頁巖氣技術(shù)專利數(shù)據(jù)分析

頁巖氣技術(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)還不成熟,成藏理論有待深入研究,沒有形成核心的技術(shù)體系。亟需結(jié)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(shù),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(yīng),緩解我國天然氣需求壓力,調(diào)整能源結(jié)構(gòu),促進節(jié)能減排。本文以頁巖氣領(lǐng)域技術(shù)為研究對象,在科技文獻和專家咨詢的基礎(chǔ)上,結(jié)合專利數(shù)據(jù)對全球頁巖氣相關(guān)技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢、技術(shù)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(shù)的整體發(fā)展態(tài)勢,為日后規(guī)劃我國頁巖氣領(lǐng)域發(fā)展提供科學(xué)的參考和依據(jù)。1因公的學(xué)習(xí)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(shè)定為1963-2013(所有年份),得到頁巖氣技術(shù)相關(guān)專利(族)共2593條記錄構(gòu)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(xué)CWTS實驗室開發(fā)的科學(xué)知識圖譜繪制工具VOSviewer。2國內(nèi)外巖氣技術(shù)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(shù)領(lǐng)域的整體發(fā)展脈絡(luò)。截至2013年7月21日,全球頁巖氣領(lǐng)域?qū)＠?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(lǐng)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(dāng)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(dǎo)致這一階段的專利量不升反降,發(fā)展遇到瓶頸,技術(shù)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(lǐng)域?qū)＠邪l(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(nèi)國際上依然會保持對頁巖氣研究重點關(guān)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(lǐng)域從頁巖氣技術(shù)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(lǐng)域占據(jù)著主導(dǎo)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(guān)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(lǐng)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(luò)架構(gòu)通過對專利權(quán)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(gòu)中有8家來自美國企業(yè),其中埃克森(Exxon)公司和西方石油(OceanicOil)分別以110件、106件專利位居專利權(quán)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(quán)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(quán)人和突現(xiàn)詞的混合共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò),結(jié)果如圖3所示。圖中每個圓圈代表一個專利權(quán)人,每個小方塊代表一個突現(xiàn)詞,圓環(huán)的顏色對應(yīng)著不同年份的引用時間序列,圓環(huán)的厚度與該專利權(quán)人出現(xiàn)的次數(shù)成正比。分析CiteSpace效果圖,目前處于領(lǐng)先地位的主要專利權(quán)人多數(shù)在1980年以前就進入頁巖氣領(lǐng)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(guān)于垂直鉆井技術(shù)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(shù)逐漸成熟并被運用到與Barnett頁巖地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)類似的其它頁巖層,技術(shù)革新讓頁巖氣產(chǎn)業(yè)再次出現(xiàn)質(zhì)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(lǐng)域技術(shù)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(shù)的領(lǐng)域分布分析可直接關(guān)注本領(lǐng)域內(nèi)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(lǐng)域?qū)＠难芯恐攸c,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(shù)領(lǐng)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(lǐng)域C10G、E21B和C10B方面的專利數(shù)遠大于其他技術(shù)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(guān)專利;E21B為頁巖氣開采和測量的相關(guān)技術(shù),包括地質(zhì)勘探和鉆井完井。頁巖氣的地質(zhì)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(shù)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(shù)。2.5被引次數(shù)較多的文章對頁巖氣領(lǐng)域的專利引用參考文獻運用社會網(wǎng)絡(luò)分析方法分析,構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖譜(圖4),該網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域較為核心的科技文章,它們都是關(guān)于頁巖氣領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)相關(guān)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(lǐng)域地質(zhì)學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。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(luò)圖呈現(xiàn)了一張清晰的引用文獻可視化結(jié)果圖,便于專利分析人員直觀、快速地定位到關(guān)鍵節(jié)點,以便展開后續(xù)的科研活動。2.6頁巖氣技術(shù)的熱點領(lǐng)域德溫特手工代碼對頁巖氣研究的技術(shù)領(lǐng)域的分類更準確,解釋更具體,對技術(shù)分類更有指導(dǎo)意義,這里選擇德溫特手工代碼對頁巖氣專利的熱點技術(shù)領(lǐng)域分布進行分析。先對專利數(shù)據(jù)的進行預(yù)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(dǎo)入Uninet構(gòu)建手工代碼MC之間的共現(xiàn)矩陣和網(wǎng)絡(luò),具體邏輯過程如圖5所示。隨后將Ucinet導(dǎo)出的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)輸入到VOSviewer繪制頁巖氣研究領(lǐng)域的熱點主題知識圖譜(見圖6)。區(qū)域顏色色調(diào)由深到淺的轉(zhuǎn)化(黑-灰-白)和區(qū)域文字字體由大到小,都表示對應(yīng)技術(shù)領(lǐng)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(lǐng)域、邊緣領(lǐng)域和冷門領(lǐng)域。分析上面的熱力圖,頁巖氣技術(shù)的熱點領(lǐng)域為:a.先進的壓裂和鉆井設(shè)備H01-D10(生產(chǎn)頁巖氣的相關(guān)設(shè)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(yīng)用氣體分離技術(shù),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(lǐng)域的專利數(shù)量增長趨勢、專利申請國家分布、專利權(quán)人格局、技術(shù)主題和文獻引證關(guān)系等方面的分析,研究了頁巖氣領(lǐng)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(shè)備和技術(shù)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(yīng)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(lǐng)域已經(jīng)歷萌芽期、快速發(fā)展期,目前處于技術(shù)成熟期,相關(guān)技術(shù)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(yīng)加強科學(xué)技術(shù)研究,國家層面設(shè)立專項科技基金,集中力量攻克技術(shù)難關(guān)。b.從美國頁巖氣技術(shù)的發(fā)展歷史來看,目前我國亟需發(fā)展的技術(shù)應(yīng)是頁巖氣藏儲層的識別、測量和改造技術(shù)以及鉆采工藝技術(shù)。由于我國頁巖氣藏儲層的地質(zhì)條件與北美地區(qū)的地質(zhì)條件存在很大的差異,不能完全照搬美國經(jīng)驗。應(yīng)針對我國獨特的地質(zhì)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(shù)體系。c.國外領(lǐng)先專利權(quán)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(nèi)研究工作相對獨立封閉,應(yīng)開展更多的國際交流,跟蹤世界前沿的頁巖氣相關(guān)技術(shù)的發(fā)展動態(tài)。科研機構(gòu)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(shù)。d.國家政策扶持引導(dǎo),政府部門出臺相應(yīng)的財政補貼和稅收減免,對高端技術(shù)的推廣和應(yīng)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(zhì)理論和勘探開發(fā)的相關(guān)項目,包括地球地理、化學(xué)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(xùn)和科學(xué)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(guān)鍵技術(shù):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(shù),同時產(chǎn)生了一批頂尖的服務(wù)公司為全球其它國家頁巖氣開發(fā)提供技術(shù)和設(shè)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(zhì)結(jié)構(gòu)與美國類似,直接將美國的成熟技術(shù)移植和應(yīng)用到當(dāng)?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(gòu)的科研項目給予資助;并在環(huán)境保護方面出臺指導(dǎo)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(shù)指導(dǎo)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(zhì)環(huán)境更復(fù)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(gòu)。歐盟聯(lián)合多國專家,制定了由國家級實驗室、地質(zhì)研究局、咨詢機構(gòu)和高等院校等多家研究機構(gòu)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