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地质导向钻井技术专利分析

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  摘 要:地质导向钻井技术是钻井领域的重点发展方向,也是中国油服行业进军一流油服企业的必经之路;文章以地质导向钻井专利分析为视角,从地质导向钻井技术的演进、专利申请态势,重要申请人和重点专利分析等方面入手进行详细的介绍,并对比分析中国与国外油服巨头的短板。在梳理地质导向钻井技术发展演进和脉络的基础上,挖掘地质导向领域各分支的关键技术与关键技术的核心专利,以供相关研究人员作为参考。
  关键词:地质导向;专利分析;声波;电磁;电阻率;地震
  中图分类号:TE242.9 文献标志码:A 文章编号: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
  應石油勘探开发的需要,以适应更深地层的超深井、海上油田的大位移井、从式井、分支井,以揭露最大泄油面积为目的的类似贪吃蛇的地质导向井蓬勃发展,导向钻井从预防井斜到利用井斜、创造更多更加复杂的井斜方向发展,从几何导向到根据实际地层的地质导向方向发展,其正朝着更深、更远、更加自动化和智能化的方向发展,其属于国际石油工业的前沿与关键性技术,是整个油服产业的核心竞争力。
  地质导向是在几何导向的基础上通过随钻测量地层属性或者周围井眼特征从而及时调整钻头往最优的区域或者避开障碍的一种导向钻井技术,按照测量技术的不同可以分为声波导向(图1(a))、电阻率导向(图1(b))、电磁测距导向(图1(c))和随钻地震导向(图1(d))等。
  2 专利技术分析
  2.1 地质导向钻井技术专利申请整体分析
  从图2中可以看出在地质导向钻井领域90年代以前申请量发展缓慢,但是90年代以后申请逐年增加,到90年代出现了申请高峰,随后申请量波动中上涨;90年代初期出现的申请高峰与当时出现的以北海地区的海上大位移井试验成功而引发的导向钻井研究热潮密切相关,90年代后期以及21世纪初的申请高峰是在各大油服巨头完成了各自旋转导向钻井系统专利部署的背景下为进一步巩固在地质导向钻井技术领域的地位作出的竞争性申请,后续的申请则较为侧重对地质导向钻井测量精度、算法改进等相关方面的申请。
  地质导向钻井技术的申请量集中在随钻电磁测距领域,其次是随钻电阻率,再次是随钻声波和随钻地震。
  从图4中可以看出主要申请人集中在美国,主要还是哈里伯顿、斯伦贝谢、贝克休斯等传统油服巨头以及工程钻井领域的默林科技。中国三桶油的申请量较为欠缺。
  2.2 地质导向钻井技术分支统计分析
  从图5可以看出,美国在各个技术分支都遥遥领先,其中,在电磁测距领域最为突出;欧洲和中国申请量不多,欧洲主要集中在随钻电阻率和随钻地震方面,中国的申请各分支与美国相似,但是申请量远远落后。
  2.3 地质导向钻井各分支技术演进
  2.3.1 声波导向
  1993年,WO95/14845A1专利申请中,通过声波测量装置主动发声并接受回声探测地层边界,利用探测到的地层边界实时导向钻进。1995年,哈里伯顿在US5678643 A中,在钻柱上布置多个声波接受器,增强地层边界探测的精度,从而更好地实时导向钻进。维米尔公司在CN1209184 A中提出了工程钻井上的导向定位装置,钻头附近的管柱上设置超声波发生器和接收器,超声波发声器发出超声波,地面移动装置检测到该超声波并确定钻头位置,从而进行相应的方位调整以适应预想的导向方向,到2009年,哈里伯顿提出的WO2009/073008 A1专利申请公开文件可用于诸如从式井等井眼密集的地方的防碰钻井,在临井设置声波接收器,在钻头处设置声波发声器,钻进的同时发出声波,临井声波接收器接收声波信号从而定位钻头位置,从而对钻头进行导向防止其碰撞临井。2010年,在专利申请WO2011/080640 A2中提出了在钻柱周向上分区布置声波发射器和接收器,并与钻柱方向形成一定角度,能针对钻头前方的地层进行探测,并且分区设置能够在周向上由探测细化,更加精确,从而使得声波导向也更加准确。2012年,沙特阿拉伯国家石油公司在专利WO20130/74745 A2中提出在钻头破碎岩石时,由于岩性的不同发出的声波也不同,根据声波的不同便可确定钻头在哪一中岩石中钻进,当钻头钻出特定层时,所产生的声波会发生变化,此时,变换钻进路径重新钻回该特定层,从而实现钻头导向。   2.3.2 电阻率导向
  贝克休斯于1991年在US5230386 A专利中通过钻测所选地层水平方向的电阻率,并对该选定地层水平方向电阻率进行建模,并测定地层边界,通过模型和所测地层边界引导钻头沿着该地层的水平方向进行钻进。到1999年,哈里伯顿在EP2108981 A2中,为适应地层各向异性造成岩石在水平方向和垂直方向山的电阻率差异,将部分测量线圈对钻柱轴向上成一定角度设置,从而使得测量出的电阻率更加准确,边界更加清晰,导向更加准确,该专利也开启了方向电阻率测井技术发展。2002年,贝克休斯在US2004/0100263A1中,使用多个多分量电阻率传感器,用于在随钻测井工具的多个工具表面角度上得到测量值。由电阻率传感器给出的测量值以工具表面角度关联的函数得到三维电阻率特性,并联合分析在多个深度上给出的测量值,改善信噪比,从提高导向精度。在2003年,贝壳休斯在US2004/0046560 A1中,利用四极子实现钻头附近较浅位置的周向方向的方位电阻率的测量提高附近的分辨率,而普通电阻率测量进行较深位置的电阻率测量和边界位置的大体确定,从而利用深浅电阻率测量实现地质导向钻井不同分辨率的需要。2004年,斯伦贝谢在CN1573013 A中,在随钻测量仪器旋转的同时,电磁率发射天线发射能量,并且利用该发射天线定向测量该能量相关的电压信号,以判断电压信号电压信号随方位角变化关系,从而实现周向上的分区域的方位电阻率测量。2005年,斯伦贝谢在US2006/0011385 A1中,对于探测深度要求的改进,对于发射线圈和接收线圈之间的距离小于储层厚度的情况,在深测量方面效果较差,此时在钻杆上设置一个遥控发射线圈55,使得接收线圈和发射线圈之间的距离大于储层厚度,从而实现更深的电阻率测量,实现更高精度的地质导向。2007年,贝壳休斯在US2007/0236222 中,在钻头底面设置电极,该电极相地层中注入电流,电流一部分流入地层,一部分沿着钻柱回到电源,测量钻头前方的地层对电流的响应。2008年,哈里伯顿在WO2008/008386 A2中,在管柱上设置可以调整与钻柱轴向方向角度的可拆卸线圈,好处是不用在钻柱上刻槽,便于调整角度或更换。同年,哈里伯顿在CN102439260 A中,为了尽可能探测钻头前方地层的电阻率特性以提供导向钻井精度,直接将发射线圈放置到钻头上。2012年,哈里伯顿在CN104285033 A中应用了深侧向和前侧向的电阻率测量的差异,两个的差异表示的是钻头前方的地层特性,通过测量该差异或者地层前方的岩性或者地层边界,从而便于地质导向。2013年,哈里伯顿在CN104520734 A中,通过多个发射线圈和接收线圈的间隔设置,通过发射线圈与接收线圈之间的最小距离到最大距离依次测量,从而使得探测深度不一,从而实现多个岩层界面的测量,地质建模更加精细,导向更加准确。2014年,哈里伯顿在WO2015/0152898 A1中,将线圈与钻柱之间设置为可相对旋转,利用磁定位装置进行线圈与管柱之间的定位,从而实现线圈的主动定向地进行方位电阻率测量,使得地质导向地层属性了解更加主动。
  2.3.3 电磁测距导向
  1972年,US3828867 A中,井下钻头处发射电磁波,地面不同位置设置三个接收装置,三个接收装置根据接收信号的时间计算出钻头位置,从而便于调整钻头方向。1987年,在US4646277 A中,工程钻井中在钻头处安装电磁信号源在临近的一个坑道里安装感测器,用于引导钻头前进。1997年,默林科技在 US6250402B1专利中,工程钻机在地面沿着井眼方向两边设置多个电磁探测器,负责不同阶段的井下工具传输上来的电磁定位信号,并且可通过该定位信号控制钻头绕过障碍物。随着稠油SAGD开发技术的发展,双水平井的开发迅速兴起,但是双水平井之间需要保持10m左右的距离,针对双水平井的电磁导向技术迅速发展,1998年,维特磁力(Vector Magnetics)公司在WO98/45733 A1中,钻出一口水平井后,利用连续油管推动电磁传感器沿着井眼推动,在钻口井时钻头处设置电磁计实时探测两口井的距离,从而引导钻头钻进。2011年,施密特公司,在CN103282601 A中,沿着临井均匀布置多个电磁阵列,在所钻井中通过电磁信号接收器接收信号从而完成电磁测距,引导钻头钻进。2012年,哈里伯顿在CN104884736 A中,在临井中注入交流电,用于SAGD的导向钻井,沿着临井设置电极,电极注入交流电,从而在地层中产生交变电磁场,所钻井中设置电磁感应装置,从而测量它们之间的距离引导钻头钻进。2014年,在哈里伯顿WO2016/025230A1对这种方式的提出了电磁测距方法,在所钻井中的旋转管柱上设置的圆周上设置两个电磁传感器,两个电磁传感器的连线通过圆心,根据它们测量的结果及其差异以及临井中心和所钻井中心连线与两个传感器连线的角度便可获知电磁测距。
  2.3.4 地震导向
  1991年,在US5144591 A中,贝壳休斯通过通过随钻地震产生横波从而根据横波在地层中的传播速度的不同,判断地层岩性,并且利用首波测量地层边界,从而利用其为钻头导向。1999年,在US6166994 A中,斯伦贝谢将地震发生器放置在钻头上设地震发生器,地震发生器向地层发射纵波,遇到地层界面反射回来,从而获知当前钻头与边界之间的距离,便于调整钻进方向。2011年,斯伦贝谢在CN103946849 A中,面对复杂断裂带的导向钻井,利用随钻地震测量井间距和与断裂带的间距,并利用其建立复杂断裂带地质模型,然后根据该地质模型进行导向钻进。2013年,WO2014/0195495A2中,挪威科技大学,在远离井眼的方向设置地震波发射器和接收器,从而可以同时探测井深结构,临井结构以及目标点的位置,从而实现如救援井的导向。
  2.4 核心专利分析
  声波导向的核心专利是维米尔的CN1209184A,其在工程钻井的超声波定位导向有意义,但是将其方法应用到石油钻井中则需要克服一些困难。电阻率导向钻井的第一核心专利是哈里伯顿的EP2108981 A2,该专利通过偏移轴线设置线圈,从而实现地层电阻率各向异性的测量,为电阻导向钻井打下了基础,同时也开启了随钻方位电阻率测量的时代。电磁测距导向的第一核心专利是Vetor Magnetics公司,该专利成功地实现了电磁导向实现SAGD双水平井的精确钻进,其次是哈里伯顿,哈里伯顿的CN104884736A和WO2016025230A1专利申请时间比较接近现在申请日分别是12年和14年,得出其被引用次数尚早,但是其同族高达19,两篇专利技术关联性很强,第一个是在临井中注入交流电,用于SAGD的导向钻井,沿着临井设置电极,电极注入交流电,从而在地层中产生交变电磁场,所钻井中设置电磁感应装置,从而测量它们之间的距离引导钻头钻进,另一个是对该测量方式的测距方法的改进,在所钻井中的旋转管柱上设置的圆周上设置两个电磁传感器,两个电磁传感器的连线通过圆心,根据它们测量的结果及其差异以及临井中心和所钻井中心连线与两个传感器连线的角度便可获知电磁测距,因此,可以将它们合为一起,同族19篇也表明了该专利的重要性。
  3 结论
  经过专利分析发现,国际油服巨头斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯等油服巨头掌握了大量的地质导向钻井核心专利。我国在这方面发展缓慢,近几年开始发展,但是从检索到的专利分析来看,大多偏向于理论以及应用和测试评价,原创性较少。国内在导向钻井技术的各个技术分支均处于不利地位,无核心专利作支持。当然从近几年的检索中也发现了中石化和中石油长城钻探已经开始注重专利的原创性和高技术含量,并对某些专利慢慢布局诸如美国和欧洲,这是可喜的现象,但要在导向钻井中這个钻井核心竞争力也是高附加值的领域中能够争得一席之地仍然任重道远。
  参考文献:
  [1]沈忠厚,黄洪春,高德利.世界钻井技术新进展及发展趋势分析[J].中国石油大学学报(自然科学版),2009,33(04):64-70.
  [2]赵金海.胜利油田地质导向钻井技术研究进展[J].石油钻采工艺,2006(04):1-4+81.
  [3]苏义脑.地质导向钻井技术概况及其在我国的研究进展[J].石油勘探与开发,2005(01):92-95.
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