全球天然气钻井岩屑处理技术专利发展分析

郭世月 刘春艳 李静雯 刘文士 胡金燕

（1.中国石油西南油气田公司安全环保与技术监督研究院，四川 成都 610041；2.西南石油大学化学化工学院，四川 成都 610500）

0 引言

在国内外环保法规愈加严格的今天，降低和减少钻井岩屑等固体废物排放量的技术受到油气业界的重视。钻井岩屑是石油烃类、胶质、沥青质、泥沙、无机絮体、有机絮体以及水和其他有机物、无机物牢固黏结在一起的固体废物，天然气钻井过程中必然产生大量岩屑等固体废物，据统计，常规天然气开发单井产生水基钻屑800～1 000 m3，页岩气开发另产生油基钻屑200～300 m3，若将其直接排放会对环境造成很大威胁。分析研究天然气钻井岩屑处理技术发展现状、动向和趋势，对于制定和布局技术研发和攻关方向、占领技术高地有着重要的意义和价值。其中，专利包含了全球90%以上的技术情报信息［1］，通过专利的统计学分析来研判技术发展现状和方向是十分重要的手段之一。通过对全球天然气钻井岩屑处理专利数据进行定量统计，挖掘该技术发展趋势、国家竞争态势、专利权人格局、专利技术布局和热点研发技术等，可以为我国的天然气钻井岩屑处理技术专利布局提供参考。

1 钻井岩屑处理技术专利数据收集

当前国内外页岩气钻井岩屑处理技术主要包括岩屑回注技术、干化技术、固化技术、生物处理技术、物化分离技术、焚烧技术、高温裂解技术、资源化利用技术等［2-7］。根据这些相关技术，对专利数据进行检索并收集整理作为专利技术分析的基础。①经过文献调研和专家咨询，对“天然气钻井岩屑处理技术”进行多级别的主题分解。根据主题分解情况分析出中英文检索关键词，如表1 所示。②根据关键词编制检索式，在incoPat 专利数据库中实施检索。根据检索结果呈现的数据噪音情况，不断调整检索式。得到中文检索策略，如表2所示，其中#7是将#1～#6的检索式通过布尔逻辑运算组合得到的最终检索式。③按照同样的检索策略进行英文检索。将中英文结果合并，共得到钻井岩屑处理技术4 886件全球专利，共计2 700个专利家族。经过人工判读去除噪音后，共得到1 556件钻井岩屑处理技术相关专利家族（以相同优先权专利进行合并）。最后检索时间为2018年6月8日。

表1 钻井岩屑处理技术中英文关键词统计表

表2 钻井岩屑处理技术中文检索策略表

2 钻井岩屑处理技术专利分析

2.1 专利申请总体趋势分析

通过对每年专利申请量的分析可以清晰地展现出天然气钻井岩屑处理技术的整体发展脉络。对检索出的全球1 556件专利按年度进行专利数量分布统计，图1为全球和中国钻井岩屑处理专利年度申请量对比趋势图。因专利数据从申请日到公布日之间有18 个月的滞后期，故2017 年及以后的数据仅供参考，不代表此阶段发展趋势。

图1 全球和中国钻井岩屑处理专利年度申请量对比趋势图

该领域第一项专利技术产生于1932 年，是BPM公司申报的一件英国专利。英国是工业革命的发源地，也是专利制度最初制定的国家，钻井岩屑处理技术早在87 年前，就在英国得到了保护。而中国在该领域申请的第一件专利是1987 年的“全焊不锈钢丝泥浆筛网”（专利号：CN87203255.8），该实用新型专利由辽河石油勘探局机修总厂申请。可见，中国专利制度刚实行不久，中国石油企业便有了技术知识产权保护的意识。之后该领域的发展非常缓慢，到1976 年之前每年都只有个位数的申请量，直到2000年年申请数量才突破20件。随着美国和加拿大的天然气商业化生产逐渐成熟，产量不断攀升，钻井岩屑处理技术也随之呈现上升趋势。近年来，中国成为天然气开采活跃的国家，开采过程中钻井废弃物的处理成为亟待解决的问题。2015 年，中国新《环保法》施行，对环境监管力度进一步加强，钻井岩屑处理技术的专利申报呈爆发式增长。由图1可看出，受中国申请量增长的影响，全球专利申请量也呈现增长走势。按照目前趋势，随着全球天然气产业的发展和各国政府对环境保护的严格管控，未来一段时间内国际上依然会关注钻井岩屑处理技术的研发，后续将呈现稳定增长的态势。

2.2 国家竞争态势分析

2.2.1 技术来源国

专利技术来源国统计反映各个国家在这一技术领域的研发实力。对检索出来的1 556件钻井岩屑处理专利的申请人国别进行统计，排名前10 位的国家如图2所示。中国是目前钻井岩屑处理技术专利产出最多的国家，美国紧跟于后，加拿大、俄罗斯和英国的申请量都在100件左右，属于“第二梯队”国家。

2.2.2 技术布局区域

图2 钻井岩屑处理技术专利来源前10位的国家排名图

图3 钻井岩屑处理专利技术受理前10位国家排名图

对专利申请地（专利受理局所在国）的专利申请量进行统计可体现技术输出情况，呈现出市场的抢占和专利布局态势。不同国别的同族专利可较好反映出专利布局情况。对检索到的1 556件专利进行同族扩展得到3 230件申请专利，再对其进行申请地统计。图3 为天然气钻井岩屑处理专利技术受理前10位国家。从全球专利布局来看，中国是最热门市场，其次是美国、世界知识产权组织、加拿大和英国等国家。中国天然气开发技术的快速发展以及天然气开发政策及环保政策的指引和导向使得钻井岩屑处理技术在中国大量布局。世界知识产权组织是全球性的技术产权保护组织，在其申请专利可扩大专利影响和效益，因此有大量申请人选择向世界知识产权组织递交专利申请。

2.3 研发机构态势分析

研发机构拥有的专利数量间接反映该机构在技术领域的创新能力、科研成果和市场竞争力。通过对申请人的专利申请数量进行统计分析深入了解高产研发机构的技术特长，可以发现市场竞争对手，也可以挖掘出潜在的合作伙伴。对全球专利申请人的专利申请数量进行统计排序。图4显示的是钻井岩屑处理技术领域全球排名前10 位的申请人。中国机构占据6席，其中包括中国石油、中国石化、中国海油三大央企，两大石油类高校以及一家民营企业。

图4 钻井岩屑处理技术全球前10位的申请人排名图

1）近年来，中国石油不断突破钻井废弃物处理技术，加强危险废弃物管理，在变废为宝的同时提升生态环境治理能力。围绕水基和油基钻井液废弃物处理技术，先后系统开发了钻井废弃物综合利用处理技术、钻井液废弃物处理回用与资源化技术、钻井固控环保一体化技术、油基钻井液LRET回用处理技术、含油钻屑电磁加热脱附处理技术等主体技术。中国石油的水基钻井液废弃物不落地随钻处理技术已在多个油田累计应用6 150口井，减排钻井废弃物约615×104m3。油基钻井液废弃物处理技术采用LRET和热脱附处理技术，已累计处理油基钻屑约17.5×104t，占油基钻屑总量的85%［8］。中国石油的一系列创新技术拉动了全球钻井岩屑处理技术的发展，其专利数量位居第一并逐步形成一套钻井清洁生产新模式。

2）2013 年中国石化提出“碧水蓝天”环保计划，这是中国石化发展史上规模最大的环保治理行动，也是迄今为止中国企业一次性投入最密集、涉及范围最大的环保专项治理行动。3年内中国石化共实施环保治理项目870 个，累计投入资金209.2 亿元，重点围绕废气、废水、固废、风险应急等方面开展治理工作［9］。2018 年年初，中国石化牵手国内外一流伙伴，签订战略合作协议，布局固废处置、土壤修复等新兴产业。预计“十三五”期间仅中国石化内部固废资源化处置及土壤修复方面的投入就将达300 亿元左右［10］。中国石化大量资金的投入到环保技术研发使其钻井岩屑处理技术得到快速发展，专利数量位居世界第二。

3）M-I 有限公司（M-I LLC）是一家美国公司，其主营业务是为油气田开采的钻井岩屑处理提供系统和设备［11］。这家公司非常重视知识产权的保护，在钻井岩屑处理技术领域申请专利76件，排名第三。

4）FP 马拉诺尼公司（FP Marangoni）是加拿大的一家致力于钻井液回收的高新技术企业，该公司专长于研发新型钻井液回收系统和固控设备产品［12］。双频振动筛（Dual-ScreenTM）是该公司的主打专利产品，它可以解决传统振动筛使用寿命短、更换成本高、表面积小等问题［13］。FP马拉诺尼公司申报的33件专利均与振动筛和固液分离系统有关。

2.4 机构专利布局分析

2.4.1 国外机构在中国的专利布局

对中国专利的国外申请人进行分析有利于掌握各国企业或个人在中国的专利布局，发现专利屏障，挖掘国外竞争对手，并能提出专利预警，在生产经营过程中注意避开这些专利实施，避免产生侵权纠纷。

收集的1556 条专利数据的扩展同族专利中在中国布局的专利共有771项（含中国本土专利），统计分析观察外国企业和个人申请中国专利的情况（图5），在钻井岩屑处理技术领域已有33 个国外的企业或个人在中国申请专利，申请数量71件，占9.2%。

图5 在中国布局专利的主要外国机构分布图

钻井岩屑处理技术在中国仍以自主知识产权为主，但已有不少的国外企业盯住了中国市场，已经对该领域的某些分支技术制造了专利壁垒。比如，加拿大的FP马拉诺尼公司在中国布局的23件专利均与振动筛和固控系统有关，中国企业在实施这方面技术时要注意绕开专利屏障，避免专利侵权。同时中国企业应加强原始创新能力并及时开展全方位技术布局，阻止他国技术对市场的入侵。

2.4.2 中国申请人向国外专利布局

提取707 件来自中国申请人的专利，观察其同族专利受理国，发现仅有6 件专利有国际同族，如表3所示。虽然钻井岩屑处理技术领域的中国申请量在全球排名第一，但这些专利及其家族专利大多数为国内专利，不到1%的专利向国际市场布局。虽然中国石油和中国石化两大央企的专利申请量全球领先，但在国际市场上却未见优势。从表3 可以看出，中国的私营企业更具市场拓展的活力。总体来说，钻井岩屑处理技术领域中，中国企业的国际布局观念还有待增强，大型企业在把握国内技术市场的同时可进一步拓展国际市场，尽快展开国际专利布局，抢占市场先机，扩大技术影响力。

表3 钻井岩屑处理技术领域含有国际同族的中国专利统计表

2.5 技术研究热点分析

专利中某些技术关键词出现的频率可以从一定程度上反映该技术的热门程度。Incopat 数据库具有高频词聚类功能并形成3D专利沙盘图。利用Incopat将收集到的1556 条数据进行聚类操作并对每一项类目的专利进行人工判读，修正聚类关键词，最终得到钻井岩屑处理技术领域的专利沙盘图。如图6 所示，图中山峰位置的技术内容为研究热点。从钻屑处理过程角度来看，固液分离设备、钻屑清洗、固控系统、运输装置及容器是当前的研究热点，其中振动筛、干燥设备方面产生较多专利。从钻屑处理方法角度来看，出现较多的是热解技术、随钻处理技术、资源化利用技术、无害化处理技术、生物处理技术等，其中，焚烧、泥浆不落地、固化剂、免烧砖、微生物培养等方面出现了较多专利。

图6 钻井废弃物处理技术研究热点图

3 结论与建议

3.1 结论

1）从技术发展趋势来看：钻井岩屑处理技术在未来一段时间将持续呈现增长趋势，该领域全球专利发展趋势受中国申请趋势显著影响。

2）从研发机构来看：中国的企业和高校表现出较强的研发活力，中国石油和中国石化在钻井岩屑处理技术领域的专利数量领跑全球；美国的M-I 有限公司（M-I LLC）和加拿大的FP 马拉诺尼公司（FP Marangoni）是两家专门致力于钻井废弃物处理和回收的公司，专利技术方面有不错的表现，且在中国布局了较多专利技术。

3）从专利布局来看：国内企业以自主知识产权研发和实施为主，但目前已逾9%的中国专利的申请人为外国企业或个人，中国市场正在逐步被国外企业挤占，而中国仅有不到1%的专利向他国布局，中国的私营企业较大型国企更具海外市场拓展活力。

4）从热点技术研究来看：通过高频词聚类制作出钻井岩屑处理技术的3D沙盘图，发现产生专利较多的技术方向包括振动筛、干燥设备、焚烧、泥浆不落地、固化剂、免烧砖、微生物培养方面。

3.2 建议

1）在发展循环经济与清洁生产的环保政策引导下，建议国家和企业进一步增加环保技术研发的投入，保证大型国有企业和科研院所研发实力不下降的同时，快速发展中小型企业的技术水平，从而加快油气田固体废弃物处理技术的提升，提出钻井岩屑处理更优解决方案［14］。

2）根据研发机构及其专利布局的发展态势分析，建议中国企业在提高创新力和全方位技术布局的同时注意绕开国外企业在中国设立的专利屏障，避免产生侵权纠纷。同时大型企业在把握国内技术市场的同时应进一步拓展海外市场，尽快展开国际专利布局，抢占市场先机。

3）根据钻井岩屑热点研究技术的分析，在创建资源节约型环境友好型社会的前提下，建议大力开展钻井岩屑的资源化利用、无害化处理、生物处理等技术的攻关及应用。