1 引言

2017年5 月18 日，我国在全球首次实现海域天然气水合物（又称“可燃冰”）试采成功，党中央和国务院发来贺电称将对能源生产和消费革命产生深远的影响[1]。

天然气水合物被各国视为未来石油、天然气的战略性替代能源，目前世界上主要发达国家都将此列入战略规划开展研究。天然气水合物开采技术研究还处于初期探索阶段，世界上真正成功的矿场开采试验仅3 例，分别是前苏联、美国、加拿大。2013年日本南海海槽完成了首次海洋天然气水合物试采[2]。

天然气水合物主要是甲烷类天然气被包进水分子中，在低温与压力下形成的一种类似冰的透明结晶，主要分布在海底和永久冻土层内，资源量巨大，是全球煤炭、石油、天然气资源总量的两倍。我国南海蕴藏着丰富的天然气水合物，据估算，约相当于我国已探明油气资源总量的50%[3]。天然气水合物能量密度高，作为目前我国资源最丰富的清洁能源之一，具有大规模发展的潜力，其开发利用成为我国能源革命和中长期能源战略决策的重要选择，国家已将水合物开采列入战略发展规划，并制订了明确的时间表[4]。根据国土资源科技创新规划，“十三五”期间，我国将推进大洋海底矿产勘探及海洋可燃冰试采工程，力争2020年实现商业化试采，力争2030年前进行可燃冰商业开发[5]。

2 天然气水合物水合物研究现状

国际上开展天然气水合物研究已有近100年的历史[6]。1960 至1970年是天然气水合物首次发现可能存在于海洋中的时期。1995年，随着大洋钻探计划的进行，首次证明天然气水合物具有商业开发价值。2011年以后，已有超过40 个国家开展了天然气水合物研究，美国、加拿大、日本、德国、韩国和印度等单独或共同合作在天然气水合物领域进入了大规模发现阶段，进行了工业化钻探实验性开采。

中国开展天然气水合物的研究只有短短的20年[6]，近10年来发展更加迅猛。2007年5 月，广州海洋地质调查局在我国南海神狐海域成功取得高纯度天然气水合物实物样品；2017年5 月，中国海域天然气水合物试采成功；2019年，中国地质调查局和中国海洋石油总公司（以下简称“中海油”）将再次在南海进行天然气水合物试采。

为了更好地了解中国当前的主要研发布局，找到技术突破口，本文从天然气水合物开采技术研究入手，进行技术分解，组织检索策略，通过国内专利数据库采集相关数据，深入分析该领域申请趋势、申请人情况以及技术布局，重点分析国内重要申请人的专利发展情况，对天然气水合物研究的继续开展提出建议。

3 天然气水合物开采技术中国专利发展趋势

利用中国专利数据库CNIP，检索2008～2018年天然气水合物开采专利共1 384 件，其中发明专利860 件、实用新型专利236 件、发明授权288 件。进行专利申请趋势、专利技术构成、重要技术分支、地区分布以及主要申请人比较等方面分析。

3.1 专利申请年度变化趋势

近10年来，天然气水合物开采技术研究快速发展，中国专利申请趋势总体向上发展，虽然中间有过两次波动，但随后增长很快。

2012年进入高速发展期，2017年达到峰值（281 件），数据表明，近10年来中国专利申请量增长约5 倍。

2018年进入平稳发展期，这个时期可能与专利的公开滞后有关（图1）。

3.2 主要申请人专利申请情况

近10年来，申请专利的机构包括大学、研究机构、地质调查局、公司等，排名前10 的申请人如图2所示，其中西南石油大学申请量193 件遥遥领先，中国科学院广州能源研究所（简称“广州能源所”）申请量70 件，居第7 名。

3.3 专利技术分布

图1 2009～2018年中国天然气水合物开采专利专利申请趋势

图2 2009～2018年中国天然气水合物开采专利前10 名申请人排名情况

表1显示，天然气水合物开采主要技术集中在E21、G01，主要是关于土层或岩石的钻进，测量或测试方面的技术。除此之外，西南石油大学还涉及到C09、C08、C10等技术（有机高分子化合物等应用材料及加工；燃料）；中国石油大学（华东）涉及到C09、C10、F17（燃料；天然气；气体或液体的贮存或分配）；广州能源所涉及到C09、B65（应用材料；输送；贮存）。技术分布范围最广的申请人是西南石油大学和中国石油大学（华东）。

4 主要申请人创新能力比较

从主要申请人中选择西南石油大学、广州能源所、青岛海洋地质研究所和中国海洋石油总公司，从专利申请年度趋势、合作申请人、创新能力、技术领域布局4 方面进行综合比较。

4.1 专利申请量年度变化趋势比较

图3显示，西南石油大学最迟开展研究，但后发强劲，远远超过其他3 个申请人；青岛海洋地质研究所实力不容小看觑，2017年已接近西南石油大学；广州能源所开展研究较早，专利申请比较稳定，近几年的专利申请情况稍有些落后；中国海洋石油总公司与广州能源所近几年专利申请情况相近，但前期阶段出现周期性起伏，不太稳定。

表1 天然气水合物开采主要技术前10 名申请人技术分布图申请人西南石油大学青岛海洋地质研究所大庆东油睿佳石油科技有限公司中国石油大学（华东）吉林大学大连理工大学中国科学院广州能源研究所中国海洋石油总公司中国地质调查局油气资源调查中心广州海洋地质调查局E21 125 24 40 57 79 28 27 25 12 12 G01 63 79 6 49 15 42 32 29 23 23 C09 1 C08 3 C10 G09 B65 F03 G05 F04 F17 H05 F25 55 2 1 3 2 5 9 2 2 2 1 2 2 2

图3 2010～2018年中国天然气水合物开采专利主要申请人专利申请年度变化

由此可见，西南石油大学和青岛海洋地质研究所有较大的研发优势。

4.2 合作申请情况比较

图4显示，4 个申请人共有19 个合作机构。中国海洋石油总公司的合作机构最多，共12 个，两个研究所的合作申请机构最少，只有2 到4 家。广州能源研究所的合作机构是中国海洋石油总公司和中海油研究总院。

中国海洋石油总公司作为央企，实力雄厚，在进行海洋天然气水合物试采中，负有重大的责任，并得到众多合作机构的大力支持和响应。

图4 中国天然气水合物开采专利合作申请人情况

西南石油大学、广州能源所和中国海洋石油总公司的合作是顺应国家能源战略需求，是强强联合的结果。

4.3 创新能力比较

发明申请量占总专利申请量的百分比和发明授权占发明申请量的百分比，这两个百分比最能反映申请人的创新能力。表2显示，4 个申请人中，虽然西南石油大学的申请量、发明申请量及发明授权量均最高，且申请量远远超过另外3 个，发明申请占比和广州能源所一样，排在第1 位，但授权占比却排在最后，而广州能源所授权占比高达68，远远超过另外3 个。由此可见，在主要申请人中，广州能源所的创新能力最强。

4.4 主要技术领域比较

表3显示，虽然主要申请人的主要技术领域集中在E21B（土层或岩石的钻进）、G01N（测试或分析材料），但仍有较大的差别。在4 个申请人中，西南石油大学在技术E21B 最强，并远远超过另外3 个申请人，G01N 技术稍次于青岛海洋地质研究所；广州能源研究所这两项技术均衡发展，并处于中上水平。

表2 创新能力比较（单位：件）申请人西南石油大学中国科学院广州能源研究所青岛海洋地质研究所中国海洋石油总公司申请量193 70 108 58发明申请量110 40 52 29发明授权量35 27 22 16发明申请占比%57 57 48 50授权占比%32 68 42 55

表3 中国天然气水合物开采主要申请人技术布局（单位：件）申请人西南石油大学（193 件）专利数123 51 4 3 2 7说明技术强项是E21B、次之是G01N。布局的技术包括机器或结构部件的测试、高分子化合物制取；涉及技术包括开采模拟、材料分析测试等。广州能源所（70 件）32技术E21B G01N G01M C08F E21B G01N C09K B65G E21B G01N G01V G01M E21B G01N G01R F03B 9 2 2 4关联技术E21C G06N G01N C09K G09B C10L F17D青岛海洋地质研究所（108 件）63 6 6 2 1 F03G G01R G01N中国海洋石油总公司（58 件）25 E21C B01J 3 2 F03G主要技术是G01N、E21B。布局技术包括应用材料及应用、运输或贮存装置；涉及技术包括燃料、合成天然气、建模、控制装置、管道系统等。技术强项G01N，比西南石油大学略强。布局技术包括地球物理、重力测量、物质探测、示踪物、建模、控制装置；涉及技术包括测量电变量、测量磁变量、发动机、装置或机构、能源利用等。主要技术领域也是G01N 和E21B。布局技术包括测量电变量、测量磁变量、液力机械；涉及技术包括化学或物理方法、开采、发动机、机械装置或机构等。

除此之外，4 个申请人的技术布局各有特色，中国海洋石油总公司在测量和开采方面布局，青岛海洋地质研究所在测量、探测、建模、控制方面布局，西南石油大学、广州能源研究所均在研究水合物的生成与分解，同时广州能源研究所还在布局水合物运输或贮存装置方面的技术。

西南石油大学关联的技术最多，高达20 多种，主要是E21C、E21F、G06N、B02C、C09K、F17D 等，涉及技术包括开采、计算机建模、材料应用、矿井、运输、管路等。

这些主要技术分别由西南石油大学的周守为团队、中科院广州能源所李小森团队、青岛海洋地质研究所刘昌岭团队、中国海洋石油总公司李清平团队掌握。

5 天然气水合物开采技术研究进展

近10年来是中国天然气水合物研究最为活跃的时期，西南石油大学、青岛海洋地质研究所、广州能源所等已成为我国主要研发力量。西南石油大学后发强劲，2015年进入快速发展阶段；广州能源所开展研究较早，专利申请比较稳定，创新能力最强，中国海洋石油总公司合作机构最多。

天然气水合物开采主要技术集中在E21、G01（土层或岩石的钻进，测量或测试方面的技术）。其中，西南石油大学技术优势在E21B，青岛海洋地质研究所在G01N最强，广州能源研究所这两项技术均衡发展，处于中上水平。

除此之外，中国海洋石油总公司在测量和开采方面布局，青岛海洋地质研究所在测量、探测、建模、控制方面布局，西南石油大学、广州能源所均在研究水合物的生成与分解，同时广州能源所还在布局水合物运输或贮存装置方面的技术。

西南石油大学关联的技术最多，涉及技术包括开采、计算机建模、材料应用、矿井、运输、管路等。

在天然气水合物开采研究中，涌现出西南石油大学的周守为、广州能源所李小森、青岛海洋地质研究所刘昌岭、中国海洋石油总公司李清平等带头人及团队。

广州能源所从20世纪90年代初即开始进行天然气水合物的基础研究，并于2003年成立中科院广州天然气水合物研究中心，主要开展天然气水合物的勘探、开采基础理论和关键技术研究[7]。由李小森团队取得的成果“深海天然气水合物三维综合试验开采系统研制及应用”荣获2018年度国家技术发明二等奖，受得了党和国家领导人的隆重表彰。该团队针对深海苛刻地质条件，攻克地层构建、钻井、井网布署及排采等设备研发技术难点，研发出世界首套专用于天然气水合物开采技术研究的三维成套大型设备，解决了天然气水合物开采及控制难度大等关键技术难题，确定了开采天然气水合物的关键技术。为我国海域天然气水合物成功试采提供了技术支撑，为我国天然气水合物开发战略部署及建立商业开采平台提供了重要技术保障[8]。

6 对策与建议

我国开展天然气开采研究只有短短的20年，近10年来快速发展，涌现了广州能源所等实力较强的研发机构，助力成功试采南海海域天然气水合物。但仍存在以下问题：（1）在专利申请趋势上，国内主要研发机构力量悬殊较大，近几年波动较大，且参与企业偏少。（2）在技术研发布局上，在天然气水合物输送与贮存研发较少；（3）在专利合作申请上，研究机构之间、与企业之间的合作较少。（4）广州能源所在天然气水合物开采研究方面起步较早，主要技术发展比较均衡，具有较强的创新能力，但近几年的专利申请略逊于青岛海洋地质研究所，技术布局范围较窄，合作机构较少。

天然气水合物从成功试采到商业开发，国家计划用十几年的时间完成。天然气水合物研究任务依然艰巨，需要从开采技术优化、长途储运、过程安全控制、地层的稳定性及环境影响等方面开展深入研究，解决一系列关键问题，形成一批具有自主知识产权的核心专利。

更进一步深化天然气水合物成矿理论研究和勘查技术研发，开展降压法、加热法、化学抑制剂法和二氧化碳置换法等开采技术研究，形成能够大规模开采的天然气水合物开发技术体系；加强开采安全与环境评价研究，尽快阐明天然气水合物开采可能诱发的全球气候变化、海底地质灾害及对深海生物群落的影响，建立相应的动态监测、灾害预警和控制技术等机制。

继续加强天然气水合物开采主要关键技术攻关，加紧布局研发储运技术，发挥广州能源所的创新优势，倚重西南石油大学、青岛海洋地质研究所等研发机构的技术强项，加强与中国海洋石油总公司、中国地质资源调查局等大型企业合作，坚持技术开发与专利保护并行，布局足够数量的外围专利，加紧国外专利布局。切实解决从试采到商业试采最终到商业开发全过程所面临的一系列问题。

构建有利于产业创新驱动发展的政策和体制，关注产业前瞻布局，集中创新优势资源，积极开展高价值专利培育，助力产业竞争力提升，构建开放创新格局，强化与国内外专利优势机构合作，推动产学研协同创新，提升产业整体竞争力。

紧盯国际高端人才，突破人才使用上的瓶颈，加快技术人才和知识产权人才的培养，使天然气水合物研发水平和开采技术得到大力提升，为天然气水合物开采产业化起到关键而重要的作用。

[1]科学网.中共中央国务院电贺海域天然气水合物试采成功[EB/OL].

[2]杜卫刚.天然气水合物试采技术[J].油气井测试,2019,28(1):20-24.

[3]科学网.中共中央国务院电贺海域天然气水合物试采成功[EB/OL].

[4]科学网.中共中央国务院电贺海域天然气水合物试采成功[EB/OL].

[5]中国政府网.国土资源部关于印发国土资源“十三五”科技创新发展规划的通知[EB/OL].

[6]宣之强,李钟模,吴必豪,刘玉山.天然气水合物新能源简介—对全球试采、开发和研究天然气水合物现状的综述[J].化工矿产地质,2018,40(1):48-52.

[7]中国科学院广州能源研究所.中科院天然气水合物研究助力我国可燃冰成功试采[EB/OL].

[8]中国科学院广州能源研究所.中国科学院广州能源研究所“深海天然气水合物三维综合试验开采系统研制及应用”荣获2018年度国家技术发明二等奖[EB/OL].

文章来源：煤矿开采 网址: http://mkkc.400nongye.com/lunwen/itemid-55302.shtml

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