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地震勘探检波器专利分析

范文

孙珍珠丁宏杰王叶

摘要：地震检波器，其作为影响地震数据接收质量的关键因素，其性能直接决定着接收到的地震波的分辨率和灵敏度。本文立足于专利文献，对国内外涉及地震检波器的专利申请进行统计和分析，总结该技术的专利申请及发展状况，以期为相关领域的专利审查工作提供参考，并为企事业单位、高校、研究所等提供技术支持。

关键词：地震;采集;检波器;专利分析

中图分类号：P631.4;G306文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2020）30-0131-10

1 概述

地震波的接收就是用专门的仪器，采用合适的工作方法，把地震波的传播情况记录下来。为了达到一定的勘探要求，要求检波器接收到的地震波具有较高的分辨率和灵敏度。地震勘探技术的快速发展也推动着地震检波器的发展。随着地震勘探难度的增大，在实施地震勘探时对地震检波器性能的要求也愈来愈高。为了适应高分辨率、高精度的勘探需求，检波器从最初的频带较窄、灵敏度较低、发展成现在频带较宽、失真度较低、动态范围较大。

本文主要利用incopat专利数据库，并结合中国专利文摘数据库（CNABS）、外文数据库（VEN）进行地震检波器技术相关专利的检索，选用的主要关键词有geophone、hydrophone、sensor、seismometer、cymoscope等，结合IPC分类号G01V1/16（地震信号的接收元件）、G01V1/18（地震信号的接收元件，例如，地震仪、地震检波器）等，检索截至时间为2020年7月2日，对检索结果进行筛选和去重后得到地震检波器的全球专利申请总量为3 181件，并以此作为本文研究对象。[1]

2 专利申请状况分析

2.1 全球专利申请量分析

图1示出了地震检波器技术的全球专利申请量年代分布图。从中可以看出自20世纪20年代开始，以1970年、1976年、2015年为界限可以划分为四个发展阶段。

第一阶段为技术萌芽期（1925—1970年）：整个地震勘探领域属于起步阶段。由于地震检波器技术刚被提出，需要克服诸多技术障碍，其专利申请量比较少，申请量呈现缓慢增长的形式，属于技术的萌芽期。该阶段地震检波器频带较窄、灵敏度较低、型号单一、动态范围过小。

第二阶段为平稳发展阶段（1970—1976年）：地震检波器技术初步成熟，专利申请量持续增长，呈现前所未有的垂直式增长。该阶段地震仪器实现了数字化，更重要的是三维地震勘探、高分辨率地震勘探的出现，地震勘探领域扩大到山地、戈壁、沙漠、滩海及海上，一大批高性能技术指标的检波器也应运而生，地震检波器频带、灵敏度、型号、动态范围均得到较大改进，更加适用于地震勘探的技术需求。

第三阶段为快速发展阶段（1976—2015年）：随着三维地震勘探、高分辨率地震勘探的推广，检波器向三高（即，高保真、高灵敏度、高分辨）方向发展，更多的企业以及高校投入到该领域的研发中，各研发主体形成了有效的竞争，出现了大量针对地震检波器技术进行改进的专利，检波器的型号和品种越来越丰富，出现了涡流检波器、高性能压电检波器等，性能也越来越稳定。本阶段专利申请量从2010年起急剧上升，在2015年达到顶峰时期。

第四阶段为技术稳定阶段（2015年至今）：随着传感器技术、电子技术、计算机技术、数据传输技术等技术的发展。现在高分辨地震数据采集要求采集的地震数据具有更高的三高特性，因此这个阶段出现了精度更高的检波器。但是随着前期的发展和扩大，由于相关技术已趋近成熟，改进难度，技术创新难度较大，若想提出更好的专利技术，需要提供非常有竞争性的创造，因此相关专利申请量有所下降。

图2（a）、图2（b）为地震检波器技术相关专利的全球申请量趋势情况。地震检波器技术国外专利申请量在2015年达到顶峰时期，2015年以后地震检波器技术专利申请量急剧下降，这可能与美国页岩气大规模开采，油气产量大幅提高，油气需求不振，油气供应过剩，以及世界经济复苏乏力和经济增速放缓有关，同时，国外石油勘探技术已相对成熟，科研投入也开始减少。因此，国外技术发展较早，各项技术发展已相对成熟。

与国外相比，国内地震检波器技术专利申请在平稳发展阶段的申请量极少，与国外存在较大差距，直到20世纪90年代，国内地震检波器技术才开始起步，说明我国早期石油勘探技术行业相对落后，地震采集技术市场需求较小。我国相关行业的跟踪研发也没能跟上世界地震勘探技术的发展步伐，大量设备依靠进口，没有保障得力的研发团队，对地震勘探技术的重视程度和研发力度与国外同行差距甚大。但随着国内对油气勘探的重视程度提高，国内石油工业的发展，国内申请变得活跃，在快速发展阶段国内地震检波器技术专利申请量也于2000年左右开始快速、稳步增长，作为后起之秀的典型代表，直至2015年左右，中国已经成为地震检波器技术的中流砥柱，申请量甚至超过国外来华，目前保持强势上升态势。[2]因此，与国外有所不同，我国的地震检波器技术发展相对于国外虽然有一定滞后性，但是技术成熟速度较快、发展迅猛。2015年以后进入技术稳定阶段。全球来看，国内地震检波器技术专利申请量依然保持较高占比，我国的地震勘探技术发展姿态强、势头足，体现了国内地震勘探对地震检波器技术研发、专利保护的重视以及中國的该技术在世界舞台上举足轻重的地位。但是必须注意，随着中国国内技术的快速发展，接近国外的技术水平将面临激烈的竞争。2018—2019年的申请量下降趋势非常明显，这主要是因为部分专利申请尚未公开。

图3和图4显示了全球内地震检波器技术相关专利申请分布情况。地震检波器技术的主要专利申请较为集中，主要集中在中国、美国、日本、苏联、WIPO，中国是专利申请最多的目标国，占全球申请量的30.29%;其次是美国，占全球申请量的25.22%;再次是日本，占全球申请量的10.38%，随后是各国向苏联、WIPO提出的PCT申请，分别占全球申请量的9.52%、7.11%。说明国外企业对知识产权制度的了解和应用相当熟练，知识产权保护意识较强。从图5中可以看出，地震检波器技术在华申请来源主要是国内，占比90.03%，占据了国内绝对的申请量。说明国外申请人还没有将国内申请人视为重要的竞争对手，这也为我国申请人加快地震检波器技术研发，进行较为全面的专利布局留下了一定的时间和空间。

2.2 全球主要申请人分析

为了研究地震检波器专利技术主要申请人情况，以数据库中的申请人和公司代码信息为基础进行加工整理，进而统计出主要申请人排名、在华申请主要申请人类型构成等角度进行统计分析。

图6显示了全球地震检波器技术专利申请量比较靠前的申请人，其中在计算排名时，将申请人为某公司的子公司的专利申请归并入该公司名下。可以看出，地震检波器技术专利申请人主要来自美国和中国，而排名靠前的申请人包括美国的斯伦贝谢公司、PGS公司、海军秘书处代表的美国政府、壳牌、苏联的ORDENA LENINA公司，均为世界石油巨头企业。排名靠前的申请人集中于美国，几乎呈现垄断姿态，占据了绝对优势，尤其是美国的斯伦贝谢公司，申请量遥遥领先。地震检波器核心技术主要被美国的企业掌控。

图7显示了在华申请主要申请人类型构成，其中主要申请还是集中在企业、大专院校，占比分别高达53.27%、17.83%，可以看出，受限于技术研发所需硬件条件、物力、财力支持，国内地震检波器技术专利申请主要集中在企业、大专院校。

2.3 全球专利质量分析

图8（a）、8（b）显示了全球范围内地震检波器技术专利价值度排名靠前的申请人。从图8（a）、8（b）可以看出，专利价值度相对较高的申请人均为国外大型油服公司，分别为美国的斯伦贝谢公司、PGS公司、海军秘书处代表的美国政府、壳牌公司。还有苏联的ORDENA LENINA公司，尤其是美国的斯伦贝谢公司，专利价值远远领先于其他石油公司。斯伦贝谢作为全球最大的油田服务公司，占据着世界最大的市场份额，在中国各领域均申请大量申请，并保持较大优势。而国内排名靠前的仅有中石化、中国地质大学、中国科学院，申请质量与国外公司相比存在较大的差距。我国石油企业应密切关注国外这几家龙头企业的专利布局和研究发展情况，其中重点关注斯伦贝谢的研究动向，及时调整发展策略，以跟随发展并规避不必要的技术风险和专利风险。

图9显示了国内地震检波器技术专利申请类型情况，发明专利申请、实用新型分别占比47.99%和50.16%，发明、实用新型二者占比均等，这表明国内研发水平较低，我国企业还不善于充分利用发明这种专利形式保护研发成果，不注重长期保护，还停留在以量取胜的初级阶段。我国还没有掌握地震勘探的核心技术。

图10（a）、10（b）为中国专利有效性分布图。图10（a）显示，37.21%的专利处于有效状态，失效占比47.77%，15.02%还在审中，其中，授权37.21%，撤回和驳回的占比分别为7.83和3.7%，可以看出授权发明专利比例远高于驳回/撤回专利比例，说明该技术在国内还在持续发展，处于不断创新和改进的阶段;而15.02%的专利处于公布状态和审查状态，申请日集中在2016—2020年，无法明确其专利质量情况。

针对被引证次数高的核心专利进行排序发现，排名靠前的核心专利申请人几乎均为国外石油巨头公司，只有2件为中石油的申请，经过分析，这与中国石油并购了美国输入输出公司有关。这2件均为输入输出公司的申请，一方面由于国内专利事业起步较晚，缺乏早期申请，另一方面也从侧面上反应了地震检波器核心技术掌握在国外申请人手中。在核心专利的主要申请人方面，美国微米技术、Hughes Aircraft、利顿、斯伦贝谢等企业在技术研发上具处于明显的领先地位，这也从侧面反映了美国在地震检波器技术领域的领先地位。[3]

3 专利技术分析

地震检波器主要包括动圈式检波器、光学式检波器、压电式检波器、MEMS传感器、电容加速度式检波器等。中国专利申请的研发申请主要集中在动圈式检波器、光学检波器和压电检波器，其次是MEMS传感器和其它类型检波器。

下面针对这几大类地震检波器类型，按照时间顺序简单阐述国内外重点公司在我国申请的几个典型专利。

3.1 动圈式检波器

在国内传统的动圈式检波器一直是检波器领域的研发热点。这类检波器以电磁感应为原理通过机电转换完成震动信号检测，制造成本低、技术方法容易实现。影响该类型传感器灵敏度的主要因素是磁钢产生的静磁场强度以及接收线圈的有效面积和匝数。

国内外重点公司在我国申请的典型专利有三种。

2008年，中南大学的专利申请CN101241191A提出了一种动圈式检波器，包括线圈架，上下信号线圈绕组，磁钢，上下磁靴以及平面绕制螺旋线圈绕组，所述螺旋线圈与绕制在线架上的信号线圈之间并联，一同串接在信号传输线上;结构简单、合理，有效地提高了检波器的灵敏度和性能。

2009年，I/O开曼群岛有限公司（迪拜分公司）的专利申请CN201514488U提出了一种动圈式地震检波器，其具有线圈组件（1）、外壳组件（2）、顶盖组件（3）、极靴（4）、磁钢（5）和引线簧（6），其特征是：在该动圈式地震檢波器中设有一个片状卡簧（9）、一个片状弹簧（8）和一个上弹簧片（7），所述片状卡簧和片状弹簧将所述上弹簧片固定在所述线圈组件上;在该动圈式地震检波器中还设有一个片状卡簧压垫（11）和一个下弹簧片（10），所述片状卡簧压垫将所述下弹簧片固定在所述线圈组件上。如图11为动圈式检波器结构示意图。

2012年，西安森舍电子科技有限责任公司的专利申请CN202870308U提出了一种低灵敏度温度系数的地震检波器，包括高稳定永磁磁钢和外壳，磁钢的上下两端均设有磁靴，此外高稳定永磁磁钢和外壳之间设有线圈，并且外壳的上下两端分别设有上盖和下盖。其将灵敏度温度系数提高到优于0.01%/℃，同时保持了简单的结构，使造价维持低廉。

受制于当前磁钢材料的性能以及检波器固定结构，通过增大磁钢磁场、线圈匝数等来实现检波器灵敏度的提高遇到技术瓶颈，以致该类型检波器的灵敏度近几十年来没有明显提高。

3.2 光学检波器

相对于传统检波器，光纤检波器利用外界的微干扰振动来改变光栅的栅距，再转化为对应的波长变化量，通过检测波长的变化量来测量加速度的大小，具有频带宽、灵敏度高、易与现场设备匹配、安全且不受电磁场干扰等优点。

国内外重点公司在我国申请的典型专利有：

2011年，中国石油大学（北京）的专利申请CN103176205A提出了宽频带光纤地震检波器的双光栅振子结构，包括L型悬臂梁（1），光纤Bragg光栅1（2），等强度梁（3），外壳（4），光纤Bragg光栅2（5），支撑架（6），质量块（7）。以解决地震勘探中检波器灵敏度不高、动态范围较小的问题。如图12为光学检波器结构示意图。

2015年，PGS地球物理公司的专利申请CN104932019A提出了一种水听器，水听器包括端帽，参考光纤和感测光纤可以分别缠绕到内心轴和外心轴上，其具有在纵向维度的纵向刚度和在周向维度的周向刚度，其中纵向刚度为周向刚度的至少一半和周向刚度的至多50倍。

2014年，哈尔滨工业大学的专利申请CN104199086A提出了一種单分量光纤检波器及含有该检波器的三分量微地震光纤检波器，单分量光纤检波器，通过两个光纤光栅与光纤线圈组成的光纤光栅F-P腔结构，有效地提高了检波器的灵敏度，利用低反射率FBG替代法拉第旋转镜作为反射镜，极大地简化了结构。

需要特别说明的是，仅仅中国石油大学一所高校，在2007、2010、2011、2012年就提交了6件发明专利。中石化在2008年提交了2件发明、1件实用新型，在2014年提交了2件发明。这说明近几年来我国在光学检波器这一技术领域的研发较为活跃，尤其高校受到国家资金扶持，依托重点实验室研发投入力度较大。

3.3 压电式检波器

压电检波器的原理是利用某些强电介质晶体受外力作用后，其分子内部产生极化现象导致正负电荷分离，使其两个表面上产生符号相反的电荷，即产生了电动势，它是一种自发电式传感器，由于电荷电量没有驱动能力，一般需要与其配套的检测放大电路。

国内外重点公司在我国申请的典型专利有：

2000年，法国石油研究所的专利申请CN1272037A提出了一种用于声波或地震波接收的水下听音器，包含刚性管，它包含至少一个检测单元;适于接纳和支撑至少一个外罩的空心平坦中心单元，该中心单元卡入刚性管内;以及每个外罩上并且作为刚性管内面一部分的保护密封涂层。能克服对称连接水下听音器的缺点：压电敏感元件在静水压增大使平盘弯曲时损坏、水下听音器灵敏度低且在静水压增大时大幅度减小、电容随静水压变化较大。

2015年，中石油的专利申请CN205384377U提出了一种压电检波装置，包含壳体所述壳体内设置有：压敏结构，其包括扁平质量块，以及用于感应所述扁平质量块的振动并将其转换成相应的加速度电压信号的至少两片相耦合的压电片，所述至少两片相耦合的压电片固定安装于所述扁平质量块上，且与所述扁平质量块平行相对设置;放大电路，用于将所述加速度电压信号放大后输出，结构简单，性能稳定。如图13为压电式检波器结构示意图。

2017年，中国地质大学（武汉）的专利申请CN207851318U提出了一种压电地震检波器，包含壳体及弹性材料制成的简支梁基底，简支梁基底的长度方向上的两端分别刚性连接在壳体上进行水平设置，简支梁基底上设置有至少一个压电片组，每个压电片组中均具有压电转换性能一致且关于简支梁基底上下对称设置的上端压电片和下端压电片，其中在简支梁基底的二分之一长度处设置有中间端压电片组，所有的上端压电片上的信号叠加后形成的输出与所有的下端压电片上的信号叠加后形成的输出形成一组差动信号，各上端压电片和各下端压电片连接输出导线以输出该差动信号，具有灵敏度高、动态范围宽、轻便耐用、抗干扰能力强等优点，在陆上地震勘探、井下槽波地震勘探等领域应用可靠和广泛。

这里需要特别说明，在涉及压电式检波器的249篇专利申请中，中国地质大学的申请就有19篇，基本分布在2014—2017年间，说明在2014—2017年间，油气、地矿勘探行业形势一片大好的时代背景下，我国高校研发投入力度较大，专利布局意识较强。

3.4 MEMS数字检波器

经历了长时间的模拟时代，地震检波器也开始向数字检波器发展。基于MEMS技术的数字检波器的核心是MEMS传感器，是集微型传感器、执行器、信号处理器以及控制电路、接口电路、通信电路和电源为一体的微型机电系统。如图14为MEMS数字检波器结构示意图。

国内外重点公司在我国申请的典型专利有：

2009年，格库技术有限公司的专利申请CN102265184A提出了一种用于地震采集系统的基于MEMS的电容传感器，包括基于MEMS的电容传感器、控制器和电荷放大器。所述传感器包括检测质量、接收第一信号的输入端、以及与检测质量电连接以提供第二信号的输出端。由控制器调控的第一信号控制用于传感器的平衡恢复力并且使传感器提供第二信号。所述电荷放大器提供指示检测质量的位置的第三信号。电荷放大器具有在第一信号控制平衡恢复力并且使传感器提供第二信号期间内连续接收第二信号的输入端。

2014年，西南科技大学的专利申请CN104020490A提出了一种全数字MEMS三分量地震检波器，包括密封防水外壳，设置于该密封防水外壳内部的控制单元、与该控制单元连接的由三个单轴MEMS传感器正交组合而成的三分量检波器、与所述三个单轴MEMS传感器一对一连接的三个信号调理电路和分别通过一个多路模拟选择器与三个信号调理电路一对一连接的三个A/D转换器，该三个A/D转换器分别与所述控制单元连接;同时，在所述控制单元上还连接有侧斜倾角检测模块和惯性传感器。解决了现有技术中检波器无法兼顾姿态方法信息、地面与测井等多用途适应能力、实时获取内部温度湿度控制参数以及高效低功耗的检波器电源内部管理的问题，具有很高的实用价值和研究意义。

2019年，中国科学院的专利申请CN110068858A提出了一种基于MEMS的三轴一体化电化学地震检波器，包括：外壳，为正六面体;橡胶膜，分别覆盖在所述外壳的各个表面，且分别与各面形成容纳空间;第一流道、第二流道、第三流道，为互相垂直且垂直贯穿所述外壳表面的流道;敏感电极，分别置于所述第一流道、第二流道和第三流道内;电解质溶液，分别充满于所述第一流道、第二流道和第三流道与各所述容纳空间形成的密封腔内，采用了全新的结构设计，使其更精确保证了三个轴向间的正交性;并且不需要辅助结构，减小了检波器的体积和重量。

法国SERCEL公司、美国CGG公司、埃克森美孚等数家大公司均有数字检波器问世。国外数字检波器的实验阶段已经结束，正在逐漸大规模的推广应用，但在国内对数字检波器的开发研究刚刚起步，技术水平落后于国外水平。数字检波器的发展在地震勘探领域将是一个必然的趋势，我国企事业单位应加强多方合作，加大MEMS数字检波器的研发力度，以期获取地震检波器更加全面的专利布局，获得主动权。

总之，在地震检波器方面，我国不仅拥有数量较多的专利，即使在与国外企业相交叉的动圈式检波器、光学式检波器等技术分支，我国企业这方面的研发能力也较好，但在MEMS数字检波器分支存在技术欠缺。尤其是我国申请人较为分散，且基本为申请人独立申请，各申请人之间的合作相对较少，技术转化过程存在障碍，作为市场主导的中国石油、中国石化等公司应加强与科研机构的联合，实现共赢。我国政府、各机关部门应继续鼓励国内企业等创新主体加大专利申请力度和国内外专利布局，用专利保护其技术和产品，增强创新主体的核心竞争力。

4 结论与建议

4.1 结论

4.1.1 根据全球专利申请量来分析，地震检波器技术发展主要经历了以下阶段：技术萌芽阶段（1925—1970年）、平稳发展阶段（1970—1976年）、快速发展阶段（1976—2015年）、技术稳定阶段（2015年至今）;地震检波器技术专利申请量排名靠前的国家/地区/组织分别是中国、美国、日本、苏联、WIPO，早期以国外为主，2010年以后中国专利申请量明显增长，最近几年超过国外申请量。

4.1.2 根据专利申请人来分析，就国外申请而言，申请人主要集中在美国的斯伦贝谢公司、PGS公司、海军秘书处代表的美国政府、壳牌、苏联的ORDENA LENINA公司，均为世界石油巨头企业。就国内申请而言，申请人主要为石油高校/科研机构中国地质大学、中国科学院以及石油巨头中石油等。

4.1.3 根据专利价值度分析，专利价值度相对较高的申请人均为国外大型油服公司，尤其是美国的斯伦贝谢公司，专利价值远远领先于其他申请人;而国内排名靠前的仅有中石化、中国地质大学、中国科学院，申请质量与国外公司相比存在较大的差距。

4.1.4 在地震检波器方面，我国拥有数量较多的专利，研发能力也较好，但在MEMS数字检波器方面存在技术欠缺。且我国申请人较为分散，技术转化过程存在障碍，作为市场主导的中国石油、中国石化等公司应加强与科研机构的联合，实现共赢。

4.2 建议

国内关于地震检波器技术的专利申请量已经逐步超过国外，但是在质量上还与国外存在差距，企业和高校需要提升研发实力，提高知识产权保护意识。我国政府、各机关部门应继续鼓励国内企业等创新主体加大专利申请力度和国内外专利布局，用专利保护其技术和产品，增强创新主体的核心竞争力。

参考文献：

[1] 马天旗.专利分析方法、图表解读与情报挖掘[M].北京：知识产权出版社，2015.

[2] 杨铁军.专利分析实务手册[M].北京：知识产权出版社，2015.

[3] 陆基孟，地震勘探原理[M].山东东营：石油大学出版社，2006：106-117.

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