地质导向钻井技术专利分析

应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､电阻率导向､电磁测距导向和随钻地震导向等。

整体分析从下图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｡从下图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

分析从下图可以看出,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US5678643A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CN1209184A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WO2009/073008A1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WO2011/080640A2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WO20130/74745A2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。

贝克休斯于1991年在US5230386A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EP2108981A2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。

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,但要在导向钻井中这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。