天然氣水合物開采技術專利分析

羅瑋瑋

摘 要：文章基于專利數據統計和重點專利分析，對天然氣水合物開采技術的發展趨勢進行了梳理，同時圍繞國內外重要申請人統計、開采技術構成等方面進一步闡述了國內開采技術的優勢和短板，為我國相關企業、科研單位的天然氣水合物開采計劃提供參考。

關鍵詞：天然氣水合物；可燃冰；開采技術；專利分析

中圖分類號：T-18 文獻標志碼：A 文章編號：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

天然氣水合物（Natural Gas Hydrate）又稱可燃冰，分布于深海沉積物或陸域的永久凍土中，是由天然氣和水在高壓（大于100atm）和低溫（0～10°C）條件下合成的一種固態類冰狀結晶物質；其資源密度高，全球分布廣泛，具有較高的研究價值，目前，全球已有30多個國家進行了天然氣水合物的研究，我國從上世紀80年代發現可燃冰后，到目前已經取得了一系列重要成果。然而，由于開采技術不成熟、成本高、技術不可控等因素，天然氣水合物目前依然無法實現商業開采。為了助力我國的天然氣水合物開采計劃，本文以專利數據和專利技術為基礎，圍繞天然氣水合物開采技術的申請趨勢、地區分布、主要申請人等方面，梳理了天然氣水合物開采技術自出現以來的發展趨勢和走向，有助于企業和研究機構宏觀上了解天然氣水合物的開采現狀，以及在全球發展中，中國技術的優勢和短板，以為后期天然氣水合物開采技術的發展和專利布局提供幫助。

1 專利分析方法

本文以S系統為主要檢索工具，選取CNABS、VEN作為檢索數據庫；檢索過程中涉及的主要關鍵詞包括：可燃冰，天然氣水合物，甲烷水合物，降壓，減壓，注熱，熱水，熱鹽，置換，固體流化，化學劑、抑制劑；gas hydrate， methane hydrate， clathrate hydrate， combustible ice， exploit， mining， excavation， depressurization， exchange， replacement， chemical， Heat， Warm， Thermal， jet等。

分類號取自國際專利分類表IPC和CPC，主要選取的CPC號為：E21B 2043/0115；主要選取的IPC號為：E21B 43/01，E21B 43/24，E21B 43/00，E21B 43/26，E21C 50/00等。

采用上述檢索要素得到的專利申請經過降噪和篩選后構成了本文研究的專利申請數據庫。

2 分析結果

2.1 天然氣水合物的開采技術構成分析

為了對檢索過程進行宏觀的把握，本文利用IPC分類標準對天然氣水合物開采技術所涉及的領域進行了分析和表征，由圖1可知，該領域的開采技術專利主要集中在IPC小類E21B中，其次是E21C，C10L，C07C，其它領域涉及甚少。其中，E21B主要涉及土層或鉆石的鉆進；從井中開采油、氣、水、可溶解或可融化物質或礦物泥漿等技術；E21C主要涉及采礦或礦石領域；C10L主要涉及不包含在其他類目中的燃料；天然氣； C07C主要涉及無環或碳環化合物。

從技術分支來看，天然氣水合物開采的主流方法包括熱激勵開采法、固體流化開采法、CO2置換法、降壓法、以及注化學抑制劑法，占比如圖2所示；其中，熱激勵開采法自出現后，一直作為研究熱點至今日，固體開采法出現時間較晚，但由于其經濟可行、安全的開采方式得到了重視，保持了較高的研究熱度；注化學抑制劑法因為其成本昂貴，研究熱度逐年降低。

2.2 天然氣水合物開采技術的演進分析

為了更全面的展示天然氣水合物開采的技術演進，本文將結合開采領域專利的申請趨勢，對其開采方法的發展階段進行劃分，并結合天然氣水合物的開采史進一步解讀影響申請量變化的內在因素。

從圖3可知，就申請國分布來看，天然氣開采技術的主要申請量集中在中國、美國、日本，在申請量上，中國具備絕對的優勢；但結合天然氣水合物開采技術專利逐年申請量中的全球申請量和中國申請量的對比可知，中國的申請量并非來源于歷史的累積，而是因為后來居上。

就申請趨勢來看，天然氣水合物開采技術自1970年出現，經歷了較長的萌芽期，直到2002年起，該申請量出現明顯的上升趨勢，并在2012年以前出現較為平穩的波動；直至2013年，申請量大幅度提升。

萌芽期（1970～2001年）： 1969年，蘇聯在西伯利亞地區開發麥索雅哈氣田，無意中利用降壓法和注劑法成功開采了世界上第一個天然氣水合物；1970年，蘇聯的VASILEV公司申請了化學劑開采天然氣水合物的第一個專利SU390257A1，隨后1972年，蘇聯的TVANO-FRANK PETER公司繼續申請了聲波開采天然氣水合物的專利SU442287A1；同時，在這一時間段，以美國為首的深海鉆探計劃（DSDP）開始實施，主要目的是開展天然氣水合物資源普查，隨著天然氣水合物研究的進行，美國的綜合性跨國能源公司——康菲石油于1971年申請了以熱激勵開采天然氣水合物的方法專利US3676981A，后在1975年申請了以化學劑開采天然氣水合物的方法專利US4007787A；同時，美國的阿科公司（Atlantic Richfield Company）分別于1974年在美國、1975年在加拿大申請了熱激勵開采天然氣水合物的專利；1981年美國的ELLIOT公司以及美國能源部也分別進行了化學劑和熱激勵開采天然氣水合物的專利申請；1985年，作為DSDP計劃的延續，一個規模更大、多國合作的大洋鉆探計劃ODP正式實施；20世紀90年代中期，以DSDP和ODP兩大計劃為標志，美國、俄羅斯、荷蘭、德國、加拿大、日本等諸多國家探測天然氣水合物的目標和范圍已經覆蓋了世界幾乎所有大洋陸緣的重要潛在遠景地區以及高緯度極地永久凍土帶；1993年，第一屆天然氣水合物國際會議召開，拉開了一個水合物發展的契機；1998年，日本為了國內的水合物藏開采項目立項提供依據，資助加拿大在Mallik地區進行了水合物鉆探。

生長期（2002～2012年）：在歷時30年的萌芽期階段，雖然天然氣水合物專利申請量低，但在這一段時間所出現的天然氣水合物開發重要歷時事件為后續天然氣水合物的發展奠定了基礎，各國的逐步加入也為后續天然氣水合物專利的發展積蓄了能量；2002年，日本聯合加拿大、美國、印度、德國在Mallik地區進行水合物試采，實驗采用的是注熱和降壓聯合法；從專利申請的趨勢來看，在這一階段，申請專利的國家數量增多，同時，天然氣水合物開采方法的種類也日趨多樣化，直至2002年，目前最主流的天然氣水合物開采方法：置換法、降壓法、熱激法、固體開采法以及化學抑制劑法，均已經進入到人們的視野并繼續得到發展；從天然氣水合物的發展進程來看，這一階段中，2004年，美國開始集中研究天然氣水合物實驗開采模擬研究；2005年，美國對阿拉斯加北坡的水合物資源量進行評估，并進行后期的野外試采工作；2007年-2008年，日本聯合加拿大再一次在Mallik地區利用降壓法進行了水合物的開采；2009年開始，英國的BP是由公司完成了在阿拉斯加北坡的水合物鉆井取樣工作，并選定了4個長期試采點。

成熟期（2013～2017年）：從專利庫的申請趨勢來看，申請量在2013年有了較大幅度的增長，除2017年外，整體趨勢較為穩定；這一階段中，中國申請占據了主導地位，繼2011年我國啟動天然氣水合物試采工程后，2013年，在珠江口盆地東部海域首次鉆獲高純度可燃冰，2017年，首次海域天然氣水合物試采成功。

2.3 重要申請人

就申請量來看，國內申請以高校研究院為主，中國石油大學、西南石油大學、中科院占領了前三位，這也側面的證明，目前國內的天然氣水合物開采技術還處于基礎理論研究階段，未來的發展方向除了基礎的理論研究，還需要進一步側重于市場的結合，如何利用理論研究助力我國的天然氣水合物商業開采將會是未來的重點、難點方向；日本的三井企業占據申請量第6位，日本經過長時間的天然氣水合物開采研究，目前已經脫離了純理論研究階段，其企業已經開始在理論的基礎上，逐漸側重商業化的開采技術。

在申請量的基礎上，繼續對其申請方向進行探討，根據圖4可以發現，各申請單位對于化學劑開采法的研究較少，占比較大的開采方法為熱激法、固體流化開采法、和降壓法；我國的兩大石油高校的主要研究方向分別為：熱激開采法和固體流化開采法。

3 結束語

天然氣水合物的開采技術主要由美國、日本、中國所掌握，其中，中國在申請量上后來居上，而美國、日本的專利技術具備了長期的歷史積累和演化；特別的，中國目前的主要研究機構大多數為科研單位或高校，還處于基礎理論研究的階段，相比于美國和日本，需要加快市場化的步伐；就開采技術來說，中國目前以熱激勵開采法和固體流化開采法為主，中國的固體流化開采法已經處于世界較為領先的地位，但熱激勵開采法由美國最先提出，且此后由各大石油企業進行了演化和發展，中國在進行熱激勵開采法研究時，應當更多的關注美國申請，尋找專利空白點，尋求突破。

參考文獻：

[1]付亞榮.可燃冰研究現狀及商業化開采瓶頸[J].石油鉆采工藝，2018，40（01）：68-80.

[2]楊明清，趙佳伊，王倩.俄羅斯可燃冰開發現狀及未來發展[J].石油鉆采工藝，2018，40（02）：198-204.

[3]佘澤龍.可燃冰的研究現狀概述[J].中國戰略新興產業.

[4]黃河.美國可燃冰研究及開采技術發展現狀[J].全球科技經濟瞭望，2017，32（09）：60-64.

[5]牛振磊，南瑩浩，劉一凡，等.淺談“未來能源”可燃冰開采研究現狀[J].華北科技學院學報，2017，14（03）：97-100.

[6]宗新軒，張抒意，冷岳陽，等.可燃冰的研究進展與思考[J].化學與黏合，2017，39（01）：51-55.

[7]胡楊，鄭劍，王曉寧.國內外可燃冰研究發展現狀及前景展望[J].科技風，2016（11）：190.

[8]孫玉清，李靜，王茜.可燃冰發展現狀及產業化前景[J].經濟研究參考，2014（50）：13-16.

[9]張寒松.清潔能源可燃冰研究現狀與前景[J].應用能源技術，2014（08）：54-58.

[10]孫玉清.可燃冰發展現狀及產業化前景（下）[N].中國財經報，2014-04-12（002）.

[11]馬小娟，呼方濤，王錦華.淺析可燃冰的研究現狀與發展前景[J].科技信息，2011（07）：376.

[12]王智明，曲海樂，菅志軍.中國可燃冰開發現狀及應用前景[J].節能，2010，29（05）：4-6.

[13]馮丹，李選民.新型能源——可燃冰的研發現狀[J].能源技術與管理，2009（06）：113-115.