哈里伯顿固井水泥外加剂专利分析

中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院

哈里伯顿固井水泥外加剂专利分析

邸伟娜 赵汩凡 李 婧

中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院

哈里伯顿固井技术水平国际领先，公司针对固井水泥外加剂（缓凝剂、降失水剂、分散剂和促凝剂）共申请111件专利。对全球和哈利伯顿相关专利进行深度分析，解读专利申请国家和地区分布、专利申请时间、专利技术内容，指出哈里伯顿固井水泥外加剂领域重点关注的技术热点及发展态势。公司越来越重视聚合物类外加剂的研发，特别是缓凝剂和降失水剂。其中缓凝剂相关专利申请数量最多，达50件，申请分布范围广，在全球抢占了有利市场。此外，用于满足特定苛刻的井下条件（如高温腐蚀）等特殊助剂是公司另一研发方向。加强专利分析，有助于借鉴国外公司的专利申请及保护策略，为国内公司申请相关领域专利、加强知识产权保护、新技术研发提供思路。

哈里伯顿；固井；水泥外加剂；专利分析；知识产权保护示

哈里伯顿公司成立于1919年，目前是全球第二大油田服务公司，主要为油气工业上游提供能源产品和服务[1]。公司业务遍布全球80多个国家和地区，共有员工65000人（截至2015年底）。业务范围由成立之初的固井服务逐步发展到目前的油气勘探开发全产业链服务，主要包括完井采油和钻井评价等，其中完井采油业务主要包括固井、增产措施、干预、压力控制、特殊化学品、人工举升及完井产品和服务，钻井评价业务主要包括油田和储层建模、钻井、评价和井位控制方案[2]。

作为油服公司，哈里伯顿非常重视新技术的研发和知识产权保护。即使在宣布收购贝克休斯后遭遇油价断崖式下跌、营业收入锐减28%的情况下，公司仍在2015年推出了9项新技术及新产品，使非生产时间同比减少了21%[2]，显示了公司强大的技术创新能力。

固井是钻完井作业中不可缺少的重要环节，承担着保护支撑油气井内套管，封隔油、气与水等地层的作用，其成本在整个钻井工程中占有很大比例。固井技术一直都围绕着如何进一步提高固井质量及减少固井事故这一最终目标进行研究并不断发展。

固井作业包括下套管和注水泥两个主要环节。通过注水泥施工，用油井水泥填充套管和井眼之间的环形空间，主要作用是隔绝流体在层间流动、支撑套管、防止管壁腐蚀、封隔漏失层或低压层等。水泥浆主要由水、水泥和各种水泥外加剂组成，水泥外加剂是调节水泥浆性能的关键[3]。固井水泥外加剂一般可分为缓凝剂、降失水剂、分散剂、促凝剂、加重剂、减轻剂、防漏剂及特殊外加剂等，其中缓凝剂、降失水剂、分散剂和促凝剂是最常用的油井水泥外加剂[4]。

固井是哈里伯顿的传统优势业务，公司在固井水泥外加剂领域占据领先。截至2015年6月30日，哈里伯顿共申请了各种外加剂专利3790件。本文重点关注哈里伯顿公司在缓凝剂、降失水剂、分散剂和促凝剂等领域的技术进展。

1 专利申请地区重点突出

根据固井水泥外加剂专利申请地域的不同，对优先申请专利的国家或者地区进行统计，发现申请量存在着显著差异（图1）。其中，美国占全球专利申请总量的27.85%，排名第一，俄罗斯和中国紧随其后，位居第二位和第三位，说明公司在抢占美国、俄罗斯和中国等主要油气资源国有利的市场地位。

图1 固井水泥外加剂专利申请量排名前10位国家或地区

2 专利拥有量居全球之首

针对固井水泥外加剂技术领域中拥有最多申请专利的专利权人进行分析（表1），可以看出世界四大油服公司（哈里伯顿、斯伦贝谢、贝克休斯和威德福）的专利申请量占据前4位，这与它们在石油行业内的龙头地位相符合。

表1 固井水泥外加剂整体技术领域主要专利权人申请量

图2是1963—2015年固井水泥外加剂专利申请量排名前10位的专利权人历年申请数量分布。由图中可知，哈里伯顿固井水泥外加剂专利申请数量最多，增长幅度明显大于其他专利权人，且其专利申请持续性强。说明公司一直很重视该领域的技术创新，几十年来持续投入大量资源用于研发，并申请了很多专利。2005年，哈里伯顿固井水泥外加剂专利申请数量达到历史最高峰，超过了300件。公司历年专利申请趋势基本代表了固井水泥外加剂技术领域整体的变化趋势，呈现阶段性特点。

图2 固井水泥外加剂技术领域申请量前10位专利权人历年申请量趋势图

3 重点专利分析

3.1 缓凝剂

为了保证施工安全，施工时间应少于水泥稠化时间，这是控制注水泥浆作业的关键。如果水泥浆尚未达到预定位置就不能泵送，则会造成固井失败。为了准确控制施工时间，既要保证施工安全，又要尽快缩短水泥浆在环空中的候凝时间，通常要在水泥浆中加入稠化时间调节剂，即调凝剂。能延长稠化时间的外加剂为缓凝剂。

缓凝剂是固井施工过程中应用最多的外加剂，全球各大公司都非常重视缓凝剂的研发，相关专利数量较多，共156件。其中在美国、中国、俄罗斯的申请量排前3位，占总量的68%（图3）。

哈里伯顿公司缓凝剂专利申请数量多达50件，类型多样，研究范围广泛。专利申请时间跨度大，从1973年持续到2015年。图4为哈里伯顿缓凝剂专利申请的时间分布，可以看出20世纪90年代初期形成第一个申请高峰，2004年和2005年是申请的最鼎盛时期，这两年的申请量都为6件，说明哈里伯顿在缓凝剂研发上投入了大量人力、物力、财力，当时也正值石油工业快速发展，给固井水泥外加剂发展带来了无限生机。2010年以后，公司每年都申请缓凝剂相关专利，2013年申请量为5件。解读近5年的缓凝剂专利可以发现，哈里伯顿将研发重点转向了复配、高效、聚合物方面，这有利于降低作业成本，提高效率。

图3 缓凝剂专利申请国家及地区分布

图4 哈里伯顿缓凝剂专利申请时间分布

哈里伯顿公司缓凝剂相关专利申请的国家和地区包括美国、欧洲、意大利、加拿大、德国、澳大利亚、墨西哥等，分布范围较广，占据了有利市场地位。其中美国最多，申请量达到31件，说明美国是哈里伯顿的最大市场；加拿大、欧洲、澳大利亚位列第二位、第三位、第四位，分别为6件、5件、4件。

通过对专利进行技术解读发现，50件专利具体可分为聚合物类、复配类、酸盐类、糖类、无机物类等，其中聚合物类缓凝剂专利最多，共15件，主要为AMPS共聚物、丙烯酸共聚物、聚胺类聚合物等。复配类缓凝剂专利共13件，主要复配类型为酸盐与其他物质，包括酸、改性纤维素、共聚物、金属、糖类等。酸盐类缓凝剂专利共5件，其中磺酸盐2件、磷酸盐3件。亚甲基膦酸衍生物具有良好的抗温性能，可用于288℃高温。糖类缓凝剂共5件，大多为植物提取物的改性产物，如羧基菊粉、羧甲基菊粉、甜叶菊、三氯蔗糖等。酸类缓凝剂专利共3件，分别为水溶性羧酸、有机膦酸和乙二胺四乙酸和（或）次氮基三乙酸。无机物类缓凝剂专利共2件，分别为卤盐和多价金属盐。其他类缓凝剂专利共7件，为一些特殊的物质，如乳清蛋白等。

3.2 降失水剂

失水是指水泥浆在环空上返过程中，由于液柱和地层压差的作用，自由水渗入地层的现象。自由水的析出会形成水环或水带，影响水泥石的封隔效果，造成气窜，还会对地层造成伤害，改变水泥浆的流动性。我国规定油井水泥浆析水不得高于1.4%。因此，通常向水泥浆中加入降失水剂来控制自由水析出，其作用机理可总结为通过使水泥浆增黏、吸附、捕集和物理堵塞来控制失水。好的降失水剂应该对水泥浆的流动性、抗压强度、凝结时间无不良影响，并且能够适应不同类型和密度的水泥浆，由于加量较大，还应成本低，使用方便。

全球降失水剂相关专利共184件，专利申请时间从1972年持续到2015年，申请的国家和地区共15个。其中，在美国申请的数量最多，为83件，其后依次为中国（34件）、加拿大（17件）、俄罗斯（13件）、挪威（10件）、德国（9件）等。哈里伯顿、斯伦贝谢、贝克休斯、巴斯夫等公司都非常重视降失水剂的研发，并申请了大量的专利。

哈里伯顿公司是降失水剂相关专利申请数量最多的专利权人，共45件，约占全球的1/4。申请时间从1982年持续到2012年，其中1987年申请量最多，为5件，2000—2008年间形成持续高峰（图5）。申请的国家和地区包括美国（28件）、加拿大（5件）、欧洲（3件）、德国（2件）、挪威（6件）、英国（1件）等，说明哈里伯顿重视油气资源丰富的北美和欧洲市场，通过申请专利和专利布局在竞争激烈的市场中赢得一席之地。

全球降失水剂专利按技术内容可分为以下几类：共聚物类，如AMPS四元共聚物、羟乙基纤维素+α—氨基酸接枝磺化醛酮缩聚物等；聚合物改性类，如化学改性聚乙烯醇；纤维素类，包括羟乙基纤维素、羧甲基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素等；复配类，如乙烯类高分子聚合物+无机钠盐+有机树脂+盐酸+木质素磺酸盐、腐殖酸基团+磺化苯酚基团等；还有一些特殊的材料和物质，如花生壳。

哈里伯顿降失水剂专利中聚合物类占一半以上，共25件，主要包括相对高分子质量水膨胀聚合物、腐殖酸接枝改性共聚物、木质素接枝改性共聚物、AMPS二元、三元、四元共聚物、丙烯酰胺共聚物、单宁接枝改性共聚物等。专利的主要目的在于提高降失水剂的抗温、抗盐能力，同时有利于改善水泥浆流变性，不影响水泥浆的稠化时间等。复配类降失水剂专利共13件，一般为聚合物与其他物质复配，包括糖、无机化合物物、其他聚合物、改性纤维素、盐类、表面活性剂、胶乳、木质素等。复配物质最少2种，最多4种。纤维素类降失水剂共6件，全部为纤维素改性产物，如羟乙基纤维素、羧甲基纤维素及羧甲基羟乙基纤维素。其他类降失水剂专利共1件，为阳离子衍生淀粉。

3.3 分散剂

分散剂，又叫减阻剂，在不同程度上对水泥颗粒具有分散作用，主要用于降低水泥浆体系的黏度，改善并显著提高水泥浆的流变性能。分散剂能在保持水泥浆良好流动性的同时降低水灰比，这样能降低失水、提高水泥石强度[3]。

全球分散剂相关专利共51件，其中哈里伯顿13件。统计专利申请国家及地区分布，美国申请的分散剂专利最多，为17件，中国次之（8件），之后依次为挪威（7件）、欧洲（4件）、加拿大（4件）、日本（3件）等。美国、中国的分散剂专利数量占全球的一半。这说明两国是重要的固井市场，分散剂的研究比较广泛和活跃。

哈里伯顿公司的分散剂专利申请时间从1984年持续到2007年，2000年以来申请较频繁，2003年申请数量最多，为5件。2007年以后没有新申请分散剂专利，这可能是因为现有分散剂较为成熟，完全能满足现场需求，没有必要投入更多财力物力进行研究。哈里伯顿分散剂专利数量虽少，但仍布局了美国（7件）、欧洲（2件）、澳大利亚（1件）、挪威（1件）、德国（1件）、日本（1件）等国家和地区。

分析哈里伯顿分散剂专利内容，发现抗高温、抗盐、可生物降解、低成本、环保是分散剂的发展方向，哈里伯顿非常重视并进行了大量研究。根据组成，分散剂可大致分为聚合物类、磺酸盐类（木质素、有机）及复配类（含有两种或两种以上成分作为分散剂），其中聚合物类又可分为合成聚合物类（四元、三元、二元）和改性聚合物类（天然、合成）。聚合物类专利数量占据绝对优势，共10件，复配类和磺酸盐类专利数量分别为2件和1件，说明哈里伯顿对分散剂的研发重点聚焦在聚合物上。

3.4 促凝剂

能缩短水泥浆稠化时间的外加剂称为促凝剂。在固井施工中遇到固浅井或深井导管、表层套管、高寒地区的固井、挤水泥、打水泥塞或使用缓凝效应的降失水剂时，常需要加入促凝剂以缩短水泥浆凝结时间。促凝剂一般是无机盐和一些低相对分子质量的有机物。

全球促凝剂相关专利共37件，申请时间从1974年持续到2014年，申请国家和地区包括俄罗斯（17件）、中国（11件）、美国（5件）、加拿大（3件）、英国（1件）。全球促凝剂专利数量少，专利权人也比较分散，说明对其关注度不高。哈里伯顿促凝剂专利共3件，其中2件为无机促凝剂，1件为无机、有机复配促凝剂。促凝剂专利少可能有两方面原因：一是公司不重视促凝剂研发；二是促凝剂技术已非常成熟，很难有新的突破。

4 结论

（1）固井业务是哈里伯顿的传统强项，公司一直非常重视固井领域专利的开发与申请。2000年以来，哈里伯顿固井水泥外加剂相关专利的申请量呈阶段性增长，在2005年达到历史最高峰。这是因为石油工业在20世纪初经历了快速发展，促进了固井技术进步。哈里伯顿缓凝剂、降失水剂、分散剂和促凝剂专利申请数量世界第一，也说明公司在固井技术领域具有较强优势。

（2）对4类固井水泥外加剂专利进行深度分析，发现哈里伯顿越来越重视聚合物类外加剂的研发，特别是缓凝剂和降失水剂，聚合物类外加剂占据了主导地位。这是因为通过分子设计和有机合成，可以加入需要的官能团，实现其他材料不具备的特定功能。

（3）哈里伯顿专利申请系统性强，技术保护程度比较完善。对于某项核心技术，不仅重视在不同国家和地区申请专利，还会对相关技术进行专利申请，每项技术的专利权利要求非常全面，有效地保护技术免于其他公司的侵权。

（4）近年来，国内油气公司对知识产权的保护意识明显加强，专利申请量逐渐增加，但相关专利申请质量仍有待提高。通过专利分析，掌握固井水泥外加剂专利分布情况，不仅有助于避免侵权，而且可以学习哈里伯顿对新技术的专利申请及保护策略，有助于国内油气公司加强对自有特色技术的保护，尽快形成专利保护网，抢占技术制高点。针对哈里伯顿固井水泥外加剂专利进行的深度分析，获得了相关技术关注方向和发展态势，有助于企业掌握相关技术发展的热点，寻找技术发展突破点，判断领域的竞争态势[5-7]，从而提升国内企业固井水泥外加剂技术研发起点，缩短研发周期，增强研发实力[8-11]。

[1] Halliburton[EB/OL].http://www.halliburton.com/en-US/ default.page?node-id=h92trayt.

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Patent Analysis of Cementing Additives Applied by Halliburton

Di Weina, Zhao Gufan, Li Jing
(Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing 100101, China)

Halliburton is an international leader in cementing technology and has applied for 111 patents for cementing additives (retarder, fluid loss agent, dispersant and accelerator). This paper makes in-depth analysis of the related patents worldwide and in Halliburton and elaborates distribution of countries and regions applying for patents, time of applications and content of patented technology. It points out the R&D focuses and development trends of Halliburton’s cementing additives. The company has paid more and more attention to development of polymer-based cementing additives, particularly retarder and fluid-loss additive. The relevant patents of retarder are in large quantities, reaching 50 in a wide range and taking a favorable market position worldwide. In addition, the R&D efforts are also focused on the special additives satisfying the harsh downhole conditions (such as high temperature and corrosion). Patent analysis can help learn patent application and protective strategy from foreign companies, allowing the domestic companies to have the mindset for application of the relevant patents, protection of intellectual property rights and development of new technologies.

Halliburton, cementing, cementing additives, patent analysis, protection of intellectual property righ

10.3969/j.issn.1002-302x.2017.01.011

G306；TE256

A

2016-10-12）

中国石油化工股份有限公司科技项目“基于专利信息的前沿技术分析（固井外加剂）”（编号：YK51403）。

邸伟娜，1984年生，2010年获西南石油大学应用化学硕士学位，工程师，主要从事石油工程技术跟踪调研及前瞻研究。E-mail：diwn.sripe@sinopec.com