中美天然气安全比较：基于非常规天然气开发视角
中美天然气安全比较：基于非常规天然气开发视角黎江峰1，吴巧生2，薛双娇2，周 娜2
（1.北京大学 政府管理学院，北京 100871；2.中国地质大学（武汉）经济管理学院，湖北 武汉 430074）
[摘 要]美国通过“页岩气革命”，实现了能源独立，这也为中国开发利用非常规天然气资源提供了借鉴。综合考虑页岩气、煤层气等非常规天然气资源的供求关系、市场脆弱性等因素，构建天然气安全评价初始指标集，同时基于中美两国具体数据完成指标筛选，最终确定符合中美两国实际的天然气安全评价指标并进行实证分析。研究结果表明，页岩气等非常规天然气资源储产比对两国天然气安全水平有着明显的影响，非常规天然气开发在中美两国天然气安全中均具有不可忽视的地位；中国和美国天然气安全指数近20年内波动上升，不同阶段的天然气安全指数变动与非常规天然气发展阶段基本一致，并有相对独立性。
[关键词]页岩气革命；中美天然气安全比较；能源政策
一、引言
中国正处于转型关键期，去煤炭化政策和战略实施的边际效应较高，除了非化石能源替代外，天然气也被视作去煤炭化过程中首要的过渡能源。尤其是在非常规天然气发展得到一定突破后，天然气丰富的资源禀赋、较为成熟的开发利用技术、和较低碳排放凸显出巨大的优势。国家能源局印发的《“十三五”能源发展规划》提出，到2020年天然气占一次性能源消费中的比重将由2015年的5.9%升至10%，到2030年达到15%，其中，天然气被明确为“转型过程中的主体能源”①。通过国家政策引导和目标制定，中国的天然气产业近几年取得突飞猛进的发展。据英国石油公司（BP）世界能源部门统计，2017年度中国天然气累计消费量2373×108m3，同比增长15.3%；其中国内生产天然气产量为1487×108m3，同比增长8.5%；天然气进口量累计920×108m3，同比增长27.6%，天然气对外依存度为38.77%。中国天然气进口量增速远大于国内产量增速，表明其对外依存度处于持续上升状态。天然气供应的保障不仅直接影响中国能源安全态势，也将进一步波及中国能源转型战略的实现，而随着非常规天然气占据越来越重要的地位，对天然气供应安全、能源安全、能源转型的探讨都有必要从非常规天然气视角进行分析。
国内外对能源安全问题的关注由来已久。1975年有研究提出能源安全是进口国与出口国这两类国家互动形成的结果。随着资源开发利用中生态环境问题的显现和对全球可持续发展问题关注度的提高，学者们开始将生态环境、技术、风险治理等引入能源安全的研究，能源安全涵盖供给安全、经济安全、生态安全和社会安全，拓展了研究视野，也赋予了能源安全更深层次的内涵(p10-18)(p1044-1067)(p328-341)(p805-817)。但至今为止，学界普遍认为，能源安全并没有标准的定义、也很难定义或即使做出定义，解释也很难让人理解；能源安全评价指标缺乏系统性，难以量化，其安全性测量也没有统一的标准(p1-14)(p887-895)(p2166-2181)(p456-476)。
当前对于能源安全的研究主要分为“量”层面的供应安全和“质”层面的使用安全，供应安全主要反映国家能源安全在一定时期受到的经济技术约束；使用安全层面则涉及能源可持续发展问题，与生态环境约束有关。侧重于以某一国家或区域作为主体对象，较为流行的能源安全评价方法是构建能源安全多样性指数、进口国相关指标、相对风险分数（RRS）、赫芬达尔（Herfindahl-Hirschman）指数、多样性指数（Shannon-Wiener）等(p218-225)(p168-176)(p179-208)(p30-38)。如斯德哥尔摩经济学院教授（ChloéLe Coq）提出了HHI指数在评估能源结构单一性影响能源供应风险中的应用(p4474-4481)。约翰逊（Johnson Corey）以波兰为案例研究了其页岩气大规模开采的前景及问题(p389-399)。维克托（Victor）采用多样性指数（Shannone-Wiener）测算了页岩气发展情景下美国能源安全水平(p26-41)。
本文在考虑全球天然气供应风险（供应集中度）的基础上，以中国和美国页岩气、煤层气等非常规天然气资源开发情景下的天然气安全水平为研究对象，试图在现有文献的基础上做出如下贡献：第一，本文检验了非常规天然气开发对天然气安全的影响。现有对天然气安全水平的测度，主要从天然气资源禀赋、供求现状与地缘政治格局等方面构建评价指标体系，较少考虑到非常规天然气资源开发利用对天然气安全的影响。本文将非常规天然气资源禀赋与开发利用情况纳入天然气安全评价初始指标集，并基于中美两国具体数据完成指标筛选，构建符合中美两国天然气发展实际的天然气安全评价指标体系，测算中美两国非常规天然气开发背景下天然气安全水平。第二，本文从国内和国际两个层面比较了中美两国天然气安全治理现状与思路。现有文献多分别以中国和美国为对象进行天然气安全分析，但较少将中美两国天然气安全置于全球天然气供应安全背景下，开展天然气安全治理思路的分析与对比研究。本文对中美主要天然气政策进行了比较，并基于非常规天然气视角分析国家天然气安全形势与全球天然气安全治理路径。①参见国家发展改革委、国家能源局于2016年12月发布的《能源发展“十三五”规划》。
全文研究内容如下：首先，构建基于非常规天然气供给的天然气安全水平测度模型和指标体系；其次，运用中美两国的数据进行实证分析，具体包含指标筛选、权重确定、安全评价；再次，基于中、美两国天然气安全水平进行政策比较；最后，基于实证分析与比较，对中、美两国天然气安全未来取向进行战略思考并提出建议。
二、非常规天然气视角下中美天然气安全指标体系构建
基于非常规天然气视角，根据科学性、客观性、系统性、动态性等原则，充分考虑页岩气—煤层气规模化开发利用，建立天然气安全评价初始指标集。利用欧氏距离的系统聚类方法、灰色关联而筛选形成中国和美国的天然气安全评价模型的指标体系。本文数据主要来源于国际能源署（IEA）、世界银行（World Bank）、中国能源统计年鉴等，文中部分指标和表格内容是经过作者计算归纳绘制而得。
（一）初始指标集
在充分借鉴已有研究的基础上，结合非常规天然气相关指标，从资源禀赋、供需情况、环境影响等六个维度选取17个指标形成天然气安全评价的初始指标集（表1）(p54-60)(p341-353)(p842-852)(p69-82)。第一层为目标层，即天然气安全；第二层为准则层，包括资源禀赋、供给状况、需求状况、价格、市场脆弱性、环境影响六个方面；第三层为指标，采用资源储产比、国家天然气储量占世界的比重来衡量资源禀赋；使用常规天然气、页岩气、煤层气占世界天然气产量的比重表示供给状况；采用天然气在能源消耗中所占比例、天然气消耗强度和人均天然气消费量来表征需求状况；使用国际天然气价格和天然气价格波动系数来表征价格；关于市场脆弱性的表征方式，选取天然气对外依存度、全球供应集中度、天然气进口能力以及全球产需缺口来衡量；使用天然气碳排放强度表征环境影响。
（二）中美天然气安全评价指标体系
为消除指标共线性的影响，依据中美两国1996—2016年的具体数据，对上述17个指标进行进一步的筛选。首先将上述17个指标进行系统聚类，基于分类结果，对不同组别的多个指标通过关联分析进行筛选，最终每一类别确定一个最重要的指标保留下来，保留的指标才放入最终的评价指标体系中。据此，分别利用中国和美国的相关数据可分别筛选得到中国和美国最终的天然气安全评价指标体系（表2、表3）。指标遴选后美国天然气安全评估指标包含资源禀赋、需求和市场脆弱性三个维度的五个指标，中国天然气安全评估指标遴选结果与美国不同，共选出资源禀赋、供给状况、需求状况和市场脆弱性四个维度共七个指标。
表1 ：天然气安全评价初始指标集
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表2 ：美国天然气安全评价指标体系
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表3 ：中国天然气安全评价指标体系
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三、非常规天然气视角下中美两国天然气安全水平测度
（一）测度指标权重的确定
基于各自筛选得到的天然气安全评估指标体系，本文利用熵值法测度中美两国天然气安全评价指标权重，最后指标加权得到非常规天然气视角下的中、美天然气安全水平。
利用熵值法对天然气安全评估的具体步骤如下：
①原始数据标准化：
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式中，xij为第i个样本、j项指标的原始值，pagenumber_ebook=85,pagenumber_book=85为标准化后的指标值，xˉ和Sj分别为第j项指标的平均值和标准差。由于熵值法计算过程中对指标取了对数，故不能直接使用标准化后的数据，而需对其进行平移，平移后每个数据都要大于0，从而解决负数对计算造成的影响：
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式中，Zij是平移后得到的正值，A为平移幅度。
②将各指标同度量化，计算第j项指标下，第i年占该指标比重pij：
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式中，n为样本（年份）个数，m为指标个数。
③计算第j项指标熵值：
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式中，k=1/1n（n），ej≥0
④计算第j项指标的差异系数：
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⑤对差异系数归一化，计算第j项指标的权重wj：
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计算结果如表4、表5，v1～v5，和w1～w7分别为各评估指标权重。其中，美国天然气安全评价的五个指标权重相差无几，表明各指标对美国天然气安全的重要性相当；而就准则层而言，市场脆弱性这一准则层的指标权重之和最大，为0.599971。中国天然气安全评价指标中，w5的权重为0.179735，说明该指标对中国天然气安全的影响最大，w1的权重为0.10999，与其他指标相比相对最小。需求状况这一准则层的指标权重总和最大，为0.34869，表明需求对中国天然气安全有重要影响。
表4 ：美国天然气安全评价指标权重
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指标筛选及权重结果进一步分析表明：（1）美国的页岩气储产比对其天然气安全水平有着明显的影响，且其重要性与传统常用的天然气安全评价指标（如对外依存度、全球供应集中度、产需缺口）相当。（2)中国的页岩气、煤层气储产比和页岩气、煤层气产量占世界产量的比重对天然气安全水平都有一定影响，具体而言，同一层面内中国页岩气与煤层气的影响总和与美国页岩气相当，与美国页岩气商业化开发实现页岩气在天然气市场的巨大影响力相吻合，同时证明了中国非常规天然气对天然气市场影响的潜力亟待重视。（3）需求维度，美国只筛选出天然气消耗强度指标，而中国增加了天然气在能源总消耗中比重这一指标。天然气安全强度反映单位GDP的天然气消耗量，体现了经济增长对天然气资源的依赖程度，这一值越高安全性越低。页岩气革命以来，天然气在美国能源消费中占据主导地位，能源结构较为稳定，而中国正处于能源转型期，天然气在能源结构中的比重对天然气安全具有一定影响。（4）市场脆弱性维度，影响中国天然气安全的指标为全球供应集中度，而美国增加了天然气对外依存度、全球产需缺口两个指标。总体看来，美国天然气安全更容易受市场脆弱性影响，供给状况对其影响不明显，中国天然气安全同时受资源禀赋、供给、需求状况和全球供应集中度的影响。
表5 ：中国天然气安全评价指标权重
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（二）中美天然气安全水平测度结果
采用多目标线性加权法计算1996—2016年中美天然气安全指数，测度结果如图1所示。
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图1 :1996—2016年中国和美国天然气安全指数与全球供应集中度
随着天然气全球供应集中度总体的逐步降低，1996—2016年美国和中国的天然气安全指数总体呈现波动上升的趋势，表明中美两国天然气安全水平逐步提高。在测度的21年间，中、美两国天然气安全呈现此起彼伏的状态，其中美国天然气安全指数有九年高于中国，有十年低于中国，1996年和2002年两国天然气安全水平相近。
分阶段而言，1996—2002年美国尚未实现页岩气革命，非常规天然气还未进行规模化开发，此时中国和美国天然气安全指数相近；2003—2009年间美国天然气安全指数显著提高且明显高于中国天然气安全指数，该阶段美国页岩气发展实现突破，而此时中国页岩气还未引起重视；2010年后中国非常规天然气逐渐受政策推动而发展，以重庆涪陵为代表的页岩气开发进展顺利，为中国天然气安全做出较大贡献，2010—2016年中国天然气安全指数平均水平超过美国。总体看来，不同阶段的天然气安全指数变动基本可用非常规天然气发展阶段进行解释，表明非常规天然气在天然气安全中具有不可忽视的地位，同时，中美两国在不同阶段取得的非常规天然气进展与国家相关政策密不可分，具体可通过两国的天然气政策梳理与比较进一步分析。
四、中美天然气开发政策对比分析
美国非常规天然气产业发展经验及上述分析表明，中国和美国的非常规天然气发展不同阶段发展水平对天然气安全指数有重要影响，而非常规天然气发展离不开政府补贴及政策支持。因此，从政策层面上分析美国天然气产业成功的经验，研究我国天然气发展历程中政策对产业发展步伐的推进作用，并探索如何结合中国天然气产业发展实际情况，进行更合理有效的常规和非常规天然气配套政策规划，有助于保障中国未来天然气可持续发展以及非常规天然气商业化规模化发展。基于中美两国天然气安全水平的测度与分析，本文通过结合中美两国主要天然气政策的对比分析，为我国天然气政策进一步完善提供思路参考，中国和美国的部分天然气政策内容（见表6）。
表6 ：中美主要天然气开发政策对比
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从1976年起美国便领先世界开始重视页岩气开发，至2010年，伴随技术进步和大规模商业化开发的成功，美国页岩气市场已走向正轨，因此在2010年后逐步取消了对页岩气的一些补贴措施。1992年第636号法令的颁布完成了美国对其天然气市场的市场化进程，主要在于对天然气准入的开放，市场定价机制是天然气价格机制演变的最终方向。由此可见，1992年以后美国天然气市场已经日渐成熟，政府的政策干预放宽，2010年以后美国页岩气开发也进入稳定期。
反观中国的天然气市场及政策历程，2005年以前我国天然气产业政策较少，从2005年开始取消价格双轨制，全面实行政府指导价，拉开了市场化改革序幕，至今处于市场化探索阶段。在美国页岩气革命取得成功后，我国相关政策才逐渐偏向常规和非常规天然气的开发利用，其中，对非常规天然气的高度重视始于2012年页岩气发展规划的实施，结合不同阶段中、美天然气安全指数水平分析，我国页岩气近年的发展成功提高了我国天然气总体安全。天然气的价格改革机制成功推进了我国城市天然气的利用，推动了我国非常规天然气发展，但距离我国能源消费结构改革目标还有较长的一段距离。
五、中美天然气安全及发展问题探讨
应对全球气候变化，积极推动能源低碳转型是未来能源发展的必然选择，天然气依靠自身的优势决定了其在能源低碳转型中所扮演的角色，以美国“页岩气革命”为代表的天然气黄金时代已经来临，天然气产量的大幅增加与需求的剧增，会产生许多重大利益，但也面临一些风险，能源市场和环境必将发生巨大改变。
中国和美国的天然气安全对于全球供应安全而言具有一定独立性。具体而言，美国页岩气的开发和利用对其自身的能源安全和全球能源安全具有明显的积极影响，从而产生显著的能源安全效益。一方面，美国页岩气的发展改变了世界能源供需结构，打击了原有的传统天然气出口国，同时，美国市场天然气供过于求已经改变了国际天然气市场格局，导致对亚太市场的关注度增加。此外，美国页岩气革命已经压制了美国天然气价格的波动，使其成为世界天然气价格的有力影响者。另一方面，美国页岩气的成功开采彻底改变了美国的能源消费结构，降低了页岩气开采成本，降低了美国的能源依赖性(p21-33)。中国尤其是页岩气、煤层气等非常规天然气开发利用的能源安全效益则主要是国内为主，主要表现为天然气国内供应能力的提升，增加能源供应的多样性指数，减少对进口国的依赖，进而提高中国的能源可获得性和可支付性。
“页岩气革命”持续推进引发的技术创新，大大降低了页岩气的开发成本，未来长期美国页岩气在天然气中的比重持续增大，天然气新增产能仍将大幅持续增长，中美未来天然气领域尤其是页岩气开发利用的合作发展潜力空间巨大(p27)。考虑到中国天然气消费规模持续扩大、对外依存度也持续升高的长期态势，中美天然气领域合作的互补性将进一步增强，作为双方诉求契合非常高的领域以及解决中美贸易不平衡的重要突破点，扩大中美天然气贸易可为缩小美中贸易逆差、实现中国能源转型长期战略提供有效路径。
同时，“页岩气革命”将资源开采活动带到了新的区域，其中诸多地方因自然条件优美而闻名于世，其影响是非常深远的。一般情况下，页岩气的开采会带来许多就业机会，刺激当地各种不同的经济活动，也会让许多当地居民变得富裕。当然，最终决定其社会经济利益或者损害的因素在于人们如何总体看待因此带来的经济增长。“页岩气革命”的新技术，特别是水力压裂、水平钻探，会给环境带来巨大挑战，页岩气等非常规天然气资源开发利用在带来明显的环境优势的同时，水的需求、使用和处理都会产生特殊的环境问题。根据全球页岩气开采利用水资源压力指标的分析结果，全球20个页岩气资源拥有国，页岩气资源处在干旱或水力压力极高地区的国家有中国、墨西哥、利比亚、巴基斯坦、埃及、印度、阿尔及利亚和南非。中国作为全球能源消费大国，也正在积极推动自己的天然气革命，对天然气有着迫切的需求。我们已经看到，以页岩气、煤层气等非常规天然气为要素的天然气革命有其自身的不确定性，其开发利用必将面临诸多新的问题与挑战。不过，与美国相比，中国还面临评估技术与开采技术的改进以及地质与水资源的限制，中国必须克服重重障碍以实现将技术可开采的常规、非常规天然气资源转化为可经济利用的能源，国家有足够的意愿满足自身对天然气的巨大渴望。水资源约束必将成为页岩气等非常规天然气资源开发利用的重要挑战，但对比其他能源生产方式的需求量，页岩气的水强度最低，所以说，页岩气等非常规天然气开发利用的环境意义及社会经济影响必将成为人们关注的重要方面。
六、结论及建议
通过构建考虑页岩气等非常规天然气资源在内的天然气安全评价模型，定量测度了中美两国天然气安全的变化趋势，并结合中美两国天然气政策历程的对比分析，从非常规天然气视角对中美两国天然气未来合作及安全走势进行了探讨，得到的主要结论如下：
（1）对于中美天然气安全水平的测度有必要充分考虑非常规天然气的供给，通过指标筛选和权重确定充分说明了页岩气、煤层气储产比和产量占比在天然气安全评估中的重要性。随着页岩气等为代表的非常规天然气资源的发展，中国、美国的天然气安全程度均在波动中逐步提升。“页岩气革命”对中国、美国天然气安全都具有正向效应。技术突破和成本降低的双重协同影响对中美两国天然气安全都有着重要的指示意义。
（2）1996—2002年是美国非常规天然气缓慢发展阶段，在没有页岩气冲击的情况下，中美两国天然气安全指数相近；2003—2009年中美两国天然气安全指数均有一定提高，该阶段由于相关政策的推动，美国页岩气发展大大超前，美国天然气安全指数的提升远大于中国；2010年后中国非常规天然气受到重视，一系列政策推动中国页岩气产业迅速取得突破并为中国天然气安全助力，使得该阶段中国天然气安全指数平均值反超美国。
虽然目前中国的非常规天然气受限于规模和技术等因素，在天然气产量和消费量中占比有限，但是参考美国的经验，加快中国页岩气等非常规天然气的勘探开发利用进程带来的能源安全效益，不仅有助于改善中国的能源消费结构、降低能源依存度以及促进天然气市场化，而且将在改变世界能源供需结构和国际天然气市场格局等方面为降低全球天然气供应集中度即供应风险做出一定贡献。我们应当充分利用美国实现能源独立、有可能谋求天然气出口机会，增加海外天然气进口来源和资源获取力度，积极参与全球资源治理，实现自身利益的最大化，提升能源领域的国际竞争力与影响力。
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10.14180/j.cnki.1004-0544.2020.07.010
[中图分类号]F207
[文献标识码]A
[文章编号]1004-0544（2020）07-0082-08
基金项目：国家自然科学基金重大项目课题“新时代战略性矿产资源供给安全与管理政策”（71991482）。
作者简介：黎江峰（1985—），男，湖南株洲人，北京大学政府管理学院博士后流动站研究人员；吴巧生（1969—），男，湖南娄底人，工学博士，中国地质大学（武汉）经济管理学院教授；薛双娇（1993—），女，湖北荆州人，中国地质大学（武汉）经济管理学院博士生；周娜（1992—），女，湖北恩施人，中国地质大学（武汉）经济管理学院博士生。
责任编辑 梅瑞祥
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