陸桃妹,唐弟官,張芹
中國石油大學(北京)圖書館,北京 102249
頁巖氣作為一種新型非常規能源,具有儲量豐富、開采周期長、清潔環保等優勢,已在世界范圍內掀起一場革命。當前世界頁巖氣總可采儲量為187萬億m3,而中國頁巖氣可采儲量為36萬億m3,位居世界第一,因此大力研發適合我國頁巖的高效開采技術可產生巨大的經濟效益[1-9]。
頁巖氣開發主要依靠長水平井鉆井技術和大規模壓裂開采技術,近些年我國在頁巖氣壓裂技術方面的研究呈逐年增加態勢且成果顯著,但相比于歐美等發達國家仍具有一定的差距。隨著知識經濟和信息技術的蓬勃發展,專利作為一項技術或產品的科技價值和商業價值的綜合載體,能很好地反映某一領域科技發展的最新趨勢及產業動態,是衡量一個國家或組織科技創新能力及生產力轉化水平的重要指標[10]。同時隨著大數據時代的到來,將大數據技術應用到專利信息分析領域,可更高效地從海量數據集合中提取挖掘高價值信息,提高分析結果的準確性和時效性。而如何緊跟時代步伐,利用好數據資源、創新服務模式則成為圖書館信息服務所面臨的重大考驗。
本文利用大數據分析軟件對近年來全球范圍內頁巖壓裂領域相關技術及產品的專利信息進行了大規模檢索和統計,從專利角度分析了頁巖壓裂領域技術發展趨勢、技術分布狀況及研究熱點,發掘了核心技術,以期多角度展現全球頁巖壓裂技術的整體發展態勢,為我國頁巖壓裂領域技術發展及創新提供科學的參考和依據,同時也為圖書館開展專利信息服務提供方法借鑒。
為保證頁巖壓裂相關專利數據的全面詳實,專利信息數據分別來源于中國國家知識產權局[11]、Total Patent[12]和Lexis Nexis Patent Strategies[13](下文可簡稱LNPS) 3個專利檢索平臺。其中,中國國家知識產權局主要用于檢索中國頁巖壓裂專利,而Total Patent和LNPS則可同時用于檢索包括中國在內的世界80多個主要發達及發展中大國的頁巖壓裂專利。
專利信息分析采用LNPS分析平臺,該分析平臺可對比分析全世界范圍內的專利記錄,在短時間內形成一個技術領域專利全景圖,并且采用可視化方式表示出來,從而更加全面清晰地解析一個組織的知識產權或一項專利的價值。
為了數據的全面性,筆者以專利摘要、標題及權利要求3個選項中涉及的關鍵詞“頁巖”與“壓裂”的專利為檢索范圍,即在LNPS平臺中以“@(abstract,claims,title)(shale and fractur*)”為檢索式進行檢索,并結合TP平臺以“Title=((fracture* and ( shale or bind or “cleaving stone” or schiefer or shaliness))or 頁巖 and壓裂)or Abstract((fracture* and ( shale or bind or“cleaving stone” or schiefer or shaliness))or 頁巖 and壓裂)or claim ((fracture* and ( shale or bind or “cleaving stone” or schiefer or shaliness))or 頁巖 and壓裂)”為檢索式及國家知識產權局以“關鍵詞=(頁巖 AND 壓裂)OR 摘要=(頁巖 AND 壓裂)OR 發明名稱=(頁巖 AND壓裂)OR 權利要求=(頁巖 AND 壓裂)”為檢索式進行檢索的結果。檢索截止日期為2018年8月10日。通過這3個數據庫的檢索、合并與去重清洗等,獲得本次研究所需基礎數據。
對采集的專利進行定量和定性分析結合,利用LNPS平臺對頁巖領域的專利申請趨勢、主要申請人、技術領域分布、高強度專利等進行不同角度的分析與討論。
截至2018年8月10日,國內外關于頁巖壓裂領域的專利文獻共3688件,具體組成見表1。對所有專利進行簡單同族縮減后得到基本專利為1866件,每件基本專利平均約擁有專利同族成員1.98件,對比目前幾項正在進行技術攻關的熱門技術(如表2)可以看出頁巖壓裂技術的基本專利平均同族成員擁有量相對較高,這表明頁巖領域全球專利的布局活動活躍度還是比較高的。

表1 頁巖壓裂領域專利基本情況Table 1 Basic information of patents in thefield of shale fracturing

表2 熱門技術領域專利同族情況Table 2 Patent family situation in hot technologyfield
1912年起國外開始出現頁巖油氣相關技術的研究,但局限于當時石油生儲蓋理論的認識,頁巖往往被視為良好的蓋層,本身并不儲存油氣,此階段極少有頁巖壓裂技術出現。隨著石油工業的發展,到了1975年,頁巖本身可作為油氣儲層的理論開始出現,頁巖壓裂技術也陸續進入人們的視野。提取1975—2018年頁巖壓裂相關專利數據可較好地對世界范圍內頁巖壓裂技術的發展趨勢進行分析。圖1為1975—2018年全球范圍內頁巖壓裂技術專利申請數量變化趨勢圖(注:為圖示清晰,全球申請量對應左側坐標軸,國內申請及國外申請對應于右側坐標軸;2018年專利數據由于申請流程時滯和數據不完整,并不能準確反映該年專利數,僅供參考,不納入分析范圍)。
分析圖1國外頁巖壓裂專利數量變化曲線發現,1975—2000年,國外(以美國和加拿大為主)每年頁巖壓裂技術專利數量很少,最多的一年為24件,大部分年份專利為個位數。此階段絕大多數的頁巖壓裂專利來自于美國和加拿大,當時美加政府為調控本國能源結構以能更好地應對可能出現的石油危機,實施了低稅甚至免稅政策來刺激非常規資源的勘探與開發,因此頁巖氣作為一種有潛力的非常規資源逐漸受到了國內外學者的重視。但局限于當時較低的天然氣價格,各大石油公司也并不把頁巖氣作為大規模開發對象,技術創新緩慢,壓裂專利較少。而從2000年開始,國外頁巖專利數量則呈現波浪式快速增長態勢,分別于2001、2008和2011出現小波峰,并在2014年達到頂峰,2015—2017年壓裂專利數量大幅回落。此階段美加等國經過長時間的技術積累,頁巖壓裂技術開始走向成熟,進入大規模開采階段,頁巖氣產量不斷攀升,隨之油價走低,天然氣經濟優勢越發突出,終于在世界范圍內引發一場頁巖氣革命,對傳統的能源供給結構產生巨大影響和沖擊。深入分析國外頁巖壓裂專利數量變化曲線還可以發現一項創新性技術的發展是一個不斷出現問題、解決問題的過程,會受到多種因素的影響,呈現出高峰低潮波浪式的上升趨勢,這是進行技術創新時應該遵循的一種大體規律。

圖1 1975—2018年全球范圍內頁巖壓裂技術專利申請數量變化趨勢圖Fig. 1 Trends of the number of patent applications for shale fracturing technology worldwide in 1975-2018
觀察圖1中我國頁巖壓裂專利年度申請數量變化曲線發現:從2009年起我國頁巖壓裂專利數呈現高速增長趨勢,在2015年到達頂峰,略少于國外專利數量,2016年和2017年則小幅回落。這說明我國頁巖氣壓裂技術研究雖然起步較晚,但是充分利用后發優勢,很好地把握住了國際頁巖工業高速發展的契機,進步迅速,快速縮小了和國際先進水平的差距。
綜合分析圖1,頁巖壓裂專利數量及增長趨勢可從一個角度較好地反映世界及我國頁巖工業的整體發展趨勢,因此也可作為預測頁巖技術未來的發展趨勢的重要指標。
專利來源國/地區是指專利技術所屬的國家或地區,分析來源國/地區的專利數量可反映該國/地區對某項技術的占有情況,是國家/地區綜合技術實力的體現;分析應用國/地區分布情況(即各國家/地區的專利受理量)可反映某項技術在全球的布局。表3為頁巖壓裂專利排名前10的來源國/地區分布表,表4為頁巖壓裂專利排名前10的應用國/地區分布表。表5為擁有頁巖壓裂領域授權專利總數排名前5個國家海內外數據分布情況,表6為中美兩國專利質量評價指標數據表。

表3 頁巖壓裂專利排名前10的來源國/地區分布表Table 3 Distribution of top 10 countries/regions of shale fracturing patents

表4 頁巖壓裂專利排名前10的應用國/地區分布表Table 4 Applicable country/region distribution table of the top 10 shale fracturing patents
分析表3可以發現,頁巖壓裂專利來源國/地區主要為美國、中國,可大致劃分為三個梯隊。第一梯隊:美國、中國;第二梯隊:加拿大、英國、澳大利亞;第三梯隊:挪威、法國、印度。其中美國在頁巖壓裂專利總量方面遙遙領先其他各國/地區,技術積累深厚,符合其頁巖氣工業領跑者的現狀。中國頁巖壓裂專利總量雖然少于美國,但近五年專利申請數超越美國等其他國家/地區,說明我國頁巖壓裂技術發展迅速,后來居上,呈現趕超態勢,在核心技術領域逐漸擁有獨立的知識產權,具有很好的發展前景。
分析表4和表5可以發現,雖然中國正逐步縮小和美國在頁巖壓裂專利申請數量上的差距,但在擁有授權專利總數和世界授權總數兩方面中國仍與美國有較大差距,特別是在國外專利布局方面。美國有一半專利用于海外布局,即美國在進行技術研發申請專利時,不但將該專利在本國市場進行了大規模應用和保護,還同在海外市場進行了戰略規劃和布局,為接下來的專利應用和貿易做了準備。
而對比中國與美國的對本國和對國外的專利授權率及兩國在國外申請上獲得的授權比例可知(表6),兩國在這幾個指標上基本上沒有差異,可以認為中國與美國的專利質量差別不大,導致中國在頁巖壓裂領域的全球技術保護范圍小的原因主要是中國申請人的國際市場保護意識低,這種只顧眼前的狹隘思想可能會造成未來更大的損失;當然國際專利申請時間和費用相比國內申請時間和費用普遍更長更高,這兩個因素也會導致中國一些低價值低回報的頁巖壓裂專利沒有進入世界申請階段。總體而言,我國頁巖壓裂專利在進行全球戰略布局上還具有較發展空間。

表5 頁巖壓裂專利授權總數排名前5個國家專利授權分布情況數據表Table 5 Distribution of patent authorizations for the top 5 countries in the total number of shale fracturing patent authorizations

表6 中美兩國專利質量評價指標數據表Table 6 Patent quality evaluation indicators between China and the United States
對已獲授權的頁巖壓裂專利類別進行分析(表7)可看出頁巖壓裂技術專利主要集中在E21B和C09K兩個IPC分類中,其中E21B指頁巖壓裂方法及配套工具設備等相關專利,C09K指頁巖壓裂試劑材料設備等相關專利。這說明在頁巖氣開發具有自己的技術特點和研究重心,壓裂方法和壓裂的試劑研發始終占據著主導地位,現場對高效壓裂技術設備的需求也十分巨大。
將E21B和C09K頁巖壓裂專利關鍵信息進行提取分析,可進一步將頁巖壓裂專利分為3類。
(1)頁巖儲層評價類專利。專利類型主要包括:a.頁巖力學特征參數獲取方法及評價方法:頁巖力學參數主要通過巖心加載實驗和測井資料反衍等方法獲得,這些方法能夠較準確地對井下頁巖力學參數特征進行定量描述。b.地應力場參數獲取及模型構建方法:頁巖地應力大小和方向對裂縫的擴展有著至關重要打的影響,目前水力壓裂方式是獲取地應力最直接有效的方法,其他方法還包括聲發射Kaiser效應法、測井資料計算法、數值模擬方法等。c.頁巖脆性可壓性評價方法:頁巖脆性可壓性評價是近幾年的一個研究熱點,可以和地層起裂及裂縫擴展直接建立聯系,方法有脆性礦物評價法、巖石力學參數評價法、應變曲線法等,但到目前為止,仍然沒有一個統一評價方法。d.天然裂縫識別方法:儲層天然裂縫發育及分布對頁巖壓裂縫網的形成有著重要影響,目前天然裂縫識別方法主要有地震勘探法、臨井壓力干擾試井法、地質巖石力學參數評價法等,這些方法一定程度上可謂頁巖天然裂縫的預測提供依據,但多數仍然停留在理論研究階段,未得到較好的應用,在儲層天然裂縫定量分析方面有較大的欠缺。

表7 頁巖壓裂技術的專利技術領域分布Table 7 Distribution of patented technicalfields of shale fracturing technology
(2)頁巖壓裂方法工藝及工具類專利。專利類型主要有主要包括:a.分段壓裂方法及設備:水平井大規模分段壓裂是頁巖油氣高效開發的重要手段及關鍵技術,方法有封隔器分段壓裂方法及設備、可鉆橋塞分段壓裂方法及設備、水力噴射分段壓裂方法及設備。b.特殊壓裂方法及設備:根據頁巖儲層特點,采取一些特殊的壓裂方法也可以起到增大儲層改造體積(SRV)和裂縫復雜指數(FCI)的目的,最終提高采收率,這些特殊的壓裂方法有同步壓裂、拉鏈式壓裂、選擇性壓裂、重復壓裂及工廠化壓裂,通過采取這些特殊的壓裂方法,可以提高頁巖氣井的短期產量、延長穩產周期、提高壓裂設備的利用率,進而最大限度提升開采效益。c.壓裂動態監測診斷技術及設備:壓裂動態監測診斷技術是壓裂效果好壞的重要評價技術,方法有地震監測技術、近井筒裂縫監測技術、測井參數反衍檢測技術、分布式聲傳感器監測技術等。不同的監測診斷技術應用于同一口井有時效果差異較大,因此多種監測診斷技術并行,以更好地提高井組壓裂效果,是未來頁巖壓裂的發展方向。d.頁巖壓裂完井技術:由于頁巖滲透性差、非均質性強、甜點分布難以預測等原因,頁巖氣井完井相比常規儲層更加困難,因此采用何種完井工藝提高儲層滲透性降低污染保持井筒完整性直接關系到頁巖氣采收率的提高和穩產氣的延長,目前常用的頁巖氣井的完井方式有套管射孔完井、尾管射孔完井、非均勻分簇射孔完井等方法,適合的完井方式能有效簡化工程復雜程度,降低成本,為后期壓裂奠定基礎。
(3)壓裂液體系及配套技術類專利。根據儲層特點優選壓裂液配方對于提升壓裂效果至關重要,專利類型主要包括:a.清水壓裂液體系,由于頁巖普遍具有低滲特點,因此清水壓裂液是目前應用最廣泛的頁巖壓裂液體系,清水壓裂液主要用于水敏弱、天然裂縫發育、地應力分布均勻、脆性礦物含量較高的儲層,清水壓裂液體系以水為主體,同時加入減阻劑和支撐劑,支撐劑中支撐材料的大小、材料、數量等均需要根據實際地層特點進行設計。b.復合壓裂液體系,對于水敏性強、天然裂縫發育差、塑性礦物含量高的儲層,目前主要采用復合壓裂液體系,復合壓裂液體系主要由高黏度凍膠和低黏度滑溜水組成,可以同時起到有效壓裂地層和擴縫的雙重目的。復合壓裂液體系由于配方更加復雜壓裂液黏度更大,因此對注入工藝及設備承壓能力有著更高的要求,這也是復合壓裂液體系目前成為優化研究重點的原因所在。
為分析頁巖壓裂技術發展脈絡,采用文本聚類法對每年頁巖壓裂專利重點分布領域進行了研究。為便于分析,劃分出3個時間節點,分別是2008年之前(共 221件)、2009—2013年(共 375件)和 2014年之后(共322件),各時間段頁巖壓裂專利重點分布領域如圖2、圖3、圖4所示,圖中扇形面積越大、顏色越紅,說明該方面專利數量越多、越受到人們的關注。

圖2 2008年之前頁巖壓裂技術專利領域分布圖Fig. 2 Distribution map of shale fracturing technology patentfield before 2008

圖3 2009—2013年頁巖壓裂技術專利領域分布圖Fig. 3 Distribution map of shale fracturing technology patentfield in 2009-2013

圖4 2014年至今頁巖壓裂技術專利領域分布圖Fig. 4 Distribution of patents in shale fracturing technology from 2014 to the present
分析圖2、圖3、圖4可以發現,在2013年之前頁巖壓裂技術專利主要集中在頁巖油氣資源地層識別及開發原理研究等方面,但是所針對儲層類型有所不同。其中,2008年之前主要針對頁巖油儲層,而2009—2013年則主要針對頁巖氣儲層。在2014年以后頁巖壓裂技術專利主要集中在壓裂方法及配套技術研究等方面,以大規模壓開頁巖儲層形成良好的油氣運移通道,同時關于頁巖儲層開發原理等方面研究仍具有很高的熱度。
通過分析頁巖壓裂技術發展歷程可以發現,頁巖壓裂技術在不同發展時期側重點是有所不同的。早期主要是在常規油氣開發技術的基礎上對小規模頁巖油開發進行探索和嘗試(2008年之前),隨著實踐的深入,頁巖作為一種新的獨立的油氣儲層理論也不斷發展成熟,為頁巖氣大規模開采奠定了理論基礎(2009—2013年),最終在2014年以后,頁巖氣大規模開采理論成熟,相關技術裝備專利井噴式出現。通過文本聚類法研究頁巖壓裂技術專利年度分布情況可以從一個角度分析頁巖壓裂技術的發展規律及已達到的發展階段,進而為發展趨勢預測提供依據。
專利的專利權人分析可探究技術主要所有人情況,進而對專利權人競爭力分析可預測技術合作趨勢。表8為頁巖壓裂有效專利擁有量排名前十的專利權人(申請機構)分布表,圖5為頁巖壓裂有效專利擁有者(專利權人)競爭力氣泡圖。

表8 頁巖壓裂有效專利擁有量排名前10的專利權人(申請機構)分布表Table 8 Distribution table of the top 10 patent holders (applicants)with effective patent ownership of shale fracturing

圖5 頁巖壓裂有效專利擁有者(專利權人)競爭力氣泡圖Fig. 5 Competitive bubble chart of effective patent owner (patentee)of shale fracturing
從表8可以看出,頁巖壓裂領域的專利申請大部分來自于大型的跨國能源公司,排名前十的專利權人中有8家為美國的能源企業,而授權專利中排名前十的專利權人則有6個都是美國能源企業。同時無論是在專利的申請量還是授權量上,排名第一的哈里伯頓公司與排名第二的斯倫貝謝公司的專利量都遠遠超過其他專利權人,這都說明美國在頁巖壓裂技術領域占據著主導地位,擁有絕對實力。同時國內的企業和高校也十分重視頁巖壓裂技術的研究,雖然在深度和規模上還不能和傳統的能源公司進行抗衡,但進步很快,研發活動也十分活躍,快速推動著我國頁巖壓裂技術的不斷前進。
圖5中橫軸與縱軸分別表示技術實力與綜合實力。其中技術實力主要取決于專利涵蓋領域廣度、專利數量、專利引證等指標,越靠右表示技術實力越強;綜合實力則主要取決于專利權人的整體產業規模、資金收入、企業跨國分布等指標,越靠上表示綜合實力越強。氣泡大小表示頁巖壓裂專利數量的多少,氣泡越大則數量越多。將競爭者氣泡分布劃分為四個象限,則位于第一象限中的專利權人同時具有較強的技術實力與綜合實力,可獨立的進行頁巖大規模勘探開發,是該領域的主導者;第二象限的專利權人綜合實力較強但缺乏技術,可通過和技術較強的大公司合作或購買專利提升自己技術競爭力;第三象限的專利權人綜合實力較弱,在個別頁巖壓裂分支領域具有一定的技術實力,可選擇和大公司合作出售自己的專利技術或彼此多方合并實現抱團取暖;第四象限的專利權人綜合實力較差但技術實力強勁,可作為技術輸出方和綜合實力強的大公司強強聯合。
從圖5可以看出,位于第一象限的只有美孚公司,但氣泡不大,說明美孚公司有較強的技術實力與綜合實力,但擁有的專利數量不多;斯倫貝謝與中石油均位于第一二象限交界位置,氣泡中等大小;通用電氣與川漢油田服務公司位于第二象限,第三象限則集中了較多的專利權人,包括西南石油大學、中國石油大學等;氣泡最大的是哈里伯頓公司,位于第四象限。根據各專利權人的位置,哈里伯頓的頁巖壓裂技術綜合實力最強,美孚、斯倫貝謝及中石油的綜合實力與技術實力都相差不大,都是綜合實力很強同時具有一定技術實力的專利權人,而中國石油大學、威德福等則是具有一定技術實力但綜合實力差的單位。說明哈里伯頓是頁巖壓裂技術的領導者,中石油等綜合實力強勁的專利權人可通過與哈里伯頓合作快速實現頁巖壓裂領域技術升級,也可以通過購買諸如威德福、中國石油大學等小企業或單位的相關專利技術實現技術升級。
重點專利指的是具有高質量的專利,專利的質量評價主要是通過分析被引次數和專利強度來實現的。
2.6.1 以專利被引次數為標準
一件專利被論文及其他專利引用次數可以反映該專利的影響力,全球頁巖壓裂專利被引次數分布如表9。

表9 全球頁巖壓裂專利被引次數分布表Table 9 Distribution of cited times for global shale fracturing patents
表9可以看出,被引次數超過100次以上的專利數很少,共有85件,占比僅為2.3%,說明相比于龐大的專利基數,高質量壓裂專利數量是很少的。以被引次數前兩名的專利為例進行簡要分析。被引次數最多的專利為“US5868202A[14]”,該專利研究了利用壓裂工藝制造含水層,從而開發煤、油頁巖、焦油砂和含油地層的碳氫化合物或熱能的方法。自1999年公開至今被引次數高達532次,2010年至今的被引次數依然高達74次。被引次數居第二位的專利“US4886118A[15]”自1989年公開以來被引次數高達489次,該專利研究的是傳導加熱地下油頁巖以產生滲透性并壓裂生產石油的方法。通過鉆井對油頁巖地下層段進行高于600 ℃的傳導加熱,使得油頁巖內形成的干酪根得以熱解流動,匯聚到壓裂產生的水平裂縫從而進入生產井,這是開發油頁巖的一種主要方法。通過分析高被引次數的專利可以發現,他們絕大部分都是頁巖開發領域的基礎理論與核心技術,因此一個專利的被引次數可反映該專利技術是否處在這個領域的核心,一個專利被引次數的增長情況可反映該領域核心技術的發展情況及趨勢。
2.6.2 以專利強度為標準
專利強度計算包括引用與被引次數、專利權利要求數量、發明人、同族專利數量、訴訟量、時間等因素,一般認為8分以上為高強度專利。從表10可看出,高強度專利共253件,占比不到7%。
專利強度最高的為“US7723274B2[16]”,該專利研究了制備顆粒漿料和顆粒漿料組合物的方法,主要是通過研制極度疏水的顆粒作為支撐劑來滿足壓裂的需要。該專利強度為9.4,同族專利高達26個,專利布局范圍包括美國、加拿大、中國、德國等十多個國家或地區。通過分析高強度專利類型可以發現,他們絕大部分都是頁巖壓裂領域急需解決的技術難題及配套技術裝備,因此可以認為分析一個專利的強度可判斷其所在領域技術難題所在及最新技術的發展方向。

表10 專利強度分布Table 10 Patent intensity distribution
(1)頁巖壓裂技術是高效開發頁巖氣資源的核心技術,美國經過多年的技術積累和發展,已在該領域處于主導地位,技術和裝備已經實現了市場化和對外輸出,我國頁巖壓裂技術發展和美國還有一定的差距,但充分利用后發優勢,快速前進,正大步向產業化邁進。
(2)目前頁巖壓裂技術專利主要集中在E21B(頁巖壓裂方法及配套工具設備等相關專利)和C09K(頁巖壓裂試劑材料設備等相關專利)兩個方面。E21B和C09K頁巖壓裂專利可進一步分為3類:頁巖儲層評價類專利,頁巖壓裂方法工藝及工具類專利和壓裂液體系及配套技術類專利。
(3)通過對頁巖壓裂專利權人進行分析發現,國外領先的頁巖壓裂專利權人以大型跨國能源企業為主,國內則是國有大型能源企業和高校并存。為更好更快地發展我國頁巖壓裂技術,一方面應更多地開展國際交流,引入國外先進的壓裂技術,同時鼓勵國內科研機構和國有大型能源企業進行深入合作。