2010—2020年国际煤层气开采发展趋势的文献计量分析

张 村，宋子玉，赵毅鑫

(1.中国矿业大学(北京) 共伴生能源精准开采北京市重点实验室，北京 100083；2.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083；3.安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001)

0 引 言

煤层气资源作为重要的非常规天然气资源，在国际上的开采热度一直不减，目前美国、加拿大和澳大利亚等国的煤层气开采已经产业化，并且已开展深层煤层气开发试验，有望进一步走向商业化[1-2]。中国1 000 m以浅和1 000～2 000 m埋深的煤层气储量分别为14.3×1012和22.5×1012m3，分别占总探明资源量的38.9%和61.1%，位居世界第3[3-4]。对于深部煤层气界定而言，国内学者将深部煤层气界定为1 000 m以深，但国际上并没有明确的界定[5]。随着中国煤层气需求量的增加，煤层气开发逐步向深部进军，目前已经在沁水盆地、鄂尔多斯盆地等地进行了初步尝试[5-9]。结合中国煤层气储量情况，未来深部煤层气开采势在必行。

煤层气产能主要受煤层厚度、含气量、含气饱和度、地应力、渗透性、温度、构造条件和煤体结构等赋存地质因素影响[10-16]，其中渗透率和煤层气含量是影响煤层气含量的重要因素[17]，其它因素主要是影响上述2个因素进而间接影响煤层气产气阶段。除此之外，由于中国的能源赋存形式，煤与瓦斯共采也是中国煤层瓦斯的重要开采方式[18]，煤与瓦斯共采一方面能够确保高瓦斯突出煤层的安全高效开采，另一方面还能实现矿井瓦斯的有效抽采利用[19-22]。综上可知，中国煤层气开采现已形成包括井下瓦斯抽采技术、煤层气地面钻井抽采技术以及井上下联合抽采技术[23-24]。

为了分析中国在国际上煤层气开采所处地位，掌握国际煤层气开采发展趋势，文中基于Citespace可视化文献计量软件对煤层气开采的主要研究力量分布、研究热点趋势等进行了计量分析。研究结果有助于掌握国际煤层气的开采动态，为中国煤层气开采研究提供参考。

1 文献计量方法

1.1 数据收集和处理

Web of Science的核心数据库作为国际上影响力大、涵盖范围广的科学引文数据库能够全面反映各学科的研究概况与最新动态。根据文中研究内容，为了更加全面的了解煤层气的现状，选择关键词(coalbed methane)和(coal seam gas)构成煤层气开采领域中的研究数据库，得出2010年1月至2020年9月，共有1 931篇与煤层气有关的期刊文章被下载和记录。在此基础上，将1 931篇文献的关键词、作者、机构、引文等信息导入至CiteSpace中进行分析，生成更加直观的图形数据进行文中的相关分析。

1.2 科学计量分析方法

CiteSpace由美国Drexel University陈超美教授基于Java开发的可视化文献计量软件[25-26]，具有帮助理解和解释网络模式的功能，也可以识别主要主题领域和“热点”以及自动标记集群。根据关键词出现频率，可以确定煤层气的“热点”研究课题和前沿研究，在查看结果时，一个节点代表一个项目，例如关键字、期刊或参考文献，链接描述节点之间的共引或共现。此外，每个节点都用一系列不同颜色的圆圈来描述，且能够识别关键节点。因此，CiteSpace能够通过分析引文和共引信息来获得特定研究领域的计量结果，已经应用于获取领域研究趋势、学科发展、研究力量分布等。

2 结果与讨论

2.1 发文量时间分析

从图1可以看出近10 a发文量呈现明显的指数式上升趋势，具体见式(1)，表明近些年国际学者对于煤层气的研究热度逐年上升，根据公式(1)预测2020年发文量485篇左右，而截至2020年9月30日发文量326篇，预计整年发文量435篇左右，稍微低于预测值，这因为今年受到新冠疫情的影响。

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

(1)

式中X为年份；Y为发文量。

图1 2010—2019年煤层气研究领域发文量情况Fig.1 Changes in the amount of papers related to CBM research from 2010 to 2019

2.2 合作网络分析

合作网络分析主要包括发文国家、机构以及其合作关系的构建，体现了煤层气研究中的主要研究力量。选择国家(Country)和机构(Institute)为网络节点进行分析，从图2可以看出，从2010年1月至2020年9月，伙伴国家的56个节点和138个链路组成了一个网络，图中节点圆圈的大小代表数量，节点之间的连线代表合作关系。根据研究国家与合作图谱显示，近10 a共涉及56个国家，中国占主导地位，中国在煤层气领域的文献被引次数占总数的43.7%，然后是美国(占比14.3%)，再次是澳大利亚(占比10.9%)，这表明煤层气是全球关注的问题，中国在这一领域的研究人员要比其他国家更多，相关领域的研究热度和进展也更强一点，但是总体来看各国家之间交流合作偏少，因此各个国家间的交流合作还有待进一步加强。

图2 2010—2020年煤层气研究主要国家合作网络Fig.2 Cooperation network of major countries in CBM research from 2010—2020

国际煤层气的主要研究力量来自中国矿业大学、中国地质大学、河南理工大学、中国石油大学、重庆大学、宾夕法尼亚州立大学、中国医科大学、中国科学院和昆士兰大学等研究机构，如图3所示。在研究期内各机构文献被引用计数排名第1的中国矿业大学发表文献被引用次数占总数的15.1%；排名第2的中国地质大学占总数的7.2%，排名第3的中国科学院发表的文献被引用次数占总数的3.7%。由图3可以看出，中国矿业大学与其他机构的合作最为广泛，但也仅限于国内的研究机构，这由图2中国家之间的研究合作并不是很密切同样可以看出。

图3 2010—2020年煤层气开采研究机构合作网络Fig.3 Cooperation network of research institutionsin CBM exploiation from 2010—2020

2.3 学科与期刊共引分析

煤层气研究中涉及的学科可以通过学科类别共现性分析来确定，图4为煤层气研究领域发文主要涉及的学科分布情况，其中Energy & Fuels(1 103个提取)、ENGINEERING(971个提取)、Engineering，Chemical(654个提取)、GEOLOGY(476个提取)和Ceosciences，Multidisciplinary(450个提取)是前5个学科类别。由图4可以看出，煤层气开发主要涉及能源科学、工程学、化学、地质学等多学科交叉领域，是一个多方面、多学科的研究领域，涉及面广的研究领域。

图4 2010—2020年煤层气学科门类网络Fig.4 Subject category network in CBM research from 2010—2020

研究数据库中论文引用文献来源期刊分布情况代表着煤层气开发领域的主要期刊，共被引期刊可视化图显示了726个节点(代表期刊)和5 475个链接(代表协作链接)，如图5所示。

图5 2010—2020年煤层气研究共被引期刊网络Fig.5 Network of co-cited journals in CBM research from 2010 to 2020

煤层气研究领域相关论文共被引前十大学术期刊见表1，结果表明，共同被引期刊前5名分别是International Journal of Coal Geology，Fuel，Journal of Natural Gas Science and Engineering，Energy & Fuels和AAPG BULLETIN。其中International Journal of Coal Geology和Fuel是煤层气开采研究领域的领军核心期刊，影响因子均超过了5.0，该期刊发表文章在一定程度上代表着煤层气研究领域的前沿和热点。值得关注的是，煤炭学报作为中文期刊和非Web of science收录期刊，被引论文能够进前10名，表明该学报在国际上存在一定影响力，同样表明中国是煤层气领域研究的主要力量。

表1 2010—2020年煤层气领域被引量前10名的期刊

2.4 作者及合作网络分析

利用Citespace软件可以帮研究人员发现研究群体及核心作者，图6是煤层气领域研究学者及其合作网络的知识图谱，揭示了研究学者之间的合作关系。图6中，包括505个节点和1 161条连线，每个节点代表1位发文作者，节点越大说明该学者在该领域发表的文章越多，节点之间的连线表示作者之间的合作关系。

图6 2010—2020年煤层气研究领域作者及合作网络Fig.6 Authors and cooperation network in CBM research from 2010—2020

由图6可知，发文量排名靠前的基本为国内学者或者华裔，其中排名前5位是TANG D Z，LIU D M，XU H，PAN Z J和QIN Y，前3位学者均来自中国地质大学(北京)，第4位学者来自澳大利亚，最后1位来自中国矿业大学，这与前面所提到的国家和机构合作网络分析结果基本一致。

2.5 国内外经典文献分析

图7是国内外煤层气研究领域的文献共被引论文分布，文献共被引(Co-Citation)是由Henry Small提出的用以快速识别重要文献的方法[27]。

由图7可以看出，在共被引文献中2012年Tim A.Moore在International Journal of Coal Geology期刊发表的Coalbed methane：A review这篇综述文章，是此研究领域较为经典的文献之一。此外，在2012年和2011年还有2位学者PAN Z J和BUSCH A也均在International Journal of Coal Geology期刊发表的2篇文献：Modelling permeability for coal reservoirs：A review of analytical models and testing data与CBM and CO2-ECBM related sorption processes in coal：A review，在煤层气领域的被引量也相对较高。表2列举了煤层气研究领域被引100次以上的文献(不包括其它领域的被引量，仅统计1 931篇文献的引用情况)，这些文献基本上以综述类论文为主，代表着煤层气研究领域重要的研究方向和研究进展。

图7 2010—2020年煤层气研究领域文献共被引Fig.7 Co-citation literature in CBM research from 2010—2020

表2 煤层气研究领域被引100次以上的文献

3 国际煤层气开采发展趋势

3.1 煤层气研究热点分析

关键词分析在一定程度上可用来研究煤层气开采的研究热点，因为论文的关键词是对论文研究内容的高度总结，某个关键词出现频率越多，可以认为该关键词是研究热点。为了清晰呈现煤层气研究的热点聚类，表3列出数据库中煤层气研究的前十个高频关键词。

表3 煤层气研究领域高频关键词

除去研究领域关键词coalbed methane(gas)，煤层气研究热点主要集中在permeability,adsorption(sorption),pressure,pore structure等煤层气储层特性上。而model、carbon dioxide则主要是关于渗透率模型和CO2驱替增产等手段方面。因此，在后期煤层气文献计量中可以根据煤层气开采中的关键参数[gas permeability]、[pore structure]、[Gas pressure]、[adsorption and desorption]等煤层气赋存特性关键词和[coal]进行联合检索(&)，有助于扩充煤层气相关文献数据库。

3.2 煤层气研究前沿

突现词(burst terms)可以认为是突然出现、短时间内关注度快速增加的关键词，这可以代表该研究领域内的研究前沿，不同时间段的研究前沿关键词见表4。由表3可以看出，2015年前的研究热点主要集中在isotherm,adsorption,CO2,N2等关于储层吸附膨胀等实验室研究，为煤层气注气驱替增产提供试验基础；同时，随着2011年国际各区域煤层气开始开发，以basin为关键词的煤层气产地的名称开始成为热点，且从早期的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表明国际煤层气的研究逐渐由国外向中国转移，中国煤层气开采逐渐引领世界发展。

除此之外，从图8可以看出，近5 a的研究前沿仍然以煤层气储层渗透率、应力和孔隙结构为主。且随着细微观设备如CT,NMR,SEM等手段在煤层孔隙结构探测中的应用，煤层气储层孔隙结构对其渗透率、瓦斯解吸吸附、瓦斯压力含量等的影响成为现阶段的热点。随着中国深部煤层气的高效开采，需要探索出适应性开采技术，提高低渗透煤层的渗透率和采收率是今后中国煤层气开发研究的主要方向。

图8 2010—2020年煤层气领域共被引时间线图谱Fig.8 Timeline map of co-citaion in CBM reseach from 2010—2020

3.3 国内外煤层气研究趋势

图8展示了国内外煤层气研究的总体趋势。煤层气研究从2010年开始聚焦，共被引文献主题有7大聚类，分别体现在图中右侧。从分布时间看出，nuclear magnetic resonance,methanogenesis,numerical simulation,pore structure,parana basin,carbon sequestration和coal reservoir properties是学者们一直在关注的主题，几乎对每一项关注度都持续近10余年时间。其中，carbon sequestration和coal reservoir properties在近10 a关注度相对较低，parana basin在2013年前关注度相对较高，之后随着中国成为国际煤层气开采中心，其关注度逐年下降，numerical simulation作为现阶段研究的主要手段，在近10 a一直处于较高的热度。国际煤层气开采技术主要包括2个方面，分别是钻井完井工程技术和增产技术[28]，如图9所示。

其中钻井工程技术主要类型有直井、丛式井、水平井和多分支水平井，由于多分支水平井能够贯穿煤层，有利于抽采和致裂，现阶段使用较多。目前世界上常用的煤层气增产技术主要有水力压裂技术和多元气体驱替技术。水力压裂技术通过高压驱动水流进入原有裂缝内，形成高渗的导流通道，从而提高非常规油气的抽采率[29]。其中定向长钻孔成为水力压裂的主要技术，但该技术易造成垮孔和塌孔的现象，进而研发出分段压裂技术以解决这些问题[30]。随着煤层开发深度不断加深，水平井分段多簇压裂逐渐成为低渗透煤层气成功开发的关键技术[31]。但水力压裂技术适用于比较坚硬的煤层，对于较软的煤层，并未获得良好的开采效果。因此，针对软煤层的水力压裂是今后煤层气开采的一个重点研究方向[30]。多元气体驱替技术是向煤储层注入N2，CO2等气体，增大扩散速率，从而提高煤层气采收率[32]。该技术在环保性、安全性和经济性方面以及在提升煤层瓦斯采收率上效果显著[33]，在现场应用时，应该根据注气位置、煤层瓦斯赋存特征等，选择合适的注气驱替技术[33]。

表4 2010—2020年煤层气研究相关文章引文突现关键词

图9 煤层气开采技术分类Fig.9 Classification of CBM exploitation technology

4 结 论

1)近些年国际学者对于煤层气的研究热度逐年上升，发文量符合指数式增长，国际煤层气的研究逐渐由国外向中国转移，中国煤层气的开发热度在近些年大幅度提升。中国学者在煤层气开发领域占据主导地位(占比43.7%)，但国际化合作相对较少，其中传统煤炭类高校在中国煤层气领域的研究处于领先地位。

2)煤层气开发涉及多个学科，主要集中在能源、工程和地质3个领域，在研究过程中需要多学科交叉融合。IJCG，FUEL和JNGSE是能源、工程和地质领域发表煤层气开发领域重要成果的国际期刊，煤炭学报发表的关于煤层气研究成果的论文在国际上也有一定的影响力。综述类论文(如Coalbed methane：A review)能够全面的梳理煤层气开发的现状和研究热点，是该研究领域的重要参考文献，在煤层气领域的被引量处于领先地位。

3)煤层渗透率直接决定煤层气抽采效率，因此煤层渗透率及其影响因素和增透手段一直是煤层气开发的研究热点，水平井分段多簇压裂逐渐成为低渗透煤层气成功开发的关键技术。随着细微观设备如CT，NMR，SEM等手段在煤层孔隙结构表征过程中的应用，煤层气储层孔隙结构与煤层渗透率、瓦斯解吸吸附、瓦斯压力含量的关联特性成为现阶段的研究热点。