水平井入流智能控制工具技术专利信息分析

兰起超，庄 园

（1.国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，天津 300304；2.大庆油田测试第九大队，黑龙江 大庆 163000）

水平井是开发油气藏的一种重要技术手段。然而，水平井水平段波及油藏不同层段的非均质性差，造成渗透率高的层段产水，渗透率低的层段油还未采出，即水脊进或锥进突破产水，而水突破后找水堵水作业十分困难，影响最终的原油采收率，这已成为制约水平井高效开发的技术瓶颈。因此，在水平井生产期间亟需控制水平井入流，即控制水相的产出，均衡产业剖面。而智能控水工具由于结构简单、无电子器件、适应性好、成本低等优点，已发展为目前控水领域最为重要的工具之一[1-2]。

本文将从专利的角度分析水平井智能控水工具的技术研发脉络及重要公司的专利布局，旨在为本领域的技术人员对技术的研发和知识产权保护提供参考[3-4]。

1 专利态势分析

1.1 专利分类

水平井入流智能控制工具在专利库中主要有3个分类号：①E21B34/06井内的阀装置；②E21B43/12控制采出液体向井内或在井内流量的方法或设备；③E21B43/32防止气锥或水锥现象，即在井的周围形成气或水的锥体。本文基于CNABS、VEN数据库和全文库，利用分类号和关键词“flow control、water、入流控制、流入控制、控水等”得到样本数据。截至2017-12-28，相关专利申请数量达到了2 350件。

1.2 专利申请年度分布

1990—2000年期间为水平井入流控制理论形成时期，之后为技术成形及迅速发展时期，因此，将1990—2000年期间的专利申请以10年为统计节点，将2001—2017年以每年为统计节点，得到申请量随年代的分布情况如图1所示。

从图1可以看出，2001—2006年，水平井入流控制工具专利申请量较为平稳；2007—2008年，受国际油价不断攀升的影响，行业形势利好，因此水平井入流控制工具专利申请量大幅上升，而由于2008年下半年至2009年的油价探底，水平井入流控制工具专利申请量有很明显的回落。自2010年以后，随着油价上涨、行业复苏，再加上技术上水平井的大规模普及，大部分油田开始进入开发后期的高含水期，以及非均质油藏的开采等，都对控水工具提出了急切的需求。综合上述原因，2010—2014年，水平井入流控制工具专利申请量进入高速增长时期，而2015年受油价下跌的影响及技术发展瓶颈的限制，专利申请量开始下滑。

图1 专利申请量年度分布

1.3 专利公开国家分布

图2给出了专利申请公开国家的分布，专利在不同国家公开的数量多少受该国油藏储量、油藏产量、开发技术、发展环境以及申请人国别等多重影响。由图2可知，美国的专利公布量占比近一半，达到了42%，这是由于美国作为世界第二大产油国，国际知名的大石油技术公司较多，技术发展较早，重视专利技术的研发、保护及运用。我国占比排名第二，达到17%，这是由于我国在国际石油开发的市场定位属于新兴市场，开发政策好，国际技术专利已进入中国。俄罗斯是第三大产油国，英国具有石油开发公司中的巨头——壳牌石油，使得两国均占比6%，并列排名第三。加拿大作为第六大产油国，占比3%，排名第四。

图2 专利申请公开国家分布

1.4 主要申请人分布

通过合并同族、母子公司及去噪，统计出了专利申请排名前7的申请人，如图3所示，来自美国油田技术领域的3家国际大公司哈里伯顿、贝克休斯、斯伦贝谢的申请量占据了总申请量的前3位，且占了总申请量的85%有余，呈现出哈里伯顿一家独大的局面。前7名中，我国的申请人只有一家，排名第4的中国石化有16件相关专利。这反映出，水平井入流控制工具的核心技术已被国外的大石油公司垄断，我国对相关技术的研究还处于探索和模仿的起步阶段。

图3 专利申请公开国家分布

2 从研究热点看发展脉络

水平井入流控制工具控水（或气）的机理是不同相（油气水三相）的密度、黏度或压力不同，使通过流道的流体通过摩擦力、离心力等手段实现相的分离，使产出的流体大多为期望的流体（通常为油），而不期望产出的流体（通常为水）限制产出。20世纪90年代初期，挪威的海德鲁公司（Hydro）首先提出了ICD的概念，并于1992-09-18申请了曲径式入流控制器（NO306127B1）的专利，1994年该曲径式流入控制器首次应用于Troll油田水平井中，达到了很好的控水（控水脊和气锥）增油效果。海德鲁公司于1993-09-15申请了首个管束式流入控制器（US5435393A）。自此以后，水平井入流控制技术及配套工具得到不断的发展和完善，并根据流体力学的基本原理，逐步发展为曲径式、管束式、螺旋式、喷嘴式、封堵阀式、密度/压力阀式、混合式以及涡旋式[5]。下面以首次申请日为时间路线，还原技术发展脉络，如图4所示。

图4 主要技术发展路线

3 哈里伯顿涡旋式工具专利布局分析

由第2部分研究热点及技术发展脉络可知，涡旋式工具为申请量最多的申请，基本集中在2010年以后，且基本被哈里伯顿公司一家所垄断。哈里伯顿在控水领域引入旋流分离原理，基于旋流腔室结构，不同密度的流体相会产生旋涡分离，密度大的水会在离心离力的作用下处于外层，密度小的油处于中间，并从中间出口流出。基于上述机理，哈里伯顿在全球范围内共布局申请100余件，涵盖旋流的串并联、旋流阀结构、旋流室结构、响应件、分离水相排出、结合现有控水模式、外接流道以及用途等，参见图5，基本覆盖了该核心部件在油气开发领域应用的绝大部分。虽然国内已有一部分科研机构或公司开始模仿哈里伯顿公司的涡旋式控水工具，但由于哈里伯顿公司较好的专利布局，除西南石油大学有一件专利申请（CN104389553A）获得授权外，其他专利还较少得到授权。与哈里伯顿公司呈鲜明对比的挪威海德鲁公司（Hydro）虽然研发了两个开创性的专利，但由于缺乏专利布局，均有相关的公司在其专利的基础上发展了各自的技术，大大影响了其专利的价值。

图5 涡流式专利布局分布

4 总结与建议

创新重在原理，机理推动设计。通过本文第2部分的发展脉络可知，技术的革命性创新基本上来自于原理的创新，而核心的设计或专利都基于最初提出的原理构思。因此，本领域的技术人员在创新时应更多地从原理上出发，以机理启发技术手段，以技术手段优化设计，这可以从根本上解决本领域的尴尬现状——国外大公司对某些核心技术“只租不卖”的垄断。

专利转化产权，布局提升竞争力。设计转化为专利产权后，能够更好地保护知识产权，而好的专利布局可最大限度地保护企业的核心价值，提升企业的竞争力。

注重特殊人才培养，完善科研团队。本领域科研人员在专利范围的撰写和布局与国外存在较大差距。国内的研究团队应在注重研发的基础上，相应地注重专利技术分析，注重吸纳和培养专利挖掘、确权撰写和保护的人才，为技术创新安上知识产权的保护网。

［1］陈伟，冯小红，张雪梅，等.水平井平衡采油工艺技术［J］.断块油气田，2008（02）.

［2］王海静，薛世峰，高存法，等.非均质各向异性油藏水平井流入动态［J］.大庆石油学院学报，2012（03）：80-85.

［3］张宝文，张运东，李春新.加强知识产权开发与管理提升中国石油核心竞争力［J］.石油科技论坛，2009，28（2）：1-4.

［4］宋巧枝，方曙.专利信息分析方法在企业战略制定中的应用［J］.现代情报，2007（10）：193-195.

［5］阳明君.底水油藏水平井分段完井控水优化研究［D］.成都：西南石油大学，2017.