基于专利信息的我国页岩气开采及发展趋势研究

2018-05-02董超群李华川贺殷凯任连城

非常规油气 2018年2期

董超群，李华川，贺殷凯，田芳，任连城 .

(1.重庆科技学院机械与动力工程学院，重庆 401331；2.四川宝石机械专用车有限公司，四川德阳 618300； 3.重庆科技学院石油天然气装备研究院，重庆 401331；4.重庆科技学院电信工程学院，重庆 401331)

页岩气是典型的非常规天然气，储集于极低孔渗、以富有机质页岩为主的岩系中，主要以游离气和吸附气的形式自生自储，并饱和富集于以页岩为主的储集岩系的微—纳米级孔隙-裂缝与矿物颗粒表面[1-2]。世界页岩气资源很丰富，全球页岩气资源量为456.24×1012m3，超过全球常规天然气资源量的436.1×1012m3，其中我国页岩气地质资源约100×1012m3，占全球页岩气资源量的22%，居世界第一位[3-4]；我国页岩气技术可采资源量为31.57×1012m3，占全球页岩气可采资源量220.69×1012m3的14.30%，仅次于美国[5-6]。页岩气作为一种非常规油气资源，为常规油气资源短缺提供重要的补充，页岩气的有效开发，不仅将改善能源结构，而且对能源格局产生重大影响。

美国是世界上页岩气开采起步最早、技术发展最快且产量最多的国家。20世纪70年代开始到21世纪前10年，美国页岩气年产由19.6×108m3增加到880.66×108m3，预计到2035年，美国页岩气产量将增加20%，占美国天然气总产量的45%[7-8]。美国页岩气开发时间长、技术成熟，对我国页岩气开发提供经验借鉴[9-11]。中国页岩气资源潜力巨大，目前页岩气开发正处于起步阶段，2005年起，通过借鉴北美经验，开始页岩气地质评价与勘探开发试验。2009年8月，国土资源部油气资源战略研究中心在重庆市綦江县启动中国首个页岩气资源勘查项目，页岩气开采技术发展迅速[12-13]。2012年11月，中国石化部署在涪陵焦石坝地区的焦页1HF井放喷求产试获日产20.3×104m3的高产工业气流，实现了中国页岩气勘探的重大突破；2013年1月该井投入试采，日产气6×104m3，正式拉开中国页岩气商业开发的序幕。2013年9月，国家能源局批复设立涪陵国家级页岩气示范区，涪陵页岩气气田正式启动国家级示范区。同年国家能源局和国务院分别出台了《页岩气产业政策》和《能源发展战略行动计划(2014—2020年)》，提倡我国要坚持“绿色低碳”战略，着力优化能源结构，将发展清洁低碳能源作为调整能源结构的主攻方向，并鼓励各种投资主体进入页岩气开发市场。2016年1月8日，重庆市在页岩气开发方面取得突破，中国首个涪陵页岩气田一期50×108m3产能建成；2016年12月29日，涪陵页岩气年产气50.05×108m3，年销量48.05×108m3，提前完成2016年页岩气产销目标任务[14]。

围绕页岩气开发的需要，形成了页岩气在勘探评价、钻井技术、压裂增产及集输等方面的新技术，包括水平井钻井、压前评价、大型压裂设计和压后评估等技术，围绕“井工厂”技术形成了钻井、压裂等一体化优化设计，以及边钻、边压、边生产作业模式[15-16]。本文主要根据我国国内页岩气开采技术专利态势，研究我国页岩气开采技术的发展规律及趋势分析，通过利用专利数据分析工具对页岩气技术相关专利进行系统分析，以了解目前我国页岩气领域发展现状、研发热点、技术分布及专利权人格局，对促进我国页岩气产业技术研究、商业开发提供决策和建议。

1 数据来源及分析工具

专利检索数据来源采用国内专利检索开放平台：SooPAT；跨度年限：1995—2016年；检索范围：中国国内公开专利；检索关键词：“页岩气”“开采”，为防止漏检同时检索“致密气层气”以及“非常规天然气”。为避免漏检，在一级检索结果的基础上，手动逐条筛选全部检索结果，共筛选出页岩气开采设备、开采工艺、开采药剂(减阻剂、钻井液、支撑剂等)、勘探技术、返排污水处理、后期脱硝脱硫等相关技术专利。

2 页岩气开发规律研究

2.1 页岩气开发发展阶段分析

通过对国际专利技术检索和数据统计分析研究表明，页岩气技术开发主要经历以下几个阶段：技术萌芽期(1969—1981)、缓慢发展期(1982—1998)、上升期(1999—2007)和快速发展期(2008—)。同时经历两次快速发展期，1999年以后，美国页岩气商业化生产逐渐成熟、产量不断攀升，水平井钻井和压裂增产技术的突破，使得正式进入商业化开采阶段的页岩气对传统能源市场供给带来巨大冲击。2008年以后，美国和加拿大页岩气商业化生产逐渐成熟，产量不断攀升，对传统能源市场的供给形成巨大冲击。同时中国也加入页岩气领域的研究，对页岩气能源前景十分重视。页岩气领域的专利产出进入快速上升期，国际上依然保持对页岩气重点关注的态势。按照目前趋势，未来一段时间内国际上依然会保持对页岩气研究重点关注的态势，以期页岩气勘探开发能在更多国家和地区实现。

2.2 页岩气开发区域分析

从页岩气开发专利申请量和国家地区分布来看，接近一半的专利来自美国，页岩气开采技术占据主导地位。从页岩气专利受理国家来看，排名前五位的国家依次为美国、中国、俄罗斯、日本和德国。美国专利商标局受理的专利总量明显大于其他国家，是中国专利数量的3倍多。美国在页岩气领域的专利申请非常早，在2001年以后申请量快速增加，而我国在20世纪页岩气专利申请几乎没有，2005年后呈现不正常的迅猛增长，凸显了近年来的页岩气热。很多企业、高校和研究机构纷纷踏足，竭尽全力在该技术领域占领先机，导致申请量猛增。我国非常重视页岩气的开发以及国外企业对中国市场的关注，中国的专利活动最为活跃，处于快速增长期。

2.3 页岩气开发技术分析

页岩气开采技术主要涉及勘探开发、钻完井、采气集输以及环保处理等领域，与常规油气领域有很大的不同，其中水平井钻完井技术与压裂技术为页岩气开采关键技术。哈里伯顿公司研制的两项技术——滑套完井和连续油管压裂，扩大了完井和压裂技术的应用范围，使套管完井水平井压裂更加有效[17]。美国是世界上勘探开发页岩气最成功的国家，主要采用水平井+水力压裂进行开发。我国2013年以后在页岩气钻井方面又取得了一些新进展，通过井深结构优化、井眼轨迹控制、油基钻井液优化、防漏堵漏、井壁稳定，以及新工具、新工艺的研究及应用，使得页岩气水平井钻井技术逐步成熟配套，促进了国内页岩气开发的进程[18]。但我国页岩气研发总体起步较晚，绝大部分核心技术仍掌握在美国等发达国家的大型石油公司手中，页岩气开发道路仍任重而道远。

3 我国页岩气开发现状及趋势

3.1 我国页岩气开采专利分析

通过对每年专利量的分析，清晰地展示出页岩气技术领域的整体发展脉络。但由于专利数据从申请到公布之间有18个月的滞后期，故2006、2007年的数据仅供参考，不代表此阶段的发展趋势。

通过专利查询工具SooPAT对国内2006—2016专利申请量的检索及统计分析(图1)，可以看出，在2006年以前我国页岩气相关专利申请量几乎为零，2007—2009年申请量仅有4件，2010—2016年专利申请量呈指数逐年增加，2014年申请量为256件，达到顶峰。其中2016年申请量为前9个月公开的申请情况，考虑到专利公开时间比专利申请时间滞后3～6个月左右，因此实际申请量应该比公开情况要多。

由此可以看出，页岩气开采受国家政策和国际油价的直接影响，在国家重视页岩气开发开采并受政策鼓励的影响下，从2010年开始页岩气专利申请呈现快速增长，2014年达到顶峰；2011年始发明专利明显多于实用新型专利，说明我国经过前期的研究投入，申请专利的技术质量也得到提升。2014年后受国际油价的影响，使得对页岩气技术的投入和专利申请量明显下降，另外，专利申请量下降也与随着技术开发和成熟，页岩气开采技术进入一个瓶颈阶段有关。

图1 国内页岩气专利申请Fig.1 Domestic shale gas patent applications

3.2 国内页岩气专利区域分布

从专利申请量的地域来看，如图2所示，北京、四川和重庆地区明显居于页岩气专利技术申请量前三位，这是因为这三地主要集中于技术优势和资源优势。其中，北京市处于页岩气开采的研究单位密级地域，中国石油总部、中石化总部及其研究院都位于北京，并且有中国石油大学(北京)，可提供很多技术优势和政策优势，导致其在技术研究、专利申请方面占据优势。

图2 国内各省发明专利申请量分布Fig.2 The invention patent application distribution of domestic variety provinces

四川和重庆地区地处西部腹地，油气资源丰富，并有西南石油大学、重庆科技学院以及西南油气田和川庆集团公司，可以集资源、人才及装备为一体，也为页岩气开发和技术研究提供便利条件，使得在页岩气能源开发和专利申请方面占据有利条件。其次为湖北、山西及山东省，均为油气资源、石油公司与石油高校结合较好省份，也便于从油气资源开发探索页岩气开采新技术。

3.3 国内页岩气专利技术领域分布

从专利技术类别分类来看，检索专利按国际IPC分类包含：A农业、B部(作业、运输)、C部(化学冶金)、E部(固定建筑物(掘井、采矿分部))、F部(机械工程)、G部(物理(仪器分部))、H部(电学)。从统计角度来讲，我国专利布局在E、C、G类别的E21B、C09K以及G01V领域较多，即开采技术、压裂环保以及勘探技术页岩气开发领域中的核心领域，说明页岩气领域的研究热点也在于此，与国际页岩气研究趋势相一致。F部机械装备、设备领域紧随其后，而B、H部则相对较少。

图3 国内页岩气专利申请量Fig.3 Domestic shale gas patent applications

3.4 国内页岩气专利权利人分布

从专利申请检索结果可以看出，在对页岩气技术开发和专利申请方面(图4)，中石化、成都创源油气及中石油公司位居前三，紧随其后为西南石油大学、中国石油大学(北京)、中国石油大学(华东)校区，可以说明在专利申请上石油高校仍是油气开发关键技术的主要研究阵地。从发明专利申请量来看(图5)，申请单位变化不大，前六位只有西南石油大学比中石油天然气股份有限公司稍占优。同时也可以看出，在页岩气技术研究方面，邱兴伦、陈游及况常松在关键技术和专利申请方面具有一定优势，在页岩气技术研究方面2013年能源部政策允许多主体进入页岩气开发开采以来，呈现出国有公司、外资私营以及个体投入对页岩气的研究，也是加速我国页岩气快速开发的关键决策，对我国页岩气技术开发具有重要意义。

图4 国内专利申请Fig.4 Domestic patent applications

图5 发明专利Fig.5 The invention patents

图6 实用新型专利Fig.6 The utility model patents

同时对比图6可以看出，石油单位在页岩气开发过程中仍为主体，其中成都创源油气公司保持强劲的研究态势，并在专利拥有量上占据一定的地位，石油高校申请专利发明专利占据主体地位，说明高校在申请专利方面更具有一定的质量优势。

4 国内页岩气专利生命周期

4.1 页岩气开采专利技术成熟系数

技术成熟系数是指某技术领域发明专利申请量或授权量占该技术领域发明专利和实用新型专利申请或授权总量的比率，如式(1)所示。如果技术成熟系数逐年减小，表明该技术处于成熟期。

α=a/(a+b)

(1)

式中α——技术成熟系数；

a——该技术领域当年发明专利申请量或授权量，件；

b——该技术领域当年实用新型申请量或授权量，件。

表1列出了页岩气开采工艺技术领域2007—2015年技术发明专利、实用新型申请量情况，并计算了2007—2015年的技术成熟系数。考虑到2016年专利申请量统计不完全，不做相关计算分析。

图7为页岩气开采工艺技术成熟系数变化曲线，从技术成熟系数总体趋势看，技术成熟系数数值较大，且未出现明显的逐年下降趋势，表明该技术领域尚未处于技术成熟期，专利发掘潜力较大。

表1 页岩气开采工艺技术领域2007—2015年技术成熟系数Table 1 Technical maturity factor of shale gas extraction technology field of 2007—2015

图7 页岩气开采工艺技术成熟系数变化曲线Fig.7 The technical maturity coefficient curve of shale gas extraction technology

4.2 页岩气开采专利技术生长率

技术生长率是指某领域发明专利申请量或授权量占过去5年该技术领域发明专利申请量或授权量的比率，如式(2)所示。如果连续几年技术生长率持续增大，表明该技术处于生长阶段。

γ=a/A

(2)

式中γ——技术生长率，%；

A——追溯到近5年该技术领域发明专利申请累积量或授权累积量，件。

表2给出了页岩气开采工艺技术领域2012—2015年的技术生长率，考虑到2016年专利申请量统计不完全，不作为计算依据；此外2007年以前该技术领域专利申请量为0，因此需要统计过去5年专利申请量的累积，从2011年开始统计。

表2 国内页岩气开采领域2012—2015年技术生长率Table 2 Technical growth rate of domestic shale gas extraction of 2012—2015

从表2可以看出，近两年页岩气开采技术领域发明专利申请量a逐年增大，表明该技术处于较快的生长阶段；但发明专利技术生长率γ趋于逐年减小，表明在生长阶段逐渐走向成熟，但还未达到成熟阶段。

4.3 页岩气开采专利特征系数

某技术领域新技术特征系数由技术生长率和技术成熟系数按式(3)计算得出。新技术特征系数值越大，表明新技术特征性越强。

(3)

式中N——新技术特征系数。

表3 页岩气开采工艺领域新技术特征系数Table 3 Characteristics coefficient of new technology in the field of shale gas extraction

经计算分析得2011—2015年页岩气开采工艺领域新技术特征系数(表3)，可以看出，整体上专利申请量的特征系数呈现下降趋势，且在2011年达到最大值为1.07，表明页岩气专利申请在2011年体现出该领域新技术特性较强。

4.4 国内页岩气开采专利趋势分析

从专利受理趋势来看，近年来页岩气开采及装备领域整体呈现急剧上升的趋势，2014年达到顶峰，随后一年内有所下降，在2016年发明专利略有提升，也正体现目前国际国内油价对页岩气行业的影响。从权利人分布趋势来看，国有企业和石油高校仍是页岩气开发和技术的主要高地，发明专利占有量方面仍有优势，也正体现了页岩气开采关键技术及创新方法集中的地方，但也不乏民营企业的崛起和拥有核心技术的个人。目前来看，能源需求仍在扩大，能源短缺问题越来越严重，页岩气开发在美国成功应用，极大地鼓励了能源短缺国家页岩气开发的决心。我国页岩气资源丰富，但勘探开发处于起步阶段，许多关键技术和政策问题仍需要探索。在装备方面，国内页岩气储层与地质评价设备、页岩气钻完井技术及装备、页岩气水力压裂技术及装备、页岩气微地震监测技术及装备等方面存在较大差距，需要了解趋势，明确方向，发挥国内石油石化装备制造企业的整体优势，重点研发和掌握关键技术，打造自主品牌。