陸桃妹，唐弟官，張芹

中國(guó)石油大學(xué)(北京)圖書(shū)館，北京 102249

頁(yè)巖氣作為一種新型非常規(guī)能源，具有儲(chǔ)量豐富、開(kāi)采周期長(zhǎng)、清潔環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，已在世界范圍內(nèi)掀起一場(chǎng)革命。當(dāng)前世界頁(yè)巖氣總可采儲(chǔ)量為187萬(wàn)億m3，而中國(guó)頁(yè)巖氣可采儲(chǔ)量為36萬(wàn)億m3，位居世界第一，因此大力研發(fā)適合我國(guó)頁(yè)巖的高效開(kāi)采技術(shù)可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益[1-9]。

頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)主要依靠長(zhǎng)水平井鉆井技術(shù)和大規(guī)模壓裂開(kāi)采技術(shù)，近些年我國(guó)在頁(yè)巖氣壓裂技術(shù)方面的研究呈逐年增加態(tài)勢(shì)且成果顯著，但相比于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家仍具有一定的差距。隨著知識(shí)經(jīng)濟(jì)和信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，專利作為一項(xiàng)技術(shù)或產(chǎn)品的科技價(jià)值和商業(yè)價(jià)值的綜合載體，能很好地反映某一領(lǐng)域科技發(fā)展的最新趨勢(shì)及產(chǎn)業(yè)動(dòng)態(tài)，是衡量一個(gè)國(guó)家或組織科技創(chuàng)新能力及生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化水平的重要指標(biāo)[10]。同時(shí)隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用到專利信息分析領(lǐng)域，可更高效地從海量數(shù)據(jù)集合中提取挖掘高價(jià)值信息，提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。而如何緊跟時(shí)代步伐，利用好數(shù)據(jù)資源、創(chuàng)新服務(wù)模式則成為圖書(shū)館信息服務(wù)所面臨的重大考驗(yàn)。

本文利用大數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)近年來(lái)全球范圍內(nèi)頁(yè)巖壓裂領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品的專利信息進(jìn)行了大規(guī)模檢索和統(tǒng)計(jì)，從專利角度分析了頁(yè)巖壓裂領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、技術(shù)分布狀況及研究熱點(diǎn)，發(fā)掘了核心技術(shù)，以期多角度展現(xiàn)全球頁(yè)巖壓裂技術(shù)的整體發(fā)展態(tài)勢(shì)，為我國(guó)頁(yè)巖壓裂領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展及創(chuàng)新提供科學(xué)的參考和依據(jù)，同時(shí)也為圖書(shū)館開(kāi)展專利信息服務(wù)提供方法借鑒。

1 專利數(shù)據(jù)分析原理及研究對(duì)象選取

1.1 大數(shù)據(jù)專利分析工具

為保證頁(yè)巖壓裂相關(guān)專利數(shù)據(jù)的全面詳實(shí)，專利信息數(shù)據(jù)分別來(lái)源于中國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局[11]、Total Patent[12]和Lexis Nexis Patent Strategies[13](下文可簡(jiǎn)稱LNPS) 3個(gè)專利檢索平臺(tái)。其中，中國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局主要用于檢索中國(guó)頁(yè)巖壓裂專利，而Total Patent和LNPS則可同時(shí)用于檢索包括中國(guó)在內(nèi)的世界80多個(gè)主要發(fā)達(dá)及發(fā)展中大國(guó)的頁(yè)巖壓裂專利。

專利信息分析采用LNPS分析平臺(tái)，該分析平臺(tái)可對(duì)比分析全世界范圍內(nèi)的專利記錄，在短時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠皥D，并且采用可視化方式表示出來(lái)，從而更加全面清晰地解析一個(gè)組織的知識(shí)產(chǎn)權(quán)或一項(xiàng)專利的價(jià)值。

1.2 研究對(duì)象選取

為了數(shù)據(jù)的全面性，筆者以專利摘要、標(biāo)題及權(quán)利要求3個(gè)選項(xiàng)中涉及的關(guān)鍵詞“頁(yè)巖”與“壓裂”的專利為檢索范圍，即在LNPS平臺(tái)中以“@(abstract,claims,title)(shale and fractur*)”為檢索式進(jìn)行檢索，并結(jié)合TP平臺(tái)以“Title=((fracture* and ( shale or bind or “cleaving stone” or schiefer or shaliness))or 頁(yè)巖 and壓裂)or Abstract((fracture* and ( shale or bind or“cleaving stone” or schiefer or shaliness))or 頁(yè)巖 and壓裂)or claim ((fracture* and ( shale or bind or “cleaving stone” or schiefer or shaliness))or 頁(yè)巖 and壓裂)”為檢索式及國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局以“關(guān)鍵詞=(頁(yè)巖 AND 壓裂)OR 摘要=(頁(yè)巖 AND 壓裂)OR 發(fā)明名稱=(頁(yè)巖 AND壓裂)OR 權(quán)利要求=(頁(yè)巖 AND 壓裂)”為檢索式進(jìn)行檢索的結(jié)果。檢索截止日期為2018年8月10日。通過(guò)這3個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的檢索、合并與去重清洗等，獲得本次研究所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

對(duì)采集的專利進(jìn)行定量和定性分析結(jié)合，利用LNPS平臺(tái)對(duì)頁(yè)巖領(lǐng)域的專利申請(qǐng)趨勢(shì)、主要申請(qǐng)人、技術(shù)領(lǐng)域分布、高強(qiáng)度專利等進(jìn)行不同角度的分析與討論。

2 研究結(jié)果與討論

截至2018年8月10日，國(guó)內(nèi)外關(guān)于頁(yè)巖壓裂領(lǐng)域的專利文獻(xiàn)共3688件，具體組成見(jiàn)表1。對(duì)所有專利進(jìn)行簡(jiǎn)單同族縮減后得到基本專利為1866件，每件基本專利平均約擁有專利同族成員1.98件，對(duì)比目前幾項(xiàng)正在進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)的熱門技術(shù)(如表2)可以看出頁(yè)巖壓裂技術(shù)的基本專利平均同族成員擁有量相對(duì)較高，這表明頁(yè)巖領(lǐng)域全球?qū)＠牟季只顒?dòng)活躍度還是比較高的。

表1 頁(yè)巖壓裂領(lǐng)域?qū)＠厩闆rTable 1 Basic information of patents in thefield of shale fracturing

表2 熱門技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠迩闆rTable 2 Patent family situation in hot technologyfield

2.1 國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖壓裂技術(shù)專利申請(qǐng)數(shù)量變化趨勢(shì)分析

1912年起國(guó)外開(kāi)始出現(xiàn)頁(yè)巖油氣相關(guān)技術(shù)的研究，但局限于當(dāng)時(shí)石油生儲(chǔ)蓋理論的認(rèn)識(shí)，頁(yè)巖往往被視為良好的蓋層，本身并不儲(chǔ)存油氣，此階段極少有頁(yè)巖壓裂技術(shù)出現(xiàn)。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，到了1975年，頁(yè)巖本身可作為油氣儲(chǔ)層的理論開(kāi)始出現(xiàn)，頁(yè)巖壓裂技術(shù)也陸續(xù)進(jìn)入人們的視野。提取1975—2018年頁(yè)巖壓裂相關(guān)專利數(shù)據(jù)可較好地對(duì)世界范圍內(nèi)頁(yè)巖壓裂技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。圖1為1975—2018年全球范圍內(nèi)頁(yè)巖壓裂技術(shù)專利申請(qǐng)數(shù)量變化趨勢(shì)圖(注：為圖示清晰，全球申請(qǐng)量對(duì)應(yīng)左側(cè)坐標(biāo)軸，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)及國(guó)外申請(qǐng)對(duì)應(yīng)于右側(cè)坐標(biāo)軸；2018年專利數(shù)據(jù)由于申請(qǐng)流程時(shí)滯和數(shù)據(jù)不完整，并不能準(zhǔn)確反映該年專利數(shù)，僅供參考，不納入分析范圍)。

分析圖1國(guó)外頁(yè)巖壓裂專利數(shù)量變化曲線發(fā)現(xiàn)，1975—2000年，國(guó)外(以美國(guó)和加拿大為主)每年頁(yè)巖壓裂技術(shù)專利數(shù)量很少，最多的一年為24件，大部分年份專利為個(gè)位數(shù)。此階段絕大多數(shù)的頁(yè)巖壓裂專利來(lái)自于美國(guó)和加拿大，當(dāng)時(shí)美加政府為調(diào)控本國(guó)能源結(jié)構(gòu)以能更好地應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的石油危機(jī)，實(shí)施了低稅甚至免稅政策來(lái)刺激非常規(guī)資源的勘探與開(kāi)發(fā)，因此頁(yè)巖氣作為一種有潛力的非常規(guī)資源逐漸受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。但局限于當(dāng)時(shí)較低的天然氣價(jià)格，各大石油公司也并不把頁(yè)巖氣作為大規(guī)模開(kāi)發(fā)對(duì)象，技術(shù)創(chuàng)新緩慢，壓裂專利較少。而從2000年開(kāi)始，國(guó)外頁(yè)巖專利數(shù)量則呈現(xiàn)波浪式快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，分別于2001、2008和2011出現(xiàn)小波峰，并在2014年達(dá)到頂峰，2015—2017年壓裂專利數(shù)量大幅回落。此階段美加等國(guó)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)積累，頁(yè)巖壓裂技術(shù)開(kāi)始走向成熟，進(jìn)入大規(guī)模開(kāi)采階段，頁(yè)巖氣產(chǎn)量不斷攀升，隨之油價(jià)走低，天然氣經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)越發(fā)突出，終于在世界范圍內(nèi)引發(fā)一場(chǎng)頁(yè)巖氣革命，對(duì)傳統(tǒng)的能源供給結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大影響和沖擊。深入分析國(guó)外頁(yè)巖壓裂專利數(shù)量變化曲線還可以發(fā)現(xiàn)一項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)不斷出現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程，會(huì)受到多種因素的影響，呈現(xiàn)出高峰低潮波浪式的上升趨勢(shì)，這是進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新時(shí)應(yīng)該遵循的一種大體規(guī)律。

圖1 1975—2018年全球范圍內(nèi)頁(yè)巖壓裂技術(shù)專利申請(qǐng)數(shù)量變化趨勢(shì)圖Fig. 1 Trends of the number of patent applications for shale fracturing technology worldwide in 1975-2018

觀察圖1中我國(guó)頁(yè)巖壓裂專利年度申請(qǐng)數(shù)量變化曲線發(fā)現(xiàn)：從2009年起我國(guó)頁(yè)巖壓裂專利數(shù)呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)趨勢(shì)，在2015年到達(dá)頂峰，略少于國(guó)外專利數(shù)量，2016年和2017年則小幅回落。這說(shuō)明我國(guó)頁(yè)巖氣壓裂技術(shù)研究雖然起步較晚，但是充分利用后發(fā)優(yōu)勢(shì)，很好地把握住了國(guó)際頁(yè)巖工業(yè)高速發(fā)展的契機(jī)，進(jìn)步迅速，快速縮小了和國(guó)際先進(jìn)水平的差距。

綜合分析圖1，頁(yè)巖壓裂專利數(shù)量及增長(zhǎng)趨勢(shì)可從一個(gè)角度較好地反映世界及我國(guó)頁(yè)巖工業(yè)的整體發(fā)展趨勢(shì)，因此也可作為預(yù)測(cè)頁(yè)巖技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)的重要指標(biāo)。

2.2 頁(yè)巖壓裂技術(shù)的專利來(lái)源及專利應(yīng)用國(guó)/地區(qū)分析

專利來(lái)源國(guó)/地區(qū)是指專利技術(shù)所屬的國(guó)家或地區(qū)，分析來(lái)源國(guó)/地區(qū)的專利數(shù)量可反映該國(guó)/地區(qū)對(duì)某項(xiàng)技術(shù)的占有情況，是國(guó)家/地區(qū)綜合技術(shù)實(shí)力的體現(xiàn)；分析應(yīng)用國(guó)/地區(qū)分布情況(即各國(guó)家/地區(qū)的專利受理量)可反映某項(xiàng)技術(shù)在全球的布局。表3為頁(yè)巖壓裂專利排名前10的來(lái)源國(guó)/地區(qū)分布表，表4為頁(yè)巖壓裂專利排名前10的應(yīng)用國(guó)/地區(qū)分布表。表5為擁有頁(yè)巖壓裂領(lǐng)域授權(quán)專利總數(shù)排名前5個(gè)國(guó)家海內(nèi)外數(shù)據(jù)分布情況，表6為中美兩國(guó)專利質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)表。

表3 頁(yè)巖壓裂專利排名前10的來(lái)源國(guó)/地區(qū)分布表Table 3 Distribution of top 10 countries/regions of shale fracturing patents

表4 頁(yè)巖壓裂專利排名前10的應(yīng)用國(guó)/地區(qū)分布表Table 4 Applicable country/region distribution table of the top 10 shale fracturing patents

分析表3可以發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖壓裂專利來(lái)源國(guó)/地區(qū)主要為美國(guó)、中國(guó)，可大致劃分為三個(gè)梯隊(duì)。第一梯隊(duì)：美國(guó)、中國(guó)；第二梯隊(duì)：加拿大、英國(guó)、澳大利亞；第三梯隊(duì)：挪威、法國(guó)、印度。其中美國(guó)在頁(yè)巖壓裂專利總量方面遙遙領(lǐng)先其他各國(guó)/地區(qū)，技術(shù)積累深厚，符合其頁(yè)巖氣工業(yè)領(lǐng)跑者的現(xiàn)狀。中國(guó)頁(yè)巖壓裂專利總量雖然少于美國(guó)，但近五年專利申請(qǐng)數(shù)超越美國(guó)等其他國(guó)家/地區(qū)，說(shuō)明我國(guó)頁(yè)巖壓裂技術(shù)發(fā)展迅速，后來(lái)居上，呈現(xiàn)趕超態(tài)勢(shì)，在核心技術(shù)領(lǐng)域逐漸擁有獨(dú)立的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，具有很好的發(fā)展前景。

分析表4和表5可以發(fā)現(xiàn)，雖然中國(guó)正逐步縮小和美國(guó)在頁(yè)巖壓裂專利申請(qǐng)數(shù)量上的差距，但在擁有授權(quán)專利總數(shù)和世界授權(quán)總數(shù)兩方面中國(guó)仍與美國(guó)有較大差距，特別是在國(guó)外專利布局方面。美國(guó)有一半專利用于海外布局，即美國(guó)在進(jìn)行技術(shù)研發(fā)申請(qǐng)專利時(shí)，不但將該專利在本國(guó)市場(chǎng)進(jìn)行了大規(guī)模應(yīng)用和保護(hù)，還同在海外市場(chǎng)進(jìn)行了戰(zhàn)略規(guī)劃和布局，為接下來(lái)的專利應(yīng)用和貿(mào)易做了準(zhǔn)備。

而對(duì)比中國(guó)與美國(guó)的對(duì)本國(guó)和對(duì)國(guó)外的專利授權(quán)率及兩國(guó)在國(guó)外申請(qǐng)上獲得的授權(quán)比例可知(表6)，兩國(guó)在這幾個(gè)指標(biāo)上基本上沒(méi)有差異，可以認(rèn)為中國(guó)與美國(guó)的專利質(zhì)量差別不大，導(dǎo)致中國(guó)在頁(yè)巖壓裂領(lǐng)域的全球技術(shù)保護(hù)范圍小的原因主要是中國(guó)申請(qǐng)人的國(guó)際市場(chǎng)保護(hù)意識(shí)低，這種只顧眼前的狹隘思想可能會(huì)造成未來(lái)更大的損失；當(dāng)然國(guó)際專利申請(qǐng)時(shí)間和費(fèi)用相比國(guó)內(nèi)申請(qǐng)時(shí)間和費(fèi)用普遍更長(zhǎng)更高，這兩個(gè)因素也會(huì)導(dǎo)致中國(guó)一些低價(jià)值低回報(bào)的頁(yè)巖壓裂專利沒(méi)有進(jìn)入世界申請(qǐng)階段。總體而言，我國(guó)頁(yè)巖壓裂專利在進(jìn)行全球戰(zhàn)略布局上還具有較發(fā)展空間。

表5 頁(yè)巖壓裂專利授權(quán)總數(shù)排名前5個(gè)國(guó)家專利授權(quán)分布情況數(shù)據(jù)表Table 5 Distribution of patent authorizations for the top 5 countries in the total number of shale fracturing patent authorizations

表6 中美兩國(guó)專利質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)表Table 6 Patent quality evaluation indicators between China and the United States

2.3 頁(yè)巖壓裂專利類別分析

對(duì)已獲授權(quán)的頁(yè)巖壓裂專利類別進(jìn)行分析(表7)可看出頁(yè)巖壓裂技術(shù)專利主要集中在E21B和C09K兩個(gè)IPC分類中，其中E21B指頁(yè)巖壓裂方法及配套工具設(shè)備等相關(guān)專利，C09K指頁(yè)巖壓裂試劑材料設(shè)備等相關(guān)專利。這說(shuō)明在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)具有自己的技術(shù)特點(diǎn)和研究重心，壓裂方法和壓裂的試劑研發(fā)始終占據(jù)著主導(dǎo)地位，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)高效壓裂技術(shù)設(shè)備的需求也十分巨大。

將E21B和C09K頁(yè)巖壓裂專利關(guān)鍵信息進(jìn)行提取分析，可進(jìn)一步將頁(yè)巖壓裂專利分為3類。

(1)頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)類專利。專利類型主要包括：a.頁(yè)巖力學(xué)特征參數(shù)獲取方法及評(píng)價(jià)方法：頁(yè)巖力學(xué)參數(shù)主要通過(guò)巖心加載實(shí)驗(yàn)和測(cè)井資料反衍等方法獲得，這些方法能夠較準(zhǔn)確地對(duì)井下頁(yè)巖力學(xué)參數(shù)特征進(jìn)行定量描述。b.地應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)獲取及模型構(gòu)建方法：頁(yè)巖地應(yīng)力大小和方向?qū)α芽p的擴(kuò)展有著至關(guān)重要打的影響，目前水力壓裂方式是獲取地應(yīng)力最直接有效的方法，其他方法還包括聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)法、測(cè)井資料計(jì)算法、數(shù)值模擬方法等。c.頁(yè)巖脆性可壓性評(píng)價(jià)方法：頁(yè)巖脆性可壓性評(píng)價(jià)是近幾年的一個(gè)研究熱點(diǎn)，可以和地層起裂及裂縫擴(kuò)展直接建立聯(lián)系，方法有脆性礦物評(píng)價(jià)法、巖石力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)法、應(yīng)變曲線法等，但到目前為止，仍然沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一評(píng)價(jià)方法。d.天然裂縫識(shí)別方法：儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育及分布對(duì)頁(yè)巖壓裂縫網(wǎng)的形成有著重要影響，目前天然裂縫識(shí)別方法主要有地震勘探法、臨井壓力干擾試井法、地質(zhì)巖石力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)法等，這些方法一定程度上可謂頁(yè)巖天然裂縫的預(yù)測(cè)提供依據(jù)，但多數(shù)仍然停留在理論研究階段，未得到較好的應(yīng)用，在儲(chǔ)層天然裂縫定量分析方面有較大的欠缺。

表7 頁(yè)巖壓裂技術(shù)的專利技術(shù)領(lǐng)域分布Table 7 Distribution of patented technicalfields of shale fracturing technology

(2)頁(yè)巖壓裂方法工藝及工具類專利。專利類型主要有主要包括：a.分段壓裂方法及設(shè)備：水平井大規(guī)模分段壓裂是頁(yè)巖油氣高效開(kāi)發(fā)的重要手段及關(guān)鍵技術(shù)，方法有封隔器分段壓裂方法及設(shè)備、可鉆橋塞分段壓裂方法及設(shè)備、水力噴射分段壓裂方法及設(shè)備。b.特殊壓裂方法及設(shè)備：根據(jù)頁(yè)巖儲(chǔ)層特點(diǎn)，采取一些特殊的壓裂方法也可以起到增大儲(chǔ)層改造體積(SRV)和裂縫復(fù)雜指數(shù)(FCI)的目的，最終提高采收率，這些特殊的壓裂方法有同步壓裂、拉鏈?zhǔn)綁毫?、選擇性壓裂、重復(fù)壓裂及工廠化壓裂，通過(guò)采取這些特殊的壓裂方法，可以提高頁(yè)巖氣井的短期產(chǎn)量、延長(zhǎng)穩(wěn)產(chǎn)周期、提高壓裂設(shè)備的利用率，進(jìn)而最大限度提升開(kāi)采效益。c.壓裂動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)及設(shè)備：壓裂動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)是壓裂效果好壞的重要評(píng)價(jià)技術(shù)，方法有地震監(jiān)測(cè)技術(shù)、近井筒裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)、測(cè)井參數(shù)反衍檢測(cè)技術(shù)、分布式聲傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)等。不同的監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)應(yīng)用于同一口井有時(shí)效果差異較大，因此多種監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)并行，以更好地提高井組壓裂效果，是未來(lái)頁(yè)巖壓裂的發(fā)展方向。d.頁(yè)巖壓裂完井技術(shù)：由于頁(yè)巖滲透性差、非均質(zhì)性強(qiáng)、甜點(diǎn)分布難以預(yù)測(cè)等原因，頁(yè)巖氣井完井相比常規(guī)儲(chǔ)層更加困難，因此采用何種完井工藝提高儲(chǔ)層滲透性降低污染保持井筒完整性直接關(guān)系到頁(yè)巖氣采收率的提高和穩(wěn)產(chǎn)氣的延長(zhǎng)，目前常用的頁(yè)巖氣井的完井方式有套管射孔完井、尾管射孔完井、非均勻分簇射孔完井等方法，適合的完井方式能有效簡(jiǎn)化工程復(fù)雜程度，降低成本，為后期壓裂奠定基礎(chǔ)。

(3)壓裂液體系及配套技術(shù)類專利。根據(jù)儲(chǔ)層特點(diǎn)優(yōu)選壓裂液配方對(duì)于提升壓裂效果至關(guān)重要，專利類型主要包括：a.清水壓裂液體系，由于頁(yè)巖普遍具有低滲特點(diǎn)，因此清水壓裂液是目前應(yīng)用最廣泛的頁(yè)巖壓裂液體系，清水壓裂液主要用于水敏弱、天然裂縫發(fā)育、地應(yīng)力分布均勻、脆性礦物含量較高的儲(chǔ)層，清水壓裂液體系以水為主體，同時(shí)加入減阻劑和支撐劑，支撐劑中支撐材料的大小、材料、數(shù)量等均需要根據(jù)實(shí)際地層特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。b.復(fù)合壓裂液體系，對(duì)于水敏性強(qiáng)、天然裂縫發(fā)育差、塑性礦物含量高的儲(chǔ)層，目前主要采用復(fù)合壓裂液體系，復(fù)合壓裂液體系主要由高黏度凍膠和低黏度滑溜水組成，可以同時(shí)起到有效壓裂地層和擴(kuò)縫的雙重目的。復(fù)合壓裂液體系由于配方更加復(fù)雜壓裂液黏度更大，因此對(duì)注入工藝及設(shè)備承壓能力有著更高的要求，這也是復(fù)合壓裂液體系目前成為優(yōu)化研究重點(diǎn)的原因所在。

2.4 頁(yè)巖壓裂專利發(fā)展脈絡(luò)分析

為分析頁(yè)巖壓裂技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，采用文本聚類法對(duì)每年頁(yè)巖壓裂專利重點(diǎn)分布領(lǐng)域進(jìn)行了研究。為便于分析，劃分出3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，分別是2008年之前(共 221件)、2009—2013年(共 375件)和 2014年之后(共322件)，各時(shí)間段頁(yè)巖壓裂專利重點(diǎn)分布領(lǐng)域如圖2、圖3、圖4所示，圖中扇形面積越大、顏色越紅，說(shuō)明該方面專利數(shù)量越多、越受到人們的關(guān)注。

圖2 2008年之前頁(yè)巖壓裂技術(shù)專利領(lǐng)域分布圖Fig. 2 Distribution map of shale fracturing technology patentfield before 2008

圖3 2009—2013年頁(yè)巖壓裂技術(shù)專利領(lǐng)域分布圖Fig. 3 Distribution map of shale fracturing technology patentfield in 2009-2013

圖4 2014年至今頁(yè)巖壓裂技術(shù)專利領(lǐng)域分布圖Fig. 4 Distribution of patents in shale fracturing technology from 2014 to the present

分析圖2、圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)，在2013年之前頁(yè)巖壓裂技術(shù)專利主要集中在頁(yè)巖油氣資源地層識(shí)別及開(kāi)發(fā)原理研究等方面，但是所針對(duì)儲(chǔ)層類型有所不同。其中，2008年之前主要針對(duì)頁(yè)巖油儲(chǔ)層，而2009—2013年則主要針對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層。在2014年以后頁(yè)巖壓裂技術(shù)專利主要集中在壓裂方法及配套技術(shù)研究等方面，以大規(guī)模壓開(kāi)頁(yè)巖儲(chǔ)層形成良好的油氣運(yùn)移通道，同時(shí)關(guān)于頁(yè)巖儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)原理等方面研究仍具有很高的熱度。

通過(guò)分析頁(yè)巖壓裂技術(shù)發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖壓裂技術(shù)在不同發(fā)展時(shí)期側(cè)重點(diǎn)是有所不同的。早期主要是在常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)小規(guī)模頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)進(jìn)行探索和嘗試(2008年之前)，隨著實(shí)踐的深入，頁(yè)巖作為一種新的獨(dú)立的油氣儲(chǔ)層理論也不斷發(fā)展成熟，為頁(yè)巖氣大規(guī)模開(kāi)采奠定了理論基礎(chǔ)(2009—2013年)，最終在2014年以后，頁(yè)巖氣大規(guī)模開(kāi)采理論成熟，相關(guān)技術(shù)裝備專利井噴式出現(xiàn)。通過(guò)文本聚類法研究頁(yè)巖壓裂技術(shù)專利年度分布情況可以從一個(gè)角度分析頁(yè)巖壓裂技術(shù)的發(fā)展規(guī)律及已達(dá)到的發(fā)展階段，進(jìn)而為發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

2.5 頁(yè)巖氣壓裂技術(shù)專利權(quán)人分析

專利的專利權(quán)人分析可探究技術(shù)主要所有人情況，進(jìn)而對(duì)專利權(quán)人競(jìng)爭(zhēng)力分析可預(yù)測(cè)技術(shù)合作趨勢(shì)。表8為頁(yè)巖壓裂有效專利擁有量排名前十的專利權(quán)人(申請(qǐng)機(jī)構(gòu))分布表，圖5為頁(yè)巖壓裂有效專利擁有者(專利權(quán)人)競(jìng)爭(zhēng)力氣泡圖。

表8 頁(yè)巖壓裂有效專利擁有量排名前10的專利權(quán)人(申請(qǐng)機(jī)構(gòu))分布表Table 8 Distribution table of the top 10 patent holders (applicants)with effective patent ownership of shale fracturing

圖5 頁(yè)巖壓裂有效專利擁有者(專利權(quán)人)競(jìng)爭(zhēng)力氣泡圖Fig. 5 Competitive bubble chart of effective patent owner (patentee)of shale fracturing

從表8可以看出，頁(yè)巖壓裂領(lǐng)域的專利申請(qǐng)大部分來(lái)自于大型的跨國(guó)能源公司，排名前十的專利權(quán)人中有8家為美國(guó)的能源企業(yè)，而授權(quán)專利中排名前十的專利權(quán)人則有6個(gè)都是美國(guó)能源企業(yè)。同時(shí)無(wú)論是在專利的申請(qǐng)量還是授權(quán)量上，排名第一的哈里伯頓公司與排名第二的斯倫貝謝公司的專利量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他專利權(quán)人，這都說(shuō)明美國(guó)在頁(yè)巖壓裂技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)著主導(dǎo)地位，擁有絕對(duì)實(shí)力。同時(shí)國(guó)內(nèi)的企業(yè)和高校也十分重視頁(yè)巖壓裂技術(shù)的研究，雖然在深度和規(guī)模上還不能和傳統(tǒng)的能源公司進(jìn)行抗衡，但進(jìn)步很快，研發(fā)活動(dòng)也十分活躍，快速推動(dòng)著我國(guó)頁(yè)巖壓裂技術(shù)的不斷前進(jìn)。

圖5中橫軸與縱軸分別表示技術(shù)實(shí)力與綜合實(shí)力。其中技術(shù)實(shí)力主要取決于專利涵蓋領(lǐng)域廣度、專利數(shù)量、專利引證等指標(biāo)，越靠右表示技術(shù)實(shí)力越強(qiáng)；綜合實(shí)力則主要取決于專利權(quán)人的整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模、資金收入、企業(yè)跨國(guó)分布等指標(biāo)，越靠上表示綜合實(shí)力越強(qiáng)。氣泡大小表示頁(yè)巖壓裂專利數(shù)量的多少，氣泡越大則數(shù)量越多。將競(jìng)爭(zhēng)者氣泡分布劃分為四個(gè)象限，則位于第一象限中的專利權(quán)人同時(shí)具有較強(qiáng)的技術(shù)實(shí)力與綜合實(shí)力，可獨(dú)立的進(jìn)行頁(yè)巖大規(guī)?？碧介_(kāi)發(fā)，是該領(lǐng)域的主導(dǎo)者；第二象限的專利權(quán)人綜合實(shí)力較強(qiáng)但缺乏技術(shù)，可通過(guò)和技術(shù)較強(qiáng)的大公司合作或購(gòu)買專利提升自己技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力；第三象限的專利權(quán)人綜合實(shí)力較弱，在個(gè)別頁(yè)巖壓裂分支領(lǐng)域具有一定的技術(shù)實(shí)力，可選擇和大公司合作出售自己的專利技術(shù)或彼此多方合并實(shí)現(xiàn)抱團(tuán)取暖；第四象限的專利權(quán)人綜合實(shí)力較差但技術(shù)實(shí)力強(qiáng)勁，可作為技術(shù)輸出方和綜合實(shí)力強(qiáng)的大公司強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。

從圖5可以看出，位于第一象限的只有美孚公司，但氣泡不大，說(shuō)明美孚公司有較強(qiáng)的技術(shù)實(shí)力與綜合實(shí)力，但擁有的專利數(shù)量不多；斯倫貝謝與中石油均位于第一二象限交界位置，氣泡中等大??；通用電氣與川漢油田服務(wù)公司位于第二象限，第三象限則集中了較多的專利權(quán)人，包括西南石油大學(xué)、中國(guó)石油大學(xué)等；氣泡最大的是哈里伯頓公司，位于第四象限。根據(jù)各專利權(quán)人的位置，哈里伯頓的頁(yè)巖壓裂技術(shù)綜合實(shí)力最強(qiáng)，美孚、斯倫貝謝及中石油的綜合實(shí)力與技術(shù)實(shí)力都相差不大，都是綜合實(shí)力很強(qiáng)同時(shí)具有一定技術(shù)實(shí)力的專利權(quán)人，而中國(guó)石油大學(xué)、威德福等則是具有一定技術(shù)實(shí)力但綜合實(shí)力差的單位。說(shuō)明哈里伯頓是頁(yè)巖壓裂技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，中石油等綜合實(shí)力強(qiáng)勁的專利權(quán)人可通過(guò)與哈里伯頓合作快速實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖壓裂領(lǐng)域技術(shù)升級(jí)，也可以通過(guò)購(gòu)買諸如威德福、中國(guó)石油大學(xué)等小企業(yè)或單位的相關(guān)專利技術(shù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)。

2.6 重點(diǎn)專利分析

重點(diǎn)專利指的是具有高質(zhì)量的專利，專利的質(zhì)量評(píng)價(jià)主要是通過(guò)分析被引次數(shù)和專利強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.6.1 以專利被引次數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)

一件專利被論文及其他專利引用次數(shù)可以反映該專利的影響力，全球頁(yè)巖壓裂專利被引次數(shù)分布如表9。

表9 全球頁(yè)巖壓裂專利被引次數(shù)分布表Table 9 Distribution of cited times for global shale fracturing patents

表9可以看出，被引次數(shù)超過(guò)100次以上的專利數(shù)很少，共有85件，占比僅為2.3%，說(shuō)明相比于龐大的專利基數(shù)，高質(zhì)量壓裂專利數(shù)量是很少的。以被引次數(shù)前兩名的專利為例進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。被引次數(shù)最多的專利為“US5868202A[14]”，該專利研究了利用壓裂工藝制造含水層，從而開(kāi)發(fā)煤、油頁(yè)巖、焦油砂和含油地層的碳?xì)浠衔锘驘崮艿姆椒?。?999年公開(kāi)至今被引次數(shù)高達(dá)532次，2010年至今的被引次數(shù)依然高達(dá)74次。被引次數(shù)居第二位的專利“US4886118A[15]”自1989年公開(kāi)以來(lái)被引次數(shù)高達(dá)489次，該專利研究的是傳導(dǎo)加熱地下油頁(yè)巖以產(chǎn)生滲透性并壓裂生產(chǎn)石油的方法。通過(guò)鉆井對(duì)油頁(yè)巖地下層段進(jìn)行高于600 ℃的傳導(dǎo)加熱，使得油頁(yè)巖內(nèi)形成的干酪根得以熱解流動(dòng)，匯聚到壓裂產(chǎn)生的水平裂縫從而進(jìn)入生產(chǎn)井，這是開(kāi)發(fā)油頁(yè)巖的一種主要方法。通過(guò)分析高被引次數(shù)的專利可以發(fā)現(xiàn)，他們絕大部分都是頁(yè)巖開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論與核心技術(shù)，因此一個(gè)專利的被引次數(shù)可反映該專利技術(shù)是否處在這個(gè)領(lǐng)域的核心，一個(gè)專利被引次數(shù)的增長(zhǎng)情況可反映該領(lǐng)域核心技術(shù)的發(fā)展情況及趨勢(shì)。

2.6.2 以專利強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)

專利強(qiáng)度計(jì)算包括引用與被引次數(shù)、專利權(quán)利要求數(shù)量、發(fā)明人、同族專利數(shù)量、訴訟量、時(shí)間等因素，一般認(rèn)為8分以上為高強(qiáng)度專利。從表10可看出，高強(qiáng)度專利共253件，占比不到7%。

專利強(qiáng)度最高的為“US7723274B2[16]”，該專利研究了制備顆粒漿料和顆粒漿料組合物的方法，主要是通過(guò)研制極度疏水的顆粒作為支撐劑來(lái)滿足壓裂的需要。該專利強(qiáng)度為9.4，同族專利高達(dá)26個(gè)，專利布局范圍包括美國(guó)、加拿大、中國(guó)、德國(guó)等十多個(gè)國(guó)家或地區(qū)。通過(guò)分析高強(qiáng)度專利類型可以發(fā)現(xiàn)，他們絕大部分都是頁(yè)巖壓裂領(lǐng)域急需解決的技術(shù)難題及配套技術(shù)裝備，因此可以認(rèn)為分析一個(gè)專利的強(qiáng)度可判斷其所在領(lǐng)域技術(shù)難題所在及最新技術(shù)的發(fā)展方向。

表10 專利強(qiáng)度分布Table 10 Patent intensity distribution

3 結(jié)論

(1)頁(yè)巖壓裂技術(shù)是高效開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣資源的核心技術(shù)，美國(guó)經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積累和發(fā)展，已在該領(lǐng)域處于主導(dǎo)地位，技術(shù)和裝備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了市場(chǎng)化和對(duì)外輸出，我國(guó)頁(yè)巖壓裂技術(shù)發(fā)展和美國(guó)還有一定的差距，但充分利用后發(fā)優(yōu)勢(shì)，快速前進(jìn)，正大步向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)。

(2)目前頁(yè)巖壓裂技術(shù)專利主要集中在E21B(頁(yè)巖壓裂方法及配套工具設(shè)備等相關(guān)專利)和C09K(頁(yè)巖壓裂試劑材料設(shè)備等相關(guān)專利)兩個(gè)方面。E21B和C09K頁(yè)巖壓裂專利可進(jìn)一步分為3類：頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)類專利，頁(yè)巖壓裂方法工藝及工具類專利和壓裂液體系及配套技術(shù)類專利。

(3)通過(guò)對(duì)頁(yè)巖壓裂專利權(quán)人進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，國(guó)外領(lǐng)先的頁(yè)巖壓裂專利權(quán)人以大型跨國(guó)能源企業(yè)為主，國(guó)內(nèi)則是國(guó)有大型能源企業(yè)和高校并存。為更好更快地發(fā)展我國(guó)頁(yè)巖壓裂技術(shù)，一方面應(yīng)更多地開(kāi)展國(guó)際交流，引入國(guó)外先進(jìn)的壓裂技術(shù)，同時(shí)鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和國(guó)有大型能源企業(yè)進(jìn)行深入合作。