我国页岩气研究的知识图谱分析

杨 辉，张 勇

(中国石油大学(华东)山东青岛 266580)



我国页岩气研究的知识图谱分析

杨 辉，张 勇

(中国石油大学(华东)山东青岛 266580)

以中国科学引文数据库(Chinese Science Citation Database)中1782篇以"页岩气"为主题的论文为研究对象，采用知识图谱可视化方法，分析我国页岩气的研究趋势、研究力量、研究热点及知识基础等。结果表明：我国页岩气研究正处于快速发展阶段。中国石油大学、中国地质大学和中国石油勘探开发研究院在我国页岩气研究领域发挥重要作用。科研人员形成了董大忠和张金川研究团队；页岩气资源评价、页岩气成藏与有利区预测、页岩气储层特征、页岩气增产开发技术、页岩气数值模拟研究是我国页岩气领域的研究热点。

中国；页岩气；研究现状；研究热点；知识基础；知识图谱

页岩气开采技术的突破，使美国页岩气开发获得巨大成功，在世界范围内掀起了“新能源革命”，悄然改变了美国及世界的天然气能源格局，页岩气的勘探与开发成为世界关注的焦点。我国页岩气分布区域广，资源丰富，据美国能源署2013年公布全球页岩气气资源评价结果，中国页岩气技术可采资源量为36×1012m3，占全球页岩气资源总量的15%，排名世界第一位。然而与北美相比，我国海相页岩气具有页岩时代老埋深大、成藏条件复杂、经历多期构造改造、保存条件差异性大的典型特殊性，页岩气开发难度远远超过美国[1]。十二五以来，我国逐步加大页岩油勘探与开发的投入，学者们针对国内页岩气的特殊性，开展了大量研究，形成了具有“中国特色”的页岩气勘探开发理论、方法与技术，使我国页岩气勘探开发获得重大突破，建成了我国首个年产50亿方页岩气田。但与国外发达国家相比，仍存在较大的差距。我国页岩油气开发的关键技术，例如水平井分段压裂等，主要引进国外技术和设备，近年来虽有突破，但仍处于试验阶段，尚未形成成熟的关键技术，而且页岩气储层特有的微-纳米级孔喉，非均质性强等特点，制约了页岩油气勘探开发的快速发展[2]。本文旨在揭示国内页岩气领域的研究趋势、研究力量、研究热点级知识基础等，以期为我国石油工作者开展页岩气相关研究提供借鉴与参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

中国科学引文数据库(Chinese Science Citation Database，简称CSCD)创建于1989年，收录我国数学、物理、化学、天文学、地学、生物学、农林科学、医药卫生、工程技术、环境科学和管理科学等领域出版的中英文科技核心期刊和优秀期刊千余种。中国科学引文数据库分为核心库和扩展库，数据库的来源期刊每两年进行评选一次。核心库的来源期刊经过严格的评选，是各学科领域中具有权威性和代表性的核心期刊。扩展库的来源期刊经过大范围的遴选，是我国各学科领域优秀的期刊。

本文选取中国科学引文数据库(CSCD)收录的期刊文献为数据来源，以“页岩气”主题词进行检索，数据截止时间设定为2016年12月31日，共获取用于分析的文献数据1782条。

1.2 研究方法

选取CiteSpace软件为可视化分析工具，对页岩气研究论文的机构、作者、关键词、共引文献等进行分析，构建知识图谱，揭示主要研究力量及其基本合作关系，挖掘研究领域内的高频和高中心性关键词，分析热点研究主题，识别高频和高中心性的共引文献，探析我国页岩气研究领域的重要知识基础。

2 结果与讨论

2.1 研究趋势

文献产出是反映某个领域研究态势的一个重要指标，文献数量的变化在一定程度上可以反映研究领域的冷热程度，对评价研究领域所处研究阶段和预测发展趋势具有重要意义[3]。按年度统计我国页岩气论文的数量，分析其研究趋势，结果如图1所示。我国页岩气研究大致可划分为2个阶段：起始阶段(2003-2010年)和快速发展阶段(2011-2016年)。

图1 我国页岩气研究论文的时间分布Figure 1 China shale gas research papers time distribution

起始阶段(2003-2010年)，文献数量增长缓慢，8年间仅从3篇增长到29篇。我国页岩气研究论文首次出现在2003年，张金川在该年9月份在《现代地质》上发表了《油气成藏与分布的递变序列》，随后在12月份又在该期刊上发表了《页岩气及其成藏机理》。2008年是中国页岩气领域的重要时间节点，国土资源部设立了页岩气项目“中国重点地区页岩气资源潜力及有利区带优选”。同年，中国石油勘探开发研究院在四川长宁地区钻探了国内第一口页岩气地质井——长芯1井。2010年四川盆地威201井首获页岩气工业化突破，随后我国页岩气研究进入了快速发展阶段(2011-2016年)，2012年我国初步掌握页岩气水平井技术，同年《页岩气发展规划(2011-2015)》发布，加快了我国页岩气发展的步伐，页岩气研究开始越来越受到我国学术界的关注，页岩气文献的数量开始大幅增长，2011年到2016年的6年间文献增长了323%，这说明近年来我国页岩气领域的相关研究呈现蓬勃发展的态势，已成为我国石油天然气学界的研究热点。

2.2 研究力量分析

机构分析可以挖掘研究领域内高影响力机构和科研团队，了解各研究机构的学术水平和权威程度，为科研合作与交流提供参考。我国页岩气领域中，发文量较多的研究机构有中国石油大学、中国地质大学、中国石油勘探开发研究院等，文献量均在200篇以上，超出其他机构31.6%以上，在我国页岩气研究领域具有较强的影响力(图2)。此外，西南石油大学、成都理工大学的发文量也均在100篇以上。

图2 我国页岩气领域论文高产机构统计(前10位)Figure 2 Statistics of China shale gas paper high yield institutions (top ten)

利用CiteSpace形成我国页岩气研究人员的分布与合作图谱(图3)，图中节点的大小代表作者的发文量，节点越大，该作者发文量越多；节点之间的连线代表研究人员的合作关系，连线越粗，说明研究人员之间合作次数越多。由图3可知，我国页岩气领域发表论文较多的研究人员有张金川、董大忠、黄金亮、王玉满、邹才能等，出现了2个较大的合作团体，分别是董大忠和张金川为中心的研究团队。董大忠为核心的中石油勘探开发研究院的合作团体，成员包括邹才能、朱如凯、黄金亮等，研究方向既涵盖我国及全球页岩气地质特征及勘探潜力等宏观研究，也致力于页岩纳米孔隙等微观分析。张金川为中心的合作团体，成员主要来自中国地质大学，包括聂海宽、唐玄、丁文龙等，主要关注页岩气资源评价、成藏条件、成藏机理等。

2.3 研究热点分析

关键词在文献中所占篇幅不大，但却是文献内容的高度概括和凝练，常被用来确定某研究领域的研究热点[4]。本文利用CiteSpace构建我国页岩气论文的关键词共现图谱(图4)，揭示该领域的研究热点。

图3 我国页岩气研究作者分布与合作图谱Figure 3 China shale gas research paper authors distribution and cooperation mapping

图4 我国页岩气研究论文关键词共现图谱Figure 4 China shale gas research paper keywords co-occurrence mapping

2.3.1 高中心性关键词分析

高中心性的关键词是关键词共现网络中的关键节点，在研究网络中起到重要的中介作用，中心性越强，表明其在网络中的连接作用和控制作用越强，也可以在一定程度上代表研究领域的热点内容[5]。由图4中节点紫色外圈辨识，可知我国页岩气论文关键词共现网络中的关键节点(中心性≥0.1)包括“页岩气”、“四川盆地”、“页岩”、“水平井”、“龙马溪组”、“成藏条件”、“含气量”、“下寒武统”、“页岩油”、“裂缝”等，这些高中心性关键词也同时属于高频关键词，可以反映我国页岩气领域的研究热点。

2.3.2 高频关键词分析

图4关键词共现图谱中节点的大小代表关键词的频次，频次越高，节点越大。表2是页岩气领域论文中频次不小于15的关键词。由图3和表1可知，我国页岩气论文关键词中，除没有实际意义的本位词“页岩气”、“页岩”外，出现频次最高的关键词是 “四川盆地”，其次是“水平井”，排第三位的高频关键词是 “龙马溪组”。此外，“水力压裂”、“鄂尔多斯盆地”、“成藏条件”等关键词出现频次也相对较高。

表1 我国页岩气领域研究论文出现的高频关键词(频次≥15)

2.3.3 研究热点分析

梳理我国页岩气研究论文中出现的高中心性和高频关键词，结合相关论文的研究内容，可以判断我国页岩气领域主要有以下研究热点或主题。

(1)页岩气资源评价。包括 “资源潜力”、“资源评价”等关键词。该主题主要关注国内页岩气资源量评价以及资源评价方法等，如张金川(2008)在《中国页岩气资源勘探潜力》一文中指出中国存在页岩气大量发育的区域地质条件，初步计算中国页岩气资源量约为(15～30)×1012m3。平面上以中国南方和西北地区最为有利(也包括鄂尔多斯盆地及其周缘)，剖面上以古生界资源量为最大，中生界位居其次[6]。2012年，张金川发表的《页岩气资源评价方法与技术：概率体积法》一文提出了适用于我国现阶段的页岩气资源评价方法—即概率体积法[7]。

(2)页岩气成藏研究及有利区预测。如“成藏条件”、“主控因素”、“有利区”、“含气性”等关键词。相关论文主要研究了页岩气的成藏条件、成藏机理、成藏主控因素及有利区预测等。张金川在2004年发表的《页岩气成藏机理和分布》一文对页岩气成藏机理进行全面分析，指出页岩气成藏机理兼具煤层吸附气和常规圈闭气藏特征，体现出了复杂的多机理递变特点[8]。2010年，蒲泊伶在《四川盆地下志留统龙马溪组页岩气成藏条件及有利地区分析》一文中提出四川盆地下志留统龙马溪组发育富含有机质页岩，该套页岩在盆地内分布广泛，厚度大，有机质含量高，有机质类型好，热演化程度高，生气潜力大，提供了烃源条件；页岩中孔隙和裂缝发育以及页岩气较强的气体吸附能力，为页岩气提供了良好的储层条件；页岩的致密性和抗构造破坏性提供了良好的构造条件。最后根据页岩厚度、有机碳含量、热演化程度和生烃强度等信息，预测了页岩气的有利勘探区域[9]。

(3)页岩气储层特征。包括 “储层特征”、“孔隙结构”、“裂缝”等关键词。如蒋裕强2010年在《页岩气储层的基本特征及其评价》一文分析了页岩气储层的基本特征：有机质特征、矿物组成、物性特征、储渗空间特征，提出了页岩气储层评价标准[10]。邹才能(2011)在《中国油气储层中纳米孔首次发现及其科学价值》一文应用场发射扫锚电子显微镜与纳米CT重构技术，首次发现了小于1μm的油气纳米孔。页岩气储层纳米级孔隙以有机质内孔、颗粒内孔及自生矿物晶间孔为主，孔隙直径范围5～300nm,主体为80～200nm，这一发现改变了微米级孔隙是油气储层唯一微观孔隙的传统认识[11]。

(4)页岩气增产开发技术。例如“水平井”、“水力压裂”、“体积压裂”、“分段压裂”等关键词。该主题的研究集中在页岩气开发的关键技术，如唐颖在2010年发表的《页岩气井水力压裂技术及其应用分析》一文指出水力压裂是页岩气开发的核心技术之一，分析了各种水力压裂技术的特点和适用性，探讨了天然裂缝系统和压裂液配制在水力压裂中的作用[12]。刘晓旭(2013年)发表的《页岩气“体积压裂”技术与应用》一文对页岩气藏水平井水力多段压裂、重复压裂、多井同步压裂以及裂缝综合监测等系列“体积压裂”技术的应用原理及现场应用效果进行了分析总结，指出"体积压裂"技术能够大幅度提高页岩气单井产量，提高单井控制储量和页岩气藏采收率[13]。

(5)页岩气数值模拟研究。如“数值模拟”、“扩散”等。学者开展了页岩气产能、渗流、扩散、裂缝等方面的数值模拟研究。例如2012年，张远第发表《国外页岩气藏数值模拟技术调研》一文调研了国外页岩气藏数值模拟技术研究的进展。调研结果表明，对天然裂缝和水力压裂裂缝组成的复杂裂缝网络系统和页岩气渗流特征的准确表征是做好该类气藏模拟的关键所在，而天然裂缝渗透率、基质-裂缝耦合因子、水力压裂裂缝参数对页岩气藏产能模拟敏感性最强，可作为历史拟合的可调参数。通过页岩气藏数值模拟，可对页岩气井生产动态预测、剩余储量分布、页岩气藏加密钻井、水力压裂及二次压裂施工等提供有益的参考[14]。糜利栋(2014年)在《页岩气离散裂缝网络模型数值模拟方法研究》一文基于离散裂缝网络模型(DFN)，从渗流理论出发，建立页岩气离散裂缝网络渗流数学模型，表征页岩气在干酪根中的扩散效应，孔壁的吸附-解吸附效应，纳米孔隙中的滑脱效应、Knudsen扩散效应以及裂缝内的非达西渗流规律[15]。

此外，从高中心性和高频关键词还可以总结出，目前我国页岩气研究的热点地区是四川盆地和鄂尔多斯盆地，热点的目的层位是下志留统龙马溪组和下寒武统牛蹄塘组。

2.4 研究知识基础探析

知识基础是某研究领域共引文献的集合。通过Citespace构建我国页岩气研究领域的共引网络，识别出高频和高中心度的文献，来表征该领域中的核心文献和关键节点文献。关键节点文献是共引文献网络中中心性≥0.1的文献，在共引文献网络中占有重要地位，可以看做我国页岩气研究领域中具有里程碑意义的成果。选取被引频次最高的5篇共引文献，如表2所示，这些文献的中心度也均在0.1以上，属于我国页岩气领域中的重要知识基础。被引频次和中心度最高的是邹才能等发表在2010年的《中国页岩气形成机理、地质特征及资源潜力》，该文献以四川盆地位重点，介绍中国海相、海陆过渡相、陆相三大类页岩形成的沉积环境、地球化学与储集层特征、含气量和远景资源量。被引频次排第二位的是李新景2007年发表的《北美裂缝性页岩气勘探开发的启示》，文献探讨北美页岩气的某些基本特征，并对中国页岩气资源进行初步的分析。被引频次排第三位的是JARVIE DM在2007年发表的《Unconventional shale-gas systems: The Mississippian Barnett Shale of north-central Texas as one model for thermogenic shale-gas assessment》，文献分析了德克萨斯州中北部密西西比巴耐特页岩的非常规页岩气系统，作为热成因页岩气评估的一个模型。此外，《Barnett Shale gas production Fort Worth Basin: Issues and discussion》、《Morphology, Genesis, and Distribution of Nanometer-Scale Pores in Siliceous Mudstones of the Mississippian Barnett Shale》等文献也是我国页岩气研究领域的重要知识基础。

表2 我国页岩气研究领域高频和高中心度共引文献

3 结论

本文以中国科学引文数据库收录的以页岩气为主题的期刊论文为研究对象，利用CiteSpace软件进行可视化分析，主要得出以下相关结论：

(1)我国页岩气研究大致可划分为2个阶段：起始阶段(2003-2010年)和快速发展阶段(2011-2016年)，预计页岩气研究将在未来一段时间内保持这种快速增长趋势。

(2)中国石油大学、中国地质大学和中国石油勘探开发研究院在我国页岩研究领域发表文献最多，发挥重要作用。科研人员形成了2个较大的合作团体，分别是董大忠和张金川研究团队。

(3)页岩气资源评价、页岩气成藏与有利区预测、页岩气储层特征、页岩气增产开发技术、页岩气数值模拟研究等是我国页岩气研究领域的热点主题。

(4)邹才能等2010年发表的《中国页岩气形成机理、地质特征及资源潜力》，李新景等2007年发表的《北美裂缝性页岩气勘探开发的启示》，JARVIE DM等2007年发表的《Unconventional shale-gas systems: The Mississippian Barnett Shale of north-central Texas as one model for thermogenic shale-gas assessment》等文献是我国页岩气领域研究的重要知识基础。

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Knowledge Mapping Analysis of Shale Gas Research in China

Yang Hui, Zhang Yong

(China University of Petroleum (East China), Qingdao, Shandong 266580)

Taking the 1782 shale gas thematic papers in the Chinese Science Citation Database as the subject investigated, through knowledge mapping visualization method analyzed shale gas research trend, research effort, hot spots and foundation of knowledge. The result has shown that the shale gas research in China is under the stage of rapid development. The China University of Petroleum, China University of Geosciences and Research Institute of Petroleum Exploration & Development are playing an important role in shale gas research. The researchers have formed well-known Dong Dazhong and Zhang Jinchuan research teams. The shale gas research hot spots in China have shale gas resources assessment, shale gas reservoiring and favorable area prediction, reservoir features, output stimulation, exploitation technology and numerical simulation study etc.

China; shale gas; research status quo; research hot spot; foundation of knowledge; knowledge mapping

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.04.04

1674-1803(2017)04-0018-05

中国石油大学(华东)2016年度高等教育研究课题学科建设专题项目“学校重点学科学术产出科学计量与评价”GJXK201604。

杨辉(1970—)，男，湖北咸宁人，硕士，副研究员，中国石油大学(华东)图书馆党委书记，主要从事图书管理和高教研究工作。张勇(1985-)，男，山东潍坊人，博士，馆员，研究方向为信息计量与科学评价。

2017.1.13

文献标识码：A

责任编辑：宋博辇