淺談高溫高壓環(huán)境下的密封連接器開發(fā)策略

余貴龍，王麗文

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550008)

1 引言

高溫高壓密封連接器是一種用于石油和天然氣井下電子模塊之間提供電氣連接的連接器。近年來，我國一些企事業(yè)單位開始研制這類連接器，而在發(fā)達(dá)國家對這類連接器已經(jīng)研究了半個世紀(jì)以上。目前，使用這類連接的下游企業(yè)有紐約斯倫貝謝、哈里伯頓能源服務(wù)、著名油田設(shè)備制造、近海鉆探、美國貝克休斯、美國福陸、威德福油田設(shè)備、必捷油田服務(wù)、英國石油服務(wù)等公司。這些公司的年需求量每家都達(dá)千萬美元以上，又是從事的是石油產(chǎn)業(yè)?？梢姡擃愡B接器市場潛力是非?？捎^，利潤是相當(dāng)豐厚。那么，國內(nèi)企業(yè)如果要開發(fā)這類連接器產(chǎn)品用來與技術(shù)非常成熟的為數(shù)不多的國外競爭對手展開競爭，該采取什么策略，如何規(guī)避專利侵權(quán)，甚至于如何突破專利技術(shù)壁壘呢?這些方面成為企業(yè)決策者非常關(guān)心的事情。

2 高溫高壓密封連接器的發(fā)展情況

2.1 高溫高壓密封連接器能夠達(dá)到的環(huán)境性能指標(biāo)

高溫高壓密封連接器使用于石油和天然氣井下作業(yè)的工具，為系統(tǒng)之間提供電氣連接。例如，為了獲取油井內(nèi)信息需要一套系統(tǒng)，連接器在該系統(tǒng)中可以提供數(shù)據(jù)的通路，具體如數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)通信模塊之間的通路。當(dāng)這類連接器暴露在具有高溫、高壓環(huán)境中時，經(jīng)常發(fā)生機械失效或電氣失效。機械失效通常是融化或機械變形，電氣失效主要是由于周期性的機械應(yīng)力導(dǎo)致的接觸失效等。

目前，該類連接器產(chǎn)品研制達(dá)到了相當(dāng)高的水平，主要表現(xiàn)在以下兩個方面:

(1)能夠承受非常惡劣的高壓力、高溫度環(huán)境。例如，在5000m到8000m這個深度范圍，井底溫度有350℉到400℉(177℃到204℃)，壓力大約有15000psi(大約103MPa)。有時，井下石油測井儀的探針環(huán)境溫度居然達(dá)到500℉或者更高，環(huán)境壓力高達(dá)25000psi甚至高達(dá)28000psi。

(2)能夠暴露在化學(xué)侵蝕的環(huán)境中，比如暴露在用于促進(jìn)鉆井的泥和其他流體，包含添加劑在內(nèi)的化學(xué)物，這些化學(xué)物能使井下工具的非金屬組件老化，具有很強的腐蝕性，pH值可達(dá)到12.5。這些化學(xué)物包含對許多材料都具有腐蝕性的鹽水、天然石油、二氧化碳和/或硫化氫等。

2.2 高溫高壓密封連接器的主要專利保護(hù)情況

全世界范圍內(nèi)檢索該類連接器的專利申請情況，發(fā)現(xiàn)主要專利及產(chǎn)品市場在美國，通過"High temperature"、"High pressure"、"Oil"、"Drilling"、"Downhole"、"Ceramics"、"Thermoplastic"、"Glass"等關(guān)鍵詞檢索并篩選得到如下主要專利列表:

表1 美國高溫高壓密封連接器主要專利列表

從檢索到的專利來看，將美國的現(xiàn)有高溫高壓密封連接器專利疊加起來，幾乎已經(jīng)構(gòu)成了一個專利技術(shù)壁壘，尤其是"Kemlon"和"Greene Tweed"兩家公司所申請的專利。雖然針對這兩家公司的專利群可以研究出很多不同于某些專利所披露的技術(shù)方案，但這些可以研究出的技術(shù)方案能突破一家公司的專利卻不能突破另一家公司的專利?？梢?，這兩家公司的專利構(gòu)成的保護(hù)池是相當(dāng)?shù)膰?yán)密。幸運的是，通過在美國專利檢索網(wǎng)站檢索到相關(guān)專利的法律狀態(tài)，部分專利已經(jīng)失效，有的專利雖然申請了，但由于各種原因，申請人最終還是決定放棄了。這給我們開發(fā)這些專利技術(shù)所披露的產(chǎn)品提供了可行的途徑。

3 高溫高壓密封連接器的有效專利

3.1 US7249971B2

如圖1所示為美國專利US7249971B2實施例附圖。該專利保護(hù)的技術(shù)方案如下:

一種密封壓力連接器提供了一種通過隔板上的孔進(jìn)行耐壓密閉的，導(dǎo)電的連接。連接器包含:一塊橫向支撐板，它有至少一個貫穿自身的孔;至少一只接觸件，每一只有高壓端和低壓端，并沿軸向穿過該孔;至少一個絕緣套筒，每一個包裹著中心的接觸件，使橫向支撐板與每只接觸件絕緣，其中每只絕緣套筒包含一端加粗的基體部分，由此與接觸件的臺階相配合，這一端位于臺階和橫向支撐板之間，這樣裝配就能為接觸件提供穩(wěn)定性;一個注塑的外殼至少在高壓或低壓其中一端包裹著中心的接觸件，接觸件數(shù)量至少一只，這樣就能為接觸件在孔中提供機械支撐，注塑外殼直接與接觸件、絕緣套筒和橫向支撐板密封嚙合。

3.2 US7442081B2

如圖2所示為美國專利US7442081B2實施例附圖。該專利保護(hù)的技術(shù)方案如下:

圖2 美國專利US7442081B2實施例附圖

通過在隔離壁中的一個孔提供壓緊和導(dǎo)電連接的密封壓力連接器包括:一個橫向支撐結(jié)構(gòu)，一邊是高壓力，另一邊則是低壓力，一個通道從兩邊穿過該橫向支撐結(jié)構(gòu);一根導(dǎo)體針，其軸向部分穿過通道;一個絕緣套筒，至少包裹著導(dǎo)體針的軸向部分從而使導(dǎo)體針與橫向支撐部分電絕緣，其中該絕緣套筒是兩個嵌合襯套;其中兩個嵌合襯套中第一個襯套在高壓力邊且由陶瓷構(gòu)成，第二個襯套在低壓力邊且由聚合材料構(gòu)成;一個模塑連接器殼體，至少在高壓力和低壓力中一邊包裹著導(dǎo)體針的一個中間部分，從而在通道中機械支撐著導(dǎo)體針，模塑殼體和導(dǎo)體針、絕緣套筒以及橫向支撐結(jié)構(gòu)直接密封嚙合。

3.3 US7901247B2

如圖3所示為美國專利US7901247B2實施例附圖。該專利保護(hù)的技術(shù)方案如下:

(1)第一獨立權(quán)利要求

一種用于高溫高壓油氣井中的電連接器，包括:一個熱塑性絕緣體，具有特定的抗壓強度;一個金屬導(dǎo)體插針，部分插入上述的熱塑性絕緣體內(nèi)部，所述導(dǎo)體至少有一部分具有特定外徑尺寸;以及一個絕緣襯套，具有一定的抗壓強度，應(yīng)高于上述的熱塑性絕緣體，且有首端和末端，在上述首端和末端之間有一個內(nèi)部通道，上述導(dǎo)體至少有部分位于上述通道，且上述通道的內(nèi)徑小于上述導(dǎo)體的至少一部分的外徑。

(2)第二獨立權(quán)利要求

一種用于高溫高壓油氣井中的電連接器，包括:一個熱塑性絕緣體，具有特定的抗壓強度;一個金屬導(dǎo)體插針，部分插入上述的熱塑性絕緣體內(nèi)部，所述導(dǎo)體至少有一部分具有特定外徑尺寸;以及一個絕緣襯套，具有一定的抗壓強度，應(yīng)高于上述的熱塑性絕緣體，且有首端和末端，在上述首端和末端之間有一個內(nèi)部通道，上述導(dǎo)體至少有部分位于上述通道，且上述通道的內(nèi)徑小于上述導(dǎo)體的至少一部分的外徑，上述電連接器的以無玻璃密封為特征。

圖3 美國專利US7901247B2實施例附圖

4 高溫高壓密封連接器可開發(fā)產(chǎn)品的舉例

從表1中列出的主要專利及其法律狀態(tài)，我們可以看出，有多項專利的法律狀態(tài)顯示為終止、失效或者是放棄的狀態(tài)，說明這些過期的專利技術(shù)的代表產(chǎn)品，任何公司都可以參照開發(fā)，以此節(jié)約大量的重復(fù)研發(fā)費用。這些產(chǎn)品可以是:

4.1 單芯注塑產(chǎn)品

該款產(chǎn)品采用塑料注塑以包裹圖中所示的接觸件而形成(見圖4所示)，基本符合5203723和US20030032339 A1(未授權(quán))專利的保護(hù)要求。其中，前者為哈里伯頓公司(Halliburton Logging Services)申請并于1993年4月20日授權(quán)的。目前，該專利保護(hù)期已過;后者為Greene Tweed公司2003年申請的，專利要求保護(hù)使用材料為聚醚酮酮(PEKK)或其衍生物，權(quán)利要求中沒有要求保護(hù)材料為PEEK的情況;相反，專利說明書中說到使用PEEK材料不能達(dá)到要求，而使用其要求保護(hù)的PEKK及其衍生物可以滿足產(chǎn)品的要求。經(jīng)檢索得知Greene Tweed公司的US20030032339專利目前已經(jīng)被放棄了，同美國哈里伯頓公司的5203723專利一樣，已經(jīng)沒有法律效力。因此，任何公司都可以使用該兩項專利技術(shù)，可以采購能夠承受非常惡劣的高壓力、高溫度環(huán)境，能夠暴露在化學(xué)侵蝕的環(huán)境中的PEKK或其衍生物來生產(chǎn)該產(chǎn)品。

圖4 單芯注塑產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

4.2 單芯注塑改進(jìn)產(chǎn)品

該產(chǎn)品基本特征為在上述單芯注塑產(chǎn)品的基礎(chǔ)上增加金屬承壓部分(帶螺紋)，如圖5所示。該結(jié)構(gòu)與專利US 6582251 B1中的附圖4完全一致，落入該專利的保護(hù)范圍。但通過專利法律狀態(tài)檢索，發(fā)現(xiàn)該專利權(quán)已經(jīng)終止，不構(gòu)成對該專利的侵權(quán)。

圖5 單芯注塑改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

4.3 玻璃燒結(jié)產(chǎn)品

圖6 所示為單芯玻璃燒結(jié)產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)特點為兩端陶瓷+內(nèi)部玻璃燒結(jié)，即圖中的基座1和基座2為陶瓷材料，兩陶瓷之間為玻璃。美國專利US3793608和US3898731(兩件專利申請較早，表1中未予列出)早已將其技術(shù)內(nèi)容公開，且該兩件專利授權(quán)日期分別為1974年2月19日和1975年8月12日，已超過專利的有效期。

圖6 單芯玻璃燒結(jié)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

5 高溫高壓密封連接器開發(fā)侵權(quán)產(chǎn)品舉例

所有與表1中列出的有效專利，即是本文第3章節(jié)列出的這些有效專利所要保護(hù)的技術(shù)方案接近的產(chǎn)品的實施，如在美國制造、使用、銷售、許諾銷售、進(jìn)口(對于中國來說就是出口)到美國都可能會構(gòu)成侵權(quán)。例如圖7所示的產(chǎn)品同時落入US7249971B2和US7901247B2兩個專利的權(quán)利要求的保護(hù)范圍，即是與本文第3章節(jié)列出的這兩個有效專利所保護(hù)的技術(shù)方案的內(nèi)容相符。目前，US7249971B2為 GreeneTweed公司的專利，US7901247B2為Kemlon公司的專利，兩個專利均有法律效力。雖然我們可以研究出很多不同的技術(shù)方案，但這些可以研究出的技術(shù)方案能突破一家公司的專利卻不能突破另一家公司的專利，因此，要同時突破這兩個專利的保護(hù)范圍是很難的。如果不進(jìn)行分析研究就實施或想當(dāng)然地變化加以實施，很容易構(gòu)成產(chǎn)品侵權(quán)。

圖7 落入有效專利保護(hù)范圍的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

6 高溫高壓密封連接器的開發(fā)策略

從以上所述我們可以看出，高溫高壓密封連接器由于使用環(huán)境相當(dāng)苛刻，能夠用于該類連接器的材料不多。而且，從檢索到的高溫高壓密封連接器的相關(guān)專利技術(shù)來看，能夠構(gòu)成高溫高壓密封連接器的結(jié)構(gòu)要素也比較少，如僅是熱塑性塑料、以陶瓷為代表的高抗壓絕緣體、用于密封的玻璃、導(dǎo)電彈簧、金屬外殼、中心電導(dǎo)體，橡膠、高溫密封膠等幾種構(gòu)件。由此可見，對于該類連接器，國外企業(yè)經(jīng)過半個世紀(jì)的研究，其技術(shù)成熟程度是相當(dāng)高的，國外的這些產(chǎn)品生產(chǎn)商目前所生產(chǎn)的產(chǎn)品，不僅產(chǎn)品性能指標(biāo)能滿足使用要求，而且所實施的產(chǎn)品技術(shù)方案當(dāng)然也是最佳的，如工藝方面的、成本方面、質(zhì)量方面等已經(jīng)是成熟地進(jìn)行優(yōu)化了。因此，我們可以提出以下高溫高壓密封連接器的開發(fā)策略。

6.1 產(chǎn)品跟隨策略

基于絕大多數(shù)的專利法律狀態(tài)顯示已經(jīng)失效、終止、放棄等情況，產(chǎn)品開發(fā)采取仿制國外高溫高壓密封連接器制造廠商的產(chǎn)品策略，也就是能夠防制的盡量仿制，如仿制Greene Tweed的單芯注塑產(chǎn)品，仿制Kemlon的玻璃燒結(jié)產(chǎn)品。

6.2 專利無效策略

如圖7所示產(chǎn)品同時落入US7249971B2和US7901247B2兩個專利的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。其中，US7249971B2為Greene Tweed公司的專利，US7901247B2為Kemlon公司的專利，兩個專利直到現(xiàn)在均有法律效力。如果我們僅僅采取挖掘新的技術(shù)方案的策略來突破專利侵權(quán)，當(dāng)然比較困難。

我們可以看到的是Greene Tweed公司的專利US7249971B2的一個實施例附圖如上述的圖1，與Kemlon公司的專利US7901247B2一個實施例附圖如上述的圖3，兩者是如此的相似，而且Kemlon公司的專利US7901247B2要求保護(hù)的技術(shù)方案中的技術(shù)手段基本上已經(jīng)被Greene Tweed公司的專利US7249971B2披露了，兩個專利的申請日跨度也較長，不存在美國專利法中規(guī)定的使用公開寬限期1年的限定問題。因此，可以通過Greene Tweed公司的專利US7249971B2作為現(xiàn)有技術(shù)提起無效Kemlon公司的專利US7901247B2。

如果讓Kemlon公司的專利US7901247B2變成無效專利，然后再采用挖掘新技術(shù)方案的策略突破Greene Tweed公司的專利US7249971B2，就變得比較容易突破專利侵權(quán)了。

6.3 專利跟蹤策略

某個項目在全世界各國或地區(qū)的專利申請和授權(quán)兩方面的情況，在一段時間以內(nèi)，是個動態(tài)變化的狀態(tài)，高溫高壓密封連接器也不例外。為了避免專利侵權(quán)，我們還要注意不斷地在研發(fā)周期內(nèi)進(jìn)行檢索以跟蹤專利公開情況，以防止在一個國家或地區(qū)發(fā)生專利侵權(quán)。

7 結(jié)束語

高溫高壓密封連接器作為一種在惡劣的環(huán)境下連接電子模塊的連接器，能夠承受極高的壓力和溫度，也能夠暴露在化學(xué)侵蝕性的環(huán)境中，并且使用于利潤較高的石油鉆探行業(yè)，目前能夠制造該類連接器的廠商也不多。因此，著手開發(fā)高溫高壓密封連接器的前景是十分可觀的。同時，高溫高壓密封連接器現(xiàn)有專利權(quán)多數(shù)已經(jīng)被放棄、終止或失效，因此，開發(fā)商開發(fā)該類產(chǎn)品可以采取“產(chǎn)品跟隨策略”;基于高溫高壓密封連接器現(xiàn)有專利之間存在相互影響專利性的原因以及有的專利可挖掘新的技術(shù)方案進(jìn)行突破，可以采取專利無效策略與挖掘新技術(shù)方案開發(fā)策略;基于某個項目在全世界各國或地區(qū)的專利申請和授權(quán)兩方面的情況，在一段時間以內(nèi)，是個動態(tài)變化的狀態(tài)，需要采取專利跟蹤策略。