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基于專利信息的我國頁巖氣開采及發(fā)展趨勢研究

2018-05-02 02:16:54董超群李華川賀殷凱任連城
非常規(guī)油氣 2018年2期
關(guān)鍵詞:申請量專利申請頁巖

董超群,李華川,賀殷凱,田 芳,任連城 .

(1.重慶科技學(xué)院機械與動力工程學(xué)院,重慶 401331;2.四川寶石機械專用車有限公司,四川德陽 618300; 3.重慶科技學(xué)院石油天然氣裝備研究院,重慶 401331;4.重慶科技學(xué)院電信工程學(xué)院,重慶 401331)

頁巖氣是典型的非常規(guī)天然氣,儲集于極低孔滲、以富有機質(zhì)頁巖為主的巖系中,主要以游離氣和吸附氣的形式自生自儲,并飽和富集于以頁巖為主的儲集巖系的微—納米級孔隙-裂縫與礦物顆粒表面[1-2]。世界頁巖氣資源很豐富,全球頁巖氣資源量為456.24×1012m3,超過全球常規(guī)天然氣資源量的436.1×1012m3,其中我國頁巖氣地質(zhì)資源約100×1012m3,占全球頁巖氣資源量的22%,居世界第一位[3-4];我國頁巖氣技術(shù)可采資源量為31.57×1012m3,占全球頁巖氣可采資源量220.69×1012m3的14.30%,僅次于美國[5-6]。頁巖氣作為一種非常規(guī)油氣資源,為常規(guī)油氣資源短缺提供重要的補充,頁巖氣的有效開發(fā),不僅將改善能源結(jié)構(gòu),而且對能源格局產(chǎn)生重大影響。

美國是世界上頁巖氣開采起步最早、技術(shù)發(fā)展最快且產(chǎn)量最多的國家。20世紀70年代開始到21世紀前10年,美國頁巖氣年產(chǎn)由19.6×108m3增加到880.66×108m3,預(yù)計到2035年,美國頁巖氣產(chǎn)量將增加20%,占美國天然氣總產(chǎn)量的45%[7-8]。美國頁巖氣開發(fā)時間長、技術(shù)成熟,對我國頁巖氣開發(fā)提供經(jīng)驗借鑒[9-11]。中國頁巖氣資源潛力巨大,目前頁巖氣開發(fā)正處于起步階段,2005年起,通過借鑒北美經(jīng)驗,開始頁巖氣地質(zhì)評價與勘探開發(fā)試驗。2009年8月,國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心在重慶市綦江縣啟動中國首個頁巖氣資源勘查項目,頁巖氣開采技術(shù)發(fā)展迅速[12-13]。2012年11月,中國石化部署在涪陵焦石壩地區(qū)的焦頁1HF井放噴求產(chǎn)試獲日產(chǎn)20.3×104m3的高產(chǎn)工業(yè)氣流,實現(xiàn)了中國頁巖氣勘探的重大突破;2013年1月該井投入試采,日產(chǎn)氣6×104m3,正式拉開中國頁巖氣商業(yè)開發(fā)的序幕。2013年9月,國家能源局批復(fù)設(shè)立涪陵國家級頁巖氣示范區(qū),涪陵頁巖氣氣田正式啟動國家級示范區(qū)。同年國家能源局和國務(wù)院分別出臺了《頁巖氣產(chǎn)業(yè)政策》和《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(2014—2020年)》,提倡我國要堅持“綠色低碳”戰(zhàn)略,著力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),將發(fā)展清潔低碳能源作為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的主攻方向,并鼓勵各種投資主體進入頁巖氣開發(fā)市場。2016年1月8日,重慶市在頁巖氣開發(fā)方面取得突破,中國首個涪陵頁巖氣田一期50×108m3產(chǎn)能建成;2016年12月29日,涪陵頁巖氣年產(chǎn)氣50.05×108m3,年銷量48.05×108m3,提前完成2016年頁巖氣產(chǎn)銷目標任務(wù)[14]。

圍繞頁巖氣開發(fā)的需要,形成了頁巖氣在勘探評價、鉆井技術(shù)、壓裂增產(chǎn)及集輸?shù)确矫娴男录夹g(shù),包括水平井鉆井、壓前評價、大型壓裂設(shè)計和壓后評估等技術(shù),圍繞“井工廠”技術(shù)形成了鉆井、壓裂等一體化優(yōu)化設(shè)計,以及邊鉆、邊壓、邊生產(chǎn)作業(yè)模式[15-16]。本文主要根據(jù)我國國內(nèi)頁巖氣開采技術(shù)專利態(tài)勢,研究我國頁巖氣開采技術(shù)的發(fā)展規(guī)律及趨勢分析,通過利用專利數(shù)據(jù)分析工具對頁巖氣技術(shù)相關(guān)專利進行系統(tǒng)分析,以了解目前我國頁巖氣領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀、研發(fā)熱點、技術(shù)分布及專利權(quán)人格局,對促進我國頁巖氣產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究、商業(yè)開發(fā)提供決策和建議。

1 數(shù)據(jù)來源及分析工具

專利檢索數(shù)據(jù)來源采用國內(nèi)專利檢索開放平臺:SooPAT;跨度年限:1995—2016年;檢索范圍:中國國內(nèi)公開專利;檢索關(guān)鍵詞:“頁巖氣”“開采”,為防止漏檢同時檢索“致密氣層氣”以及“非常規(guī)天然氣”。為避免漏檢,在一級檢索結(jié)果的基礎(chǔ)上,手動逐條篩選全部檢索結(jié)果,共篩選出頁巖氣開采設(shè)備、開采工藝、開采藥劑(減阻劑、鉆井液、支撐劑等)、勘探技術(shù)、返排污水處理、后期脫硝脫硫等相關(guān)技術(shù)專利。

2 頁巖氣開發(fā)規(guī)律研究

2.1 頁巖氣開發(fā)發(fā)展階段分析

通過對國際專利技術(shù)檢索和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析研究表明,頁巖氣技術(shù)開發(fā)主要經(jīng)歷以下幾個階段:技術(shù)萌芽期(1969—1981)、緩慢發(fā)展期(1982—1998)、上升期(1999—2007)和快速發(fā)展期(2008—)。同時經(jīng)歷兩次快速發(fā)展期,1999年以后,美國頁巖氣商業(yè)化生產(chǎn)逐漸成熟、產(chǎn)量不斷攀升,水平井鉆井和壓裂增產(chǎn)技術(shù)的突破,使得正式進入商業(yè)化開采階段的頁巖氣對傳統(tǒng)能源市場供給帶來巨大沖擊。2008年以后,美國和加拿大頁巖氣商業(yè)化生產(chǎn)逐漸成熟,產(chǎn)量不斷攀升,對傳統(tǒng)能源市場的供給形成巨大沖擊。同時中國也加入頁巖氣領(lǐng)域的研究,對頁巖氣能源前景十分重視。頁巖氣領(lǐng)域的專利產(chǎn)出進入快速上升期,國際上依然保持對頁巖氣重點關(guān)注的態(tài)勢。按照目前趨勢,未來一段時間內(nèi)國際上依然會保持對頁巖氣研究重點關(guān)注的態(tài)勢,以期頁巖氣勘探開發(fā)能在更多國家和地區(qū)實現(xiàn)。

2.2 頁巖氣開發(fā)區(qū)域分析

從頁巖氣開發(fā)專利申請量和國家地區(qū)分布來看,接近一半的專利來自美國,頁巖氣開采技術(shù)占據(jù)主導(dǎo)地位。從頁巖氣專利受理國家來看,排名前五位的國家依次為美國、中國、俄羅斯、日本和德國。美國專利商標局受理的專利總量明顯大于其他國家,是中國專利數(shù)量的3倍多。美國在頁巖氣領(lǐng)域的專利申請非常早,在2001年以后申請量快速增加,而我國在20世紀頁巖氣專利申請幾乎沒有,2005年后呈現(xiàn)不正常的迅猛增長,凸顯了近年來的頁巖氣熱。很多企業(yè)、高校和研究機構(gòu)紛紛踏足,竭盡全力在該技術(shù)領(lǐng)域占領(lǐng)先機,導(dǎo)致申請量猛增。我國非常重視頁巖氣的開發(fā)以及國外企業(yè)對中國市場的關(guān)注,中國的專利活動最為活躍,處于快速增長期。

2.3 頁巖氣開發(fā)技術(shù)分析

頁巖氣開采技術(shù)主要涉及勘探開發(fā)、鉆完井、采氣集輸以及環(huán)保處理等領(lǐng)域,與常規(guī)油氣領(lǐng)域有很大的不同,其中水平井鉆完井技術(shù)與壓裂技術(shù)為頁巖氣開采關(guān)鍵技術(shù)。哈里伯頓公司研制的兩項技術(shù)——滑套完井和連續(xù)油管壓裂,擴大了完井和壓裂技術(shù)的應(yīng)用范圍,使套管完井水平井壓裂更加有效[17]。美國是世界上勘探開發(fā)頁巖氣最成功的國家,主要采用水平井+水力壓裂進行開發(fā)。我國2013年以后在頁巖氣鉆井方面又取得了一些新進展,通過井深結(jié)構(gòu)優(yōu)化、井眼軌跡控制、油基鉆井液優(yōu)化、防漏堵漏、井壁穩(wěn)定,以及新工具、新工藝的研究及應(yīng)用,使得頁巖氣水平井鉆井技術(shù)逐步成熟配套,促進了國內(nèi)頁巖氣開發(fā)的進程[18]。但我國頁巖氣研發(fā)總體起步較晚,絕大部分核心技術(shù)仍掌握在美國等發(fā)達國家的大型石油公司手中,頁巖氣開發(fā)道路仍任重而道遠。

3 我國頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀及趨勢

3.1 我國頁巖氣開采專利分析

通過對每年專利量的分析,清晰地展示出頁巖氣技術(shù)領(lǐng)域的整體發(fā)展脈絡(luò)。但由于專利數(shù)據(jù)從申請到公布之間有18個月的滯后期,故2006、2007年的數(shù)據(jù)僅供參考,不代表此階段的發(fā)展趨勢。

通過專利查詢工具SooPAT對國內(nèi)2006—2016專利申請量的檢索及統(tǒng)計分析(圖1),可以看出,在2006年以前我國頁巖氣相關(guān)專利申請量幾乎為零,2007—2009年申請量僅有4件,2010—2016年專利申請量呈指數(shù)逐年增加,2014年申請量為256件,達到頂峰。其中2016年申請量為前9個月公開的申請情況,考慮到專利公開時間比專利申請時間滯后3~6個月左右,因此實際申請量應(yīng)該比公開情況要多。

由此可以看出,頁巖氣開采受國家政策和國際油價的直接影響,在國家重視頁巖氣開發(fā)開采并受政策鼓勵的影響下,從2010年開始頁巖氣專利申請呈現(xiàn)快速增長,2014年達到頂峰;2011年始發(fā)明專利明顯多于實用新型專利,說明我國經(jīng)過前期的研究投入,申請專利的技術(shù)質(zhì)量也得到提升。2014年后受國際油價的影響,使得對頁巖氣技術(shù)的投入和專利申請量明顯下降,另外,專利申請量下降也與隨著技術(shù)開發(fā)和成熟,頁巖氣開采技術(shù)進入一個瓶頸階段有關(guān)。

圖1 國內(nèi)頁巖氣專利申請Fig.1 Domestic shale gas patent applications

3.2 國內(nèi)頁巖氣專利區(qū)域分布

從專利申請量的地域來看,如圖2所示,北京、四川和重慶地區(qū)明顯居于頁巖氣專利技術(shù)申請量前三位,這是因為這三地主要集中于技術(shù)優(yōu)勢和資源優(yōu)勢。其中,北京市處于頁巖氣開采的研究單位密級地域,中國石油總部、中石化總部及其研究院都位于北京,并且有中國石油大學(xué)(北京),可提供很多技術(shù)優(yōu)勢和政策優(yōu)勢,導(dǎo)致其在技術(shù)研究、專利申請方面占據(jù)優(yōu)勢。

圖2 國內(nèi)各省發(fā)明專利申請量分布Fig.2 The invention patent application distribution of domestic variety provinces

四川和重慶地區(qū)地處西部腹地,油氣資源豐富,并有西南石油大學(xué)、重慶科技學(xué)院以及西南油氣田和川慶集團公司,可以集資源、人才及裝備為一體,也為頁巖氣開發(fā)和技術(shù)研究提供便利條件,使得在頁巖氣能源開發(fā)和專利申請方面占據(jù)有利條件。其次為湖北、山西及山東省,均為油氣資源、石油公司與石油高校結(jié)合較好省份,也便于從油氣資源開發(fā)探索頁巖氣開采新技術(shù)。

3.3 國內(nèi)頁巖氣專利技術(shù)領(lǐng)域分布

從專利技術(shù)類別分類來看,檢索專利按國際IPC分類包含:A農(nóng)業(yè)、B部(作業(yè)、運輸)、C部(化學(xué)冶金)、E部(固定建筑物(掘井、采礦分部))、F部(機械工程)、G部(物理(儀器分部))、H部(電學(xué))。從統(tǒng)計角度來講,我國專利布局在E、C、G類別的E21B、C09K以及G01V領(lǐng)域較多,即開采技術(shù)、壓裂環(huán)保以及勘探技術(shù)頁巖氣開發(fā)領(lǐng)域中的核心領(lǐng)域,說明頁巖氣領(lǐng)域的研究熱點也在于此,與國際頁巖氣研究趨勢相一致。F部機械裝備、設(shè)備領(lǐng)域緊隨其后,而B、H部則相對較少。

圖3 國內(nèi)頁巖氣專利申請量Fig.3 Domestic shale gas patent applications

3.4 國內(nèi)頁巖氣專利權(quán)利人分布

從專利申請檢索結(jié)果可以看出,在對頁巖氣技術(shù)開發(fā)和專利申請方面(圖4),中石化、成都創(chuàng)源油氣及中石油公司位居前三,緊隨其后為西南石油大學(xué)、中國石油大學(xué)(北京)、中國石油大學(xué)(華東)校區(qū),可以說明在專利申請上石油高校仍是油氣開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)的主要研究陣地。從發(fā)明專利申請量來看(圖5),申請單位變化不大,前六位只有西南石油大學(xué)比中石油天然氣股份有限公司稍占優(yōu)。同時也可以看出,在頁巖氣技術(shù)研究方面,邱興倫、陳游及況常松在關(guān)鍵技術(shù)和專利申請方面具有一定優(yōu)勢,在頁巖氣技術(shù)研究方面2013年能源部政策允許多主體進入頁巖氣開發(fā)開采以來,呈現(xiàn)出國有公司、外資私營以及個體投入對頁巖氣的研究,也是加速我國頁巖氣快速開發(fā)的關(guān)鍵決策,對我國頁巖氣技術(shù)開發(fā)具有重要意義。

圖4 國內(nèi)專利申請Fig.4 Domestic patent applications

圖5 發(fā)明專利Fig.5 The invention patents

圖6 實用新型專利Fig.6 The utility model patents

同時對比圖6可以看出,石油單位在頁巖氣開發(fā)過程中仍為主體,其中成都創(chuàng)源油氣公司保持強勁的研究態(tài)勢,并在專利擁有量上占據(jù)一定的地位,石油高校申請專利發(fā)明專利占據(jù)主體地位,說明高校在申請專利方面更具有一定的質(zhì)量優(yōu)勢。

4 國內(nèi)頁巖氣專利生命周期

4.1 頁巖氣開采專利技術(shù)成熟系數(shù)

技術(shù)成熟系數(shù)是指某技術(shù)領(lǐng)域發(fā)明專利申請量或授權(quán)量占該技術(shù)領(lǐng)域發(fā)明專利和實用新型專利申請或授權(quán)總量的比率,如式(1)所示。如果技術(shù)成熟系數(shù)逐年減小,表明該技術(shù)處于成熟期。

α=a/(a+b)

(1)

式中α——技術(shù)成熟系數(shù);

a——該技術(shù)領(lǐng)域當(dāng)年發(fā)明專利申請量或授權(quán)量,件;

b——該技術(shù)領(lǐng)域當(dāng)年實用新型申請量或授權(quán)量,件。

表1列出了頁巖氣開采工藝技術(shù)領(lǐng)域2007—2015年技術(shù)發(fā)明專利、實用新型申請量情況,并計算了2007—2015年的技術(shù)成熟系數(shù)。考慮到2016年專利申請量統(tǒng)計不完全,不做相關(guān)計算分析。

圖7為頁巖氣開采工藝技術(shù)成熟系數(shù)變化曲線,從技術(shù)成熟系數(shù)總體趨勢看,技術(shù)成熟系數(shù)數(shù)值較大,且未出現(xiàn)明顯的逐年下降趨勢,表明該技術(shù)領(lǐng)域尚未處于技術(shù)成熟期,專利發(fā)掘潛力較大。

表1 頁巖氣開采工藝技術(shù)領(lǐng)域2007—2015年技術(shù)成熟系數(shù)Table 1 Technical maturity factor of shale gas extraction technology field of 2007—2015

圖7 頁巖氣開采工藝技術(shù)成熟系數(shù)變化曲線Fig.7 The technical maturity coefficient curve of shale gas extraction technology

4.2 頁巖氣開采專利技術(shù)生長率

技術(shù)生長率是指某領(lǐng)域發(fā)明專利申請量或授權(quán)量占過去5年該技術(shù)領(lǐng)域發(fā)明專利申請量或授權(quán)量的比率,如式(2)所示。如果連續(xù)幾年技術(shù)生長率持續(xù)增大,表明該技術(shù)處于生長階段。

γ=a/A

(2)

式中γ——技術(shù)生長率,%;

A——追溯到近5年該技術(shù)領(lǐng)域發(fā)明專利申請累積量或授權(quán)累積量,件。

表2給出了頁巖氣開采工藝技術(shù)領(lǐng)域2012—2015年的技術(shù)生長率,考慮到2016年專利申請量統(tǒng)計不完全,不作為計算依據(jù);此外2007年以前該技術(shù)領(lǐng)域?qū)@暾埩繛?,因此需要統(tǒng)計過去5年專利申請量的累積,從2011年開始統(tǒng)計。

表2 國內(nèi)頁巖氣開采領(lǐng)域2012—2015年技術(shù)生長率Table 2 Technical growth rate of domestic shale gas extraction of 2012—2015

從表2可以看出,近兩年頁巖氣開采技術(shù)領(lǐng)域發(fā)明專利申請量a逐年增大,表明該技術(shù)處于較快的生長階段;但發(fā)明專利技術(shù)生長率γ趨于逐年減小,表明在生長階段逐漸走向成熟,但還未達到成熟階段。

4.3 頁巖氣開采專利特征系數(shù)

某技術(shù)領(lǐng)域新技術(shù)特征系數(shù)由技術(shù)生長率和技術(shù)成熟系數(shù)按式(3)計算得出。新技術(shù)特征系數(shù)值越大,表明新技術(shù)特征性越強。

(3)

式中N——新技術(shù)特征系數(shù)。

表3 頁巖氣開采工藝領(lǐng)域新技術(shù)特征系數(shù)Table 3 Characteristics coefficient of new technology in the field of shale gas extraction

經(jīng)計算分析得2011—2015年頁巖氣開采工藝領(lǐng)域新技術(shù)特征系數(shù)(表3),可以看出,整體上專利申請量的特征系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢,且在2011年達到最大值為1.07,表明頁巖氣專利申請在2011年體現(xiàn)出該領(lǐng)域新技術(shù)特性較強。

4.4 國內(nèi)頁巖氣開采專利趨勢分析

從專利受理趨勢來看,近年來頁巖氣開采及裝備領(lǐng)域整體呈現(xiàn)急劇上升的趨勢,2014年達到頂峰,隨后一年內(nèi)有所下降,在2016年發(fā)明專利略有提升,也正體現(xiàn)目前國際國內(nèi)油價對頁巖氣行業(yè)的影響。從權(quán)利人分布趨勢來看,國有企業(yè)和石油高校仍是頁巖氣開發(fā)和技術(shù)的主要高地,發(fā)明專利占有量方面仍有優(yōu)勢,也正體現(xiàn)了頁巖氣開采關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新方法集中的地方,但也不乏民營企業(yè)的崛起和擁有核心技術(shù)的個人。目前來看,能源需求仍在擴大,能源短缺問題越來越嚴重,頁巖氣開發(fā)在美國成功應(yīng)用,極大地鼓勵了能源短缺國家頁巖氣開發(fā)的決心。我國頁巖氣資源豐富,但勘探開發(fā)處于起步階段,許多關(guān)鍵技術(shù)和政策問題仍需要探索。在裝備方面,國內(nèi)頁巖氣儲層與地質(zhì)評價設(shè)備、頁巖氣鉆完井技術(shù)及裝備、頁巖氣水力壓裂技術(shù)及裝備、頁巖氣微地震監(jiān)測技術(shù)及裝備等方面存在較大差距,需要了解趨勢,明確方向,發(fā)揮國內(nèi)石油石化裝備制造企業(yè)的整體優(yōu)勢,重點研發(fā)和掌握關(guān)鍵技術(shù),打造自主品牌。

5 結(jié)論

能源日益短缺,頁巖氣作為可替代的清潔能源得到世界各國的積極探索、研究和開發(fā),對其開發(fā)技術(shù)和發(fā)展趨勢的研究表現(xiàn)出極大的關(guān)注。本文通過對我國頁巖氣領(lǐng)域的專利類別、數(shù)量增長趨勢、地域分布及專利權(quán)人格局等方面的分析,研究了我國頁巖氣領(lǐng)域的整體發(fā)展態(tài)勢。

(1)我國頁巖氣勘探開發(fā)實踐較晚,且技術(shù)發(fā)展受國外技術(shù)影響較大,在借鑒北美頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,2009年逐漸開始探索開發(fā),到2014年技術(shù)研發(fā)投入達到頂峰,且受國際油價環(huán)境影響,開發(fā)研究熱趨于下降。

(2)從地域及單位來講,國內(nèi)領(lǐng)先專利權(quán)人以國有企業(yè)為主,吸納外資民企多主體加入,特別是在頁巖氣政策發(fā)布以來,鼓勵包括民營企業(yè)在內(nèi)的多元投資主體聯(lián)合開采頁巖氣,形成以國企油氣單位為主,外資民企合資經(jīng)營的格局,加快了頁巖氣勘探開發(fā)的步伐。

(3)從生命周期來講,該技術(shù)研究呈現(xiàn)出在2014年達到技術(shù)頂峰,但該技術(shù)領(lǐng)域尚未處于技術(shù)成熟期,而是處于較快的生長階段,專利發(fā)掘潛力較大,國家仍應(yīng)繼續(xù)加大扶持力度,尋求產(chǎn)學(xué)研合作,發(fā)揮智力技術(shù)優(yōu)勢;同時要做好環(huán)境保護工作,避免以犧牲環(huán)境為代價發(fā)展技術(shù)。

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