全球天然氣鉆井巖屑處理技術專利發展分析

郭世月 劉春艷 李靜雯 劉文士 胡金燕

（1.中國石油西南油氣田公司安全環保與技術監督研究院，四川 成都 610041；2.西南石油大學化學化工學院，四川 成都 610500）

0 引言

在國內外環保法規愈加嚴格的今天，降低和減少鉆井巖屑等固體廢物排放量的技術受到油氣業界的重視。鉆井巖屑是石油烴類、膠質、瀝青質、泥沙、無機絮體、有機絮體以及水和其他有機物、無機物牢固黏結在一起的固體廢物，天然氣鉆井過程中必然產生大量巖屑等固體廢物，據統計，常規天然氣開發單井產生水基鉆屑800～1 000 m3，頁巖氣開發另產生油基鉆屑200～300 m3，若將其直接排放會對環境造成很大威脅。分析研究天然氣鉆井巖屑處理技術發展現狀、動向和趨勢，對于制定和布局技術研發和攻關方向、占領技術高地有著重要的意義和價值。其中，專利包含了全球90%以上的技術情報信息［1］，通過專利的統計學分析來研判技術發展現狀和方向是十分重要的手段之一。通過對全球天然氣鉆井巖屑處理專利數據進行定量統計，挖掘該技術發展趨勢、國家競爭態勢、專利權人格局、專利技術布局和熱點研發技術等，可以為我國的天然氣鉆井巖屑處理技術專利布局提供參考。

1 鉆井巖屑處理技術專利數據收集

當前國內外頁巖氣鉆井巖屑處理技術主要包括巖屑回注技術、干化技術、固化技術、生物處理技術、物化分離技術、焚燒技術、高溫裂解技術、資源化利用技術等［2-7］。根據這些相關技術，對專利數據進行檢索并收集整理作為專利技術分析的基礎。①經過文獻調研和專家咨詢，對“天然氣鉆井巖屑處理技術”進行多級別的主題分解。根據主題分解情況分析出中英文檢索關鍵詞，如表1 所示。②根據關鍵詞編制檢索式，在incoPat 專利數據庫中實施檢索。根據檢索結果呈現的數據噪音情況，不斷調整檢索式。得到中文檢索策略，如表2所示，其中#7是將#1～#6的檢索式通過布爾邏輯運算組合得到的最終檢索式。③按照同樣的檢索策略進行英文檢索。將中英文結果合并，共得到鉆井巖屑處理技術4 886件全球專利，共計2 700個專利家族。經過人工判讀去除噪音后，共得到1 556件鉆井巖屑處理技術相關專利家族（以相同優先權專利進行合并）。最后檢索時間為2018年6月8日。

表1 鉆井巖屑處理技術中英文關鍵詞統計表

表2 鉆井巖屑處理技術中文檢索策略表

2 鉆井巖屑處理技術專利分析

2.1 專利申請總體趨勢分析

通過對每年專利申請量的分析可以清晰地展現出天然氣鉆井巖屑處理技術的整體發展脈絡。對檢索出的全球1 556件專利按年度進行專利數量分布統計，圖1為全球和中國鉆井巖屑處理專利年度申請量對比趨勢圖。因專利數據從申請日到公布日之間有18 個月的滯后期，故2017 年及以后的數據僅供參考，不代表此階段發展趨勢。

圖1 全球和中國鉆井巖屑處理專利年度申請量對比趨勢圖

該領域第一項專利技術產生于1932 年，是BPM公司申報的一件英國專利。英國是工業革命的發源地，也是專利制度最初制定的國家，鉆井巖屑處理技術早在87 年前，就在英國得到了保護。而中國在該領域申請的第一件專利是1987 年的“全焊不銹鋼絲泥漿篩網”（專利號：CN87203255.8），該實用新型專利由遼河石油勘探局機修總廠申請。可見，中國專利制度剛實行不久，中國石油企業便有了技術知識產權保護的意識。之后該領域的發展非常緩慢，到1976 年之前每年都只有個位數的申請量，直到2000年年申請數量才突破20件。隨著美國和加拿大的天然氣商業化生產逐漸成熟，產量不斷攀升，鉆井巖屑處理技術也隨之呈現上升趨勢。近年來，中國成為天然氣開采活躍的國家，開采過程中鉆井廢棄物的處理成為亟待解決的問題。2015 年，中國新《環保法》施行，對環境監管力度進一步加強，鉆井巖屑處理技術的專利申報呈爆發式增長。由圖1可看出，受中國申請量增長的影響，全球專利申請量也呈現增長走勢。按照目前趨勢，隨著全球天然氣產業的發展和各國政府對環境保護的嚴格管控，未來一段時間內國際上依然會關注鉆井巖屑處理技術的研發，后續將呈現穩定增長的態勢。

2.2 國家競爭態勢分析

2.2.1 技術來源國

專利技術來源國統計反映各個國家在這一技術領域的研發實力。對檢索出來的1 556件鉆井巖屑處理專利的申請人國別進行統計，排名前10 位的國家如圖2所示。中國是目前鉆井巖屑處理技術專利產出最多的國家，美國緊跟于后，加拿大、俄羅斯和英國的申請量都在100件左右，屬于“第二梯隊”國家。

2.2.2 技術布局區域

圖2 鉆井巖屑處理技術專利來源前10位的國家排名圖

圖3 鉆井巖屑處理專利技術受理前10位國家排名圖

對專利申請地（專利受理局所在國）的專利申請量進行統計可體現技術輸出情況，呈現出市場的搶占和專利布局態勢。不同國別的同族專利可較好反映出專利布局情況。對檢索到的1 556件專利進行同族擴展得到3 230件申請專利，再對其進行申請地統計。圖3 為天然氣鉆井巖屑處理專利技術受理前10位國家。從全球專利布局來看，中國是最熱門市場，其次是美國、世界知識產權組織、加拿大和英國等國家。中國天然氣開發技術的快速發展以及天然氣開發政策及環保政策的指引和導向使得鉆井巖屑處理技術在中國大量布局。世界知識產權組織是全球性的技術產權保護組織，在其申請專利可擴大專利影響和效益，因此有大量申請人選擇向世界知識產權組織遞交專利申請。

2.3 研發機構態勢分析

研發機構擁有的專利數量間接反映該機構在技術領域的創新能力、科研成果和市場競爭力。通過對申請人的專利申請數量進行統計分析深入了解高產研發機構的技術特長，可以發現市場競爭對手，也可以挖掘出潛在的合作伙伴。對全球專利申請人的專利申請數量進行統計排序。圖4顯示的是鉆井巖屑處理技術領域全球排名前10 位的申請人。中國機構占據6席，其中包括中國石油、中國石化、中國海油三大央企，兩大石油類高校以及一家民營企業。

圖4 鉆井巖屑處理技術全球前10位的申請人排名圖

1）近年來，中國石油不斷突破鉆井廢棄物處理技術，加強危險廢棄物管理，在變廢為寶的同時提升生態環境治理能力。圍繞水基和油基鉆井液廢棄物處理技術，先后系統開發了鉆井廢棄物綜合利用處理技術、鉆井液廢棄物處理回用與資源化技術、鉆井固控環保一體化技術、油基鉆井液LRET回用處理技術、含油鉆屑電磁加熱脫附處理技術等主體技術。中國石油的水基鉆井液廢棄物不落地隨鉆處理技術已在多個油田累計應用6 150口井，減排鉆井廢棄物約615×104m3。油基鉆井液廢棄物處理技術采用LRET和熱脫附處理技術，已累計處理油基鉆屑約17.5×104t，占油基鉆屑總量的85%［8］。中國石油的一系列創新技術拉動了全球鉆井巖屑處理技術的發展，其專利數量位居第一并逐步形成一套鉆井清潔生產新模式。

2）2013 年中國石化提出“碧水藍天”環保計劃，這是中國石化發展史上規模最大的環保治理行動，也是迄今為止中國企業一次性投入最密集、涉及范圍最大的環保專項治理行動。3年內中國石化共實施環保治理項目870 個，累計投入資金209.2 億元，重點圍繞廢氣、廢水、固廢、風險應急等方面開展治理工作［9］。2018 年年初，中國石化牽手國內外一流伙伴，簽訂戰略合作協議，布局固廢處置、土壤修復等新興產業。預計“十三五”期間僅中國石化內部固廢資源化處置及土壤修復方面的投入就將達300 億元左右［10］。中國石化大量資金的投入到環保技術研發使其鉆井巖屑處理技術得到快速發展，專利數量位居世界第二。

3）M-I 有限公司（M-I LLC）是一家美國公司，其主營業務是為油氣田開采的鉆井巖屑處理提供系統和設備［11］。這家公司非常重視知識產權的保護，在鉆井巖屑處理技術領域申請專利76件，排名第三。

4）FP 馬拉諾尼公司（FP Marangoni）是加拿大的一家致力于鉆井液回收的高新技術企業，該公司專長于研發新型鉆井液回收系統和固控設備產品［12］。雙頻振動篩（Dual-ScreenTM）是該公司的主打專利產品，它可以解決傳統振動篩使用壽命短、更換成本高、表面積小等問題［13］。FP馬拉諾尼公司申報的33件專利均與振動篩和固液分離系統有關。

2.4 機構專利布局分析

2.4.1 國外機構在中國的專利布局

對中國專利的國外申請人進行分析有利于掌握各國企業或個人在中國的專利布局，發現專利屏障，挖掘國外競爭對手，并能提出專利預警，在生產經營過程中注意避開這些專利實施，避免產生侵權糾紛。

收集的1556 條專利數據的擴展同族專利中在中國布局的專利共有771項（含中國本土專利），統計分析觀察外國企業和個人申請中國專利的情況（圖5），在鉆井巖屑處理技術領域已有33 個國外的企業或個人在中國申請專利，申請數量71件，占9.2%。

圖5 在中國布局專利的主要外國機構分布圖

鉆井巖屑處理技術在中國仍以自主知識產權為主，但已有不少的國外企業盯住了中國市場，已經對該領域的某些分支技術制造了專利壁壘。比如，加拿大的FP馬拉諾尼公司在中國布局的23件專利均與振動篩和固控系統有關，中國企業在實施這方面技術時要注意繞開專利屏障，避免專利侵權。同時中國企業應加強原始創新能力并及時開展全方位技術布局，阻止他國技術對市場的入侵。

2.4.2 中國申請人向國外專利布局

提取707 件來自中國申請人的專利，觀察其同族專利受理國，發現僅有6 件專利有國際同族，如表3所示。雖然鉆井巖屑處理技術領域的中國申請量在全球排名第一，但這些專利及其家族專利大多數為國內專利，不到1%的專利向國際市場布局。雖然中國石油和中國石化兩大央企的專利申請量全球領先，但在國際市場上卻未見優勢。從表3 可以看出，中國的私營企業更具市場拓展的活力。總體來說，鉆井巖屑處理技術領域中，中國企業的國際布局觀念還有待增強，大型企業在把握國內技術市場的同時可進一步拓展國際市場，盡快展開國際專利布局，搶占市場先機，擴大技術影響力。

表3 鉆井巖屑處理技術領域含有國際同族的中國專利統計表

2.5 技術研究熱點分析

專利中某些技術關鍵詞出現的頻率可以從一定程度上反映該技術的熱門程度。Incopat 數據庫具有高頻詞聚類功能并形成3D專利沙盤圖。利用Incopat將收集到的1556 條數據進行聚類操作并對每一項類目的專利進行人工判讀，修正聚類關鍵詞，最終得到鉆井巖屑處理技術領域的專利沙盤圖。如圖6 所示，圖中山峰位置的技術內容為研究熱點。從鉆屑處理過程角度來看，固液分離設備、鉆屑清洗、固控系統、運輸裝置及容器是當前的研究熱點，其中振動篩、干燥設備方面產生較多專利。從鉆屑處理方法角度來看，出現較多的是熱解技術、隨鉆處理技術、資源化利用技術、無害化處理技術、生物處理技術等，其中，焚燒、泥漿不落地、固化劑、免燒磚、微生物培養等方面出現了較多專利。

圖6 鉆井廢棄物處理技術研究熱點圖

3 結論與建議

3.1 結論

1）從技術發展趨勢來看：鉆井巖屑處理技術在未來一段時間將持續呈現增長趨勢，該領域全球專利發展趨勢受中國申請趨勢顯著影響。

2）從研發機構來看：中國的企業和高校表現出較強的研發活力，中國石油和中國石化在鉆井巖屑處理技術領域的專利數量領跑全球；美國的M-I 有限公司（M-I LLC）和加拿大的FP 馬拉諾尼公司（FP Marangoni）是兩家專門致力于鉆井廢棄物處理和回收的公司，專利技術方面有不錯的表現，且在中國布局了較多專利技術。

3）從專利布局來看：國內企業以自主知識產權研發和實施為主，但目前已逾9%的中國專利的申請人為外國企業或個人，中國市場正在逐步被國外企業擠占，而中國僅有不到1%的專利向他國布局，中國的私營企業較大型國企更具海外市場拓展活力。

4）從熱點技術研究來看：通過高頻詞聚類制作出鉆井巖屑處理技術的3D沙盤圖，發現產生專利較多的技術方向包括振動篩、干燥設備、焚燒、泥漿不落地、固化劑、免燒磚、微生物培養方面。

3.2 建議

1）在發展循環經濟與清潔生產的環保政策引導下，建議國家和企業進一步增加環保技術研發的投入，保證大型國有企業和科研院所研發實力不下降的同時，快速發展中小型企業的技術水平，從而加快油氣田固體廢棄物處理技術的提升，提出鉆井巖屑處理更優解決方案［14］。

2）根據研發機構及其專利布局的發展態勢分析，建議中國企業在提高創新力和全方位技術布局的同時注意繞開國外企業在中國設立的專利屏障，避免產生侵權糾紛。同時大型企業在把握國內技術市場的同時應進一步拓展海外市場，盡快展開國際專利布局，搶占市場先機。

3）根據鉆井巖屑熱點研究技術的分析，在創建資源節約型環境友好型社會的前提下，建議大力開展鉆井巖屑的資源化利用、無害化處理、生物處理等技術的攻關及應用。