无水压裂液专利技术分析

何涛 陈委涛 景芋荃

摘要：本文从专利分析角度，通过检索、统计国内外关于无水压裂技术的专利申请情况，研究无水压裂液技术的全球申请态势、主要专利申请国以及重要专利申请人，以期为国内外相关研发主体提供技术参考。

关键词：无水压裂液;LPG压裂;氮气压裂;二氧化碳压裂

中图分类号：TE357文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）30-0060-03

Abstract： From the perspective of patent analysis， the global application situation， the main patent application countries and the important patent applicants were studied through the retrieval and statistics of the patent applications of the waterless fracturing technology at home and abroad， in order to provide technical reference to relevant domestic and international institute.

Key words： waterless fracturing; LPG fracturing; nitrogen fracturing; carbon dioxide fracturing

随着石油工业的快速发展，当前非常规油气藏尤其是页岩气的开采已成为油气行业发展的重点。目前，国内外油田的压裂施工采用的“万方液千方砂”式大型水力压裂技术是改造非常规气藏、创造商业产能的关键[1]。但是，非常规油气藏具有孔隙度小、渗透率低等特征，用水力压裂极易造成水相圈闭伤害，对油气开采极为不利。并且采用水力压裂技术会消耗大量的水资源。以页岩气为例，根据美国的经验，一口页岩气井钻井和压裂所需水量达到1.9×104m3，相当于1 000辆卡车的运水量。四川省长宁-威远区块单井压裂液用水量平均为2.5×104m3，压裂返排液平均在11 250m3，在开采过程中需要消耗大量的水资源，并产生大量返排液废水。与美国相比，我国页岩气多分布在丘陵、山区地带，水资源匮乏，交通运输不便，严重制约着页岩气的大规模开发。压裂液中的化学成分将会对地下水造成潜在的危害，返排液废水的处理也将投入大量的人力、物力，在水资源匮乏、用水形势越来越严峻、环境问题日益突出的情况下，国内外加大了无水压裂液技术的开发力度[2]。

无水压裂液几乎不含水或含水较少，由于与储层的配伍性好，返排率可达100%，对地层和地层水几乎无伤害。虽然压裂前期的成本比水力压裂高，但无需进行无害化处理便可循环再利用，从长远角度看，其施工成本和环境成本远低于水力压裂技术。无水压裂液技术主要包括氮气泡沫压裂液技术、二氧化碳泡沫压裂技术、油基压裂液技术、液态CO2压裂液技术和超临界CO2压裂液技术、液化石油气（LPG）压裂液技术及醇基压裂液技术等[3-5]。这些技术大多是采用液态的氮气、二氧化碳、烷烃作为基液，添加稠化剂、交联剂和其他功能性添加剂来配置压裂液。

无水压裂液技术具有与储层流体配伍性好、对储层几乎无伤害、造缝能力强、返排迅速彻底以及可循环利用等特点，在不久的未来将成为新型压裂技术的主力军。本文旨在通过专利信息的分析，对无水压裂液的研究进展进行梳理和展望，对主要技术分支进行重点分析。

1 无水压裂液专利申请趋势分析

针对无水压裂液领域的专利技术进行研究，选择CNABS为中文专利数据库，DWPI为外文专利数据库，采用关键词与分类号相结合的方式进行检索，获取初步结果后，先进行分类号去噪，再进行逐篇人工筛选去噪、标引等，最终得到关于无水压裂液的专利技术数据样本，时间截至2018年6月。

1.1 专利申请态势

图1为无水压裂液专利申请全球和中国分布情况。从图1可以看出，从20世纪70年代开始，全球范围内涉及无水压裂液技术的专利申请量整体上随时间递增。

1970—2008年，全球专利处于一个缓慢增长的态势，专利申请量基本不超过10件。而自2008年以后，无水压裂液技术专利申请进入一个快速增长的阶段，仅2012年一年，专利申请量就超过50件，其原因是随着大规模水力压裂带来的环保问题以及一些无水压裂技术带来的较高效益。例如，2008年美国GASFRC公司发明的LPG无水压裂技术，在400口井实施例了超过1200级压裂，获得世界页岩气技术发明奖，且该技术被美国《TIME》杂志评为2013年度25项最优秀的发明专利之一，这便激起了各研究机构对无水压裂液的研究兴趣。2013年以后，国际专利申请总量有所下降，这主要源于2013年以后国际油价急剧下跌，各研究机构开始缩减研究经费，石油巨头之间开始合并、合作，缩减开发规模以应对石油寒冬，如哈里伯顿收购贝克休斯、GE并购贝克休斯等，直接导致了国际专利申请量的下降。整体来看，近年来无水压裂液技术越来越受到重视，全球专利申请在近年来增长较快，同时也受到国际形势的影响。

国内无水压裂液技术的专利申请起步较晚，自20世纪80年代中期才开始出现无水压裂技术。20世纪80年代至21世纪初期我国处于改革开放发展的时期，石油开发处于初级阶段，开发的油田区块难度较小，水力压裂技术应用较少，而无水压裂技术的使用则更少，因此，这一阶段无水压裂技术并未得到发展。2009年以后，我国的油田开发逐渐转向深层、致密、高难度的油田区块，同时由于技术发展、环保的需要，国际上对无水压裂液技术的研究也越来越多，并且我國的知识产权保护制度也越来越完善，因此，无水压裂技术的专利申请呈现快速增长。而2013年以后，国际油价的急剧下跌对国内以国有企业为主的研究机构来说，影响并不大。整体上来看，同全球专利申请相似，在国内无水压裂技术的研究已成为热点。

1.2 主要申请国家/地区

图2为无水压裂技术全球的主要申请国家/地区。如图2所示，无水压裂液相关专利申请主要集中在美国、中国和加拿大，所占比例分别为38%、26%和17%，三者总量超过80%。美国的石油开采技术领先于全球，在无水压裂领域具有较强的研发能力及专利布局意识。近年来，我国随着石油工业的发展，特别是页岩气的大规模开发，无水压裂技术也越来越受到重视。加拿大GASFRAC公司重视对LPG压裂液的研究，因而加拿大的无水压裂技术申请量也占有较大的比重，其他如澳大利亚、欧局、俄罗斯、德国等，专利申请量整体不大。由此可见，美国、中国和加拿大是无水压裂领域的主要研究主体。

1.3 重要专利申请人

图3和图4是无水压裂液全球相关专利的主要申请人排名。从图3可以看出，申请量最高的是国内的中国石油，其申请量主要集中在中国石油天然气股份有限公司及中石油的川庆钻探公司，另外两家钻探公司——长城钻探、西部钻探也有少量的申请。其次是延长石油、中国石油大学、西南石油大学、中国石化等高校和企业。可见，国内的申请人主要集中在中国石油等国有企业及几所石油高校，作为国内的主要油气公司和研究机构，其垄断性优势明显，申请量远大于其他的民营企业也在意料之中。

从国际申请人来看，哈里伯顿（Halliburton）能源服务公司一枝独秀，其在无水压裂液方面的研究领先于各大石油巨头，在氮气、二氧化碳、LPG压裂液方面均有研究，而作为北美最大的工业气体供应商，向来自各行业的用户提供各种气体的普莱克斯公司（Praxair）在氮气、二氧化碳、氩气等气体压裂方面成果显著。作为LPG压裂液的先驱者，加拿大Gasfrac公司在液化石油气压裂液方面的技术独占鳌头，其他传统油服巨头斯伦贝谢（Schlumberger）、康菲（Conocophillips）、道达尔（Total）、BJ和贝克休斯（Baker Hughes）等公司在无水压裂液领域也有一定的申请量，同时也出现了许多专业型公司，专门从事压裂方面的研究。从国外的整体情况来看，同国内的垄断性优势不同，在无水压裂液领域的国外的研发主体较多，申请人分布较广，且出现了许多的新型油服公司，各油服公司之间竞争激烈，在低油价时代，以提供油田服务为基础的各油服公司更加注重新技术的研发和布局。

2 结语

本文对无水压裂液技术领域的专利进行了整理分析。从专利全球申请态势来看，近年来无水压裂技术专利申请量增长较快，相关专利申请主要集中在美国、中国和加拿大，三者总量超过80%。在整体的研发实力上，国内的中国石油具有数量最多的申请量，其次是国外的哈里伯顿、Gasfrac和斯伦贝谢等国际油服巨头，在低油价时代，以提供油田服务为基础的各油服公司更加注重新技术的研发和布局。由此来看，无水压裂技术将成为新型压裂技术的主力军，相关研发主体应不断突破技术壁垒，形成核心的技术体系，提高石油开采的竞争力。

参考文献：

[1] 毛金成，张照阳，赵家辉，等.无水压裂液技术研究进展及前景展望[J].中国科学：物理学 力学 天文学，2017（11）：52-58.

[2] 王俊豪，漆林，龙英.无水压裂技术研究现状及发展趋势[J].石化技术，2016（12）：217-218.

[3] 刘鹏，赵金洲，李勇明，等.碳烃无水压裂液研究进展[J].断块油气田，2015（2）：254-257.

[4] 李兆敏，张昀，李松岩，等.清洁泡沫压裂液研究应用现状及展望[J].特种油气藏，2014（5）：1-6，151.

[5] 楊发，汪小宇，李勇.二氧化碳压裂液研究及应用现状[J].石油化工应用，2014（12）：9-12.