中国煤层气规模化开发的政策情景仿真

吴巧生+赵天宇+周娜

摘要 中国煤层气资源具有进一步勘探开发的潜力，是未来很长一段时间内常规天然气的现实补充能源。从保障能源安全的角度来看，中国发展煤层气对于优化能源结构，缓解能源供求矛盾以及实现国民经济的可持续发展具有重大的现实意义。本文运用系统动力学理论与方法，构建了从量补贴提升情景、页岩气竞争情境和国际油价影响情景，模拟和预测了不同情景下的中国煤层气规模化开发情况，结果显示：①煤层气从量补贴额度的提升使煤层气利用量与地面抽采量以年均6%—8%的速度提升。②页岩气的商业化开发对煤层气造成了一定的减产效应，但并未对其规模化开发产生恶性影响，二者的共同开发能够有效减小中国常规天然气供需缺口。③热值转换定价下的煤层气规模化开发受国际油价与美元汇率的双重影响，极大限制煤层气规模化开发的稳定性，削弱其对国家能源安全的支持作用，不利于中国煤层气规模化开发有序健康的进行；国际油价波动影响定价下中国煤层气规模化开发进程较为平稳，但煤层气规模化开发初期井口气价较低，导致了煤层气规模化开发的速度大幅放缓。针对上述研究结论，为保证中国煤层气规模化开发进程的平稳与高效，本文给出以下建议：①提升补贴水平，建立复合补贴机制；②依法规制，合理开发利用煤层气。

关键词 煤层气；规模化开发；模拟仿真；系统动力学

中图分类号 F062.1

文献标识码 A文章编号 1002-2104（2017）12-0014-07DOI：10.12062/cpre.20170901

中国煤层气资源具有进一步勘探开发的潜力，是未来很长一段时间内常规天然气的现实补充能源。据国际能源机构（IEA）统计，中国煤层气资源量位列俄罗斯、加拿大之后，居世界第三。据新一轮全国煤层气资源评价，中国埋深2 000 m以内浅煤层气地质资源量约36.81×1012 m³，与国内陆上常规天然气资源量38×1012 m³相当。目前全球共有超过30个国家或地区进行煤层气勘探、开发和研究活动，其中美国煤层气的发展已经进入了商业化发展阶段，加拿大、澳大利亚、德国及中国紧随其后。从保障能源安全的角度来看，中国发展煤层气产业对于实现能源资源的综合开发与利用，优化能源结构，缓解能源供求矛盾，减轻大气污染，保障煤矿安全生产以及实现中国国民经济的可持续发展具有重大的现实意义。

1 文献综述

国内有关煤层气规模化开发的文献主要涉及到煤层气开发现状、面临的问题以及相关政策分析等方面。学界普遍认为中国煤层气规模化开发处于稳步上升阶段，但受限于地质条件、技术条件、资金条件等方面，未能达到预期发展速度[1-3]。同时，有学者指出中国煤层气规模化开发受限主要是因为井下开采条件复杂，气煤矿权交叉重叠，缺乏统一开采技术标准，配套设施和政策不完善，企业差异以及对外合作进展缓慢等[4-7]。从政策层面来讲，解决方案总体涉及财政补贴、税收补贴、进出口补贴以及治理气煤矿权冲突等方面[8-12]。

国外学者对于煤层气规模化开发的相关研究主要集中于以下四个方面： 一是煤层气和煤炭产权冲突问题[13-15]。二是煤层气产权在短期内不能明确界定的情况下，如何促进利益冲突的相关方合作开发煤层气问题[16-17]。三是煤层气开发利用过程中的环境污染问题[18-20]。四是美国煤层气产业发展成因分析[21]，并将美国煤层气规模化开发成功的原因归结为：丰富的煤层气资源，煤层气产业发展初始阶段政府采取税收和财政方面强有力的激励政策，发达的天然气运输管道，具有竞争力的价格，强劲的需求和先进的技术。

国内外诸多文献探讨了煤层气资源勘探和开发的技术标准、煤层气规模化开发的扶持政策等方面，但研究视角比较单一，主要从定性描述的角度，通过案例事实来说明煤层气规模化开发的资源、技术条件与政策措施等问题。本文运用系统动力学理论与方法，结合煤层气规模化开发进程中的相关问题及未来可预期的政策福利，构建符合经济社會现实的情景模型，预测不同情景下的中国煤层气规模化开发状况并进行比较，从定性与定量相结合的角度分析中国煤层气规模化开发的影响因素和政策优化途径，提出合理有效的对策及政策建议，确保中国煤层气规模化开发的顺利进行。

2 系统动力学模型的构建与验证

2.1 模型的构建与假设

构建系统动力学模型的目的在于探究影响中国煤层气规模化开发过程的各个因素，并分析其相互作用，模拟中国煤层气规模化开发的发展过程。本文将煤层气规模化开发这一复杂的整体系统进一步划分为四个子系统，即煤层气开采企业所在的勘探开采子系统，集输销售部门所在的销售运输子系统，政府部门所在的补贴子系统和煤层气消费群体所在的需求子系统。通过对勘探开采、集输销 售、政府补贴、市场需求四个子系统中构成要素及其因果关系的分析，明确中国煤层气规模化开发的具体过程，合理耦合得到中国煤层气规模化开发系统的整体因果关系图，建立中国煤层气规模化开发系统动力学模拟仿真模型（图1）（如有需要，流图中涉及的变量类型、变量含义以及模型内部方程可向作者索取）。

为保障模型的稳定运行，本文提出以下假设：

（1）模型中的系统行为是连续的，体现为模型中的变量随模型设置时间步长的变化而变化。考虑到中国煤层气开发始于2005年，上述模型的时间轴设置为2004年至2020年，步长为1年，并假设模型中的状态改变呈现连续性的趋势变化。

（2）模型中影响煤层气规模化开采的外部因素只考虑天然气供需，且该要素只被常规要素作用，不考虑不可抗力的影响。基于煤层气的非常规天然气属性和中国煤层气市场实际情况，模型只考虑了天然气市场供需关系对煤层气规模化开发的影响。影响天然气产业的工具变量，只考虑了诸如GDP、总人口、生产所需天然气、生活所需天然气等与煤层气规模化开发直接相关的变量，不考虑其他外界因素带来的干扰，如灾变、战争等不可抗力。endprint

（3）基于中国现行天然气市场机制，不考虑天然气零售价格的替代弹性。

2.2 模型的验证

中国煤层气规模化开发的重点在于煤层气抽采量及煤层气利用量的提升，因此上述模型的核心在于煤层气地面抽采量和煤层气利用量。本文将上述变量的模拟值与实际值进行对比（表1），误差率均在20%以内，可以认为上述模型具有一定可靠性，能对中国未来一段时间内煤层气规模化开发情景进行模拟预测。

模拟结果显示2016—2020年煤层气地面抽采量将实现较大幅度上升，但前提是未考虑补贴政策变化与国际油价波动以及页岩气规模化开发的影响。因此，对未来中国煤层气规模化开发的预测仍需在上述模型的基础上通过不同情景设置进行仿真模拟。

3 中国煤层气规模化开发仿真模拟

3.1 从量补贴提升情景模拟

美国、加拿大等实现煤层气规模化开发的国家均在本国煤层气开发初期实施了较高水平的财政补贴。中国政府虽在过去十年内对煤层气开发实施了一定的财政补贴（见表2），但相较于页岩气开采补贴额度而言仍属于较低水平，这在很大程度上直接降低了煤层气开采企业的投资增产意愿。2016年印发的财建[2016]31号文件将煤层气开采利用中央财政补贴标准从0.2元/m³提高到0.3元/m³，有利于煤层气规模化开发。

初始模型使用的是0.2元/m³的补贴标准。考虑从量补贴政策的实施对中国煤层气规模化开发的影响，本文将模型中煤层气直接补贴的方程重新设定为：

直接补贴=IF THEN ELSE（Time>11，煤层气利用量×0.3，煤层气利用量×0.2）。

即以时间刻度11（即2015年）为分界点，之前补贴额度為0.2元/m³，之后补贴额度为0.3元/m³（图2）。

结果显示2016年（时间刻度12）中国煤层气补贴额度由0.2元/m³调整至0.3元/m³之后，至2020年（时间刻度16）煤层气年利用量与年地面抽采量会有6%—8%的提升，其中2020年煤层气地面开采量预测值由159.9亿m³提升至184.3亿m³，利用量由201.3亿m³提升至222.5亿m³。

由于中央财政补贴标准的上涨，政府补贴额度也有一定幅度上涨（见表2）。政府补贴额度上升比例要远大于煤层气利用量与煤层气地面抽采量上升比例，这与政府采用直接的从量补贴方式有着一定关系。直接的从量补贴相较于技术研发补贴、税收补贴、用气补贴等补贴方式更加适用于当前中国煤层气发展现状，实施难度也远小于后三者，因此在当前中国煤层气规模化开发的关键性阶段，采用直接的从量补贴方式是比较合理的。

3.2 页岩气竞争情景模拟

同为常规天然气的有效替代资源，中国页岩气的规模化开发必然与煤层气的规模化开发存在着明显的竞争性关系。国家能源局发布的页岩气发展规划（2016—2020年）（以下简称《规划》）表明，在政策支持到位和市场开拓顺利情况下，2020年页岩气产量将达到300亿m³。考虑到页岩气对煤层气的竞争性，本文依据《规划》中对页岩气产量的设定，将其纳入到中国煤层气规模化开发系统动力学模型中，模拟页岩气竞争情景。已出台的煤层气补贴提升政策仍保留于模型中，即主要对比2016—2020年间，当煤层气开采补贴提升至0.3元/m³的条件下时，页岩气开发对煤层气产生的影响。

具体操作方法为将页岩气产量作为辅助变量，并将其设置为与时间相关的表函数：

页岩气产量= WITH LOOKUP

（Time，（[（0，0）-（16，400）]，（0，0），（1，0），（2，0），（3，0），（4，0），（5，0），（6，0），（7，0），（8，1.3），（9，4），（10，13），（11，30），（12，60），（13，100），（14，150），（15，220），（16，300） ）

需要说明的是，2012年以前页岩气尚未开采，故将产量均设置为0；2012年后按实际开采量以及规划产量对页岩气产量进行赋值。

通过运行纳入页岩气产量的模型，得到对比结果如图3。结果显示，页岩气的商业化开发对煤层气造成了一定的减产效应，但并未对其规模化开发产生恶性影响。原因是中国常规天然气供需缺口的持续性扩大与国家政策的平衡，如政府对页岩气的补贴在2016年后由0.4元/m³降至0.3元/m³，与煤层气补贴相一致。同时，通过二者的共同开发能够有效地减小中国常规天然气供需缺口，这对中国天然气安全有着极其重要的意义。

3.3 国际油价影响情景模拟

探索国际油价影响下，即在较高市场化条件下中国煤层气规模化开发情景。引入国际油价这一变量进入中国煤层气规模化开发系统动力学模型，首先需要对国际油价进行合理预测。通过对相关文献进行梳理与总结，本文采用GARCH模型[22]对国际油价进行合理预测，并将预测结果转化为表函数嵌入中国煤层气规模化开发系统动力学模型。考虑到国际油价对中国煤层气价格的影响可能存在因定价方式产生的差异性，本文采用热值转换定价和波动影响定价两种定价方式将国际油价这一变量代入中国煤层气规模化开发系统动力学模型。

3.3.1 热值转换定价

根据热值将国际原油价格换算为中国煤层气进口价（一桶原油热值约等于164.14 m³煤层气），同时考虑汇率因素对国际油价与中国煤层气价格转化的影响，最终确定的表函数形式如下：endprint

国际原油价格（Units： 美元/桶）= WITH LOOKUP

（Time，（[（0，0）-（16，200）]，（0，54.52），（1，54.52），（2，65.14），（3，72.39），（4，97.26），（5，61.67），（6，79.5），（7，111.3），（8，111.7），（9，108.7），（10，98.95），（11，52.39），（12，51.9883），（13，51.5936），（14，51.2027），（15，50.8155），（16，50.432） ）

汇率（Units： 元/美元）= WITH LOOKUP

（Time，（[（0，0）-（16，10）]，（0，8.277），（1，8.1013），（2，7.8087），（3，7.3872），（4，6.85），（5，6.81），（6，6.622），（7，6.661），（8，6.25），（9，6.07），（10，6.1），（11，6.37），（12，6.58），（13，6.88），（14，6.8），（15，6.9），（16，7） ）

运行模型，得到模拟结果如图4。在国际原油价格影响下，中国煤层气价格随着2009—2013年油价大涨而顺势上扬，煤层气规模化开发进入加速期；2014年由于国际油价下降，中国煤层气规模化开发出现震荡；2014年至今油价趋于稳定，但美元汇率的走强又使基于热值转换定价的煤层气价格出现上涨，加快了煤层气规模化开发。

上述模拟结果显示，热值转换定价下的煤层气规模化开发受国际油价与美元汇率的双重影响，极大限制煤层气规模化开发的稳定性，削弱其对国家能源安全的支持作用，不利于中国煤层气规模化开发有序健康的进行。

3.3.2 油价波动影响定价方式

在该种定价方式下，煤层气价格以其基期价格为本，随国际原油价格波动而波动。这一定价方式不受汇率波动影响，故只需将国际原油价格代入，并以其波动比例影响煤层气价格，得到模拟结果如图4。

在剔除汇率影响后，国际油价波动影响下中国煤层气规模化开发较为平稳，但煤层气规模化开发初期井口气价较低，导致了煤层气规模化开发的速度大幅放缓。

对比两种不同定价模式下中国煤层气规模化开发模拟结果，可以得出两点结论：

（1）煤层气规模化开发初期井口价格对煤层气规模化开发进展速度影响极大；

（2）合理的煤层气定价模式能够有效地促进中国煤层气规模化开发。

4 结论与建议

本文运用系统动力学理论与方法，结合煤层气规模化开发进程中的相关问题及可预期的政策福利，构建了从量补贴提升情景、页岩气竞争情境和国际油价影响情景，模拟和预测了不同情景下的中國煤层气规模化开发情况，结果显示：

（1）煤层气从量补贴额度的提升使煤层气利用量与地面抽采量以年均6%—8%的速度提升。中央财政补贴标准的上涨，也带动了政府补贴额度的上涨。

（2）页岩气的商业化开发对煤层气造成了一定的减产效应，但并未对其规模化开发产生恶性影响，二者的共同开发能够有效地减小中国常规天然气供需缺口。

（3）热值转换定价下的煤层气规模化开发受国际油价与美元汇率的双重影响，极大限制煤层气规模化开发的稳定性，削弱其对国家能源安全的支持作用，不利于中国煤层气规模化开发有序健康的进行；国际油价波动影响定价下中国煤层气规模化开发较为平稳，但煤层气规模化开发初期井口气价较低，导致了煤层气规模化开发的速度大幅放缓。

针对上述研究结论，为保证中国煤层气规模化开发进程的平稳与高效，本文给出以下建议：

（1）提升补贴水平，建立复合补贴机制。中国煤层气补贴水平相较于美国1980—1992年非常规天然气井每桶油当量3美元的补贴额度以及中国页岩气开发初期0.4元/m³的补贴额度处于较低的水平，而煤层气规模化开发初期的补贴额度将直接影响到煤层气开发企业扩大生产规模的意愿，因此，进一步提升中国煤层气补贴水平是十分必要的。当前中国煤层气补贴主要方式为从量补贴以及一部分的税率补贴，相较于煤层气规模化开发系统的复杂性，上述两种补贴方式仍不足以全方位的支持中国煤层气规模化开发。同时在煤层气规模化开发的发展进程中灵活适当的从价补贴能够有效地降低煤层气开采企业生产风险，有利于煤层气规模化开发的平稳进行。综上，提升补贴水平，建立复合补贴机制对中国煤层气规模化开发十分必要。

（2）依法规制，合理开发利用煤层气。煤层气开发利用具有自然垄断的行业特点，政府部门理应对其进行规制，特别是引入和运用激励性规制，适应煤层气规模化开发的市场需要。中国页岩气和煤层气开发都面临矿权重叠的问题，严重影响其规模化进程，威胁天然气供给安全。因此二者的发展需要规制“保驾护航”，以实现合理开发、有效利用，如要拟订《煤炭与煤层气矿业权重叠区块争议解决条例》，建议包括采煤权与采气权登记和开发主体不一致、设定时间不统一等问题的处理规定。另一方面是加强对煤层气开发利用的经济性规制。当前以等热值天然气价格或者以波动影响定价方式确定的煤层气销售价格对中国煤层气规模化开发均有一定程度的负面影响，一个可能的方式是通过政府对煤层气并入天然气管网实行保护性井口价格，同时对煤层气下游用户给以适当的价格补贴，调动市场的积极性，鼓励大型企业参与煤层气的勘探开发和利用。

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