水平井入流智能控制工具技術(shù)專利信息分析

蘭起超，莊 園

（1.國家知識產(chǎn)權(quán)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(duì)，黑龍江 大慶 163000）

水平井是開發(fā)油氣藏的一種重要技術(shù)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(jìn)或錐進(jìn)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(shù)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(yīng)性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已發(fā)展為目前控水領(lǐng)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(shù)研發(fā)脈絡(luò)及重要公司的專利布局，旨在為本領(lǐng)域的技術(shù)人員對技術(shù)的研發(fā)和知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)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(gè)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(shè)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(guān)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(guān)專利申請數(shù)量達(dá)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(shí)期，之后為技術(shù)成形及迅速發(fā)展時(shí)期，因此，將1990—2000年期間的專利申請以10年為統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)，將2001—2017年以每年為統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)，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(jià)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(jià)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(jià)上漲、行業(yè)復(fù)蘇，再加上技術(shù)上水平井的大規(guī)模普及，大部分油田開始進(jìn)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(jìn)入高速增長時(shí)期，而2015年受油價(jià)下跌的影響及技術(shù)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(shù)、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(dá)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(shù)公司較多，技術(shù)發(fā)展較早，重視專利技術(shù)的研發(fā)、保護(hù)及運(yùn)用。我國占比排名第二，達(dá)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(shù)專利已進(jìn)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——?dú)づ剖停沟脙蓢急?%，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(jì)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(shù)領(lǐng)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(dú)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(guān)專利。這反映出，水平井入流控制工具的核心技術(shù)已被國外的大石油公司壟斷，我國對相關(guān)技術(shù)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(diǎn)看發(fā)展脈絡(luò)

水平井入流控制工具控水（或氣）的機(jī)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(shí)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(jì)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(yīng)用于Troll油田水平井中，達(dá)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(gè)管束式流入控制器（US5435393A）。自此以后，水平井入流控制技術(shù)及配套工具得到不斷的發(fā)展和完善，并根據(jù)流體力學(xué)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(shí)間路線，還原技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，如圖4所示。

圖4 主要技術(shù)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(diǎn)及技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)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(lǐng)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。基于上述機(jī)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(yīng)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(lǐng)域應(yīng)用的絕大部分。雖然國內(nèi)已有一部分科研機(jī)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(xué)有一件專利申請（CN104389553A）獲得授權(quán)外，其他專利還較少得到授權(quán)。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(gè)開創(chuàng)性的專利，但由于缺乏專利布局，均有相關(guān)的公司在其專利的基礎(chǔ)上發(fā)展了各自的技術(shù)，大大影響了其專利的價(jià)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(jī)理推動設(shè)計(jì)。通過本文第2部分的發(fā)展脈絡(luò)可知，技術(shù)的革命性創(chuàng)新基本上來自于原理的創(chuàng)新，而核心的設(shè)計(jì)或?qū)＠蓟谧畛跆岢龅脑順?gòu)思。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在創(chuàng)新時(shí)應(yīng)更多地從原理上出發(fā)，以機(jī)理啟發(fā)技術(shù)手段，以技術(shù)手段優(yōu)化設(shè)計(jì)，這可以從根本上解決本領(lǐng)域的尷尬現(xiàn)狀——國外大公司對某些核心技術(shù)“只租不賣”的壟斷。

專利轉(zhuǎn)化產(chǎn)權(quán)，布局提升競爭力。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為專利產(chǎn)權(quán)后，能夠更好地保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)，而好的專利布局可最大限度地保護(hù)企業(yè)的核心價(jià)值，提升企業(yè)的競爭力。

注重特殊人才培養(yǎng)，完善科研團(tuán)隊(duì)。本領(lǐng)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(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)在注重研發(fā)的基礎(chǔ)上，相應(yīng)地注重專利技術(shù)分析，注重吸納和培養(yǎng)專利挖掘、確權(quán)撰寫和保護(hù)的人才，為技術(shù)創(chuàng)新安上知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)網(wǎng)。

［1］陳偉，馮小紅，張雪梅，等.水平井平衡采油工藝技術(shù)［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(xué)院學(xué)報(bào)，2012（03）：80-85.

［3］張寶文，張運(yùn)東，李春新.加強(qiáng)知識產(chǎn)權(quán)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(yīng)用［J］.現(xiàn)代情報(bào)，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(xué)，2017.