地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)專利分析

尹浚羽

摘 要：地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是鉆井領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向，也是中國(guó)油服行業(yè)進(jìn)軍一流油服企業(yè)的必經(jīng)之路；文章以地質(zhì)導(dǎo)向鉆井專利分析為視角，從地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的演進(jìn)、專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)，重要申請(qǐng)人和重點(diǎn)專利分析等方面入手進(jìn)行詳細(xì)的介紹，并對(duì)比分析中國(guó)與國(guó)外油服巨頭的短板。在梳理地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)發(fā)展演進(jìn)和脈絡(luò)的基礎(chǔ)上，挖掘地質(zhì)導(dǎo)向領(lǐng)域各分支的關(guān)鍵技術(shù)與關(guān)鍵技術(shù)的核心專利，以供相關(guān)研究人員作為參考。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)導(dǎo)向；專利分析；聲波；電磁；電阻率；地震

中圖分類號(hào)：TE242.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）19-0019-04

Abstract： Geological steering drilling technology is not only the key development direction in the field of drilling， but also the only way for China's oil clothing industry to enter the first-class oil service enterprises. From the perspective of patent analysis of geological steering drilling， this paper focuses on the analysis of the evolution of geological steering drilling technology， patent application situation， important applicants and key patent analysis and other aspects of a detailed introduction， and a comparative analysis of the shortcomings of Chinese and foreign oil service giants. On the basis of combing the development and evolution of geological steering drilling technology， the core patents of key technologies and key technologies in each branch of geological steering field are excavated for reference by relevant researchers.

Keywords： geological guidance； patent analysis； acoustic wave； electromagnetism； resistivity； earthquake

1 概述

應(yīng)石油勘探開發(fā)的需要，以適應(yīng)更深地層的超深井、海上油田的大位移井、從式井、分支井，以揭露最大泄油面積為目的的類似貪吃蛇的地質(zhì)導(dǎo)向井蓬勃發(fā)展，導(dǎo)向鉆井從預(yù)防井斜到利用井斜、創(chuàng)造更多更加復(fù)雜的井斜方向發(fā)展，從幾何導(dǎo)向到根據(jù)實(shí)際地層的地質(zhì)導(dǎo)向方向發(fā)展，其正朝著更深、更遠(yuǎn)、更加自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展，其屬于國(guó)際石油工業(yè)的前沿與關(guān)鍵性技術(shù)，是整個(gè)油服產(chǎn)業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

地質(zhì)導(dǎo)向是在幾何導(dǎo)向的基礎(chǔ)上通過隨鉆測(cè)量地層屬性或者周圍井眼特征從而及時(shí)調(diào)整鉆頭往最優(yōu)的區(qū)域或者避開障礙的一種導(dǎo)向鉆井技術(shù)，按照測(cè)量技術(shù)的不同可以分為聲波導(dǎo)向（圖1（a））、電阻率導(dǎo)向（圖1（b））、電磁測(cè)距導(dǎo)向（圖1（c））和隨鉆地震導(dǎo)向（圖1（d））等。

2 專利技術(shù)分析

2.1 地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)專利申請(qǐng)整體分析

從圖2中可以看出在地質(zhì)導(dǎo)向鉆井領(lǐng)域90年代以前申請(qǐng)量發(fā)展緩慢，但是90年代以后申請(qǐng)逐年增加，到90年代出現(xiàn)了申請(qǐng)高峰，隨后申請(qǐng)量波動(dòng)中上漲；90年代初期出現(xiàn)的申請(qǐng)高峰與當(dāng)時(shí)出現(xiàn)的以北海地區(qū)的海上大位移井試驗(yàn)成功而引發(fā)的導(dǎo)向鉆井研究熱潮密切相關(guān)，90年代后期以及21世紀(jì)初的申請(qǐng)高峰是在各大油服巨頭完成了各自旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)專利部署的背景下為進(jìn)一步鞏固在地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)領(lǐng)域的地位作出的競(jìng)爭(zhēng)性申請(qǐng)，后續(xù)的申請(qǐng)則較為側(cè)重對(duì)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井測(cè)量精度、算法改進(jìn)等相關(guān)方面的申請(qǐng)。

地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的申請(qǐng)量集中在隨鉆電磁測(cè)距領(lǐng)域，其次是隨鉆電阻率，再次是隨鉆聲波和隨鉆地震。

從圖4中可以看出主要申請(qǐng)人集中在美國(guó)，主要還是哈里伯頓、斯倫貝謝、貝克休斯等傳統(tǒng)油服巨頭以及工程鉆井領(lǐng)域的默林科技。中國(guó)三桶油的申請(qǐng)量較為欠缺。

2.2 地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)分支統(tǒng)計(jì)分析

從圖5可以看出，美國(guó)在各個(gè)技術(shù)分支都遙遙領(lǐng)先，其中，在電磁測(cè)距領(lǐng)域最為突出；歐洲和中國(guó)申請(qǐng)量不多，歐洲主要集中在隨鉆電阻率和隨鉆地震方面，中國(guó)的申請(qǐng)各分支與美國(guó)相似，但是申請(qǐng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。

2.3 地質(zhì)導(dǎo)向鉆井各分支技術(shù)演進(jìn)

2.3.1 聲波導(dǎo)向

1993年，WO95/14845A1專利申請(qǐng)中，通過聲波測(cè)量裝置主動(dòng)發(fā)聲并接受回聲探測(cè)地層邊界，利用探測(cè)到的地層邊界實(shí)時(shí)導(dǎo)向鉆進(jìn)。1995年，哈里伯頓在US5678643 A中，在鉆柱上布置多個(gè)聲波接受器，增強(qiáng)地層邊界探測(cè)的精度，從而更好地實(shí)時(shí)導(dǎo)向鉆進(jìn)。維米爾公司在CN1209184 A中提出了工程鉆井上的導(dǎo)向定位裝置，鉆頭附近的管柱上設(shè)置超聲波發(fā)生器和接收器，超聲波發(fā)聲器發(fā)出超聲波，地面移動(dòng)裝置檢測(cè)到該超聲波并確定鉆頭位置，從而進(jìn)行相應(yīng)的方位調(diào)整以適應(yīng)預(yù)想的導(dǎo)向方向，到2009年，哈里伯頓提出的WO2009/073008 A1專利申請(qǐng)公開文件可用于諸如從式井等井眼密集的地方的防碰鉆井，在臨井設(shè)置聲波接收器，在鉆頭處設(shè)置聲波發(fā)聲器，鉆進(jìn)的同時(shí)發(fā)出聲波，臨井聲波接收器接收聲波信號(hào)從而定位鉆頭位置，從而對(duì)鉆頭進(jìn)行導(dǎo)向防止其碰撞臨井。2010年，在專利申請(qǐng)WO2011/080640 A2中提出了在鉆柱周向上分區(qū)布置聲波發(fā)射器和接收器，并與鉆柱方向形成一定角度，能針對(duì)鉆頭前方的地層進(jìn)行探測(cè)，并且分區(qū)設(shè)置能夠在周向上由探測(cè)細(xì)化，更加精確，從而使得聲波導(dǎo)向也更加準(zhǔn)確。2012年，沙特阿拉伯國(guó)家石油公司在專利WO20130/74745 A2中提出在鉆頭破碎巖石時(shí)，由于巖性的不同發(fā)出的聲波也不同，根據(jù)聲波的不同便可確定鉆頭在哪一中巖石中鉆進(jìn)，當(dāng)鉆頭鉆出特定層時(shí)，所產(chǎn)生的聲波會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)，變換鉆進(jìn)路徑重新鉆回該特定層，從而實(shí)現(xiàn)鉆頭導(dǎo)向。

2.3.2 電阻率導(dǎo)向

貝克休斯于1991年在US5230386 A專利中通過鉆測(cè)所選地層水平方向的電阻率，并對(duì)該選定地層水平方向電阻率進(jìn)行建模，并測(cè)定地層邊界，通過模型和所測(cè)地層邊界引導(dǎo)鉆頭沿著該地層的水平方向進(jìn)行鉆進(jìn)。到1999年，哈里伯頓在EP2108981 A2中，為適應(yīng)地層各向異性造成巖石在水平方向和垂直方向山的電阻率差異，將部分測(cè)量線圈對(duì)鉆柱軸向上成一定角度設(shè)置，從而使得測(cè)量出的電阻率更加準(zhǔn)確，邊界更加清晰，導(dǎo)向更加準(zhǔn)確，該專利也開啟了方向電阻率測(cè)井技術(shù)發(fā)展。2002年，貝克休斯在US2004/0100263A1中，使用多個(gè)多分量電阻率傳感器，用于在隨鉆測(cè)井工具的多個(gè)工具表面角度上得到測(cè)量值。由電阻率傳感器給出的測(cè)量值以工具表面角度關(guān)聯(lián)的函數(shù)得到三維電阻率特性，并聯(lián)合分析在多個(gè)深度上給出的測(cè)量值，改善信噪比，從提高導(dǎo)向精度。在2003年，貝殼休斯在US2004/0046560 A1中，利用四極子實(shí)現(xiàn)鉆頭附近較淺位置的周向方向的方位電阻率的測(cè)量提高附近的分辨率，而普通電阻率測(cè)量進(jìn)行較深位置的電阻率測(cè)量和邊界位置的大體確定，從而利用深淺電阻率測(cè)量實(shí)現(xiàn)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井不同分辨率的需要。2004年，斯倫貝謝在CN1573013 A中，在隨鉆測(cè)量?jī)x器旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電磁率發(fā)射天線發(fā)射能量，并且利用該發(fā)射天線定向測(cè)量該能量相關(guān)的電壓信號(hào)，以判斷電壓信號(hào)電壓信號(hào)隨方位角變化關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)周向上的分區(qū)域的方位電阻率測(cè)量。2005年，斯倫貝謝在US2006/0011385 A1中，對(duì)于探測(cè)深度要求的改進(jìn)，對(duì)于發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離小于儲(chǔ)層厚度的情況，在深測(cè)量方面效果較差，此時(shí)在鉆桿上設(shè)置一個(gè)遙控發(fā)射線圈55，使得接收線圈和發(fā)射線圈之間的距離大于儲(chǔ)層厚度，從而實(shí)現(xiàn)更深的電阻率測(cè)量，實(shí)現(xiàn)更高精度的地質(zhì)導(dǎo)向。2007年，貝殼休斯在US2007/0236222 中，在鉆頭底面設(shè)置電極，該電極相地層中注入電流，電流一部分流入地層，一部分沿著鉆柱回到電源，測(cè)量鉆頭前方的地層對(duì)電流的響應(yīng)。2008年，哈里伯頓在WO2008/008386 A2中，在管柱上設(shè)置可以調(diào)整與鉆柱軸向方向角度的可拆卸線圈，好處是不用在鉆柱上刻槽，便于調(diào)整角度或更換。同年，哈里伯頓在CN102439260 A中，為了盡可能探測(cè)鉆頭前方地層的電阻率特性以提供導(dǎo)向鉆井精度，直接將發(fā)射線圈放置到鉆頭上。2012年，哈里伯頓在CN104285033 A中應(yīng)用了深側(cè)向和前側(cè)向的電阻率測(cè)量的差異，兩個(gè)的差異表示的是鉆頭前方的地層特性，通過測(cè)量該差異或者地層前方的巖性或者地層邊界，從而便于地質(zhì)導(dǎo)向。2013年，哈里伯頓在CN104520734 A中，通過多個(gè)發(fā)射線圈和接收線圈的間隔設(shè)置，通過發(fā)射線圈與接收線圈之間的最小距離到最大距離依次測(cè)量，從而使得探測(cè)深度不一，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)巖層界面的測(cè)量，地質(zhì)建模更加精細(xì)，導(dǎo)向更加準(zhǔn)確。2014年，哈里伯頓在WO2015/0152898 A1中，將線圈與鉆柱之間設(shè)置為可相對(duì)旋轉(zhuǎn)，利用磁定位裝置進(jìn)行線圈與管柱之間的定位，從而實(shí)現(xiàn)線圈的主動(dòng)定向地進(jìn)行方位電阻率測(cè)量，使得地質(zhì)導(dǎo)向地層屬性了解更加主動(dòng)。

2.3.3 電磁測(cè)距導(dǎo)向

1972年，US3828867 A中，井下鉆頭處發(fā)射電磁波，地面不同位置設(shè)置三個(gè)接收裝置，三個(gè)接收裝置根據(jù)接收信號(hào)的時(shí)間計(jì)算出鉆頭位置，從而便于調(diào)整鉆頭方向。1987年，在US4646277 A中，工程鉆井中在鉆頭處安裝電磁信號(hào)源在臨近的一個(gè)坑道里安裝感測(cè)器，用于引導(dǎo)鉆頭前進(jìn)。1997年，默林科技在 US6250402B1專利中，工程鉆機(jī)在地面沿著井眼方向兩邊設(shè)置多個(gè)電磁探測(cè)器，負(fù)責(zé)不同階段的井下工具傳輸上來的電磁定位信號(hào)，并且可通過該定位信號(hào)控制鉆頭繞過障礙物。隨著稠油SAGD開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，雙水平井的開發(fā)迅速興起，但是雙水平井之間需要保持10m左右的距離，針對(duì)雙水平井的電磁導(dǎo)向技術(shù)迅速發(fā)展，1998年，維特磁力（Vector Magnetics）公司在WO98/45733 A1中，鉆出一口水平井后，利用連續(xù)油管推動(dòng)電磁傳感器沿著井眼推動(dòng)，在鉆口井時(shí)鉆頭處設(shè)置電磁計(jì)實(shí)時(shí)探測(cè)兩口井的距離，從而引導(dǎo)鉆頭鉆進(jìn)。2011年，施密特公司，在CN103282601 A中，沿著臨井均勻布置多個(gè)電磁陣列，在所鉆井中通過電磁信號(hào)接收器接收信號(hào)從而完成電磁測(cè)距，引導(dǎo)鉆頭鉆進(jìn)。2012年，哈里伯頓在CN104884736 A中，在臨井中注入交流電，用于SAGD的導(dǎo)向鉆井，沿著臨井設(shè)置電極，電極注入交流電，從而在地層中產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，所鉆井中設(shè)置電磁感應(yīng)裝置，從而測(cè)量它們之間的距離引導(dǎo)鉆頭鉆進(jìn)。2014年，在哈里伯頓WO2016/025230A1對(duì)這種方式的提出了電磁測(cè)距方法，在所鉆井中的旋轉(zhuǎn)管柱上設(shè)置的圓周上設(shè)置兩個(gè)電磁傳感器，兩個(gè)電磁傳感器的連線通過圓心，根據(jù)它們測(cè)量的結(jié)果及其差異以及臨井中心和所鉆井中心連線與兩個(gè)傳感器連線的角度便可獲知電磁測(cè)距。

2.3.4 地震導(dǎo)向

1991年，在US5144591 A中，貝殼休斯通過通過隨鉆地震產(chǎn)生橫波從而根據(jù)橫波在地層中的傳播速度的不同，判斷地層巖性，并且利用首波測(cè)量地層邊界，從而利用其為鉆頭導(dǎo)向。1999年，在US6166994 A中，斯倫貝謝將地震發(fā)生器放置在鉆頭上設(shè)地震發(fā)生器，地震發(fā)生器向地層發(fā)射縱波，遇到地層界面反射回來，從而獲知當(dāng)前鉆頭與邊界之間的距離，便于調(diào)整鉆進(jìn)方向。2011年，斯倫貝謝在CN103946849 A中，面對(duì)復(fù)雜斷裂帶的導(dǎo)向鉆井，利用隨鉆地震測(cè)量井間距和與斷裂帶的間距，并利用其建立復(fù)雜斷裂帶地質(zhì)模型，然后根據(jù)該地質(zhì)模型進(jìn)行導(dǎo)向鉆進(jìn)。2013年，WO2014/0195495A2中，挪威科技大學(xué)，在遠(yuǎn)離井眼的方向設(shè)置地震波發(fā)射器和接收器，從而可以同時(shí)探測(cè)井深結(jié)構(gòu)，臨井結(jié)構(gòu)以及目標(biāo)點(diǎn)的位置，從而實(shí)現(xiàn)如救援井的導(dǎo)向。

2.4 核心專利分析

聲波導(dǎo)向的核心專利是維米爾的CN1209184A，其在工程鉆井的超聲波定位導(dǎo)向有意義，但是將其方法應(yīng)用到石油鉆井中則需要克服一些困難。電阻率導(dǎo)向鉆井的第一核心專利是哈里伯頓的EP2108981 A2，該專利通過偏移軸線設(shè)置線圈，從而實(shí)現(xiàn)地層電阻率各向異性的測(cè)量，為電阻導(dǎo)向鉆井打下了基礎(chǔ)，同時(shí)也開啟了隨鉆方位電阻率測(cè)量的時(shí)代。電磁測(cè)距導(dǎo)向的第一核心專利是Vetor Magnetics公司，該專利成功地實(shí)現(xiàn)了電磁導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn)SAGD雙水平井的精確鉆進(jìn)，其次是哈里伯頓，哈里伯頓的CN104884736A和WO2016025230A1專利申請(qǐng)時(shí)間比較接近現(xiàn)在申請(qǐng)日分別是12年和14年，得出其被引用次數(shù)尚早，但是其同族高達(dá)19，兩篇專利技術(shù)關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)，第一個(gè)是在臨井中注入交流電，用于SAGD的導(dǎo)向鉆井，沿著臨井設(shè)置電極，電極注入交流電，從而在地層中產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，所鉆井中設(shè)置電磁感應(yīng)裝置，從而測(cè)量它們之間的距離引導(dǎo)鉆頭鉆進(jìn)，另一個(gè)是對(duì)該測(cè)量方式的測(cè)距方法的改進(jìn)，在所鉆井中的旋轉(zhuǎn)管柱上設(shè)置的圓周上設(shè)置兩個(gè)電磁傳感器，兩個(gè)電磁傳感器的連線通過圓心，根據(jù)它們測(cè)量的結(jié)果及其差異以及臨井中心和所鉆井中心連線與兩個(gè)傳感器連線的角度便可獲知電磁測(cè)距，因此，可以將它們合為一起，同族19篇也表明了該專利的重要性。

3 結(jié)論

經(jīng)過專利分析發(fā)現(xiàn)，國(guó)際油服巨頭斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克休斯等油服巨頭掌握了大量的地質(zhì)導(dǎo)向鉆井核心專利。我國(guó)在這方面發(fā)展緩慢，近幾年開始發(fā)展，但是從檢索到的專利分析來看，大多偏向于理論以及應(yīng)用和測(cè)試評(píng)價(jià)，原創(chuàng)性較少。國(guó)內(nèi)在導(dǎo)向鉆井技術(shù)的各個(gè)技術(shù)分支均處于不利地位，無核心專利作支持。當(dāng)然從近幾年的檢索中也發(fā)現(xiàn)了中石化和中石油長(zhǎng)城鉆探已經(jīng)開始注重專利的原創(chuàng)性和高技術(shù)含量，并對(duì)某些專利慢慢布局諸如美國(guó)和歐洲，這是可喜的現(xiàn)象，但要在導(dǎo)向鉆井中這個(gè)鉆井核心競(jìng)爭(zhēng)力也是高附加值的領(lǐng)域中能夠爭(zhēng)得一席之地仍然任重道遠(yuǎn)。

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