頁巖氣技術專利數(shù)據(jù)分析

0頁巖氣勘探開發(fā)需進一步加強巖流是一種常見的天然氣，隱藏在帶頁巖和粘土巖的自由狀態(tài)。它具有清潔高效的特點，是世界能源市場結構的強大力量。近年來,隨著美國頁巖氣商業(yè)化的成功開發(fā),頁巖油氣的產(chǎn)量飆升,大幅降低其對進口石油的依賴。因此,頁巖氣不斷引起全世界的重視,其它各國也紛紛加入頁巖氣勘探開發(fā)的研究隊伍中。非常規(guī)天然氣的開發(fā)利用技術日趨成熟,將成為常規(guī)天然氣最現(xiàn)實的替代資源。據(jù)測算,中國頁巖氣資源貯量世界第一,約36萬億立方米。雖然,我國頁巖氣資源總量龐大,但目前頁巖氣的開發(fā)利用暫處于起步階段,勘探技術還不成熟,成藏理論有待深入研究,沒有形成核心的技術體系。亟需結合國外勘探經(jīng)驗,提高定向水平、洞穴完井、頁巖層保護和壓裂等方面的技術,從而實現(xiàn)我國頁巖氣的可持續(xù)高效開發(fā)。國家能源局頒布《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃(2011-2015年)》,以大力推動我國頁巖氣勘探開發(fā),增加天然氣資源供應,緩解我國天然氣需求壓力,調整能源結構,促進節(jié)能減排。本文以頁巖氣領域技術為研究對象,在科技文獻和專家咨詢的基礎上,結合專利數(shù)據(jù)對全球頁巖氣相關技術的發(fā)展態(tài)勢、技術分布和研究熱點進行分析,以期全面展現(xiàn)全球頁巖氣技術的整體發(fā)展態(tài)勢,為日后規(guī)劃我國頁巖氣領域發(fā)展提供科學的參考和依據(jù)。1因公的學習而產(chǎn)生的檢索時間數(shù)據(jù)來源:湯森路透的德溫特創(chuàng)新索引專利數(shù)據(jù)庫(DerwentInnovationIndex,簡稱DII),檢索表達式為TS=(shalegas),檢索年限設定為1963-2013(所有年份),得到頁巖氣技術相關專利(族)共2593條記錄構成本文的樣本數(shù)據(jù)(檢索時間為2013年7月21日)。分析工具:湯森科技集團的數(shù)據(jù)分析工具ThomsonDataAnalyzer(簡稱TDA)、陳超美博士研制的可視化文獻分析工具CiteSpace和雷登大學CWTS實驗室開發(fā)的科學知識圖譜繪制工具VOSviewer。2國內外巖氣技術的研究2.1頁巖氣的發(fā)展歷程及展望通過對每年專利量的分析,清晰地展示出頁巖氣技術領域的整體發(fā)展脈絡。截至2013年7月21日,全球頁巖氣領域專利(族)共2593件。圖1顯示德溫特專利數(shù)據(jù)庫中收錄的頁巖氣領域每年新增專利數(shù)量的情況,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2012年、2013年的數(shù)據(jù)僅供參考,不代表此階段發(fā)展趨勢。頁巖氣的研究發(fā)展經(jīng)歷過兩個快速發(fā)展期,第一次快速發(fā)展在1980-1983年期間,此階段絕大多數(shù)的專利來自美國,當時美國政府對非常規(guī)燃料實施了免稅政策刺激企業(yè)對頁巖氣開發(fā)的投資。Mitchell能源公司成功鉆探了一口頁巖氣井,更是引起了其它能源公司對頁巖氣的興趣。但石油危機過后天然氣價格回落,隨后幾年頁巖氣的開發(fā)喪失了經(jīng)濟性優(yōu)勢,被各公司冷落直接導致這一階段的專利量不升反降,發(fā)展遇到瓶頸,技術創(chuàng)新緩慢。第二次快速發(fā)展在2008年以后,美國和加拿大的頁巖氣商業(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。其它國家開始重視頁巖氣的勘探開發(fā),而中國也成為頁巖氣領域專利研發(fā)活動較活躍的國家,可見我國對頁巖氣能源未來前景的重視。按照目前趨勢,未來一段時間內國際上依然會保持對頁巖氣研究重點關注的態(tài)勢,以期頁巖氣的勘探開發(fā)能在更多國家和地區(qū)實現(xiàn)。2.2頁巖氣研究領域從頁巖氣技術的專利受理國家來看(圖2),排名前5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(USPTO)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,可見美國在頁巖氣研究領域占據(jù)著主導核心的地位。整體上,圖2的10個國家可劃分為3個階梯區(qū)間。第一區(qū)間:美國;第二區(qū)間:中國、俄羅斯、日本和德國;第三區(qū)間:英國、法國、澳大利亞、加拿大和西班牙。近3年專利總量增長較快的國家如表1所示,中國的專利活動最為活躍,處于快速增長期,近3年共產(chǎn)生專利219件,占其專利總量的52%,每年專利量甚至超越美國,證明我國非常重視頁巖氣的開發(fā)以及國外企業(yè)對中國市場的關注。美國近3年的新增專利208件,占其總量的14%。中國和美國是近年來頁巖氣領域發(fā)展較活躍的國家,專利數(shù)量都在200個以上;而歐洲國家的專利數(shù)量增長相對緩慢,近3年每個國家的新增專利平均在10個左右。2.3citepace網(wǎng)絡架構通過對專利權利人的整體分析,頁巖氣專利大多數(shù)來自超大型的跨國能源公司,美國能源企業(yè)占據(jù)了絕大部分(詳見表2)。專利擁有數(shù)量排名前10位的機構中有8家來自美國企業(yè),其中?？松?Exxon)公司和西方石油(OceanicOil)分別以110件、106件專利位居專利權人擁有專利數(shù)的前兩位。除了美國的能源公司,排名靠前的專利權人還有荷蘭殼牌(Shell)和中國石化(Sinopec),分別排在第3位和第5位。利用CiteSpace繪制專利權人和突現(xiàn)詞的混合共現(xiàn)網(wǎng)絡,結果如圖3所示。圖中每個圓圈代表一個專利權人,每個小方塊代表一個突現(xiàn)詞,圓環(huán)的顏色對應著不同年份的引用時間序列,圓環(huán)的厚度與該專利權人出現(xiàn)的次數(shù)成正比。分析CiteSpace效果圖,目前處于領先地位的主要專利權人多數(shù)在1980年以前就進入頁巖氣領域的研究。20世紀80年代,美國掀起了第一波頁巖氣開發(fā)的熱潮,關于垂直鉆井技術的突現(xiàn)詞涌現(xiàn),表明該階段的專利研究主要是垂直鉆井方面。2000年以后,隨著美國德克薩斯Barnett頁巖率先被成功開發(fā),水力壓裂和水平鉆井技術逐漸成熟并被運用到與Barnett頁巖地質條件和結構類似的其它頁巖層,技術革新讓頁巖氣產(chǎn)業(yè)再次出現(xiàn)質的變化。觀察圖3,2000年后產(chǎn)生很多新公司,雖然它們研究的深度和規(guī)模都還遠遠不如傳統(tǒng)的能源公司,但是在研發(fā)活動中也十分活躍,推動著頁巖氣領域技術不斷地向前發(fā)展。2.4系統(tǒng)集成統(tǒng)計分析對頁巖氣技術的領域分布分析可直接關注本領域內主要競爭對手的專利研發(fā)活動方向及行業(yè)熱點。為了系統(tǒng)地了解頁巖氣領域專利的研究重點,本文利用國際分類號(IPC)對專利數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,頁巖氣技術領域的專利數(shù)排名前10的IPC分類號如表3所示。頁巖氣的主要研究領域C10G、E21B和C10B方面的專利數(shù)遠大于其他技術方面的專利數(shù)。C10G和C10B是頁巖氣的開采后干餾、液化和提取的相關專利;E21B為頁巖氣開采和測量的相關技術,包括地質勘探和鉆井完井。頁巖氣的地質勘探與其它油氣勘探手段類似,借助人造地震進行勘探,然后對頁巖氣井測井評價、錄井解釋,最終將所得數(shù)據(jù)收集到實驗室測試分析;頁巖氣的鉆井完井技術又包括井眼軌跡控制、鉆井液、取心工藝、固井工藝、射孔優(yōu)化等技術。2.5被引次數(shù)較多的文章對頁巖氣領域的專利引用參考文獻運用社會網(wǎng)絡分析方法分析,構建網(wǎng)絡關系圖譜(圖4),該網(wǎng)絡中共有節(jié)點567個,連線616條,中心度為0.038。知識圖譜中節(jié)點按照引用次數(shù)排序,得到被引次數(shù)最多的5篇文章,即頁巖氣領域較為核心的科技文章,它們都是關于頁巖氣領域的理論基礎相關研究,具體如表4所示。圖譜中最核心的文章是由作者TissotB.P.在1984年出版的《PetroleumFormationandOccurrence》。該書介紹了石油、天然氣和油田水的基本特征,并重點闡述了油氣氣藏和生成的基本原理,為近20年來的頁巖氣領域地質學的發(fā)展奠定了基礎。其它4篇文章也是中心度較大的節(jié)點,近些年頻繁被很多專利所引用。共被引文獻網(wǎng)絡圖呈現(xiàn)了一張清晰的引用文獻可視化結果圖,便于專利分析人員直觀、快速地定位到關鍵節(jié)點,以便展開后續(xù)的科研活動。2.6頁巖氣技術的熱點領域德溫特手工代碼對頁巖氣研究的技術領域的分類更準確,解釋更具體,對技術分類更有指導意義,這里選擇德溫特手工代碼對頁巖氣專利的熱點技術領域分布進行分析。先對專利數(shù)據(jù)的進行預處理,選取專利數(shù)據(jù)的專利號PN和德溫特手工代碼MC兩個字段,導入Uninet構建手工代碼MC之間的共現(xiàn)矩陣和網(wǎng)絡,具體邏輯過程如圖5所示。隨后將Ucinet導出的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)輸入到VOSviewer繪制頁巖氣研究領域的熱點主題知識圖譜(見圖6)。區(qū)域顏色色調由深到淺的轉化(黑-灰-白)和區(qū)域文字字體由大到小,都表示對應技術領域研究密度由大到小變化的過程。根據(jù)熱門程度不同,我們將研究主題劃分為熱點領域、邊緣領域和冷門領域。分析上面的熱力圖,頁巖氣技術的熱點領域為:a.先進的壓裂和鉆井設備H01-D10(生產(chǎn)頁巖氣的相關設備)包括鉆頭材料、錄井儀器、鉆井儀表以及各種井下石油工具等。b.提高生產(chǎn)效率的催化劑H04-F02B(石油裂化催化劑)、H04-B02(石油加工催化劑)、H04-F02E(其他石油生產(chǎn)過程的催化劑)和H04-F02A(石油處理催化劑)。c.油氣處理和開發(fā)方法E10-J02C3(脂肪族碳氫化合物烯,其他生產(chǎn)方法)、E10-J02D(脂肪飽和碳氫化合物)。d.氣體凈化、提純E11-G02(裂化,其他碳-碳鍵斷裂)、N07-F02(脫烷基化、裂化、解聚),應用氣體分離技術,從頁巖氣中脫碳提純甲烷,凈化氣體。3頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況頁巖氣與傳統(tǒng)石油能源相比,有高效、低成本、清潔等綠色環(huán)保的優(yōu)點,是世界各國極力探索開發(fā)的新能源。本文通過對頁巖氣領域的專利數(shù)量增長趨勢、專利申請國家分布、專利權人格局、技術主題和文獻引證關系等方面的分析,研究了頁巖氣領域的整體國際發(fā)展態(tài)勢。美國已成功實現(xiàn)頁巖氣的商業(yè)化開發(fā),配套的設備和技術也逐漸成熟。而我國頁巖氣資源儲量豐富,卻開發(fā)利用還處于比較低的水平。應積極采取措施,加速我國頁巖氣的勘探開發(fā),縮短頁巖氣商業(yè)化的過程:a.美國頁巖氣領域已經(jīng)歷萌芽期、快速發(fā)展期,目前處于技術成熟期,相關技術實現(xiàn)市場化,形成一條穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)鏈。我國頁巖氣發(fā)展較美國還有一定差距,處在快速成長期,正向產(chǎn)業(yè)化階段靠近。我國應加強科學技術研究,國家層面設立專項科技基金,集中力量攻克技術難關。b.從美國頁巖氣技術的發(fā)展歷史來看,目前我國亟需發(fā)展的技術應是頁巖氣藏儲層的識別、測量和改造技術以及鉆采工藝技術。由于我國頁巖氣藏儲層的地質條件與北美地區(qū)的地質條件存在很大的差異,不能完全照搬美國經(jīng)驗。應針對我國獨特的地質環(huán)境自主創(chuàng)新,建立適合我國特定條件的頁巖氣開發(fā)技術體系。c.國外領先專利權人以大型跨國能源企業(yè)為主,注重企業(yè)間的合作,形成產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展的模式。國內研究工作相對獨立封閉,應開展更多的國際交流,跟蹤世界前沿的頁巖氣相關技術的發(fā)展動態(tài)?？蒲袡C構與企業(yè)相互合作,借鑒美國企業(yè)的運營模式,積極引進頁巖氣開發(fā)技術。d.國家政策扶持引導,政府部門出臺相應的財政補貼和稅收減免,對高端技術的推廣和應用給予優(yōu)惠政策。完全實行市場化競爭機制,鼓勵民營資本參與投資,推進頁巖氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。2.2.1美國頁巖氣的發(fā)展情況。美國最早開始在頁巖帶上鉆井尋找天然氣,并于1821年在紐約州附近開鉆第一口頁巖氣生產(chǎn)井,隨后美國便進入頁巖氣的早期勘探階段。20世紀70年代石油危機爆發(fā),使得非常規(guī)天然氣進入油氣開發(fā)商的視野。美國能源信息委員會啟動多項頁巖氣的地質理論和勘探開發(fā)的相關項目,包括地球地理、化學和氣藏工程等一系列研究,頁巖氣成為開發(fā)天然氣資源的新目標。近30年,美國政府投資60億到頁巖氣的勘探開發(fā)中,用于教育培訓和科學研究的費用也多達10億美元。2009年,美國超越俄羅斯成為天然氣產(chǎn)量世界第一大國。美國頁巖氣快速發(fā)展得益于這幾種關鍵技術:頁巖氣藏分析、地層評價、鉆井完井、水平壓裂和先進的生產(chǎn)系統(tǒng)集成技術,同時產(chǎn)生了一批頂尖的服務公司為全球其它國家頁巖氣開發(fā)提供技術和設備支持。2.2.2加拿大頁巖氣的發(fā)展情況。加拿大是繼美國后第二個對頁巖氣實現(xiàn)商業(yè)化發(fā)展的國家,其頁巖氣資源主要集中在西部地區(qū),地質結構與美國類似,直接將美國的成熟技術移植和應用到當?shù)?所以加拿大在專利研究上表現(xiàn)平平。加拿大產(chǎn)業(yè)扶持政策也參考美國的產(chǎn)業(yè)政策,對油氣開發(fā)商提供收稅優(yōu)惠;對研究機構的科研項目給予資助;并在環(huán)境保護方面出臺指導意見。由于缺乏經(jīng)驗,加拿大在頁巖氣的開采過程給環(huán)境帶來一定的污染。出于對環(huán)境保護的考慮,加拿大石油生產(chǎn)商協(xié)會2011年發(fā)布了《頁巖氣發(fā)展水力壓裂技術指導條例》,明確要求加強水、液體的資源管理和使用信息披露。2.2.3歐洲頁巖氣的發(fā)展情況。西歐的頁巖氣儲量約為14.4×1012m3,與北美相比,歐洲地質環(huán)境更復雜,地域分割性更強。2007年在德國波茨坦成立了第一個頁巖氣的獨立研究機構。歐盟聯(lián)合多國專家,制定了由國家級實驗室、地質研究局、咨詢機構和高等院校等多家研究機構參加的GASH計劃,希望完成對歐洲頁巖氣資源潛力的評估,并與美國實現(xiàn)頁巖氣產(chǎn)出的B