逄銘玉，李 勇，傅建斌， 花 靖， 盧書彤， 任東方

(中石化安全工程研究院有限公司，山東青島 266104)

井噴失控是鉆井過程中最為嚴(yán)重的鉆井事故之一，而溢流是井噴的先兆，鉆井過程中早期溢流的及時發(fā)現(xiàn)，將為排除溢流、重建壓力平衡等措施贏得寶貴時間，對降低后續(xù)井控處置難度尤為重要。因此，有效監(jiān)控早期溢流是防止井噴、實現(xiàn)安全鉆井的前提和保證。本研究涉及的早期溢流監(jiān)測包括對井涌、溢流、井噴等井筒異常的早期檢測技術(shù)以及相關(guān)技術(shù)的集成。通過使用鉆井液參數(shù)分析、地層巖性分析、聲波氣侵分析等多種方法，對壓力、溫度、深度、地質(zhì)等參數(shù)的感知、傳輸與處理分析，實現(xiàn)對井筒的監(jiān)測和對異常情況的快速、正確的判斷[1-4]。

1 早期溢流監(jiān)測領(lǐng)域?qū)＠w申請趨勢

1.1 專利申請時間線分析

時間線分析表示整個技術(shù)領(lǐng)域的專利申請時間特征，體現(xiàn)技術(shù)整體發(fā)展趨勢及業(yè)內(nèi)對該技術(shù)領(lǐng)域投入程度的變化[5-8]。

如圖1所示，近20年間早期溢流監(jiān)測相關(guān)的專利數(shù)總量為657個專利族。專利申請整體上呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，從2012年后維持在每年40件以上的高位。70%關(guān)于早期溢流監(jiān)測的專利族都是在最近10年內(nèi)進行的申請。

圖1 專利申請時間線分析

而在2000至2009年這10年間的專利族數(shù)約為190個，在此期間內(nèi)，相對于早期溢流監(jiān)測，參與者更積極地進行聯(lián)鎖關(guān)斷技術(shù)方面的創(chuàng)新。從2011年起，早期溢流監(jiān)測開始受到關(guān)注。作為最新的進展之一，早期溢流監(jiān)測可以通過數(shù)學(xué)建模的方式，如模式識別及K均值動態(tài)聚類方式進行。

中國石油化工集團有限公司(SINOPEC)在過去20年中共申請了63個專利族。在2011年之后10年間專利活動最為活躍，占整體的57%。

1.2 專利分布時間線分析

圖2為按年份的專利申請國分布圖，表示各個國家的專利分布及按年份的變化情況。不同于第一申請國的分析，圖2的計數(shù)單位為公開的專利申請(而非專利族)。通過該圖能夠顯示申請人整體對于請求專利保護的地域偏好，也可以間接地表示各個地域相關(guān)市場的大小[9-11]。

圖2 專利分布時間線

a) 對于鉆井早期溢流監(jiān)測技術(shù)，在中國進行專利申請的專利件數(shù)為452件，位于第一?？紤]到源于中國的專利數(shù)量(385件)，可以看出在中國的專利申請中，大多數(shù)是源自于中國，申請人多為中國企業(yè)。不過仍有部分海外企業(yè)在中國尋求專利保護，如貝克休斯、斯倫貝謝、哈里伯頓等均積極地在中國進行專利布局。在中國的專利申請呈逐年增加的傾向也表示中國日漸成為本領(lǐng)域的主要市場國。

b) 在美國申請專利的件數(shù)為378件，相對于首次申請在美國的專利數(shù)量(147件)有大幅度提升。表明全球大多數(shù)企業(yè)更積極地尋求在美國的專利保護。這樣的傾向從20年前起便開始，持續(xù)至今。

c) 通過PCT進行本國外的申請也從未間斷，2012—2014年達到最高每年約20件專利。領(lǐng)先企業(yè)中，斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克休斯、NOV的所有發(fā)明中超過2/3都進行了PCT專利申請。

d) 雖然源自加拿大的專利申請較少，但在加拿大進行專利申請的數(shù)量相對較多。這與加拿大原油及天然氣的儲量較大有關(guān)。眾多海外企業(yè)尋求在加拿大的專利保護，例如美國的哈里伯頓公司是在加拿大申請專利最多的企業(yè)。

e) 歐洲(包括挪威和英國)的情況也類似，挖掘及勘探活動相對活躍，成為本領(lǐng)域?qū)＠Ｗo的重要區(qū)域之一。

f) 其他國家例如澳大利亞、巴西等也是石油開采活躍的國家，因此也獲得了相應(yīng)的專利布局。

2 早期溢流監(jiān)測領(lǐng)域主要專利申請人

2.1 主要專利申請人活動

圖3列出了各專利申請人的申請情況，包括申請數(shù)量、近5年專利占比、授權(quán)專利族占比、平均知識產(chǎn)權(quán)(IP)投入、平均專利族寬度等。通過分析能夠了解各個專利權(quán)人在相關(guān)領(lǐng)域?qū)＠暾埖那闆r。其中平均IP投入為Innopgaphy數(shù)據(jù)庫中的獨有數(shù)據(jù)，是綜合考慮了技術(shù)領(lǐng)域、地域、專利種類、維持年份等多種信息進行的估算(下同)[12-15]。

圖3 專利申請人活動

a) 整體來看，在鉆井早期溢流監(jiān)測技術(shù)排名前10的專利申請人中，中國企業(yè)占據(jù)超過一半數(shù)量，分別為中國石油天然氣集團(CNPC)、中國石油化工集團有限公司、西南石油大學(xué)、中國海洋石油集團有限公司(CNOOC)、中國石油大學(xué)等。這些中國企業(yè)或大學(xué)的專利申請中，大部分是在最近5年內(nèi)進行的。他們的專利申請集中在中國國內(nèi)，因此平均每個專利族的IP投入金額較小。另外，實用新型專利占比較大也是中國實體IP投入較小的原因之一。

b) 排名前10的其余4家均為美國企業(yè)，分別為斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克休斯和國民油井華高(NOV)。他們開始相關(guān)研發(fā)較早，而近5年的專利申請數(shù)量占比較少(22%以下)。他們普遍傾向于在更多地域獲取專利，因此平均每個專利族的IP投入金額較高。

c) 從技術(shù)類別上看，大多數(shù)公司著力于壓力參數(shù)監(jiān)測方面。鉆井液參數(shù)分析和綜合錄井分析也是關(guān)注重點。另外，貝克休斯的研究也側(cè)重在電磁波信號傳輸方面。

2.2 主要權(quán)利人活動時間線

圖4列出了按年份的各申請人的申請數(shù)量。通過該圖能夠了解各專利申請人的專利申請的變化情況。

圖4 主要權(quán)利人活動時間線

a) CNPC的專利申請集中于近10年，晚于斯倫貝謝和哈里伯頓。其他如SINOPEC、西南石油大學(xué)、中國石油大學(xué)等的專利則更集中于近6年左右。這些中國企業(yè)或大學(xué)都屬于新進實體或保持增長的勢頭。說明中國企業(yè)近年來開始逐步意識到鉆井早期溢流監(jiān)測的重要性并開始投入研發(fā)。SINOPEC近10年的專利占比達到86%，整體保持較高的申請趨勢。

b) 美國公司斯倫貝謝和哈里伯頓在本領(lǐng)域起步較早，且整個20年間持續(xù)性地有相關(guān)專利分布。這表明他們長期投入到鉆井早期溢流監(jiān)測的研發(fā)當(dāng)中，并且可能擁有部分關(guān)鍵技術(shù)。貝克休斯和NOV在20年間的若干年份有1～2件專利申請，未呈現(xiàn)出明顯變化趨勢。

3 主要申請人專利地域保護

3.1 主要申請人地域保護策略

圖5列出了排名前10的專利申請人在各個國家或地域的專利申請占比。通過該分析能夠考察各個專利申請人的專利地域分布情況，洞悉其專利申請策略。

圖5 主要申請人地域分布

a) 在鉆井早期溢流監(jiān)測領(lǐng)域，大多數(shù)中國企業(yè)均把專利布局重點放在中國，較少有海外專利布局，中國石油大學(xué)在美國有部分專利分布。

b) 美國公司斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克休斯和NOV等在各個地域均有專利分布，進行全球化的發(fā)明成果保護，申請的地域包括中國、美國、加拿大、巴西、挪威、澳大利亞、墨西哥等。這些地域均有相對豐富的石油資源，因此得到專利申請人的青睞。特別是加拿大，其受到的重視僅次于中美兩國的原因在于具有充分的原油及天然氣的儲量。NOV雖然專利總數(shù)較少，但卻積極地進行全球?qū)＠季?，對每個專利族平均擁有最廣泛的(平均超過5個)地域分布。

c) 上述這些海外公司也積極地在中國進行專利布局，有的更在中國本土進行相關(guān)研發(fā)。

3.2 主要申請人技術(shù)保護地域廣度

圖6列出了排名前10的專利申請人關(guān)于鉆井早期溢流監(jiān)測的各主要技術(shù)分支的申請地域數(shù)量(數(shù)字越大表示地域分布越廣)。通過該分析能夠考察各個專利申請人對各個技術(shù)分支的地域分布側(cè)重點。

圖6 申請人技術(shù)保護地域廣度

a) 從技術(shù)分支的維度來看，各個技術(shù)分支間的保護廣度特征分布并不明顯。對于大多數(shù)技術(shù)分支，是否進行廣泛布局更多取決于專利權(quán)人的整體策略。

b) 中國多數(shù)企業(yè)把專利布局重點放在中國，而較少有海外專利布局。西南石油大學(xué)在聲波信號傳輸、電磁波信號傳輸?shù)阮I(lǐng)域進行了海外專利申請。

c) 斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克休斯等美國公司在多個地域均有專利分布，進行全球化的發(fā)明成果保護策略，鉆井液參數(shù)監(jiān)測、綜合錄井、電磁波信號傳輸?shù)榷鄠€技術(shù)分支均有多個國家的專利分布。

4 早期溢流監(jiān)測領(lǐng)域?qū)＠唧w技術(shù)分布

圖7為技術(shù)分類樹中鉆井早期溢流監(jiān)測相關(guān)的專利統(tǒng)計信息。包括各技術(shù)分支的專利族數(shù)、近5年申請占比、授權(quán)占比、每個專利族的平均IP投入、主要實體(即在該技術(shù)類別專利族數(shù)最多的申請人)。通過該圖能夠?qū)︺@井早期溢流監(jiān)測相關(guān)的各個技術(shù)分支有宏觀把握，了解各項具體技術(shù)的總體趨勢。

圖7 具體技術(shù)分布

a) 在鉆井早期溢流監(jiān)測的監(jiān)測方法類別下，鉆井液參數(shù)監(jiān)測(170個專利族)及綜合錄井的方法(167個專利族)得到了較多關(guān)注，其次是地層巖性(67個專利族)。這3種早期溢流的監(jiān)測方法的近5年申請占比均偏小，顯示從更早的時間起便存在相應(yīng)的研發(fā)。

b) 在鉆井早期溢流監(jiān)測的工作參數(shù)方面，與壓力及溫度的工作參數(shù)相關(guān)的發(fā)明占主導(dǎo)地位。斯倫貝謝在這兩方面均有最多專利族。關(guān)于深度與介質(zhì)參數(shù)相關(guān)的發(fā)明相對較少。

c) 在數(shù)據(jù)處理和識別上，使用閾值法是最常用也是相對較早便被研究的方法。斯倫貝謝在這方面擁有最多專利。而數(shù)學(xué)建模法和貝葉斯判別法均是較新的數(shù)據(jù)處理方法，近5年專利占比達到50%左右，西南石油大學(xué)在這兩種方法上較為領(lǐng)先。斯倫貝謝也推出了一系列油氣田勘探等的數(shù)字化的解決方案，其憑借先進的數(shù)據(jù)可視化、解釋和分析工具，在石油勘探的每個階段提供數(shù)字化的解決方案，幫助客戶提高勘探成功率。

d) 關(guān)于鉆井早期溢流監(jiān)測技術(shù)的功效，反應(yīng)及時率、準(zhǔn)確率的提升最受到關(guān)注，并有較多的近期專利申請，因此可能是近期技術(shù)研究的熱點方向。CNPC在這方面研究較多。而李思聰[16]在2018年進行的研究中披露了通過合理安排電磁流量計的位置來提高測量和預(yù)警準(zhǔn)確度的方法。

5 結(jié)論及建議

a) 中國三大石油天然氣公司(CNPC、SINOPEC、CNOOC)及西南石油大學(xué)和中國石油大學(xué)等國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)及大學(xué)在2008年之后呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢，展現(xiàn)出了他們的重要性和影響力。目前，中國實體已經(jīng)成為該領(lǐng)域最重要的參與者。

b) 中國的一些領(lǐng)先企業(yè)和大學(xué)都把專利布局重點放在國內(nèi)，而較少有海外專利布局。因此可以考慮對于一些重要專利，在成本可控的前提下進行海外專利布局，一方面可以使自己的獨有技術(shù)不受海外競爭對手模仿，另一方面在遇到海外專利侵權(quán)糾紛時也能作為反擊的武器。特別是對于競爭對手布局較多的國家，如美國、加拿大、巴西、澳大利亞等可以進行布局考慮。

c) 從早期溢流的監(jiān)測方法看，排名前10的企業(yè)或大學(xué)均在鉆井液參數(shù)及綜合錄井方面有所研究。聲波氣侵雖然專利數(shù)量較少，但都集中在近5年內(nèi)，是比較新的技術(shù)分支。綜合錄井與鉆井液參數(shù)檢測相關(guān)的多種方法均能達成適應(yīng)井筒環(huán)境、提高傳輸效率、提升反應(yīng)及時率準(zhǔn)確率等的技術(shù)效果。

d) 數(shù)據(jù)處理、傳輸方式方面，幾乎所有的排名前10的公司均在聲波和電磁波方面有所成果。貝克休斯的專利申請中超過一半(60%)與信號傳輸方式較密切相關(guān)。電磁波信號傳輸不僅近期專利申請相對集中，并且申請人對其投入相對較高，可能是本領(lǐng)域中的新興技術(shù)。而目前使用聲波提高傳輸效率、速率和距離的研究數(shù)量相對較多。

e) 鉆井早期溢流監(jiān)測領(lǐng)域中的高價值專利更多屬于哈里伯頓和斯倫貝謝等知名公司，都擁有較多數(shù)量的高質(zhì)量專利，其專利組合的平均專利質(zhì)量也高于其他申請人。中國申請人雖然在專利數(shù)量上已經(jīng)超過這些美國企業(yè)，但發(fā)明質(zhì)量的提升仍將是今后重要課題。