基于水平井分段压裂技术的专利现状.pdf

中国科技信息 2024 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-32-专利分析为了提高水平井采收率，需要对石油钻采领域中占有重要位置的水平井分段压裂技术进行研究。本文重点分析全球及中国范围内有关水平井分段压裂的专利申请信息、专利布局、重点申请人的技术构成以及技术发展状况等。技术概述通常将水平井分段压裂技术分为三种：化学隔离分段压裂技术，先对第一段进行射孔，然后通过油管压裂，最后用液体胶塞和砂子隔离完成压裂；机械封隔分段压裂技术主要应用于套管井；水力喷射分段压裂技术，利用专用喷射工具产生高速流体在孔道内将动能转化为压能，形成方向单一的裂缝。技术发展情况本文基于 CPRSABS 中文检索数据库和 DWPI 外文检索数据库，检索采用的中文关键词为：水平、井、分段、多段、多层、逐层、多级、段内、体积、压裂、完井、水力、裸眼、桥塞、胶塞、滑套、封隔器等，并选取对应的英文关键词。该文依据国际专利分类表（IPC）第八版选取分类号：E21B43/+，E21B33/+，E21B47/+，E21B49/+，E21B7/+。本文研究的专利申请数据库是对上述检索要素经过降噪、去重后得到的。同时，还建立了相应的水平井分段压裂的技术分类表，对所涉及的技术进行了细化，具体内容如表 1 所示。对已经检索建立的专利数据库按照表 1 中的二级技术分支进行分类分析，总结出该领域相关专利的技术分布态势，具体如图 1 所示。为了展示水平井分段压裂领域整体专利技术的分布情况，通过对检索获得和建立的专利申请文献库以 IPC 分类进行统计归纳，得到了频次排名前五的 IPC 小类，分别为E21B、C09K、G01V、G06F 及其 E21C。可以看出，水平井分段压裂的专利技术主要集中在水平井分段压裂方法及压裂液（E21B、C09K）、水平井分段压裂检测（G01V、G06F、E21C）等，具体如图 2 所示。技术演进路线通过对水平井分段压裂各个时期的专利文献进行梳理和行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度基于水平井分段压裂技术的专利现状王 飞 罗玮玮王 飞 罗玮玮（等同第一作者）国家知识产权局专利局专利审查协作四川中心王飞（1987），硕士，知识产权师，发明专利审查员，研究方向：石油开采领域发明专利审查。罗玮玮（1991），硕士，知识产权师，发明专利审查员，研究方向：石油开采领域发明专利审查。本文针对分段压裂技术中存在的难题，提出对水平井分段压裂技术的专利分析的观点。在石油开采压裂领域中起到关键性的指导作用。-33-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 8 期专利分析分析，可以得到该领域的专利技术演进路线，如图 3 所示。可以看出，水平井分段压裂技术专利申请的大致经历了以下三个主要发展阶段。第一阶段（19851995 年）为萌芽期。该阶段属于水平井分段压裂技术的萌芽阶段，早期涉及的技术手段主要是化学隔离分段压裂技术，较有代表性的是 1989 年由美孚公司申请的 US4157116A；对于不动管柱水力喷砂压裂技术，早期主要关注点在研发水平井的定向压裂技术，较有代表性的是 1994 年哈里伯顿申请的 US5396957A、US5494103A，其通过改进水力喷射工具，实现了水平井的定向压裂，提高了压裂效率、节约了施工时间；对于拖动管柱水力喷砂压裂技术中，主要技术在常规油管拖动，其为连续油管拖动奠定了基础；对于封隔器+桥塞压裂技术，主要关注点在桥塞送入技术，该阶段中主要通过泵送桥塞、电缆坐封两种方式，其可明显节省施工时间。第二阶段（19962005 年）为探索与试验期。在该阶段，水平井分段压裂技术的研究得到高度的重视。对于封隔器+桥塞分段压裂，该阶段的关注点在于对桥塞结构的改进，较有代表性的是：1996 年 Donald BBolt 等申请了US5819846A，其对快钻桥塞进行改进，使其具有安全功能；接着，1998 年贝克休斯公司申请的 WO9819042A2 用于水平井分段压裂技术中的装置，在结构上对桥塞进行改进，同时该结构的改进促使了压裂技术效率的提升。第三阶段（2005 年至今）为推广与提升期。该阶段的技术发展方向主要集中在智能化压裂、高导流能力压裂、探测技术上的升级和改进，如中国石油集团川庆钻探工程有限公司申请的专利 CN203452763U，提出了一种可用于水平井无限级分段改造的智能滑套，其在结构上提出了一种新的设计，可实现智能打开滑套，克服了传统水平井分段压裂成本高、分段数受限等的技术瓶颈，达到智能选择开关，操作简单、快捷的目的。重点专利分析判断专利文献是否为核心专利，通常以该专利的被引证次数作为判断依据，被引证频次数量是衡量专利技术含量的重要指标，同族专利数量是衡量专利经济价值的重表 1 技术分解技术分解定义一级分支二级分支三级分支地下压裂装置及方法化学隔离分段压裂化学隔离分段压裂化学隔离技术通过油管压裂，用液体胶塞和砂子隔离已压裂井段。机械封隔器分段压裂封隔器+桥塞分段压裂同时射孔及坐封压裂桥塞，可进行排量施工，分压段数不受限制，压裂后可快速钻掉，易排出。裸眼封隔器分段压裂采用裸眼封隔器分段，投球打开滑套的方式，实现多级压裂完井与一体化完井。水力喷砂分段压裂不动管柱式水力喷砂分段压裂一次性将带有滑套的水力喷砂压裂工具下井，第一段压裂施工结束后，投球，待球落座后，将套放闸门打开，开始进行第二段压裂；最后依次对待压井段压裂。拖动管柱式水力喷砂分段压裂带喷枪的工具串采用油管或连续油管下入，一段水力喷砂压裂结束，在防喷压井完成后将管柱拖动到下一井段施工。地面装置及其他方法压裂地面装置等机构、压裂优化方法 压裂地面装置等机构、压裂优化方法 压裂过程中用于地面的装置或结构；参数优化、测试、增产、模拟图 1 专利技术分布态势图 2 水平井分段压裂专利 IPC 小类分布图要指标。引证专利通常为申请人在原始申请专利文件中明确的，或者为专利审查员在审查阶段提出与该专利文献相关技术内容的其他专利文献。本文根据被印证次数频次和同族专利数量，确定的核心专利为：US5396957A、US5494103A、US5207271A，其 被 印 证 数 分 别 为268、147、66；其 中 压 裂 设 备 改 进 的 核 心 专 利 为：US5396957A、US5494103A，压裂液改进的核心专利为：US5207271A。压裂设备改进的核心专利分析：专利一：US5396957A 所涉及的是套管完井技术，由哈里伯顿于 1994 年 3 月提交了一份专利申请；下面就这份专利申请进行阐述。发明构思：通过滑动接头与水力喷射工具实现压裂裂缝定向射孔。中国科技信息 2024 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-34-专利分析技术手段：该技术包括水力喷射工具，如图 4 所示，该装置包括腔室 136，该腔室具有上端部和不规则通道 142，其开口138位于上端部，偏置端144位于不规则通道142旁；可伸缩喷嘴包括外端部 166、中间体 168、内端部 170；工作原理为：当来自腔体 162 的压裂流体通过会产生不同的压裂，并作用于内端部 170 和中间体 168 上，从而导致开口端172 向左延伸，进而实现可伸缩喷嘴 164 的延伸。扇形槽，如图 5 所示，其形成步骤如下。首先将本申请中的水力喷砂工具连接于油管柱下方；将压裂流体输送至油管柱；通过旋转油管柱，逐步形成扇形槽34B、34C、34D等。此外，该技术还包括可膨胀套管，可膨胀套管采用滑动伸缩接头；由于可膨胀套管位于地层扇形槽 34 的两侧，因此可在地层中使套管 20 移动，从而使压裂流体产生预期的裂缝。该申请技术方案的实施图，其具体步骤如下。提供一个具有开口的套管；将具有开口的套管采用可膨胀管进行连接，并位于压裂段两端；将压裂液体输送至扇形槽 34；向压裂流体进行加压，形成扇形槽 34A-34D；开始压裂扇形槽附近的地层 26，在压裂过程中允许可膨胀管移动；压裂完成后，拖动油管柱 30，达到第二压裂地层24，采用上述同样的方法对该地层进行压裂。有益效果：通过本申请的技术方案可实现压裂裂缝定向压裂；分析现有技术不能实现定向射孔的原因为：地层在压裂过程中趋向于移动，而套管不能移动，从而导致射孔压裂沿平面内横向辐射状排布，不能沿特定方向射孔。重要意义：定向水力压裂起到辅助自由面作用，对压裂孔产生的裂纹具有导向和加速扩展的作用，并诱导裂隙从压裂空向定向空发展，从而避免了常规水力压裂的无定向性和应力集中性，促进了水力压裂技术的进步。此外，该水力压图 3 技术路线演进图图 5 扇形槽示意图图 4 水力喷射工具-35-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 8 期专利分析裂也可用于裸眼丼压裂。专利二：US5494103 A，所涉及的是一种井下喷射工具，该申请为哈里伯顿关于水力压裂技术的另一份专利。其在 1994 年 6 月提交；下面就这份专利申请进行阐述。技术手段：该井下喷射工具如图 6 所示。水力喷射工具 200 包括电机 202、减速装置 204、喷射部分 206，电机 202 位喷射部分 206 提供动力，减速装置 204 位于电机202 与喷射部分 206 之间；其中电机 202 包括钉子 208 与转子 210，转子 210 具有开口 232、244，并用于压裂流体的联通；通过电机 202 带动转子 210，从而将压裂流体依次穿过 232、244，经过减速装置 204 后，进入喷射部分206，从而实现扇形喷射。重要意义：通过改进水力喷射工具实现扇形槽的间距；不需要工具串，缩短时间。压裂液改进的核心专利分析：专利 US5207271A；其涉及泡沫/蒸汽注入水平井以增加裂缝；该申请由 Mobil oil corp 公司提出；在水平井压裂方法中，压裂液体作为影响压裂效果的主要因素之一；该公司早期致力于研究压裂液，促进了水平井分段压裂中压裂液的研发。下面就这份专利申请进行阐述。发明构思：通过压裂液体改变地层的压裂缝隙。技术方案：泡沫和蒸汽注入套管 14 中，其中套管 14 位于富含碳氢化合物的地层 12 中；由于泡沫和蒸汽的压力超过地层 12 的压力，导致地层 12 中的第一区域 16 被压裂（如图 7 所示）；第一区域16压裂完成后，随着泡沫和蒸汽的不断注入，在第一区域 16 附近形成高温层 18；第一区域 16 被泡沫逐渐充满后，压力增大，导致第二区域被压裂（如图 8 所示）；依次类推，完成水平井的全部压裂。重要意义：将常规注入剂改为泡沫、蒸汽，解决了透水地层压裂的问题；促进压裂液提高压裂效果方面的研究。结语本文详细梳理了水平井分段压裂技术的分类和各技术分支的发展情况，并对水平井分段压裂技术领域的核心专利和重要申请人进行分析，有助于审查员全面了解水平井分段压裂技术的发展态势，对涉及石油开采领域的审查工作有较大帮助。图 8 第二区域压裂图 7 第一区域压裂图 6 井下喷射工具