控制井壁穩(wěn)定的鉆井液技術(shù)專利跟蹤與分析

趙汩凡，邸偉娜，李婧，石秉忠，王敏生

（中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101）

控制井壁穩(wěn)定的鉆井液技術(shù)專利跟蹤與分析

趙汩凡，邸偉娜，李婧，石秉忠，王敏生

（中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101）

調(diào)節(jié)鉆井液性能是解決井壁穩(wěn)定這一工程性難題的重要手段之一。通過對(duì)該領(lǐng)域的專利檢索和深入分析，揭示了水化膨脹抑制劑、封堵裂縫處理劑、特種功能組分和多組分協(xié)同作用為該領(lǐng)域的主要發(fā)展重點(diǎn)，為開發(fā)鉆井液新技術(shù)提供新的思路和方法，對(duì)規(guī)避研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，提高技術(shù)起點(diǎn)有重要意義。

鉆井液；井壁穩(wěn)定；專利分析

在石油鉆井中，井壁穩(wěn)定問題是世界范圍內(nèi)普遍存在的問題。鉆井過程會(huì)破壞原有地層壓力平衡，鉆井液與地層發(fā)生物理化學(xué)作用，導(dǎo)致地層特性改變，可能會(huì)引起井壁失穩(wěn)問題［1，2］。解決井壁失穩(wěn)問題的主要途徑是調(diào)節(jié)鉆井液性能，需要在鉆井液中加入控制井壁穩(wěn)定的處理劑，主要有防塌劑、頁(yè)巖抑制劑（抑制水化、膨脹）、封堵劑、降濾失劑等［3-5］。經(jīng)過多年發(fā)展，國(guó)內(nèi)外各大石油公司、技術(shù)服務(wù)公司在控制井壁穩(wěn)定領(lǐng)域申請(qǐng)了大量的鉆井液相關(guān)技術(shù)專利，形成了各自的核心技術(shù)及其相應(yīng)的專利布局［6］。涉及到控制井壁穩(wěn)定鉆井液技術(shù)領(lǐng)域，國(guó)外各大石油公司、技術(shù)服務(wù)公司通過合理的專利戰(zhàn)略已經(jīng)將重要技術(shù)全方位保護(hù)起來。跟蹤新技術(shù)發(fā)展在企業(yè)創(chuàng)新過程中尤為重要，而專利是首選的新技術(shù)情報(bào)來源。通過專利分析，能夠了解和掌握當(dāng)今鉆井液技術(shù)前沿及發(fā)展趨勢(shì)，可以從專利文獻(xiàn)的技術(shù)內(nèi)容出發(fā)，在前人基礎(chǔ)上再創(chuàng)新，開拓新思路，避免重復(fù)研究［7-10］。

國(guó)內(nèi)在控制井壁穩(wěn)定的鉆井液技術(shù)領(lǐng)域目前尚處在跟蹤模仿和全力趕超階段，需要強(qiáng)化控制井壁穩(wěn)定鉆井液相關(guān)技術(shù)的技術(shù)攻關(guān)。在研究開發(fā)時(shí)，需要對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在該領(lǐng)域的知識(shí)產(chǎn)權(quán)狀況有所了解，同時(shí)通過深度專利分析，能夠縮短研發(fā)周期、提升技術(shù)起點(diǎn)、防范專利風(fēng)險(xiǎn)。本文在分析研究整體發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上［11］，重點(diǎn)針對(duì)領(lǐng)域內(nèi)核心專利和前沿專利進(jìn)行深入分析，為技術(shù)研發(fā)提供有益參考。

1　專利檢索

以湯森路透公司的德溫特專利數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)源，通過歸納分析控制井壁穩(wěn)定的鉆井液領(lǐng)域的主要工程實(shí)際需求和相關(guān)的基礎(chǔ)技術(shù)問題，并參考大量文獻(xiàn)以及相關(guān)鉆井液技術(shù)手冊(cè)，確定了主要專利檢索范圍，具體（見表1）。截止到2013年5月31日，在德溫特專利數(shù)據(jù)庫(kù)共檢索到5 243件專利，結(jié)合聚類分析和引證分析，最后經(jīng)專家篩選，篩選出75條核心專利和46條前沿專利（均為專利族的個(gè)數(shù)）作為重點(diǎn)分析數(shù)據(jù)。

表1　主要專利檢索范圍Tab.1 Main field of patent search

2　控制井壁穩(wěn)定鉆井液核心專利技術(shù)

2.1技術(shù)分布

控制井壁穩(wěn)定的鉆井液技術(shù)領(lǐng)域核心專利，按照其技術(shù)側(cè)重點(diǎn)不同，可歸納為下列幾類：

（1）鉆井液體系類（15個(gè)專利族）：包括水基鉆井液、油基鉆井液、逆乳液鉆井液等。

（2）流程方法類（6個(gè)專利族）：包括鉆井液控制方法等。

（3）封堵裂縫類（4個(gè)專利族）：包括顆粒封堵、膜封堵等。

（4）水化膨脹抑制類（36個(gè)專利族）：包括聚胺類、聚醇醚類等各種抑制劑。

（5）多組分協(xié)同作用類（6個(gè)專利族）：包括抑制劑等多種處理劑的復(fù)合使用等。

（6）特殊組分類（8個(gè)專利族）：包括天然化合物、納米材料、包覆劑等。

2.2技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)

鉆井液技術(shù)的發(fā)展都是圍繞實(shí)際工程需求開展的，是為了解決現(xiàn)場(chǎng)的具體施工問題，呈現(xiàn)出明顯的階段性特征。早期鉆井過程中，遇到的井壁穩(wěn)定問題不是很嚴(yán)重，銨鹽、鉀鹽類抑制劑的專利申請(qǐng)居多，能夠有效抑制頁(yè)巖水化膨脹。隨著特殊工藝井的不斷出現(xiàn)，對(duì)井壁穩(wěn)定性的要求不斷提高，聚胺類抑制劑等強(qiáng)抑制性的處理劑的專利申請(qǐng)居多。另一方面，除了抑制劑，研發(fā)人員還通過降濾失、降低固相含量等方法提高井壁穩(wěn)定性，申請(qǐng)了大量專利。隨著非常規(guī)油氣開發(fā)的推進(jìn)，對(duì)鉆井液的要求越來越高，多組分協(xié)同作用處理劑的專利申請(qǐng)明顯增多。

具體分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，1998年之前的專利共26件，1998年之后的專利共49件。隨著各種特殊工藝井的不斷增多，對(duì)于高性能鉆井液需求愈加迫切，各家公司在1998年之后申請(qǐng)的相關(guān)專利數(shù)量明顯增加，特別是2000年之后，專利申請(qǐng)?jiān)鏊僮兛臁?/p>

3　控制井壁穩(wěn)定鉆井液前沿專利技術(shù)

3.1前沿技術(shù)分布

前沿技術(shù)專利申請(qǐng)數(shù)量較多，但是專利權(quán)人分布非常分散，專利多是小公司或者大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)申請(qǐng)居多，均尚未形成專利組合。國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量有了顯著提高，專利數(shù)量達(dá)到25件，且專利內(nèi)容多涉及最新發(fā)展方向。

控制井壁穩(wěn)定的鉆井液技術(shù)領(lǐng)域前沿專利，按照其技術(shù)側(cè)重點(diǎn)不同，可歸納為下列幾個(gè)方向：

（1）聚胺類抑制劑方向：具體涉及新型胺類化合物等用于抑制頁(yè)巖水化等。

（2）降濾失劑方向：具體涉及多種纖維與架橋劑等用于堵漏降濾失。

（3）納米材料處理劑方向：具體涉及納米粒子、石墨烯、碳納米管用作處理劑提高鉆井液井壁穩(wěn)定性。

（4）環(huán)境友好型鉆井液方向：具體涉及糖漿、交聯(lián)多糖等用作鉆井液處理劑。

3.2前沿技術(shù)分析

3.2.1新型頁(yè)巖抑制劑各公司根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需要，不斷加強(qiáng)自有傳統(tǒng)技術(shù)，包括頁(yè)巖抑制劑等。除了需要降低成本、提高鉆井液性能外，根據(jù)各級(jí)政府及環(huán)保法規(guī)等的要求，不斷提高鉆井液的環(huán)境友好性是發(fā)展趨勢(shì)。例如，巴斯夫（BASF）申請(qǐng)了聚賴氨酸頁(yè)巖抑制劑的專利。聚賴氨酸是一種非常環(huán)保的天然聚合物，分子上有多個(gè)胺基，能夠有效抑制頁(yè)巖水化。同時(shí)，聚賴氨酸無(wú)毒，環(huán)境友好性材料。

3.2.2納米處理劑納米材料是指晶?；蝾w粒尺寸在1 nm～100 nm范圍內(nèi)的超細(xì)材料。目前，納米材料在石油工程領(lǐng)域，開展了大量相關(guān)前瞻研究，但主要涉及設(shè)備等領(lǐng)域，而在鉆井液領(lǐng)域應(yīng)用相對(duì)較少。近年，包括斯倫貝謝在內(nèi)的多家公司相繼開展了納米硅、碳納米管、石墨烯等在鉆進(jìn)液中的應(yīng)用研究，并申請(qǐng)了相應(yīng)專利。目前，普遍應(yīng)用納米材料的尺寸小這一特點(diǎn)，用于物理封堵地層孔喉或者微裂縫，以提高井壁穩(wěn)定性。

納米材料相關(guān)的控制井壁穩(wěn)定鉆井液專利共11件，國(guó)內(nèi)國(guó)外均有專利申請(qǐng)，從最常見的無(wú)機(jī)納米材料善氧化硅，到最前沿的石墨烯都被用到鉆井液中，以提高井壁穩(wěn)定性能。其中，有國(guó)內(nèi)大學(xué)申請(qǐng)的2件專利涉及使用納米材料封堵。其余的9件均是國(guó)外公司或者大學(xué)申請(qǐng)的。從專利內(nèi)容來看，國(guó)內(nèi)研究人員和國(guó)外研究人員相比，對(duì)于納米材料在鉆井液中的應(yīng)用研究上還存在較大差距。國(guó)內(nèi)還停留在簡(jiǎn)單地將某一種納米材料，例如方便易得的善氧化硅加入到常規(guī)鉆井液體系中，在井壁上形成一層納米膜，顯著降低濾失，提高井壁穩(wěn)定性。對(duì)于作用機(jī)理等研究不足，納米材料的普查和篩選基本沒有開展，專利的權(quán)利要求面較窄，不利于未來技術(shù)的保護(hù)和發(fā)展。與之相對(duì)應(yīng)的，國(guó)外研究人員非常重視納米材料，除了大學(xué)內(nèi)的研究人員，技術(shù)服務(wù)公司M-I SWACO的研究人員也很重視，并申請(qǐng)了有關(guān)石墨烯在鉆井液中的應(yīng)用的專利。更為重要的是，國(guó)外研究人員對(duì)于納米材料的應(yīng)用有較深入的認(rèn)識(shí)，通過包覆、多組分協(xié)同作用等手段嘗試解決納米材料的分散問題，同時(shí)普查了幾乎現(xiàn)階段能夠獲得的全部納米材料，且全部記入權(quán)利要求中，很好地保護(hù)了技術(shù)的未來應(yīng)用。

4　結(jié)論與建議

（1）水化膨脹抑制劑、封堵裂縫處理劑、特種功能組分和多組分協(xié)同作用為控制井壁穩(wěn)定鉆井液領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)。聚胺類頁(yè)巖抑制劑、納米處理劑、環(huán)境友好型鉆井液等是控制井壁穩(wěn)定鉆井液領(lǐng)域的技術(shù)主要發(fā)展方向。

（2）關(guān)注國(guó)外公司研發(fā)前沿，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)。跟蹤國(guó)外石油公司、技術(shù)服務(wù)公司的最新研發(fā)動(dòng)向，深入分析其技術(shù)特征，借鑒并吸收相關(guān)解決井壁穩(wěn)定問題的方法或思路，有利于把握技術(shù)發(fā)展方向及趨勢(shì)。納米材料在鉆井液中的應(yīng)用是近5年內(nèi)剛剛出現(xiàn)的新技術(shù)，應(yīng)提出我們自己的研發(fā)方向，大力開展納米材料在控制井壁穩(wěn)定的鉆井液中的應(yīng)用，在無(wú)機(jī)納米材料之外，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注聚合物等合成納米材料，并及時(shí)形成自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，搶占技術(shù)制高點(diǎn)。

（3）國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)加大自有特色技術(shù)的專利申請(qǐng)力度，盡快形成相應(yīng)的專利保護(hù)網(wǎng)。以胺類頁(yè)巖抑制劑為例，除了要重點(diǎn)保護(hù)體系和核心處理劑之外，應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)展范圍，針對(duì)相關(guān)流程、設(shè)備申請(qǐng)專利保護(hù)，以形成嚴(yán)密的專利保護(hù)圈。國(guó)外公司專利分布也有相對(duì)薄弱的領(lǐng)域，結(jié)合國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀，應(yīng)開發(fā)自有特色技術(shù)。以頁(yè)巖抑制性油基鉆井液為例，可通過研發(fā)適合國(guó)內(nèi)鉆井作業(yè)的乳化劑等處理劑，在提高油基鉆井液的封堵性能、環(huán)保性能等方向開發(fā)自有技術(shù)。

［1］石油鉆井有限公司鉆井液分公司編.鉆井液技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2005.

［2］Kang Y，Yu M，Miska S，et al.Wellbore stability a critical review and introduction to DEM［C］.SPE 1242669.SPE Annual Technical Conference and Exhibition，4-7 October 2009，Louisiana，USA.

［3］孫金生，張希文，等.鉆井液技術(shù)的現(xiàn)狀挑戰(zhàn)需求與發(fā)展趨勢(shì)［J］.鉆井液與完井液，2011，28（6）：67-76.

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Patent analysis of drilling fluid pertaining to wellbore stabilization

ZHAO Gufan，DI Weina，LI Jing，SHI Bingzhong，WANG Minsheng
（Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering，Beijing 100101，China）

One of the most useful way to maintain wellbore stability，which is a spotlight in drilling activities，is to control the drilling fluid.Using derwent world patents database，we found that hydration swelling inhibitor，blocking agent，special components and compositional synergy are the developing key points of such area.The intelligence obtained from patent analysis could provide new ideas for the development of drilling fluid and help avoiding the developing risk.

drilling fluid；wellbore stability；patent analysis

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.02.002

TE254

A

1673-5285（2015）02-0005-03

2014－12-09

中國(guó)石化科技部項(xiàng)目“控制井壁穩(wěn)定的鉆井液專利分析與發(fā)展建議”，項(xiàng)目編號(hào)：YK513033。

趙汩凡（1980-），工程師，博士，現(xiàn)在從事石油工程技術(shù)相關(guān)學(xué)科前瞻研究工作，郵箱：zhaogf.sripe@sinopec.com。