天然气水合物开采技术专利分析

2019-07-05罗玮玮

科技创新与应用 2019年21期

罗玮玮

摘要：文章基于专利数据统计和重点专利分析，对天然气水合物开采技术的发展趋势进行了梳理，同时围绕国内外重要申请人统计、开采技术构成等方面进一步阐述了国内开采技术的优势和短板，为我国相关企业、科研单位的天然气水合物开采计划提供参考。

关键词：天然气水合物；可燃冰；开采技术；专利分析

中图分类号：T-18 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）21-0008-03

Abstract： Based on the statistics of patent data and key patent analysis， this paper combs the development trend of gas hydrate mining technology. At the same time， the advantages and disadvantages of domestic mining technology are further expounded around the statistics of important applicants at home and abroad and the composition of mining technology， so as to provide reference for the exploitation plan of the natural gas hydrate of relevant enterprises and scientific research institutions in our country.

Keywords： natural gas hydrate； combustible ice； mining technology； patent analysis

引言

天然气水合物（Natural Gas Hydrate）又称可燃冰，分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，是由天然气和水在高压（大于100atm）和低温（0～10°C）条件下合成的一种固态类冰状结晶物质；其资源密度高，全球分布广泛，具有较高的研究价值，目前，全球已有30多个国家进行了天然气水合物的研究，我国从上世纪80年代发现可燃冰后，到目前已经取得了一系列重要成果。然而，由于开采技术不成熟、成本高、技术不可控等因素，天然气水合物目前依然无法实现商业开采。为了助力我国的天然气水合物开采计划，本文以专利数据和专利技术为基础，围绕天然气水合物开采技术的申请趋势、地区分布、主要申请人等方面，梳理了天然气水合物开采技术自出现以来的发展趋势和走向，有助于企业和研究机构宏观上了解天然气水合物的开采现状，以及在全球发展中，中国技术的优势和短板，以为后期天然气水合物开采技术的发展和专利布局提供帮助。

1 专利分析方法

本文以S系统为主要检索工具，选取CNABS、VEN作为检索数据库；检索过程中涉及的主要关键词包括：可燃冰，天然气水合物，甲烷水合物，降压，减压，注热，热水，热盐，置換，固体流化，化学剂、抑制剂；gas hydrate， methane hydrate， clathrate hydrate， combustible ice， exploit， mining， excavation， depressurization， exchange， replacement， chemical， Heat， Warm， Thermal， jet等。

分类号取自国际专利分类表IPC和CPC，主要选取的CPC号为：E21B 2043/0115；主要选取的IPC号为：E21B 43/01，E21B 43/24，E21B 43/00，E21B 43/26，E21C 50/00等。

采用上述检索要素得到的专利申请经过降噪和筛选后构成了本文研究的专利申请数据库。

2 分析结果

2.1 天然气水合物的开采技术构成分析

为了对检索过程进行宏观的把握，本文利用IPC分类标准对天然气水合物开采技术所涉及的领域进行了分析和表征，由图1可知，该领域的开采技术专利主要集中在IPC小类E21B中，其次是E21C，C10L，C07C，其它领域涉及甚少。其中，E21B主要涉及土层或钻石的钻进；从井中开采油、气、水、可溶解或可融化物质或矿物泥浆等技术；E21C主要涉及采矿或矿石领域；C10L主要涉及不包含在其他类目中的燃料；天然气； C07C主要涉及无环或碳环化合物。

从技术分支来看，天然气水合物开采的主流方法包括热激励开采法、固体流化开采法、CO2置换法、降压法、以及注化学抑制剂法，占比如图2所示；其中，热激励开采法自出现后，一直作为研究热点至今日，固体开采法出现时间较晚，但由于其经济可行、安全的开采方式得到了重视，保持了较高的研究热度；注化学抑制剂法因为其成本昂贵，研究热度逐年降低。

2.2 天然气水合物开采技术的演进分析

为了更全面的展示天然气水合物开采的技术演进，本文将结合开采领域专利的申请趋势，对其开采方法的发展阶段进行划分，并结合天然气水合物的开采史进一步解读影响申请量变化的内在因素。

从图3可知，就申请国分布来看，天然气开采技术的主要申请量集中在中国、美国、日本，在申请量上，中国具备绝对的优势；但结合天然气水合物开采技术专利逐年申请量中的全球申请量和中国申请量的对比可知，中国的申请量并非来源于历史的累积，而是因为后来居上。

就申请趋势来看，天然气水合物开采技术自1970年出现，经历了较长的萌芽期，直到2002年起，该申请量出现明显的上升趋势，并在2012年以前出现较为平稳的波动；直至2013年，申请量大幅度提升。

萌芽期（1970～2001年）： 1969年，苏联在西伯利亚地区开发麦索雅哈气田，无意中利用降压法和注剂法成功开采了世界上第一个天然气水合物；1970年，苏联的VASILEV公司申请了化学剂开采天然气水合物的第一个专利SU390257A1，随后1972年，苏联的TVANO-FRANK PETER公司继续申请了声波开采天然气水合物的专利SU442287A1；同时，在这一时间段，以美国为首的深海钻探计划（DSDP）开始实施，主要目的是开展天然气水合物资源普查，随着天然气水合物研究的进行，美国的综合性跨国能源公司——康菲石油于1971年申请了以热激励开采天然气水合物的方法专利US3676981A，后在1975年申请了以化学剂开采天然气水合物的方法专利US4007787A；同时，美国的阿科公司（Atlantic Richfield Company）分别于1974年在美国、1975年在加拿大申请了热激励开采天然气水合物的专利；1981年美国的ELLIOT公司以及美国能源部也分别进行了化学剂和热激励开采天然气水合物的专利申请；1985年，作为DSDP计划的延续，一个规模更大、多国合作的大洋钻探计划ODP正式实施；20世纪90年代中期，以DSDP和ODP两大计划为标志，美国、俄罗斯、荷兰、德国、加拿大、日本等诸多国家探测天然气水合物的目标和范围已经覆盖了世界几乎所有大洋陆缘的重要潜在远景地区以及高纬度极地永久冻土带；1993年，第一届天然气水合物国际会议召开，拉开了一个水合物发展的契机；1998年，日本为了国内的水合物藏开采项目立项提供依据，资助加拿大在Mallik地区进行了水合物钻探。

生长期（2002～2012年）：在历时30年的萌芽期阶段，虽然天然气水合物专利申请量低，但在这一段时间所出现的天然气水合物开发重要历时事件为后续天然气水合物的发展奠定了基础，各国的逐步加入也为后续天然气水合物专利的发展积蓄了能量；2002年，日本联合加拿大、美国、印度、德国在Mallik地区进行水合物试采，实验采用的是注热和降压联合法；从专利申请的趋势来看，在这一阶段，申请专利的国家数量增多，同时，天然气水合物开采方法的种类也日趋多样化，直至2002年，目前最主流的天然气水合物开采方法：置换法、降压法、热激法、固体开采法以及化学抑制剂法，均已经进入到人们的视野并继续得到发展；从天然气水合物的发展进程来看，这一阶段中，2004年，美国开始集中研究天然气水合物实验开采模擬研究；2005年，美国对阿拉斯加北坡的水合物资源量进行评估，并进行后期的野外试采工作；2007年-2008年，日本联合加拿大再一次在Mallik地区利用降压法进行了水合物的开采；2009年开始，英国的BP是由公司完成了在阿拉斯加北坡的水合物钻井取样工作，并选定了4个长期试采点。

成熟期（2013～2017年）：从专利库的申请趋势来看，申请量在2013年有了较大幅度的增长，除2017年外，整体趋势较为稳定；这一阶段中，中国申请占据了主导地位，继2011年我国启动天然气水合物试采工程后，2013年，在珠江口盆地东部海域首次钻获高纯度可燃冰，2017年，首次海域天然气水合物试采成功。

2.3 重要申请人

就申请量来看，国内申请以高校研究院为主，中国石油大学、西南石油大学、中科院占领了前三位，这也侧面的证明，目前国内的天然气水合物开采技术还处于基础理论研究阶段，未来的发展方向除了基础的理论研究，还需要进一步侧重于市场的结合，如何利用理论研究助力我国的天然气水合物商业开采将会是未来的重点、难点方向；日本的三井企业占据申请量第6位，日本经过长时间的天然气水合物开采研究，目前已经脱离了纯理论研究阶段，其企业已经开始在理论的基础上，逐渐侧重商业化的开采技术。

在申请量的基础上，继续对其申请方向进行探讨，根据图4可以发现，各申请单位对于化学剂开采法的研究较少，占比较大的开采方法为热激法、固体流化开采法、和降压法；我国的两大石油高校的主要研究方向分别为：热激开采法和固体流化开采法。

3 结束语

天然气水合物的开采技术主要由美国、日本、中国所掌握，其中，中国在申请量上后来居上，而美国、日本的专利技术具备了长期的历史积累和演化；特别的，中国目前的主要研究机构大多数为科研单位或高校，还处于基础理论研究的阶段，相比于美国和日本，需要加快市场化的步伐；就开采技术来说，中国目前以热激励开采法和固体流化开采法为主，中国的固体流化开采法已经处于世界较为领先的地位，但热激励开采法由美国最先提出，且此后由各大石油企业进行了演化和发展，中国在进行热激励开采法研究时，应当更多的关注美国申请，寻找专利空白点，寻求突破。

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