垂直鉆井技術專利分析研究

北京精密機電控制設備研究所 原譽桐 張 磊 鄭繼貴 李 澤

一、引 言

目前石油仍是全球主要能源，直接關系到經濟安全、國防軍事、國計民生等諸多方面，是國家的經濟命脈。隨著我國油氣資源勘探力度不斷加大，我國的油氣勘探工作得到了較快發展，并呈現出向深井、超深井及復雜結構發展的趨勢，這對鉆井技術提出了更高的要求。而垂直鉆井技術作為一種有效的技術手段，在鉆井過程中可有效減少套管層次及尺寸，有效預測和防止鉆井過程中的偏離，提升機械轉速，且可有效降低事故幾率，其已成為衡量國家鉆井發展水平高低的標志。因此，對垂直鉆井技術開展專利分析研究具有重要意義。

二、垂直鉆井技術關鍵技術圖譜及專利檢索分析

（一）關鍵技術圖譜

垂直鉆井技術的技術圖譜如圖1所示。垂直鉆井技術主要涉及鉆井方法及設備、鉆具及其附件、鉆桿等其他部件及維護設備、測量與測試、自動控制系統、流體開采技術6個方面。

圖1 垂直鉆井技術圖譜

（二）專利技術分析

1.專利申請趨勢分析

早在1901年便出現了以轉盤帶動鉆柱、鉆頭破碎井底巖石并使鉆井液循環以清潔井底的旋轉鉆井方法，并有相關專利出現。本文主要研究20世紀60年代以來垂直鉆井技術方面的全球專利申請情況，具體趨勢如圖2所示。

圖2 20世紀60年代以來垂直鉆井技術全球專利申請趨勢

從圖2可以看出，自1961年至今，垂直鉆井技術的發展包括3個階段，分別為萌芽期（1961—1994年）、發展期（1995—2010年）、快速發展期（2011年至今）。在萌芽期和發展期，相關專利幾乎全部由國外主體申請，我國在2009年之后才開始每年連續不間斷申請專利；進入快速發展期后，在各國垂直鉆井技術快速發展的驅動下，國內外的專利申請數量均呈現出指數型高速增長趨勢，我國的專利申請數量從2011年的21項快速增加到2016年的2487項，呈井噴式增長，也帶動了全球垂直鉆井技術專利申請數量的迅速增長，從2011年的1068項快速增長到2016年的4745項。國內垂直鉆井技術專利的主要申請主體有中國石油天然氣集團有限公司（以下簡稱“中國石油集團”）、中國石化集團有限公司（以下簡稱“中國石化集團”）、西南石油大學、中國石油大學等。

2.專利地域來源分析

20世紀60年代以來全球垂直鉆井技術來源國家的占比情況如圖3所示，從圖中可知，美國是垂直鉆井技術的最大來源國，共申請專利18369項，占全球專利總申請數量的50.23%；第二大來源國為中國，共申請專利8799項，占全球專利總申請數量的24.06%，且幾乎全部為近10年申請；其次是英國、法國、加拿大等，其專利申請數量占全球的3%左右，其余國家的專利申請數量相對較少。

圖3 20世紀60年代以來全球垂直鉆井技術來源國家的占比情況

3.技術構成分析

近10年內垂直鉆井技術的構成情況如圖4所示，由圖可知，自2011年起，測量與測試方面的專利申請數量最多，共有10970項專利，占近10年專利總申請數量的45.50%；其次是鉆桿等其他部件或維護設備，共有4707項專利，占近10年專利申請總量的19.52%；申請量排名第三的技術是鉆井方法及設備，共有4044項專利，占近10年專利申請總量的16.77%；之后是流體開采和自動控制系統，分別占近10年專利申請總量的7.32%和7.15%；鉆具及其附件的專利申請數量較少，只占近10年專利申請總量的3.73%。由此可見，測量 與測試、鉆桿等其他部件或維護設備、鉆井方法及設備等發展迅速，是目前比較容易取得技術成果的技術分支。

圖4 近10年來垂直鉆井技術構成情況

4.主要創新主體分析

2000年以來，垂直鉆井技術方面專利申請量排名前五的主要創新主體如圖5所示，包括3家已有百年歷史或接近百年歷史的美國老牌能源公司和2家中國石油公司。

其中，美國Halliburton公司是世界上最大的為能源行業提供產品及服務的供應商之一，該公司成立于1919年，其子公司哈里伯頓能源服務集團目前的業務覆蓋產層評價、鉆井、完井、采油和油氣井維護等方面，其在油氣勘探、開發及開采作業服務和設備提供方面處于世界領先地位。Halliburton公司近20年內申請的專利數量最多，共申請專利2362項。

美國Sc hlumberger公司是全球最大的油田技術服務公司，于1927年創立，可提供實時的油氣田綜合服務和解決方案，并能將其信息技術和網絡解決方案拓展到其他領域，其油田服務業務涵蓋測井、鉆井、固井、綜合鉆井、綜合地震、油藏管理和綜合項目管理領域，并向高度綜合的方向發展。Schlumberger公司近20年內共申請專利2037項，僅次于Halliburton公司。

圖5 2000年以來主要創新主體的專利申請數量排名情況（前5名）

中國石油集團是在原中國石油天然氣總公司基礎上組建的特大型石油石化企業集團，主要業務包括國內外石油天然氣的勘探開發、煉油化工、油氣銷售、管道運輸、國際貿易、工程技術服務、工程建設、裝備制造、金融服務、新能源開發等。中國石油集團近20年內共申請專利1102項，僅為Halliburton公司申請量的一半，目前在垂直鉆井技術方面非常活躍。

美國Baker Hughes公司是一家為全球石油開發和加工工業提供產品和服務的大型油田技術服務公司，迄今已有百年歷史，公司最初由貝克國際公司（Baker International）和休斯工具公司（Hughes Tool Company）合并而成，主要從事油田總包服務，鉆井、地層評估和鉆井液系統，完井、生產、壓裂及生產管柱系統，生產流程及化學藥劑服務方面的業務。Baker Hughes公司近20年內共申請專利1067項，與中國石油集團的專利申請數量相當。

中國石化集團是在原中國石油化工總公司基礎上重組成立的我國最大的成品油和石化產品供應商、第二大油氣生產商，是世界第一大煉油公司，主營業務范圍有石油、天然氣的勘探、開采、儲運（含管道運輸）、銷售和綜合利用，石油化工、天然氣化工、煤化工及其他化工產品的生產、銷售、儲存、運輸等。與排名前四的創新主體相比，中國石化集團在垂直鉆井技術方面申請的專利數量較少，近20年內共申請專利547項，僅為Halliburton公司申請量的1/4，中國石油集團的1/2，在垂直鉆井技術方面與排名前四的創新主體相比還有一定的差距。

三、垂直鉆井技術中美對標分析

為了更清楚地了解我國垂直鉆井技術目前的發展水平及與先進國家的差距，下面將對我國及美國的專利申請情況進行對標分析。

（一）中美技術構成分析

20世紀60年代以來垂直鉆井技術的中美技術構成對比圖如圖6所示，可以看出，美國在測量與測試、鉆桿等其他部件或維護設備、自動控制系統方面遠遠領先我國，在流體開采技術、鉆具及其附件方面也有很大優勢；在鉆井方法及設備方面，我國的專利申請數量稍微領先美國，這也是唯一一個我國專利申請數量領先美國的技術分支。

（二）中美主要創新主體對標分析

2000年以來中美主要創新主體的專利申請趨勢對比圖如圖7所示，可以看出，在垂直鉆井技術方面美國3家老牌能源公司每年均有專利成果產出，而中國石油集團及中國石化集團開始申請專利的時間較晚中國石油集團在2009年才申請了第一項專利，而中國石化集團直到2013年才有專利產出。

5家主要創新主體的專利申請高峰均出現在專利申請的快速發展期，其中Halliburton公司的申請高峰出現在2013—2018年，最大年申請數量為642項，可見近幾年Halliburton公司在垂直鉆井技術方面仍然非常活躍，具有非常雄厚的技術實力；Schlumberger公司的申請高峰出現在2014—2016年，最大年申請數量為233項，Schlumberger公司的技術發展比較平穩，并無較大起伏與突破，雖然其近年來的活躍程度與Halliburton公司相比還有一定差距，但其技術實力仍非常雄厚；Baker Hughes公司的專利申請高峰出現在2011年，最大年申請數量為105項，從2000年開始，Baker Hughes公司每年的專利申請數量都比較穩定，進入快速發展期后，其專利申請數量也無較大波動，近些年來在垂直鉆井技術領域不太活躍；中國石油集團與中國石化集團的專利申請高峰出現在2016—2018年，與3家美國公司的申請高峰時間相比稍微有些滯后。

2000年以來5家中美主要創新主體的技術構成對比如圖8所示，可以看出，5家公司在測量與測試方面的專利申請數量占比均超過各自申請總量的50%，可見測量與測試技術是專利成果的主要來源。另外，各創新主體的專利成果還主要集中在鉆桿等其他部件或維護設備方面，占比為12%～20%左右。

圖6 20世紀60年代以來垂直鉆井技術方面中美技術構成對比圖

圖7 2000年以來中美主要創新主體的專利申請趨勢對比圖

另外從圖8可以看出主要創新主體在業內的優勢（縱向來比較，顏色越深則代表優勢越大），其中，Halliburton公司的優勢技術在鉆桿等其他部件或維護設備、鉆井方法及設備、測量與測試方面；Schlumberger公司的優勢技術在自動控制系統、流體開采技術、測量與測試方面；中國石油集團的優勢技術在流體開采技術方面；Baker Hughes公司的優勢技術在鉆具及其附件方面。中國石油集團與中國石化集團在鉆具及其附件、鉆井方法及設備和自動控制系統方面的技術實力較弱，與3家美國公司相比尚不具有明顯競爭優勢。

圖8 2000年以來中美主要創新主體的技術構成對比圖

四、發展建議

（一）繼續加強測量與測試技術、鉆桿等其他部件或維護設備方面的研發力度

從近10年的技術構成來看，測量與測試、鉆桿等其他部件或維護設備方面發展迅速，是目前比較容易取得技術成果的技術分支。測量與測試、鉆桿等其他部件或維護設備技術方面仍是美國的優勢技術，多數核心技術仍掌握在美國手中，我國在此方面與美國仍存在很大差距，因此，我國需要繼續加大對測量與測試技術、鉆桿等其他部件或維護設備的研發力度。

（二）著重彌補鉆具及其附件、自動控制系統方面的技術劣勢

從技術構成分析來看，雖然近10年來鉆具及其附件、自動控制系統方面的技術創新并不活躍，但是我國與美國在這兩方面尚存在較大差距，我國創新主體在該方向申請的專利數量所占比重較小，尤其是在鉆具及其附件方面。因此，為防止競爭對手采取專利圍堵等手段進行技術封鎖、壟斷等，我國創新主體應著重彌補鉆具及其附件、自動控制系統方面的技術劣勢。

（三）加強國內合作，繼續維持或加大鉆井方法及設備、流體開采技術方面的優勢

從技術構成分析來看，鉆井方法及設備是近10年的熱門發展技術，而且我國在鉆井方法及設備方向申請的專利數量稍多于美國，在該方面稍微具備一些技術優勢，但中國石油集團和中國石化集團作為我國專利申請數量最多、全球專利申請數量排名前五的2家公司，在鉆井方法及設備方面卻處于技術劣勢；而流體開采技術雖然不是近10年內的熱門發展技術，但中國石油集團在流體開采方面具有技術優勢，可見我國國內各創新主體在鉆井方法及設備、流體開采等方面的技術發展不均衡，因此，有必要加強國內各單位在鉆井方法及設備、流體開采等方面的技術合作，繼續維持或加大我國在鉆井方法及設備、流體開采技術等方面的優勢。

五、結 論

開展垂直鉆井技術專利分析有助于更好地了解我國現階段該技術的發展水平，以及與先進國家的技術差距，便于我國創新主體調整創新方向，更好地為新技術開發提供指引和借鑒，增強我國在垂直鉆井技術方面的競爭實力，防止其他國家實施技術封鎖和技術壟斷。