思 娜，李 婧，安 雷

(1．中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101;2．中國石化集團國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京100083)

在能源競爭激烈的當今社會，石油面臨著所謂的枯竭，能源供需形勢越來越嚴峻，各大石油企業(yè)紛紛在非常規(guī)能源開采方面投入大量精力，尋找更多的可利用能源，特別是頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)的研發(fā)已成為當前熱點。因此，及時了解頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)發(fā)展規(guī)律、分析研究其發(fā)展趨勢是掌握當前非常規(guī)能源形勢的一個前提，同時也是企業(yè)制定能源戰(zhàn)略規(guī)劃的關(guān)鍵。

1 國內(nèi)外頁巖氣技術(shù)專利概況

本文首先對頁巖氣技術(shù)相關(guān)專利進行統(tǒng)計分析，重點分析鉆井、固井、完井和壓裂4個專業(yè)。采用國際專利分類法(IPC)，通過德溫特國際專利數(shù)據(jù)庫匯總檢索得到符合條件的同族專利共2981條，其中鉆井、固井、完井和壓裂相關(guān)專利551條。因?qū)＠麖纳暾埖焦_時間大約需要18個月，故本文專利數(shù)據(jù)查詢截止2014年7月，2013、2014年數(shù)據(jù)僅作為參考。

1．1 專利數(shù)據(jù)時序分析

圖1為1960～2014年德溫特數(shù)據(jù)庫收錄的頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)專利申請數(shù)量隨時間的變化情況。

在整個過程中，頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)專利申請數(shù)量存在較為明顯的波動現(xiàn)象，這與油氣資源的需求變化存在著很強的相關(guān)性。從圖1中可以看出，頁巖氣技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出3個明顯的階段:

圖1 1960～2014年頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)專利年度變化

第一階段(1960～1982年):專利申請呈整體上升態(tài)勢，從1967年的2件逐步增長到1982年的74件。這是因為在20世紀70年代爆發(fā)石油危機期間，石油輸出國組織大幅降低石油出口量，導(dǎo)致全球性油氣供應(yīng)緊張，歐美許多國家紛紛將解決其國內(nèi)油氣供應(yīng)不足的希望寄托在非常規(guī)油氣資源和替代能源研發(fā)上，這促進了頁巖氣研發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了眾多專利技術(shù)。但由于受到當時技術(shù)水平較低、地質(zhì)研究薄弱等因素的制約，頁巖氣勘探開發(fā)成本相對較高。

第二階段(1982～1995年):專利申請整體呈下降趨勢，從1982年的74件逐步下降到1995年的9件。隨著80年代初石油危機的結(jié)束，油氣供應(yīng)的緊張局面得以緩解，使得頁巖氣的研發(fā)熱潮很快退去，相關(guān)專利技術(shù)的年申請量也隨之呈下降趨勢。

第三階段(1995～2014年):專利申請再次呈現(xiàn)整體上升的趨勢，從1995年的9件逐步增長到2013年的394件，2014年124件，僅作參考(數(shù)據(jù)截至2014年7月)。1995年以后，隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，對油氣需求量的逐年增大，以及一些老油氣田產(chǎn)量的下降，對非常規(guī)油氣資源的研究重新引起全球石油行業(yè)的興趣，特別是進入21世紀以來，頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)專利產(chǎn)出呈迅猛發(fā)展趨勢［1］。

1．2 基于專利信息的技術(shù)生命周期研究

1．2．1 生命周期曲線

生命周期(Life cycle，LC)的概念應(yīng)用很廣泛，特別是在政治、經(jīng)濟、環(huán)境、技術(shù)、社會等諸多領(lǐng)域經(jīng)常出現(xiàn)，其基本內(nèi)涵可以概括為，任何事物的發(fā)展都具有其生命周期［2］。一般情況下，可將技術(shù)生命周期分為萌芽期、成長期、成熟期和衰退期4個階段，可以用一個拉伸的S形曲線來表示［3］(如圖2所示)。同時技術(shù)發(fā)展也存在替代性，上一技術(shù)的衰退期即為下一技術(shù)的萌芽期［4］(如圖3所示)。

圖2 技術(shù)發(fā)展生命周期

圖3 技術(shù)替代規(guī)律

Logistic曲線是國內(nèi)外學(xué)者廣泛采用的一種用于預(yù)測技術(shù)發(fā)展趨勢的模型［5，6］，該模型可以刻畫技術(shù)的生命周期，判斷技術(shù)所處生命周期狀態(tài)，進而了解技術(shù)的研發(fā)趨勢。

Logistic曲線最初是由比利時數(shù)學(xué)家Verhulst在對人口增長規(guī)律的研究中得來的。他發(fā)現(xiàn)社會人口的增長速度逐漸減慢，最后社會人口總量趨于一穩(wěn)定值。后來，該模型廣泛應(yīng)用于技術(shù)發(fā)展趨勢預(yù)測中，其計算公式如下:

式中:p(t)——t時間內(nèi)累積專利數(shù);a——生命周期曲線的斜率;β——生命周期曲線中轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)的時間，即進入成熟期的時間點;k——生命周期曲線的飽和點，即最大累計專利數(shù)。

1．2．2 頁巖氣技術(shù)整體發(fā)展趨勢研究［7，8］

根據(jù)以上理論及方法，對1960～2012年專利進行整體分段分析。對1960～1994年的專利累計數(shù)據(jù)，擬合后的公式為(參見圖4):Y=1449.3/〔1+e－0.2328(x－1982)〕，從擬合曲線可以看出，1982 年頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)進入第一個發(fā)展周期的成熟期，在1994年時增長接近于0，即在1994年前后，頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)進入第一個發(fā)展周期的衰退期;對1994～2014年的專利累計數(shù)據(jù)進行擬合后的公式為(參見圖 5):Y=7855.7/〔1+e－0.22045(x－2018.96)〕，在2018年頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)進入第二個發(fā)展周期的成熟期(2018.96為該曲線的轉(zhuǎn)折點，即進入成熟區(qū)的時間點)，推算大概在2032年進入第二個發(fā)展周期的衰退期。結(jié)合以上研究，可以綜合判斷出該技術(shù)群正處于快速發(fā)展期。

圖4 1966～1994年Logistic曲線擬合

圖5 1994～2014年Logistic曲線擬合

圖6 頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)2014年專利申請量位居前10位的國家或地區(qū)

1．2．3 專利申請國家分析

1960～2014年間，共有30個國家或地區(qū)的專利局和國際性知識產(chǎn)權(quán)組織受理了頁巖氣相關(guān)技術(shù)的專利申請。圖6列出了專利申請量居前10位的國家或地區(qū)，依次為:美國(US)、中國(CN)、世界知識產(chǎn)權(quán)組織(WO)、俄羅斯(RU，含前蘇聯(lián))、加拿大(CA)、日本(JP)、德國(DE)、澳大利亞(AU)、英國(GB)、和法國(FR)。圖7則列出了2010年專利申請量居前10位的國家或地區(qū)組織，依次為:美國(US)、俄羅斯(RU)、日本(JP)、中國(CN)、加拿大(CA)、德國(DE)、英國(GB)、世界知識產(chǎn)權(quán)組織(WO)、法國(FR)和澳大利亞(AU)。

比較圖6、圖7可知，目前美國的專利申請數(shù)量最多，2013年底達到1582件，占總數(shù)的53.1%，處于絕對領(lǐng)先地位，這與美國頁巖氣資源分布量較大和商業(yè)開發(fā)進程較快的現(xiàn)實情況相呼應(yīng)。其次是中國近幾年增長迅速，2013年底累計專利量達到648件，占總數(shù)的27.1%，遠超2010年居第二的俄羅斯，排名也由世界第四上升至第二。除此之外，截止2013年底，世界知識產(chǎn)權(quán)組織為377件，居第三;世界天然氣生產(chǎn)大國之一的俄羅斯為226件，為第四;加拿大為214件，居全球第五;日本為181件，排名第六。

圖7 頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)2010年專利申請量位居前10位的國家或地區(qū)

中國專利申請數(shù)為648件，居全球第2位，僅從專利申請數(shù)量排名來看，目前中國在該領(lǐng)域的排名處于偏上水平，但專利申請數(shù)僅占全球頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)專利總量的27.1%，與美國相比，絕對申請數(shù)量還很低，不到美國專利申請總數(shù)的2/5。

1．2．4 頁巖氣前15項主要技術(shù)領(lǐng)域統(tǒng)計分析

在對頁巖氣技術(shù)排名前15項專利進行分析時，發(fā)現(xiàn)包含有頁巖油、干餾、熱采、裂解等下游技術(shù)領(lǐng)域，并且占有較大比例，如表1所示。

表1 頁巖氣前15項主要技術(shù)領(lǐng)域統(tǒng)計分析

根據(jù)目前的頁巖氣技術(shù)勘探開發(fā)熱潮，本文進一步對查詢數(shù)據(jù)進行細分，查詢了頁巖氣上游4個專業(yè)領(lǐng)域，鉆井、固井、完井和壓裂等專業(yè)領(lǐng)域的相關(guān)專利數(shù)據(jù)并進行了調(diào)研和分析。

2 頁巖氣勘探開發(fā)鉆井、固井、完井、壓裂發(fā)展趨勢研究

由圖8可以看出，鉆井、固井、完井、壓裂4個專業(yè)在頁巖氣勘探開發(fā)所有專利中所占比例很小，因此，對頁巖氣鉆井、固井、完井、壓裂4個領(lǐng)域?qū)＠臍v年數(shù)據(jù)和歷年累計數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計(見圖9)。

圖8 頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)專利數(shù)據(jù)

圖9 頁巖氣鉆井、固井、完井、壓裂4個專業(yè)歷年累計數(shù)據(jù)變化

從頁巖氣鉆井、固井、完井、儲層改造4個領(lǐng)域?qū)＠麣v年累計變化圖中可以看出，4個技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠塾嫈?shù)據(jù)隨時間具有相同的變化趨勢，但在1991年以后的鉆井技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠塾嫈?shù)據(jù)較固井、完井和壓裂3個技術(shù)領(lǐng)域的專利累計數(shù)據(jù)有較大幅度增長，故本文以鉆井為例進行分析。

3 頁巖氣勘探開發(fā)鉆井技術(shù)發(fā)展趨勢

3．1 研究機構(gòu)排名

從表2可以分析得出，頁巖氣勘探開發(fā)鉆井技術(shù)專利申請機構(gòu)比較龐雜，而且所占比重都比較均衡，因此，本文初步判斷目前頁巖氣勘探開發(fā)鉆井技術(shù)正處于快速成長期。

表2 頁巖氣勘探開發(fā)鉆井專利申請前15名主要機構(gòu)統(tǒng)計分析

3．2 技術(shù)類別排名(以國際專利分類為準)

從表3、4的對比，可以看出，1991年以前，技術(shù)領(lǐng)域種類少，所占比重也小，判斷該時期為萌芽期;而在1991年以后，技術(shù)領(lǐng)域種類龐雜，數(shù)量猛增，所占比例都不是很大，初步判斷此時技術(shù)正處于快速成長期。

表3 1966～1991年頁巖氣勘探開發(fā)鉆井技術(shù)專利領(lǐng)域前7名統(tǒng)計分析

3．3 生長曲線(見圖11)

對1966～1991年專利數(shù)據(jù)進行擬合后的公式為:Y=55.82/〔1+e－0.24692(x－1983.6)〕。根據(jù)該擬合后的結(jié)果可知，1983年進入這個周期的成熟期;對1991～2012年數(shù)據(jù)進行擬合，擬合后的公式為:Y=5278.94/〔1+e－0.15684(x－2030.4)〕?？芍搸r氣勘探開發(fā)技術(shù)中的鉆井技術(shù)在2030年經(jīng)過1991～2012年數(shù)據(jù)擬合曲線的拐點，即2069年進入這個周期的成熟期，但是該曲線是根據(jù)未來數(shù)據(jù)對曲線的擬合進行約束的，所以隨著未來數(shù)據(jù)的不斷更新，拐點年份會逐漸精確并降低，目前頁巖氣勘探開發(fā)鉆井技術(shù)正處于快速成長期。

表4 1991～2010年頁巖氣勘探開發(fā)鉆井技術(shù)專利領(lǐng)域前15名統(tǒng)計分析

圖11 頁巖氣鉆井技術(shù)生命周期Logistic曲線分段擬合

依此方法，對固井、完井、儲層改造等3個技術(shù)領(lǐng)域也進行了以上分析研究，由結(jié)果判斷得出，固井、完井、儲層改造技術(shù)等目前也處于技術(shù)發(fā)展的快速增長期。

4 結(jié)論

(1)通過對頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)專利時序分析及歷程調(diào)研，得出該技術(shù)的發(fā)展受經(jīng)濟發(fā)展、能源需求、政策支持等外界環(huán)境的影響，而這些因素的影響也都與專利信息波動表現(xiàn)一致。目前，國內(nèi)外形成了數(shù)量眾多的專利技術(shù)，對專利信息的及時獲取和監(jiān)測可以進一步指導(dǎo)相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新。

(2)頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)主要集中在15個技術(shù)領(lǐng)域，世界范圍內(nèi)專利總量最多的15家公司各自的重點領(lǐng)域大致相同，但在細分類別上又有較大差別。總體來看，頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)主要集中在干餾、熱采和提高采收率等方面。

(3)通過生命周期分析，頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)正處于快速增長期，將在2018年進入成熟期，上游鉆井、固井、完井、壓裂等4個專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)在2000年后快速增長，剛剛進入快速增長期。因此，應(yīng)抓住時機，及時制定專利戰(zhàn)略，研究研發(fā)熱點及前沿，指導(dǎo)相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新，從而形成自主知識產(chǎn)權(quán)，搶占技術(shù)制高點。

(4)世界掀起了一股頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)研發(fā)熱潮。從調(diào)研數(shù)據(jù)來看，2013年的專利增長量，中國的貢獻量很大，一方面是由于中國從2010年定頁巖氣為第27類礦藏資源后，陸續(xù)出臺了很多的相關(guān)扶持政策，政策導(dǎo)向性大;另一方面，是中國的各大高校、研發(fā)體系正在進行積極的非常規(guī)資源技術(shù)儲備。

［1］ 鄭軍衛(wèi)，王雪梅，張樹良．國際頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)專利態(tài)勢分析［J］．知識產(chǎn)權(quán)動態(tài)，2011，(3):38 －46．

［2］ 劉斌強．基于專利信息分析的技術(shù)生命周期判斷與應(yīng)用［J］．法制建設(shè)，2011，(1):77 －79．

［3］ 歷妍．基于專利的技術(shù)發(fā)展趨勢研究［D］．北京:北京工業(yè)大學(xué)，2011．

［4］ 朱慶華．信息分析基礎(chǔ)、方法及應(yīng)用［M］．北京:科學(xué)出版社，2004．

［5］ 張杰．基于專利的技術(shù)發(fā)展趨勢實證研究——以纖維混凝土為例［J］．科技管理研究，2010，(23):166－169．

［6］ 林婧弘．美國、日本實施專利戰(zhàn)略的經(jīng)驗及啟示［J］．知識產(chǎn)權(quán)，2009，23(6):38 －41．

［7］ 張運東，李春，新趙星．斯倫貝謝公司基本專利布局及其發(fā)展趨勢［J］．國際石油經(jīng)濟，2008，16(9):15 －19．

［8］ 楊林村，鄧益志，趙立新．國家專利戰(zhàn)略研究［M］．北京:知識產(chǎn)權(quán)出版社，2004．