控制井壁稳定的钻井液技术专利跟踪与分析

赵汩凡，邸伟娜，李婧，石秉忠，王敏生

（中国石化石油工程技术研究院，北京100101）

控制井壁稳定的钻井液技术专利跟踪与分析

赵汩凡，邸伟娜，李婧，石秉忠，王敏生

（中国石化石油工程技术研究院，北京100101）

调节钻井液性能是解决井壁稳定这一工程性难题的重要手段之一。通过对该领域的专利检索和深入分析，揭示了水化膨胀抑制剂、封堵裂缝处理剂、特种功能组分和多组分协同作用为该领域的主要发展重点，为开发钻井液新技术提供新的思路和方法，对规避研发风险，提高技术起点有重要意义。

钻井液；井壁稳定；专利分析

在石油钻井中，井壁稳定问题是世界范围内普遍存在的问题。钻井过程会破坏原有地层压力平衡，钻井液与地层发生物理化学作用，导致地层特性改变，可能会引起井壁失稳问题［1，2］。解决井壁失稳问题的主要途径是调节钻井液性能，需要在钻井液中加入控制井壁稳定的处理剂，主要有防塌剂、页岩抑制剂（抑制水化、膨胀）、封堵剂、降滤失剂等［3-5］。经过多年发展，国内外各大石油公司、技术服务公司在控制井壁稳定领域申请了大量的钻井液相关技术专利，形成了各自的核心技术及其相应的专利布局［6］。涉及到控制井壁稳定钻井液技术领域，国外各大石油公司、技术服务公司通过合理的专利战略已经将重要技术全方位保护起来。跟踪新技术发展在企业创新过程中尤为重要，而专利是首选的新技术情报来源。通过专利分析，能够了解和掌握当今钻井液技术前沿及发展趋势，可以从专利文献的技术内容出发，在前人基础上再创新，开拓新思路，避免重复研究［7-10］。

国内在控制井壁稳定的钻井液技术领域目前尚处在跟踪模仿和全力赶超阶段，需要强化控制井壁稳定钻井液相关技术的技术攻关。在研究开发时，需要对竞争对手在该领域的知识产权状况有所了解，同时通过深度专利分析，能够缩短研发周期、提升技术起点、防范专利风险。本文在分析研究整体发展趋势的基础上［11］，重点针对领域内核心专利和前沿专利进行深入分析，为技术研发提供有益参考。

1　专利检索

以汤森路透公司的德温特专利数据库为数据源，通过归纳分析控制井壁稳定的钻井液领域的主要工程实际需求和相关的基础技术问题，并参考大量文献以及相关钻井液技术手册，确定了主要专利检索范围，具体（见表1）。截止到2013年5月31日，在德温特专利数据库共检索到5 243件专利，结合聚类分析和引证分析，最后经专家筛选，筛选出75条核心专利和46条前沿专利（均为专利族的个数）作为重点分析数据。

表1　主要专利检索范围Tab.1 Main field of patent search

2　控制井壁稳定钻井液核心专利技术

2.1技术分布

控制井壁稳定的钻井液技术领域核心专利，按照其技术侧重点不同，可归纳为下列几类：

（1）钻井液体系类（15个专利族）：包括水基钻井液、油基钻井液、逆乳液钻井液等。

（2）流程方法类（6个专利族）：包括钻井液控制方法等。

（3）封堵裂缝类（4个专利族）：包括颗粒封堵、膜封堵等。

（4）水化膨胀抑制类（36个专利族）：包括聚胺类、聚醇醚类等各种抑制剂。

（5）多组分协同作用类（6个专利族）：包括抑制剂等多种处理剂的复合使用等。

（6）特殊组分类（8个专利族）：包括天然化合物、纳米材料、包覆剂等。

2.2技术发展态势

钻井液技术的发展都是围绕实际工程需求开展的，是为了解决现场的具体施工问题，呈现出明显的阶段性特征。早期钻井过程中，遇到的井壁稳定问题不是很严重，铵盐、钾盐类抑制剂的专利申请居多，能够有效抑制页岩水化膨胀。随着特殊工艺井的不断出现，对井壁稳定性的要求不断提高，聚胺类抑制剂等强抑制性的处理剂的专利申请居多。另一方面，除了抑制剂，研发人员还通过降滤失、降低固相含量等方法提高井壁稳定性，申请了大量专利。随着非常规油气开发的推进，对钻井液的要求越来越高，多组分协同作用处理剂的专利申请明显增多。

具体分析数据发现，1998年之前的专利共26件，1998年之后的专利共49件。随着各种特殊工艺井的不断增多，对于高性能钻井液需求愈加迫切，各家公司在1998年之后申请的相关专利数量明显增加，特别是2000年之后，专利申请增速变快。

3　控制井壁稳定钻井液前沿专利技术

3.1前沿技术分布

前沿技术专利申请数量较多，但是专利权人分布非常分散，专利多是小公司或者大学等研究机构申请居多，均尚未形成专利组合。国内申请量有了显著提高，专利数量达到25件，且专利内容多涉及最新发展方向。

控制井壁稳定的钻井液技术领域前沿专利，按照其技术侧重点不同，可归纳为下列几个方向：

（1）聚胺类抑制剂方向：具体涉及新型胺类化合物等用于抑制页岩水化等。

（2）降滤失剂方向：具体涉及多种纤维与架桥剂等用于堵漏降滤失。

（3）纳米材料处理剂方向：具体涉及纳米粒子、石墨烯、碳纳米管用作处理剂提高钻井液井壁稳定性。

（4）环境友好型钻井液方向：具体涉及糖浆、交联多糖等用作钻井液处理剂。

3.2前沿技术分析

3.2.1新型页岩抑制剂各公司根据现场作业需要，不断加强自有传统技术，包括页岩抑制剂等。除了需要降低成本、提高钻井液性能外，根据各级政府及环保法规等的要求，不断提高钻井液的环境友好性是发展趋势。例如，巴斯夫（BASF）申请了聚赖氨酸页岩抑制剂的专利。聚赖氨酸是一种非常环保的天然聚合物，分子上有多个胺基，能够有效抑制页岩水化。同时，聚赖氨酸无毒，环境友好性材料。

3.2.2纳米处理剂纳米材料是指晶粒或颗粒尺寸在1 nm～100 nm范围内的超细材料。目前，纳米材料在石油工程领域，开展了大量相关前瞻研究，但主要涉及设备等领域，而在钻井液领域应用相对较少。近年，包括斯伦贝谢在内的多家公司相继开展了纳米硅、碳纳米管、石墨烯等在钻进液中的应用研究，并申请了相应专利。目前，普遍应用纳米材料的尺寸小这一特点，用于物理封堵地层孔喉或者微裂缝，以提高井壁稳定性。

纳米材料相关的控制井壁稳定钻井液专利共11件，国内国外均有专利申请，从最常见的无机纳米材料善氧化硅，到最前沿的石墨烯都被用到钻井液中，以提高井壁稳定性能。其中，有国内大学申请的2件专利涉及使用纳米材料封堵。其余的9件均是国外公司或者大学申请的。从专利内容来看，国内研究人员和国外研究人员相比，对于纳米材料在钻井液中的应用研究上还存在较大差距。国内还停留在简单地将某一种纳米材料，例如方便易得的善氧化硅加入到常规钻井液体系中，在井壁上形成一层纳米膜，显著降低滤失，提高井壁稳定性。对于作用机理等研究不足，纳米材料的普查和筛选基本没有开展，专利的权利要求面较窄，不利于未来技术的保护和发展。与之相对应的，国外研究人员非常重视纳米材料，除了大学内的研究人员，技术服务公司M-I SWACO的研究人员也很重视，并申请了有关石墨烯在钻井液中的应用的专利。更为重要的是，国外研究人员对于纳米材料的应用有较深入的认识，通过包覆、多组分协同作用等手段尝试解决纳米材料的分散问题，同时普查了几乎现阶段能够获得的全部纳米材料，且全部记入权利要求中，很好地保护了技术的未来应用。

4　结论与建议

（1）水化膨胀抑制剂、封堵裂缝处理剂、特种功能组分和多组分协同作用为控制井壁稳定钻井液领域的重点发展的技术。聚胺类页岩抑制剂、纳米处理剂、环境友好型钻井液等是控制井壁稳定钻井液领域的技术主要发展方向。

（2）关注国外公司研发前沿，开发具有自主知识产权的新技术。跟踪国外石油公司、技术服务公司的最新研发动向，深入分析其技术特征，借鉴并吸收相关解决井壁稳定问题的方法或思路，有利于把握技术发展方向及趋势。纳米材料在钻井液中的应用是近5年内刚刚出现的新技术，应提出我们自己的研发方向，大力开展纳米材料在控制井壁稳定的钻井液中的应用，在无机纳米材料之外，还应重点关注聚合物等合成纳米材料，并及时形成自己的知识产权，抢占技术制高点。

（3）国内企业应加大自有特色技术的专利申请力度，尽快形成相应的专利保护网。以胺类页岩抑制剂为例，除了要重点保护体系和核心处理剂之外，应进一步扩展范围，针对相关流程、设备申请专利保护，以形成严密的专利保护圈。国外公司专利分布也有相对薄弱的领域，结合国内技术现状，应开发自有特色技术。以页岩抑制性油基钻井液为例，可通过研发适合国内钻井作业的乳化剂等处理剂，在提高油基钻井液的封堵性能、环保性能等方向开发自有技术。

［1］石油钻井有限公司钻井液分公司编.钻井液技术手册［M］.北京：石油工业出版社，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］孙金生，张希文，等.钻井液技术的现状挑战需求与发展趋势［J］.钻井液与完井液，2011，28（6）：67-76.

［4］王中华.钻井液性能及井壁稳定问题的几点认识［J］.断块油气田，2009，16（1）：89-91.

［5］徐同台.井壁稳定技术研究现状及发展方向［J］.钻井液与完井液，1997，14（4）：38-45.

［6］曹胜先，等.我国油田用钻井液处理剂的技术现状及专利分析［J］.化学工程师，2012，（2）：52-56.

［7］张宝文，张运东，李春新.加强知识产权开发与管理提升中国石油核心竞争力［J］.石油科技论坛，2009，28（2）：1-4.

［8］冯晓青.企业知识产权战略［M］.北京：知识产权出版社，2005.

［9］赵丑民，康力平，王禹钦，等.构建知识产权发展策略提升企业核心竞争力［J］.石油科技论坛，2011，30（3）：35-40.

［10］Gao L，Porter A，Wang J，et al.Technology life cycle analysis method based on patent documents［J］.Technological Forecasting&Social Change，2013，80：398-407.

［11］赵汩凡，李婧，邸伟娜，石秉忠，叶海超.全球控制井壁稳定的钻井液技术专利分析［J］.情报探索，2014，（11）：49-52.

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

中国石化科技部项目“控制井壁稳定的钻井液专利分析与发展建议”，项目编号：YK513033。

赵汩凡（1980-），工程师，博士，现在从事石油工程技术相关学科前瞻研究工作，邮箱：zhaogf.sripe@sinopec.com。