張 村，宋子玉，趙毅鑫

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 共伴生能源精準開采北京市重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(北京) 能源與礦業(yè)學院，北京 100083；3.安徽理工大學 深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001)

0 引 言

煤層氣資源作為重要的非常規(guī)天然氣資源，在國際上的開采熱度一直不減，目前美國、加拿大和澳大利亞等國的煤層氣開采已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，并且已開展深層煤層氣開發(fā)試驗，有望進一步走向商業(yè)化[1-2]。中國1 000 m以淺和1 000～2 000 m埋深的煤層氣儲量分別為14.3×1012和22.5×1012m3，分別占總探明資源量的38.9%和61.1%，位居世界第3[3-4]。對于深部煤層氣界定而言，國內(nèi)學者將深部煤層氣界定為1 000 m以深，但國際上并沒有明確的界定[5]。隨著中國煤層氣需求量的增加，煤層氣開發(fā)逐步向深部進軍，目前已經(jīng)在沁水盆地、鄂爾多斯盆地等地進行了初步嘗試[5-9]。結(jié)合中國煤層氣儲量情況，未來深部煤層氣開采勢在必行。

煤層氣產(chǎn)能主要受煤層厚度、含氣量、含氣飽和度、地應(yīng)力、滲透性、溫度、構(gòu)造條件和煤體結(jié)構(gòu)等賦存地質(zhì)因素影響[10-16]，其中滲透率和煤層氣含量是影響煤層氣含量的重要因素[17]，其它因素主要是影響上述2個因素進而間接影響煤層氣產(chǎn)氣階段。除此之外，由于中國的能源賦存形式，煤與瓦斯共采也是中國煤層瓦斯的重要開采方式[18]，煤與瓦斯共采一方面能夠確保高瓦斯突出煤層的安全高效開采，另一方面還能實現(xiàn)礦井瓦斯的有效抽采利用[19-22]。綜上可知，中國煤層氣開采現(xiàn)已形成包括井下瓦斯抽采技術(shù)、煤層氣地面鉆井抽采技術(shù)以及井上下聯(lián)合抽采技術(shù)[23-24]。

為了分析中國在國際上煤層氣開采所處地位，掌握國際煤層氣開采發(fā)展趨勢，文中基于Citespace可視化文獻計量軟件對煤層氣開采的主要研究力量分布、研究熱點趨勢等進行了計量分析。研究結(jié)果有助于掌握國際煤層氣的開采動態(tài)，為中國煤層氣開采研究提供參考。

1 文獻計量方法

1.1 數(shù)據(jù)收集和處理

Web of Science的核心數(shù)據(jù)庫作為國際上影響力大、涵蓋范圍廣的科學引文數(shù)據(jù)庫能夠全面反映各學科的研究概況與最新動態(tài)。根據(jù)文中研究內(nèi)容，為了更加全面的了解煤層氣的現(xiàn)狀，選擇關(guān)鍵詞(coalbed methane)和(coal seam gas)構(gòu)成煤層氣開采領(lǐng)域中的研究數(shù)據(jù)庫，得出2010年1月至2020年9月，共有1 931篇與煤層氣有關(guān)的期刊文章被下載和記錄。在此基礎(chǔ)上，將1 931篇文獻的關(guān)鍵詞、作者、機構(gòu)、引文等信息導(dǎo)入至CiteSpace中進行分析，生成更加直觀的圖形數(shù)據(jù)進行文中的相關(guān)分析。

1.2 科學計量分析方法

CiteSpace由美國Drexel University陳超美教授基于Java開發(fā)的可視化文獻計量軟件[25-26]，具有幫助理解和解釋網(wǎng)絡(luò)模式的功能，也可以識別主要主題領(lǐng)域和“熱點”以及自動標記集群。根據(jù)關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率，可以確定煤層氣的“熱點”研究課題和前沿研究，在查看結(jié)果時，一個節(jié)點代表一個項目，例如關(guān)鍵字、期刊或參考文獻，鏈接描述節(jié)點之間的共引或共現(xiàn)。此外，每個節(jié)點都用一系列不同顏色的圓圈來描述，且能夠識別關(guān)鍵節(jié)點。因此，CiteSpace能夠通過分析引文和共引信息來獲得特定研究領(lǐng)域的計量結(jié)果，已經(jīng)應(yīng)用于獲取領(lǐng)域研究趨勢、學科發(fā)展、研究力量分布等。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)文量時間分析

從圖1可以看出近10 a發(fā)文量呈現(xiàn)明顯的指數(shù)式上升趨勢，具體見式(1)，表明近些年國際學者對于煤層氣的研究熱度逐年上升，根據(jù)公式(1)預(yù)測2020年發(fā)文量485篇左右，而截至2020年9月30日發(fā)文量326篇，預(yù)計整年發(fā)文量435篇左右，稍微低于預(yù)測值，這因為今年受到新冠疫情的影響。

Y=37.298 0+17.257 5e0.296 0(X-2 009)

(1)

式中X為年份；Y為發(fā)文量。

圖1 2010—2019年煤層氣研究領(lǐng)域發(fā)文量情況Fig.1 Changes in the amount of papers related to CBM research from 2010 to 2019

2.2 合作網(wǎng)絡(luò)分析

合作網(wǎng)絡(luò)分析主要包括發(fā)文國家、機構(gòu)以及其合作關(guān)系的構(gòu)建，體現(xiàn)了煤層氣研究中的主要研究力量。選擇國家(Country)和機構(gòu)(Institute)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行分析，從圖2可以看出，從2010年1月至2020年9月，伙伴國家的56個節(jié)點和138個鏈路組成了一個網(wǎng)絡(luò)，圖中節(jié)點圓圈的大小代表數(shù)量，節(jié)點之間的連線代表合作關(guān)系。根據(jù)研究國家與合作圖譜顯示，近10 a共涉及56個國家，中國占主導(dǎo)地位，中國在煤層氣領(lǐng)域的文獻被引次數(shù)占總數(shù)的43.7%，然后是美國(占比14.3%)，再次是澳大利亞(占比10.9%)，這表明煤層氣是全球關(guān)注的問題，中國在這一領(lǐng)域的研究人員要比其他國家更多，相關(guān)領(lǐng)域的研究熱度和進展也更強一點，但是總體來看各國家之間交流合作偏少，因此各個國家間的交流合作還有待進一步加強。

圖2 2010—2020年煤層氣研究主要國家合作網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Cooperation network of major countries in CBM research from 2010—2020

國際煤層氣的主要研究力量來自中國礦業(yè)大學、中國地質(zhì)大學、河南理工大學、中國石油大學、重慶大學、賓夕法尼亞州立大學、中國醫(yī)科大學、中國科學院和昆士蘭大學等研究機構(gòu)，如圖3所示。在研究期內(nèi)各機構(gòu)文獻被引用計數(shù)排名第1的中國礦業(yè)大學發(fā)表文獻被引用次數(shù)占總數(shù)的15.1%；排名第2的中國地質(zhì)大學占總數(shù)的7.2%，排名第3的中國科學院發(fā)表的文獻被引用次數(shù)占總數(shù)的3.7%。由圖3可以看出，中國礦業(yè)大學與其他機構(gòu)的合作最為廣泛，但也僅限于國內(nèi)的研究機構(gòu)，這由圖2中國家之間的研究合作并不是很密切同樣可以看出。

圖3 2010—2020年煤層氣開采研究機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Cooperation network of research institutionsin CBM exploiation from 2010—2020

2.3 學科與期刊共引分析

煤層氣研究中涉及的學科可以通過學科類別共現(xiàn)性分析來確定，圖4為煤層氣研究領(lǐng)域發(fā)文主要涉及的學科分布情況，其中Energy & Fuels(1 103個提取)、ENGINEERING(971個提取)、Engineering，Chemical(654個提取)、GEOLOGY(476個提取)和Ceosciences，Multidisciplinary(450個提取)是前5個學科類別。由圖4可以看出，煤層氣開發(fā)主要涉及能源科學、工程學、化學、地質(zhì)學等多學科交叉領(lǐng)域，是一個多方面、多學科的研究領(lǐng)域，涉及面廣的研究領(lǐng)域。

圖4 2010—2020年煤層氣學科門類網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Subject category network in CBM research from 2010—2020

研究數(shù)據(jù)庫中論文引用文獻來源期刊分布情況代表著煤層氣開發(fā)領(lǐng)域的主要期刊，共被引期刊可視化圖顯示了726個節(jié)點(代表期刊)和5 475個鏈接(代表協(xié)作鏈接)，如圖5所示。

圖5 2010—2020年煤層氣研究共被引期刊網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Network of co-cited journals in CBM research from 2010 to 2020

煤層氣研究領(lǐng)域相關(guān)論文共被引前十大學術(shù)期刊見表1，結(jié)果表明，共同被引期刊前5名分別是International Journal of Coal Geology，F(xiàn)uel，Journal of Natural Gas Science and Engineering，Energy & Fuels和AAPG BULLETIN。其中International Journal of Coal Geology和Fuel是煤層氣開采研究領(lǐng)域的領(lǐng)軍核心期刊，影響因子均超過了5.0，該期刊發(fā)表文章在一定程度上代表著煤層氣研究領(lǐng)域的前沿和熱點。值得關(guān)注的是，煤炭學報作為中文期刊和非Web of science收錄期刊，被引論文能夠進前10名，表明該學報在國際上存在一定影響力，同樣表明中國是煤層氣領(lǐng)域研究的主要力量。

表1 2010—2020年煤層氣領(lǐng)域被引量前10名的期刊

2.4 作者及合作網(wǎng)絡(luò)分析

利用Citespace軟件可以幫研究人員發(fā)現(xiàn)研究群體及核心作者，圖6是煤層氣領(lǐng)域研究學者及其合作網(wǎng)絡(luò)的知識圖譜，揭示了研究學者之間的合作關(guān)系。圖6中，包括505個節(jié)點和1 161條連線，每個節(jié)點代表1位發(fā)文作者，節(jié)點越大說明該學者在該領(lǐng)域發(fā)表的文章越多，節(jié)點之間的連線表示作者之間的合作關(guān)系。

圖6 2010—2020年煤層氣研究領(lǐng)域作者及合作網(wǎng)絡(luò)Fig.6 Authors and cooperation network in CBM research from 2010—2020

由圖6可知，發(fā)文量排名靠前的基本為國內(nèi)學者或者華裔，其中排名前5位是TANG D Z，LIU D M，XU H，PAN Z J和QIN Y，前3位學者均來自中國地質(zhì)大學(北京)，第4位學者來自澳大利亞，最后1位來自中國礦業(yè)大學，這與前面所提到的國家和機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果基本一致。

2.5 國內(nèi)外經(jīng)典文獻分析

圖7是國內(nèi)外煤層氣研究領(lǐng)域的文獻共被引論文分布，文獻共被引(Co-Citation)是由Henry Small提出的用以快速識別重要文獻的方法[27]。

由圖7可以看出，在共被引文獻中2012年Tim A.Moore在International Journal of Coal Geology期刊發(fā)表的Coalbed methane：A review這篇綜述文章，是此研究領(lǐng)域較為經(jīng)典的文獻之一。此外，在2012年和2011年還有2位學者PAN Z J和BUSCH A也均在International Journal of Coal Geology期刊發(fā)表的2篇文獻：Modelling permeability for coal reservoirs：A review of analytical models and testing data與CBM and CO2-ECBM related sorption processes in coal：A review，在煤層氣領(lǐng)域的被引量也相對較高。表2列舉了煤層氣研究領(lǐng)域被引100次以上的文獻(不包括其它領(lǐng)域的被引量，僅統(tǒng)計1 931篇文獻的引用情況)，這些文獻基本上以綜述類論文為主，代表著煤層氣研究領(lǐng)域重要的研究方向和研究進展。

圖7 2010—2020年煤層氣研究領(lǐng)域文獻共被引Fig.7 Co-citation literature in CBM research from 2010—2020

表2 煤層氣研究領(lǐng)域被引100次以上的文獻

3 國際煤層氣開采發(fā)展趨勢

3.1 煤層氣研究熱點分析

關(guān)鍵詞分析在一定程度上可用來研究煤層氣開采的研究熱點，因為論文的關(guān)鍵詞是對論文研究內(nèi)容的高度總結(jié)，某個關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率越多，可以認為該關(guān)鍵詞是研究熱點。為了清晰呈現(xiàn)煤層氣研究的熱點聚類，表3列出數(shù)據(jù)庫中煤層氣研究的前十個高頻關(guān)鍵詞。

表3 煤層氣研究領(lǐng)域高頻關(guān)鍵詞

除去研究領(lǐng)域關(guān)鍵詞coalbed methane(gas)，煤層氣研究熱點主要集中在permeability,adsorption(sorption),pressure,pore structure等煤層氣儲層特性上。而model、carbon dioxide則主要是關(guān)于滲透率模型和CO2驅(qū)替增產(chǎn)等手段方面。因此，在后期煤層氣文獻計量中可以根據(jù)煤層氣開采中的關(guān)鍵參數(shù)[gas permeability]、[pore structure]、[Gas pressure]、[adsorption and desorption]等煤層氣賦存特性關(guān)鍵詞和[coal]進行聯(lián)合檢索(&)，有助于擴充煤層氣相關(guān)文獻數(shù)據(jù)庫。

3.2 煤層氣研究前沿

突現(xiàn)詞(burst terms)可以認為是突然出現(xiàn)、短時間內(nèi)關(guān)注度快速增加的關(guān)鍵詞，這可以代表該研究領(lǐng)域內(nèi)的研究前沿，不同時間段的研究前沿關(guān)鍵詞見表4。由表3可以看出，2015年前的研究熱點主要集中在isotherm,adsorption,CO2,N2等關(guān)于儲層吸附膨脹等實驗室研究，為煤層氣注氣驅(qū)替增產(chǎn)提供試驗基礎(chǔ)；同時，隨著2011年國際各區(qū)域煤層氣開始開發(fā)，以basin為關(guān)鍵詞的煤層氣產(chǎn)地的名稱開始成為熱點，且從早期的powder river basin,black warrior basin到中期的bowen basin,san juan basin和illinois basin到近期的liulin area,eastern ordos basin和qinshui Basin表明國際煤層氣的研究逐漸由國外向中國轉(zhuǎn)移，中國煤層氣開采逐漸引領(lǐng)世界發(fā)展。

除此之外，從圖8可以看出，近5 a的研究前沿仍然以煤層氣儲層滲透率、應(yīng)力和孔隙結(jié)構(gòu)為主。且隨著細微觀設(shè)備如CT,NMR,SEM等手段在煤層孔隙結(jié)構(gòu)探測中的應(yīng)用，煤層氣儲層孔隙結(jié)構(gòu)對其滲透率、瓦斯解吸吸附、瓦斯壓力含量等的影響成為現(xiàn)階段的熱點。隨著中國深部煤層氣的高效開采，需要探索出適應(yīng)性開采技術(shù)，提高低滲透煤層的滲透率和采收率是今后中國煤層氣開發(fā)研究的主要方向。

圖8 2010—2020年煤層氣領(lǐng)域共被引時間線圖譜Fig.8 Timeline map of co-citaion in CBM reseach from 2010—2020

3.3 國內(nèi)外煤層氣研究趨勢

圖8展示了國內(nèi)外煤層氣研究的總體趨勢。煤層氣研究從2010年開始聚焦，共被引文獻主題有7大聚類，分別體現(xiàn)在圖中右側(cè)。從分布時間看出，nuclear magnetic resonance,methanogenesis,numerical simulation,pore structure,parana basin,carbon sequestration和coal reservoir properties是學者們一直在關(guān)注的主題，幾乎對每一項關(guān)注度都持續(xù)近10余年時間。其中，carbon sequestration和coal reservoir properties在近10 a關(guān)注度相對較低，parana basin在2013年前關(guān)注度相對較高，之后隨著中國成為國際煤層氣開采中心，其關(guān)注度逐年下降，numerical simulation作為現(xiàn)階段研究的主要手段，在近10 a一直處于較高的熱度。國際煤層氣開采技術(shù)主要包括2個方面，分別是鉆井完井工程技術(shù)和增產(chǎn)技術(shù)[28]，如圖9所示。

其中鉆井工程技術(shù)主要類型有直井、叢式井、水平井和多分支水平井，由于多分支水平井能夠貫穿煤層，有利于抽采和致裂，現(xiàn)階段使用較多。目前世界上常用的煤層氣增產(chǎn)技術(shù)主要有水力壓裂技術(shù)和多元氣體驅(qū)替技術(shù)。水力壓裂技術(shù)通過高壓驅(qū)動水流進入原有裂縫內(nèi)，形成高滲的導(dǎo)流通道，從而提高非常規(guī)油氣的抽采率[29]。其中定向長鉆孔成為水力壓裂的主要技術(shù)，但該技術(shù)易造成垮孔和塌孔的現(xiàn)象，進而研發(fā)出分段壓裂技術(shù)以解決這些問題[30]。隨著煤層開發(fā)深度不斷加深，水平井分段多簇壓裂逐漸成為低滲透煤層氣成功開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)[31]。但水力壓裂技術(shù)適用于比較堅硬的煤層，對于較軟的煤層，并未獲得良好的開采效果。因此，針對軟煤層的水力壓裂是今后煤層氣開采的一個重點研究方向[30]。多元氣體驅(qū)替技術(shù)是向煤儲層注入N2，CO2等氣體，增大擴散速率，從而提高煤層氣采收率[32]。該技術(shù)在環(huán)保性、安全性和經(jīng)濟性方面以及在提升煤層瓦斯采收率上效果顯著[33]，在現(xiàn)場應(yīng)用時，應(yīng)該根據(jù)注氣位置、煤層瓦斯賦存特征等，選擇合適的注氣驅(qū)替技術(shù)[33]。

表4 2010—2020年煤層氣研究相關(guān)文章引文突現(xiàn)關(guān)鍵詞

圖9 煤層氣開采技術(shù)分類Fig.9 Classification of CBM exploitation technology

4 結(jié) 論

1)近些年國際學者對于煤層氣的研究熱度逐年上升，發(fā)文量符合指數(shù)式增長，國際煤層氣的研究逐漸由國外向中國轉(zhuǎn)移，中國煤層氣的開發(fā)熱度在近些年大幅度提升。中國學者在煤層氣開發(fā)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位(占比43.7%)，但國際化合作相對較少，其中傳統(tǒng)煤炭類高校在中國煤層氣領(lǐng)域的研究處于領(lǐng)先地位。

2)煤層氣開發(fā)涉及多個學科，主要集中在能源、工程和地質(zhì)3個領(lǐng)域，在研究過程中需要多學科交叉融合。IJCG，F(xiàn)UEL和JNGSE是能源、工程和地質(zhì)領(lǐng)域發(fā)表煤層氣開發(fā)領(lǐng)域重要成果的國際期刊，煤炭學報發(fā)表的關(guān)于煤層氣研究成果的論文在國際上也有一定的影響力。綜述類論文(如Coalbed methane：A review)能夠全面的梳理煤層氣開發(fā)的現(xiàn)狀和研究熱點，是該研究領(lǐng)域的重要參考文獻，在煤層氣領(lǐng)域的被引量處于領(lǐng)先地位。

3)煤層滲透率直接決定煤層氣抽采效率，因此煤層滲透率及其影響因素和增透手段一直是煤層氣開發(fā)的研究熱點，水平井分段多簇壓裂逐漸成為低滲透煤層氣成功開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。隨著細微觀設(shè)備如CT，NMR，SEM等手段在煤層孔隙結(jié)構(gòu)表征過程中的應(yīng)用，煤層氣儲層孔隙結(jié)構(gòu)與煤層滲透率、瓦斯解吸吸附、瓦斯壓力含量的關(guān)聯(lián)特性成為現(xiàn)階段的研究熱點。