控制井壁穩定的鉆井液技術專利跟蹤與分析

趙汩凡，邸偉娜，李婧，石秉忠，王敏生

（中國石化石油工程技術研究院，北京100101）

控制井壁穩定的鉆井液技術專利跟蹤與分析

趙汩凡，邸偉娜，李婧，石秉忠，王敏生

（中國石化石油工程技術研究院，北京100101）

調節鉆井液性能是解決井壁穩定這一工程性難題的重要手段之一。通過對該領域的專利檢索和深入分析，揭示了水化膨脹抑制劑、封堵裂縫處理劑、特種功能組分和多組分協同作用為該領域的主要發展重點，為開發鉆井液新技術提供新的思路和方法，對規避研發風險，提高技術起點有重要意義。

鉆井液；井壁穩定；專利分析

在石油鉆井中，井壁穩定問題是世界范圍內普遍存在的問題。鉆井過程會破壞原有地層壓力平衡，鉆井液與地層發生物理化學作用，導致地層特性改變，可能會引起井壁失穩問題［1，2］。解決井壁失穩問題的主要途徑是調節鉆井液性能，需要在鉆井液中加入控制井壁穩定的處理劑，主要有防塌劑、頁巖抑制劑（抑制水化、膨脹）、封堵劑、降濾失劑等［3-5］。經過多年發展，國內外各大石油公司、技術服務公司在控制井壁穩定領域申請了大量的鉆井液相關技術專利，形成了各自的核心技術及其相應的專利布局［6］。涉及到控制井壁穩定鉆井液技術領域，國外各大石油公司、技術服務公司通過合理的專利戰略已經將重要技術全方位保護起來。跟蹤新技術發展在企業創新過程中尤為重要，而專利是首選的新技術情報來源。通過專利分析，能夠了解和掌握當今鉆井液技術前沿及發展趨勢，可以從專利文獻的技術內容出發，在前人基礎上再創新，開拓新思路，避免重復研究［7-10］。

國內在控制井壁穩定的鉆井液技術領域目前尚處在跟蹤模仿和全力趕超階段，需要強化控制井壁穩定鉆井液相關技術的技術攻關。在研究開發時，需要對競爭對手在該領域的知識產權狀況有所了解，同時通過深度專利分析，能夠縮短研發周期、提升技術起點、防范專利風險。本文在分析研究整體發展趨勢的基礎上［11］，重點針對領域內核心專利和前沿專利進行深入分析，為技術研發提供有益參考。

1　專利檢索

以湯森路透公司的德溫特專利數據庫為數據源，通過歸納分析控制井壁穩定的鉆井液領域的主要工程實際需求和相關的基礎技術問題，并參考大量文獻以及相關鉆井液技術手冊，確定了主要專利檢索范圍，具體（見表1）。截止到2013年5月31日，在德溫特專利數據庫共檢索到5 243件專利，結合聚類分析和引證分析，最后經專家篩選，篩選出75條核心專利和46條前沿專利（均為專利族的個數）作為重點分析數據。

表1　主要專利檢索范圍Tab.1 Main field of patent search

2　控制井壁穩定鉆井液核心專利技術

2.1技術分布

控制井壁穩定的鉆井液技術領域核心專利，按照其技術側重點不同，可歸納為下列幾類：

（1）鉆井液體系類（15個專利族）：包括水基鉆井液、油基鉆井液、逆乳液鉆井液等。

（2）流程方法類（6個專利族）：包括鉆井液控制方法等。

（3）封堵裂縫類（4個專利族）：包括顆粒封堵、膜封堵等。

（4）水化膨脹抑制類（36個專利族）：包括聚胺類、聚醇醚類等各種抑制劑。

（5）多組分協同作用類（6個專利族）：包括抑制劑等多種處理劑的復合使用等。

（6）特殊組分類（8個專利族）：包括天然化合物、納米材料、包覆劑等。

2.2技術發展態勢

鉆井液技術的發展都是圍繞實際工程需求開展的，是為了解決現場的具體施工問題，呈現出明顯的階段性特征。早期鉆井過程中，遇到的井壁穩定問題不是很嚴重，銨鹽、鉀鹽類抑制劑的專利申請居多，能夠有效抑制頁巖水化膨脹。隨著特殊工藝井的不斷出現，對井壁穩定性的要求不斷提高，聚胺類抑制劑等強抑制性的處理劑的專利申請居多。另一方面，除了抑制劑，研發人員還通過降濾失、降低固相含量等方法提高井壁穩定性，申請了大量專利。隨著非常規油氣開發的推進，對鉆井液的要求越來越高，多組分協同作用處理劑的專利申請明顯增多。

具體分析數據發現，1998年之前的專利共26件，1998年之后的專利共49件。隨著各種特殊工藝井的不斷增多，對于高性能鉆井液需求愈加迫切，各家公司在1998年之后申請的相關專利數量明顯增加，特別是2000年之后，專利申請增速變快。

3　控制井壁穩定鉆井液前沿專利技術

3.1前沿技術分布

前沿技術專利申請數量較多，但是專利權人分布非常分散，專利多是小公司或者大學等研究機構申請居多，均尚未形成專利組合。國內申請量有了顯著提高，專利數量達到25件，且專利內容多涉及最新發展方向。

控制井壁穩定的鉆井液技術領域前沿專利，按照其技術側重點不同，可歸納為下列幾個方向：

（1）聚胺類抑制劑方向：具體涉及新型胺類化合物等用于抑制頁巖水化等。

（2）降濾失劑方向：具體涉及多種纖維與架橋劑等用于堵漏降濾失。

（3）納米材料處理劑方向：具體涉及納米粒子、石墨烯、碳納米管用作處理劑提高鉆井液井壁穩定性。

（4）環境友好型鉆井液方向：具體涉及糖漿、交聯多糖等用作鉆井液處理劑。

3.2前沿技術分析

3.2.1新型頁巖抑制劑各公司根據現場作業需要，不斷加強自有傳統技術，包括頁巖抑制劑等。除了需要降低成本、提高鉆井液性能外，根據各級政府及環保法規等的要求，不斷提高鉆井液的環境友好性是發展趨勢。例如，巴斯夫（BASF）申請了聚賴氨酸頁巖抑制劑的專利。聚賴氨酸是一種非常環保的天然聚合物，分子上有多個胺基，能夠有效抑制頁巖水化。同時，聚賴氨酸無毒，環境友好性材料。

3.2.2納米處理劑納米材料是指晶粒或顆粒尺寸在1 nm～100 nm范圍內的超細材料。目前，納米材料在石油工程領域，開展了大量相關前瞻研究，但主要涉及設備等領域，而在鉆井液領域應用相對較少。近年，包括斯倫貝謝在內的多家公司相繼開展了納米硅、碳納米管、石墨烯等在鉆進液中的應用研究，并申請了相應專利。目前，普遍應用納米材料的尺寸小這一特點，用于物理封堵地層孔喉或者微裂縫，以提高井壁穩定性。

納米材料相關的控制井壁穩定鉆井液專利共11件，國內國外均有專利申請，從最常見的無機納米材料善氧化硅，到最前沿的石墨烯都被用到鉆井液中，以提高井壁穩定性能。其中，有國內大學申請的2件專利涉及使用納米材料封堵。其余的9件均是國外公司或者大學申請的。從專利內容來看，國內研究人員和國外研究人員相比，對于納米材料在鉆井液中的應用研究上還存在較大差距。國內還停留在簡單地將某一種納米材料，例如方便易得的善氧化硅加入到常規鉆井液體系中，在井壁上形成一層納米膜，顯著降低濾失，提高井壁穩定性。對于作用機理等研究不足，納米材料的普查和篩選基本沒有開展，專利的權利要求面較窄，不利于未來技術的保護和發展。與之相對應的，國外研究人員非常重視納米材料，除了大學內的研究人員，技術服務公司M-I SWACO的研究人員也很重視，并申請了有關石墨烯在鉆井液中的應用的專利。更為重要的是，國外研究人員對于納米材料的應用有較深入的認識，通過包覆、多組分協同作用等手段嘗試解決納米材料的分散問題，同時普查了幾乎現階段能夠獲得的全部納米材料，且全部記入權利要求中，很好地保護了技術的未來應用。

4　結論與建議

（1）水化膨脹抑制劑、封堵裂縫處理劑、特種功能組分和多組分協同作用為控制井壁穩定鉆井液領域的重點發展的技術。聚胺類頁巖抑制劑、納米處理劑、環境友好型鉆井液等是控制井壁穩定鉆井液領域的技術主要發展方向。

（2）關注國外公司研發前沿，開發具有自主知識產權的新技術。跟蹤國外石油公司、技術服務公司的最新研發動向，深入分析其技術特征，借鑒并吸收相關解決井壁穩定問題的方法或思路，有利于把握技術發展方向及趨勢。納米材料在鉆井液中的應用是近5年內剛剛出現的新技術，應提出我們自己的研發方向，大力開展納米材料在控制井壁穩定的鉆井液中的應用，在無機納米材料之外，還應重點關注聚合物等合成納米材料，并及時形成自己的知識產權，搶占技術制高點。

（3）國內企業應加大自有特色技術的專利申請力度，盡快形成相應的專利保護網。以胺類頁巖抑制劑為例，除了要重點保護體系和核心處理劑之外，應進一步擴展范圍，針對相關流程、設備申請專利保護，以形成嚴密的專利保護圈。國外公司專利分布也有相對薄弱的領域，結合國內技術現狀，應開發自有特色技術。以頁巖抑制性油基鉆井液為例，可通過研發適合國內鉆井作業的乳化劑等處理劑，在提高油基鉆井液的封堵性能、環保性能等方向開發自有技術。

［1］石油鉆井有限公司鉆井液分公司編.鉆井液技術手冊［M］.北京：石油工業出版社，2005.

［2］Kang Y，Yu M，Miska S，et al.Wellbore stability a critical review and introduction to DEM［C］.SPE 1242669.SPE Annual Technical Conference and Exhibition，4-7 October 2009，Louisiana，USA.

［3］孫金生，張希文，等.鉆井液技術的現狀挑戰需求與發展趨勢［J］.鉆井液與完井液，2011，28（6）：67-76.

［4］王中華.鉆井液性能及井壁穩定問題的幾點認識［J］.斷塊油氣田，2009，16（1）：89-91.

［5］徐同臺.井壁穩定技術研究現狀及發展方向［J］.鉆井液與完井液，1997，14（4）：38-45.

［6］曹勝先，等.我國油田用鉆井液處理劑的技術現狀及專利分析［J］.化學工程師，2012，（2）：52-56.

［7］張寶文，張運東，李春新.加強知識產權開發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.

［8］馮曉青.企業知識產權戰略［M］.北京：知識產權出版社，2005.

［9］趙丑民，康力平，王禹欽，等.構建知識產權發展策略提升企業核心競爭力［J］.石油科技論壇，2011，30（3）：35-40.

［10］Gao L，Porter A，Wang J，et al.Technology life cycle analysis method based on patent documents［J］.Technological Forecasting&Social Change，2013，80：398-407.

［11］趙汩凡，李婧，邸偉娜，石秉忠，葉海超.全球控制井壁穩定的鉆井液技術專利分析［J］.情報探索，2014，（11）：49-52.

Patent analysis of drilling fluid pertaining to wellbore stabilization

ZHAO Gufan，DI Weina，LI Jing，SHI Bingzhong，WANG Minsheng
（Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering，Beijing 100101，China）

One of the most useful way to maintain wellbore stability，which is a spotlight in drilling activities，is to control the drilling fluid.Using derwent world patents database，we found that hydration swelling inhibitor，blocking agent，special components and compositional synergy are the developing key points of such area.The intelligence obtained from patent analysis could provide new ideas for the development of drilling fluid and help avoiding the developing risk.

drilling fluid；wellbore stability；patent analysis

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.02.002

TE254

A

1673-5285（2015）02-0005-03

2014－12-09

中國石化科技部項目“控制井壁穩定的鉆井液專利分析與發展建議”，項目編號：YK513033。

趙汩凡（1980-），工程師，博士，現在從事石油工程技術相關學科前瞻研究工作，郵箱：zhaogf.sripe@sinopec.com。