天然气水合物研究的政策导向与创新驱动策略

林丽珊

（中国科学院广州能源研究所，广东广州 510640）

0 引言

21世纪是人类全面开发与利用海洋的时代，海洋经济正在并将继续成为全球经济新的增长点。海洋中已探明的海洋油气、海底矿产资源储量巨大，据估算，全球50%以上的油气田储量在深海[1]。随着国际海底资源商业开采技术与经济风险逐渐明朗，国际社会再次聚焦海底矿产资源的开发，海洋油气及海底矿产资源已成为未来能源发展方向[2]。

中国是海洋大国，管辖的海域面积约为300万km2，内水和领海主权海域面积为38万km2，大陆海岸线超过18 000 km，海洋油气资源非常丰富，最具开发战略意义的有天然气水合物（可燃冰）、常规海洋油气和海底矿产等，相关产业包括勘探、开采、储运、海上平台等。

1 天然气水合物研究现状及前景

关于天然气水合物研究已有近百年的历史[4]。1934年，美国人发文提出天然气输气管道堵塞与水合物有关；1960－1970年，天然气水合物被首次发现可能存在于海洋中；1995年，大洋钻探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，其中，美国、加拿大、日本、德国、韩国和印度等国对其进行单独或共同工业化钻探实验性开采，天然气水合物领域由此进入了大规模发现阶段。目前，世界上仅有3个矿场开采试验真正成功的例子：（1）1968年，苏联对麦索雅哈气田进行成功开采；（2）2002、2007、2008年，日本与加拿大等国进行合作，在加拿大西北部马更歇三角洲先后进行了3次开采试验；（3）2012年，美国在阿拉斯加北部陆坡进行CO2试采。海槽试采成功仅有1例，为2013年由日本在南海海槽完成的首次海洋天然气水合物试采。

中国对天然气水合物的研究只有短短20多年[4]，但在近10年发展尤其迅猛。“九五”期间，中国开始对天然气水合物进行前期调研。1999年，广州海洋地质调查局率先在南海开展天然气水合物实际调查。2002年，国家批准设立天然气水合物专项——“我国海域天然气水合物资源勘测与评价”。“十一五”期间，国家高技术研究发展计划（简称“863计划”）在海洋技术领域又设立了“天然气水合物勘探开发关键技术”重大项目；国家重点基础研究发展计划“南海天然气水合物富集规律与开采基础研究”就南海海域水合物勘探开发等重大基础问题开展了研究。2007年5月，广州海洋地质调查局在中国南海神狐海域成功取得高纯度天然气水合物实物样品，中国成为继美国、日本和印度之后第4个通过国家级研发计划采集到天然气水合物实物样品的国家，标志着中国的天然气水合物调研开采能力跨入了世界领先的水平。2017年5月18日，中国在全球首次实现海域天然气水合物成功试采，此次试采成功是中国首次、也是世界首次，实现资源量占全球90%以上、开发难度最大的泥质粉砂型水合物的安全可控开采[5]，具有里程碑式的意义。此外，按照国土资源科技创新规划，中国要力争在2030 年前进行可燃冰商业开发[6]。由图1可见，1995年之后，天然气水合物研究在全世界紧锣密鼓地进行；20世纪80年代末，中国开始关注天然气水合物研究，并从“跟跑”和“并跑”进入到目前的“领跑”阶段。

图1 天然气水合物研究重要节点

2 天然气水合物专利发展及技术现状

专利作为知识产权的重要组成部分，在产业竞争中发挥着越来越重要的战略性作用。为了充分利用知识产权导航与支撑战略性新兴产业创新发展，2015年，广东省知识产权局[7]对 “广东省战略性新兴产业专利分析及预警工程”进行立项研究；2018年，该项目的部分研究成果发表在《专利引领产业创新——广东省战略性新兴产业专利导航系列报告》中，其中，第12章对天然气水合物、相关产业海洋油气及海洋平台等专利及技术进行了系统分析，从专利角度揭示了天然气水合物技术发展轨迹。

2.1 天然气水合物专利发展

全球首次出现天然气水合物专利申请是1960年。天然气水合物的专利发展主要有4个阶段：萌芽期（1960－1970年）、发展初期（1995－2000年）、突破发展期（2001－2010年）、稳定发展期（2011年至今）。天然气水合物专利申请量排名靠前的国家包括中国、日本、美国、俄罗斯和韩国等，主要申请人有日本三井造船株式会社、美国埃克森美孚公司、瑞士科莱恩国际有限公司、荷兰壳牌石油公司、中国科学院广州能源研究所（以下简称广州能源所）、美国贝克休斯公司和法国石油研究院等。

中国的天然气水合物专利发展主要经历3个阶段：导入期（2004年之前）、成长期（2005－2012年）、发展期（2013年至今）。中国的天然气水合物专利申请人主要包括广州能源所、西南石油大学、中国石油大学、青岛海洋地质研究所、中国海洋石油集团有限公司（以下简称中海油）、常州大学和大连理工大学等。该领域专利主要集中在实验室模拟开采、理化性能测试方面。近年来，中国在天然气开采技术方面取得了一些突破，但在该方面的专利申请量还不多。此外，中国在天然气水合物海洋环境实地的勘探和后端储运方面的专利也还较少。目前，大部分的专利申请人处于独立研发状态，合作研发较少，且国外专利布局较少。

从全球天然气水合物专利情况可知，美国、日本和欧洲企业的专利实力强劲，而中国是由研究机构及高校引领创新。在天然气水合物研究领域，广州能源所的实力在全国处于领先地位，在全球也占有一席之地；而西南石油大学、青岛海洋地质研究所和中海油均有一定的表现。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。其中，由李小森团队研发的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，为中国海域天然气水合物成功试采提供了技术支撑，该成果荣获 2018 年度国家技术发明二等奖[8]。

2.2 天然气水合物技术现状

全球在天然气水合物领域的研究主要涉及天然气水合物制备、勘探、开采和储运四大技术分支，研发最多是开采，其次是制备，最少的是勘探。目前，天然气水合物的勘探方法主要有地震勘探、电磁勘探、地球化学探测、钻探取芯等，其中以地震勘探的应用最为广泛；开采主要以降压法为主，配合注热法、注化学试剂法联用；运输方式主要有3种，包括干水合物、水合物浆，以及干水合物与冷冻原油混合[9]。然而，目前天然气水合物的储运技术还处于研究阶段，相关工艺和研究成果还不成熟，要实现工业化应用还需要解决水合物的大规模快速生成、固化成型、集装和运输过程中的安全等一系列关键技术问题。

与天然气水合物开采密切相关的产业有海洋油气和海洋平台。目前，国外一些国家开始向深海油气勘探开发投入大量的人力物力，钻深已达3 000 m。中国已基本实现浅水油气装备的自主设计建造，部分海洋工程船舶已形成品牌，深海装备制造取得一定突破。但由于深海开发所需的技术较高，中国仍处于早期起步阶段。在这些与天然气水合物开采密切相关产业中，美国、日本、欧洲等少数发达国家和地区掌握核心技术和专利，占据产业的主导地位，而中国还处在产业的中低端。

目前洋山港已建一、二、三期集装箱码头，岸线总长5 640 m，其中一期工程共布置5个5万～10万吨级泊位，二期工程布置4个7万～10万吨级泊位，三期工程布置7个7万～15万吨级泊位。经加固升级改造，洋山港二、三期码头现可靠泊20万吨级集装箱船舶。[1]

3 天然气水合物研究政策导向

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，如美国、日本、韩国和加拿大等[10]。天然气水合物作为目前中国资源最丰富的清洁能源之一，具有大规模发展的潜力，其开发利用已成为中国能源革命和中长期能源战略决策的重要选择。为引导并促进天然气水合物的研究开发，中国也推动相关政策和法规的出台和落地（见表1）。

表1 中国与天然气水合物研究相关的主要政策

3.1 天然气水合物被列入国家能源发展战略

从“十一五”开始，天然气水合物探索研究成为中国能源领域重点研究方向[11]；到了“十二五”，天然气水合物开发技术攻关被列入重点发展的海洋高技术11个专项中[12]。国务院相继发布《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，将大力发展海洋工程装备列入国家要加快培育和发展的战略性新兴产业。2014年，国务院出台《能源发展战略行动计划（2014－2020年）》，将加强海洋石油开发、加大天然气水合物勘探开发技术攻关力度列入国家能源发展战略。2015年，国务院发布《全国海洋主体功能区规划》，提出实施海洋强国战略，支持深远海油气资源勘探开发、海洋工程装备制造业等产业发展。

3.2 立法保障开采

根据国土资源科技创新规划，“十三五”期间，中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，2030年前进行可燃冰商业开发。2016年，《中华人民共和国深海海底区域资源勘探开发法》发布，规定了深海海底资源勘探开发申请程序、承包者的主要权利和义务。2017年，经国家批准，天然气水合物被列为中国第173种矿种[4]。

3.3 实施国家创新驱动战略

从党的十八大提出创新驱动发展战略到党的十九大强调中国经济已由要素驱动转向创新驱动，这5年间，继美国和日本分别进行陆坡和海槽天然气水合物试采后，中国天然气水合物研究进入了快速发展阶段，并于2017年5月成功完成全球首次海域天然气水合物试采。国家创新驱动发展战略为中国天然气水合物研究指明了前进的方向。按照国家计划，中国将在2020－2030年间进行天然气水合物的商业试采和开发，天然气水合物研究依然艰巨。由于中国天然气水合物研究起步晚，相关的研究基础有待夯实，相关专利还太少，产业核心专利不足，海洋油气及海洋平台等相关产业还处于产业的中低端，所以，加强天然气水合物研究及技术专利发展，发展相关产业，保护知识产权已迫在眉睫。2015年、2017年国务院先后发布《深入实施国家知识产权战略行动计划（2014－2020）》《关于全面组织实施中小企业知识产权战略推进工程的指导意见》，国家知识产权战略从发布到落到实处，为中国天然气水合物研究及技术发展保驾护航。

4 天然气水合物技术创新发展的对策建议

天然气水合物试采成功只是迈出关键的第一步，距离下一步实现产业化还有很长的路要走。中国在天然气水合物领域的研究在全球处于领先地位，但由于在天然气水合物研究方面起步晚，仍存在诸多不足之处，如相关研究基础还不够扎实，理论体系还不够完善；在天然气水合物勘探、开采、储运方面申请的专利还太少，相关专利申请也缺乏合作申请和海外布局；企业申请专利较少，仍未真正成为创新主体；产业核心专利不足，配套能力严重不足，核心设备和系统主要依靠进口；产业体系不健全，相关服务业发展滞后。总之，目前中国在天然气水合物技术产业方面，尚未形成具有较强国际竞争力的专业化制造能力。在未来的全球竞争中，为了打造核心竞争力，中国必须坚持走创新驱动发展道路，进一步聚焦研究方向，突破产业核心技术，提升关键装备自主创新率，增强天然气水合物研究开发的创新能力。中国要积极融入全球产业发展，构建开放合作的创新格局，加快产业联盟体系建设，加紧海外专利布局，初步形成天然气水合物技术布局和产业体系。

4.1 聚焦研究方向

天然气水合物开采研究投入高、风险大，相关人才缺乏，进一步凝炼研究方向尤为重要。

（1）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CO2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。

（2）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。

（3）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。

4.2 突破关键技术

为促进天然气水合物技术的发展，必须根据各技术领域发展情况，抓重点研发、求重大突破。重点发展天然气水合物勘探、开采与储运，突破大规模开采关键技术；重点研发智能化深水油气勘探、储运技术和配套技术，突破智能化关键技术，包括水下机器人、深海传感器、海底长距离输送管道等；重点开展深海矿产资源评价方法、资源采集及储运技术与设备关键技术攻关，突破采集关键技术研发，包括液压提升式、气压提升式、链斗提升式等；重点发展移动式海洋平台关键技术，包括半潜式平台、浮式生产设备（FPSO）等重点技术领域，重点突破半潜式平台的核心关键技术。

4.3 提高专利申请量

中国是天然气水合物理论研究和技术创新的核心地区之一，必须重视自主创新。加强与企业合作，进一步提高专利质量，开发自有技术，形成具有特色的核心技术；坚持技术开发和专利保护并行，布局足够数量的核心专利，初步形成天然气水合物勘探、开采和储运产业链条和专利服务体系；加强国外专利布局，为大规模开采、“走出去”及占领国内外市场做好技术储备和专利保护。加强天然气勘探技术研究，引进或利用当今地震勘探先进技术专利进行消化吸收，形成具有自主知识产权的基本专利。利用广州能源所模拟开采优势，加强与中海油、中石化等大企业的紧密合作，突破实际开采关键技术，尽早申请基本专利，开发与之配套的外围技术，布局申请外围专利，构造严密的专利保护圈。在开展水合物的大规模快速生成、固化成型、集装和运输过程中的安全等一系列关键技术问题的研究中，布局申请一系列专利，让储运技术逐步走向成熟，为天然气水合物的大规模开采打通最后关卡。

4.4 促进产业发展

（1）尽快制定天然气水合物勘查开发中长期发展规划。目前，中国还缺乏系统的天然气水合物勘查开发中长期发展规划和技术发展路线图，建议参照其他国家和地区以及中国在天然气水合物领域的发展状况，制定符合中国发展需求的天然气水合物勘查开发中长期发展规划，形成产业发展路线图。在天然气水合物的资源成矿理论、勘查技术、能源评价、生产模拟与验证、灾害评估、相关气候变化、天然气储存与运输、CO2捕获与封存等方面加大研发投入，力争取得重大技术突破，实现产业的发展壮大。

（2）要在全社会积极营造产业创新氛围，积极实施人才战略和创新人才工程，进一步凝聚创新型人才投入到产业创新驱动发展中。突破现有创新发展的体制、机制等各种障碍，为产业营造良好的发展环境。

（3）开展高价值专利培育，提升产业竞争力。积极探索产学研协同高价值专利培育模式，支持具有较好专利基础的相关机构，在自身技术研发及专利储备的基础上，针对产业进行精准挖掘，做好核心技术专利布局，形成一批高价值专利。同时，基于本产业特点制定科学的专利价值评估方法，为天然气水合物产业高价值专利的创造和转化运用提供支撑，助推产业竞争力的提升。

（4）构建开放合作的创新格局。中国要积极融入全球产业发展，强化与国内外产业专利优势地区相关机构的合作。可以将日本的川崎重工业株式会社、美国的埃克森美孚公司等企业，以及国内研究机构和大型企业等领域专利优势机构作为重点考虑合作对象，加强合作，实现国家间、机构间资源优势互补，促进专利创新。

（5）积极开展海外专利布局，为国际市场拓展提供保障。目前，在天然气水合物技术专利方面，中国仅有广州能源研究所等个别机构持有少量专利合作条约（PCT）申请，而全球大型海洋油气公司均重视在多个国家保护其专利技术。建议中国相关研究机构和企业学习和借鉴本领域国外巨头的专利布局策略经验，在立足自身专利技术基础上，结合市场战略积极开展海外专利布局， 为未来国际市场竞争提供专利“保护伞”。