天然氣水合物開采技術(shù)專利分析

羅瑋瑋

摘 要：文章基于專利數(shù)據(jù)統(tǒng)計和重點專利分析，對天然氣水合物開采技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了梳理，同時圍繞國內(nèi)外重要申請人統(tǒng)計、開采技術(shù)構(gòu)成等方面進(jìn)一步闡述了國內(nèi)開采技術(shù)的優(yōu)勢和短板，為我國相關(guān)企業(yè)、科研單位的天然氣水合物開采計劃提供參考。

關(guān)鍵詞：天然氣水合物；可燃冰；開采技術(shù)；專利分析

中圖分類號：T-18 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）21-0008-03

Abstract： Based on the statistics of patent data and key patent analysis， this paper combs the development trend of gas hydrate mining technology. At the same time， the advantages and disadvantages of domestic mining technology are further expounded around the statistics of important applicants at home and abroad and the composition of mining technology， so as to provide reference for the exploitation plan of the natural gas hydrate of relevant enterprises and scientific research institutions in our country.

Keywords： natural gas hydrate； combustible ice； mining technology； patent analysis

引言

天然氣水合物（Natural Gas Hydrate）又稱可燃冰，分布于深海沉積物或陸域的永久凍土中，是由天然氣和水在高壓（大于100atm）和低溫（0～10°C）條件下合成的一種固態(tài)類冰狀結(jié)晶物質(zhì)；其資源密度高，全球分布廣泛，具有較高的研究價值，目前，全球已有30多個國家進(jìn)行了天然氣水合物的研究，我國從上世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)可燃冰后，到目前已經(jīng)取得了一系列重要成果。然而，由于開采技術(shù)不成熟、成本高、技術(shù)不可控等因素，天然氣水合物目前依然無法實現(xiàn)商業(yè)開采。為了助力我國的天然氣水合物開采計劃，本文以專利數(shù)據(jù)和專利技術(shù)為基礎(chǔ)，圍繞天然氣水合物開采技術(shù)的申請趨勢、地區(qū)分布、主要申請人等方面，梳理了天然氣水合物開采技術(shù)自出現(xiàn)以來的發(fā)展趨勢和走向，有助于企業(yè)和研究機構(gòu)宏觀上了解天然氣水合物的開采現(xiàn)狀，以及在全球發(fā)展中，中國技術(shù)的優(yōu)勢和短板，以為后期天然氣水合物開采技術(shù)的發(fā)展和專利布局提供幫助。

1 專利分析方法

本文以S系統(tǒng)為主要檢索工具，選取CNABS、VEN作為檢索數(shù)據(jù)庫；檢索過程中涉及的主要關(guān)鍵詞包括：可燃冰，天然氣水合物，甲烷水合物，降壓，減壓，注熱，熱水，熱鹽，置換，固體流化，化學(xué)劑、抑制劑；gas hydrate， methane hydrate， clathrate hydrate， combustible ice， exploit， mining， excavation， depressurization， exchange， replacement， chemical， Heat， Warm， Thermal， jet等。

分類號取自國際專利分類表IPC和CPC，主要選取的CPC號為：E21B 2043/0115；主要選取的IPC號為：E21B 43/01，E21B 43/24，E21B 43/00，E21B 43/26，E21C 50/00等。

采用上述檢索要素得到的專利申請經(jīng)過降噪和篩選后構(gòu)成了本文研究的專利申請數(shù)據(jù)庫。

2 分析結(jié)果

2.1 天然氣水合物的開采技術(shù)構(gòu)成分析

為了對檢索過程進(jìn)行宏觀的把握，本文利用IPC分類標(biāo)準(zhǔn)對天然氣水合物開采技術(shù)所涉及的領(lǐng)域進(jìn)行了分析和表征，由圖1可知，該領(lǐng)域的開采技術(shù)專利主要集中在IPC小類E21B中，其次是E21C，C10L，C07C，其它領(lǐng)域涉及甚少。其中，E21B主要涉及土層或鉆石的鉆進(jìn)；從井中開采油、氣、水、可溶解或可融化物質(zhì)或礦物泥漿等技術(shù)；E21C主要涉及采礦或礦石領(lǐng)域；C10L主要涉及不包含在其他類目中的燃料；天然氣； C07C主要涉及無環(huán)或碳環(huán)化合物。

從技術(shù)分支來看，天然氣水合物開采的主流方法包括熱激勵開采法、固體流化開采法、CO2置換法、降壓法、以及注化學(xué)抑制劑法，占比如圖2所示；其中，熱激勵開采法自出現(xiàn)后，一直作為研究熱點至今日，固體開采法出現(xiàn)時間較晚，但由于其經(jīng)濟(jì)可行、安全的開采方式得到了重視，保持了較高的研究熱度；注化學(xué)抑制劑法因為其成本昂貴，研究熱度逐年降低。

2.2 天然氣水合物開采技術(shù)的演進(jìn)分析

為了更全面的展示天然氣水合物開采的技術(shù)演進(jìn)，本文將結(jié)合開采領(lǐng)域?qū)＠纳暾堏厔?，對其開采方法的發(fā)展階段進(jìn)行劃分，并結(jié)合天然氣水合物的開采史進(jìn)一步解讀影響申請量變化的內(nèi)在因素。

從圖3可知，就申請國分布來看，天然氣開采技術(shù)的主要申請量集中在中國、美國、日本，在申請量上，中國具備絕對的優(yōu)勢；但結(jié)合天然氣水合物開采技術(shù)專利逐年申請量中的全球申請量和中國申請量的對比可知，中國的申請量并非來源于歷史的累積，而是因為后來居上。

就申請趨勢來看，天然氣水合物開采技術(shù)自1970年出現(xiàn)，經(jīng)歷了較長的萌芽期，直到2002年起，該申請量出現(xiàn)明顯的上升趨勢，并在2012年以前出現(xiàn)較為平穩(wěn)的波動；直至2013年，申請量大幅度提升。

萌芽期（1970～2001年）： 1969年，蘇聯(lián)在西伯利亞地區(qū)開發(fā)麥索雅哈氣田，無意中利用降壓法和注劑法成功開采了世界上第一個天然氣水合物；1970年，蘇聯(lián)的VASILEV公司申請了化學(xué)劑開采天然氣水合物的第一個專利SU390257A1，隨后1972年，蘇聯(lián)的TVANO-FRANK PETER公司繼續(xù)申請了聲波開采天然氣水合物的專利SU442287A1；同時，在這一時間段，以美國為首的深海鉆探計劃（DSDP）開始實施，主要目的是開展天然氣水合物資源普查，隨著天然氣水合物研究的進(jìn)行，美國的綜合性跨國能源公司——康菲石油于1971年申請了以熱激勵開采天然氣水合物的方法專利US3676981A，后在1975年申請了以化學(xué)劑開采天然氣水合物的方法專利US4007787A；同時，美國的阿科公司（Atlantic Richfield Company）分別于1974年在美國、1975年在加拿大申請了熱激勵開采天然氣水合物的專利；1981年美國的ELLIOT公司以及美國能源部也分別進(jìn)行了化學(xué)劑和熱激勵開采天然氣水合物的專利申請；1985年，作為DSDP計劃的延續(xù)，一個規(guī)模更大、多國合作的大洋鉆探計劃ODP正式實施；20世紀(jì)90年代中期，以DSDP和ODP兩大計劃為標(biāo)志，美國、俄羅斯、荷蘭、德國、加拿大、日本等諸多國家探測天然氣水合物的目標(biāo)和范圍已經(jīng)覆蓋了世界幾乎所有大洋陸緣的重要潛在遠(yuǎn)景地區(qū)以及高緯度極地永久凍土帶；1993年，第一屆天然氣水合物國際會議召開，拉開了一個水合物發(fā)展的契機；1998年，日本為了國內(nèi)的水合物藏開采項目立項提供依據(jù)，資助加拿大在Mallik地區(qū)進(jìn)行了水合物鉆探。

生長期（2002～2012年）：在歷時30年的萌芽期階段，雖然天然氣水合物專利申請量低，但在這一段時間所出現(xiàn)的天然氣水合物開發(fā)重要歷時事件為后續(xù)天然氣水合物的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，各國的逐步加入也為后續(xù)天然氣水合物專利的發(fā)展積蓄了能量；2002年，日本聯(lián)合加拿大、美國、印度、德國在Mallik地區(qū)進(jìn)行水合物試采，實驗采用的是注熱和降壓聯(lián)合法；從專利申請的趨勢來看，在這一階段，申請專利的國家數(shù)量增多，同時，天然氣水合物開采方法的種類也日趨多樣化，直至2002年，目前最主流的天然氣水合物開采方法：置換法、降壓法、熱激法、固體開采法以及化學(xué)抑制劑法，均已經(jīng)進(jìn)入到人們的視野并繼續(xù)得到發(fā)展；從天然氣水合物的發(fā)展進(jìn)程來看，這一階段中，2004年，美國開始集中研究天然氣水合物實驗開采模擬研究；2005年，美國對阿拉斯加北坡的水合物資源量進(jìn)行評估，并進(jìn)行后期的野外試采工作；2007年-2008年，日本聯(lián)合加拿大再一次在Mallik地區(qū)利用降壓法進(jìn)行了水合物的開采；2009年開始，英國的BP是由公司完成了在阿拉斯加北坡的水合物鉆井取樣工作，并選定了4個長期試采點。

成熟期（2013～2017年）：從專利庫的申請趨勢來看，申請量在2013年有了較大幅度的增長，除2017年外，整體趨勢較為穩(wěn)定；這一階段中，中國申請占據(jù)了主導(dǎo)地位，繼2011年我國啟動天然氣水合物試采工程后，2013年，在珠江口盆地東部海域首次鉆獲高純度可燃冰，2017年，首次海域天然氣水合物試采成功。

2.3 重要申請人

就申請量來看，國內(nèi)申請以高校研究院為主，中國石油大學(xué)、西南石油大學(xué)、中科院占領(lǐng)了前三位，這也側(cè)面的證明，目前國內(nèi)的天然氣水合物開采技術(shù)還處于基礎(chǔ)理論研究階段，未來的發(fā)展方向除了基礎(chǔ)的理論研究，還需要進(jìn)一步側(cè)重于市場的結(jié)合，如何利用理論研究助力我國的天然氣水合物商業(yè)開采將會是未來的重點、難點方向；日本的三井企業(yè)占據(jù)申請量第6位，日本經(jīng)過長時間的天然氣水合物開采研究，目前已經(jīng)脫離了純理論研究階段，其企業(yè)已經(jīng)開始在理論的基礎(chǔ)上，逐漸側(cè)重商業(yè)化的開采技術(shù)。

在申請量的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對其申請方向進(jìn)行探討，根據(jù)圖4可以發(fā)現(xiàn)，各申請單位對于化學(xué)劑開采法的研究較少，占比較大的開采方法為熱激法、固體流化開采法、和降壓法；我國的兩大石油高校的主要研究方向分別為：熱激開采法和固體流化開采法。

3 結(jié)束語

天然氣水合物的開采技術(shù)主要由美國、日本、中國所掌握，其中，中國在申請量上后來居上，而美國、日本的專利技術(shù)具備了長期的歷史積累和演化；特別的，中國目前的主要研究機構(gòu)大多數(shù)為科研單位或高校，還處于基礎(chǔ)理論研究的階段，相比于美國和日本，需要加快市場化的步伐；就開采技術(shù)來說，中國目前以熱激勵開采法和固體流化開采法為主，中國的固體流化開采法已經(jīng)處于世界較為領(lǐng)先的地位，但熱激勵開采法由美國最先提出，且此后由各大石油企業(yè)進(jìn)行了演化和發(fā)展，中國在進(jìn)行熱激勵開采法研究時，應(yīng)當(dāng)更多的關(guān)注美國申請，尋找專利空白點，尋求突破。

參考文獻(xiàn)：

[1]付亞榮.可燃冰研究現(xiàn)狀及商業(yè)化開采瓶頸[J].石油鉆采工藝，2018，40（01）：68-80.

[2]楊明清，趙佳伊，王倩.俄羅斯可燃冰開發(fā)現(xiàn)狀及未來發(fā)展[J].石油鉆采工藝，2018，40（02）：198-204.

[3]佘澤龍.可燃冰的研究現(xiàn)狀概述[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè).

[4]黃河.美國可燃冰研究及開采技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].全球科技經(jīng)濟(jì)瞭望，2017，32（09）：60-64.

[5]牛振磊，南瑩浩，劉一凡，等.淺談“未來能源”可燃冰開采研究現(xiàn)狀[J].華北科技學(xué)院學(xué)報，2017，14（03）：97-100.

[6]宗新軒，張抒意，冷岳陽，等.可燃冰的研究進(jìn)展與思考[J].化學(xué)與黏合，2017，39（01）：51-55.

[7]胡楊，鄭劍，王曉寧.國內(nèi)外可燃冰研究發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望[J].科技風(fēng)，2016（11）：190.

[8]孫玉清，李靜，王茜.可燃冰發(fā)展現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)化前景[J].經(jīng)濟(jì)研究參考，2014（50）：13-16.

[9]張寒松.清潔能源可燃冰研究現(xiàn)狀與前景[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2014（08）：54-58.

[10]孫玉清.可燃冰發(fā)展現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)化前景（下）[N].中國財經(jīng)報，2014-04-12（002）.

[11]馬小娟，呼方濤，王錦華.淺析可燃冰的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].科技信息，2011（07）：376.

[12]王智明，曲海樂，菅志軍.中國可燃冰開發(fā)現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J].節(jié)能，2010，29（05）：4-6.

[13]馮丹，李選民.新型能源——可燃冰的研發(fā)現(xiàn)狀[J].能源技術(shù)與管理，2009（06）：113-115.