地質導向鉆井技術專利分析
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摘 要：地質導向鉆井技術是鉆井領域的重點發展方向，也是中國油服行業進軍一流油服企業的必經之路；文章以地質導向鉆井專利分析為視角，從地質導向鉆井技術的演進、專利申請態勢，重要申請人和重點專利分析等方面入手進行詳細的介紹，并對比分析中國與國外油服巨頭的短板。在梳理地質導向鉆井技術發展演進和脈絡的基礎上，挖掘地質導向領域各分支的關鍵技術與關鍵技術的核心專利，以供相關研究人員作為參考。
關鍵詞：地質導向；專利分析；聲波；電磁；電阻率；地震
中圖分類號：TE242.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）19-0019-04
Abstract： Geological steering drilling technology is not only the key development direction in the field of drilling， but also the only way for China's oil clothing industry to enter the first-class oil service enterprises. From the perspective of patent analysis of geological steering drilling， this paper focuses on the analysis of the evolution of geological steering drilling technology， patent application situation， important applicants and key patent analysis and other aspects of a detailed introduction， and a comparative analysis of the shortcomings of Chinese and foreign oil service giants. On the basis of combing the development and evolution of geological steering drilling technology， the core patents of key technologies and key technologies in each branch of geological steering field are excavated for reference by relevant researchers.
Keywords： geological guidance； patent analysis； acoustic wave； electromagnetism； resistivity； earthquake
1 概述
應石油勘探開發的需要，以適應更深地層的超深井、海上油田的大位移井、從式井、分支井，以揭露最大泄油面積為目的的類似貪吃蛇的地質導向井蓬勃發展，導向鉆井從預防井斜到利用井斜、創造更多更加復雜的井斜方向發展，從幾何導向到根據實際地層的地質導向方向發展，其正朝著更深、更遠、更加自動化和智能化的方向發展，其屬于國際石油工業的前沿與關鍵性技術，是整個油服產業的核心競爭力。
地質導向是在幾何導向的基礎上通過隨鉆測量地層屬性或者周圍井眼特征從而及時調整鉆頭往最優的區域或者避開障礙的一種導向鉆井技術，按照測量技術的不同可以分為聲波導向（圖1（a））、電阻率導向（圖1（b））、電磁測距導向（圖1（c））和隨鉆地震導向（圖1（d））等。
2 專利技術分析
2.1 地質導向鉆井技術專利申請整體分析
從圖2中可以看出在地質導向鉆井領域90年代以前申請量發展緩慢，但是90年代以后申請逐年增加，到90年代出現了申請高峰，隨后申請量波動中上漲；90年代初期出現的申請高峰與當時出現的以北海地區的海上大位移井試驗成功而引發的導向鉆井研究熱潮密切相關，90年代后期以及21世紀初的申請高峰是在各大油服巨頭完成了各自旋轉導向鉆井系統專利部署的背景下為進一步鞏固在地質導向鉆井技術領域的地位作出的競爭性申請，后續的申請則較為側重對地質導向鉆井測量精度、算法改進等相關方面的申請。
地質導向鉆井技術的申請量集中在隨鉆電磁測距領域，其次是隨鉆電阻率，再次是隨鉆聲波和隨鉆地震。
從圖4中可以看出主要申請人集中在美國，主要還是哈里伯頓、斯倫貝謝、貝克休斯等傳統油服巨頭以及工程鉆井領域的默林科技。中國三桶油的申請量較為欠缺。
2.2 地質導向鉆井技術分支統計分析
從圖5可以看出，美國在各個技術分支都遙遙領先，其中，在電磁測距領域最為突出；歐洲和中國申請量不多，歐洲主要集中在隨鉆電阻率和隨鉆地震方面，中國的申請各分支與美國相似，但是申請量遠遠落后。
2.3 地質導向鉆井各分支技術演進
2.3.1 聲波導向
1993年，WO95/14845A1專利申請中，通過聲波測量裝置主動發聲并接受回聲探測地層邊界，利用探測到的地層邊界實時導向鉆進。1995年，哈里伯頓在US5678643 A中，在鉆柱上布置多個聲波接受器，增強地層邊界探測的精度，從而更好地實時導向鉆進。維米爾公司在CN1209184 A中提出了工程鉆井上的導向定位裝置，鉆頭附近的管柱上設置超聲波發生器和接收器，超聲波發聲器發出超聲波，地面移動裝置檢測到該超聲波并確定鉆頭位置，從而進行相應的方位調整以適應預想的導向方向，到2009年，哈里伯頓提出的WO2009/073008 A1專利申請公開文件可用于諸如從式井等井眼密集的地方的防碰鉆井，在臨井設置聲波接收器，在鉆頭處設置聲波發聲器，鉆進的同時發出聲波，臨井聲波接收器接收聲波信號從而定位鉆頭位置，從而對鉆頭進行導向防止其碰撞臨井。2010年，在專利申請WO2011/080640 A2中提出了在鉆柱周向上分區布置聲波發射器和接收器，并與鉆柱方向形成一定角度，能針對鉆頭前方的地層進行探測，并且分區設置能夠在周向上由探測細化，更加精確，從而使得聲波導向也更加準確。2012年，沙特阿拉伯國家石油公司在專利WO20130/74745 A2中提出在鉆頭破碎巖石時，由于巖性的不同發出的聲波也不同，根據聲波的不同便可確定鉆頭在哪一中巖石中鉆進，當鉆頭鉆出特定層時，所產生的聲波會發生變化，此時，變換鉆進路徑重新鉆回該特定層，從而實現鉆頭導向。 2.3.2 電阻率導向
貝克休斯于1991年在US5230386 A專利中通過鉆測所選地層水平方向的電阻率，并對該選定地層水平方向電阻率進行建模，并測定地層邊界，通過模型和所測地層邊界引導鉆頭沿著該地層的水平方向進行鉆進。到1999年，哈里伯頓在EP2108981 A2中，為適應地層各向異性造成巖石在水平方向和垂直方向山的電阻率差異，將部分測量線圈對鉆柱軸向上成一定角度設置，從而使得測量出的電阻率更加準確，邊界更加清晰，導向更加準確，該專利也開啟了方向電阻率測井技術發展。2002年，貝克休斯在US2004/0100263A1中，使用多個多分量電阻率傳感器，用于在隨鉆測井工具的多個工具表面角度上得到測量值。由電阻率傳感器給出的測量值以工具表面角度關聯的函數得到三維電阻率特性，并聯合分析在多個深度上給出的測量值，改善信噪比，從提高導向精度。在2003年，貝殼休斯在US2004/0046560 A1中，利用四極子實現鉆頭附近較淺位置的周向方向的方位電阻率的測量提高附近的分辨率，而普通電阻率測量進行較深位置的電阻率測量和邊界位置的大體確定，從而利用深淺電阻率測量實現地質導向鉆井不同分辨率的需要。2004年，斯倫貝謝在CN1573013 A中，在隨鉆測量儀器旋轉的同時，電磁率發射天線發射能量，并且利用該發射天線定向測量該能量相關的電壓信號，以判斷電壓信號電壓信號隨方位角變化關系，從而實現周向上的分區域的方位電阻率測量。2005年，斯倫貝謝在US2006/0011385 A1中，對于探測深度要求的改進，對于發射線圈和接收線圈之間的距離小于儲層厚度的情況，在深測量方面效果較差，此時在鉆桿上設置一個遙控發射線圈55，使得接收線圈和發射線圈之間的距離大于儲層厚度，從而實現更深的電阻率測量，實現更高精度的地質導向。2007年，貝殼休斯在US2007/0236222 中，在鉆頭底面設置電極，該電極相地層中注入電流，電流一部分流入地層，一部分沿著鉆柱回到電源，測量鉆頭前方的地層對電流的響應。2008年，哈里伯頓在WO2008/008386 A2中，在管柱上設置可以調整與鉆柱軸向方向角度的可拆卸線圈，好處是不用在鉆柱上刻槽，便于調整角度或更換。同年，哈里伯頓在CN102439260 A中，為了盡可能探測鉆頭前方地層的電阻率特性以提供導向鉆井精度，直接將發射線圈放置到鉆頭上。2012年，哈里伯頓在CN104285033 A中應用了深側向和前側向的電阻率測量的差異，兩個的差異表示的是鉆頭前方的地層特性，通過測量該差異或者地層前方的巖性或者地層邊界，從而便于地質導向。2013年，哈里伯頓在CN104520734 A中，通過多個發射線圈和接收線圈的間隔設置，通過發射線圈與接收線圈之間的最小距離到最大距離依次測量，從而使得探測深度不一，從而實現多個巖層界面的測量，地質建模更加精細，導向更加準確。2014年，哈里伯頓在WO2015/0152898 A1中，將線圈與鉆柱之間設置為可相對旋轉，利用磁定位裝置進行線圈與管柱之間的定位，從而實現線圈的主動定向地進行方位電阻率測量，使得地質導向地層屬性了解更加主動。
2.3.3 電磁測距導向
1972年，US3828867 A中，井下鉆頭處發射電磁波，地面不同位置設置三個接收裝置，三個接收裝置根據接收信號的時間計算出鉆頭位置，從而便于調整鉆頭方向。1987年，在US4646277 A中，工程鉆井中在鉆頭處安裝電磁信號源在臨近的一個坑道里安裝感測器，用于引導鉆頭前進。1997年，默林科技在 US6250402B1專利中，工程鉆機在地面沿著井眼方向兩邊設置多個電磁探測器，負責不同階段的井下工具傳輸上來的電磁定位信號，并且可通過該定位信號控制鉆頭繞過障礙物。隨著稠油SAGD開發技術的發展，雙水平井的開發迅速興起，但是雙水平井之間需要保持10m左右的距離，針對雙水平井的電磁導向技術迅速發展，1998年，維特磁力（Vector Magnetics）公司在WO98/45733 A1中，鉆出一口水平井后，利用連續油管推動電磁傳感器沿著井眼推動，在鉆口井時鉆頭處設置電磁計實時探測兩口井的距離，從而引導鉆頭鉆進。2011年，施密特公司，在CN103282601 A中，沿著臨井均勻布置多個電磁陣列，在所鉆井中通過電磁信號接收器接收信號從而完成電磁測距，引導鉆頭鉆進。2012年，哈里伯頓在CN104884736 A中，在臨井中注入交流電，用于SAGD的導向鉆井，沿著臨井設置電極，電極注入交流電，從而在地層中產生交變電磁場，所鉆井中設置電磁感應裝置，從而測量它們之間的距離引導鉆頭鉆進。2014年，在哈里伯頓WO2016/025230A1對這種方式的提出了電磁測距方法，在所鉆井中的旋轉管柱上設置的圓周上設置兩個電磁傳感器，兩個電磁傳感器的連線通過圓心，根據它們測量的結果及其差異以及臨井中心和所鉆井中心連線與兩個傳感器連線的角度便可獲知電磁測距。
2.3.4 地震導向
1991年，在US5144591 A中，貝殼休斯通過通過隨鉆地震產生橫波從而根據橫波在地層中的傳播速度的不同，判斷地層巖性，并且利用首波測量地層邊界，從而利用其為鉆頭導向。1999年，在US6166994 A中，斯倫貝謝將地震發生器放置在鉆頭上設地震發生器，地震發生器向地層發射縱波，遇到地層界面反射回來，從而獲知當前鉆頭與邊界之間的距離，便于調整鉆進方向。2011年，斯倫貝謝在CN103946849 A中，面對復雜斷裂帶的導向鉆井，利用隨鉆地震測量井間距和與斷裂帶的間距，并利用其建立復雜斷裂帶地質模型，然后根據該地質模型進行導向鉆進。2013年，WO2014/0195495A2中，挪威科技大學，在遠離井眼的方向設置地震波發射器和接收器，從而可以同時探測井深結構，臨井結構以及目標點的位置，從而實現如救援井的導向。
2.4 核心專利分析
聲波導向的核心專利是維米爾的CN1209184A，其在工程鉆井的超聲波定位導向有意義，但是將其方法應用到石油鉆井中則需要克服一些困難。電阻率導向鉆井的第一核心專利是哈里伯頓的EP2108981 A2，該專利通過偏移軸線設置線圈，從而實現地層電阻率各向異性的測量，為電阻導向鉆井打下了基礎，同時也開啟了隨鉆方位電阻率測量的時代。電磁測距導向的第一核心專利是Vetor Magnetics公司，該專利成功地實現了電磁導向實現SAGD雙水平井的精確鉆進，其次是哈里伯頓，哈里伯頓的CN104884736A和WO2016025230A1專利申請時間比較接近現在申請日分別是12年和14年，得出其被引用次數尚早，但是其同族高達19，兩篇專利技術關聯性很強，第一個是在臨井中注入交流電，用于SAGD的導向鉆井，沿著臨井設置電極，電極注入交流電，從而在地層中產生交變電磁場，所鉆井中設置電磁感應裝置，從而測量它們之間的距離引導鉆頭鉆進，另一個是對該測量方式的測距方法的改進，在所鉆井中的旋轉管柱上設置的圓周上設置兩個電磁傳感器，兩個電磁傳感器的連線通過圓心，根據它們測量的結果及其差異以及臨井中心和所鉆井中心連線與兩個傳感器連線的角度便可獲知電磁測距，因此，可以將它們合為一起，同族19篇也表明了該專利的重要性。
3 結論
經過專利分析發現，國際油服巨頭斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克休斯等油服巨頭掌握了大量的地質導向鉆井核心專利。我國在這方面發展緩慢，近幾年開始發展，但是從檢索到的專利分析來看，大多偏向于理論以及應用和測試評價，原創性較少。國內在導向鉆井技術的各個技術分支均處于不利地位，無核心專利作支持。當然從近幾年的檢索中也發現了中石化和中石油長城鉆探已經開始注重專利的原創性和高技術含量，并對某些專利慢慢布局諸如美國和歐洲，這是可喜的現象，但要在導向鉆井中這個鉆井核心競爭力也是高附加值的領域中能夠爭得一席之地仍然任重道遠。
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