地震勘探震源專利分析

孫珍珠 丁宏杰 王葉

摘要：地震勘探的首要問題是激發(fā)能夠反映地下地質體情況的地震反射波。本文立足于專利文獻，對國內外涉及地震震源的專利申請進行統(tǒng)計和分析，總結該技術的專利申請及發(fā)展狀況，以期為相關領域的專利審查工作提供參考，并為企事業(yè)單位、高校、研究所等提供技術支持。

關鍵詞：地震;采集;震源;專利分析

中圖分類號：P631.4;G306文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）24-0122-11

1 概述

地震勘探的首要問題是激發(fā)能夠反映地下地質體情況的地震反射波，為了確保地震波能傳播到一定的距離，并達到對勘探深度的要求，要求激發(fā)地震波的能量要強。另外，為了達到勘探薄互層的要求，要求激發(fā)的地震波頻帶要寬。地震勘探技術的快速發(fā)展推動著地震震源的發(fā)展。隨著地震勘探難度的增大，在實施地震勘探時對地震震源性能的要求愈來愈高。為了適應高分辨率、高精度的勘探需求，震源從最初的頻帶較窄、能量范圍有限、發(fā)展成現(xiàn)在頻帶較寬、自動、環(huán)保、能量范圍較大。[1]

本文主要利用incopat專利數據庫，并結合中國專利文摘數據庫（CNABS）、外文數據庫（VEN）進行地震震源技術相關專利的檢索，選用的主要關鍵詞有ecicenter、focus、hypocenter、source等，結合IPC分類號G01V1/02（產生地震能）及其下位組，檢索截至時間為2020年7月3日，對檢索結果進行篩選和去重后得到地震震源的全球專利申請總量為2 315件，并以此作為本文研究對象。

2 專利申請狀況分析

2.1 全球專利申請量分析

圖1示出了地震震源技術的全球專利申請量年代分布圖。從中可以看出自20世紀50年代開始，以1965年、1990年、2012年為界限可以劃分為四個發(fā)展階段。

第一階段為技術萌芽期（1943—1965年）：整個地震勘探領域屬于起步階段。由于地震震源技術剛被提出，需要克服諸多技術障礙，其專利申請量比較少，申請量呈現(xiàn)緩慢增長的形式，屬于技術的萌芽期。該階段地震震源頻帶較窄、能量范圍有限、類型單一。

第二階段為快速發(fā)展階段（1965—1990年）：地震震源技術初步成熟，專利申請量持續(xù)增長，呈現(xiàn)前所未有的快速增長。該階段地震儀器實現(xiàn)了數字化，更重要的是三維地震勘探、高分辨率地震勘探的出現(xiàn)，地震勘探領域擴大到山地、戈壁、沙漠、灘海及海上，一大批高性能技術指標的震源也應運而生，地震震源頻帶、種類、能量范圍均得到較大改進，更加適用于地震勘探的技術需求。

第三階段為平穩(wěn)發(fā)展階段（1990—2012年）：隨著三維地震勘探、高分辨率地震勘探的推廣，震源向更加環(huán)保、自動化方向發(fā)展。但是受限于全球經濟低迷、油氣勘探難度加大的時代背景，震源技術遇到了短暫的瓶頸期，關鍵技術攻克困難。由于相關技術已趨近成熟，改進難度，技術創(chuàng)新難度較大，若想提出更好的專利技術，需要提供非常有競爭性的創(chuàng)造，因此相關專利申請量有所下降。

第四階段為高速發(fā)展階段（2012年至今）：隨著傳感器技術、電子技術、計算機技術、數據傳輸技術等技術的發(fā)展，這個階段出現(xiàn)了性能更高的震源。更多的企業(yè)以及高校投入到該領域的研發(fā)中，各研發(fā)主體形成了有效的競爭，出現(xiàn)了大量針對地震震源技術進行改進的專利，震源的型號和品種越來越豐富，性能也越來越穩(wěn)定。本階段專利申請量從2012年起急劇上升，在2015年達到頂峰時期。

圖2（a）、圖2（b）為地震震源技術相關專利的全球申請量趨勢情況。1990年以前蘇聯(lián)、美國占據了地震震源技術的絕大多數申請量。美國地震震源技術起步最早，且一直保持穩(wěn)定發(fā)展，蘇聯(lián)在1975至1990年前后，申請量比例最大，成為龍頭老大。1990年之后，隨著蘇聯(lián)的解體，蘇聯(lián)申請量逐漸消失。地震震源技術國外專利申請量在2015年達到頂峰時期，2015年以后地震震源技術專利申請量下降，這可能與美國頁巖氣大規(guī)模開采，油氣產量大幅提高，油氣需求不振，油氣供應過剩，以及世界經濟復蘇乏力和經濟增速放緩有關，同時，國外石油勘探技術已相對成熟，科研投入也開始減少。因此，國外技術發(fā)展較早，各項技術發(fā)展已相對成熟。

與國外相比，國內地震震源技術專利申請在平穩(wěn)發(fā)展階段的申請量極少，與國外存在較大差距，直到20世紀80年代，國內地震震源技術才開始起步，說明我國早期石油勘探技術行業(yè)相對落后，地震采集技術市場需求較小。我國相關行業(yè)的跟蹤研發(fā)也沒能跟上世界地震勘探技術的發(fā)展步伐，大量設備依靠進口，沒有保障得力的研發(fā)團隊，對地震勘探技術的重視程度和研發(fā)力度與國外同行差距甚大。但隨著國內對油氣勘探的重視程度提高，國內石油工業(yè)的發(fā)展，國內申請變得活躍，在平穩(wěn)發(fā)展階段國內地震震源技術專利申請量也于2000年左右開始快速、穩(wěn)步增長，作為后起之秀的典型代表，直至2015年左右，中國已經成為地震震源技術的中流砥柱，申請量甚至超過國外來華，目前保持強勢上升態(tài)勢。因此，與國外有所不同，我國的地震震源技術發(fā)展相對于國外雖然有一定滯后性，但是技術成熟速度較快、發(fā)展迅猛。2015年以后進入高速發(fā)展階段。全球來看，國內地震震源技術專利申請量依然保持較高占比，我國的地震勘探技術發(fā)展姿態(tài)強、勢頭足，體現(xiàn)了國內地震勘探對地震震源技術研發(fā)、專利保護的重視以及中國的該技術在世界舞臺上舉足輕重的地位。但是必須注意，隨著中國國內技術的快速發(fā)展，接近國外的技術水平將面臨激烈的競爭。2019以后年的申請量下降趨勢非常明顯，這主要是因為部分專利申請尚未公開。

圖3和圖4顯示了全球內地震震源技術相關專利申請分布情況。地震震源技術的主要專利申請較為集中，主要集中在中國、蘇聯(lián)、美國、俄羅斯、WIPO，中國是專利申請最多的目標國，占全球申請量的27.83%;其次是蘇聯(lián)，占全球申請量的18.57%;再次是美國，占全球申請量的18.13%，隨后是各國向俄羅斯、WIPO提出的PCT申請，分別占全球申請量的9.04%、5.37%。說明國外企業(yè)對知識產權制度的了解和應用相當熟練，知識產權保護意識較強。從圖5中可以看出，地震震源技術在華申請來源主要是國內，占比91.27%，占據了國內絕對的申請量。說明國外申請人還沒有將國內申請人視為重要的競爭對手，這也為我國申請人加快地震震源技術研發(fā)，進行較為全面的專利布局留下了一定的時間和空間。

2.2 全球主要申請人分析

為了研究地震震源專利技術主要申請人情況，以數據庫中的申請人和公司代碼信息為基礎進行加工整理，進而統(tǒng)計出主要申請人排名、在華申請主要申請人類型構成等角度進行統(tǒng)計分析。

圖6顯示了全球地震震源技術專利申請量比較靠前的申請人，其中在計算排名時，將申請人為某公司的子公司的專利申請歸并入該公司名下?？梢钥闯?，地震震源技術專利申請人主要來自中國、美國和蘇聯(lián)，而排名靠前的申請人包括中國的中石油、蘇聯(lián)的SPETSIALNOE、美國的斯倫貝謝公司、PGS公司等公司，均為世界石油巨頭企業(yè)。排名靠前的申請人中，中石油以輕微優(yōu)勢領先于SPETSIALNOE，一部分原因得益于中石油并購了美國輸入輸出公司。其中，美國申請人較多，占據了較大優(yōu)勢，尤其是美國的斯倫貝謝公司，申請量尤為突出。

圖7顯示了在華申請主要申請人類型構成，其中主要申請還是集中在企業(yè)、大專院校，占比分別高達56.67%、24.07%，可以看出，受限于技術研發(fā)所需硬件條件、物力、財力支持，國內地震震源技術專利申請主要集中在企業(yè)、大專院校。

2.3 全球專利質量分析

圖8（a）、8（b）顯示了全球范圍內地震震源技術專利價值度排名靠前的申請人。從圖8（a）、8（b）可以看出，專利價值度相對較高的幾乎全為國外大型油服公司，分別為美國的埃克森美孚、斯倫貝謝公司、PGS公司。還有蘇聯(lián)的SPETSIALNOE公司，尤其是美國的埃克森美孚公司，專利價值度遠遠領先于其他石油公司。?？松梨谧鳛槿蜉^大的油田服務公司，占據著世界較大的市場份額，在中國各領域均有大量申請，并保持較大優(yōu)勢。而國內排名靠前的僅有中石油、吉林大學等，申請質量與國外公司相比存在較大的差距。我國石油企業(yè)應密切關注國外這幾家龍頭企業(yè)的專利布局和研究發(fā)展情況，其中重點關注?？松梨诘难芯縿酉颍皶r調整發(fā)展策略，以跟隨發(fā)展并規(guī)避不必要的技術風險和專利風險。

圖9顯示了國內地震震源技術專利申請類型情況，發(fā)明專利申請、實用新型分別占比48.47%和47.45%，發(fā)明、實用新型二者占比均等，這表明國內研發(fā)水平較低，我國企業(yè)還不善于利用發(fā)明這種專利形式保護研發(fā)成果，不注重長期保護，還停留在以量取勝的初級階段，我國還沒有掌握地震勘探的核心技術。

圖10（a）、10（b）為中國專利有效性分布圖。圖10（a）顯示，40.61%的專利處于有效狀態(tài)，失效占比44.83%，14.56%還在審中，其中，授權40.61%，撤回和駁回的占比分別為3.49%和5.82%，可以看出授權發(fā)明專利比例遠高于駁回/撤回專利比例，說明該技術在國內還在持續(xù)發(fā)展中，處于不斷創(chuàng)新和改進的階段;而14.58%的專利處于公布狀態(tài)和審查狀態(tài)，申請日集中在2016至2020年，無法明確其專利質量情況。

針對被引證次數高的核心專利進行排序發(fā)現(xiàn)，排名靠前的核心專利申請人幾乎均為國外石油巨頭公司，且?guī)缀蹙鶠槊绹?，無國內申請人。一方面由于國內專利事業(yè)起步較晚，缺乏早期申請;另一方面也從側面上反應了地震震源核心技術掌握在國外申請人手中。在核心專利的主要申請人方面，美國Tomoseis、標準石油公司等企業(yè)在技術研發(fā)上處于明顯的領先地位，這也從側面反映了美國在地震震源技術領域的領先地位。

3 專利技術分析

地震震源包括爆炸震源和非爆炸震源兩種，而非爆炸震源又可分為振動型（可控震源）、機械型（例如重錘、氣錘），還有應用于海上的氣槍震源、電火花震源。非爆炸震源從最初的落錘式震源發(fā)展到今天的可控震源，已成為較完善的機電一體化設備。

下面針對四大類地震震源類型，按照時間順序簡單闡述國內外重點公司在我國申請的典型專利。

3.1 爆炸震源

在國內傳統(tǒng)的爆炸震源一直是震源領域的研發(fā)熱點。這類震源突出的優(yōu)點是具有較強的能量，其通常是以炸藥為主，用雷管引爆，產生的激發(fā)波能量強、頻帶寬。

國內外重點公司在我國申請的典型專利有三種。

3.1.1 2001年，施魯姆伯格技術公司的專利申請CN1447923A提出了一種用于地震勘探法的高能量炸藥，通過在地下巖層中爆炸炸藥組合物來產生地震波，其中炸藥組合物包含第一炸藥和可氧化金屬物質，然后用地震檢波器檢測地震波或其反射。同時還公開了包含地震能量源的地球物理測量系統(tǒng)，所述的地震能量源包含第一炸藥和可氧化金屬物質，地震能量源位于地下巖層中，以及適于檢測地震能量源爆炸時所產生的地震波及其反射的大量的地震檢波器。

3.1.2 2015年，中國地質大學（北京）的專利申請CN204649978U提出了一種定向橫波炸藥震源裝置，包括：底盤、上盤、容置部和多個錨桿，其中所述底盤具有多個第一孔洞，所述上盤具有多個第二孔洞，且所述第二孔洞的位置與所述第一孔洞的位置對應，所述上盤具有第一側與相對所述第一側的第二側，所述底盤位于所述上盤的第一側，所述容置部位于所述上盤的第二側，所述多個錨桿貫穿所述第一孔洞與所述第二孔洞，所述錨桿具有圓錐部與圓柱部，所述圓錐部鄰近于所述底盤相對于所述上盤的一側。通過本實用新型，有效地解決了定向橫波激發(fā)困難的問題。

3.1.3 2016年，中國電建集團的專利申請CN106501847A提出了一種工程地震勘探聚能震源彈，包括殼體，殼體上下兩端分別安裝有頂板和底板，殼體內安裝有聚能室，聚能室底端與底板頂端面和殼體內壁相抵，聚能室內充填有泡沫，鋁板上方至頂板之間形成的炸藥腔內填充滿炸藥，殼體內設置兩根計時線，計時線底端與鋁板相連，計時線頂端從頂板邊緣伸出，頂板中部設有下沉的引爆孔，引爆孔內插裝有雷管。采用聚能室設計，由于聚能方向指向地下，無渣石散布，能效高，激發(fā)的地震信號頻率特性好，聲波干擾小，使用效率高，激震效果好，使用成本低。如圖11為其結構示意圖。

國內外重點公司在我國申請的典型專利有三種。

3.4.1 1996年，輸入/輸出公司的專利申請CN1179831A提出了一種套筒空氣槍（10），用來將壓縮空氣釋放進水中。該空氣槍管套（12）具有一個用端帽（20）封閉的氣室（16）。這端帽是用定位器（22）連接在該空氣槍管套上，這定位器的重量很輕而且能加快端帽和管套的連接和拆卸。定位器可以是一個連接端帽和管套的重量很輕的環(huán)。該定位器能獨特地把較大直徑的空氣槍連接起來而無需過分的增加空氣槍的重量。該較大直徑的空氣槍可加快壓縮空氣從空氣槍的排放，這可把在水中產生的聲脈沖增大到最大值。[4]

3.4.2 2010年，中石油的專利申請CN101825718 A提出了一種氣槍震源，應用于石油地震勘探地震震源。梭閥腔體的左端連接有激發(fā)室，梭閥腔體的右端連接有主氣室，在梭閥腔體與主氣室之間有環(huán)形金屬密封圈。梭閥腔體的右端有圓柱形腔室，梭閥腔體中心孔聯(lián)通激發(fā)室內腔，梭閥腔體的中間外壁為球面形，在梭閥腔體球面形外壁上均勻分布有徑向通孔，梭閥腔體的腔室與外界聯(lián)通。激發(fā)室外形為圓柱體和圓錐體組合形狀，激發(fā)室內部有圓柱體形和圓錐體形組成的內腔，在激發(fā)室的左端部有進氣孔。主氣室外形為圓柱體和圓錐體組合形狀，主氣室內部有圓柱體形和圓錐體形組成的內室。效果是：本發(fā)明氣槍震源的主脈沖振幅和氣泡比均有所提高，改善了氣槍子波特性，同時，還利于氣槍的拖曳。

3.4.3 2018年，國家海洋局的專利申請CN208921871U提出了一種變頻式海洋高壓空氣槍震源。其包括氣槍控制器、儲氣室、固定桿、套筒、初始限位機構和封蓋等組件，且在固定桿上設置可調節(jié)的限位塊。在激發(fā)過程中，通過限位塊和套筒限位端之間限位，控制儲氣室出氣孔的長度，通過調節(jié)開口長度，即可調節(jié)出氣速度，實現(xiàn)對激發(fā)子波頻率的控制。

在獲得的可控震源的115篇檢索結果中，中石油自2006年以來提交了45件專利申請，且技術涉及槍桿、震源船的設計、激發(fā)方法、相關配件等諸多方面，其中震源船的專利有18篇，中石油已經致力于海上氣槍震源的專利布局，重視氣槍震源，尤其是震源船的研發(fā)及投入。[5]

總之，在地震震源方面，我國不僅擁有數量較多的專利，即使在與國外企業(yè)相交叉的爆炸震源、可控震源、機械型震源等技術分支，我國企業(yè)這方面的研發(fā)能力也較好。但是我國申請人較為分散，且基本為申請人獨立申請，各主要申請人的合作較為保守，技術轉化過程存在障礙，作為市場主導的中國石油、中國石化等公司應加強與科研機構的聯(lián)合，實現(xiàn)共贏。我國政府、各機關部門應繼續(xù)鼓勵國內企業(yè)等創(chuàng)新主體加大專利申請力度和國內外專利布局，用專利保護其技術和產品，增強創(chuàng)新主體的核心競爭力。

4 結論與建議

4.1 結論

4.4.1 根據全球專利申請量來分析，地震震源技術發(fā)展主要經歷了以下階段：技術萌芽階段（1943—1965年）、快速發(fā)展階段（1965—1990年）、平穩(wěn)發(fā)展階段（1990—2012年）、高速發(fā)展階段（2012年至今）;地震震源技術專利申請量排名靠前的國家/地區(qū)/組織分別是中國、蘇聯(lián)、美國、俄羅斯、WIPO，早期以國外為主，2015年以后中國專利申請量明顯增長，最近幾年超過國外申請量。[6]

4.4.2 根據專利申請人來分析，就國外申請而言，申請人主要集中在蘇聯(lián)的SPETSIALNOE、美國的斯倫貝謝公司、PGS公司等公司，均為世界石油巨頭企業(yè)。就國內申請而言，申請人主要為石油高校/科研機構石油巨頭中石油、吉林大學等。

4.4.3 根據專利價值度分析，專利價值度相對較高的申請人幾乎全為國外大型油服公司，尤其是美國的?？松梨诠?，專利價值遠遠領先于其他申請人;而國內排名靠前的僅有中石油、吉林大學，申請質量與國外公司相比存在較大的差距。

4.4.4 在地震震源方面，我國擁有數量較多的專利，研發(fā)能力也較好，但我國申請人較為分散，技術轉化過程存在障礙，作為市場主導的中國石油、中國石化等公司應加強與科研機構的聯(lián)合，實現(xiàn)共贏。

4.2 建議

國內關于地震震源技術的專利申請量已經逐步超過國外，但是在質量上還與國外存在差距，企業(yè)和高校需要提升研發(fā)實力，提高知識產權保護意識。我國政府、各機關部門應繼續(xù)鼓勵國內企業(yè)等創(chuàng)新主體加大專利申請力度和國內外專利布局，用專利保護其技術和產品，增強創(chuàng)新主體的核心競爭力。

參考文獻：

[1] 馬天旗.專利分析方法、圖表解讀與情報挖掘[M].北京：知識產權出版社，2015.

[2] 楊鐵軍.專利分析實務手冊[M].北京：知識產權出版社，2015.

[3] 陸基孟.地震勘探原理[M].山東東營：石油大學出版社，2006：106-117.

[4] 董敏煜.地震勘探[M].山東東營：石油大學出版社，2000：28-32.

[5] 陳浩林，全海燕，於國平，等.氣槍震源理論與技術綜述（上）[J].物探裝備，2008，18（4）：211-217.

[6] 尹昌蘭.震源綜述[J].中國煤田地質，1989，1（1）：79-84.