水平井入流智能控制工具技術專利信息分析

蘭起超，莊 園

（1.國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津 300304；2.大慶油田測試第九大隊，黑龍江 大慶 163000）

水平井是開發(fā)油氣藏的一種重要技術手段。然而，水平井水平段波及油藏不同層段的非均質(zhì)性差，造成滲透率高的層段產(chǎn)水，滲透率低的層段油還未采出，即水脊進或錐進突破產(chǎn)水，而水突破后找水堵水作業(yè)十分困難，影響最終的原油采收率，這已成為制約水平井高效開發(fā)的技術瓶頸。因此，在水平井生產(chǎn)期間亟需控制水平井入流，即控制水相的產(chǎn)出，均衡產(chǎn)業(yè)剖面。而智能控水工具由于結(jié)構(gòu)簡單、無電子器件、適應性好、成本低等優(yōu)點，已發(fā)展為目前控水領域最為重要的工具之一[1-2]。

本文將從專利的角度分析水平井智能控水工具的技術研發(fā)脈絡及重要公司的專利布局，旨在為本領域的技術人員對技術的研發(fā)和知識產(chǎn)權保護提供參考[3-4]。

1 專利態(tài)勢分析

1.1 專利分類

水平井入流智能控制工具在專利庫中主要有3個分類號：①E21B34/06井內(nèi)的閥裝置；②E21B43/12控制采出液體向井內(nèi)或在井內(nèi)流量的方法或設備；③E21B43/32防止氣錐或水錐現(xiàn)象，即在井的周圍形成氣或水的錐體。本文基于CNABS、VEN數(shù)據(jù)庫和全文庫，利用分類號和關鍵詞“flow control、water、入流控制、流入控制、控水等”得到樣本數(shù)據(jù)。截至2017-12-28，相關專利申請數(shù)量達到了2 350件。

1.2 專利申請年度分布

1990—2000年期間為水平井入流控制理論形成時期，之后為技術成形及迅速發(fā)展時期，因此，將1990—2000年期間的專利申請以10年為統(tǒng)計節(jié)點，將2001—2017年以每年為統(tǒng)計節(jié)點，得到申請量隨年代的分布情況如圖1所示。

從圖1可以看出，2001—2006年，水平井入流控制工具專利申請量較為平穩(wěn)；2007—2008年，受國際油價不斷攀升的影響，行業(yè)形勢利好，因此水平井入流控制工具專利申請量大幅上升，而由于2008年下半年至2009年的油價探底，水平井入流控制工具專利申請量有很明顯的回落。自2010年以后，隨著油價上漲、行業(yè)復蘇，再加上技術上水平井的大規(guī)模普及，大部分油田開始進入開發(fā)后期的高含水期，以及非均質(zhì)油藏的開采等，都對控水工具提出了急切的需求。綜合上述原因，2010—2014年，水平井入流控制工具專利申請量進入高速增長時期，而2015年受油價下跌的影響及技術發(fā)展瓶頸的限制，專利申請量開始下滑。

圖1 專利申請量年度分布

1.3 專利公開國家分布

圖2給出了專利申請公開國家的分布，專利在不同國家公開的數(shù)量多少受該國油藏儲量、油藏產(chǎn)量、開發(fā)技術、發(fā)展環(huán)境以及申請人國別等多重影響。由圖2可知，美國的專利公布量占比近一半，達到了42%，這是由于美國作為世界第二大產(chǎn)油國，國際知名的大石油技術公司較多，技術發(fā)展較早，重視專利技術的研發(fā)、保護及運用。我國占比排名第二，達到17%，這是由于我國在國際石油開發(fā)的市場定位屬于新興市場，開發(fā)政策好，國際技術專利已進入中國。俄羅斯是第三大產(chǎn)油國，英國具有石油開發(fā)公司中的巨頭——殼牌石油，使得兩國均占比6%，并列排名第三。加拿大作為第六大產(chǎn)油國，占比3%，排名第四。

圖2 專利申請公開國家分布

1.4 主要申請人分布

通過合并同族、母子公司及去噪，統(tǒng)計出了專利申請排名前7的申請人，如圖3所示，來自美國油田技術領域的3家國際大公司哈里伯頓、貝克休斯、斯倫貝謝的申請量占據(jù)了總申請量的前3位，且占了總申請量的85%有余，呈現(xiàn)出哈里伯頓一家獨大的局面。前7名中，我國的申請人只有一家，排名第4的中國石化有16件相關專利。這反映出，水平井入流控制工具的核心技術已被國外的大石油公司壟斷，我國對相關技術的研究還處于探索和模仿的起步階段。

圖3 專利申請公開國家分布

2 從研究熱點看發(fā)展脈絡

水平井入流控制工具控水（或氣）的機理是不同相（油氣水三相）的密度、黏度或壓力不同，使通過流道的流體通過摩擦力、離心力等手段實現(xiàn)相的分離，使產(chǎn)出的流體大多為期望的流體（通常為油），而不期望產(chǎn)出的流體（通常為水）限制產(chǎn)出。20世紀90年代初期，挪威的海德魯公司（Hydro）首先提出了ICD的概念，并于1992-09-18申請了曲徑式入流控制器（NO306127B1）的專利，1994年該曲徑式流入控制器首次應用于Troll油田水平井中，達到了很好的控水（控水脊和氣錐）增油效果。海德魯公司于1993-09-15申請了首個管束式流入控制器（US5435393A）。自此以后，水平井入流控制技術及配套工具得到不斷的發(fā)展和完善，并根據(jù)流體力學的基本原理，逐步發(fā)展為曲徑式、管束式、螺旋式、噴嘴式、封堵閥式、密度/壓力閥式、混合式以及渦旋式[5]。下面以首次申請日為時間路線，還原技術發(fā)展脈絡，如圖4所示。

圖4 主要技術發(fā)展路線

3 哈里伯頓渦旋式工具專利布局分析

由第2部分研究熱點及技術發(fā)展脈絡可知，渦旋式工具為申請量最多的申請，基本集中在2010年以后，且基本被哈里伯頓公司一家所壟斷。哈里伯頓在控水領域引入旋流分離原理，基于旋流腔室結(jié)構(gòu)，不同密度的流體相會產(chǎn)生旋渦分離，密度大的水會在離心離力的作用下處于外層，密度小的油處于中間，并從中間出口流出?；谏鲜鰴C理，哈里伯頓在全球范圍內(nèi)共布局申請100余件，涵蓋旋流的串并聯(lián)、旋流閥結(jié)構(gòu)、旋流室結(jié)構(gòu)、響應件、分離水相排出、結(jié)合現(xiàn)有控水模式、外接流道以及用途等，參見圖5，基本覆蓋了該核心部件在油氣開發(fā)領域應用的絕大部分。雖然國內(nèi)已有一部分科研機構(gòu)或公司開始模仿哈里伯頓公司的渦旋式控水工具，但由于哈里伯頓公司較好的專利布局，除西南石油大學有一件專利申請（CN104389553A）獲得授權外，其他專利還較少得到授權。與哈里伯頓公司呈鮮明對比的挪威海德魯公司（Hydro）雖然研發(fā)了兩個開創(chuàng)性的專利，但由于缺乏專利布局，均有相關的公司在其專利的基礎上發(fā)展了各自的技術，大大影響了其專利的價值。

圖5 渦流式專利布局分布

4 總結(jié)與建議

創(chuàng)新重在原理，機理推動設計。通過本文第2部分的發(fā)展脈絡可知，技術的革命性創(chuàng)新基本上來自于原理的創(chuàng)新，而核心的設計或?qū)＠蓟谧畛跆岢龅脑順?gòu)思。因此，本領域的技術人員在創(chuàng)新時應更多地從原理上出發(fā)，以機理啟發(fā)技術手段，以技術手段優(yōu)化設計，這可以從根本上解決本領域的尷尬現(xiàn)狀——國外大公司對某些核心技術“只租不賣”的壟斷。

專利轉(zhuǎn)化產(chǎn)權，布局提升競爭力。設計轉(zhuǎn)化為專利產(chǎn)權后，能夠更好地保護知識產(chǎn)權，而好的專利布局可最大限度地保護企業(yè)的核心價值，提升企業(yè)的競爭力。

注重特殊人才培養(yǎng)，完善科研團隊。本領域科研人員在專利范圍的撰寫和布局與國外存在較大差距。國內(nèi)的研究團隊應在注重研發(fā)的基礎上，相應地注重專利技術分析，注重吸納和培養(yǎng)專利挖掘、確權撰寫和保護的人才，為技術創(chuàng)新安上知識產(chǎn)權的保護網(wǎng)。

［1］陳偉，馮小紅，張雪梅，等.水平井平衡采油工藝技術［J］.斷塊油氣田，2008（02）.

［2］王海靜，薛世峰，高存法，等.非均質(zhì)各向異性油藏水平井流入動態(tài)［J］.大慶石油學院學報，2012（03）：80-85.

［3］張寶文，張運東，李春新.加強知識產(chǎn)權開發(fā)與管理提升中國石油核心競爭力［J］.石油科技論壇，2009，28（2）：1-4.

［4］宋巧枝，方曙.專利信息分析方法在企業(yè)戰(zhàn)略制定中的應用［J］.現(xiàn)代情報，2007（10）：193-195.

［5］陽明君.底水油藏水平井分段完井控水優(yōu)化研究［D］.成都：西南石油大學，2017.