我国石油开发技术专利成果的态势及发展趋势

时间:2018-11-20 作者:博学论文网
  摘要:在1985-2014年中国地区石油行业专利技术成果的基础上, 利用SPSS Modeler、SPSS Statistics、词频统计工具和Excel工具, 对中国地区专利研究成果数据进行统计分析。以图表的方式展示了中国地区石油行业技术的总体发展状况, 揭示了专利的技术集中领域、研究热点以及技术发明的演变方向。
  
  关键词:石油行业; 专利技术; 统计分析; 发展现状; 技术演变;
  
  油气能源是影响国家可持续发展和国家安全与稳定的不可或缺的因素。而中国正逐渐成为油气技术研发领域的主力之一[1].在探索技术研发领域时, 专利是重要的研究领域[2], 一个国家的专利申请数量能够直接反映技术的先进程度[3], 而一个国家的经济和科技实力可以用发明专利来衡量[4].中国石油行业的专利申请活动越来越活跃, 发明专利所占比例在不断的增加[5].但是石油领域在发展过程中也存在着一些问题, 中国石油行业在技术领域缺乏核心的石油开发技术[6].在油气供需不平衡的处境下, 我们有必要通过研究石油行业核心技术态势来正视目前中国石油技术的发展水平和发展方向。
  
  结合所拥有数据的特点, 本文从专利申请趋势、专利领域、专利权人以及研发热点等角度, 对数据中专利的IPC分类号、专利权人合作情况、申请量、关键词进行分析, 总结专利成果的态势及发展趋势, 并且从定量的角度对专利成果数据的特征、关系及变化进行统计分析, 对专利标题利用文本挖掘工具进行关键词的统计, 利用聚类方法进行分类, 利用专利地图将专利信息进行归纳, 最终以更加直观、可视的图表方式来展示结果。
  
  1 数据来源及分析工具
  
  本文数据来源于美国汤森路透集团 (Thomson Reuters) 提供的Thomson Innovation (TI) 数据库。TI收录DWPI数据以及来自全球90多个国家和地区的8 000万篇专利信息。检索1985-2014年中国地区石油行业的专利数据, 共得到149 728条记录。每条记录中包含公开号、公开日期、标题、摘要、专利权人、IPC号、申请日期等信息, 这些数据成为本研究的数据基础。专利申请通常有18个月的滞后期, 2013年和2014年的数据由于公开不充分仅供参考[7].
  
  本文利用“词频统计工具”“SPSS Modeler”“SPSS Statistics”和“Excel工具”等4个工具对数据进行处理汇总。
  
  2 专利分析
  
  2.1 专利趋势分析
  
  专利申请量能够代表一个行业的技术发展程度和发展水平[8].专利申请量的逐年变化趋势可以反映专利的发展现状及发展阶段。专利申请除了受技术复杂性推动外, 非创新相关的活动也对增加专利申请量起到推动作用[9].为探究中国石油行业的专利申请现状和影响因素, 统计出专利申请量的逐年变化趋势, 如图1所示。
  
  图1 专利申请量和国际原油价格年份变化趋势

  
  从专利申请量统计来看, 1985-2014年中国地区石油行业共申请专利149 728件。从近30年国内石油行业专利申请量来看, 中国地区石油行业专利申请量除1995年和2004年出现减少情况外, 总体呈持续增长的趋势。从增长速度来看, 大致可分为两个阶段:第一阶段是1985-2005年的缓慢发展阶段, 石油行业共申请32 570项专利, 增势较为平稳, 平均年增长速度为13.3%;第二阶段是2005-2012年的快速发展阶段, 石油行业共申请116 628项专利, 2008年专利数量突破10 000件, 平均年增长速度为22.5%.
  
  对比1986-2012年 (共27年) 的专利申请量和国际原油价格发现, 二者基本走势呈起伏攀升的趋势, 且2006年增幅明显加快。虽然专利申请量与国家原油价格影响因素不尽相同, 但二者都受石油行业发展的影响, 在不考虑其他因素的影响下, 二者之间存在如下的变化:原油价格的上涨激励石油行业技术的发展, 必然会导致专利申请量的增加。
  
  2.2 专利领域分析
  
  IPC分类是目前国内外唯一通用的专利文献分类和检索的工具[10], 它采用了以功能性为主、应用性为辅的功能与应用相结合的分类原则[11], 并以等级的形式将IPC分类号通过A-H分为8个部, 每个IPC分类号又逐级分类 (部、大类、小类、大组和小组) 形成完整的分类体系[12].本章将从部、小类、大组和小组对石油行业所涉及的IPC号进行统计分析。IPC按部分类统计结果如表1所示。
  
  表1 专利IPC领域分类统计

  
  从统计结果来看, 中国石油行业专利技术主要集中在C部 (化学;冶金) , 其次是B部 (作业;运输) 和E部 (固定建筑物) .在化学、冶金领域, 专利申请数量达到253 378件, 所占比例高达58%;在作业、运输和固定建筑物领域所占比例分别为17%和11%.据统计发现, C部大类主要集中在C10 (石油、煤气及炼焦工业;含一氧化碳的工业气体;燃料;润滑剂;泥煤;共147 114件) , B部主要集中在B01 (一般的物理或化学的方法或装置, 共60 104件) , E部主要集中在E21 (土层或岩石的钻进;采矿, 共46 550件) , 这三个大类远高于其他大类。
  
  统计过程中, 发现IPC部的总数为434 647, 专利总数为149 728件, 二者数量并不相同, 这是因为一个专利可能涉及多个技术领域, 而不同的技术领域有不同的IPC号, 所以一个专利可能会有与之对应的多个IPC分类号。因此统计出来的IPC数量要大于专利申请数量。
  
  基于上述分析发现, 我国石油行业专利申请主要集中在化学、冶金领域的石油、煤炭和炼焦工业以及工业气体、燃料、润滑剂、泥煤等方面, 其次是作业运输过程中涉及的物理、化学的方法或装置和土层、岩石的钻进以及采矿方面, 说明从近30年IPC分布来看, 石油行业的技术主要集中在石油的勘探、开发和炼制环节。
  
  为深入了解石油行业领域的技术集中领域, 统计IPC小类分类发现, 国内石油行业专利的IPC小类共涉及526个, 小类申请数量在前10位的IPC技术构成情况见表2.各小类含义介绍见表3.
  
  表2 前10位IPC小类技术构成

  
  表3 石油行业专利申请量排名前10位的IPC小类

  
  近30年石油行业的专利共涉及525个IPC小类, 各IPC小类的申请量从1到46 065不等, 本文主要分析最为突出的前十位IPC小类。IPC前十位小类的统计结果与IPC部统计结果是一致的, IPC小类前十位都是包含在B、C和E部内, 表1展示了更为详细的集中领域, 在B部主要涉及化学或物理方法 (例如, 催化作用、胶体化学;其有关设备) 以及分离等方法 (B01J、B01D) ;E部主要集中在土层或岩石的钻进和从井中开采油、气、水、可溶解或可熔化物质或矿物泥浆等油气开采过程所涉及的领域 (E21B) ;而C部涉及领域相对广泛, 包括将原油转化为成品油的炼油环节涉及领域、天然气加工领域以及化工等下游领域。
  
  在部的基础上更进一步地从小类分析发现, 石油行业研究技术领域主要集中在催化、分离等化学或物理方法领域、油气开采领域和炼油、天然气加工等下游领域。
  
  2.3 专利权人分析
  
  2.3.1 专利权人申请总量分析
  
  中石油、中石化和中海油是中国地区石油行业的三大公司, 它们在技术方面的创新对石油行业专利申请活动中起到了很重要的作用。三大公司专利申请量及所占比例如表4所示。
  
  表4 六大类专利权人申请数量统计

  
  基于表4统计发现, 石油行业技术创新水平分布较为广泛, 专利权人除三大石油企业之外, 还有大学、外企、私企和个人等, 这类专利权人申请量所占比重都不容小觑。单从专利申请数量来看, 三大石油企业里中石化的专利申请量最多, 中石油位居第二, 申请量最少的是中海油。除三大企业之外, 大学和一些私企、个人在专利申请上也占有举足轻重的地位。
  
  2.3.2 专利合作分析
  
  通过对石油行业专利权人合作专利数量与非合作 (专利权人为某一公司或个人) 专利数量对比发现, 中国地区的专利权人主要还是单个的单位企业或个人, 非合作专利大约是合作专利的5.32倍, 合作与非合作专利数量逐年变化趋势如图2所示。合作专利数量一直维持在一个比较低的水平, 从2004年合作专利增长速度加快, 但增长率变化较大, 以波折的趋势增长;相反, 非合作专利几乎以线性的速度增长。
  
  图2 合作与非合作专利数量逐年趋势

  
  从石油行业技术创新合作与非合作的专利数量分布来看, 中国的非合作专利数量和发展速度都远远高于合作的专利数量, 说明中国地区的合作专利发展有待提高, 我们应鼓励多种形势的合作创新, 发挥协同效应。合作创新可以全面考虑各项因素, 充分利用信息等资源, 提高创新的效率和质量。
  
  2.3.3 三大石油公司专利领域分析
  
  据统计, 中国石油行业专利在化学、冶金领域申请数量占据58%, 达253 378件, 申请主要集中在化学冶金领域的石油、煤炭和炼焦工业以及工业气体、燃料、润滑剂、泥煤等方面。为了比较三大石油公司专利申请集中领域, 在IPC分类统计的基础之上, 统计三大石油公司前十位IPC种类及数量, 发现三大公司集中领域有所不同, 各擅胜场。统计结果如表5所示。
  
  表5 三大石油公司IPC申请数量前十位统计

  
  对于中石油来说, 勘探与生产是最主要的业务板块。从IPC统计结果来看, 中石油专利申请集中在E21B (土层或岩石的钻进;从井中开采油、气、水、可溶解或可熔化物质或矿物泥浆) 领域, 主要从事国内油气勘探生产业务, 负责大庆、新疆等13个油田的石油、天然气勘探与开发, 是中国最大的天然气生产、运输和销售商, 在中国天然气市场中占有主导地位。
  
  中石化主要从事石油、天然气的勘探和开采、石油产品的炼制、销售以及化工产品的生产与销售。从IPC统计结果来看, 专利技术主要集中在石油炼制的物理或化学方法 (催化作用和胶体化学及有关设备) 、氢化裂化、含烃混合物的制备与精制、烃油的回收以及有机化学中的无环或碳环化合物等化工领域。
  
  中海油主要负责中国海域对外合作的开采石油和天然气资源的相关业务。从IPC统计结果来看, 中海油的前十位IPC虽然主要集中在石油的勘探与开采领域, 但已经由单纯从事油气开采的纯上游公司发展成包含油气勘探开发、专业技术服务、化工化肥炼化、天然气及发电、金融服务、综合服务和新能源六大模块的综合性公司。
  
  根据表5可以看出, 三大石油公司专利申请集中领域有所不同。对比近30年中国三大石油公司技术集中领域发现, 中石油和中海油主要的业务集中在勘探开采领域 (即E21B领域) , 但是二者侧重点又有所不同。中石油侧重于E21B004700 (测量钻孔和井) 和E21B004300 (从井中开采油、气、水、可溶解或可熔化物质或矿物泥浆的方法或设备) 领域, 中海油侧重于E21B004900 (测试井壁的性质;地层测试;专用于地表钻进或钻井以便取得表土或井中液体试样的方法或设备) 领域。中石化专利申请主要集中在炼油化工领域。
  
  2.4 研究热点分析
  
  每一个专利的标题都是专利内容的精简概括, 所以专利标题从一定程度上也能反映技术的研究热点及方向[13].统计149728个专利标题的词频, 共涉及16742个高频词;筛选出各年前20个高频词, 共涉及57个高频词。将这57个高频词各年份出现数量作为变量, 利用系统聚类[14]的瓦尔德平方欧式距离方法[15]在文本挖掘结果的基础上进行聚类分析, 来比较分析技术的发展[16].
  
  采用横断法[17], 类间距离设为4, 聚类结果分为三类, 分别是1985-2005年、2006-2009年和2010-2012年, 说明每个阶段在技术集中领域方面有各自的侧重点。按照分层聚类[18]筛选出来的三组年份前20个高频词, 汇总得到结果如表6所示。
  
  表6 三组年份前20个高频词汇总统计表

  
  石油行业专利申请必然围绕石油、气、设备等技术创新, 所以油 (oil) 、设备 (device) 、气 (gas) 、催化剂 (catalyst) 等词的词频在三组聚类中居高不下。1985-2005年, 有关钻井的高频词比较靠后, 开采相关技术的创新度不高, 这是因为石油发展初期, 大庆等油田储量高, 开采相对来说更容易, 而且工业不发达, 石油需求量较少, 较少钻井就可以满足当时的社会需求, 所以对钻井等开采技术的创新度不高, 关注点不在钻井开发这一方面, 更多的是从一次开发过渡到二次开发;2006-2009年, 有关钻井的词频重要度在增加, 随着生活水平的提高和工业的发展, 能源需求增加, 油价一直上涨。与此同时, 大庆油田在逐渐衰落, 长庆油田 (第二大油田) 又处于开发阶段[19], 单井开采量少, 面对这样的处境, 石油行业只有提高钻井开发等相关技术, 有效减少开发成本, 才能提高石油效益, 此阶段处于开采二次开发向三次开发过渡;2009年之后, 钻井等词频重要度在继续增加的同时, 新出现了“生物量”[20]等词。
  
  随着开采程度的增加, 石油的储量在逐渐减少, 开采难度越来越大, 有关钻井开采的技术创新得到重视。企业只有提高开采效率, 有效降低成本, 才能获得更多利润, 所以开发过程中涉及到的生物采油技术、酸化压裂技术的创新也越来越明显。分析认为:
  
  (1) 中国石油行业专利技术阶段性发展受自身技术需求的影响。石油发展初期, 油田储量高且易开采, 技术需求不明显;发展中期处于油田衰落与开发变迁阶段, 开采本身对技术的需求在不断的增加, 促进了专利技术的发展;2009年以后, 石油储量减少, 开采难度增大, 技术创新的需求更加的强烈。所以在石油发展背景下, 专利技术阶段性发展主要受自身技术需求影响。
  
  (2) 中国石油行业专利技术发展与经济需求有关。随着经济的发展, 国内石油生产量已经远远不能满足中国经济的需求。2010年, 中国的石油对外依存度已达到53.8%.在供不应求的情况下, 国家认识到技术的重要性, 就会加快技术的发展, 因此, 技术创新度有明显的提高。
  
  (3) 中国石油行业专利技术发展还受国家规划政策的影响。从专利申请数量的统计结果可以看出, 专利申请数量的大幅度变化分别出现在2005年和2010年左右, 而这两个时间点分别是五年规划的起始年。所以, 政策的变化对石油行业技术的发展方向有导向作用, 石油专利技术的阶段性发展与政策的转变是相契合的。
  
  3 结论
  
  在国内外研究的基础上, 对中国地区石油行业的专利申请数据进行了分析与处理。从专利申请趋势、专利领域、专利权人以及研发热点等方面进行分析, 发现石油行业技术发展的现状以及态势。专利的发展除了技术本身的促进作用之外, 还受石油价格、政府政策、石油对外依存度等的影响。根据分析得出以下结论:
  
  (1) 从专利申请趋势来看, 中国石油行业专利申请量总体呈持续增长的趋势, 发展过程大致可分为两个阶段, 分别是缓慢发展阶段 (1985-2005年) 和快速增长阶段 (2005-2014年) .这种增长规律受国际原油价格的变动影响, 当石油价格低的时候, 专利申请量也低;当原油价格上涨时, 专利申请量也增加。在2005年前, 实用新型专利没有明显的增加, 这受中国原油对外依存度的影响。1993年中国重新成为石油净进口国, 国家认识到技术的重要性, 而技术的进步主要靠发明专利。目前发明专利和实用新型专利的申请比例达到3∶1, 发展过程中由于大庆油田的衰落、长庆油田的开发、开采技术的创新等现实因素的影响, 石油行业的每个阶段技术集中领域又各有所不同。单从开采技术来看, 1985-2005年, 开采技术创新度不高;2006-2009年, 有关钻井的研究所占比重增加;2009年之后, 开采领域创新度增加, 出现新的技术创新 (生物开采等) .
  
  (2) 从专利申请领域和研发热点来看, 随着原油开采难度的增大, 原油的有关钻井领域设备的组合研究、开采中涉及的一些方法或设备 (比如注入化学驱、CO2驱、地下加热) 的研究以及天然气净化设备等的研究是石油行业技术的研究热点。此外, 污染环境防治法的提出对有关催化净化的专利申请有促进的作用。1995年通过的《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》推广能够减少废弃物产生量和危害性的先进生产工艺和设备, 所以在石油产业的专利申请量还没有大幅度的增加时, 石油行业有关催化净化技术的专利申请量从1995年就在以明显的速度增加。
  
  (3) 从专利权人来看, 专利权人除三大石油企业之外, 大学、外企、私企和个人等专利权人申请量所占比重都不容小觑。中石油专利申请集中在勘探生产领域, 中石化专利技术主要集中在炼油化工领域, 中海油主要集中在石油的勘探与开采领域三大石油公司中, 中海油专利申请数量最少。2001-2004年期间, 中石油、中石化和中海油的专利申请处于波动状态, 这是由于中国面临衰退的经济形势, 化工产品和油的价格都有所下降, 所以此阶段的专利申请数量增加并不明显, 甚至有所下降。2004年之后, 三大企业的专利申请快速发展, 中石油的发展速度最为突出。近30年, 大多数专利是非合作创新的结果, 非合作专利与合作专利数量比例达到5∶1, 说明中国地区的合作专利发展有待提高, 我们应鼓励多种形式的合作创新, 发挥合作协同的效应。合作创新可以全面考虑各项因素, 充分利用信息资源, 提高创新效率和质量。
  
  从数据分析结果来看, 企业只有时刻关注专利发展的趋势动向, 基于不断更新的专利对技术发展方向及热点进行预测, 对技术现状有更准确的把控, 不断地进行技术创新, 才能从根本上提高石油行业的效率, 促进经济的发展。
  
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