垂直钻井技术专利分析研究

2020-07-18北京精密机电控制设备研究所原誉桐郑继贵

军民两用技术与产品 2020年6期

北京精密机电控制设备研究所原誉桐张磊郑继贵李泽

一、引言

目前石油仍是全球主要能源，直接关系到经济安全、国防军事、国计民生等诸多方面，是国家的经济命脉。随着我国油气资源勘探力度不断加大，我国的油气勘探工作得到了较快发展，并呈现出向深井、超深井及复杂结构发展的趋势，这对钻井技术提出了更高的要求。而垂直钻井技术作为一种有效的技术手段，在钻井过程中可有效减少套管层次及尺寸，有效预测和防止钻井过程中的偏离，提升机械转速，且可有效降低事故几率，其已成为衡量国家钻井发展水平高低的标志。因此，对垂直钻井技术开展专利分析研究具有重要意义。

二、垂直钻井技术关键技术图谱及专利检索分析

（一）关键技术图谱

垂直钻井技术的技术图谱如图1所示。垂直钻井技术主要涉及钻井方法及设备、钻具及其附件、钻杆等其他部件及维护设备、测量与测试、自动控制系统、流体开采技术6个方面。

图1 垂直钻井技术图谱

（二）专利技术分析

1.专利申请趋势分析

早在1901年便出现了以转盘带动钻柱、钻头破碎井底岩石并使钻井液循环以清洁井底的旋转钻井方法，并有相关专利出现。本文主要研究20世纪60年代以来垂直钻井技术方面的全球专利申请情况，具体趋势如图2所示。

图2 20世纪60年代以来垂直钻井技术全球专利申请趋势

从图2可以看出，自1961年至今，垂直钻井技术的发展包括3个阶段，分别为萌芽期（1961—1994年）、发展期（1995—2010年）、快速发展期（2011年至今）。在萌芽期和发展期，相关专利几乎全部由国外主体申请，我国在2009年之后才开始每年连续不间断申请专利；进入快速发展期后，在各国垂直钻井技术快速发展的驱动下，国内外的专利申请数量均呈现出指数型高速增长趋势，我国的专利申请数量从2011年的21项快速增加到2016年的2487项，呈井喷式增长，也带动了全球垂直钻井技术专利申请数量的迅速增长，从2011年的1068项快速增长到2016年的4745项。国内垂直钻井技术专利的主要申请主体有中国石油天然气集团有限公司（以下简称“中国石油集团”）、中国石化集团有限公司（以下简称“中国石化集团”）、西南石油大学、中国石油大学等。

2.专利地域来源分析

20世纪60年代以来全球垂直钻井技术来源国家的占比情况如图3所示，从图中可知，美国是垂直钻井技术的最大来源国，共申请专利18369项，占全球专利总申请数量的50.23%；第二大来源国为中国，共申请专利8799项，占全球专利总申请数量的24.06%，且几乎全部为近10年申请；其次是英国、法国、加拿大等，其专利申请数量占全球的3%左右，其余国家的专利申请数量相对较少。

图3 20世纪60年代以来全球垂直钻井技术来源国家的占比情况

3.技术构成分析

近10年内垂直钻井技术的构成情况如图4所示，由图可知，自2011年起，测量与测试方面的专利申请数量最多，共有10970项专利，占近10年专利总申请数量的45.50%；其次是钻杆等其他部件或维护设备，共有4707项专利，占近10年专利申请总量的19.52%；申请量排名第三的技术是钻井方法及设备，共有4044项专利，占近10年专利申请总量的16.77%；之后是流体开采和自动控制系统，分别占近10年专利申请总量的7.32%和7.15%；钻具及其附件的专利申请数量较少，只占近10年专利申请总量的3.73%。由此可见，测量与测试、钻杆等其他部件或维护设备、钻井方法及设备等发展迅速，是目前比较容易取得技术成果的技术分支。

图4 近10年来垂直钻井技术构成情况

4.主要创新主体分析

2000年以来，垂直钻井技术方面专利申请量排名前五的主要创新主体如图5所示，包括3家已有百年历史或接近百年历史的美国老牌能源公司和2家中国石油公司。

其中，美国Halliburton公司是世界上最大的为能源行业提供产品及服务的供应商之一，该公司成立于1919年，其子公司哈里伯顿能源服务集团目前的业务覆盖产层评价、钻井、完井、采油和油气井维护等方面，其在油气勘探、开发及开采作业服务和设备提供方面处于世界领先地位。Halliburton公司近20年内申请的专利数量最多，共申请专利2362项。

美国Sc hlumberger公司是全球最大的油田技术服务公司，于1927年创立，可提供实时的油气田综合服务和解决方案，并能将其信息技术和网络解决方案拓展到其他领域，其油田服务业务涵盖测井、钻井、固井、综合钻井、综合地震、油藏管理和综合项目管理领域，并向高度综合的方向发展。Schlumberger公司近20年内共申请专利2037项，仅次于Halliburton公司。

图5 2000年以来主要创新主体的专利申请数量排名情况（前5名）

中国石油集团是在原中国石油天然气总公司基础上组建的特大型石油石化企业集团，主要业务包括国内外石油天然气的勘探开发、炼油化工、油气销售、管道运输、国际贸易、工程技术服务、工程建设、装备制造、金融服务、新能源开发等。中国石油集团近20年内共申请专利1102项，仅为Halliburton公司申请量的一半，目前在垂直钻井技术方面非常活跃。

美国Baker Hughes公司是一家为全球石油开发和加工工业提供产品和服务的大型油田技术服务公司，迄今已有百年历史，公司最初由贝克国际公司（Baker International）和休斯工具公司（Hughes Tool Company）合并而成，主要从事油田总包服务，钻井、地层评估和钻井液系统，完井、生产、压裂及生产管柱系统，生产流程及化学药剂服务方面的业务。Baker Hughes公司近20年内共申请专利1067项，与中国石油集团的专利申请数量相当。

中国石化集团是在原中国石油化工总公司基础上重组成立的我国最大的成品油和石化产品供应商、第二大油气生产商，是世界第一大炼油公司，主营业务范围有石油、天然气的勘探、开采、储运（含管道运输）、销售和综合利用，石油化工、天然气化工、煤化工及其他化工产品的生产、销售、储存、运输等。与排名前四的创新主体相比，中国石化集团在垂直钻井技术方面申请的专利数量较少，近20年内共申请专利547项，仅为Halliburton公司申请量的1/4，中国石油集团的1/2，在垂直钻井技术方面与排名前四的创新主体相比还有一定的差距。

三、垂直钻井技术中美对标分析

为了更清楚地了解我国垂直钻井技术目前的发展水平及与先进国家的差距，下面将对我国及美国的专利申请情况进行对标分析。

（一）中美技术构成分析

20世纪60年代以来垂直钻井技术的中美技术构成对比图如图6所示，可以看出，美国在测量与测试、钻杆等其他部件或维护设备、自动控制系统方面远远领先我国，在流体开采技术、钻具及其附件方面也有很大优势；在钻井方法及设备方面，我国的专利申请数量稍微领先美国，这也是唯一一个我国专利申请数量领先美国的技术分支。

（二）中美主要创新主体对标分析

2000年以来中美主要创新主体的专利申请趋势对比图如图7所示，可以看出，在垂直钻井技术方面美国3家老牌能源公司每年均有专利成果产出，而中国石油集团及中国石化集团开始申请专利的时间较晚中国石油集团在2009年才申请了第一项专利，而中国石化集团直到2013年才有专利产出。

5家主要创新主体的专利申请高峰均出现在专利申请的快速发展期，其中Halliburton公司的申请高峰出现在2013—2018年，最大年申请数量为642项，可见近几年Halliburton公司在垂直钻井技术方面仍然非常活跃，具有非常雄厚的技术实力；Schlumberger公司的申请高峰出现在2014—2016年，最大年申请数量为233项，Schlumberger公司的技术发展比较平稳，并无较大起伏与突破，虽然其近年来的活跃程度与Halliburton公司相比还有一定差距，但其技术实力仍非常雄厚；Baker Hughes公司的专利申请高峰出现在2011年，最大年申请数量为105项，从2000年开始，Baker Hughes公司每年的专利申请数量都比较稳定，进入快速发展期后，其专利申请数量也无较大波动，近些年来在垂直钻井技术领域不太活跃；中国石油集团与中国石化集团的专利申请高峰出现在2016—2018年，与3家美国公司的申请高峰时间相比稍微有些滞后。

2000年以来5家中美主要创新主体的技术构成对比如图8所示，可以看出，5家公司在测量与测试方面的专利申请数量占比均超过各自申请总量的50%，可见测量与测试技术是专利成果的主要来源。另外，各创新主体的专利成果还主要集中在钻杆等其他部件或维护设备方面，占比为12%～20%左右。

图6 20世纪60年代以来垂直钻井技术方面中美技术构成对比图

图7 2000年以来中美主要创新主体的专利申请趋势对比图

另外从图8可以看出主要创新主体在业内的优势（纵向来比较，颜色越深则代表优势越大），其中，Halliburton公司的优势技术在钻杆等其他部件或维护设备、钻井方法及设备、测量与测试方面；Schlumberger公司的优势技术在自动控制系统、流体开采技术、测量与测试方面；中国石油集团的优势技术在流体开采技术方面；Baker Hughes公司的优势技术在钻具及其附件方面。中国石油集团与中国石化集团在钻具及其附件、钻井方法及设备和自动控制系统方面的技术实力较弱，与3家美国公司相比尚不具有明显竞争优势。

图8 2000年以来中美主要创新主体的技术构成对比图

四、发展建议

（一）继续加强测量与测试技术、钻杆等其他部件或维护设备方面的研发力度

从近10年的技术构成来看，测量与测试、钻杆等其他部件或维护设备方面发展迅速，是目前比较容易取得技术成果的技术分支。测量与测试、钻杆等其他部件或维护设备技术方面仍是美国的优势技术，多数核心技术仍掌握在美国手中，我国在此方面与美国仍存在很大差距，因此，我国需要继续加大对测量与测试技术、钻杆等其他部件或维护设备的研发力度。

（二）着重弥补钻具及其附件、自动控制系统方面的技术劣势

从技术构成分析来看，虽然近10年来钻具及其附件、自动控制系统方面的技术创新并不活跃，但是我国与美国在这两方面尚存在较大差距，我国创新主体在该方向申请的专利数量所占比重较小，尤其是在钻具及其附件方面。因此，为防止竞争对手采取专利围堵等手段进行技术封锁、垄断等，我国创新主体应着重弥补钻具及其附件、自动控制系统方面的技术劣势。

（三）加强国内合作，继续维持或加大钻井方法及设备、流体开采技术方面的优势

从技术构成分析来看，钻井方法及设备是近10年的热门发展技术，而且我国在钻井方法及设备方向申请的专利数量稍多于美国，在该方面稍微具备一些技术优势，但中国石油集团和中国石化集团作为我国专利申请数量最多、全球专利申请数量排名前五的2家公司，在钻井方法及设备方面却处于技术劣势；而流体开采技术虽然不是近10年内的热门发展技术，但中国石油集团在流体开采方面具有技术优势，可见我国国内各创新主体在钻井方法及设备、流体开采等方面的技术发展不均衡，因此，有必要加强国内各单位在钻井方法及设备、流体开采等方面的技术合作，继续维持或加大我国在钻井方法及设备、流体开采技术等方面的优势。