浅谈高温高压环境下的密封连接器开发策略

余贵龙，王丽文

(贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550008)

1 引言

高温高压密封连接器是一种用于石油和天然气井下电子模块之间提供电气连接的连接器。近年来，我国一些企事业单位开始研制这类连接器，而在发达国家对这类连接器已经研究了半个世纪以上。目前，使用这类连接的下游企业有纽约斯伦贝谢、哈里伯顿能源服务、著名油田设备制造、近海钻探、美国贝克休斯、美国福陆、威德福油田设备、必捷油田服务、英国石油服务等公司。这些公司的年需求量每家都达千万美元以上，又是从事的是石油产业。可见，该类连接器市场潜力是非常可观，利润是相当丰厚。那么，国内企业如果要开发这类连接器产品用来与技术非常成熟的为数不多的国外竞争对手展开竞争，该采取什么策略，如何规避专利侵权，甚至于如何突破专利技术壁垒呢?这些方面成为企业决策者非常关心的事情。

2 高温高压密封连接器的发展情况

2.1 高温高压密封连接器能够达到的环境性能指标

高温高压密封连接器使用于石油和天然气井下作业的工具，为系统之间提供电气连接。例如，为了获取油井内信息需要一套系统，连接器在该系统中可以提供数据的通路，具体如数据采集模块和数据通信模块之间的通路。当这类连接器暴露在具有高温、高压环境中时，经常发生机械失效或电气失效。机械失效通常是融化或机械变形，电气失效主要是由于周期性的机械应力导致的接触失效等。

目前，该类连接器产品研制达到了相当高的水平，主要表现在以下两个方面:

(1)能够承受非常恶劣的高压力、高温度环境。例如，在5000m到8000m这个深度范围，井底温度有350℉到400℉(177℃到204℃)，压力大约有15000psi(大约103MPa)。有时，井下石油测井仪的探针环境温度居然达到500℉或者更高，环境压力高达25000psi甚至高达28000psi。

(2)能够暴露在化学侵蚀的环境中，比如暴露在用于促进钻井的泥和其他流体，包含添加剂在内的化学物，这些化学物能使井下工具的非金属组件老化，具有很强的腐蚀性，pH值可达到12.5。这些化学物包含对许多材料都具有腐蚀性的盐水、天然石油、二氧化碳和/或硫化氢等。

2.2 高温高压密封连接器的主要专利保护情况

全世界范围内检索该类连接器的专利申请情况，发现主要专利及产品市场在美国，通过"High temperature"、"High pressure"、"Oil"、"Drilling"、"Downhole"、"Ceramics"、"Thermoplastic"、"Glass"等关键词检索并筛选得到如下主要专利列表:

表1 美国高温高压密封连接器主要专利列表

从检索到的专利来看，将美国的现有高温高压密封连接器专利叠加起来，几乎已经构成了一个专利技术壁垒，尤其是"Kemlon"和"Greene Tweed"两家公司所申请的专利。虽然针对这两家公司的专利群可以研究出很多不同于某些专利所披露的技术方案，但这些可以研究出的技术方案能突破一家公司的专利却不能突破另一家公司的专利。可见，这两家公司的专利构成的保护池是相当的严密。幸运的是，通过在美国专利检索网站检索到相关专利的法律状态，部分专利已经失效，有的专利虽然申请了，但由于各种原因，申请人最终还是决定放弃了。这给我们开发这些专利技术所披露的产品提供了可行的途径。

3 高温高压密封连接器的有效专利

3.1 US7249971B2

如图1所示为美国专利US7249971B2实施例附图。该专利保护的技术方案如下:

一种密封压力连接器提供了一种通过隔板上的孔进行耐压密闭的，导电的连接。连接器包含:一块横向支撑板，它有至少一个贯穿自身的孔;至少一只接触件，每一只有高压端和低压端，并沿轴向穿过该孔;至少一个绝缘套筒，每一个包裹着中心的接触件，使横向支撑板与每只接触件绝缘，其中每只绝缘套筒包含一端加粗的基体部分，由此与接触件的台阶相配合，这一端位于台阶和横向支撑板之间，这样装配就能为接触件提供稳定性;一个注塑的外壳至少在高压或低压其中一端包裹着中心的接触件，接触件数量至少一只，这样就能为接触件在孔中提供机械支撑，注塑外壳直接与接触件、绝缘套筒和横向支撑板密封啮合。

3.2 US7442081B2

如图2所示为美国专利US7442081B2实施例附图。该专利保护的技术方案如下:

图2 美国专利US7442081B2实施例附图

通过在隔离壁中的一个孔提供压紧和导电连接的密封压力连接器包括:一个横向支撑结构，一边是高压力，另一边则是低压力，一个通道从两边穿过该横向支撑结构;一根导体针，其轴向部分穿过通道;一个绝缘套筒，至少包裹着导体针的轴向部分从而使导体针与横向支撑部分电绝缘，其中该绝缘套筒是两个嵌合衬套;其中两个嵌合衬套中第一个衬套在高压力边且由陶瓷构成，第二个衬套在低压力边且由聚合材料构成;一个模塑连接器壳体，至少在高压力和低压力中一边包裹着导体针的一个中间部分，从而在通道中机械支撑着导体针，模塑壳体和导体针、绝缘套筒以及横向支撑结构直接密封啮合。

3.3 US7901247B2

如图3所示为美国专利US7901247B2实施例附图。该专利保护的技术方案如下:

(1)第一独立权利要求

一种用于高温高压油气井中的电连接器，包括:一个热塑性绝缘体，具有特定的抗压强度;一个金属导体插针，部分插入上述的热塑性绝缘体内部，所述导体至少有一部分具有特定外径尺寸;以及一个绝缘衬套，具有一定的抗压强度，应高于上述的热塑性绝缘体，且有首端和末端，在上述首端和末端之间有一个内部通道，上述导体至少有部分位于上述通道，且上述通道的内径小于上述导体的至少一部分的外径。

(2)第二独立权利要求

一种用于高温高压油气井中的电连接器，包括:一个热塑性绝缘体，具有特定的抗压强度;一个金属导体插针，部分插入上述的热塑性绝缘体内部，所述导体至少有一部分具有特定外径尺寸;以及一个绝缘衬套，具有一定的抗压强度，应高于上述的热塑性绝缘体，且有首端和末端，在上述首端和末端之间有一个内部通道，上述导体至少有部分位于上述通道，且上述通道的内径小于上述导体的至少一部分的外径，上述电连接器的以无玻璃密封为特征。

图3 美国专利US7901247B2实施例附图

4 高温高压密封连接器可开发产品的举例

从表1中列出的主要专利及其法律状态，我们可以看出，有多项专利的法律状态显示为终止、失效或者是放弃的状态，说明这些过期的专利技术的代表产品，任何公司都可以参照开发，以此节约大量的重复研发费用。这些产品可以是:

4.1 单芯注塑产品

该款产品采用塑料注塑以包裹图中所示的接触件而形成(见图4所示)，基本符合5203723和US20030032339 A1(未授权)专利的保护要求。其中，前者为哈里伯顿公司(Halliburton Logging Services)申请并于1993年4月20日授权的。目前，该专利保护期已过;后者为Greene Tweed公司2003年申请的，专利要求保护使用材料为聚醚酮酮(PEKK)或其衍生物，权利要求中没有要求保护材料为PEEK的情况;相反，专利说明书中说到使用PEEK材料不能达到要求，而使用其要求保护的PEKK及其衍生物可以满足产品的要求。经检索得知Greene Tweed公司的US20030032339专利目前已经被放弃了，同美国哈里伯顿公司的5203723专利一样，已经没有法律效力。因此，任何公司都可以使用该两项专利技术，可以采购能够承受非常恶劣的高压力、高温度环境，能够暴露在化学侵蚀的环境中的PEKK或其衍生物来生产该产品。

图4 单芯注塑产品结构图

4.2 单芯注塑改进产品

该产品基本特征为在上述单芯注塑产品的基础上增加金属承压部分(带螺纹)，如图5所示。该结构与专利US 6582251 B1中的附图4完全一致，落入该专利的保护范围。但通过专利法律状态检索，发现该专利权已经终止，不构成对该专利的侵权。

图5 单芯注塑改进产品结构图

4.3 玻璃烧结产品

图6 所示为单芯玻璃烧结产品，其结构特点为两端陶瓷+内部玻璃烧结，即图中的基座1和基座2为陶瓷材料，两陶瓷之间为玻璃。美国专利US3793608和US3898731(两件专利申请较早，表1中未予列出)早已将其技术内容公开，且该两件专利授权日期分别为1974年2月19日和1975年8月12日，已超过专利的有效期。

图6 单芯玻璃烧结产品结构图

5 高温高压密封连接器开发侵权产品举例

所有与表1中列出的有效专利，即是本文第3章节列出的这些有效专利所要保护的技术方案接近的产品的实施，如在美国制造、使用、销售、许诺销售、进口(对于中国来说就是出口)到美国都可能会构成侵权。例如图7所示的产品同时落入US7249971B2和US7901247B2两个专利的权利要求的保护范围，即是与本文第3章节列出的这两个有效专利所保护的技术方案的内容相符。目前，US7249971B2为 GreeneTweed公司的专利，US7901247B2为Kemlon公司的专利，两个专利均有法律效力。虽然我们可以研究出很多不同的技术方案，但这些可以研究出的技术方案能突破一家公司的专利却不能突破另一家公司的专利，因此，要同时突破这两个专利的保护范围是很难的。如果不进行分析研究就实施或想当然地变化加以实施，很容易构成产品侵权。

图7 落入有效专利保护范围的产品结构图

6 高温高压密封连接器的开发策略

从以上所述我们可以看出，高温高压密封连接器由于使用环境相当苛刻，能够用于该类连接器的材料不多。而且，从检索到的高温高压密封连接器的相关专利技术来看，能够构成高温高压密封连接器的结构要素也比较少，如仅是热塑性塑料、以陶瓷为代表的高抗压绝缘体、用于密封的玻璃、导电弹簧、金属外壳、中心电导体，橡胶、高温密封胶等几种构件。由此可见，对于该类连接器，国外企业经过半个世纪的研究，其技术成熟程度是相当高的，国外的这些产品生产商目前所生产的产品，不仅产品性能指标能满足使用要求，而且所实施的产品技术方案当然也是最佳的，如工艺方面的、成本方面、质量方面等已经是成熟地进行优化了。因此，我们可以提出以下高温高压密封连接器的开发策略。

6.1 产品跟随策略

基于绝大多数的专利法律状态显示已经失效、终止、放弃等情况，产品开发采取仿制国外高温高压密封连接器制造厂商的产品策略，也就是能够防制的尽量仿制，如仿制Greene Tweed的单芯注塑产品，仿制Kemlon的玻璃烧结产品。

6.2 专利无效策略

如图7所示产品同时落入US7249971B2和US7901247B2两个专利的权利要求的保护范围。其中，US7249971B2为Greene Tweed公司的专利，US7901247B2为Kemlon公司的专利，两个专利直到现在均有法律效力。如果我们仅仅采取挖掘新的技术方案的策略来突破专利侵权，当然比较困难。

我们可以看到的是Greene Tweed公司的专利US7249971B2的一个实施例附图如上述的图1，与Kemlon公司的专利US7901247B2一个实施例附图如上述的图3，两者是如此的相似，而且Kemlon公司的专利US7901247B2要求保护的技术方案中的技术手段基本上已经被Greene Tweed公司的专利US7249971B2披露了，两个专利的申请日跨度也较长，不存在美国专利法中规定的使用公开宽限期1年的限定问题。因此，可以通过Greene Tweed公司的专利US7249971B2作为现有技术提起无效Kemlon公司的专利US7901247B2。

如果让Kemlon公司的专利US7901247B2变成无效专利，然后再采用挖掘新技术方案的策略突破Greene Tweed公司的专利US7249971B2，就变得比较容易突破专利侵权了。

6.3 专利跟踪策略

某个项目在全世界各国或地区的专利申请和授权两方面的情况，在一段时间以内，是个动态变化的状态，高温高压密封连接器也不例外。为了避免专利侵权，我们还要注意不断地在研发周期内进行检索以跟踪专利公开情况，以防止在一个国家或地区发生专利侵权。

7 结束语

高温高压密封连接器作为一种在恶劣的环境下连接电子模块的连接器，能够承受极高的压力和温度，也能够暴露在化学侵蚀性的环境中，并且使用于利润较高的石油钻探行业，目前能够制造该类连接器的厂商也不多。因此，着手开发高温高压密封连接器的前景是十分可观的。同时，高温高压密封连接器现有专利权多数已经被放弃、终止或失效，因此，开发商开发该类产品可以采取“产品跟随策略”;基于高温高压密封连接器现有专利之间存在相互影响专利性的原因以及有的专利可挖掘新的技术方案进行突破，可以采取专利无效策略与挖掘新技术方案开发策略;基于某个项目在全世界各国或地区的专利申请和授权两方面的情况，在一段时间以内，是个动态变化的状态，需要采取专利跟踪策略。