水平井入流智能控制工具技術專利信息分析

蘭起超，莊 園

（1.國家知識產權局專利局專利審查協作天津中心，天津 300304；2.大慶油田測試第九大隊，黑龍江 大慶 163000）

水平井是開發油氣藏的一種重要技術手段。然而，水平井水平段波及油藏不同層段的非均質性差，造成滲透率高的層段產水，滲透率低的層段油還未采出，即水脊進或錐進突破產水，而水突破后找水堵水作業十分困難，影響最終的原油采收率，這已成為制約水平井高效開發的技術瓶頸。因此，在水平井生產期間亟需控制水平井入流，即控制水相的產出，均衡產業剖面。而智能控水工具由于結構簡單、無電子器件、適應性好、成本低等優點，已發展為目前控水領域最為重要的工具之一[1-2]。

本文將從專利的角度分析水平井智能控水工具的技術研發脈絡及重要公司的專利布局，旨在為本領域的技術人員對技術的研發和知識產權保護提供參考[3-4]。

1 專利態勢分析

1.1 專利分類

水平井入流智能控制工具在專利庫中主要有3個分類號：①E21B34/06井內的閥裝置；②E21B43/12控制采出液體向井內或在井內流量的方法或設備；③E21B43/32防止氣錐或水錐現象，即在井的周圍形成氣或水的錐體。本文基于CNABS、VEN數據庫和全文庫，利用分類號和關鍵詞“flow control、water、入流控制、流入控制、控水等”得到樣本數據。截至2017-12-28，相關專利申請數量達到了2 350件。

1.2 專利申請年度分布

1990—2000年期間為水平井入流控制理論形成時期，之后為技術成形及迅速發展時期，因此，將1990—2000年期間的專利申請以10年為統計節點，將2001—2017年以每年為統計節點，得到申請量隨年代的分布情況如圖1所示。

從圖1可以看出，2001—2006年，水平井入流控制工具專利申請量較為平穩；2007—2008年，受國際油價不斷攀升的影響，行業形勢利好，因此水平井入流控制工具專利申請量大幅上升，而由于2008年下半年至2009年的油價探底，水平井入流控制工具專利申請量有很明顯的回落。自2010年以后，隨著油價上漲、行業復蘇，再加上技術上水平井的大規模普及，大部分油田開始進入開發后期的高含水期，以及非均質油藏的開采等，都對控水工具提出了急切的需求。綜合上述原因，2010—2014年，水平井入流控制工具專利申請量進入高速增長時期，而2015年受油價下跌的影響及技術發展瓶頸的限制，專利申請量開始下滑。

圖1 專利申請量年度分布

1.3 專利公開國家分布

圖2給出了專利申請公開國家的分布，專利在不同國家公開的數量多少受該國油藏儲量、油藏產量、開發技術、發展環境以及申請人國別等多重影響。由圖2可知，美國的專利公布量占比近一半，達到了42%，這是由于美國作為世界第二大產油國，國際知名的大石油技術公司較多，技術發展較早，重視專利技術的研發、保護及運用。我國占比排名第二，達到17%，這是由于我國在國際石油開發的市場定位屬于新興市場，開發政策好，國際技術專利已進入中國。俄羅斯是第三大產油國，英國具有石油開發公司中的巨頭——殼牌石油，使得兩國均占比6%，并列排名第三。加拿大作為第六大產油國，占比3%，排名第四。

圖2 專利申請公開國家分布

1.4 主要申請人分布

通過合并同族、母子公司及去噪，統計出了專利申請排名前7的申請人，如圖3所示，來自美國油田技術領域的3家國際大公司哈里伯頓、貝克休斯、斯倫貝謝的申請量占據了總申請量的前3位，且占了總申請量的85%有余，呈現出哈里伯頓一家獨大的局面。前7名中，我國的申請人只有一家，排名第4的中國石化有16件相關專利。這反映出，水平井入流控制工具的核心技術已被國外的大石油公司壟斷，我國對相關技術的研究還處于探索和模仿的起步階段。

圖3 專利申請公開國家分布

2 從研究熱點看發展脈絡

水平井入流控制工具控水（或氣）的機理是不同相（油氣水三相）的密度、黏度或壓力不同，使通過流道的流體通過摩擦力、離心力等手段實現相的分離，使產出的流體大多為期望的流體（通常為油），而不期望產出的流體（通常為水）限制產出。20世紀90年代初期，挪威的海德魯公司（Hydro）首先提出了ICD的概念，并于1992-09-18申請了曲徑式入流控制器（NO306127B1）的專利，1994年該曲徑式流入控制器首次應用于Troll油田水平井中，達到了很好的控水（控水脊和氣錐）增油效果。海德魯公司于1993-09-15申請了首個管束式流入控制器（US5435393A）。自此以后，水平井入流控制技術及配套工具得到不斷的發展和完善，并根據流體力學的基本原理，逐步發展為曲徑式、管束式、螺旋式、噴嘴式、封堵閥式、密度/壓力閥式、混合式以及渦旋式[5]。下面以首次申請日為時間路線，還原技術發展脈絡，如圖4所示。

圖4 主要技術發展路線

3 哈里伯頓渦旋式工具專利布局分析

由第2部分研究熱點及技術發展脈絡可知，渦旋式工具為申請量最多的申請，基本集中在2010年以后，且基本被哈里伯頓公司一家所壟斷。哈里伯頓在控水領域引入旋流分離原理，基于旋流腔室結構，不同密度的流體相會產生旋渦分離，密度大的水會在離心離力的作用下處于外層，密度小的油處于中間，并從中間出口流出。基于上述機理，哈里伯頓在全球范圍內共布局申請100余件，涵蓋旋流的串并聯、旋流閥結構、旋流室結構、響應件、分離水相排出、結合現有控水模式、外接流道以及用途等，參見圖5，基本覆蓋了該核心部件在油氣開發領域應用的絕大部分。雖然國內已有一部分科研機構或公司開始模仿哈里伯頓公司的渦旋式控水工具，但由于哈里伯頓公司較好的專利布局，除西南石油大學有一件專利申請（CN104389553A）獲得授權外，其他專利還較少得到授權。與哈里伯頓公司呈鮮明對比的挪威海德魯公司（Hydro）雖然研發了兩個開創性的專利，但由于缺乏專利布局，均有相關的公司在其專利的基礎上發展了各自的技術，大大影響了其專利的價值。

圖5 渦流式專利布局分布

4 總結與建議

創新重在原理，機理推動設計。通過本文第2部分的發展脈絡可知，技術的革命性創新基本上來自于原理的創新，而核心的設計或專利都基于最初提出的原理構思。因此，本領域的技術人員在創新時應更多地從原理上出發，以機理啟發技術手段，以技術手段優化設計，這可以從根本上解決本領域的尷尬現狀——國外大公司對某些核心技術“只租不賣”的壟斷。

專利轉化產權，布局提升競爭力。設計轉化為專利產權后，能夠更好地保護知識產權，而好的專利布局可最大限度地保護企業的核心價值，提升企業的競爭力。

注重特殊人才培養，完善科研團隊。本領域科研人員在專利范圍的撰寫和布局與國外存在較大差距。國內的研究團隊應在注重研發的基礎上，相應地注重專利技術分析，注重吸納和培養專利挖掘、確權撰寫和保護的人才，為技術創新安上知識產權的保護網。

［1］陳偉，馮小紅，張雪梅，等.水平井平衡采油工藝技術［J］.斷塊油氣田，2008（02）.

［2］王海靜，薛世峰，高存法，等.非均質各向異性油藏水平井流入動態［J］.大慶石油學院學報，2012（03）：80-85.

［3］張寶文，張運東，李春新.加強知識產權開發與管理提升中國石油核心競爭力［J］.石油科技論壇，2009，28（2）：1-4.

［4］宋巧枝，方曙.專利信息分析方法在企業戰略制定中的應用［J］.現代情報，2007（10）：193-195.

［5］陽明君.底水油藏水平井分段完井控水優化研究［D］.成都：西南石油大學，2017.