基于专利分析页岩气勘探技术的发展态势*

史 政 ，钱门辉 ，陶 成

（1.中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126；2.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，江苏 无锡 214126）

页岩气是指泥页岩中所包含的游离气、吸附气与溶解气。作为一种非常规油气类型，页岩气是常规天然气的潜在替代能源，也是一种清洁的环保能源[1-2]。

页岩气的发育具有广泛的地质意义，存在于几乎所有的盆地中，由于埋藏深度、含气饱和度等差别较大分别具有不同的工业价值。从世界范围来看，泥页岩约占全部沉积岩的60%，页岩气资源前景巨大，主要分布于北美、中亚、中国、拉丁美洲、中东、北非等地区[2]。

目前对页岩气进行商业开发的国家主要有美国、加拿大和中国。北美页岩气开发发展油气迅速，已经实现了高效、规模开发，成为北美天然气供应的重要来源。有机构预测2040年美国页岩气产量将达到5.6 千亿方，占届时美国天然气总产量的53%。目前，德国、法国、英国、波兰等欧洲国家也已经充分认识到了页岩气资源的重要价值和广阔前景，着手进行相关的基础研究、资源评价、工业开采实验等勘探开发工作[2-3]。页岩气大规模的商业开发将深刻影响着国际政治和经济格局。

2000年以来，我国政府和相关企业也已开始高度重视页岩气的勘探开发，密切关注北美页岩气的发展动态，借鉴北美页岩气勘探开发经验，广泛地进行国际交流与合作。中国页岩气资源潜力巨大，如南方海相页岩地层（下寒武统、上奥陶统-下志留统）有机质丰度可达到很好-极好，为中国页岩气勘探最具潜力的地区，而北方湖相页岩地层也具有很好的勘探前景[2-3]。据统计，我国页岩气资源量达80 万亿方。

1 技术背景与技术现状

1.1 技术背景

20 世纪70年代，美国实现了第一口页岩气井钻探，从此进入页岩气勘探的高速发展期，目前已经成为全球范围内页岩气开采技术领先、探明页岩气最多的国家。继海相页岩气突破之后，海相页岩油已成为全球非常规油气发展的亮点领域，使美国朝着能源独立国家的战略目标，迈出了坚实的步伐，引领着全球石油工业从常规油气向非常规油气的跨越。

21 世纪开始，我国地质学家开始高度关注国内页岩气的地质形成与勘探开发[4]。2010年我国第一口页岩气勘探评价井威201 井获工业气流。经过10年的持续攻关，我国的页岩气勘探开发取得了快速发展，陆续在四川盆地、渝东-鄂西、滇黔北、湘西等地区五峰-龙马溪组发现页岩气，并在四川盆地长宁-威远、昭通、富顺-永川、涪陵等地区获得工业页岩气产量。特别是2012年钻探的焦页1 井，在涪陵地区发现了焦石坝龙马溪组大型页岩气田，充分展示了五峰-龙马溪组海相页岩地层的页岩气资源潜力和前景。

页岩气资源尽管资源量丰富，有很大的勘探开发空间，但是非常规油气资源的性质决定了气勘探开发的技术要求远高于常规石油天然气。且由于中国地质条件复杂，尤其是构造演化、沉积环境、热演化过程不同，使得不同地区页岩气的形成和富集均存在许多差异[2-3]。地质理论和勘探技术仍然是制约页岩气大气区（田）发现的关键因素。因此，深入剖析我国的页岩气勘探开发技术，可以为我国页岩气的规模发展提供有益的借鉴。

在如今中美贸易摩擦与激烈的竞争格局之下，能源领域、包括页岩油气领域的竞争在所难免，知识产权成为了一个绕不开的话题，也在竞争中发挥着越来越重要的战略作用。

1.2 技术现状

作为非常规油气勘探的一种，页岩气的勘探是一项系统工程，涉及到地质、工程、经济及环境等多个方面。

在全球范围内，美国是目前页岩气开采技术领先、探明页岩气最多的国家，其页岩气的成藏条件也非常优越。美国页岩气由南部地区的巴内特，到海恩斯维尔，再到东部地区的马塞勒斯，持续获得重大发现，已在20 多个盆地进行页岩气勘探开发。另外，阿根廷、阿尔及利亚、加拿大、墨西哥、澳大利亚的技术可采资源量、及其全球占比也均处于排名前列。

近年来，我国的页岩气勘探开发取得了快速发展，页岩气资源勘查和勘探表明，我国的页岩气资源主要分布于3 大相、9 个领域、16 个层系。其中，海相包括南方古生界（震旦系、下寒武统、上奥陶统-下志留统、泥盆系、石炭系），北方上古生界海相（石炭系、二叠系）；陆相包括东部断陷盆地古近系、四川盆地及周缘上三叠统-下侏罗统、鄂尔多斯三叠系、西北地区侏罗系、东北地区白垩系；海陆过渡相包括华北地区（石炭系、二叠系）、南方二叠系。

技术市场方面，国外页岩气勘探技术主要参与者有埃克森美孚、哈里伯顿、斯伦贝谢等公司和相应的研究机构。不同公司研究的侧重点有所不同，且形成了各自的技术布局特点。如哈里伯顿公司主要集中于地层测试、核磁测井、地层三相流体评价以及岩石孔隙度、渗透率、流体测试等方面；斯伦贝谢公司侧重于非常规样品吸附特性、孔隙微观结构以及地层流体识别评价方向。国内页岩气勘探技术主要参与和开发者主要是中国石化、中国石油、高等院校等，且各主要研究机构研究的侧重点不同，如在地球化学方面，中科院系统以生烃模拟方向为主，中国石油与中国石化除了生烃模拟方面，在页岩气烃源岩评价方法方面也颇具研究实力。

表1 页岩油气勘探技术分解表

表2 一级技术检索要素表

图1 1990年以来全球页岩油气勘探技术专利申请情况

总体上看，与国内主要技术竞争者相比，国外主要竞争者侧重于油气勘探开发密切相关的领域和方向，直接服务于生产的目的性非常明确。

2 技术分解与检索策略

2.1 技术分解

在深入分析技术本身的基础上，本次研究对页岩油气勘探技术进行了合理的技术分解，以期在检索的时候可以更全面使用关键词和检索表达式。页岩油气的勘探技术在二级技术方面主要包括四个分支：地球化学评价、储层分析测试、井筒及现场评价以及资源评价和预测，各个技术分支也分别涵盖不同的范围（如表1）。

2.2 检索策略

为保障检索结果的全面性和准确性，本次研究重点采用了以下检索策略。

（1）三级检索要素中英文检索。

在检索过程中，为了查全查准，研究人员针对一（如表2）、二、三级技术进行了中英文全面检索。尤其在二、三级检索中，详细参照表1 中的技术要素，通过形式、角度、效果等多方面进行了关键词扩展，共设置了120 余项关键词，对其进行中英文检索，以保障各种专利撰写形式均落入检索范围。在此基础上，针对重点申请人，通过阅读和对比，分析其页岩油勘探技术相关专利申请是否已纳入本项目的检索范围。

（2）有效利用分类号

检索过程中，由于在关键词的逻辑表达方面存在无法穷举的客观因素，本次研究充分依靠分类号来进行弥补，为此本次研究在分类号的选取上同样采取了有效的策略，尽可能地使用技术细分更多、更加全面准确的CPC，通过统计的手段获取最相关的分类号。为保证准确率，进一步采取了抽样人工阅读、删除不相关文献的措施。

本次专利检索截止时间为2019年4月30日，检索结果具备统计意义，但由于专利申请日和公开日具有一定的时间差，在统计图表中可见2017 和2018年个别数据明显下降，这是由于众多专利未公开的缘故。

3 技术分布特征

表3 全球专利布局的主要国家/地区

表4 全球专利发明人国际分布情况

图2 中国专利申请趋势

3.1 全球分布特征

经过检索与数据清洗，本次研究共页岩气勘探技术相关专利1417 件，属于1122 个简单同族，平均每个简单同族中有1.3 件专利，其中包括申请公开850 件，授权公开567 件。从法律状态的角度来看，有效专利数量为1173 件，失效专利数量244 件，有效专利包含484 件有效授权专利和689 件审查中的专利。

从申请趋势来看，2007年以来专利的申请量总体保持上升趋势（如图1），2015年单个年度出现下降，随即在2016年反弹并超过2014年水平。2017 和2018年的下降是因为部分专利尚处于未完全公开状态。经分析2015年由于西德克萨斯中间基原油（WTI）价格大幅跳水，勘探投资的下滑对专利的申请产生了消极影响，随着2016年油价反弹，页岩油气相关专利申请量得到反弹。

从空间布局来看，全球专利布局的主要国家和地区主要包括：中国（1012 件）、美国（103 件）、加拿大（42件）、EPO（34 件）和加拿大（34 件）。这表明中国、北美地区和欧洲地区是申请人较为重视的目标市场。中国专利在全球专利中的占比约为71.4%，美国专利占比约为7.3%，PCT 申请占比约为6.5%（如表3）。

从技术来源分析，全球专利发明人国籍分布中，首个发明人为中国籍的专利共有1010 件，首个发明人为美国籍的专利共有292 件，首个发明人为韩国籍的专利共有29 件，来自中国发明人和美国发明人的专利合计占比达到了91.9%，表明页岩气勘探技术主要掌握在中国和美国手中（如表4）。

表5 中国专利主要申请人

3.2 中国分布特征

中国专利共有1012 件，其中申请公开587 件，授权公开425 件，从法律状态的角度来看，有效专利922 件，失效专利90 件，包含有效授权354 件和审查中的专利申请568 件。中国有效专利的占中国专利数量的91.1%，表明中国的专利储备情况良好。

从时间来看，2009年起总体维持上升态势（如图2），仅在2015年时出现单个年度的小幅下降，但在2016年出现反弹，并且超过了2014年的申请量，同全球专利申请趋势相同，2017 和2018年的专利申请尚未完全公开，申请趋势曲线下降并不能说明这两年真实申请量的下降。

从专利申请人来分析，中国石化的专利申请数量（包含发明专利和实用新型两种专利共178 件）和发明专利数量（167 件）均为排名第一位，表明中国石化在该领域中处于绝对的龙头地位。专利数量排名前15 位的专利申请人全部为国内的企业/高校/科研院所，包括9 家高校和中科院（如表5）。

3.3 主要专利权人

从主要申请人来看，页岩气勘探专利申请的前20 家竞争者（如表6），主要分布在中国、美国、沙特、韩国及部门欧洲地区。从表中分析可以看出，中国专利申请的特点是大规模的在中国进行专利布局，很少对外进行布局，韩国与中国类似，而欧美则是多采用简单同族数并不特别多的情况下，一个简单同族下对多个国家布局的策略。

4 竞争态势分析

4.1 全球专利态势分析

自2007年以来该领域在全球的专利申请总体保持上升态势，结合有效专利数量远大于失效专利数量来看，表明该技术领域处于快速成长的阶段。中国专利在全球专利中的占比约为71.4%，美国专利占比约为7.3%，PCT申请占比约为6.5%。中国、北美地区和欧洲地区是申请人较为重视的目标市场。来自中国发明人和美国发明人的专利合计占比达到了91.9%，表明页岩气勘探技术主要掌握在中国和美国手中。中国籍发明人的专利数量和中国专利的数量大体相当，表明中国籍发明人在国外布局的专利数量与外国籍发明人在中国布局的专利数量大体相当。美国籍发明人的专利数量占比全球专利20.6%与美国专利数量占全球专利数量7.3%表明美国向美国以外的地区布局了大量专利。

中国的多家企业、高校、科研院所拥有较强的专利技术实力，包括中国石化、中国石油、中国石油大学、西南石油大学、中国地质大学、中国科学院和成都创源油气技术开发有限公司等。跨国企业方面，埃克森美孚、斯伦贝谢、哈里伯顿、康菲、贝克休斯、雪弗龙、沙特阿拉伯石油和壳牌等国际知名油企也拥有较强的竞争力。

表6 页岩气勘探技术专利申请数量排名前20 位的主要竞争者

从IPC 分类的角度来看，排名前五位的IPC 分类号下均有超过100 件专利，E21B 49/00（测试井壁的性质；地层测试；专用于地表钻进或钻井以便取得表土或井中液体试样的方法或设备），G01N 15/00（测试颗粒的特性；测试多孔材料的渗透性，孔隙体积或者孔隙表面积），G01N 7/00（通过测量气体或蒸气的压力或体积分析材料），G01N 33/00（特殊方法来研究或分析材料）和G01V 1/00（地震学；地震或声学的勘探或探测）。

4.2 中国专利态势分析

中国页岩油气勘探技术相关专利共有1012 件，包含申请公开587 件，授权公开425 件；包含有效授权354件、审查中专利申请568 件和失效专利90 件。有效专利与失效专利比为9：1，表明中国的专利储备情况良好。因中国专利占全球专利比例较高，与全球专利申请趋势大体相同，总体保持上升态势。

中国石化的专利申请数量（包含发明专利和实用新型两种专利共227 件）和发明专利数量（213 件）均为排名第一位，表明中国石化在该领域中处于绝对的龙头地位。专利数量排名前20 位的专利申请人中，前19 位为国内的企业/高校/科研院所，包括12 家高校和中科院，这表明中国存在较大的校企合作空间。

从IPC 分类角度来看，排名前四位的E21B 49/00（测试井壁的性质；地层测试；专用于地表钻进或钻井以便取得表土或井中液体试样的方法或设备）、G01N 15/00（测试颗粒的特性；测试多孔材料的渗透性，孔隙体积或者孔隙表面积）、G01N 7/00（通过测量气体或蒸气的压力或体积分析材料）和G01N 33/00（特殊方法来研究或分析材料）的合计占比超过了50%。

5 存在问题与建议

中国关于页岩气勘探技术的有效专利申请数量是美国专利的接近10 倍，远领先于竞争对手国家，甚至远超大部分竞争对手国家的全部专利数量，专利储备充足。可以看出中国相对于其他竞争对手起步略晚，但增长态势迅猛。

但是，值得指出的是：

（1）中国的专利数量虽然众多，但海外布局很少，这会导致国外企业在国外免费使用其技术的威胁，而高价值的专利技术仅在中国境内对以中国企业为主体的行业竞争者形成限制。因此，我国申请人在申请专利的时候，应当参考国际龙头企业经验，对技术和专利进行梳理，从适应性、易保护性、经济价值方面考虑，有选择地捆绑专利，在海外进行布局。

（2）中国有相当数量的专利申请属于实验室内的分析方法，是竞争对手不容易获取的技术信息，申请专利的必要性不高。因为即使获得授权，如果竞争对手在己方实验室采用相关方法，也很难发觉和采取相关措施，这样的专利申请通常无法起到对技术的有效的保护。因此，不提倡将单纯的实验室分析方法申请专利，而建议通过实验方法与设备的一体化进行专利布局。

（3）建议相关企业和机构设立专项基金，将技术和装备引进相结合，对专利技术成果进行有效转化和运用，实现创新与创效的一体化。同时，要大力推广国内标准，并积极参与国际相关标准的制定，将我国在该领域的优势竞争力更加具体化、有形化。