文章来源：《科学观察》
作者：彭皓、闫亚飞、陈芳，中国科学院国家科学图书馆总馆
文章摘要：
页岩气是一种重要的非常规天然气资源，最早由美国勘探开发，目前在北美地区形成了成熟的评价方法和勘探开发技术，并推动了页岩气产业的发展。该文研究了国际页岩气的开发现状，并以汤森路透的德温特专利数据库为数据源，基于关键词从国家、机构和研究主题等方面，对截至2013年的页岩气开采技术相关专利进行了分析，揭示了页岩气的关键开采技术特点和发展趋势，为我国页岩气的开发提出了对策和建议。
引言：
21世纪以来，面对不断攀升的能源需求和日益增大的气候变化压力，世界各国纷纷寻求降低能耗、节能减排的途径，开发天然气等清洁能源日益成为发展低碳经济、进一步优化能源结构和加快能源发展方式转变的主要方向。页岩气(shalegas)作为一种非常规天然气资源，具有储量丰富、开采寿命长和生产周期长的特点，受到世界主要资源国的关注。随着页岩气在北美的开采，特别是美国成功开发的强大示范效应，引发了全球页岩气资源开发热潮，目前除北美以外已有十余个国家包括中国、印度、澳大利亚、新西兰以及部分欧洲国家开始页岩气前期评价和勘探开发先导性实验。
研究思路与方法：
页岩气开发产业链主要由上游的勘探和评价技术、中游开采技术以及下游运输、油品净化、生产组成，经专家咨询和文献调研，页岩气开发产业中上游技术特别是中游的开采技术有别于传统天然气开采，故本报告侧重于中游的开采技术分析。利用专利计量的方法，通过对相关数据库收录的页岩气开采技术专利进行分析，以期从专利记录方面揭示国际页岩气开发的研发现状、特征和发展趋势，为我国页岩气开采提供借鉴。
本文的分析数据来源于汤森路透知识产权与科技集团Web of Science平台中的德温特创新专利索引(DII)数据库，利用关键词和IPC(国际专利分类号)组合设计检索式。所采用的主要分析工具为汤森路透知识产权与科技集团的数据分析工具TDA (Thomson Data Analyzer)和全球领先的科技创新解决方案Thomson Innovation。
页岩气开采技术国际专利态势分析：
全球页岩气开采专利技术发展大致经历了以下三个阶段：技术萌芽期(1957至1969年)；技术缓慢发展期(1970至1996年)；技术快速增长期 (1997至今)。
对专利优先权国家/地区以及同族专利国家进行统计和分析的结果显示，美国专利的申请量遥遥领先，占全部专利申请量的46.3%，是页岩气主要的技术来源国。专利数量位于美国之后的依次为俄罗斯、中国和加拿大。从中国的专利申请来看，主要集中于2000年后申请，即表明美国页岩气实现成功开采之后，主要申请人开始关注在华专利的布局。对比专利的市场分布，虽然美国在多边申请量中仍居首位，但远低于其46%的专利来源数量，表现出典型的技术输出倾向。此外，加拿大和欧洲也是页岩气开采技术专利重要的市场，分别居于第二位和第三位。从专利的区域分布来看，美国经过近20年的研发和实践，在页岩气开采领域形成了相对完整的技术体系，无论从专利数量还是影响力上看，美国都在国际竞争中占据绝对的优势地位。中国开采页岩气不仅在技术引进处于不利，且技术研发的竞争形势也十分严峻。
在页岩气开采技术的专利申请中，相关技术申请的主体是企业，且主要掌握在大型跨国公司手中。专利超过500件的机构依次是斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯，形成该领域竞争机构的第一梯队，其中其中贝克休斯于1982年开始介入页岩气开发领域，晚于另外两家十几年，但近几年有上升势头，特别是在钻头生产和研制方面具有优势；埃克森美孚和壳牌两家公司持有专利数量分别为258和122件，为该领域竞争机构的第二梯队；英国石油公司、雪佛龙、鞑靼石油公司、中国石油以及通用电气专利数量低于100件，形成第三梯队，其中中国的中石油于2007年开始关注页岩气开采，并申请了66件相关专利，主要涉及完井、测井技术以及页岩气增产方法。
页岩气开采关键技术及主要竞争者分析：
页岩气开采技术包括钻井、随钻测井和录井、增产技术等。通过对专利数量位于前20位的IPC分类分析发现，页岩气开采专利技术主要集中在增产技术特别是压裂技术及工具、钻井技术及设备例如测井、完井以及其他化工材料的应用方面。因此本文选择“水平井”(钻井技术)和“水力压裂”(主要的增产技术)两项技术进行深入分析。同时，美国的实践也表明，正是这两项技术的突破实现了规模化和商业化开采页岩气。
1． 页岩气开采核心技术——水平井技术分析
水平井可以大大增加井眼在产层中的长度和产层的泄油面积，在薄层、低渗透、稠油、页岩气等油气藏及底水和气顶活跃的油藏中得到广泛使用。水平井技术在页岩气规模化开采中发挥了关键作用。
美国是水平井技术的源发国，掌握着全球68%以上的技术专利。中国关于水平井的专利最早始于20世纪80年代，在2009年中国政府大力开展页岩气资源开采后，开始了大量的技术研发。但由于缺乏长距离、大规模水平井的相关实践，无论从专利数量还是核心技术上均与美国存在较大的差距。
水平井技术的专利申请主要掌握在大型跨国公司手中，美国的三大石油服务公司——斯伦贝谢公司、贝克休斯公司和哈里伯顿公司排名仍占据前三位，其专利申请量均超过200件。三大公司的专利申请量超过水平井技术专利申请量的50%。其他机构在该领域的专利申请规模较小，呈零星分布状态。中国的中国石油天然气集团公司、中国石油化工集团公司及中海石油研究中心排名世界前40位，但是三家公司的专利申请量与排名第一的斯伦贝谢公司差距较大，在该领域的国际技术竞争力较弱。同时，主要专利权人均在全球范围内设计了技术保护范围，面对国际石油服务的跨国公司的竞争，中国公司研发自主知识产权的水平井技术形势严峻。
2． 页岩气开采核心技术——水力压裂技术分析
页岩气储层致密，渗透率非常低，一般都无法直接进行生产，需要进行储层改造。水力压裂可以使储层产生密集的裂缝网络，进而提高储层渗透率，使地层中的天然气更容易流入井筒。国际上于20世纪80年代开始研究水平井的压裂增产改造技术，在水力裂缝的起裂、延伸，水平井压后产量预测，水力裂缝条数和裂缝几何尺寸的优化，压裂液的配置，分段压裂施工工艺技术与井下分隔工具等方面取得了一定进展。
水力压裂技术起源于20世纪60年代，起初发展比较缓慢，专利数量年均维持在200项左右，并且侧重于煤层或直井中的压裂技术。直到20世纪90年代后期，专利数量开始持续增长，特别是2000年后专利数量进入快速增长期，出现大量适用于水平多分枝井压裂的工艺、设备，同时，信息技术的发展带动水力压裂监测、裂缝模拟技术的快速进步。这与页岩气开采的历史基本吻合。表明水力压裂技术需求主要来源于页岩气开采领域，同时也是页岩气的规模化开采推动了水力压裂技术的迅猛发展。对比页岩气开采的两项核心技术，水力压裂技术的发展和成熟晚于水平井技术。
全球水力压裂技术领域专利申请量前10机构中美国的机构数量占50%，表明美国仍是该技术的主要掌控国家。且专利申请量前三位的机构仍是美国斯伦贝谢、哈里伯顿和贝克休斯公司，三大公司专利数量占全部专利的30%，并一直保持较稳定的增长态势，特别是1997年后，专利数量迅猛增长。2009年以来，中国开始关注页岩气资源，以中石油为代表的国内竞争者在该领域表现活跃，专利数量已跻身前五位，近三年申请量占全部申请量的65%，但多为国内申请，国际化程度较低。
结论与建议：
开采技术的突破成为美国页岩气实现规模化的关键。综上所述，在水平井和水力压裂两项核心技术中，存在着体系复杂、分支多、涉及领域广的特点，各技术领域涉及相应的工具或设备，环环相扣，这也是页岩气开采技术突破中的难点。可以看出，页岩气开采技术垄断明显，两项技术的主要持有者均为美国的三大油气服务公司，这为中国页岩气开采技术引进提供了参考对象。中国公司已逐渐涉足页岩气开采领域，并表现出积极的研发态势，这对中国页岩气开采也是一个利好。
1. 引进国外先进成熟技术，助力国内页岩气开采
2. 积极开展国际合作，创新合作模式
3. 做好产业区规划
4. 重视并合理解决环境问题
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