматриваются локальные аномалии поля силы тяжести, а в качестве предсказателей В₁, В₂ изменчивость вещественного состава продуктивной толщи. Для предсказателей выполнена необходимая в таких случаях процедура оценки условной независимости с помощью статистики Колмогорова-Смирнова для восьми комбинаций показателя , вычисляемых по формулам:

, … , ,

где N(…) - площадь области перекрытия предсказателей в элементарных ячейках,

условная вероятность А₁В₁ по Д и аналогично для остальных семи комбинаций,

Т - общее количество элементарных ячеек.

Это позволяет вычислить показатель условной независимости

,

распределенный как с двумя степенями свободы, где - площадь области, в которой наблюдается соответствующая комбинация А, В и Д.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Карта апостериорной вероятности для локального участка ТП НГП.

Априорная вероятность открытия месторождений одинакова по всей площади участка и равна Р=0,04. К показателю "присутствия" А₁ по условию отнесена площадь, заключенная в замкнутом контуре положительной локальной аномалии силы тяжести, в той или иной степени совпадающей с поднятием типа купол, к А₂ показателю "отсутствия", площадь в пределах замкнутого контура отрицательной аномалии, в общих чертах совпадающей с локальной впадиной. Территория, оказавшаяся за пределами зон А₁ и А₂, исходя из принятой троичной модели, по показателю функции принадлежности определена как = 0.5. Это означает, что при вычислении поправки её значение равно 0, и эта часть исходной карты коррекции не подлежит.

Карта, отражающая изменчивость вещественного состава продуктивной толщи, составлена, с одной стороны, на основе наличия корреляции между положительной остаточной аномалией магнитного поля с зоной развития песчаников, содержащих примесь ферромагнитных минералов с высокими показателями ёмкостных свойств, и, с другой, между остаточной отрицательной магнитной аномалией с зоной распространения глинистых образований (отложения с низкими ёмкостными свойствами), замещающих песчаные фации на востоке. Последняя связь рассматривается в качестве предсказателя В. Ячейкам в контуре положительной остаточной аномалии магнитного поля приписывается предсказатель В₁, а площади в контуре отрицательной аномалии - В₂. Для переходной зоны между предполагаемыми песчаниками и глинами функция принадлежности определяется как =0.5, поэтому, как и в случае с предсказателем А, поправка = 0. Поправки при построении карты апостериорной вероятности определяются по формулам

,

,

,

,

где и другие аналогичные выражения есть условные вероятности предсказателей (табл. 1).

Таблица 1

Условные вероятности состояний А₁ , А₂ ,В₁ и В₂ по отношению к Д

Шансы с учетом поправок для соответствующих зон вычисляются как

,

где , и пересчитываются в апостериорную вероятность .

На карте апостериорной вероятности (рис. 3) область (1) отвечает локальной аномалии силы тяжести, область (2) зоне предполагаемого развития песчаников продуктивной толщи, область (3) предполагаемой переходной зоне от песчаников к глинам, область (4) зоне предполагаемых глин, (5) локальной отрицательной аномалии силы тяжести. После введения поправок за счет предсказателей А и В апостериорная вероятность получила разброс от 0,005 до 0,28.

Интерпретируя карту апостериорной вероятности, отметим, что за счёт существенной дифференциации территории по вероятности открытия месторождений она указывает конкретные направления проведения разведочных работ. Поэтому при наличии такой карты три наиболее крупных месторождения из области (1) были бы открыты быстрее и с меньшими затратами. Небольшая залежь в области (5) мала и не представляет коммерческого интереса. Метод нечётких весов при решении проблемы оптимизации разведки на нефть и газ может рассматриваться как вспомогательный малозатратный способ при выборе стратегии поисковых работ, позволяющий синтезировать и численно выражать через вероятность разнородную косвенную информацию, используя в ряде случаев признаки, которым ранее не придавалась существенного значения. Вероятностный подход открывает возможность ранжирования частей исследуемой территории в соответствии с их инвестиционной привлекательности с целью минимизации коммерческого риска. Рассмотренный выше алгоритм дает оптимальный эффект в случае применения его для выбора первоочередных участков для проведения геологоразведочных работ.

3. Предложена концепция стоимостного эквивалента изученности территорий, впервые позволившая создать методы численной оценки неопределённости знаний об их нефтегазоносности в зависимости от изученности, выявления её пространственного распределения и вычисления затрат на доразведку представляющих инвестиционный интерес территорий (пп. 1.4 и 2.3 Паспорта специальности 08.00.13 ВАК РФ).

Осознают руководители и специалисты нефтегазовых компаний или нет, но все характеристики нефтегазоносности любой территории получены в условиях неопределённости. Аппарат статистического анализа, широко применяемый до сих пор, неприменим к оценкам ресурсов УВ, потому что отсутствует необходимая для его применения последовательность опытов (измерений). В действительности имеют место единичные оценки, представляющие собой компромиссное мнение специалистов по подсчётам запасов и ресурсов УВ. Поэтому для моделирования таких ситуаций адекватен математический аппарат теории нечётких множеств, позволяющий оперировать нечёткими понятиями, свойственными человеческому языку в повседневной жизни. Особенно уместен такой подход в ситуации с неразведанными ресурсами, чья доля, как правило, велика, а доверие к показателям которых часто основано не столько на исходных данных и несложных процедурах подсчёта, сколько на интуиции и даже вере.

Априори ясно, что стоимость поисково-разведочных работ на нефть и газ напрямую связана с изученностью территории - чем выше изученность, тем меньше, в общем случае, затраты хозяйствующих субъектов при достижении своих целей. Отсюда вытекает значение концепции стоимостного эквивалента изученности территории как инструмента, устанавливающего зависимость (как правило, нелинейную) между затратами в изучение строения и нефтегазоносности территории, уровнем неопределённости знаний и достоверности значений параметров, существенных для экономической значимости ресурсов УВ.