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)

随着世界经济的发展，各国对油气资源的需求量不断攀升，能源供给压力日益增大。页岩气等非常规能源作为常规油气的重要补充，逐渐进入人们的视野。页岩气是指以吸附或游离状态蕴藏于页岩层中的可供开采的天然气，其成分主要是甲烷，是一种非常重要的非常规天然气。美国能源署在2013年发布了一份41个国家技术可采页岩气资源的报告，指出世界范围内页岩气储量巨大，中国页岩气技术可采储量世界第一，美国则居第三。美国在页岩气这一宝贵资源的勘探开发方面一直遥遥领先，得益于水力压裂技术的突破，美国页岩气开发已获得巨大成功，正在改变世界天然气能源格局，在全球掀起了页岩气勘探开发的热潮。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。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m3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，而且页岩油储层特有的微-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。本文以SCIE数据库收录的以页岩气为主题的期刊论文为研究对象，借助于CiteSpace可视化分析工具，分析页岩气的研究现状，揭示页岩气研究热点及其演变。以期为我国石油工作者深入开展页岩气研究提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

SCIE(SCI-EXPANDED)数据库收录了全世界范围内各学科领域内的最优秀的科技期刊约8 700种，其内容覆盖数学、物理、化学、农业、生物、医学、工程技术以及行为科学等 150 多个学科，能及时、准确地反映基础科学的重大突破、学科前沿的最新研究动态和热点难点问题，在学术界占有重要地位[1]。本文选择SCIE为数据来源，以“shale gas”为主题词进行检索，时间跨度设置为2001～2015年，文献类型选择Article，检索时间为2015年12月31日，得到用于分析的数据记录1 239条。

1.2 研究方法

利用CiteSpace可视化分析工具，对页岩气论文的国家/地区、机构与作者、学科及关键词等进行定量统计与定性分析，以揭示页岩气的研究现状、研究热点及研究方向。

2 结果与讨论

2.1 时间分布

论文产出的趋势是反映某领域研究态势的一个重要指标，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[2]。按年度统计页岩气论文的数量，研究其随时间的变化趋势，结果见图1。页岩气SCI论文最早出现的2002年，有1篇。从2002～2006年，每年的论文数量均在2篇以下，处于研究的萌芽阶段。2007～2010年，则处于早期发展阶段，每年的文献数量保持在10多篇。2011年开始，页岩气的研究进入快速发展阶段，论文数量急剧增加，相关研究呈现蓬勃发展的态势。

图1 页岩气研究论文数量的年份分布曲线Figure 1 Shale gas research paper numbers yearly distribution curve

2.2 国家/地区分析

利用CiteSpace软件构建国家/地区合作图谱(图2)，分析在页岩气研究领域高影响力的国家及国家间的基本合作情况。CiteSpace形成的国家/地区图谱，节点大小代表国家的发文量，节点越大说明该国家发文量越多；节点之间的连线代表合作关系，联系越粗，合作越多；节点外圈的颜色代表国家的中心性，紫色外圈中心性越大于或等于0.1，是国家/地区分布网络中的关键节点，紫色外圈越厚中心性越高。高产国家/地区统计结果，见表1。由图2和表1分析可知，页岩气研究形成了较紧密的全球合作关系，发文量最多的国家是美国，论文数高达538篇，占论文总数的43%，美国的中心性也最高(0.54)，远超其他国家。这说明，美国在页岩气研究领域具有一马当先的影响力和引领作用。中国紧随美国之后，SCI发文369篇，中心性0.25，也具有较强的影响力。此外，德国、澳大利亚、荷兰的中介中心性也均大于0.1，在页岩气研究中也具有较强的影响力。

图2 页岩气研究国家/地区合作图谱Figure 2 Shale gas research countries/regions cooperation graph

表1 页岩气研究SCI论文高产国家/地区(前10位)

2.3 机构与作者分析

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、影响力以及机构间的科研合作情况[3]，为科研交流与合作提供参考。利用CiteSpace软件形成机构合作图谱(图3)，图谱中节点的大小代表机构的发文量，节点越大，发文量越高，节点间的连线代表合作关系，连线越粗， 合作的论文数越多。可见开展页岩气研究的机构众多，仅部分机构间形成了合作关系，发文量前10的机构见表2。这10所机构均是高校，且大多来自美国和中国。其中，中国石油大学(China Univ Petr)的发文量最高(85篇)， 其次是美国德克萨斯大学(Univ Texas Austin)， SCI发文量58篇。此外，中国的西南石油大学和中国地质大学、加拿大的卡尔加里大学文献量也较多，均超过40篇。

表2 页岩气研究SCI论文高产研究机构(前10位)

图2中节点紫色外圈，表示节点的中心性大于或等于0.1，是机构分布网络中的关键节点，具有较高的影响力。由图3和表2可知， 页岩气研究影响力较高的机构是美国的德克萨斯州立大学(Univ Texas Austin)、中国的中国石油大学(China Univ Petr)和加拿大的卡尔加里大学(Univ Calgary)，这3所大学与其他机构形成了较紧密的合作关系，在页岩气研究中起到了较为重要的桥梁作用和引领作用。

页岩气研究SCI论文的高产作者见表2。发文量最多的作者是来自加拿大卡尔加里大学的Clarkson CR，发表论文19篇，该作者主要关注页岩气孔隙结构特征、 生产数据分析等。其次是来自中国地质大学的张金川(Zhang JC)，发表论文18篇，该作者关注的主题是中国页岩气资源潜力等。排名第三的作者是中石油勘探开发研究院的邹才能(Zou CN)，发表论文17篇，研究领域是页岩气纳米孔喉以及非常规油气形成机理、地质特征等。被引频次和h-index最高的是来自杜克大学的Vengosh A，虽然论文数量不及前7位作者，但被引频次高达640次，远超其他学者，在页岩气领域具有极高的影响力，该学者关注的领域主要是页岩气开发造成的饮用水污染等。这些高产作者的研究领域可以从侧面反映页岩气研究的热点。

表3 页岩气研究SCI论文高产作者(前10位)

2.4 学科分析

学科分析可以揭示研究主题的学科分布及各学科之间的交叉渗透情况。利用CiteSpace软件生成页岩气学科分布图谱(图4)和统计表(表4)。由图4和表4可知，页岩气的SCI论文主要集中在工程(ENGINEERING)、能源与燃料(ENERGY & FUELS)、地质学(GEOLOGY)、地球科学(GEOSCIENCES)、环境科学与生态学(ENVIRONMENTAL SCIENCES & ECOLOGY)等学科。中心性最强的学科是化学(CHEMISTRY)，中介中心性高达0.61，其次是环境科学(ENVIRONMENTAL SCIENCES)，中介中心性为0.49，此外，地球科学(GEOSCIENCES)、工程(ENGINEERING)、环境科学与生态学(ENVIRONMENTAL SCIENCES & ECOLOGY)等学科的中心性也较强，均大于或等于0.1，在图4中上述节点的外圈显示为紫色，是页岩气学科网络中的关键节点。这些高中心性的学科之间相互交叉渗透，在页岩气的学科延伸中起到重要的桥梁作用。

表4 页岩气研究学科分布表

2.5 关键词分析

关键词在论文中所占篇幅不大，但却是论文内容的高度概括与总结，因此可以利用关键词分析来揭示某领域的研究热点[4]。利用CiteSpace对关键词进行共现分析(图5)，以透析页岩气的研究热点。图5中节点的大小代表关键词的频次，频次越高，节点越大。岩气研究的高频关键词主要有页岩气(shale gas)、天然气(natural gas)、水力压裂(hydraulic fracturing)等，这些高频关键词在一定程度上代表了页岩气的研究重点及热点。图5中紫色外圈表明其中心性大于或等于0.1，属于关键词共现网络中的关键节点，具有较强的影响力。页岩气论文关键词共现网络中的关键节点有页岩气(shale gas)、天然气(natural gas)、甲烷(methane)、扩散(diffusion)、演化(evolution)、流(flow)、沉积盆地(sedimentary basin)、煤(coal)、吸附(adsorption)、生成(generation)、系统(system)、碳(carbon)、美国中部(central united states)、盆地卤水(basinal brine)，这些关键节点具有较强的中介作用，与其他关键词的联系较为紧密，通过这些节点开展的研究较多，在页岩气研究领域具有较重要的地位。

将页岩气研究领域相关论文的高频关键词按年度排序，得到主题词的年度变化表(表5)，结合相关论文的内容， 进一步从时间的维度来解析页岩气研究热点的变化趋势(图6)。

图4 页岩气研究学科分布图谱Figure 4 Shale gas research subjects distribution graph

图5 页岩气研究论文关键词共现及聚类混合图谱Figure 5 Shale gas research paper keywords co-occurrence and hybrid clustering graph

时间关键词频次中心性时间关键词频次中心性2002甲烷810.172011密西西比州的巴涅特页岩880.092003天然气1410.332011多孔介质480.012007流动800.152011中国430.072007煤570.142011宾夕法尼亚州390.072007吸附510.122012美国450.032007盆地470.052012岩石440.032007德克萨斯中北学院4002012德克萨斯州400.022007碳350.12013油藏470.012008模型770.042013马塞勒斯页岩4402008渗透率740.072014油5202008页岩700.052014扩散4002008福特沃斯盆地670.012014水3502010页岩气4150.392015孔隙结构380.022010系统900.12015模拟3502011水力压裂960.032015纳米孔隙340.02

在页岩气研究的萌芽阶段(2002～2006)，高频关键词有“甲烷”“天然气”，这期间的论文主要研究页岩气资源潜力的评价。较具代表性的是Curtis JB发表在《AAPG BULLETIN》上的《Fractured shale-gas systems》，指出低基质渗透率页岩储层中的天然裂缝发育程度是天然气生产率的控制因素，在大多数情况下，成功的页岩气井需要进行水力压裂[5]。该论文为后来页岩气相关研究提供了重要的借鉴意义。

页岩气研究的早期发展阶段(2007～2010年)，论文的关键词主要有“flow”“coal”“adsorption”“carbon”“model”“permeability”“shale”“shale gas”“system”等，这期间主要开展了页岩气在纳米孔中的流动、页岩气吸附及储层建模等研究。2011年进入快速发展阶段，“hydraulic fracturing”“mississippian barnett shale”“porous media”“china”“Pennsylvania”等成为高频关键词，2012年的高频关键词有“united states”“rock”“texa”等，2013年的高频关键词有“reservoir”“marcellus shale”，2014年论文出现的新焦点为“oil”“emission”“water”等，结合相关论文内容的分析，结果表明学者针对页岩气水力压裂技术、水力压裂造成的饮用水污染、甲烷泄漏造成的空气质量损害等开展研究， 可见随着页岩气的大规模开采，开发引起的环境污染开始受到学者们的高度关注。2015年页岩气论文开始主要关注“pore structure”“simulation”“nanopore”等关键词，表明页岩气储层的孔隙结构、纳米孔等成为研究热点。

利用CiteSpace软件的聚类分析功能，对页岩气研究论关键词进行聚类分析，采用“tf*idf +关键词”对聚类进行自动标识，得到关键词的聚类图(图5)和聚类统计表(表6)。Modularity Q=0.741 8，Mean Silhouette=0.677 5，表明聚类结果是合适的。

经CiteSpace自动聚类，共产生11个聚类，本文选取文献数大于10的前6大聚类，分析页岩气的主要研究方向，如表6所示。表6从大到小列出了每个聚类的编号、聚类包含的论文数量、研究方向以及对应的关键词。可见， 页岩气的研究热点主要包括页岩气产能影响因素研究、中国四川盆地页岩气研究、页岩气储层微观孔隙研究、页岩气动力学特征研究、页岩气烃源岩研究以及页岩气开发造成的污染研究等。

图6 页岩气研究热点的演变Figure 6 Shale gas research hot topics evolution

聚类号聚类文献(篇)研究方向聚类标签(关键词)#029页岩气产能影响因素分析扩散性(diffusivity);规则(regulation); 压力(pressure); 渗透率(permeability);(温室气体)greenhouse gas#124中国四川盆地页岩气研究页岩气(shale oil); 储层特征(reservoir characterisation); 四川盆地南部(south-ern sichuan basin); 聚焦离子束(fib); 沥青(bitumen)#220页岩气储层微观孔隙研究微孔(microporosity);孔隙度(porosity); 孔隙结构(pore structure); 负吸附(negative adsorption; sorption)#319页岩气动力学特征宏观动力学(macro-kinetics); 网格粗化(upscaling); 非均质性(heterogenei-ty); 宏观传输(macro transport); langmuir等温吸附模型(langmuir isotherm)#415页岩气烃源岩研究含气油页岩(gas shale); 显微组分(maceral); 干酪根(kerogen); 有机碳(organic carbon); 电阻系数(electrical resistivity)#514页岩气开发造成的污染盐岩(halite); 盆地卤水(basinal brine); 微生物气(microbial gas); 更新世冰川作用(pleistocene glaciation); 沉积盆地(sedimentary basin)

(1)页岩气产能影响因素研究。该主题的研究集中在页岩气的扩散与吸附研究，页岩气储层渗透率研究等。Civan F提出了页岩气渗透率和扩散性的改进模型[6]。Yuan WN等实验研究了甲烷吸附和扩散，并建立了相应的模型[7]。

(2)中国四川盆地页岩气研究。该研究主题主要关注页岩气储层特征、页岩气资源潜力、地球化学特征、页岩气藏形成于富集模式等。Chen Shangbin等研究了四川盆地页岩气储层特征，分析了样品的地球化学、岩石学、矿物学以及岩石物理特征[8]。Yang Feng等探索了四川盆地页岩的分形特征，利用X射线衍射、总有机碳含量(TOC)、孔隙度和渗透率测试、氮气吸附和甲烷吸附实验研究了页岩气的纳米孔结构[9]。

(3)页岩气储层微观孔隙研究。该主题的研究主要集中在页岩微观孔隙结构的意义、特征及表征等。Ross Daniel J K等提出了页岩组成和孔隙结构对页岩气藏储气的潜在重要性[10]。Clarkson C等利用USANS/SANS、气体吸附和压汞研究了北美页岩气储层的孔隙结构特征[11]。

(4)页岩气动力学特征。该主题主要研究页岩气分子动力学特征以及实验模拟等。Fathi Ebrahim等研究了基质非均质性对页岩气储层气体运移和吸附的影响[12]。Fathi Ebrahim等指出宏观传输和宏观动力学中非线性有所体现，促进了气体表面扩散的效果[13]。Kazemi等对不同的页岩样品采用实验langmuir等温线研究了吸附对纳米通道视渗透率的影响[14]。

(5)页岩气烃源岩研究。主要针对页岩气源岩的显微组分、有机碳等含量、热成熟度等进行分析与评价。Curtis JB年研究了美国五套页岩地层的热成熟度(表示为镜质体反射率)、有机碳含量等[5]。Zhang Tongwei等采用不同的页岩干酪根样品，分析了在页岩气系统中有机质类型和热成熟度对甲烷吸附的影响[15]。

(6)页岩气开发造成的污染研究。该主题的研究主要集中的页岩气钻井和水力压裂过程中的环境影响等。Vengosh Avner等指出了页岩气对美国水资源四大潜在危险：易散烃类气体对浅水层的污染，这也能导致潜水层的盐化；溢出、泄露或处置不当的页岩气废水造成的地表水和浅层地下水污染；在处置点或溢出点的有毒或放射性元素的积累；水利压裂造成的水资源短缺[16]。Shaffer Devin L则提出了高盐页岩气产生废水的淡化技术：机械蒸气压缩(MVC)、膜蒸馏(MD)和正向渗透(FO)[17]。

3 结论

目前页岩气研究正处于快速发展阶段，页岩气论文数量急剧增加。各个国家之间已形成较紧密的合作关系，其中美国在页岩气研究中具有一马当先的影响力和引领作用，中国紧随其之后。美国德克萨斯州立大学、中国石油大学和加拿大卡尔加里大学等与其他机构开展合作较多，在页岩气研究中起到了较为重要的桥梁作用和引领作用。工程、能源与燃料等是开展页岩气研究的主要学科，化学、环境科学，地球科学、工程等是学科之间相互交叉渗透的中心点，在页岩气学科延伸中起到重要的桥梁作用。

页岩气研究热点的演化：萌芽阶段(2002～2006)，相关论文主要开展页岩气资源潜力评价。早期发展阶段(2007～2010年)，研究热点主要是页岩气在页岩纳米孔中的流动、页岩气吸附以及储层建模等。2011年进入快速发展阶段，针对页岩气水力压裂技术、页岩气开采造成的饮用水污染、甲烷泄漏造成的空气质量损害等开展研究。此外，受到美国页岩气开发成功的启发，中国学者开展了中国页岩气储层特征等研究。2015年页岩气储层的孔隙结构、纳米孔等微观研究成为热点。页岩气的研究热点主要有页岩气产能影响因素、四川盆地页岩气研究、页岩微观孔隙及孔隙结构、页岩气动力学特征、页岩气烃源岩以及页岩气开发产生的水污染等。

值得注意的是，学者们开展页岩气勘探开发技术研究的同时，也关注了页岩气开采带来的水污染、空气质量损害等环境影响。这是否能给我国页岩气开采带来启示？我们不能单方面追求能源开发与经济效益，还应注重环境与生态保护，大力开展油气资源开采伴随的污染防治研究，不仅需要开发清洁能源，还要做到清洁开发能源。