大數(shù)據(jù)背景下基于LNPS專利分析的國內(nèi)外頁巖壓裂技術(shù)進展

陸桃妹，唐弟官，張芹

中國石油大學(北京)圖書館，北京 102249

頁巖氣作為一種新型非常規(guī)能源，具有儲量豐富、開采周期長、清潔環(huán)保等優(yōu)勢，已在世界范圍內(nèi)掀起一場革命。當前世界頁巖氣總可采儲量為187萬億m3，而中國頁巖氣可采儲量為36萬億m3，位居世界第一，因此大力研發(fā)適合我國頁巖的高效開采技術(shù)可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益[1-9]。

頁巖氣開發(fā)主要依靠長水平井鉆井技術(shù)和大規(guī)模壓裂開采技術(shù)，近些年我國在頁巖氣壓裂技術(shù)方面的研究呈逐年增加態(tài)勢且成果顯著，但相比于歐美等發(fā)達國家仍具有一定的差距。隨著知識經(jīng)濟和信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，專利作為一項技術(shù)或產(chǎn)品的科技價值和商業(yè)價值的綜合載體，能很好地反映某一領(lǐng)域科技發(fā)展的最新趨勢及產(chǎn)業(yè)動態(tài)，是衡量一個國家或組織科技創(chuàng)新能力及生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化水平的重要指標[10]。同時隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，將大數(shù)據(jù)技術(shù)應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值信息，提高分析結(jié)果的準確性和時效性。而如何緊跟時代步伐，利用好數(shù)據(jù)資源、創(chuàng)新服務模式則成為圖書館信息服務所面臨的重大考驗。

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

1 專利數(shù)據(jù)分析原理及研究對象選取

1.1 大數(shù)據(jù)專利分析工具

為保證頁巖壓裂相關(guān)專利數(shù)據(jù)的全面詳實，專利信息數(shù)據(jù)分別來源于中國國家知識產(chǎn)權(quán)局[11]、Total Patent[12]和Lexis Nexis Patent Strategies[13](下文可簡稱LNPS) 3個專利檢索平臺。其中，中國國家知識產(chǎn)權(quán)局主要用于檢索中國頁巖壓裂專利，而Total Patent和LNPS則可同時用于檢索包括中國在內(nèi)的世界80多個主要發(fā)達及發(fā)展中大國的頁巖壓裂專利。

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

1.2 研究對象選取

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

對采集的專利進行定量和定性分析結(jié)合，利用LNPS平臺對頁巖領(lǐng)域的專利申請趨勢、主要申請人、技術(shù)領(lǐng)域分布、高強度專利等進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，國內(nèi)外關(guān)于頁巖壓裂領(lǐng)域的專利文獻共3688件，具體組成見表1。對所有專利進行簡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，對比目前幾項正在進行技術(shù)攻關(guān)的熱門技術(shù)(如表2)可以看出頁巖壓裂技術(shù)的基本專利平均同族成員擁有量相對較高，這表明頁巖領(lǐng)域全球?qū)＠牟季只顒踊钴S度還是比較高的。

表1 頁巖壓裂領(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 國內(nèi)外頁巖壓裂技術(shù)專利申請數(shù)量變化趨勢分析

1912年起國外開始出現(xiàn)頁巖油氣相關(guān)技術(shù)的研究，但局限于當時石油生儲蓋理論的認識，頁巖往往被視為良好的蓋層，本身并不儲存油氣，此階段極少有頁巖壓裂技術(shù)出現(xiàn)。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，到了1975年，頁巖本身可作為油氣儲層的理論開始出現(xiàn)，頁巖壓裂技術(shù)也陸續(xù)進入人們的視野。提取1975—2018年頁巖壓裂相關(guān)專利數(shù)據(jù)可較好地對世界范圍內(nèi)頁巖壓裂技術(shù)的發(fā)展趨勢進行分析。圖1為1975—2018年全球范圍內(nèi)頁巖壓裂技術(shù)專利申請數(shù)量變化趨勢圖(注：為圖示清晰，全球申請量對應左側(cè)坐標軸，國內(nèi)申請及國外申請對應于右側(cè)坐標軸；2018年專利數(shù)據(jù)由于申請流程時滯和數(shù)據(jù)不完整，并不能準確反映該年專利數(shù)，僅供參考，不納入分析范圍)。

分析圖1國外頁巖壓裂專利數(shù)量變化曲線發(fā)現(xiàn)，1975—2000年，國外(以美國和加拿大為主)每年頁巖壓裂技術(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位數(shù)。此階段絕大多數(shù)的頁巖壓裂專利來自于美國和加拿大，當時美加政府為調(diào)控本國能源結(jié)構(gòu)以能更好地應對可能出現(xiàn)的石油危機，實施了低稅甚至免稅政策來刺激非常規(guī)資源的勘探與開發(fā)，因此頁巖氣作為一種有潛力的非常規(guī)資源逐漸受到了國內(nèi)外學者的重視。但局限于當時較低的天然氣價格，各大石油公司也并不把頁巖氣作為大規(guī)模開發(fā)對象，技術(shù)創(chuàng)新緩慢，壓裂專利較少。而從2000年開始，國外頁巖專利數(shù)量則呈現(xiàn)波浪式快速增長態(tài)勢，分別于2001、2008和2011出現(xiàn)小波峰，并在2014年達到頂峰，2015—2017年壓裂專利數(shù)量大幅回落。此階段美加等國經(jīng)過長時間的技術(shù)積累，頁巖壓裂技術(shù)開始走向成熟，進入大規(guī)模開采階段，頁巖氣產(chǎn)量不斷攀升，隨之油價走低，天然氣經(jīng)濟優(yōu)勢越發(fā)突出，終于在世界范圍內(nèi)引發(fā)一場頁巖氣革命，對傳統(tǒng)的能源供給結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大影響和沖擊。深入分析國外頁巖壓裂專利數(shù)量變化曲線還可以發(fā)現(xiàn)一項創(chuàng)新性技術(shù)的發(fā)展是一個不斷出現(xiàn)問題、解決問題的過程，會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，這是進行技術(shù)創(chuàng)新時應該遵循的一種大體規(guī)律。

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

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

綜合分析圖1，頁巖壓裂專利數(shù)量及增長趨勢可從一個角度較好地反映世界及我國頁巖工業(yè)的整體發(fā)展趨勢，因此也可作為預測頁巖技術(shù)未來的發(fā)展趨勢的重要指標。

2.2 頁巖壓裂技術(shù)的專利來源及專利應用國/地區(qū)分析

專利來源國/地區(qū)是指專利技術(shù)所屬的國家或地區(qū)，分析來源國/地區(qū)的專利數(shù)量可反映該國/地區(qū)對某項技術(shù)的占有情況，是國家/地區(qū)綜合技術(shù)實力的體現(xiàn)；分析應用國/地區(qū)分布情況(即各國家/地區(qū)的專利受理量)可反映某項技術(shù)在全球的布局。表3為頁巖壓裂專利排名前10的來源國/地區(qū)分布表，表4為頁巖壓裂專利排名前10的應用國/地區(qū)分布表。表5為擁有頁巖壓裂領(lǐng)域授權(quán)專利總數(shù)排名前5個國家海內(nèi)外數(shù)據(jù)分布情況，表6為中美兩國專利質(zhì)量評價指標數(shù)據(jù)表。

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

表4 頁巖壓裂專利排名前10的應用國/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)，頁巖壓裂專利來源國/地區(qū)主要為美國、中國，可大致劃分為三個梯隊。第一梯隊：美國、中國；第二梯隊：加拿大、英國、澳大利亞；第三梯隊：挪威、法國、印度。其中美國在頁巖壓裂專利總量方面遙遙領(lǐng)先其他各國/地區(qū)，技術(shù)積累深厚，符合其頁巖氣工業(yè)領(lǐng)跑者的現(xiàn)狀。中國頁巖壓裂專利總量雖然少于美國，但近五年專利申請數(shù)超越美國等其他國家/地區(qū)，說明我國頁巖壓裂技術(shù)發(fā)展迅速，后來居上，呈現(xiàn)趕超態(tài)勢，在核心技術(shù)領(lǐng)域逐漸擁有獨立的知識產(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)，雖然中國正逐步縮小和美國在頁巖壓裂專利申請數(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)兩方面中國仍與美國有較大差距，特別是在國外專利布局方面。美國有一半專利用于海外布局，即美國在進行技術(shù)研發(fā)申請專利時，不但將該專利在本國市場進行了大規(guī)模應用和保護，還同在海外市場進行了戰(zhàn)略規(guī)劃和布局，為接下來的專利應用和貿(mào)易做了準備。

而對比中國與美國的對本國和對國外的專利授權(quán)率及兩國在國外申請上獲得的授權(quán)比例可知(表6)，兩國在這幾個指標上基本上沒有差異，可以認為中國與美國的專利質(zhì)量差別不大，導致中國在頁巖壓裂領(lǐng)域的全球技術(shù)保護范圍小的原因主要是中國申請人的國際市場保護意識低，這種只顧眼前的狹隘思想可能會造成未來更大的損失；當然國際專利申請時間和費用相比國內(nèi)申請時間和費用普遍更長更高，這兩個因素也會導致中國一些低價值低回報的頁巖壓裂專利沒有進入世界申請階段?？傮w而言，我國頁巖壓裂專利在進行全球戰(zhàn)略布局上還具有較發(fā)展空間。

表5 頁巖壓裂專利授權(quán)總數(shù)排名前5個國家專利授權(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 中美兩國專利質(zhì)量評價指標數(shù)據(jù)表Table 6 Patent quality evaluation indicators between China and the United States

2.3 頁巖壓裂專利類別分析

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

將E21B和C09K頁巖壓裂專利關(guān)鍵信息進行提取分析，可進一步將頁巖壓裂專利分為3類。

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

表7 頁巖壓裂技術(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)模分段壓裂是頁巖油氣高效開發(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)頁巖儲層特點，采取一些特殊的壓裂方法也可以起到增大儲層改造體積(SRV)和裂縫復雜指數(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、拉鏈式壓裂、選擇性壓裂、重復壓裂及工廠化壓裂，通過采取這些特殊的壓裂方法，可以提高頁巖氣井的短期產(chǎn)量、延長穩(wěn)產(chǎn)周期、提高壓裂設(shè)備的利用率，進而最大限度提升開采效益。c.壓裂動態(tài)監(jiān)測診斷技術(shù)及設(shè)備：壓裂動態(tài)監(jiān)測診斷技術(shù)是壓裂效果好壞的重要評價技術(shù)，方法有地震監(jiān)測技術(shù)、近井筒裂縫監(jiān)測技術(shù)、測井參數(shù)反衍檢測技術(shù)、分布式聲傳感器監(jiān)測技術(shù)等。不同的監(jiān)測診斷技術(shù)應用于同一口井有時效果差異較大，因此多種監(jiān)測診斷技術(shù)并行，以更好地提高井組壓裂效果，是未來頁巖壓裂的發(fā)展方向。d.頁巖壓裂完井技術(shù)：由于頁巖滲透性差、非均質(zhì)性強、甜點分布難以預測等原因，頁巖氣井完井相比常規(guī)儲層更加困難，因此采用何種完井工藝提高儲層滲透性降低污染保持井筒完整性直接關(guān)系到頁巖氣采收率的提高和穩(wěn)產(chǎn)氣的延長，目前常用的頁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化工程復雜程度，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)儲層特點優(yōu)選壓裂液配方對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，由于頁巖普遍具有低滲特點，因此清水壓裂液是目前應用最廣泛的頁巖壓裂液體系，清水壓裂液主要用于水敏弱、天然裂縫發(fā)育、地應力分布均勻、脆性礦物含量較高的儲層，清水壓裂液體系以水為主體，同時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)實際地層特點進行設(shè)計。b.復合壓裂液體系，對于水敏性強、天然裂縫發(fā)育差、塑性礦物含量高的儲層，目前主要采用復合壓裂液體系，復合壓裂液體系主要由高黏度凍膠和低黏度滑溜水組成，可以同時起到有效壓裂地層和擴縫的雙重目的。復合壓裂液體系由于配方更加復雜壓裂液黏度更大，因此對注入工藝及設(shè)備承壓能力有著更高的要求，這也是復合壓裂液體系目前成為優(yōu)化研究重點的原因所在。

2.4 頁巖壓裂專利發(fā)展脈絡分析

為分析頁巖壓裂技術(shù)發(fā)展脈絡，采用文本聚類法對每年頁巖壓裂專利重點分布領(lǐng)域進行了研究。為便于分析，劃分出3個時間節(jié)點，分別是2008年之前(共 221件)、2009—2013年(共 375件)和 2014年之后(共322件)，各時間段頁巖壓裂專利重點分布領(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年之前頁巖壓裂技術(shù)專利主要集中在頁巖油氣資源地層識別及開發(fā)原理研究等方面，但是所針對儲層類型有所不同。其中，2008年之前主要針對頁巖油儲層，而2009—2013年則主要針對頁巖氣儲層。在2014年以后頁巖壓裂技術(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)模壓開頁巖儲層形成良好的油氣運移通道，同時關(guān)于頁巖儲層開發(fā)原理等方面研究仍具有很高的熱度。

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

2.5 頁巖氣壓裂技術(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，進而對專利權(quán)人競爭力分析可預測技術(shù)合作趨勢。表8為頁巖壓裂有效專利擁有量排名前十的專利權(quán)人(申請機構(gòu))分布表，圖5為頁巖壓裂有效專利擁有者(專利權(quán)人)競爭力氣泡圖。

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

圖5 頁巖壓裂有效專利擁有者(專利權(quán)人)競爭力氣泡圖Fig. 5 Competitive bubble chart of effective patent owner (patentee)of shale fracturing

從表8可以看出，頁巖壓裂領(lǐng)域的專利申請大部分來自于大型的跨國能源公司，排名前十的專利權(quán)人中有8家為美國的能源企業(yè)，而授權(quán)專利中排名前十的專利權(quán)人則有6個都是美國能源企業(yè)。同時無論是在專利的申請量還是授權(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遠超過其他專利權(quán)人，這都說明美國在頁巖壓裂技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)著主導地位，擁有絕對實力。同時國內(nèi)的企業(yè)和高校也十分重視頁巖壓裂技術(shù)的研究，雖然在深度和規(guī)模上還不能和傳統(tǒng)的能源公司進行抗衡，但進步很快，研發(fā)活動也十分活躍，快速推動著我國頁巖壓裂技術(shù)的不斷前進。

圖5中橫軸與縱軸分別表示技術(shù)實力與綜合實力。其中技術(shù)實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，越靠右表示技術(shù)實力越強；綜合實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)跨國分布等指標，越靠上表示綜合實力越強。氣泡大小表示頁巖壓裂專利數(shù)量的多少，氣泡越大則數(shù)量越多。將競爭者氣泡分布劃分為四個象限，則位于第一象限中的專利權(quán)人同時具有較強的技術(shù)實力與綜合實力，可獨立的進行頁巖大規(guī)?？碧介_發(fā)，是該領(lǐng)域的主導者；第二象限的專利權(quán)人綜合實力較強但缺乏技術(shù)，可通過和技術(shù)較強的大公司合作或購買專利提升自己技術(shù)競爭力；第三象限的專利權(quán)人綜合實力較弱，在個別頁巖壓裂分支領(lǐng)域具有一定的技術(shù)實力，可選擇和大公司合作出售自己的專利技術(shù)或彼此多方合并實現(xiàn)抱團取暖；第四象限的專利權(quán)人綜合實力較差但技術(shù)實力強勁，可作為技術(shù)輸出方和綜合實力強的大公司強強聯(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，說明美孚公司有較強的技術(shù)實力與綜合實力，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、中國石油大學等；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，哈里伯頓的頁巖壓裂技術(shù)綜合實力最強，美孚、斯倫貝謝及中石油的綜合實力與技術(shù)實力都相差不大，都是綜合實力很強同時具有一定技術(shù)實力的專利權(quán)人，而中國石油大學、威德福等則是具有一定技術(shù)實力但綜合實力差的單位。說明哈里伯頓是頁巖壓裂技術(shù)的領(lǐng)導者，中石油等綜合實力強勁的專利權(quán)人可通過與哈里伯頓合作快速實現(xiàn)頁巖壓裂領(lǐng)域技術(shù)升級，也可以通過購買諸如威德福、中國石油大學等小企業(yè)或單位的相關(guān)專利技術(shù)實現(xiàn)技術(shù)升級。

2.6 重點專利分析

重點專利指的是具有高質(zhì)量的專利，專利的質(zhì)量評價主要是通過分析被引次數(shù)和專利強度來實現(xiàn)的。

2.6.1 以專利被引次數(shù)為標準

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，全球頁巖壓裂專利被引次數(shù)分布如表9。

表9 全球頁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100次以上的專利數(shù)很少，共有85件，占比僅為2.3%，說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行簡要分析。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，從而開發(fā)煤、油頁巖、焦油砂和含油地層的碳氫化合物或熱能的方法。自1999年公開至今被引次數(shù)高達532次，2010年至今的被引次數(shù)依然高達74次。被引次數(shù)居第二位的專利“US4886118A[15]”自1989年公開以來被引次數(shù)高達489次，該專利研究的是傳導加熱地下油頁巖以產(chǎn)生滲透性并壓裂生產(chǎn)石油的方法。通過鉆井對油頁巖地下層段進行高于600 ℃的傳導加熱，使得油頁巖內(nèi)形成的干酪根得以熱解流動，匯聚到壓裂產(chǎn)生的水平裂縫從而進入生產(chǎn)井，這是開發(fā)油頁巖的一種主要方法。通過分析高被引次數(shù)的專利可以發(fā)現(xiàn)，他們絕大部分都是頁巖開發(fā)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論與核心技術(shù)，因此一個專利的被引次數(shù)可反映該專利技術(shù)是否處在這個領(lǐng)域的核心，一個專利被引次數(shù)的增長情況可反映該領(lǐng)域核心技術(shù)的發(fā)展情況及趨勢。

2.6.2 以專利強度為標準

專利強度計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、時間等因素，一般認為8分以上為高強度專利。從表10可看出，高強度專利共253件，占比不到7%。

專利強度最高的為“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，主要是通過研制極度疏水的顆粒作為支撐劑來滿足壓裂的需要。該專利強度為9.4，同族專利高達26個，專利布局范圍包括美國、加拿大、中國、德國等十多個國家或地區(qū)。通過分析高強度專利類型可以發(fā)現(xiàn)，他們絕大部分都是頁巖壓裂領(lǐng)域急需解決的技術(shù)難題及配套技術(shù)裝備，因此可以認為分析一個專利的強度可判斷其所在領(lǐng)域技術(shù)難題所在及最新技術(shù)的發(fā)展方向。

表10 專利強度分布Table 10 Patent intensity distribution

3 結(jié)論

(1)頁巖壓裂技術(shù)是高效開發(fā)頁巖氣資源的核心技術(shù)，美國經(jīng)過多年的技術(shù)積累和發(fā)展，已在該領(lǐng)域處于主導地位，技術(shù)和裝備已經(jīng)實現(xiàn)了市場化和對外輸出，我國頁巖壓裂技術(shù)發(fā)展和美國還有一定的差距，但充分利用后發(fā)優(yōu)勢，快速前進，正大步向產(chǎn)業(yè)化邁進。

(2)目前頁巖壓裂技術(shù)專利主要集中在E21B(頁巖壓裂方法及配套工具設(shè)備等相關(guān)專利)和C09K(頁巖壓裂試劑材料設(shè)備等相關(guān)專利)兩個方面。E21B和C09K頁巖壓裂專利可進一步分為3類：頁巖儲層評價類專利，頁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)通過對頁巖壓裂專利權(quán)人進行分析發(fā)現(xiàn)，國外領(lǐng)先的頁巖壓裂專利權(quán)人以大型跨國能源企業(yè)為主，國內(nèi)則是國有大型能源企業(yè)和高校并存。為更好更快地發(fā)展我國頁巖壓裂技術(shù)，一方面應更多地開展國際交流，引入國外先進的壓裂技術(shù)，同時鼓勵國內(nèi)科研機構(gòu)和國有大型能源企業(yè)進行深入合作。