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石油開采工藝技術(shù)及相關(guān)專利綜述

文檔作者：溫銳文檔來源：國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心		更新日期： 2026年05月13日	點(diǎn) 擊數(shù)：
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·186· | 發(fā)展與創(chuàng)新 | Development and Innovation 2018 年 10 月
石油開采工藝技術(shù)及相關(guān)專利綜述
溫 銳
（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100160）
摘 要：本文對(duì)目前常見的石油開采技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并針對(duì)上述采油工藝對(duì)國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)趨勢(shì)進(jìn)行了整體分析，
不僅有利于相關(guān)領(lǐng)域的專利工作人員掌握相關(guān)技術(shù)常識(shí)，也有利于企業(yè)、科研院所等了解石油開采工藝的發(fā)展現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞：石油開采；專利申請(qǐng)；發(fā)展現(xiàn)狀
中圖分類號(hào)：TE355 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-2789（2018）10-0186-03
作者簡(jiǎn)介：溫銳（1981-），女，碩士，研究方向：石油開采。
石油資源是具有戰(zhàn)略意義的重要資源，提高石油采
收率是現(xiàn)代化國(guó)家實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)足發(fā)展日趨關(guān)注的問題。隨著
石油開采不斷深入，其通常經(jīng)歷一次采油、二次采油和
三次采油三個(gè)階段，并且主要可以歸納為四大技術(shù)系列，
即化學(xué)驅(qū)、氣驅(qū)、熱力驅(qū)和微生物采油。大力發(fā)展和研
究石油開采技術(shù)，對(duì)石油資源的高效環(huán)保利用具有深刻
的意義。
1 現(xiàn)階段開采技術(shù)分類
1.1 注水采油
注水采油是保持油層壓力、提高油田采收率的有效
方法之一。國(guó)內(nèi)目前主要采用分層注水工藝技術(shù)，而與
國(guó)內(nèi)的技術(shù)不同，國(guó)外的分層注水工藝，主要采用井口
流量調(diào)節(jié)器定量配水，其在開采過程中不需洗井。
1.2 三次采油技術(shù)
三次采油可以稱之為提高石油采收率的進(jìn)階階段，
其發(fā)生在二次采油效率不斷下降時(shí)，通過繼續(xù)向儲(chǔ)層注
入流體或能量，利用所產(chǎn)生的各種驅(qū)動(dòng)作用，來提高產(chǎn)
量或采收率，也稱為強(qiáng)化采油。三次采油可以使用多種
現(xiàn)有的石油開采技術(shù)，包括熱采、氣驅(qū)、火驅(qū)、化學(xué)驅(qū)
和微生物驅(qū)等。所熟知的石油熱采技術(shù)[1] 包括蒸汽驅(qū)、
蒸汽吞吐、蒸汽輔助重力泄油(SAGD)。蒸汽驅(qū)是把蒸
汽從注入井注入從而驅(qū)動(dòng)原油從生產(chǎn)井中采出，蒸汽吞
吐則是向生產(chǎn)井注入蒸汽[2]，關(guān)井預(yù)定的時(shí)間，利用蒸
汽處理油層后進(jìn)行開采的方法。SAGD 是將蒸汽從位
于儲(chǔ)層底部附近的水平井上方的豎直井或水平井注入油
藏，被加熱的原油和蒸汽冷凝水從儲(chǔ)層底部的水平井產(chǎn)
出。除此之外，還可以通過氣驅(qū)實(shí)現(xiàn)石油開采，CO2 由
于其特有的氣體屬性被廣泛采用，例如通過注CO2 提高
采收率[3]。火驅(qū)也是目前被廣泛采用的開采技術(shù)，所謂
火燒油層是指先向井中注入可燃?xì)怏w，如氧氣，在點(diǎn)燃
油層后繼續(xù)注氣，形成燃燒帶，從注入井逐漸向生產(chǎn)井
方向逐漸推進(jìn)。現(xiàn)階段，化學(xué)驅(qū)開采技術(shù)主要包括堿/
表面活性劑、聚合物驅(qū)、表面活性劑堿驅(qū)、表面活性劑—
聚合物的復(fù)合驅(qū)等。隨著科技的進(jìn)步，出現(xiàn)了微生物開
采技術(shù)，其是向地層中注入特定的微生物，其在活動(dòng)過
程中會(huì)產(chǎn)生酸性物質(zhì)，溶解儲(chǔ)層中的巖石，增加滲透率，
還可以分解原油中的高分子烴，進(jìn)而釋放出天然氣。此
外，儲(chǔ)層中能夠生長(zhǎng)菌體，其與微生物代謝產(chǎn)物可以堵
塞儲(chǔ)層滲透通道，控制流體的流度。由于微生物開采技
術(shù)的可發(fā)展性，有相當(dāng)一部分技術(shù)申請(qǐng)了專利，如中國(guó)
專利申請(qǐng)CN101131075A 涉及一種微生物采油方法，是
在油層產(chǎn)出水中篩選一株具有調(diào)剖能力的代謝產(chǎn)出生物
聚合物的菌種，然后采用此菌液與營(yíng)養(yǎng)液段塞式注入及
混合式注入兩種工藝進(jìn)行，環(huán)套空間注入。中國(guó)專利申
請(qǐng)CN103470234A 涉及一種用于微生物驅(qū)油現(xiàn)場(chǎng)注入工
藝參數(shù)優(yōu)化方法，包括現(xiàn)場(chǎng)注入工藝參數(shù)篩選，注入工
藝參數(shù)取值范圍的確定以及現(xiàn)場(chǎng)注入工藝參數(shù)的優(yōu)化，
步驟簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)，可靠性和準(zhǔn)確性高，可廣泛應(yīng)
用于微生物采油室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[4]。
2 稠油油藏的開采技術(shù)
通常把地面密度大于0.943、地下粘度大于50 厘泊
的原油叫稠油，也稱之為重油，主要是瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含
量較高、粘度較大的地層儲(chǔ)油。由于稠油本身的性質(zhì)，
導(dǎo)致稠油油藏具有油質(zhì)分布不均勻、易產(chǎn)生蒸汽超覆的
特點(diǎn)，所以稠油開采的核心是提高儲(chǔ)油的流動(dòng)能力，比
如使用各種降粘方法，包括機(jī)械降粘、化學(xué)降粘等，對(duì)
稠油儲(chǔ)油進(jìn)行降粘。與此同時(shí)，主要采用熱采方式進(jìn)行
稠油開采，例如注熱蒸汽、火燒油層等。值得一提的是，
基于稠油油藏本身的特性，為了避免或減少不良現(xiàn)象的
產(chǎn)生，目前出現(xiàn)了一系列改善開采后期的技術(shù)來提高采
收率[5]。概括來講，上述開采后期的改善技術(shù)分為井網(wǎng)
重組、現(xiàn)有開采技術(shù)復(fù)合驅(qū)、注采參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)三大類。
其中，井網(wǎng)重組常見的方法有：（1）設(shè)置井組單元，
持續(xù)不斷地向注汽井注汽，增加蒸汽的波及體積；（2）
利用油井關(guān)井時(shí)間來恢復(fù)儲(chǔ)層壓力，當(dāng)儲(chǔ)油聚集在井筒
附近時(shí)，再開井恢復(fù)生產(chǎn)；（3）在井網(wǎng)中心設(shè)置注汽
井，注汽時(shí)關(guān)閉周圍生產(chǎn)井，注汽完成后，再打開生產(chǎn)
井，并利用生產(chǎn)井和注汽井同時(shí)開采。現(xiàn)有開采技術(shù)復(fù)
合驅(qū)常見的方法有：（1）采用蒸汽輔助重力泄油技術(shù)，
通過兩種開采方式開采：①在靠近油層底部鉆雙水平井；
②在油層底部鉆一口水平井，再在其正上方鉆一口或幾
口豎直井，位于上方的注入井注入的蒸汽移動(dòng)形成飽和
蒸汽室，蒸汽能夠在蒸汽室周圍冷凝從而加熱儲(chǔ)層，同
時(shí)，被加熱的稠油和蒸汽冷凝水在重力作用下流入生產(chǎn)
井；（2）采用火燒油層技術(shù)或者在采用蒸汽吞吐技術(shù)
開采的同時(shí)注入輔助的惰性氣體；（3）采用注蒸汽復(fù)
合聚合物驅(qū)技術(shù)，在注入蒸汽前注入聚合物，將儲(chǔ)層殘
留的聚合物固定和絮凝在滲透率高的油層從而實(shí)現(xiàn)調(diào)
剖，以改變儲(chǔ)層中流體的流動(dòng)方向；（4）利用稠油熱
采和化學(xué)驅(qū)復(fù)合技術(shù)，利用兩者的協(xié)同作用，降低原油
的黏度，提高波及系數(shù)[6]。注采參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是首
先確定剩余油儲(chǔ)量，針對(duì)不同的儲(chǔ)層采出狀況，根據(jù)周
期單井產(chǎn)油量?jī)?yōu)化對(duì)應(yīng)的注氣參數(shù)。
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3 石油開采工藝國(guó)內(nèi)外專利概況
專利制度是保護(hù)和促進(jìn)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的有力保障，
伴隨石油開采工藝的發(fā)展，與其相關(guān)的專利申請(qǐng)也呈現(xiàn)
出對(duì)應(yīng)的變化態(tài)勢(shì)。根據(jù)檢索至2016 年的專利申請(qǐng)數(shù)
據(jù)，國(guó)內(nèi)外石油開采工藝專利申請(qǐng)近100000 件，包含
中國(guó)專利申請(qǐng)32156 件。早在1910 年，全球出現(xiàn)了第
一件石油開采工藝的專利申請(qǐng)，該申請(qǐng)是由法國(guó)提出的
（FR416302A），我國(guó)的首件專利申請(qǐng)是1985 年提出
的（CN85105970A“帶軟管導(dǎo)流裝置的可熔礦采礦設(shè)
備”），這意味著我國(guó)技術(shù)人員或企業(yè)對(duì)于技術(shù)研發(fā)和
保護(hù)有了初步的制度意識(shí)。
通過對(duì)國(guó)內(nèi)外石油開采工藝專利申請(qǐng)數(shù)據(jù)的分析，
繪制出了全球石油開采工藝專利申請(qǐng)的申請(qǐng)趨勢(shì)圖（見
圖1）。從趨勢(shì)圖上可以看出，全球石油開采工藝專利
的申請(qǐng)量呈現(xiàn)總體提升的走向，根據(jù)申請(qǐng)量的高低，將
石油開采工藝專利申請(qǐng)的變化過程分為：早期的技術(shù)準(zhǔn)
備積累階段，慢速增長(zhǎng)階段以及急速發(fā)展階段。其中，
第一階段段整體的專利申請(qǐng)數(shù)量較少，不足4000 件，
這應(yīng)當(dāng)源于人們?cè)缙趯?duì)于石油開采存在認(rèn)知局限以及專
利意識(shí)較弱；第二階段，國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)呈現(xiàn)一個(gè)增長(zhǎng)
的態(tài)勢(shì)，但速度緩慢，專利申請(qǐng)數(shù)量最高時(shí)達(dá)到2000
年的4000 件，是該階段專利申請(qǐng)的最高峰，并且這一
階段的專利申請(qǐng)主要集中在美國(guó)，其原因在于美國(guó)的科
技發(fā)展在當(dāng)時(shí)處于全球領(lǐng)先的地位，與此同時(shí)，這一階
段前蘇聯(lián)解體造成其國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)惡化，使得前蘇聯(lián)的專利
申請(qǐng)數(shù)量下降；急速發(fā)展階段限定為2000—2013 年，
隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)于資源的需求與日俱增，
石油資源是其中之重，所以各國(guó)對(duì)石油需求迫切，石油
開采工藝進(jìn)入了相對(duì)快速增長(zhǎng)階段。在這一階段，開放
的全球經(jīng)濟(jì)環(huán)境以及技術(shù)研究條件，以及新興的世界各
經(jīng)濟(jì)體和發(fā)展中國(guó)家的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和技術(shù)研發(fā)，帶動(dòng)了全
球石油開采工藝專利申請(qǐng)量的快速增長(zhǎng)，尤其是我國(guó)在
此階段對(duì)全球有關(guān)石油開采工藝的專利申請(qǐng)量做出了重
大貢獻(xiàn)。這一階段的專利申請(qǐng)主要集中在中國(guó)、美國(guó)，
在此階段中的2003-2008 年的專利申請(qǐng)量出現(xiàn)了小幅的
回落，主要原因是上述時(shí)期，全球經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)危機(jī)，受經(jīng)
濟(jì)危機(jī)的影響，全球范圍內(nèi)的專利申請(qǐng)量普遍均有下降，
但之后繼續(xù)開啟快速上升式發(fā)展，在2014 年達(dá)到頂峰。
40000 件，其次是中國(guó)，有30000 多件，與美國(guó)分列第
一區(qū)塊，而居于第二區(qū)塊的是加拿大，第三區(qū)塊為俄羅斯、
世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織、英國(guó)、歐洲專利局、澳大利亞和挪威，
而第四區(qū)塊則包括德國(guó)和蘇聯(lián)，其申請(qǐng)量在5000 件左右。
圖1 全球石油開采工藝專利申請(qǐng)的申請(qǐng)趨勢(shì)
圖2 國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)主要國(guó)家的專利申請(qǐng)量分布圖
圖3 國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)的類型構(gòu)成
在了解了全球石油開采工藝專利申請(qǐng)總體趨勢(shì)之后，
通過繪制國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)主要國(guó)家的專利申請(qǐng)量分布圖
（見圖2）進(jìn)一步明確全球范圍內(nèi)的技術(shù)翹首。從總的
申請(qǐng)量來看，美國(guó)占據(jù)了專利申請(qǐng)量的榜首，達(dá)到了
4 國(guó)內(nèi)石油開采工藝專利申請(qǐng)分布
在分析了全球石油開采工藝整體趨勢(shì)以及申請(qǐng)國(guó)家
比重之后，繪制了我國(guó)專利申請(qǐng)的類型構(gòu)成圖（見圖3）。
我國(guó)自1984 年建立專利制度，其中第一件有關(guān)石油開
采工藝的專利申請(qǐng)是1985 年04 月01 日提交的“用二
氧化碳基液體壓裂法以刺激油井”的發(fā)明專利申請(qǐng)，申
請(qǐng)人是哈利伯頓公司，而第一個(gè)國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人是孔德讓，
在1985 年提交了“帶軟管導(dǎo)流裝置的可熔礦采礦設(shè)備”
的發(fā)明專利申請(qǐng)。這兩件專利申請(qǐng)是國(guó)內(nèi)最早的專利申
請(qǐng)，其后我國(guó)在石油開采工藝領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量一直保
持穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì)，中間基本沒有經(jīng)歷所謂的技術(shù)沉積
期，并在2015 年達(dá)到了最大值。這與國(guó)內(nèi)科研院所、高校、
企業(yè)對(duì)石油開采工藝技術(shù)給予的大量研發(fā)投入以及國(guó)家
對(duì)于專利技術(shù)研究的大力支持密切相關(guān)，使得我國(guó)在石
油開采工藝領(lǐng)域能夠不斷取得長(zhǎng)足發(fā)展和進(jìn)步。
與此同時(shí)，繪制了我國(guó)主要申請(qǐng)人分布情況圖（見
圖4），其中，排名前10 位的申請(qǐng)人分別為：中國(guó)石油
天然氣股份有限公司、中國(guó)石油化工股份有限公司、大
慶油田有限責(zé)任公司、中國(guó)海洋石油總公司、中國(guó)石油
大學(xué)（華東）、西南石油大學(xué)、國(guó)際殼牌研究有限公司、
中國(guó)石油大學(xué)（北京）、中國(guó)石油化工股份有限公司勝
利油田分公司采油工藝研究所、中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆
探工程有限公司長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司、中國(guó)石油天然
氣集團(tuán)公司。其專利申請(qǐng)量分別為3294、1645、660、
515、471、405、321、314、280、200、（下轉(zhuǎn)第239 頁(yè)）
2018 年 10 月 Development and Innovation | 發(fā)展與創(chuàng)新 | ·239·
（4）有限元結(jié)果分析，以本工程為例：①支座法相
反力，由分析結(jié)果可見，支座反力最大值為59.98kN；
②架體應(yīng)力，立桿應(yīng)力方面，最大壓應(yīng)力值為106.5N/
mm²，最大拉應(yīng)力值為14.2N/mm²，受壓（拉）最大值
小于Q345 抗壓（拉）強(qiáng)度設(shè)計(jì)值300 N/mm²，符合規(guī)
范要求；③架體位移，位移最大部位出現(xiàn)在架體頂部，
最大位移量為3.22mm；④滿布鋼梁應(yīng)力，鋼梁應(yīng)力方面，
最大應(yīng)力值為129.05N/mm²，小于Q235 抗壓（拉）強(qiáng)
度設(shè)計(jì)值205N/mm2，符合規(guī)范要求；⑤結(jié)論：綜上模
擬結(jié)果，架體受力情況滿足設(shè)計(jì)要求，整體布置合理，
各受力部件工作情況良好。滿布鋼梁構(gòu)造有效分散集中
力的影響，均勻分布在架體各節(jié)點(diǎn)處，局部應(yīng)力集中位
置應(yīng)力值也在安全范圍之內(nèi)。從結(jié)果上可推斷，此模架
設(shè)計(jì)合理有效，架體位移較小可控，應(yīng)力值滿足材料性
能指標(biāo)，且無過大集中應(yīng)力存在，本分析內(nèi)容所涉各項(xiàng)
數(shù)據(jù)指標(biāo)均在安全范圍之內(nèi)，滿足規(guī)范要求。
（5）新式架體BIM 模型最終分析。按照符合規(guī)范
的有限元分析結(jié)果，進(jìn)行最終Revit 建模，查看架體與
結(jié)構(gòu)碰撞情況、細(xì)節(jié)處理情況、優(yōu)化后架體連接情況。
最后根據(jù)優(yōu)化后結(jié)果確定底層支撐立桿排布在現(xiàn)場(chǎng)中實(shí)
際位置，用于現(xiàn)場(chǎng)施工放線定位，使用BIM 模型進(jìn)行現(xiàn)
場(chǎng)交底，讓施工人員清楚現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工形式。
（6）效果比較。通過普通支模方式架體剖面圖和
優(yōu)化后的架體剖面圖比較可以看出，優(yōu)化后的架體下部
立桿間距可加大，不僅充分利用材料強(qiáng)度，避免材料浪
費(fèi)，又減少了工程量，節(jié)省了成本。
4 經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析
本工程高支模體量約60 萬m³ 體量大，對(duì)普通扣件
式鋼管腳手架、碗扣式鋼管腳手架及承插型盤扣式鋼管
腳手架從成本方面進(jìn)行如下對(duì)比分析。通過BIM 技術(shù)深
化設(shè)計(jì)以及有限元分析測(cè)算，本項(xiàng)目倉(cāng)庫(kù)部位基本可省
去梁底單獨(dú)支設(shè)的立桿，按照梁板比例分布形式測(cè)算，
可少使用立桿約25%。由于立桿量減小，材料投入減小，
各項(xiàng)費(fèi)用隨之減低。此工法與新式盤扣架相比可節(jié)約成
本25%，與傳統(tǒng)鋼管扣件相比節(jié)約成本可超過40%，節(jié)
省了材料和工程量。不僅直接降低了施工成本，而且減
少了運(yùn)輸污染、材料生產(chǎn)加工污染；縮短了工期，降低
了施工期間對(duì)周圍環(huán)境的污染。各個(gè)方面均為有利趨勢(shì)，
完全符合以技術(shù)發(fā)展推動(dòng)行業(yè)發(fā)展的特點(diǎn)。
5 結(jié)束語
經(jīng)過科學(xué)的資源組織，利用信息化技術(shù)管理手段，
本項(xiàng)目高大支模架體量共計(jì)60 萬m³，僅用時(shí)25 天便完
成了全部搭設(shè)。實(shí)踐證明，通過BIM 技術(shù)結(jié)合有限元分
析施工方法在高大支模架施工中的應(yīng)用，不但可以提高
施工效率，保證施工質(zhì)量、滿足結(jié)構(gòu)安全，還可以節(jié)省
施工成本，踐行了綠色施工理念，可在大型物流倉(cāng)儲(chǔ)工
程施工中使用推廣。
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（上接第187 頁(yè)）199。三大國(guó)有石油公司一直是國(guó)內(nèi)專
利申請(qǐng)的主體，為我國(guó)石油開采技術(shù)的發(fā)展提供了重要
支持和貢獻(xiàn)，中國(guó)石油大學(xué)、西南石油大學(xué)作為石油領(lǐng)
域的專業(yè)高等學(xué)府，致力于石油開采技術(shù)的前沿研究，
同樣貢獻(xiàn)了不容忽視的力量。
5 結(jié)束語
本文對(duì)現(xiàn)有石油開采技術(shù)的概述和相關(guān)專利技術(shù)進(jìn)
行了簡(jiǎn)要分析，有利于相關(guān)領(lǐng)域的工作人員掌握相關(guān)技
術(shù)常識(shí)和技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，也利于企業(yè)、科研院所了解現(xiàn)
有石油開采工藝的發(fā)展現(xiàn)狀，從而促進(jìn)石油開采技術(shù)不
斷自主創(chuàng)新，持續(xù)發(fā)展。
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圖4 國(guó)內(nèi)主要申請(qǐng)人分布

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