無水壓裂液專利技術分析

何濤 陳委濤 景芋荃

摘要：本文從專利分析角度，通過檢索、統計國內外關于無水壓裂技術的專利申請情況，研究無水壓裂液技術的全球申請態勢、主要專利申請國以及重要專利申請人，以期為國內外相關研發主體提供技術參考。

關鍵詞：無水壓裂液;LPG壓裂;氮氣壓裂;二氧化碳壓裂

中圖分類號：TE357文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著石油工業的快速發展，當前非常規油氣藏尤其是頁巖氣的開采已成為油氣行業發展的重點。目前，國內外油田的壓裂施工采用的“萬方液千方砂”式大型水力壓裂技術是改造非常規氣藏、創造商業產能的關鍵[1]。但是，非常規油氣藏具有孔隙度小、滲透率低等特征，用水力壓裂極易造成水相圈閉傷害，對油氣開采極為不利。并且采用水力壓裂技術會消耗大量的水資源。以頁巖氣為例，根據美國的經驗，一口頁巖氣井鉆井和壓裂所需水量達到1.9×104m3，相當于1 000輛卡車的運水量。四川省長寧-威遠區塊單井壓裂液用水量平均為2.5×104m3，壓裂返排液平均在11 250m3，在開采過程中需要消耗大量的水資源，并產生大量返排液廢水。與美國相比，我國頁巖氣多分布在丘陵、山區地帶，水資源匱乏，交通運輸不便，嚴重制約著頁巖氣的大規模開發。壓裂液中的化學成分將會對地下水造成潛在的危害，返排液廢水的處理也將投入大量的人力、物力，在水資源匱乏、用水形勢越來越嚴峻、環境問題日益突出的情況下，國內外加大了無水壓裂液技術的開發力度[2]。

無水壓裂液幾乎不含水或含水較少，由于與儲層的配伍性好，返排率可達100%，對地層和地層水幾乎無傷害。雖然壓裂前期的成本比水力壓裂高，但無需進行無害化處理便可循環再利用，從長遠角度看，其施工成本和環境成本遠低于水力壓裂技術。無水壓裂液技術主要包括氮氣泡沫壓裂液技術、二氧化碳泡沫壓裂技術、油基壓裂液技術、液態CO2壓裂液技術和超臨界CO2壓裂液技術、液化石油氣（LPG）壓裂液技術及醇基壓裂液技術等[3-5]。這些技術大多是采用液態的氮氣、二氧化碳、烷烴作為基液，添加稠化劑、交聯劑和其他功能性添加劑來配置壓裂液。

無水壓裂液技術具有與儲層流體配伍性好、對儲層幾乎無傷害、造縫能力強、返排迅速徹底以及可循環利用等特點，在不久的未來將成為新型壓裂技術的主力軍。本文旨在通過專利信息的分析，對無水壓裂液的研究進展進行梳理和展望，對主要技術分支進行重點分析。

1 無水壓裂液專利申請趨勢分析

針對無水壓裂液領域的專利技術進行研究，選擇CNABS為中文專利數據庫，DWPI為外文專利數據庫，采用關鍵詞與分類號相結合的方式進行檢索，獲取初步結果后，先進行分類號去噪，再進行逐篇人工篩選去噪、標引等，最終得到關于無水壓裂液的專利技術數據樣本，時間截至2018年6月。

1.1 專利申請態勢

圖1為無水壓裂液專利申請全球和中國分布情況。從圖1可以看出，從20世紀70年代開始，全球范圍內涉及無水壓裂液技術的專利申請量整體上隨時間遞增。

1970—2008年，全球專利處于一個緩慢增長的態勢，專利申請量基本不超過10件。而自2008年以后，無水壓裂液技術專利申請進入一個快速增長的階段，僅2012年一年，專利申請量就超過50件，其原因是隨著大規模水力壓裂帶來的環保問題以及一些無水壓裂技術帶來的較高效益。例如，2008年美國GASFRC公司發明的LPG無水壓裂技術，在400口井實施例了超過1200級壓裂，獲得世界頁巖氣技術發明獎，且該技術被美國《TIME》雜志評為2013年度25項最優秀的發明專利之一，這便激起了各研究機構對無水壓裂液的研究興趣。2013年以后，國際專利申請總量有所下降，這主要源于2013年以后國際油價急劇下跌，各研究機構開始縮減研究經費，石油巨頭之間開始合并、合作，縮減開發規模以應對石油寒冬，如哈里伯頓收購貝克休斯、GE并購貝克休斯等，直接導致了國際專利申請量的下降。整體來看，近年來無水壓裂液技術越來越受到重視，全球專利申請在近年來增長較快，同時也受到國際形勢的影響。

國內無水壓裂液技術的專利申請起步較晚，自20世紀80年代中期才開始出現無水壓裂技術。20世紀80年代至21世紀初期我國處于改革開放發展的時期，石油開發處于初級階段，開發的油田區塊難度較小，水力壓裂技術應用較少，而無水壓裂技術的使用則更少，因此，這一階段無水壓裂技術并未得到發展。2009年以后，我國的油田開發逐漸轉向深層、致密、高難度的油田區塊，同時由于技術發展、環保的需要，國際上對無水壓裂液技術的研究也越來越多，并且我國的知識產權保護制度也越來越完善，因此，無水壓裂技術的專利申請呈現快速增長。而2013年以后，國際油價的急劇下跌對國內以國有企業為主的研究機構來說，影響并不大。整體上來看，同全球專利申請相似，在國內無水壓裂技術的研究已成為熱點。

1.2 主要申請國家/地區

圖2為無水壓裂技術全球的主要申請國家/地區。如圖2所示，無水壓裂液相關專利申請主要集中在美國、中國和加拿大，所占比例分別為38%、26%和17%，三者總量超過80%。美國的石油開采技術領先于全球，在無水壓裂領域具有較強的研發能力及專利布局意識。近年來，我國隨著石油工業的發展，特別是頁巖氣的大規模開發，無水壓裂技術也越來越受到重視。加拿大GASFRAC公司重視對LPG壓裂液的研究，因而加拿大的無水壓裂技術申請量也占有較大的比重，其他如澳大利亞、歐局、俄羅斯、德國等，專利申請量整體不大。由此可見，美國、中國和加拿大是無水壓裂領域的主要研究主體。

1.3 重要專利申請人

圖3和圖4是無水壓裂液全球相關專利的主要申請人排名。從圖3可以看出，申請量最高的是國內的中國石油，其申請量主要集中在中國石油天然氣股份有限公司及中石油的川慶鉆探公司，另外兩家鉆探公司——長城鉆探、西部鉆探也有少量的申請。其次是延長石油、中國石油大學、西南石油大學、中國石化等高校和企業。可見，國內的申請人主要集中在中國石油等國有企業及幾所石油高校，作為國內的主要油氣公司和研究機構，其壟斷性優勢明顯，申請量遠大于其他的民營企業也在意料之中。

從國際申請人來看，哈里伯頓（Halliburton）能源服務公司一枝獨秀，其在無水壓裂液方面的研究領先于各大石油巨頭，在氮氣、二氧化碳、LPG壓裂液方面均有研究，而作為北美最大的工業氣體供應商，向來自各行業的用戶提供各種氣體的普萊克斯公司（Praxair）在氮氣、二氧化碳、氬氣等氣體壓裂方面成果顯著。作為LPG壓裂液的先驅者，加拿大Gasfrac公司在液化石油氣壓裂液方面的技術獨占鰲頭，其他傳統油服巨頭斯倫貝謝（Schlumberger）、康菲（Conocophillips）、道達爾（Total）、BJ和貝克休斯（Baker Hughes）等公司在無水壓裂液領域也有一定的申請量，同時也出現了許多專業型公司，專門從事壓裂方面的研究。從國外的整體情況來看，同國內的壟斷性優勢不同，在無水壓裂液領域的國外的研發主體較多，申請人分布較廣，且出現了許多的新型油服公司，各油服公司之間競爭激烈，在低油價時代，以提供油田服務為基礎的各油服公司更加注重新技術的研發和布局。

2 結語

本文對無水壓裂液技術領域的專利進行了整理分析。從專利全球申請態勢來看，近年來無水壓裂技術專利申請量增長較快，相關專利申請主要集中在美國、中國和加拿大，三者總量超過80%。在整體的研發實力上，國內的中國石油具有數量最多的申請量，其次是國外的哈里伯頓、Gasfrac和斯倫貝謝等國際油服巨頭，在低油價時代，以提供油田服務為基礎的各油服公司更加注重新技術的研發和布局。由此來看，無水壓裂技術將成為新型壓裂技術的主力軍，相關研發主體應不斷突破技術壁壘，形成核心的技術體系，提高石油開采的競爭力。

參考文獻：

[1] 毛金成，張照陽，趙家輝，等.無水壓裂液技術研究進展及前景展望[J].中國科學：物理學 力學 天文學，2017（11）：52-58.

[2] 王俊豪，漆林，龍英.無水壓裂技術研究現狀及發展趨勢[J].石化技術，2016（12）：217-218.

[3] 劉鵬，趙金洲，李勇明，等.碳烴無水壓裂液研究進展[J].斷塊油氣田，2015（2）：254-257.

[4] 李兆敏，張昀，李松巖，等.清潔泡沫壓裂液研究應用現狀及展望[J].特種油氣藏，2014（5）：1-6，151.

[5] 楊發，汪小宇，李勇.二氧化碳壓裂液研究及應用現狀[J].石油化工應用，2014（12）：9-12.