地震勘探震源专利分析

孙珍珠 丁宏杰 王叶

摘要：地震勘探的首要问题是激发能够反映地下地质体情况的地震反射波。本文立足于专利文献，对国内外涉及地震震源的专利申请进行统计和分析，总结该技术的专利申请及发展状况，以期为相关领域的专利审查工作提供参考，并为企事业单位、高校、研究所等提供技术支持。

关键词：地震;采集;震源;专利分析

中图分类号：P631.4;G306文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2020）24-0122-11

1 概述

地震勘探的首要问题是激发能够反映地下地质体情况的地震反射波，为了确保地震波能传播到一定的距离，并达到对勘探深度的要求，要求激发地震波的能量要强。另外，为了达到勘探薄互层的要求，要求激发的地震波频带要宽。地震勘探技术的快速发展推动着地震震源的发展。随着地震勘探难度的增大，在实施地震勘探时对地震震源性能的要求愈来愈高。为了适应高分辨率、高精度的勘探需求，震源从最初的频带较窄、能量范围有限、发展成现在频带较宽、自动、环保、能量范围较大。[1]

本文主要利用incopat专利数据库，并结合中国专利文摘数据库（CNABS）、外文数据库（VEN）进行地震震源技术相关专利的检索，选用的主要关键词有ecicenter、focus、hypocenter、source等，结合IPC分类号G01V1/02（产生地震能）及其下位组，检索截至时间为2020年7月3日，对检索结果进行筛选和去重后得到地震震源的全球专利申请总量为2 315件，并以此作为本文研究对象。

2 专利申请状况分析

2.1 全球专利申请量分析

图1示出了地震震源技术的全球专利申请量年代分布图。从中可以看出自20世纪50年代开始，以1965年、1990年、2012年为界限可以划分为四个发展阶段。

第一阶段为技术萌芽期（1943—1965年）：整个地震勘探领域属于起步阶段。由于地震震源技术刚被提出，需要克服诸多技术障碍，其专利申请量比较少，申请量呈现缓慢增长的形式，属于技术的萌芽期。该阶段地震震源频带较窄、能量范围有限、类型单一。

第二阶段为快速发展阶段（1965—1990年）：地震震源技术初步成熟，专利申请量持续增长，呈现前所未有的快速增长。该阶段地震仪器实现了数字化，更重要的是三维地震勘探、高分辨率地震勘探的出现，地震勘探领域扩大到山地、戈壁、沙漠、滩海及海上，一大批高性能技术指标的震源也应运而生，地震震源频带、种类、能量范围均得到较大改进，更加适用于地震勘探的技术需求。

第三阶段为平稳发展阶段（1990—2012年）：随着三维地震勘探、高分辨率地震勘探的推广，震源向更加环保、自动化方向发展。但是受限于全球经济低迷、油气勘探难度加大的时代背景，震源技术遇到了短暂的瓶颈期，关键技术攻克困难。由于相关技术已趋近成熟，改进难度，技术创新难度较大，若想提出更好的专利技术，需要提供非常有竞争性的创造，因此相关专利申请量有所下降。

第四阶段为高速发展阶段（2012年至今）：随着传感器技术、电子技术、计算机技术、数据传输技术等技术的发展，这个阶段出现了性能更高的震源。更多的企业以及高校投入到该领域的研发中，各研发主体形成了有效的竞争，出现了大量针对地震震源技术进行改进的专利，震源的型号和品种越来越丰富，性能也越来越稳定。本阶段专利申请量从2012年起急剧上升，在2015年达到顶峰时期。

图2（a）、图2（b）为地震震源技术相关专利的全球申请量趋势情况。1990年以前苏联、美国占据了地震震源技术的绝大多数申请量。美国地震震源技术起步最早，且一直保持稳定发展，苏联在1975至1990年前后，申请量比例最大，成为龙头老大。1990年之后，随着苏联的解体，苏联申请量逐渐消失。地震震源技术国外专利申请量在2015年达到顶峰时期，2015年以后地震震源技术专利申请量下降，这可能与美国页岩气大规模开采，油气产量大幅提高，油气需求不振，油气供应过剩，以及世界经济复苏乏力和经济增速放缓有关，同时，国外石油勘探技术已相对成熟，科研投入也开始减少。因此，国外技术发展较早，各项技术发展已相对成熟。

与国外相比，国内地震震源技术专利申请在平稳发展阶段的申请量极少，与国外存在较大差距，直到20世纪80年代，国内地震震源技术才开始起步，说明我国早期石油勘探技术行业相对落后，地震采集技术市场需求较小。我国相关行业的跟踪研发也没能跟上世界地震勘探技术的发展步伐，大量设备依靠进口，没有保障得力的研发团队，对地震勘探技术的重视程度和研发力度与国外同行差距甚大。但随着国内对油气勘探的重视程度提高，国内石油工业的发展，国内申请变得活跃，在平稳发展阶段国内地震震源技術专利申请量也于2000年左右开始快速、稳步增长，作为后起之秀的典型代表，直至2015年左右，中国已经成为地震震源技术的中流砥柱，申请量甚至超过国外来华，目前保持强势上升态势。因此，与国外有所不同，我国的地震震源技术发展相对于国外虽然有一定滞后性，但是技术成熟速度较快、发展迅猛。2015年以后进入高速发展阶段。全球来看，国内地震震源技术专利申请量依然保持较高占比，我国的地震勘探技术发展姿态强、势头足，体现了国内地震勘探对地震震源技术研发、专利保护的重视以及中国的该技术在世界舞台上举足轻重的地位。但是必须注意，随着中国国内技术的快速发展，接近国外的技术水平将面临激烈的竞争。2019以后年的申请量下降趋势非常明显，这主要是因为部分专利申请尚未公开。

图3和图4显示了全球内地震震源技术相关专利申请分布情况。地震震源技术的主要专利申请较为集中，主要集中在中国、苏联、美国、俄罗斯、WIPO，中国是专利申请最多的目标国，占全球申请量的27.83%;其次是苏联，占全球申请量的18.57%;再次是美国，占全球申请量的18.13%，随后是各国向俄罗斯、WIPO提出的PCT申请，分别占全球申请量的9.04%、5.37%。说明国外企业对知识产权制度的了解和应用相当熟练，知识产权保护意识较强。从图5中可以看出，地震震源技术在华申请来源主要是国内，占比91.27%，占据了国内绝对的申请量。说明国外申请人还没有将国内申请人视为重要的竞争对手，这也为我国申请人加快地震震源技术研发，进行较为全面的专利布局留下了一定的时间和空间。

2.2 全球主要申请人分析

为了研究地震震源专利技术主要申请人情况，以数据库中的申请人和公司代码信息为基础进行加工整理，进而统计出主要申请人排名、在华申请主要申请人类型构成等角度进行统计分析。

图6显示了全球地震震源技术专利申请量比较靠前的申请人，其中在计算排名时，将申请人为某公司的子公司的专利申请归并入该公司名下。可以看出，地震震源技术专利申请人主要来自中国、美国和苏联，而排名靠前的申请人包括中国的中石油、苏联的SPETSIALNOE、美国的斯伦贝谢公司、PGS公司等公司，均为世界石油巨头企业。排名靠前的申請人中，中石油以轻微优势领先于SPETSIALNOE，一部分原因得益于中石油并购了美国输入输出公司。其中，美国申请人较多，占据了较大优势，尤其是美国的斯伦贝谢公司，申请量尤为突出。

图7显示了在华申请主要申请人类型构成，其中主要申请还是集中在企业、大专院校，占比分别高达56.67%、24.07%，可以看出，受限于技术研发所需硬件条件、物力、财力支持，国内地震震源技术专利申请主要集中在企业、大专院校。

2.3 全球专利质量分析

图8（a）、8（b）显示了全球范围内地震震源技术专利价值度排名靠前的申请人。从图8（a）、8（b）可以看出，专利价值度相对较高的几乎全为国外大型油服公司，分别为美国的埃克森美孚、斯伦贝谢公司、PGS公司。还有苏联的SPETSIALNOE公司，尤其是美国的埃克森美孚公司，专利价值度远远领先于其他石油公司。埃克森美孚作为全球较大的油田服务公司，占据着世界较大的市场份额，在中国各领域均有大量申请，并保持较大优势。而国内排名靠前的仅有中石油、吉林大学等，申请质量与国外公司相比存在较大的差距。我国石油企业应密切关注国外这几家龙头企业的专利布局和研究发展情况，其中重点关注埃克森美孚的研究动向，及时调整发展策略，以跟随发展并规避不必要的技术风险和专利风险。

图9显示了国内地震震源技术专利申请类型情况，发明专利申请、实用新型分别占比48.47%和47.45%，发明、实用新型二者占比均等，这表明国内研发水平较低，我国企业还不善于利用发明这种专利形式保护研发成果，不注重长期保护，还停留在以量取胜的初级阶段，我国还没有掌握地震勘探的核心技术。

图10（a）、10（b）为中国专利有效性分布图。图10（a）显示，40.61%的专利处于有效状态，失效占比44.83%，14.56%还在审中，其中，授权40.61%，撤回和驳回的占比分别为3.49%和5.82%，可以看出授权发明专利比例远高于驳回/撤回专利比例，说明该技术在国内还在持续发展中，处于不断创新和改进的阶段;而14.58%的专利处于公布状态和审查状态，申请日集中在2016至2020年，无法明确其专利质量情况。

针对被引证次数高的核心专利进行排序发现，排名靠前的核心专利申请人几乎均为国外石油巨头公司，且几乎均为美国公司，无国内申请人。一方面由于国内专利事业起步较晚，缺乏早期申请;另一方面也从侧面上反应了地震震源核心技术掌握在国外申请人手中。在核心专利的主要申请人方面，美国Tomoseis、标准石油公司等企业在技术研发上处于明显的领先地位，这也从侧面反映了美国在地震震源技术领域的领先地位。

3 专利技术分析

地震震源包括爆炸震源和非爆炸震源两种，而非爆炸震源又可分为振动型（可控震源）、机械型（例如重锤、气锤），还有应用于海上的气枪震源、电火花震源。非爆炸震源从最初的落锤式震源发展到今天的可控震源，已成为较完善的机电一体化设备。

下面针对四大类地震震源类型，按照时间顺序简单阐述国内外重点公司在我国申请的典型专利。

3.1 爆炸震源

在国内传统的爆炸震源一直是震源领域的研发热点。这类震源突出的优点是具有较强的能量，其通常是以炸药为主，用雷管引爆，产生的激发波能量强、频带宽。

国内外重点公司在我国申请的典型专利有三种。

3.1.1 2001年，施鲁姆伯格技术公司的专利申请CN1447923A提出了一种用于地震勘探法的高能量炸药，通过在地下岩层中爆炸炸药组合物来产生地震波，其中炸药组合物包含第一炸药和可氧化金属物质，然后用地震检波器检测地震波或其反射。同时还公开了包含地震能量源的地球物理测量系统，所述的地震能量源包含第一炸药和可氧化金属物质，地震能量源位于地下岩层中，以及适于检测地震能量源爆炸时所产生的地震波及其反射的大量的地震检波器。

3.1.2 2015年，中国地质大学（北京）的专利申请CN204649978U提出了一种定向横波炸药震源装置，包括：底盘、上盘、容置部和多个锚杆，其中所述底盘具有多个第一孔洞，所述上盘具有多个第二孔洞，且所述第二孔洞的位置与所述第一孔洞的位置对应，所述上盘具有第一侧与相对所述第一侧的第二侧，所述底盘位于所述上盘的第一侧，所述容置部位于所述上盘的第二侧，所述多个锚杆贯穿所述第一孔洞与所述第二孔洞，所述锚杆具有圆锥部与圆柱部，所述圆锥部邻近于所述底盘相对于所述上盘的一侧。通过本实用新型，有效地解决了定向横波激发困难的问题。

3.1.3 2016年，中国电建集团的专利申请CN106501847A提出了一种工程地震勘探聚能震源弹，包括壳体，壳体上下两端分别安装有顶板和底板，壳体内安装有聚能室，聚能室底端与底板顶端面和壳体内壁相抵，聚能室内充填有泡沫，铝板上方至顶板之间形成的炸药腔内填充满炸药，壳体内设置两根计时线，计时线底端与铝板相连，计时线顶端从顶板边缘伸出，顶板中部设有下沉的引爆孔，引爆孔内插装有雷管。采用聚能室设计，由于聚能方向指向地下，无渣石散布，能效高，激发的地震信号频率特性好，声波干扰小，使用效率高，激震效果好，使用成本低。如图11为其结构示意图。

国内外重点公司在我国申请的典型专利有三种。

3.4.1 1996年，输入/输出公司的专利申请CN1179831A提出了一种套筒空气枪（10），用来将压缩空气释放进水中。该空气枪管套（12）具有一个用端帽（20）封闭的气室（16）。这端帽是用定位器（22）连接在该空气枪管套上，这定位器的重量很轻而且能加快端帽和管套的连接和拆卸。定位器可以是一个连接端帽和管套的重量很轻的环。该定位器能独特地把较大直径的空气枪连接起来而无需过分的增加空气枪的重量。该较大直径的空气枪可加快压缩空气从空气枪的排放，这可把在水中产生的声脉冲增大到最大值。[4]

3.4.2 2010年，中石油的专利申请CN101825718 A提出了一种气枪震源，应用于石油地震勘探地震震源。梭阀腔体的左端连接有激发室，梭阀腔体的右端连接有主气室，在梭阀腔体与主气室之间有环形金属密封圈。梭阀腔体的右端有圆柱形腔室，梭阀腔体中心孔联通激发室内腔，梭阀腔体的中间外壁为球面形，在梭阀腔体球面形外壁上均匀分布有径向通孔，梭阀腔体的腔室与外界联通。激发室外形为圆柱体和圆锥体组合形状，激发室内部有圆柱体形和圆锥体形组成的内腔，在激发室的左端部有进气孔。主气室外形为圆柱体和圆锥体组合形状，主气室内部有圆柱体形和圆锥体形组成的内室。效果是：本发明气枪震源的主脉冲振幅和气泡比均有所提高，改善了气枪子波特性，同时，还利于气枪的拖曳。

3.4.3 2018年，国家海洋局的专利申请CN208921871U提出了一种变频式海洋高压空气枪震源。其包括气枪控制器、储气室、固定杆、套筒、初始限位机构和封盖等组件，且在固定杆上设置可调节的限位块。在激发过程中，通过限位块和套筒限位端之间限位，控制储气室出气孔的长度，通过调节开口长度，即可调节出气速度，实现对激发子波频率的控制。

在获得的可控震源的115篇检索结果中，中石油自2006年以来提交了45件专利申请，且技术涉及枪杆、震源船的设计、激发方法、相关配件等诸多方面，其中震源船的专利有18篇，中石油已经致力于海上气枪震源的专利布局，重视气枪震源，尤其是震源船的研发及投入。[5]

總之，在地震震源方面，我国不仅拥有数量较多的专利，即使在与国外企业相交叉的爆炸震源、可控震源、机械型震源等技术分支，我国企业这方面的研发能力也较好。但是我国申请人较为分散，且基本为申请人独立申请，各主要申请人的合作较为保守，技术转化过程存在障碍，作为市场主导的中国石油、中国石化等公司应加强与科研机构的联合，实现共赢。我国政府、各机关部门应继续鼓励国内企业等创新主体加大专利申请力度和国内外专利布局，用专利保护其技术和产品，增强创新主体的核心竞争力。

4 结论与建议

4.1 结论

4.4.1 根据全球专利申请量来分析，地震震源技术发展主要经历了以下阶段：技术萌芽阶段（1943—1965年）、快速发展阶段（1965—1990年）、平稳发展阶段（1990—2012年）、高速发展阶段（2012年至今）;地震震源技术专利申请量排名靠前的国家/地区/组织分别是中国、苏联、美国、俄罗斯、WIPO，早期以国外为主，2015年以后中国专利申请量明显增长，最近几年超过国外申请量。[6]

4.4.2 根据专利申请人来分析，就国外申请而言，申请人主要集中在苏联的SPETSIALNOE、美国的斯伦贝谢公司、PGS公司等公司，均为世界石油巨头企业。就国内申请而言，申请人主要为石油高校/科研机构石油巨头中石油、吉林大学等。

4.4.3 根据专利价值度分析，专利价值度相对较高的申请人几乎全为国外大型油服公司，尤其是美国的埃克森美孚公司，专利价值远远领先于其他申请人;而国内排名靠前的仅有中石油、吉林大学，申请质量与国外公司相比存在较大的差距。

4.4.4 在地震震源方面，我国拥有数量较多的专利，研发能力也较好，但我国申请人较为分散，技术转化过程存在障碍，作为市场主导的中国石油、中国石化等公司应加强与科研机构的联合，实现共赢。

4.2 建议

国内关于地震震源技术的专利申请量已经逐步超过国外，但是在质量上还与国外存在差距，企业和高校需要提升研发实力，提高知识产权保护意识。我国政府、各机关部门应继续鼓励国内企业等创新主体加大专利申请力度和国内外专利布局，用专利保护其技术和产品，增强创新主体的核心竞争力。

参考文献：

[1] 马天旗.专利分析方法、图表解读与情报挖掘[M].北京：知识产权出版社，2015.

[2] 杨铁军.专利分析实务手册[M].北京：知识产权出版社，2015.

[3] 陆基孟.地震勘探原理[M].山东东营：石油大学出版社，2006：106-117.

[4] 董敏煜.地震勘探[M].山东东营：石油大学出版社，2000：28-32.

[5] 陈浩林，全海燕，於国平，等.气枪震源理论与技术综述（上）[J].物探装备，2008，18（4）：211-217.

[6] 尹昌兰.震源综述[J].中国煤田地质，1989，1（1）：79-84.