基于專利分析頁巖氣勘探技術的發展態勢*

史 政 ，錢門輝 ，陶 成

（1.中國石化石油勘探開發研究院無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214126；2.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室，江蘇 無錫 214126）

頁巖氣是指泥頁巖中所包含的游離氣、吸附氣與溶解氣。作為一種非常規油氣類型，頁巖氣是常規天然氣的潛在替代能源，也是一種清潔的環保能源[1-2]。

頁巖氣的發育具有廣泛的地質意義，存在于幾乎所有的盆地中，由于埋藏深度、含氣飽和度等差別較大分別具有不同的工業價值。從世界范圍來看，泥頁巖約占全部沉積巖的60%，頁巖氣資源前景巨大，主要分布于北美、中亞、中國、拉丁美洲、中東、北非等地區[2]。

目前對頁巖氣進行商業開發的國家主要有美國、加拿大和中國。北美頁巖氣開發發展油氣迅速，已經實現了高效、規模開發，成為北美天然氣供應的重要來源。有機構預測2040年美國頁巖氣產量將達到5.6 千億方，占屆時美國天然氣總產量的53%。目前，德國、法國、英國、波蘭等歐洲國家也已經充分認識到了頁巖氣資源的重要價值和廣闊前景，著手進行相關的基礎研究、資源評價、工業開采實驗等勘探開發工作[2-3]。頁巖氣大規模的商業開發將深刻影響著國際政治和經濟格局。

2000年以來，我國政府和相關企業也已開始高度重視頁巖氣的勘探開發，密切關注北美頁巖氣的發展動態，借鑒北美頁巖氣勘探開發經驗，廣泛地進行國際交流與合作。中國頁巖氣資源潛力巨大，如南方海相頁巖地層（下寒武統、上奧陶統-下志留統）有機質豐度可達到很好-極好，為中國頁巖氣勘探最具潛力的地區，而北方湖相頁巖地層也具有很好的勘探前景[2-3]。據統計，我國頁巖氣資源量達80 萬億方。

1 技術背景與技術現狀

1.1 技術背景

20 世紀70年代，美國實現了第一口頁巖氣井鉆探，從此進入頁巖氣勘探的高速發展期，目前已經成為全球范圍內頁巖氣開采技術領先、探明頁巖氣最多的國家。繼海相頁巖氣突破之后，海相頁巖油已成為全球非常規油氣發展的亮點領域，使美國朝著能源獨立國家的戰略目標，邁出了堅實的步伐，引領著全球石油工業從常規油氣向非常規油氣的跨越。

21 世紀開始，我國地質學家開始高度關注國內頁巖氣的地質形成與勘探開發[4]。2010年我國第一口頁巖氣勘探評價井威201 井獲工業氣流。經過10年的持續攻關，我國的頁巖氣勘探開發取得了快速發展，陸續在四川盆地、渝東-鄂西、滇黔北、湘西等地區五峰-龍馬溪組發現頁巖氣，并在四川盆地長寧-威遠、昭通、富順-永川、涪陵等地區獲得工業頁巖氣產量。特別是2012年鉆探的焦頁1 井，在涪陵地區發現了焦石壩龍馬溪組大型頁巖氣田，充分展示了五峰-龍馬溪組海相頁巖地層的頁巖氣資源潛力和前景。

頁巖氣資源盡管資源量豐富，有很大的勘探開發空間，但是非常規油氣資源的性質決定了氣勘探開發的技術要求遠高于常規石油天然氣。且由于中國地質條件復雜，尤其是構造演化、沉積環境、熱演化過程不同，使得不同地區頁巖氣的形成和富集均存在許多差異[2-3]。地質理論和勘探技術仍然是制約頁巖氣大氣區（田）發現的關鍵因素。因此，深入剖析我國的頁巖氣勘探開發技術，可以為我國頁巖氣的規模發展提供有益的借鑒。

在如今中美貿易摩擦與激烈的競爭格局之下，能源領域、包括頁巖油氣領域的競爭在所難免，知識產權成為了一個繞不開的話題，也在競爭中發揮著越來越重要的戰略作用。

1.2 技術現狀

作為非常規油氣勘探的一種，頁巖氣的勘探是一項系統工程，涉及到地質、工程、經濟及環境等多個方面。

在全球范圍內，美國是目前頁巖氣開采技術領先、探明頁巖氣最多的國家，其頁巖氣的成藏條件也非常優越。美國頁巖氣由南部地區的巴內特，到海恩斯維爾，再到東部地區的馬塞勒斯，持續獲得重大發現，已在20 多個盆地進行頁巖氣勘探開發。另外，阿根廷、阿爾及利亞、加拿大、墨西哥、澳大利亞的技術可采資源量、及其全球占比也均處于排名前列。

近年來，我國的頁巖氣勘探開發取得了快速發展，頁巖氣資源勘查和勘探表明，我國的頁巖氣資源主要分布于3 大相、9 個領域、16 個層系。其中，海相包括南方古生界（震旦系、下寒武統、上奧陶統-下志留統、泥盆系、石炭系），北方上古生界海相（石炭系、二疊系）；陸相包括東部斷陷盆地古近系、四川盆地及周緣上三疊統-下侏羅統、鄂爾多斯三疊系、西北地區侏羅系、東北地區白堊系；海陸過渡相包括華北地區（石炭系、二疊系）、南方二疊系。

技術市場方面，國外頁巖氣勘探技術主要參與者有埃克森美孚、哈里伯頓、斯倫貝謝等公司和相應的研究機構。不同公司研究的側重點有所不同，且形成了各自的技術布局特點。如哈里伯頓公司主要集中于地層測試、核磁測井、地層三相流體評價以及巖石孔隙度、滲透率、流體測試等方面；斯倫貝謝公司側重于非常規樣品吸附特性、孔隙微觀結構以及地層流體識別評價方向。國內頁巖氣勘探技術主要參與和開發者主要是中國石化、中國石油、高等院校等，且各主要研究機構研究的側重點不同，如在地球化學方面，中科院系統以生烴模擬方向為主，中國石油與中國石化除了生烴模擬方面，在頁巖氣烴源巖評價方法方面也頗具研究實力。

表1 頁巖油氣勘探技術分解表

表2 一級技術檢索要素表

圖1 1990年以來全球頁巖油氣勘探技術專利申請情況

總體上看，與國內主要技術競爭者相比，國外主要競爭者側重于油氣勘探開發密切相關的領域和方向，直接服務于生產的目的性非常明確。

2 技術分解與檢索策略

2.1 技術分解

在深入分析技術本身的基礎上，本次研究對頁巖油氣勘探技術進行了合理的技術分解，以期在檢索的時候可以更全面使用關鍵詞和檢索表達式。頁巖油氣的勘探技術在二級技術方面主要包括四個分支：地球化學評價、儲層分析測試、井筒及現場評價以及資源評價和預測，各個技術分支也分別涵蓋不同的范圍（如表1）。

2.2 檢索策略

為保障檢索結果的全面性和準確性，本次研究重點采用了以下檢索策略。

（1）三級檢索要素中英文檢索。

在檢索過程中，為了查全查準，研究人員針對一（如表2）、二、三級技術進行了中英文全面檢索。尤其在二、三級檢索中，詳細參照表1 中的技術要素，通過形式、角度、效果等多方面進行了關鍵詞擴展，共設置了120 余項關鍵詞，對其進行中英文檢索，以保障各種專利撰寫形式均落入檢索范圍。在此基礎上，針對重點申請人，通過閱讀和對比，分析其頁巖油勘探技術相關專利申請是否已納入本項目的檢索范圍。

（2）有效利用分類號

檢索過程中，由于在關鍵詞的邏輯表達方面存在無法窮舉的客觀因素，本次研究充分依靠分類號來進行彌補，為此本次研究在分類號的選取上同樣采取了有效的策略，盡可能地使用技術細分更多、更加全面準確的CPC，通過統計的手段獲取最相關的分類號。為保證準確率，進一步采取了抽樣人工閱讀、刪除不相關文獻的措施。

本次專利檢索截止時間為2019年4月30日，檢索結果具備統計意義，但由于專利申請日和公開日具有一定的時間差，在統計圖表中可見2017 和2018年個別數據明顯下降，這是由于眾多專利未公開的緣故。

3 技術分布特征

表3 全球專利布局的主要國家/地區

表4 全球專利發明人國際分布情況

圖2 中國專利申請趨勢

3.1 全球分布特征

經過檢索與數據清洗，本次研究共頁巖氣勘探技術相關專利1417 件，屬于1122 個簡單同族，平均每個簡單同族中有1.3 件專利，其中包括申請公開850 件，授權公開567 件。從法律狀態的角度來看，有效專利數量為1173 件，失效專利數量244 件，有效專利包含484 件有效授權專利和689 件審查中的專利。

從申請趨勢來看，2007年以來專利的申請量總體保持上升趨勢（如圖1），2015年單個年度出現下降，隨即在2016年反彈并超過2014年水平。2017 和2018年的下降是因為部分專利尚處于未完全公開狀態。經分析2015年由于西德克薩斯中間基原油（WTI）價格大幅跳水，勘探投資的下滑對專利的申請產生了消極影響，隨著2016年油價反彈，頁巖油氣相關專利申請量得到反彈。

從空間布局來看，全球專利布局的主要國家和地區主要包括：中國（1012 件）、美國（103 件）、加拿大（42件）、EPO（34 件）和加拿大（34 件）。這表明中國、北美地區和歐洲地區是申請人較為重視的目標市場。中國專利在全球專利中的占比約為71.4%，美國專利占比約為7.3%，PCT 申請占比約為6.5%（如表3）。

從技術來源分析，全球專利發明人國籍分布中，首個發明人為中國籍的專利共有1010 件，首個發明人為美國籍的專利共有292 件，首個發明人為韓國籍的專利共有29 件，來自中國發明人和美國發明人的專利合計占比達到了91.9%，表明頁巖氣勘探技術主要掌握在中國和美國手中（如表4）。

表5 中國專利主要申請人

3.2 中國分布特征

中國專利共有1012 件，其中申請公開587 件，授權公開425 件，從法律狀態的角度來看，有效專利922 件，失效專利90 件，包含有效授權354 件和審查中的專利申請568 件。中國有效專利的占中國專利數量的91.1%，表明中國的專利儲備情況良好。

從時間來看，2009年起總體維持上升態勢（如圖2），僅在2015年時出現單個年度的小幅下降，但在2016年出現反彈，并且超過了2014年的申請量，同全球專利申請趨勢相同，2017 和2018年的專利申請尚未完全公開，申請趨勢曲線下降并不能說明這兩年真實申請量的下降。

從專利申請人來分析，中國石化的專利申請數量（包含發明專利和實用新型兩種專利共178 件）和發明專利數量（167 件）均為排名第一位，表明中國石化在該領域中處于絕對的龍頭地位。專利數量排名前15 位的專利申請人全部為國內的企業/高校/科研院所，包括9 家高校和中科院（如表5）。

3.3 主要專利權人

從主要申請人來看，頁巖氣勘探專利申請的前20 家競爭者（如表6），主要分布在中國、美國、沙特、韓國及部門歐洲地區。從表中分析可以看出，中國專利申請的特點是大規模的在中國進行專利布局，很少對外進行布局，韓國與中國類似，而歐美則是多采用簡單同族數并不特別多的情況下，一個簡單同族下對多個國家布局的策略。

4 競爭態勢分析

4.1 全球專利態勢分析

自2007年以來該領域在全球的專利申請總體保持上升態勢，結合有效專利數量遠大于失效專利數量來看，表明該技術領域處于快速成長的階段。中國專利在全球專利中的占比約為71.4%，美國專利占比約為7.3%，PCT申請占比約為6.5%。中國、北美地區和歐洲地區是申請人較為重視的目標市場。來自中國發明人和美國發明人的專利合計占比達到了91.9%，表明頁巖氣勘探技術主要掌握在中國和美國手中。中國籍發明人的專利數量和中國專利的數量大體相當，表明中國籍發明人在國外布局的專利數量與外國籍發明人在中國布局的專利數量大體相當。美國籍發明人的專利數量占比全球專利20.6%與美國專利數量占全球專利數量7.3%表明美國向美國以外的地區布局了大量專利。

中國的多家企業、高校、科研院所擁有較強的專利技術實力，包括中國石化、中國石油、中國石油大學、西南石油大學、中國地質大學、中國科學院和成都創源油氣技術開發有限公司等。跨國企業方面，埃克森美孚、斯倫貝謝、哈里伯頓、康菲、貝克休斯、雪弗龍、沙特阿拉伯石油和殼牌等國際知名油企也擁有較強的競爭力。

表6 頁巖氣勘探技術專利申請數量排名前20 位的主要競爭者

從IPC 分類的角度來看，排名前五位的IPC 分類號下均有超過100 件專利，E21B 49/00（測試井壁的性質；地層測試；專用于地表鉆進或鉆井以便取得表土或井中液體試樣的方法或設備），G01N 15/00（測試顆粒的特性；測試多孔材料的滲透性，孔隙體積或者孔隙表面積），G01N 7/00（通過測量氣體或蒸氣的壓力或體積分析材料），G01N 33/00（特殊方法來研究或分析材料）和G01V 1/00（地震學；地震或聲學的勘探或探測）。

4.2 中國專利態勢分析

中國頁巖油氣勘探技術相關專利共有1012 件，包含申請公開587 件，授權公開425 件；包含有效授權354件、審查中專利申請568 件和失效專利90 件。有效專利與失效專利比為9：1，表明中國的專利儲備情況良好。因中國專利占全球專利比例較高，與全球專利申請趨勢大體相同，總體保持上升態勢。

中國石化的專利申請數量（包含發明專利和實用新型兩種專利共227 件）和發明專利數量（213 件）均為排名第一位，表明中國石化在該領域中處于絕對的龍頭地位。專利數量排名前20 位的專利申請人中，前19 位為國內的企業/高校/科研院所，包括12 家高校和中科院，這表明中國存在較大的校企合作空間。

從IPC 分類角度來看，排名前四位的E21B 49/00（測試井壁的性質；地層測試；專用于地表鉆進或鉆井以便取得表土或井中液體試樣的方法或設備）、G01N 15/00（測試顆粒的特性；測試多孔材料的滲透性，孔隙體積或者孔隙表面積）、G01N 7/00（通過測量氣體或蒸氣的壓力或體積分析材料）和G01N 33/00（特殊方法來研究或分析材料）的合計占比超過了50%。

5 存在問題與建議

中國關于頁巖氣勘探技術的有效專利申請數量是美國專利的接近10 倍，遠領先于競爭對手國家，甚至遠超大部分競爭對手國家的全部專利數量，專利儲備充足。可以看出中國相對于其他競爭對手起步略晚，但增長態勢迅猛。

但是，值得指出的是：

（1）中國的專利數量雖然眾多，但海外布局很少，這會導致國外企業在國外免費使用其技術的威脅，而高價值的專利技術僅在中國境內對以中國企業為主體的行業競爭者形成限制。因此，我國申請人在申請專利的時候，應當參考國際龍頭企業經驗，對技術和專利進行梳理，從適應性、易保護性、經濟價值方面考慮，有選擇地捆綁專利，在海外進行布局。

（2）中國有相當數量的專利申請屬于實驗室內的分析方法，是競爭對手不容易獲取的技術信息，申請專利的必要性不高。因為即使獲得授權，如果競爭對手在己方實驗室采用相關方法，也很難發覺和采取相關措施，這樣的專利申請通常無法起到對技術的有效的保護。因此，不提倡將單純的實驗室分析方法申請專利，而建議通過實驗方法與設備的一體化進行專利布局。

（3）建議相關企業和機構設立專項基金，將技術和裝備引進相結合，對專利技術成果進行有效轉化和運用，實現創新與創效的一體化。同時，要大力推廣國內標準，并積極參與國際相關標準的制定，將我國在該領域的優勢競爭力更加具體化、有形化。