鄭慶輝

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000)

0 引言

1862年，生活在法國巴黎的瑞士工程師J．R．里斯特發(fā)明了世界上第一個(gè)金剛石鉆頭，當(dāng)時(shí)是采用手工鑲嵌粗顆粒天然金剛石的方法制造的，20世紀(jì)40年代初開始用粉末冶金方法制造粗顆粒金剛石地質(zhì)鉆頭，這一方法沿用至今，并且隨著人造金剛石技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展，世界上金剛石鉆頭技術(shù)已經(jīng)走過了150多年的歷程。

我國該技術(shù)起步較晚，自1963年地質(zhì)部勘探技術(shù)研究設(shè)計(jì)院采用冷壓浸漬法研制成功第一批天然表鑲金剛石鉆頭始，我國人造金剛石鉆頭于1972年研究成功了熱壓法，1974年研究成功了低溫電鍍法和無壓浸漬法［1，2］，我國金剛石鉆頭技術(shù)走過了50年的歷史，初期只應(yīng)用于地質(zhì)勘探領(lǐng)域，目前已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)(礦山)、油氣勘探開發(fā)、工程勘察、民用建筑等領(lǐng)域。

PDC 鉆頭(Polycrystalline Diamond Compact Bit，聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭)是隨著PDC復(fù)合材料的發(fā)展而發(fā)展起來的一類新型鉆井工具，1973年美國克里斯坦森公司研制生產(chǎn)出石油鉆井的PDC鉆頭，20世紀(jì)80年代初開始大面積推廣。我國從80年代初才開始研究PDC鉆頭［3］。目前PDC鉆頭已在石油鉆井工具中占有十分重要的地位。

本文通過對在我國申請的金剛石鉆頭技術(shù)專利文獻(xiàn)的收集、整理，分析了申請人類型分布、維持年限、技術(shù)領(lǐng)域、法律狀態(tài)等，揭示出我國金剛石鉆頭技術(shù)的現(xiàn)狀、特點(diǎn)和發(fā)展趨勢。

1 檢索數(shù)據(jù)庫和分析工具

本文所述金剛石鉆頭指以人造金剛石頭、金剛石鑲嵌體、天然金剛石作為磨料或磨料之一的鉆頭，金剛石鉆頭技術(shù)指金剛石鉆頭制造技術(shù)，但不包括磨料技術(shù)。本文分析所需專利數(shù)據(jù)，選用中文關(guān)鍵詞為“金剛石鉆頭”、“金剛石復(fù)合片鉆頭”、“金剛石聚晶鉆頭”、“PDC鉆頭”等，檢索中國專利數(shù)據(jù)庫專利名稱或?qū)＠侄?，通過大為軟件公司的PatentEX專利信息創(chuàng)新平臺下載。截止到2013年3月底，檢索到808項(xiàng)金剛石鉆頭專利(已去除與金剛石鉆頭無關(guān)專利)，將處理后的數(shù)據(jù)作為本次專利分析的基本數(shù)據(jù)。采用專利采集及分析軟件和人工相結(jié)合的方法對專利進(jìn)行分析。

2 金剛石鉆頭技術(shù)專利統(tǒng)計(jì)分析

2．1 年度專利申請量變化趨勢分析

圖1為中國金剛石鉆頭專利申報(bào)趨勢圖，有353個(gè)申請人(含有的申請人名稱一次或多次變更)申請專利總數(shù)808項(xiàng)，其中發(fā)明專利241項(xiàng)，實(shí)用新型528項(xiàng)，外觀設(shè)計(jì)39項(xiàng)。國內(nèi)申請人申請數(shù)為771件，國外申請人37件(全部為發(fā)明專利)。需要說明的是，由于我國的發(fā)明專利實(shí)行的是申請18個(gè)月后才公開的制度，2012年由于部分申請尚未公開，不能準(zhǔn)確地反映實(shí)際申請量。

從年度申請量統(tǒng)計(jì)的結(jié)果可以看出，該技術(shù)領(lǐng)域1998年以前每年的專利申請量大多在10個(gè)以下，1999～2004年間穩(wěn)步增長，2005～2012年間大幅增長，特別是2008年后每年的增長超過30%，一方面近些年資源能源對我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展形成“瓶頸”約束，為了改變這一狀況，國家加大了這一方面的投入，并引導(dǎo)社會和民間資本向該領(lǐng)域流動，帶動了行業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)了金剛石鉆頭技術(shù)的進(jìn)步;另一方面單位和個(gè)人知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識的增強(qiáng);第三方面就是單位和科研項(xiàng)目的考評考核增加了知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面的內(nèi)容及個(gè)人職稱晉升的要求，這些因素促進(jìn)了近幾年來專利申請量的大幅增長。

2．2 專利申請人類型和申請人分析

如圖2，按申請人的類型分，國內(nèi)310個(gè)申請人申請專利771件，其中，企業(yè)155家專利408件、個(gè)人103人專利172件、科研單位26家103件、大專院校26家專利88件，申請專利分別占52.92%、22.31%、13.36%、11.41%。金剛石鉆頭國內(nèi)發(fā)明專利申請數(shù)為204件，國外22家企業(yè)、1個(gè)個(gè)人申請專利為37件，其中國內(nèi)申請中，企業(yè)申請96件，占47.06%;大專院校、個(gè)人、科研單位分別為47件、38件、23件，占比分別為 23.04%、18.63%、11.27%。從專利申請總數(shù)和發(fā)明專利申請數(shù)可以看出，工礦企業(yè)的占比達(dá)50%左右，專利申請占主體地位，說明企業(yè)作為市場競爭的直接參與者，成為技術(shù)創(chuàng)新的主體力量;大專院校發(fā)明申請數(shù)占比雖然不高，但卻占其申請總量的46.59%，說明大專院校憑借其科研成果、人才和信息等方面的優(yōu)勢，成為技術(shù)創(chuàng)新的主要力量。

圖2 申請人類型分布

根據(jù)專利申請量，統(tǒng)計(jì)出專利申請量8件以上的前18名的主要申請人情況見表1(按第一申請人進(jìn)行統(tǒng)計(jì))，主要申請人申請專利總數(shù)265件，占專利申請總量的32.8%，主要申請人申請發(fā)明專利77件，占發(fā)明專利申請總數(shù)的31.95%，實(shí)用新型專利申請182件，占實(shí)用新型專利申請總數(shù)的34.47%。

表1 主要申請人申請專利起始年及專利數(shù)

主要申請人基本涵蓋了國內(nèi)從事金剛石鉆頭研究和生產(chǎn)的主要的大專院校、科研單位和生產(chǎn)廠家。由于我國1985年才實(shí)施專利法，雖然專利申請不能完全反映金剛石鉆頭技術(shù)的發(fā)展概況，但也可以看出鉆頭技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò):5所大專院校的申請人申請發(fā)明專利30件，占發(fā)明專利申請總數(shù)的12.45%，這些院校以石油科學(xué)、地球科學(xué)為特色，其中，中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)(原武漢地質(zhì)學(xué)院)為我國最早申請金剛石鉆頭技術(shù)專利的申請人，其于1985年申請了專利號為CN 85108125A專利［5］。3個(gè)科研單位分布在地質(zhì)、石油、煤炭系統(tǒng)，鉆頭技術(shù)研發(fā)水平處于系統(tǒng)的領(lǐng)先水平，北京探礦工程研究所(原地質(zhì)礦產(chǎn)部探礦工程研究所)和北京鉆探工具廠聯(lián)合研制的金剛石復(fù)合片鉆頭1985年通過了地質(zhì)礦產(chǎn)部的鑒定，于1986年申請了專利號為CN86103437的專利［6］，勝利石油管理局鉆井工藝研究院為中國石化集團(tuán)公司重點(diǎn)研究院，中煤科工集團(tuán)西安研究院是煤炭行業(yè)促進(jìn)科技進(jìn)步的主力軍。江漢石油鉆頭股份有限公司是國家一級企業(yè)，國家重點(diǎn)高新技術(shù)企業(yè)，亞洲最大、世界先進(jìn)的石油鉆頭制造商，貝克休斯公司為美國的老牌鉆頭公司。從表1中可以看出，主要申請人的技術(shù)能力比較平均，沒有形成技術(shù)壟斷，絕對的優(yōu)勢和差距沒有拉開。

3 技術(shù)分析

3．1 技術(shù)生命周期分析

圖3為金剛石鉆頭有效(失效)發(fā)明專利維持年限(壽命)的分布，其橫坐標(biāo)為維持年限(壽命)，縱坐標(biāo)為專利數(shù)量。金剛石鉆頭技術(shù)有效和失效專利中，在獲得授權(quán)后維持年限(壽命)基本是線性遞減方式排列，在1～4年內(nèi)有效的專利占總的授權(quán)專利的80%，4～6年以上的有效專利占15%左右，其它狀態(tài)的專利占5%左右。

圖3 專利維持年限(壽命)分布

由圖3可見，國內(nèi)有效發(fā)明專利34件，占該類申請量的14.1%，維持年限集中在3年至6年，維持年限6年以下的22件占64.71%，而國外全部為6年以上;有效發(fā)明專利中，有效期超過10年的6件只占17.65%，而國外這一比例達(dá)到37.5%。維持時(shí)間長的專利，通常是技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的專利。

實(shí)用新型專利全部為國內(nèi)申請人申請，由圖3可見，國內(nèi)有效實(shí)用新型328件，占該類申請量的62.12%，專利維持年限多集中在1～4年，已維持超過5年的實(shí)用新型專利62件，占國內(nèi)有效實(shí)用新型專利總量的18.9%，稍高于全國12.8%的占比水平。

金剛石鉆頭國內(nèi)發(fā)明專利平均壽命在6.46年，實(shí)用新型專利為3.13年，外觀設(shè)計(jì)專利為2.81年;2011年全國發(fā)明專利平均壽命在6.9年，實(shí)用新型專利為4.1年，外觀設(shè)計(jì)專利為3.2年［4］。

3．2 IPC小類技術(shù)構(gòu)成分析

通過專利所涉及的國際專利分類號(The International Patent Classification簡稱IPC，主要以技術(shù)主題的功能或應(yīng)用分類)以及該專利分類號所涵蓋的技術(shù)領(lǐng)域，可初步了解該專利申請人研發(fā)的主要方向和技術(shù)領(lǐng)域。769項(xiàng)發(fā)明和實(shí)用新型專利技術(shù)涵蓋了現(xiàn)代金剛石制造主要方法粉末冶金法、電化學(xué)法、金剛石鑲嵌體的鑲焊法的各個(gè)方面，表2列出了申請專利IPC分類號排行前9位的專利數(shù)，從應(yīng)用類角度可看出，金剛石鉆頭主要應(yīng)用于土層或巖石的鉆進(jìn)(地質(zhì)〈礦山〉、油氣勘探開發(fā)、工程地質(zhì))、加工石頭或類似石頭的材料(建筑業(yè))、加工金屬材料方面，從技術(shù)分類角度可以看出鉆頭設(shè)計(jì)技術(shù)、模具和鉆頭剛體的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、鉆頭胎體材料技術(shù)、焊接材料與焊接技術(shù)是研究開發(fā)重點(diǎn)，也是今后的研究方向。

表2 IPC分類號排行前9位專利數(shù)及其相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域

4 法律狀態(tài)與專利類型分析(見圖4)

圖4 專利法律狀態(tài)分布

金剛石鉆頭技術(shù)有效專利共計(jì)391件，其中，國內(nèi)383件，占總量的97.95%，國外8件，占總量的2.05%。分專利類型看，發(fā)明專利42件，占總量的比重為10.74%，實(shí)用新型專利328件，占總量的83.89%，外觀設(shè)計(jì)專利21件，占總量的5.37%。國外8件，全部為發(fā)明專利。2011年，全國發(fā)明專利占專利總量的11.88%，實(shí)用新型和外觀設(shè)計(jì)專利各占專利總量的48.2%和36.6%，國外在華有效專利發(fā)明專利占國外有效專利總量的79.1%，外觀設(shè)計(jì)和實(shí)用新型專利分別占18.4%、2.4%［4］。由此可以看出，無論與全國發(fā)明專利占比還是與國外在華發(fā)明專利的占比比較，金剛石鉆頭專利構(gòu)成結(jié)構(gòu)更加不均衡，創(chuàng)造水平及科技含量較高的發(fā)明專利比重相對更低。

金剛石鉆頭失效249件，專利失效原因主要為未繳年費(fèi)終止和屆滿終止，發(fā)明失效專利34件，占總量的13.65%;實(shí)用新型失效專利197件占79.12%;外觀設(shè)計(jì)失效專利18件占總量的7.23%。失效專利中，只有一項(xiàng)失效發(fā)明專利為國外申請人，其余失效專利均為國內(nèi)申請人。2011年我國失效專利中，發(fā)明失效專利占總量的9.3%，實(shí)用新型失效專利占總量的33.4%，外觀設(shè)計(jì)失效專利占總量的 57.4%［4］。

發(fā)明專利申請總量為241件，駁回和視為撤回的數(shù)量為62件，占發(fā)明專利申請總量的25.73%，說明了發(fā)明專利授權(quán)率較低，因此，申請人在申請發(fā)明專利時(shí)，需要對專利技術(shù)的新穎性、創(chuàng)造性和實(shí)用性進(jìn)行詳細(xì)分析。公開和實(shí)審的專利103件，占專利申請量的42.74%，說明近一半的發(fā)明專利為近年所申請。

5 結(jié)語

中國金剛石鉆頭技術(shù)經(jīng)過50多年發(fā)展，技術(shù)已趨成熟，但專利申請量仍呈穩(wěn)步增長的趨勢，特別是近幾年專利申請大幅增長，反映技術(shù)創(chuàng)新持續(xù)保持較高的活躍度;申請的專利主要應(yīng)用于鉆探(井)工程領(lǐng)域，在中國申請的金剛石鉆頭專利中無論是從專利數(shù)量還是專利質(zhì)量方面，國內(nèi)研發(fā)單位占有絕對的優(yōu)勢，其中，工礦企業(yè)的專利擁有占主體地位，大專院校為技術(shù)創(chuàng)新的主要力量，國內(nèi)主要申請人的技術(shù)能力比較平均，沒有形成技術(shù)壟斷，但是在金剛石鉆頭技術(shù)專利構(gòu)成方面存在結(jié)構(gòu)不均衡，創(chuàng)造水平及科技含量較高的發(fā)明專利比重相對低，專利的維持年限和壽命普遍較低，說明擁有的核心專利較少。對于未來本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)研發(fā)，建議國內(nèi)企業(yè)要謀求長期的發(fā)展，必須重視注重產(chǎn)品結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新，建立以企業(yè)為主體、市場為導(dǎo)向、產(chǎn)品為核心、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的創(chuàng)新體系，提高專利的創(chuàng)新性、實(shí)用性和實(shí)施率。

［1］ 劉廣志，等．金剛石鉆探手冊［M］．北京:地質(zhì)出版社，1991．

［2］ 趙爾信，卓國基，張傳林，等．金剛石制品制造工藝及其發(fā)展趨勢［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，1999，(S1):187－192．

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［4］ 田嶼，李鳳新，劉磊．2011中國有效專利年度報(bào)告［J］．科學(xué)觀察，2012，7(5):1 －30．

［5］ 李大佛．低溫電鍍金鋼石異形鉆頭及其制造方法［P］．中國專利:CN 851081258，1987－05－06．

［6］ 葉玉屏，趙永明，周連科，等．金剛石復(fù)合片鉆頭的焊接方法［P］．中國專利:CN861034376，1987－12－02．