doi:10.3772/j.issn.1002 ̄0470.2019.07.013
基于专利数据的深层油气藏改造与开发技术发展趋势研究①
∗
周肖贝②∗ 李维波∗ 张 敏∗
(∗中国科学技术信息研究所 北京100038)
∗
(∗北大科技园 北京100080)
摘 要 以德温特创新索引(DII)专利数据库中收录的与深层油气藏改造与开发技术相关专利进行计量分析ꎬ对深层油气藏改造与开发技术的发展趋势、区域分布、重点技术领域和主要申请机构的专利战略布局等多方面进行探讨ꎮ研究发现ꎬ美国和中国是深层油气藏改造与开发最主要的技术来源国和目标市场ꎬ主要技术方向集中于驱油技术、旋转导向钻井、聚合物在油气生产中的应用和压裂技术ꎬ后期的旋转导向钻井和压裂技术引领油气行业的第4次技术ꎻ主要申请机构为大型油气公司或油服公司ꎬ国外企业较注重专利的全球布局ꎬ国内企业反之ꎻ最后提出相关建议ꎬ为提升中国在该领域的核心竞争力提供决策支撑ꎮ
关键词 油气藏改造ꎬ德温特ꎬ专利分析ꎬ旋转导向钻井
高效的增产改造与开发十分有必要[4]ꎮ
0 引言
经过长达百年的开采ꎬ全球中浅层油气勘探开发程度不断提高ꎬ近地表矿床发现率快速下降ꎬ全球深层油气的新增储量呈明显增长趋势ꎬ深层油气勘探开发越来越被广泛关注ꎬ深地资源成为我国经济社会可持续发展的战略资源保障[1]ꎮ我国能源安全形势严峻ꎬ2017年我国石油和天然气对外依存度分别达到67.4%和39%[2]ꎬ迈向深地资源是保障我国经济社会可持续发展和能源安全的战略举措ꎮ国家“十三五”规划ꎬ明确提出发展深地极地关键核心技术ꎬ加大勘探力度ꎬ提升资源战略安全储备ꎬ构建深地资源保障供应的资源可持续发展模式ꎮ深层油气藏一般埋藏较深ꎬ具高温高压、低孔低渗、非均质性强等特征[3]ꎬ对储集层改造的技术难度更高ꎬ所需开采周期更长ꎬ成本更高ꎬ然而ꎬ随着我国向深层勘探开发的需求增大ꎬ对深层油气藏进行安全经济
深层油气藏改造与开发技术主要涉及深层(高
温压)油气层改造与开采技术ꎬ如深层储层精细描述、油气藏建模技术、超深高温压油气藏开发技术、深层驱替技术、提高采收率技术、提高改造体积技术、耐高温系列暂堵材料研发、深层裂缝型储层堵水体系及多轮次注入工艺、油井深抽优化设计技术及工况诊断软件、深层碳酸盐岩储层有效性评价及预测技术、深层储层改造等[5]ꎮ
1 数据来源与分析方法
德温特创新索引数据库收录了来自全球40多个专利出版机构(涵盖100多个国家)的超过1800万条基本发明专利ꎬ3890多万条专利情报ꎬ数据回溯到1963年ꎬ是目前全球最权威的专利文献数据库ꎮ
本研究从深层油气藏改造与开发技术角度出
①
②
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中国博士后科学基金(2016M601098)和青海省科技计划(2018 ̄ZJ ̄614)资助项目ꎮ
女ꎬ1989年生ꎬ博士ꎻ研究方向:重点科技领域监测与分析ꎻ联系人ꎬE ̄mail:zhouxb@istic.ac.cn(收稿日期:2019 ̄01 ̄10)
周肖贝等:基于专利数据的深层油气藏改造与开发技术发展趋势研究
发ꎬ通过对德温特创新索引专利数据库中收录的与之相关的专利数据进行检索分析ꎬ利用ThomsonDa ̄taAnalyzer(TDA)分析软件对数据进行清洗和分域分布、重点技术领域和主要申请机构的专利战略布局等内容ꎮ专利检索截止时间为2018年10月31日ꎬ合并去重后最终得到专利数量为3557件ꎮ
由于专利申请到公开有18个月的滞后期ꎬ且德析ꎬ探讨深层油气藏改造与开发技术的发展趋势、区
从技术发展趋势来看(图1)ꎬ深层油气藏改造与开发技术的专利申请量总体呈上升趋势ꎮ2003年以前每年专利申请量变化较小ꎬ整体呈缓慢上升趋势ꎮ20世纪80年代出现专利数量不断增长ꎬ该时期对聚合物驱的研究与应用不断成熟ꎻ伴随着20世纪90年代世界油价的持续低迷ꎬ前期专利数量下降ꎬ但随着对特殊工艺及高效技术研究与开发的重视ꎬ后期专利数量总体仍呈现出增长ꎮ2003年以后专利申请量快速增长ꎬ2016年达到峰值ꎮ其技术发展共分为3个阶段:1966-1997年ꎬ深层油气藏改造与开发技术处于萌芽期ꎬ专利申请数量和专利申请人数量均缓慢增长ꎻ1998-2012年处于成长期ꎬ专利申请数量和专利权人数量快速增长ꎻ2013-2016年处于相对成熟期ꎬ有不少机构退出该领域的研究ꎬ但专利申请数量仍保持增长ꎮ
温特数据库录入数据信息也有一定延误ꎬ故2016-2018年数据仅供参考ꎮ
2 深层油气藏改造与开发专利技术发
展趋势分析
2.1 技术发展趋势
图1 技术发展趋势(左)与技术生命周期(右)
2.2 区域分布
从主要国家竞争态势来看(图2)ꎬ深层油气藏改造与开发技术专利主要分布在美国、中国、俄罗斯、加拿大等国家ꎮ主要技术来源国专利年申请量总体呈上升态势ꎮ
美国对深层油气藏改造与开发技术的研发一直占有领先优势ꎬ2000年之前ꎬ相比其他国家每年零散的专利成果产出特点ꎬ美国专利数量相对较多且稳定ꎬ一直进行持续的研发活动ꎬ具有不断累积的技
术优势ꎻ2003年以后ꎬ美国加大技术研发力度ꎬ专利数量快速增长ꎬ于2013年达到峰值ꎬ随后有所下降ꎮ
中国起步较晚ꎬ2008年以来专利申请数量保持快速增长ꎬ进入21世纪以来伴随着勘探理论和工程技术的巨大进步ꎬ我国在四川盆地、塔里木盆地、鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地、松辽盆地等多地的深层碳酸盐岩、碎屑岩或火山岩等油气勘探均有重大突破[6ꎬ7]ꎬ2017年专利数量仅次于美国ꎬ具备一定的技术积累与研发优势ꎮ
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高技术通讯 2019年7月第29卷第7期
加拿大早期专利数量一直较少ꎬ至2003年专利数量大幅度增长ꎬ2013年达到峰值ꎬ后期与美国趋
势相一致ꎮ
图2 技术来源国(左)及年度趋势分布(右)
从主要目标市场来看(图3)ꎬ深层油气藏改造大等为主ꎬ在各个主要市场布局的发展趋势几乎同步ꎮ2000年以前ꎬ技术发展缓慢ꎬ各个目标市场的专利申请量表现持续且稳定ꎬ美国较为突出ꎻ2003
年以后ꎬ各目标市场的专利数量均快速增长ꎬ美国的专利数量领先于其他市场ꎬ世界知识产权组织、加拿大紧随其后ꎬ均于2013年左右达到专利数量的峰值ꎮ中国市场成长起步较晚ꎬ2016年专利数量达到峰值ꎮ
与开发技术以美国、中国、世界知识产权组织和加拿
图3 目标市场(左)及年度趋势分布(右)
2.3 重点技术领域分析
(1)专利申请在IPC大/小组的分布情况—724—
国际专利分类(IPC)是一种国际公认的分类
系统ꎬ由世界知识产权组织(WIPO)控制并由专利局分配给专利文献ꎮ基于国际专利分类号IPC大/小组梳理深层油气藏改造与开发技术专利的主要技
周肖贝等:基于专利数据的深层油气藏改造与开发技术发展趋势研究
术方向(图4)ꎬ占比最高的是有关烃增强回收方法(E21B ̄043/16)的专利ꎬ共396件ꎬ远高于其他技术方向ꎬ施引专利数量最多的为贝克休斯公司在1998年申请的“一种用于斜井孔获得均衡产量的方法”(GB2325949 ̄B)ꎻ其次是热利用(E21B ̄043/24)专利、化学品或细菌活性利用(E21B ̄043/22)专利、井中收集产物方法(E21B ̄043/00)专利等ꎬ也是深层油气藏改造与开发技术的研究重点ꎮ
(2)专利申请在德温特手工代码的分布情况
德温特专利数据库的特色之一是对每条专利由
德温特的标引人员标定德温特手工代码(DerwentManualCode)ꎬ用于表示某项发明的技术创新点及其应用的技术领域[8]ꎮ相比IPC分类代码ꎬ德温特手工代码能更为具体和准确地表述专利的技术特征ꎮ
从德温特手工代码看深层油气藏改造与开发主要技术方向(表1)ꎬ驱油技术(H01 ̄D06)和旋转导向钻井(H01 ̄B03)占比最高ꎬ其次为聚合物在油气生产中的应用(A12 ̄W10)、压裂(H01 ̄C03)ꎬ测试、控制操作和设备(H01 ̄D12)以及热采(H01 ̄D08)等ꎮ其中ꎬ驱油技术如水驱、盐驱、蒸汽驱、CO2驱、聚驱及碱水驱等ꎬ旋转导向钻井非常适合开发特殊油藏的超深井、水平井、大位移井、高难度定向井等[9]ꎬ压裂如水力压裂、CO2压裂等[10]ꎬ这些技术对于深层油气藏进行安全、经济及高效的改造与开发、
图4 深层油气藏改造与开发技术专利前10位IPC大/小组
提高油气采收率具有重大意义[11]ꎮ
表1 深层油气藏改造与开发技术专利的前6位德温特手工代码序号123456
德温特手工代码
H01 ̄D06A12 ̄W10H01 ̄D12H01 ̄D08H01 ̄C03H01 ̄B03
专利数量(件)
555511467356251237
技术方向
驱油技术旋转导向钻井压裂热采
聚合物在油气生产中的应用测试、控制操作和设备
结合这些主要技术的年度专利分布来看(图5)ꎬ驱油技术、聚合物在油气生产中的应用等技术一直处于研发状态ꎬ早期为研发重点方向ꎮ旋转导向钻井技术和压裂技术的开发相对较晚ꎬ但自2002年起增长迅速ꎬ2012-2016年专利数量相对稳定ꎬ旋转导向钻井是20世纪90年代初期发展起来的新技2013年达到高峰后开始呈下降趋势ꎬ这与自2014术[12]ꎬ在2016年达到专利数量高峰ꎬ而压裂技术自年开始石油价格长期处于低谷期有直接的关联ꎬ这两项技术同其他技术一起引导了石油工业史上的第4次技术[13]ꎮ
基于这些主要技术方向来看其在技术来源国的分布情况(图6)ꎬ美国相关专利数量均较高ꎬ中国和加拿大次之ꎮ世界知识产权组织申请的PCT(PatentCooperationTreaty)国际专利在这些主要技术方向上以旋转导向钻井和压裂专利为主ꎮ2.4 主要申请机构专利战略布局
从主要申请机构来看(图7)ꎬ深层油气藏改造与开发技术领域专利前10位专利权人以企业为主ꎬ如斯伦贝谢公司(Schlumberger)、中国石油天然气集团公司(下称“中石油”)、中国石化集团公司(下称“中石化”)、哈里伯顿公司(Halliburton)和埃克森
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高技术通讯 2019年7月第29卷第7期
图5 深层油气藏改造与开发技术专利主要德温特手工代码年度趋势
图6 深层油气藏改造与开发主要技术来源国德温特手工代码技术分布
(图中气泡大小及数字代表专利产出数量)
美孚公司(ExxonMobil)等ꎬ科研院校仅有1所ꎬ为中国石油大学(专利数据包括中国石油大学(北京)和中国石油大学(华东))ꎮ斯伦贝谢和哈里伯顿是全球有名的油田服务公司ꎬ总部均位于美国德州休斯顿ꎻ中石油、中石化、埃克森美孚、雪佛龙及壳牌是全球著名的石油公司ꎮ
从前5名主要机构的专利申请趋势来看ꎬ早期仅埃克森美孚和哈里伯顿公司进行相关研发ꎬ并申—726—
请专利保护ꎮ进入21世纪后这些机构的专利数量快速增长ꎬ斯伦贝谢公司和埃克森美孚公司的专利数量分别在2007年和2011年达到峰值ꎬ中石油、中石化及哈里伯顿公司相对增长滞后ꎬ其专利数量在2015-2016年达到峰值ꎮ
对主要申请机构的专利申请区域(图8)进行分
析ꎬ斯伦贝谢、哈里伯顿、埃克森美孚、普拉德和雪佛龙等公司的专利布局广泛ꎬ涉及美国、中国、加拿大、
周肖贝等:基于专利数据的深层油气藏改造与开发技术发展趋势研究
图7 主要机构分布(左)及年度趋势(右)
英国、世界知识产权组织等ꎬ国际市场占有度高ꎬ具有较强的市场竞争关系ꎬ但在中国和俄罗斯专利数量相对较少ꎬ其中哈里伯顿在世界知识产权组织申请的PCT国际专利最高ꎬ专利技术和经济价值较
高ꎬ更注重对知识产权的国际市场进行保护ꎮ中石油、中石化及中国石油大学的专利申请主要在国内ꎬ海外拓展有待加强ꎮ
图8 主要机构专利申请区域分析(图中气泡大小及数字代表专利产出数量)
从IPC大/小组分类来看深层油气藏改造与开发技术主要机构专利的技术方向(图9)ꎬ各个公司
的技术方向差异明显ꎮ斯伦贝谢、哈里伯顿、埃克森美孚几家公司在井中收集产物方法、裂缝工艺、地层
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高技术通讯 2019年7月第29卷第7期样品测试和计算机模拟等几个方面具有技术优势ꎬ专利数量较多ꎮ中石油、中石化等几家公司在烃增强回收方法、热利用、化学品或细菌活性利用3个技
术方向具有优势ꎬ在井中收集产物方法、计算机模拟等方向弱势较为明显ꎮ
图9 主要机构IPC大/小组技术方向分析(图中气泡大小及数字代表专利产出数量)
图10 主要机构MC主要技术方向分析(图中气泡大小及数字代表专利产出数量)
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周肖贝等:基于专利数据的深层油气藏改造与开发技术发展趋势研究
从德温特手工代码看主要机构的技术方向(图10)ꎬ斯伦贝谢在旋转导向钻井、压裂等方向具的研发重点也主要集中于这几个技术方向ꎬ但同时中石油和中石化在驱油技术和热采等方面表现比较突出ꎮ
同时需要指出ꎬ从这些分析中可以看到美国斯伦贝谢和哈里伯顿公司这两大世界油服巨头在主要技术方向上的专利数量均占一定比例的优势ꎬ而且有较高的专利数量ꎬ中石油、中石化和哈里伯顿公司
从IPC大/小组看主要机构的技术方向ꎬ不同企业差异明显ꎮ国外企业斯伦贝谢、哈里伯顿、埃克森美孚等公司在井中收集产物方法、裂缝工艺、地层样品测试和计算机模拟等几个方面具有技术优势ꎮ国内企业中石油和中石化在烃增强回收方法、热利用、化学品或细菌活性利用3个技术方向表现突出ꎬ但在计算机模拟和井中收集产物方法两个技术方向上与国外差距较大ꎮ
从德温特手工代码看主要机构的技术方向ꎬ斯PCT始以来至今不断升级专利数量相对较高ꎬ现今美国已针对威胁国家安ꎮ中美贸易战自2018年开全“实体名单”中的机构开展各种动作ꎬ如已禁止美国企业向华为出售产品ꎮ虽然当前名单中尚无油气类行业ꎬ但斯伦贝谢和哈里伯顿两大巨头在技术上占有很大的优势ꎬ我国也需及早加强各种防备措施ꎬ提前做好贸易战背景下油气行业的应对工作ꎮ3 结论
通过对深层油气藏改造与开发技术领域的专利进行分析ꎬ发现:
发技术领域专利数量总体呈上升趋势(1)从技术发展趋势看ꎬ深层油气藏改造与开
ꎬ目前正处于快速增长向相对成熟阶段的过渡阶段ꎮ
改造与开发最主要的技术来源国和目标市场(2)从区域分布看ꎬ美国和中国是深层油气藏ꎬ美国研发具持续性ꎬ中国具有一定的后发优势ꎮ
造与开发技术主要集中于驱油技术(3)从重点技术领域分布来看、ꎬ旋转导向钻井深层油气藏改、聚合物在油气生产中的应用和压裂技术ꎮ早期重点研发方向为驱油技术和聚合物应用ꎬ后期为旋转导向钻井和压裂技术ꎬ引领油气行业的第4次技术ꎮ
开发技术领域前(4)从主要机构布局来看10位以大型油气公司或油服公司ꎬ深层油气藏改造与为主ꎬ如斯伦贝谢、中石油、中石化、哈里伯顿、埃克森美孚等ꎬ仅有中国石油大学1所科研院校ꎮ国外企业较为注重专利的全球布局ꎬ国内企业主要在国内申请专利布局ꎮ
伦贝谢公司、中石油、中石化和哈里伯顿公司研发重点主要集中于旋转导向钻井、压裂等ꎬ同时中石油和中石化在驱油技术和热采等方面表现比较突出ꎮ
基于上述分析ꎬ本文提出以下几点建议:一是加大国家对深部油气资源勘探开发的激励ꎬ吸引外资、鼓励私人资本进入国家深层油气勘探开发领域ꎬ促使国内石油公司在低油价情景下不断开展管理和技术创新ꎮ
二是加强对人工智能、大数据等新技术在深层油气藏改造与开发过程中的利用ꎬ重视一体化软件的研发ꎮ当前ꎬ全球能源加速向低碳化转型ꎬ但未来20代表的第~30年化石能源仍将处于主体地位5代油气技术已拉开序幕ꎬ以智能化为ꎬ深层油气藏勘探与开发技术必须依赖于技术创新ꎮ
三是加大对国内企业深层油气藏改造与开发技术国际市场的专利布局ꎬ提高我国相关技术研发能力、专利市场价值和技术价值ꎬ增强通过国际专利的申请保护其在全球范围内的市场和利益的意识ꎮ
四是加快关键技术装备的国产化及国内自主创新能力ꎬ做好技术储备ꎬ积极应对当前中美贸易战背景下可能出现的问题ꎬ避免被斯伦贝谢、哈里伯顿等重要油服公司的关键技术卡脖子ꎮ
致谢:本研究成果是中国地质调查局地质调查项目资助的一部分ꎬ在此对其表示感谢!
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Researchonthedeepreservoirstimulationanddevelopment
technologybasedonpatentanalysis
∗
ZhouXiaobei∗ꎬLiWeibo∗ꎬZhangMin∗
(∗InstituteofScientificandTechnicalInformationofChinaꎬBeijing100038)
∗
(∗PekingUniversityScienceParkꎬBeijing100080)
Abstract
menttechnologiesꎬthedevelopmentstatusofdeepreservoirstimulationanddevelopmentisdiscussedfromtheper ̄spectiveofdevelopmenttrendsꎬregionaldistributionꎬtechnicalfieldandpatentstrategylayoutofmajororganiza ̄deepreservoirstimulationanddevelopmenttechnologies.Thetechnicaldirectionismainlyfocusedontheoildis ̄tions.ThestudyconcludesthattheUnitedStatesandChinaarethemainsourcecountriesandtargetmarketsofplacementtechnologyꎬrotarysteeringdrillingꎬpolymerapplicationinoilandgasproductionandfracturingtechnol ̄ogy.Rotarysteeringdrillingandfracturingtechnologyleadthefourthtechnologicalrevolutionintheoilandgasin ̄dustryꎻthemaininstitutionsapplyingforpatentsinthisfieldarelargeoilandgascompaniesoroilservicecompa ̄niesꎬandforeigncompaniespaymoreattentiontothegloballayoutofpatentswhiledomesticenterprisesdocontra ̄competitivenessinthisfield.
rily.Finallyꎬrelevantsuggestionsareputforwardtoprovidedecision ̄makingbasisforenhancingChina’score
Keywords:reservoirstimulationꎬDerwentꎬpatentanalysisꎬrotarysteeringdrilling
BasedontheDerwentInnovationIndex(DII)patentdatarelatedtodeepreservoirstimulationanddevelop ̄
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