基于专利信息的钻井早期溢流监测技术趋势分析*

逄铭玉，李 勇，傅建斌， 花 靖， 卢书彤， 任东方

(中石化安全工程研究院有限公司，山东青岛 266104)

井喷失控是钻井过程中最为严重的钻井事故之一，而溢流是井喷的先兆，钻井过程中早期溢流的及时发现，将为排除溢流、重建压力平衡等措施赢得宝贵时间，对降低后续井控处置难度尤为重要。因此，有效监控早期溢流是防止井喷、实现安全钻井的前提和保证。本研究涉及的早期溢流监测包括对井涌、溢流、井喷等井筒异常的早期检测技术以及相关技术的集成。通过使用钻井液参数分析、地层岩性分析、声波气侵分析等多种方法，对压力、温度、深度、地质等参数的感知、传输与处理分析，实现对井筒的监测和对异常情况的快速、正确的判断[1-4]。

1 早期溢流监测领域专利整体申请趋势

1.1 专利申请时间线分析

时间线分析表示整个技术领域的专利申请时间特征，体现技术整体发展趋势及业内对该技术领域投入程度的变化[5-8]。

如图1所示，近20年间早期溢流监测相关的专利数总量为657个专利族。专利申请整体上呈现逐渐上升趋势，从2012年后维持在每年40件以上的高位。70%关于早期溢流监测的专利族都是在最近10年内进行的申请。

图1 专利申请时间线分析

而在2000至2009年这10年间的专利族数约为190个，在此期间内，相对于早期溢流监测，参与者更积极地进行联锁关断技术方面的创新。从2011年起，早期溢流监测开始受到关注。作为最新的进展之一，早期溢流监测可以通过数学建模的方式，如模式识别及K均值动态聚类方式进行。

中国石油化工集团有限公司(SINOPEC)在过去20年中共申请了63个专利族。在2011年之后10年间专利活动最为活跃，占整体的57%。

1.2 专利分布时间线分析

图2为按年份的专利申请国分布图，表示各个国家的专利分布及按年份的变化情况。不同于第一申请国的分析，图2的计数单位为公开的专利申请(而非专利族)。通过该图能够显示申请人整体对于请求专利保护的地域偏好，也可以间接地表示各个地域相关市场的大小[9-11]。

图2 专利分布时间线

a) 对于钻井早期溢流监测技术，在中国进行专利申请的专利件数为452件，位于第一。考虑到源于中国的专利数量(385件)，可以看出在中国的专利申请中，大多数是源自于中国，申请人多为中国企业。不过仍有部分海外企业在中国寻求专利保护，如贝克休斯、斯伦贝谢、哈里伯顿等均积极地在中国进行专利布局。在中国的专利申请呈逐年增加的倾向也表示中国日渐成为本领域的主要市场国。

b) 在美国申请专利的件数为378件，相对于首次申请在美国的专利数量(147件)有大幅度提升。表明全球大多数企业更积极地寻求在美国的专利保护。这样的倾向从20年前起便开始，持续至今。

c) 通过PCT进行本国外的申请也从未间断，2012—2014年达到最高每年约20件专利。领先企业中，斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯、NOV的所有发明中超过2/3都进行了PCT专利申请。

d) 虽然源自加拿大的专利申请较少，但在加拿大进行专利申请的数量相对较多。这与加拿大原油及天然气的储量较大有关。众多海外企业寻求在加拿大的专利保护，例如美国的哈里伯顿公司是在加拿大申请专利最多的企业。

e) 欧洲(包括挪威和英国)的情况也类似，挖掘及勘探活动相对活跃，成为本领域专利保护的重要区域之一。

f) 其他国家例如澳大利亚、巴西等也是石油开采活跃的国家，因此也获得了相应的专利布局。

2 早期溢流监测领域主要专利申请人

2.1 主要专利申请人活动

图3列出了各专利申请人的申请情况，包括申请数量、近5年专利占比、授权专利族占比、平均知识产权(IP)投入、平均专利族宽度等。通过分析能够了解各个专利权人在相关领域专利申请的情况。其中平均IP投入为Innopgaphy数据库中的独有数据，是综合考虑了技术领域、地域、专利种类、维持年份等多种信息进行的估算(下同)[12-15]。

图3 专利申请人活动

a) 整体来看，在钻井早期溢流监测技术排名前10的专利申请人中，中国企业占据超过一半数量，分别为中国石油天然气集团(CNPC)、中国石油化工集团有限公司、西南石油大学、中国海洋石油集团有限公司(CNOOC)、中国石油大学等。这些中国企业或大学的专利申请中，大部分是在最近5年内进行的。他们的专利申请集中在中国国内，因此平均每个专利族的IP投入金额较小。另外，实用新型专利占比较大也是中国实体IP投入较小的原因之一。

b) 排名前10的其余4家均为美国企业，分别为斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯和国民油井华高(NOV)。他们开始相关研发较早，而近5年的专利申请数量占比较少(22%以下)。他们普遍倾向于在更多地域获取专利，因此平均每个专利族的IP投入金额较高。

c) 从技术类别上看，大多数公司着力于压力参数监测方面。钻井液参数分析和综合录井分析也是关注重点。另外，贝克休斯的研究也侧重在电磁波信号传输方面。

2.2 主要权利人活动时间线

图4列出了按年份的各申请人的申请数量。通过该图能够了解各专利申请人的专利申请的变化情况。

图4 主要权利人活动时间线

a) CNPC的专利申请集中于近10年，晚于斯伦贝谢和哈里伯顿。其他如SINOPEC、西南石油大学、中国石油大学等的专利则更集中于近6年左右。这些中国企业或大学都属于新进实体或保持增长的势头。说明中国企业近年来开始逐步意识到钻井早期溢流监测的重要性并开始投入研发。SINOPEC近10年的专利占比达到86%，整体保持较高的申请趋势。

b) 美国公司斯伦贝谢和哈里伯顿在本领域起步较早，且整个20年间持续性地有相关专利分布。这表明他们长期投入到钻井早期溢流监测的研发当中，并且可能拥有部分关键技术。贝克休斯和NOV在20年间的若干年份有1～2件专利申请，未呈现出明显变化趋势。

3 主要申请人专利地域保护

3.1 主要申请人地域保护策略

图5列出了排名前10的专利申请人在各个国家或地域的专利申请占比。通过该分析能够考察各个专利申请人的专利地域分布情况，洞悉其专利申请策略。

图5 主要申请人地域分布

a) 在钻井早期溢流监测领域，大多数中国企业均把专利布局重点放在中国，较少有海外专利布局，中国石油大学在美国有部分专利分布。

b) 美国公司斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯和NOV等在各个地域均有专利分布，进行全球化的发明成果保护，申请的地域包括中国、美国、加拿大、巴西、挪威、澳大利亚、墨西哥等。这些地域均有相对丰富的石油资源，因此得到专利申请人的青睐。特别是加拿大，其受到的重视仅次于中美两国的原因在于具有充分的原油及天然气的储量。NOV虽然专利总数较少，但却积极地进行全球专利布局，对每个专利族平均拥有最广泛的(平均超过5个)地域分布。

c) 上述这些海外公司也积极地在中国进行专利布局，有的更在中国本土进行相关研发。

3.2 主要申请人技术保护地域广度

图6列出了排名前10的专利申请人关于钻井早期溢流监测的各主要技术分支的申请地域数量(数字越大表示地域分布越广)。通过该分析能够考察各个专利申请人对各个技术分支的地域分布侧重点。

图6 申请人技术保护地域广度

a) 从技术分支的维度来看，各个技术分支间的保护广度特征分布并不明显。对于大多数技术分支，是否进行广泛布局更多取决于专利权人的整体策略。

b) 中国多数企业把专利布局重点放在中国，而较少有海外专利布局。西南石油大学在声波信号传输、电磁波信号传输等领域进行了海外专利申请。

c) 斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯等美国公司在多个地域均有专利分布，进行全球化的发明成果保护策略，钻井液参数监测、综合录井、电磁波信号传输等多个技术分支均有多个国家的专利分布。

4 早期溢流监测领域专利具体技术分布

图7为技术分类树中钻井早期溢流监测相关的专利统计信息。包括各技术分支的专利族数、近5年申请占比、授权占比、每个专利族的平均IP投入、主要实体(即在该技术类别专利族数最多的申请人)。通过该图能够对钻井早期溢流监测相关的各个技术分支有宏观把握，了解各项具体技术的总体趋势。

图7 具体技术分布

a) 在钻井早期溢流监测的监测方法类别下，钻井液参数监测(170个专利族)及综合录井的方法(167个专利族)得到了较多关注，其次是地层岩性(67个专利族)。这3种早期溢流的监测方法的近5年申请占比均偏小，显示从更早的时间起便存在相应的研发。

b) 在钻井早期溢流监测的工作参数方面，与压力及温度的工作参数相关的发明占主导地位。斯伦贝谢在这两方面均有最多专利族。关于深度与介质参数相关的发明相对较少。

c) 在数据处理和识别上，使用阈值法是最常用也是相对较早便被研究的方法。斯伦贝谢在这方面拥有最多专利。而数学建模法和贝叶斯判别法均是较新的数据处理方法，近5年专利占比达到50%左右，西南石油大学在这两种方法上较为领先。斯伦贝谢也推出了一系列油气田勘探等的数字化的解决方案，其凭借先进的数据可视化、解释和分析工具，在石油勘探的每个阶段提供数字化的解决方案，帮助客户提高勘探成功率。

d) 关于钻井早期溢流监测技术的功效，反应及时率、准确率的提升最受到关注，并有较多的近期专利申请，因此可能是近期技术研究的热点方向。CNPC在这方面研究较多。而李思聪[16]在2018年进行的研究中披露了通过合理安排电磁流量计的位置来提高测量和预警准确度的方法。

5 结论及建议

a) 中国三大石油天然气公司(CNPC、SINOPEC、CNOOC)及西南石油大学和中国石油大学等国内领先企业及大学在2008年之后呈现快速发展的趋势，展现出了他们的重要性和影响力。目前，中国实体已经成为该领域最重要的参与者。

b) 中国的一些领先企业和大学都把专利布局重点放在国内，而较少有海外专利布局。因此可以考虑对于一些重要专利，在成本可控的前提下进行海外专利布局，一方面可以使自己的独有技术不受海外竞争对手模仿，另一方面在遇到海外专利侵权纠纷时也能作为反击的武器。特别是对于竞争对手布局较多的国家，如美国、加拿大、巴西、澳大利亚等可以进行布局考虑。

c) 从早期溢流的监测方法看，排名前10的企业或大学均在钻井液参数及综合录井方面有所研究。声波气侵虽然专利数量较少，但都集中在近5年内，是比较新的技术分支。综合录井与钻井液参数检测相关的多种方法均能达成适应井筒环境、提高传输效率、提升反应及时率准确率等的技术效果。

d) 数据处理、传输方式方面，几乎所有的排名前10的公司均在声波和电磁波方面有所成果。贝克休斯的专利申请中超过一半(60%)与信号传输方式较密切相关。电磁波信号传输不仅近期专利申请相对集中，并且申请人对其投入相对较高，可能是本领域中的新兴技术。而目前使用声波提高传输效率、速率和距离的研究数量相对较多。

e) 钻井早期溢流监测领域中的高价值专利更多属于哈里伯顿和斯伦贝谢等知名公司，都拥有较多数量的高质量专利，其专利组合的平均专利质量也高于其他申请人。中国申请人虽然在专利数量上已经超过这些美国企业，但发明质量的提升仍将是今后重要课题。