中国煤层气产业发展影响因素分析
2015-11-03张传平彭玉洁赵摇谦吴建光李忠诚
张传平+彭玉洁+赵摇谦+吴建光+李忠诚+熊德华+张摇平
[摘 要] 煤层气开发利用“十二五”规划提出：到2015年，煤层气产量达到300×108m3。根据2014年的实际产量，《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》对煤层气产业发展目标进行了修订：到2020年，煤层气产量力争超过300×108m3。基于中国煤层气产业发展现状，在德尔菲法收集影响煤层气产业发展指标的基础上，经主成分分析与因子分析确认，人力资本、企业实力、行业环境、“互联网+”基础是目前制约中国煤层气产业发展的4个因子。中国应加快培养煤层气专业人才，尽快形成煤层气解吸—扩散—渗流—产出过程每个环节的动力学过程以及全过程系统动力学过程理论体系，形成基于煤层气基岩性质的压裂排采机理，奠定煤层气勘探开发技术体系及后续开发工艺标准体系的理论基础。
[关键词] 煤层气;影响因素;德尔菲法;主成分分析;因子分析
[中图分类号]F407.2; X382
[文献标识码]A
[文章编号] 1673-5595（2015）05-0006-08
一、引言
煤层气，又称煤层甲烷，赋存于煤层及其围岩中，是与煤炭共伴生的天然气体，是非常规能源，也是清洁能源。中国的煤层气储量丰富，埋深2000 m以浅煤层气地质资源量约36.81×1012m3，居世界第三位[1]，具有巨大的开发潜力。煤层气开发，对于贯彻落实“节约、清洁、安全”的战略方针，加快构建“清洁、高效、安全、可持续的现代能源体系”具有极大的现实意义。中国能源工业“十二五”规划强调，要根据资源前景和发展基础，重点加大煤层气勘探开发力度。[2]煤层气开发利用 “十二五”规划提出：2015年，煤层气（煤矿瓦斯）产量达到300×108m3，其中地面开发160×108m3，基本全部利用，煤矿瓦斯抽采140×108m3，利用率60%以上。[1]然而，2014年，全国地面煤层气产量（4季度为预测数据）仅36×108m3，根据中国煤层气的实际产量情况，国务院办公厅印发的《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》将煤层气产业发展目标调整为：到2020年，煤层气产量力争超过300×108m3。
二、相关研究简述
煤层气产业发展历史远短于石油与天然气产业。20世纪70年代的石油危机引发了美国对煤层气的开发。如今美国、澳大利亚、中国和印度都在积极生产和销售煤层气。美国拥有目前全球最大的煤层气产量[3]，2009年销售量超过了538×108m3。在煤层气发展中，许多学者进行过分析研究。王生维、秦勇等分析了煤层气成藏的地质条件及其基本原理，揭示了煤层气藏的成藏机制及煤层气藏的内部细节特征。[45]李五忠
、贺天才、要惠芳等从煤层气开发技术角度研究了中国煤层气地质特征、主要勘探技术、地面开发技术、矿井煤层气抽采技术、煤层气加工与利用技术等。[68]李五忠、王文亮等对煤层气的开发前景和经济效益进行了评价。[6]，[9]张胜有、牛彤等对煤层气开发现状进行了梳理，从地区差异、企业差异、矿权管理等方面分析了其中存在的问题，并在此基础上从国家层面、企业对外合作等角度提出了相关对策与建议。[1011]殷勤财、王毅刚等从工业用途和生活用途等方面研究了煤层气的综合利用，就其中存在的主要问题进行了分析，并提出相关建议。[1213]
梳理以上文献不难发现，已有研究多基于微观技术研究，宏观的产业与相关研究还较少，对于中国煤层气产业发展而言，还需微观与宏观结合进行分析。本文基于中国煤层气产业发展的历程，基于德尔菲法以及主成分分析、因素分析技术，对煤层气产业发展的影响因素进行分析，以期对中国煤层气产业的发展具有推动作用。
三、中国煤层气发展现状
中国煤层气资源总量为3681×1012m3，高、中、低煤阶煤层气资源量分别为78×1012m3、14.3×1012m3、14.7×1012m3，可采资源总量为10.87×1012m3。鄂尔多斯、沁水、吐哈、准噶尔、伊犁盆地、豫西-两淮、六盘水、川南-黔北8个含煤区的资源量达到2634×1012m3，占全国的72%，这8个含煤区无疑构成了中国煤层气产业化的资源基础。
中国政府高度重视煤层气产业的发展，山西沁水盆地南部煤层气直井开发示范工程目标为建成35×1010m3/a的煤层气示范基地，目前已钻井600口，压裂600口井，排采491口井，井场491口井;新铺设491口井采气管线535km，集气管线1423km;已建阀组38个，建成集气站1座、在建2座。改善基质条件的新技术研究、试验在示范区初步显现成果。
尽管示范区取得了一系列成果，但整个煤层气产业的发展却仍差强人意。2012年，中国已钻煤层气生产井平均单井产量仅1090～1700 m3/d，全国煤层气地面年产量仅266×108m3（2013年为30×108m3，2014年36×108m3）。表1为2012年中国煤层气生产统计。截至2014年6月30日，沁水盆地南部煤层气直井日产气量500m3以下生产井占6786%;1000m3以下的占9066%;日产气量大于1000m3的只有34口井，仅占934%。①
四、美国煤层气开发简介
美国多数煤层气产量来自其三大盆地：黑勇士（阿拉巴马州）、圣胡安（新墨西哥州、犹他州、科罗拉多州）和粉河盆地（主要是怀俄明州）。第四大盆地是拉顿，也生产煤层气，但相比其他盆地产气量较小，且受更多因素的限制。20世纪80年代早期，美国的煤层气商业生产始于黑勇士盆地，但到1989年，圣胡安盆地成为其主要煤层气生产地区。自20世纪90年代中期，黑勇士盆地每年的产量稳定在32.3×108m3。圣胡安盆地的煤层气产量1997年达到顶峰，年产量为168×108m3，但此后有所下降，2009年产量约121×108m3。粉河盆地煤层气生产开始于1984年，2001年总井数达到3655口。该盆地1984—2010年，累计生产1200×108m3煤层气。[3]由于价格原因，近几年美国煤层气总产量出现下降，见表2。
美国煤层气赋存条件并不优越，如阿巴拉契亚盆地的煤层气通常分布在多个薄煤层，完全间隔一般很大（61～305m），相对较浅（152～762 m）。阿巴拉契亚盆地直井采气区，具有经济开采价值的煤质为高挥发分到低挥发分的沥青质煤。典型的阿巴拉契亚直井项目，产层厚度3～376m，由多达15个单独的煤层组成。
由于阿巴拉契亚直井采气通常是分布在多个间隔内的薄煤层，故而为了实施多级处理（压裂），其煤层气井通常采用低密度水泥套管完井。
阿巴拉契亚直井开采需进行水力压裂，通常使用低容量的分级压裂。如宾夕法尼亚州的百通和布雷克的Blacklick Creek项目的直井，增产措施就是通过4.8m3/min的速率，泵入151m3的水和11340kg支撑剂的3～4次压裂（4～64m），进入6～8个煤层。
阿巴拉契亚盆地煤层含水，必须从煤层抽水，泵被放置在最低完整煤间隔以下。为了最大限度地提高气体的解吸，抽水控制在最小可能井底流动压力下进行，任何一个地区或者特定井的井底压力通常要降至69×103～138×103Pa。由于在阿巴拉契亚盆地一般不允许进行地面水处理，因此水是被水处理井处理的。相比于黑勇士盆地和圣胡安盆地的煤层气井，中央阿巴拉契亚盆地的许多直井产水量相对较低。初始生产阶段，产水量为16～48 m3/d，6个月之后下降到02～03 m3/d。属于阿巴拉契亚盆地的弗吉尼亚州西南部的诺拉煤田，钻了250多口井，井间距24公顷（60英亩），贯穿7～10个煤层。平均产水量大约有03～05 m3/d，呈缓慢下降的趋势。产气量短期产量明显增加，然后保持相对平稳或略有下降。6～18个月后产量达到高峰。诺拉煤田气井有30年的寿命期，平均单井日产量约2350m3/d，总体采收率为30%～60%。[14]）
五、中国煤层气产业发展影响因素分析
（一）影响因素确定
中国煤层气产业发展目前面临的窘境受多方面因素影响，主要有煤层气藏基础理论、煤层气藏开发技术、煤层气专业设备研发与制造、人才队伍、经验以及产业政策与营商环境等因素。笔者在对国内各因素进行分析、参考国外煤层气产业发展以及查阅文献的基础上，总结出了影响煤层气产业发展的29个因素，见表2。
（二）影响因素分析研究
1.数据来源
本文数据来源于中石油煤层气公司、中联煤层气公司。采用德尔菲法，由多名专家匿名量度表3中各影响因素的权重，在经多轮意见收集和反馈后（直至各位专家不再改变意见时），最终得到各评价因素权重。对问卷获取专家关于各影响因素的权重本文进行以下处理。
2.主成分分析
主成分分析法（Principal Component Analysis）是利用数理统计方法，找出系统中的主要因素和各因素间的相互关系[15]，在系统诊断、系统评价和发展对策等方面都有重大作用。主成分分析法可把系统中的多个变量转化为较少的几个综合指标，从而将多变量的高维空间化简成低维综合指标，荷载系统信息量最大的综合指标为第一主成分，以此类推。
（1）原始数据的规格化处理
对待分析的n个样本，将样本中的每个观测值依据同类观测值的均值和方差进行处理：
xi，k=x0i，k-iσi， i=1，2，…，p;k=1，2，…，n （1）
其中：
i=1n∑nk=1x0i，k;
σ2i=1n-1∑nk=1（x0i，k-i）2 i=1，2，…，p （2）
规格化后的参数有关系：
∑nk=1xi，k=0;
∑nk=1x2i，k/（n-1）=1， i=1，2，…，p （3）
规格化后的样本矩阵为：
x=x1，1x1，2…x1，n
x2，1x2，2…x2，n
xp，1xp，2…xp，n （4）
（2）求取样本矩阵的相关矩阵
样本的相关矩阵记为R，且
R=1n-1xx′=r1，1r1，2…r1，p
r2，1r2，2…r2，p
rp，1rp，2…rp，p （5）
由R阵的计算可知，其与经规格化后样本的协方差及相关系数的关系为：
cov（xi，xj）=∑nk=1（x0ik-i）（x0jk-j）/（n-1）=rij，
i=1，2，…，p; j=1，2，…，p
ρ（xixj）=cov（xi，xj）σ2i σ2j =cov（xi，xj），
i=1，2，…，p; j=1，2，…，p （6）
因此R也是规格化后的样本矩阵各变元间的协方差/相关系数阵（对称）;对角元为方差/自相关系数均为1，且各对角元之和等于P。如此矩阵的特征值有
λ1>λ2>…λp≥0;
λ1+λ2+…+λp=p （7）
（3）正交变换与相关矩阵的特征值、特征向量
当用正交基L对规格化后样本做旋转变换时：
y1=l11x1+l12x2+…+l1pxp
y2=l21x1+l22x2+…+l2pxp
yp=lp1x1+lp2x2+…+lppxp（8）
矩阵形式为：y=Lx
在新坐标系下，样本点对不同的yi、yj轴的协方差为零。如L是正交基，且L的行、列向量满足：
∑ps=1lisljs=1， i=j，i=1，2，…，p
0， i≠j
∑ps=1lsilsj=1， i=j，i=1，2，…，p
0， i≠j （9）
即L是由正交的行向量及列向量构成时，基于式（8），对规格化后样本而言，经坐标变换得到的y间的协方差为：yy′=（Lx）（Lx）′;由于样本点对不同的yi、yj轴的协方差为零，故而有：
yy′=（Lx）（Lx）′=L（xx′）L′=LRL′=Λ=
λ10…0
0λ2…0
00…λp （10）
因为：
LRL′=Λ
RL′=L′Λ （11）
由此可见，L′可是R阵的特征向量（阵）;λj（λj=1，2，…，p）与j（j=1，2，…，p）是相关矩阵的特征值，且λj还表示旋转变换后第j个成分轴方向的方差。
（4）方差贡献率与主成分
承上分析，主成分分析法通常按照特征值（方差）大于1且方差累积贡献率（λ1+λ2+…+λm）p=06～ 08的原则选取前m个主成分。
F1=l11x1+l12x2+…+l1pxp;
F2=l21x1+l22x2+…+l2pxp;
Fm=lm1x1+lm2x2+…+lmpxp （12）
虽说主成分分析法用研究系统的表征变量的线性组合构成了主成分，主成分对系统的表征变量进行了综合，但主成分只有“言简”，缺乏“意赅”，其“亮点”在于隐含揭示了系统由几个主要“因子”所确定。[16]
3.因子分析
因子分析法目前在心理学、社会学、经济学等学科中，都有成功的应用。它从一组具有相关关系的变量出发，用几个潜在的、无法观测的随机变量（因子） 来解释原始变量的相互关系。[16]
主成分分析中，当：（λ1+λ2+…+λm）∑pi=1λi=（λ1+λ2+…+λm）p≥085确定主成分个数（m
x1=a11f1+a12f2+…+a1mfm+e1
x2=a21f1+a22f2+…+a2mfm+e2
xp=ap1f1+ap2f2+…+apmfm+ep（13）
矩阵形式为：x=Af+e
式（13）中：f为观察变量的公共因子（主要因子），e为x的特殊因子，公共因子和特殊因子是相互独立的变量;还有：
E（x）=0 var（x）=E
E（f）=0 var（f）=Im
E（e）=0 var（e）=有限 （14）
当（13）式中x的列向量相互正交时，式（13）称为正交因子模型，正交因子模型的协方差结构为：
var（x）=var（Af+e）=
A2var（f）+var（e）
cov（x，f）=E{[x-E（x）][f-E（f）]}=A （15）
故而式（13）中A=（aij）p×m，为因子载荷矩阵。
式（10）与式（11）中，当R阵的特征向量构成正交阵时，为方便记为U。p维的特征向量矩阵U可分解为：
U=[U1 U2 … Um Um+1 …Up]=
U（1）p×mU（2）p×（p-m） （16）
将（16）代入式（13）得：
xp×n=Up×p
fp×n=U（1）p×mU（2）p×（p-m）f（1）m×n
f（2）（p-m）×n=
U（1）f（1）+U（2）f（2）=U（1）f（1）+e （17）
式中，f（1）为主要因子，f（2）为特殊因子，e为残余。当选定主要因子个数并略去特殊因子与残余后，因子模型的分析表达式为：
x1=u11f1+u12f2+…+u1mfm
x2=u21f1+u22f2+…+u2mfm
xp=up1f1+up2f2+…+upmfm（18）
x=uf
在式（18）基础上，为使每个方程中m个因子系数的平方和尽量接近于1（参见式14），有学者提出了调整因子载荷矩阵的方法[16]：
aij=uijλj i=1，2，…，p j=1，2，…，m （19）
董逢谷等则提出了因子的正交旋转：若f是正交因子模型的公因子向量，对任意正交阵O，z=O·f也是公因子向量，相应的u·O 还是公因子z的因子载荷矩阵。[16]在因子分析的实际计算中，求得初始因子载荷阵u以后，就反复右乘正交阵O，使u·O具有明显的实际意义，这种变换载荷矩阵的方法称为因子的正交旋转。经过旋转后，公因子对xi的贡献并不改变，但公因子本身可能有较大变化。
该模型中，因子载荷aij是xi与fj的协方差cov（xi，fj），如果变量xi是标准变量，aij也是xi与fj的相关系数ρij，可将aij看作第i变量在第j公共因子上的权，它反映第i变量在第j公共因子上的相对重要性。因子载荷矩阵A中第i行元素的平方和称为变量xi的共同度，它反映全部公共因子对变量xi的影响，是全部公共因子对xi的方差所做出的贡献。共同度越大表明xi对于f的每一分量的共同依赖程度越大。因子载荷矩阵A的第j列的各元素的平方和称为公共因子fj对于x的方差贡献，表示第j公共因子fj对所有分量x1，x2，…，xp所提供方差的总和， 它是衡量公共因子相对重要性的指标。
4.中国煤层气产业发展影响因素分析
表3的调研样本经数字化处理后，以特征值表现的各成分轴方向的方差计算结果如表4所示。
由表4可以看出，4个主成分反映了全部指标信息。也就是说，影响中国煤层气产业发展的变量虽为29个，但主成分分析表明，影响中国煤层气产业发展可以归结为4个因子。
借助SPASS软件的Kaiser最大方差法旋转后的因子模型如表5、6所示。
1）因子辨识
表6中，如前分析，因子载荷aij是xi与fj的协方差cov（xi，fj），如果变量xi是标准变量，aij是xi与fj的（正、负）相关系数ρij，可将aij看作第i变量在第j公共因子上的权，因此，各变量可按其在各因子上的权排序。由排序结果知，对第一个因子f1而言，相对重要的因素是专家级人才、业界人员知识背景及专业技术人才等，故第一个因子f1可综合为“人力资本”;同理，第二个因子f2可综合为“企业实力”;第三个因子f3可综合为“行业环境”;第四个因子f4可综合为煤层气产业发展的“互联网+”基础。
（2）影响煤层气产业发展的因子分析
人力资本因子。
影响煤层气发展的因素中，与人力资本因子高度正相关者众多，人力资本
能促进行业发展、壮大，发展壮大的行业又能近一步吸引人才、培养造就人才，两者相互促动。人力资本非人力资源，是能为企业创造价值（非为实现价值）的载体，是当今大众创业、万众创新的主体。中国煤层气产业业界人员多为非专业人士。他们大多是来自煤炭行业、石油与天然气行业的创业者，他们曾在各自以前的行业有过突出贡献，但是面对煤层气，可以说他们是“新兵”。煤层气开发涉及的煤层气解吸—扩散—渗流—产出过程，其每个环节的动力学过程以及全过程的系统动力学过程、煤层气基岩性质以及相应压裂排采机理，中国尚未形成完整的理论体系、勘探开发的技术体系及后续的开发工艺标准体系。可以说，中国的煤层气开发还处在“摸着石头过河”的阶段，尽快形成中国煤层气“完整的理论体系”及后续相关体系，关键在于发挥人力资本的作用。
企业实力因子。
煤层气开发市场主体的资本实力、融资能力，煤层气开发企业盈利能力、示范基地数据挖掘，煤层气替代品产业发展的影响，煤层气开发产学研一体化程度是企业实力的直接体现。由于国内煤层气开发人力资本缺乏，国内煤层气产业起步较晚、发展缓慢，因此国内煤层气产业是弱势一族。弱势的煤层气企业缺乏经济社会影响，没有形成有效的行业组织与市场结构，没有引起政府与社会关注，所以政府的专项R&D经费较少、煤层气开发技术专利较少、企业R&D经费不足，没有形成与相关替代产品行业的有力竞争地位，在初级能源众行业中濒临边缘化境地。
行业环境因子。中国的煤层气开发利用在政府财税政策、产业政策与营商环境、行业组织与市场结构、煤层气替代品产业发展、煤层气销售价格、煤层气装备研发与制造、外部技术引入机制等方面还不尽如人意。目前中国企业开发利用煤层气，中央财政补贴02元/m3，地方财政配套补贴01元/m3;在税收方面，《财政部、国家税务总局关于加快煤层气抽采有关税收政策问题的通知》（财税〔2007〕16号）规定，自2007年1月1日起，对地面抽采煤层气暂不征收资源税。相对于开采技术复杂、开发投入大、时间跨度长、单井产量低的煤层气开采企业来说，这些都无法弥补煤层气开采的亏损。对与煤层气共生共存的煤炭产业，煤炭勘查许可证和采矿许可证是按照勘查区块面积和井田储量规模分别由国土资源部和省级国土资源管理部门发放，煤层气企业则实行国土资源部一级管理，而煤层气矿权与煤炭矿业权又存在重叠，这就造成不同矿业权人的利益难以协调问题，不利于调动企业参与煤层气开发利用的积极性，从而影响煤矿产业的发展。
“互联网+”因子。
煤层气勘探开发技术体系、煤层气开发工艺标准体系、煤层气产业链专业化程度、煤层气产业链分工协作程度是“互联网+”的必要组成部分，影响着中国煤层气产业的发展。纵观全球态势，打破信息不对称、降低交易成本、促进专业分工、提升劳动生产率、提高资源使用效率的工业互联网，正从消费品行业向装备制造、新能源和新材料等工业领域渗透，全面推动着传统工业生产方式的转变。李克强在2015年政府工作报告中提出：“新兴产业和新兴业态是竞争高地。要实施高端装备、信息网络、集成电路、新能源、新材料、生物医药、航空发动机、燃气轮机等重大项目，把一批新兴产业培育成主导产业。制定‘互联网+行动计划，推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合，促进电子商务、工业互联网和互联网金融健康发展，引导互联网企业拓展国际市场。”毋庸置疑，“互联网+”行动计划已上升为国家战略，将成为新常态下的经济增长新引擎。因此，在人力资本、企业实力、行业环境共同作用下的煤层气产业加入“互联网+”行动计划是必然选择。
六、结论
综上所述，针对中国煤层气产业发展现状，从中国实际情况出发，笔者认为，中国煤层气产业发展，目前最大制约在于人力资本，此一不足，导致了煤层气藏基础理论、煤层气勘探开发技术体系、煤层气开发工艺标准体系的缺失，影响了煤层气产业链专业化程度、煤层气产业链分工协作程度、煤层气产业发展“互联网+”新经济模式的发展与实现，造成了煤层气开发市场主体的资本实力不强、煤层气开发市场主体的融资能力差、企业R&D经费少、煤层气开发技术专利少、煤层气产业社会认知程度低。
著名经济学家吴敬琏认为，中国要建立良好的教育系统和基础性的科研系统，这两个系统的产品具有很大的外部性，应该由社会负责。笔者认为，相关高校应开设有关煤层气课程，增设煤层气相关专业，培养煤层气专业人才。在创新体系里，科学和技术的性质不同，对于科学的创新与奖励，应该由社会（包括政府）来承担。国字号的研究院所应尽快完成煤层气解吸—扩散—渗流—产出过程每个环节的动力学过程以及全过程的系统动力学过程理论体系，提出煤层气基岩性质及相应压裂排采机理，奠定煤层气勘探开发的技术体系及后续开发工艺标准体系的理论基础。技术的创新与奖励，主要由市场承担。有了正确的理论基础，巨大的市场需求，坚实的资源储量，正能量的经济社会效益、产业拉动效应，“互联网+”的经济模式，中国煤层气业必定有好的发展前景。
注释：
① 有关中国煤层气的数据来自行业内部报告。
[参考文献]
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[责任编辑：张岩林]
Analysis of Constraining Development Factors in Disappointed and Promising
China Coalbed Methane Industry
ZHANG Chuanping1， PENG Yujie1， ZHAO Qian1， WU Jianguang2，
LI Zhongcheng2， XIONG Dehua2， ZHANG Ping2
（1.School of Economics and Management， China University of Petroleum， Qingdao， Shandong 266580， China;
2.China United Coalbed Methane Corporation Ltd.， Beijing 100011， China）
Abstract： The 12th FiveYear Plan for CBM development and utilization points out that the production of coalbed methane will be reached 30 billion cubic meters in 2015， yet the national "Energy Development Strategy Action Plan （2014-2020 ）" revised the development goals for CBM industry： By 2020， coalbed methane production will be striven to exceed 30 billion cubic meters. Faced with the revised targets， the CBM industry was embarrassed. Based on the current development of Chinas CBM industry， Delphi method is used to get the indicators of affecting the development of CBM industry; principal component is determined with principal component analysis （P.C.A.）， and factors distinguished with factors analysis （F.A.）. The latent composite factors affecting the development of CBM industry are expressed as human capital， enterprise power， industry environment and internet plus. Following on the latent composite factors， personnel training & setting up the theory system of CBM disabsorbing→diffusing→percolation→flowing， as well as proposing fracture mechanics will contribute to form the CBM exploring & exploiting technology as well as practice standard.
Key words： coalbed methane; constraining factors;delphi method; principal component analysis; factors analysis
