天然氣水合物研究的政策導(dǎo)向與創(chuàng)新驅(qū)動策略

林麗珊

（中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣東廣州 510640）

0 引言

21世紀(jì)是人類全面開發(fā)與利用海洋的時代，海洋經(jīng)濟正在并將繼續(xù)成為全球經(jīng)濟新的增長點。海洋中已探明的海洋油氣、海底礦產(chǎn)資源儲量巨大，據(jù)估算，全球50%以上的油氣田儲量在深海[1]。隨著國際海底資源商業(yè)開采技術(shù)與經(jīng)濟風(fēng)險逐漸明朗，國際社會再次聚焦海底礦產(chǎn)資源的開發(fā)，海洋油氣及海底礦產(chǎn)資源已成為未來能源發(fā)展方向[2]。

中國是海洋大國，管轄的海域面積約為300萬km2，內(nèi)水和領(lǐng)海主權(quán)海域面積為38萬km2，大陸海岸線超過18 000 km，海洋油氣資源非常豐富，最具開發(fā)戰(zhàn)略意義的有天然氣水合物（可燃冰）、常規(guī)海洋油氣和海底礦產(chǎn)等，相關(guān)產(chǎn)業(yè)包括勘探、開采、儲運、海上平臺等。

1 天然氣水合物研究現(xiàn)狀及前景

關(guān)于天然氣水合物研究已有近百年的歷史[4]。1934年，美國人發(fā)文提出天然氣輸氣管道堵塞與水合物有關(guān)；1960－1970年，天然氣水合物被首次發(fā)現(xiàn)可能存在于海洋中；1995年，大洋鉆探首次證明天然氣水合物具有商業(yè)開發(fā)價值；2011年以后，已有超過40個國家開展了天然氣水合物研究，其中，美國、加拿大、日本、德國、韓國和印度等國對其進(jìn)行單獨或共同工業(yè)化鉆探實驗性開采，天然氣水合物領(lǐng)域由此進(jìn)入了大規(guī)模發(fā)現(xiàn)階段。目前，世界上僅有3個礦場開采試驗真正成功的例子：（1）1968年，蘇聯(lián)對麥索雅哈氣田進(jìn)行成功開采；（2）2002、2007、2008年，日本與加拿大等國進(jìn)行合作，在加拿大西北部馬更歇三角洲先后進(jìn)行了3次開采試驗；（3）2012年，美國在阿拉斯加北部陸坡進(jìn)行CO2試采。海槽試采成功僅有1例，為2013年由日本在南海海槽完成的首次海洋天然氣水合物試采。

中國對天然氣水合物的研究只有短短20多年[4]，但在近10年發(fā)展尤其迅猛。“九五”期間，中國開始對天然氣水合物進(jìn)行前期調(diào)研。1999年，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局率先在南海開展天然氣水合物實際調(diào)查。2002年，國家批準(zhǔn)設(shè)立天然氣水合物專項——“我國海域天然氣水合物資源勘測與評價”?！笆晃濉逼陂g，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（簡稱“863計劃”）在海洋技術(shù)領(lǐng)域又設(shè)立了“天然氣水合物勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”重大項目；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“南海天然氣水合物富集規(guī)律與開采基礎(chǔ)研究”就南海海域水合物勘探開發(fā)等重大基礎(chǔ)問題開展了研究。2007年5月，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在中國南海神狐海域成功取得高純度天然氣水合物實物樣品，中國成為繼美國、日本和印度之后第4個通過國家級研發(fā)計劃采集到天然氣水合物實物樣品的國家，標(biāo)志著中國的天然氣水合物調(diào)研開采能力跨入了世界領(lǐng)先的水平。2017年5月18日，中國在全球首次實現(xiàn)海域天然氣水合物成功試采，此次試采成功是中國首次、也是世界首次，實現(xiàn)資源量占全球90%以上、開發(fā)難度最大的泥質(zhì)粉砂型水合物的安全可控開采[5]，具有里程碑式的意義。此外，按照國土資源科技創(chuàng)新規(guī)劃，中國要力爭在2030 年前進(jìn)行可燃冰商業(yè)開發(fā)[6]。由圖1可見，1995年之后，天然氣水合物研究在全世界緊鑼密鼓地進(jìn)行；20世紀(jì)80年代末，中國開始關(guān)注天然氣水合物研究，并從“跟跑”和“并跑”進(jìn)入到目前的“領(lǐng)跑”階段。

圖1 天然氣水合物研究重要節(jié)點

2 天然氣水合物專利發(fā)展及技術(shù)現(xiàn)狀

專利作為知識產(chǎn)權(quán)的重要組成部分，在產(chǎn)業(yè)競爭中發(fā)揮著越來越重要的戰(zhàn)略性作用。為了充分利用知識產(chǎn)權(quán)導(dǎo)航與支撐戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，2015年，廣東省知識產(chǎn)權(quán)局[7]對 “廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)專利分析及預(yù)警工程”進(jìn)行立項研究；2018年，該項目的部分研究成果發(fā)表在《專利引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新——廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)專利導(dǎo)航系列報告》中，其中，第12章對天然氣水合物、相關(guān)產(chǎn)業(yè)海洋油氣及海洋平臺等專利及技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，從專利角度揭示了天然氣水合物技術(shù)發(fā)展軌跡。

2.1 天然氣水合物專利發(fā)展

全球首次出現(xiàn)天然氣水合物專利申請是1960年。天然氣水合物的專利發(fā)展主要有4個階段：萌芽期（1960－1970年）、發(fā)展初期（1995－2000年）、突破發(fā)展期（2001－2010年）、穩(wěn)定發(fā)展期（2011年至今）。天然氣水合物專利申請量排名靠前的國家包括中國、日本、美國、俄羅斯和韓國等，主要申請人有日本三井造船株式會社、美國?？松梨诠尽⑷鹗靠迫R恩國際有限公司、荷蘭殼牌石油公司、中國科學(xué)院廣州能源研究所（以下簡稱廣州能源所）、美國貝克休斯公司和法國石油研究院等。

中國的天然氣水合物專利發(fā)展主要經(jīng)歷3個階段：導(dǎo)入期（2004年之前）、成長期（2005－2012年）、發(fā)展期（2013年至今）。中國的天然氣水合物專利申請人主要包括廣州能源所、西南石油大學(xué)、中國石油大學(xué)、青島海洋地質(zhì)研究所、中國海洋石油集團(tuán)有限公司（以下簡稱中海油）、常州大學(xué)和大連理工大學(xué)等。該領(lǐng)域?qū)＠饕性趯嶒炇夷M開采、理化性能測試方面。近年來，中國在天然氣開采技術(shù)方面取得了一些突破，但在該方面的專利申請量還不多。此外，中國在天然氣水合物海洋環(huán)境實地的勘探和后端儲運方面的專利也還較少。目前，大部分的專利申請人處于獨立研發(fā)狀態(tài)，合作研發(fā)較少，且國外專利布局較少。

從全球天然氣水合物專利情況可知，美國、日本和歐洲企業(yè)的專利實力強勁，而中國是由研究機構(gòu)及高校引領(lǐng)創(chuàng)新。在天然氣水合物研究領(lǐng)域，廣州能源所的實力在全國處于領(lǐng)先地位，在全球也占有一席之地；而西南石油大學(xué)、青島海洋地質(zhì)研究所和中海油均有一定的表現(xiàn)。廣州能源所從20世紀(jì) 90 年代初即開始進(jìn)行天然氣水合物的基礎(chǔ)研究，并于 2003 年成立中科院廣州天然氣水合物研究中心，主要開展天然氣水合物的勘探、開采基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究。其中，由李小森團(tuán)隊研發(fā)的世界首套專用于天然氣水合物開采技術(shù)研究的三維成套大型設(shè)備，解決了天然氣水合物開采及控制難度大等關(guān)鍵技術(shù)難題，為中國海域天然氣水合物成功試采提供了技術(shù)支撐，該成果榮獲 2018 年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎[8]。

2.2 天然氣水合物技術(shù)現(xiàn)狀

全球在天然氣水合物領(lǐng)域的研究主要涉及天然氣水合物制備、勘探、開采和儲運四大技術(shù)分支，研發(fā)最多是開采，其次是制備，最少的是勘探。目前，天然氣水合物的勘探方法主要有地震勘探、電磁勘探、地球化學(xué)探測、鉆探取芯等，其中以地震勘探的應(yīng)用最為廣泛；開采主要以降壓法為主，配合注熱法、注化學(xué)試劑法聯(lián)用；運輸方式主要有3種，包括干水合物、水合物漿，以及干水合物與冷凍原油混合[9]。然而，目前天然氣水合物的儲運技術(shù)還處于研究階段，相關(guān)工藝和研究成果還不成熟，要實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用還需要解決水合物的大規(guī)模快速生成、固化成型、集裝和運輸過程中的安全等一系列關(guān)鍵技術(shù)問題。

與天然氣水合物開采密切相關(guān)的產(chǎn)業(yè)有海洋油氣和海洋平臺。目前，國外一些國家開始向深海油氣勘探開發(fā)投入大量的人力物力，鉆深已達(dá)3 000 m。中國已基本實現(xiàn)淺水油氣裝備的自主設(shè)計建造，部分海洋工程船舶已形成品牌，深海裝備制造取得一定突破。但由于深海開發(fā)所需的技術(shù)較高，中國仍處于早期起步階段。在這些與天然氣水合物開采密切相關(guān)產(chǎn)業(yè)中，美國、日本、歐洲等少數(shù)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)掌握核心技術(shù)和專利，占據(jù)產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)地位，而中國還處在產(chǎn)業(yè)的中低端。

目前洋山港已建一、二、三期集裝箱碼頭，岸線總長5 640 m，其中一期工程共布置5個5萬～10萬噸級泊位，二期工程布置4個7萬～10萬噸級泊位，三期工程布置7個7萬～15萬噸級泊位。經(jīng)加固升級改造，洋山港二、三期碼頭現(xiàn)可靠泊20萬噸級集裝箱船舶。[1]

3 天然氣水合物研究政策導(dǎo)向

天然氣水合物被各國視為未來石油、天然氣的戰(zhàn)略性替代能源，目前世界上主要發(fā)達(dá)國家都將此列入戰(zhàn)略規(guī)劃開展研究，如美國、日本、韓國和加拿大等[10]。天然氣水合物作為目前中國資源最豐富的清潔能源之一，具有大規(guī)模發(fā)展的潛力，其開發(fā)利用已成為中國能源革命和中長期能源戰(zhàn)略決策的重要選擇。為引導(dǎo)并促進(jìn)天然氣水合物的研究開發(fā)，中國也推動相關(guān)政策和法規(guī)的出臺和落地（見表1）。

表1 中國與天然氣水合物研究相關(guān)的主要政策

3.1 天然氣水合物被列入國家能源發(fā)展戰(zhàn)略

從“十一五”開始，天然氣水合物探索研究成為中國能源領(lǐng)域重點研究方向[11]；到了“十二五”，天然氣水合物開發(fā)技術(shù)攻關(guān)被列入重點發(fā)展的海洋高技術(shù)11個專項中[12]。國務(wù)院相繼發(fā)布《國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，將大力發(fā)展海洋工程裝備列入國家要加快培育和發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。2014年，國務(wù)院出臺《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014－2020年）》，將加強海洋石油開發(fā)、加大天然氣水合物勘探開發(fā)技術(shù)攻關(guān)力度列入國家能源發(fā)展戰(zhàn)略。2015年，國務(wù)院發(fā)布《全國海洋主體功能區(qū)規(guī)劃》，提出實施海洋強國戰(zhàn)略，支持深遠(yuǎn)海油氣資源勘探開發(fā)、海洋工程裝備制造業(yè)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

3.2 立法保障開采

根據(jù)國土資源科技創(chuàng)新規(guī)劃，“十三五”期間，中國將推進(jìn)大洋海底礦產(chǎn)勘探及海洋可燃冰試采工程，力爭2020年實現(xiàn)商業(yè)化試采，2030年前進(jìn)行可燃冰商業(yè)開發(fā)。2016年，《中華人民共和國深海海底區(qū)域資源勘探開發(fā)法》發(fā)布，規(guī)定了深海海底資源勘探開發(fā)申請程序、承包者的主要權(quán)利和義務(wù)。2017年，經(jīng)國家批準(zhǔn)，天然氣水合物被列為中國第173種礦種[4]。

3.3 實施國家創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略

從黨的十八大提出創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略到黨的十九大強調(diào)中國經(jīng)濟已由要素驅(qū)動轉(zhuǎn)向創(chuàng)新驅(qū)動，這5年間，繼美國和日本分別進(jìn)行陸坡和海槽天然氣水合物試采后，中國天然氣水合物研究進(jìn)入了快速發(fā)展階段，并于2017年5月成功完成全球首次海域天然氣水合物試采。國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略為中國天然氣水合物研究指明了前進(jìn)的方向。按照國家計劃，中國將在2020－2030年間進(jìn)行天然氣水合物的商業(yè)試采和開發(fā)，天然氣水合物研究依然艱巨。由于中國天然氣水合物研究起步晚，相關(guān)的研究基礎(chǔ)有待夯實，相關(guān)專利還太少，產(chǎn)業(yè)核心專利不足，海洋油氣及海洋平臺等相關(guān)產(chǎn)業(yè)還處于產(chǎn)業(yè)的中低端，所以，加強天然氣水合物研究及技術(shù)專利發(fā)展，發(fā)展相關(guān)產(chǎn)業(yè)，保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)已迫在眉睫。2015年、2017年國務(wù)院先后發(fā)布《深入實施國家知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略行動計劃（2014－2020）》《關(guān)于全面組織實施中小企業(yè)知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略推進(jìn)工程的指導(dǎo)意見》，國家知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略從發(fā)布到落到實處，為中國天然氣水合物研究及技術(shù)發(fā)展保駕護(hù)航。

4 天然氣水合物技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的對策建議

天然氣水合物試采成功只是邁出關(guān)鍵的第一步，距離下一步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有很長的路要走。中國在天然氣水合物領(lǐng)域的研究在全球處于領(lǐng)先地位，但由于在天然氣水合物研究方面起步晚，仍存在諸多不足之處，如相關(guān)研究基礎(chǔ)還不夠扎實，理論體系還不夠完善；在天然氣水合物勘探、開采、儲運方面申請的專利還太少，相關(guān)專利申請也缺乏合作申請和海外布局；企業(yè)申請專利較少，仍未真正成為創(chuàng)新主體；產(chǎn)業(yè)核心專利不足，配套能力嚴(yán)重不足，核心設(shè)備和系統(tǒng)主要依靠進(jìn)口；產(chǎn)業(yè)體系不健全，相關(guān)服務(wù)業(yè)發(fā)展滯后。總之，目前中國在天然氣水合物技術(shù)產(chǎn)業(yè)方面，尚未形成具有較強國際競爭力的專業(yè)化制造能力。在未來的全球競爭中，為了打造核心競爭力，中國必須堅持走創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展道路，進(jìn)一步聚焦研究方向，突破產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)，提升關(guān)鍵裝備自主創(chuàng)新率，增強天然氣水合物研究開發(fā)的創(chuàng)新能力。中國要積極融入全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展，構(gòu)建開放合作的創(chuàng)新格局，加快產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟體系建設(shè)，加緊海外專利布局，初步形成天然氣水合物技術(shù)布局和產(chǎn)業(yè)體系。

4.1 聚焦研究方向

天然氣水合物開采研究投入高、風(fēng)險大，相關(guān)人才缺乏，進(jìn)一步凝煉研究方向尤為重要。

（1）進(jìn)一步深化天然氣水合物成礦理論研究和勘查技術(shù)研發(fā)，開展降壓法、加熱法、化學(xué)抑制劑法和CO2置換法等開采技術(shù)研究，形成能夠大規(guī)模開采的天然氣水合物開發(fā)技術(shù)體系。

（2）從開采技術(shù)優(yōu)化、長途儲運、過程安全控制、地層的穩(wěn)定性及環(huán)境影響等方面開展深入研究，解決一系列關(guān)鍵問題，形成一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心專利。

（3）加強開采安全與環(huán)境評價研究，盡快闡明天然氣水合物開采可能誘發(fā)的全球氣候變化、海底地質(zhì)災(zāi)害及對深海生物群落的影響，建立相應(yīng)的動態(tài)監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)警和控制技術(shù)等機制。

4.2 突破關(guān)鍵技術(shù)

為促進(jìn)天然氣水合物技術(shù)的發(fā)展，必須根據(jù)各技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展情況，抓重點研發(fā)、求重大突破。重點發(fā)展天然氣水合物勘探、開采與儲運，突破大規(guī)模開采關(guān)鍵技術(shù)；重點研發(fā)智能化深水油氣勘探、儲運技術(shù)和配套技術(shù)，突破智能化關(guān)鍵技術(shù)，包括水下機器人、深海傳感器、海底長距離輸送管道等；重點開展深海礦產(chǎn)資源評價方法、資源采集及儲運技術(shù)與設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，突破采集關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，包括液壓提升式、氣壓提升式、鏈斗提升式等；重點發(fā)展移動式海洋平臺關(guān)鍵技術(shù)，包括半潛式平臺、浮式生產(chǎn)設(shè)備（FPSO）等重點技術(shù)領(lǐng)域，重點突破半潛式平臺的核心關(guān)鍵技術(shù)。

4.3 提高專利申請量

中國是天然氣水合物理論研究和技術(shù)創(chuàng)新的核心地區(qū)之一，必須重視自主創(chuàng)新。加強與企業(yè)合作，進(jìn)一步提高專利質(zhì)量，開發(fā)自有技術(shù)，形成具有特色的核心技術(shù)；堅持技術(shù)開發(fā)和專利保護(hù)并行，布局足夠數(shù)量的核心專利，初步形成天然氣水合物勘探、開采和儲運產(chǎn)業(yè)鏈條和專利服務(wù)體系；加強國外專利布局，為大規(guī)模開采、“走出去”及占領(lǐng)國內(nèi)外市場做好技術(shù)儲備和專利保護(hù)。加強天然氣勘探技術(shù)研究，引進(jìn)或利用當(dāng)今地震勘探先進(jìn)技術(shù)專利進(jìn)行消化吸收，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基本專利。利用廣州能源所模擬開采優(yōu)勢，加強與中海油、中石化等大企業(yè)的緊密合作，突破實際開采關(guān)鍵技術(shù)，盡早申請基本專利，開發(fā)與之配套的外圍技術(shù)，布局申請外圍專利，構(gòu)造嚴(yán)密的專利保護(hù)圈。在開展水合物的大規(guī)模快速生成、固化成型、集裝和運輸過程中的安全等一系列關(guān)鍵技術(shù)問題的研究中，布局申請一系列專利，讓儲運技術(shù)逐步走向成熟，為天然氣水合物的大規(guī)模開采打通最后關(guān)卡。

4.4 促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

（1）盡快制定天然氣水合物勘查開發(fā)中長期發(fā)展規(guī)劃。目前，中國還缺乏系統(tǒng)的天然氣水合物勘查開發(fā)中長期發(fā)展規(guī)劃和技術(shù)發(fā)展路線圖，建議參照其他國家和地區(qū)以及中國在天然氣水合物領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，制定符合中國發(fā)展需求的天然氣水合物勘查開發(fā)中長期發(fā)展規(guī)劃，形成產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖。在天然氣水合物的資源成礦理論、勘查技術(shù)、能源評價、生產(chǎn)模擬與驗證、災(zāi)害評估、相關(guān)氣候變化、天然氣儲存與運輸、CO2捕獲與封存等方面加大研發(fā)投入，力爭取得重大技術(shù)突破，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大。

（2）要在全社會積極營造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新氛圍，積極實施人才戰(zhàn)略和創(chuàng)新人才工程，進(jìn)一步凝聚創(chuàng)新型人才投入到產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展中。突破現(xiàn)有創(chuàng)新發(fā)展的體制、機制等各種障礙，為產(chǎn)業(yè)營造良好的發(fā)展環(huán)境。

（3）開展高價值專利培育，提升產(chǎn)業(yè)競爭力。積極探索產(chǎn)學(xué)研協(xié)同高價值專利培育模式，支持具有較好專利基礎(chǔ)的相關(guān)機構(gòu)，在自身技術(shù)研發(fā)及專利儲備的基礎(chǔ)上，針對產(chǎn)業(yè)進(jìn)行精準(zhǔn)挖掘，做好核心技術(shù)專利布局，形成一批高價值專利。同時，基于本產(chǎn)業(yè)特點制定科學(xué)的專利價值評估方法，為天然氣水合物產(chǎn)業(yè)高價值專利的創(chuàng)造和轉(zhuǎn)化運用提供支撐，助推產(chǎn)業(yè)競爭力的提升。

（4）構(gòu)建開放合作的創(chuàng)新格局。中國要積極融入全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展，強化與國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)專利優(yōu)勢地區(qū)相關(guān)機構(gòu)的合作?？梢詫⑷毡镜拇ㄆ橹毓I(yè)株式會社、美國的?？松梨诠镜绕髽I(yè)，以及國內(nèi)研究機構(gòu)和大型企業(yè)等領(lǐng)域?qū)＠麅?yōu)勢機構(gòu)作為重點考慮合作對象，加強合作，實現(xiàn)國家間、機構(gòu)間資源優(yōu)勢互補，促進(jìn)專利創(chuàng)新。

（5）積極開展海外專利布局，為國際市場拓展提供保障。目前，在天然氣水合物技術(shù)專利方面，中國僅有廣州能源研究所等個別機構(gòu)持有少量專利合作條約（PCT）申請，而全球大型海洋油氣公司均重視在多個國家保護(hù)其專利技術(shù)。建議中國相關(guān)研究機構(gòu)和企業(yè)學(xué)習(xí)和借鑒本領(lǐng)域國外巨頭的專利布局策略經(jīng)驗，在立足自身專利技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合市場戰(zhàn)略積極開展海外專利布局， 為未來國際市場競爭提供專利“保護(hù)傘”。