頁巖氣研究的知識圖譜分析

楊 輝，張 勇

(中國石油大學(華東),山東 青島 266580)

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，各國對油氣資源的需求量不斷攀升，能源供給壓力日益增大。頁巖氣等非常規(guī)能源作為常規(guī)油氣的重要補充，逐漸進入人們的視野。頁巖氣是指以吸附或游離狀態(tài)蘊藏于頁巖層中的可供開采的天然氣，其成分主要是甲烷，是一種非常重要的非常規(guī)天然氣。美國能源署在2013年發(fā)布了一份41個國家技術可采頁巖氣資源的報告，指出世界范圍內(nèi)頁巖氣儲量巨大，中國頁巖氣技術可采儲量世界第一，美國則居第三。美國在頁巖氣這一寶貴資源的勘探開發(fā)方面一直遙遙領先，得益于水力壓裂技術的突破，美國頁巖氣開發(fā)已獲得巨大成功，正在改變世界天然氣能源格局，在全球掀起了頁巖氣勘探開發(fā)的熱潮。然而與北美相比，我國海相頁巖氣具有頁巖時代老埋深大、成藏條件復雜、經(jīng)歷多期構造改造、保存條件差異性大的典型特殊性，頁巖氣開發(fā)難度遠遠超過美國。十二五以來，我國逐步加大頁巖油勘探與開發(fā)的投入，學者們針對國內(nèi)頁巖氣的特殊性，開展了大量研究，形成了具有“中國特色”的頁巖氣勘探開發(fā)理論、方法與技術，使我國頁巖氣勘探開發(fā)獲得重大突破，建成了我國首個年產(chǎn)50億m3頁巖氣田。但與國外發(fā)達國家相比，仍存在較大的差距。我國頁巖油氣開發(fā)的關鍵技術，例如水平井分段壓裂等，主要引進國外技術和設備，近年來雖有突破，但仍處于試驗階段，尚未形成成熟的關鍵技術，而且頁巖油儲層特有的微-納米級孔喉，非均質(zhì)性強等特點，制約了頁巖油氣勘探開發(fā)的快速發(fā)展。本文以SCIE數(shù)據(jù)庫收錄的以頁巖氣為主題的期刊論文為研究對象，借助于CiteSpace可視化分析工具，分析頁巖氣的研究現(xiàn)狀，揭示頁巖氣研究熱點及其演變。以期為我國石油工作者深入開展頁巖氣研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

SCIE(SCI-EXPANDED)數(shù)據(jù)庫收錄了全世界范圍內(nèi)各學科領域內(nèi)的最優(yōu)秀的科技期刊約8 700種，其內(nèi)容覆蓋數(shù)學、物理、化學、農(nóng)業(yè)、生物、醫(yī)學、工程技術以及行為科學等 150 多個學科，能及時、準確地反映基礎科學的重大突破、學科前沿的最新研究動態(tài)和熱點難點問題，在學術界占有重要地位[1]。本文選擇SCIE為數(shù)據(jù)來源，以“shale gas”為主題詞進行檢索，時間跨度設置為2001～2015年，文獻類型選擇Article，檢索時間為2015年12月31日，得到用于分析的數(shù)據(jù)記錄1 239條。

1.2 研究方法

利用CiteSpace可視化分析工具，對頁巖氣論文的國家/地區(qū)、機構與作者、學科及關鍵詞等進行定量統(tǒng)計與定性分析，以揭示頁巖氣的研究現(xiàn)狀、研究熱點及研究方向。

2 結(jié)果與討論

2.1 時間分布

論文產(chǎn)出的趨勢是反映某領域研究態(tài)勢的一個重要指標，對評價研究領域所處研究階段和預測發(fā)展趨勢具有重要意義[2]。按年度統(tǒng)計頁巖氣論文的數(shù)量，研究其隨時間的變化趨勢，結(jié)果見圖1。頁巖氣SCI論文最早出現(xiàn)的2002年，有1篇。從2002～2006年，每年的論文數(shù)量均在2篇以下，處于研究的萌芽階段。2007～2010年，則處于早期發(fā)展階段，每年的文獻數(shù)量保持在10多篇。2011年開始，頁巖氣的研究進入快速發(fā)展階段，論文數(shù)量急劇增加，相關研究呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。

圖1 頁巖氣研究論文數(shù)量的年份分布曲線Figure 1 Shale gas research paper numbers yearly distribution curve

2.2 國家/地區(qū)分析

利用CiteSpace軟件構建國家/地區(qū)合作圖譜(圖2)，分析在頁巖氣研究領域高影響力的國家及國家間的基本合作情況。CiteSpace形成的國家/地區(qū)圖譜，節(jié)點大小代表國家的發(fā)文量，節(jié)點越大說明該國家發(fā)文量越多；節(jié)點之間的連線代表合作關系，聯(lián)系越粗，合作越多；節(jié)點外圈的顏色代表國家的中心性，紫色外圈中心性越大于或等于0.1，是國家/地區(qū)分布網(wǎng)絡中的關鍵節(jié)點，紫色外圈越厚中心性越高。高產(chǎn)國家/地區(qū)統(tǒng)計結(jié)果，見表1。由圖2和表1分析可知，頁巖氣研究形成了較緊密的全球合作關系，發(fā)文量最多的國家是美國，論文數(shù)高達538篇，占論文總數(shù)的43%，美國的中心性也最高(0.54)，遠超其他國家。這說明，美國在頁巖氣研究領域具有一馬當先的影響力和引領作用。中國緊隨美國之后，SCI發(fā)文369篇，中心性0.25，也具有較強的影響力。此外，德國、澳大利亞、荷蘭的中介中心性也均大于0.1，在頁巖氣研究中也具有較強的影響力。

圖2 頁巖氣研究國家/地區(qū)合作圖譜Figure 2 Shale gas research countries/regions cooperation graph

表1 頁巖氣研究SCI論文高產(chǎn)國家/地區(qū)(前10位)

2.3 機構與作者分析

機構分析可以挖掘研究領域內(nèi)高影響力機構和科研團隊，了解各研究機構的學術水平、影響力以及機構間的科研合作情況[3]，為科研交流與合作提供參考。利用CiteSpace軟件形成機構合作圖譜(圖3)，圖譜中節(jié)點的大小代表機構的發(fā)文量，節(jié)點越大，發(fā)文量越高，節(jié)點間的連線代表合作關系，連線越粗， 合作的論文數(shù)越多。可見開展頁巖氣研究的機構眾多，僅部分機構間形成了合作關系，發(fā)文量前10的機構見表2。這10所機構均是高校，且大多來自美國和中國。其中，中國石油大學(China Univ Petr)的發(fā)文量最高(85篇)， 其次是美國德克薩斯大學(Univ Texas Austin)， SCI發(fā)文量58篇。此外，中國的西南石油大學和中國地質(zhì)大學、加拿大的卡爾加里大學文獻量也較多，均超過40篇。

表2 頁巖氣研究SCI論文高產(chǎn)研究機構(前10位)

圖2中節(jié)點紫色外圈，表示節(jié)點的中心性大于或等于0.1，是機構分布網(wǎng)絡中的關鍵節(jié)點，具有較高的影響力。由圖3和表2可知， 頁巖氣研究影響力較高的機構是美國的德克薩斯州立大學(Univ Texas Austin)、中國的中國石油大學(China Univ Petr)和加拿大的卡爾加里大學(Univ Calgary)，這3所大學與其他機構形成了較緊密的合作關系，在頁巖氣研究中起到了較為重要的橋梁作用和引領作用。

頁巖氣研究SCI論文的高產(chǎn)作者見表2。發(fā)文量最多的作者是來自加拿大卡爾加里大學的Clarkson CR，發(fā)表論文19篇，該作者主要關注頁巖氣孔隙結(jié)構特征、 生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析等。其次是來自中國地質(zhì)大學的張金川(Zhang JC)，發(fā)表論文18篇，該作者關注的主題是中國頁巖氣資源潛力等。排名第三的作者是中石油勘探開發(fā)研究院的鄒才能(Zou CN)，發(fā)表論文17篇，研究領域是頁巖氣納米孔喉以及非常規(guī)油氣形成機理、地質(zhì)特征等。被引頻次和h-index最高的是來自杜克大學的Vengosh A，雖然論文數(shù)量不及前7位作者，但被引頻次高達640次，遠超其他學者，在頁巖氣領域具有極高的影響力，該學者關注的領域主要是頁巖氣開發(fā)造成的飲用水污染等。這些高產(chǎn)作者的研究領域可以從側(cè)面反映頁巖氣研究的熱點。

表3 頁巖氣研究SCI論文高產(chǎn)作者(前10位)

2.4 學科分析

學科分析可以揭示研究主題的學科分布及各學科之間的交叉滲透情況。利用CiteSpace軟件生成頁巖氣學科分布圖譜(圖4)和統(tǒng)計表(表4)。由圖4和表4可知，頁巖氣的SCI論文主要集中在工程(ENGINEERING)、能源與燃料(ENERGY & FUELS)、地質(zhì)學(GEOLOGY)、地球科學(GEOSCIENCES)、環(huán)境科學與生態(tài)學(ENVIRONMENTAL SCIENCES & ECOLOGY)等學科。中心性最強的學科是化學(CHEMISTRY)，中介中心性高達0.61，其次是環(huán)境科學(ENVIRONMENTAL SCIENCES)，中介中心性為0.49，此外，地球科學(GEOSCIENCES)、工程(ENGINEERING)、環(huán)境科學與生態(tài)學(ENVIRONMENTAL SCIENCES & ECOLOGY)等學科的中心性也較強，均大于或等于0.1，在圖4中上述節(jié)點的外圈顯示為紫色，是頁巖氣學科網(wǎng)絡中的關鍵節(jié)點。這些高中心性的學科之間相互交叉滲透，在頁巖氣的學科延伸中起到重要的橋梁作用。

表4 頁巖氣研究學科分布表

2.5 關鍵詞分析

關鍵詞在論文中所占篇幅不大，但卻是論文內(nèi)容的高度概括與總結(jié)，因此可以利用關鍵詞分析來揭示某領域的研究熱點[4]。利用CiteSpace對關鍵詞進行共現(xiàn)分析(圖5)，以透析頁巖氣的研究熱點。圖5中節(jié)點的大小代表關鍵詞的頻次，頻次越高，節(jié)點越大。巖氣研究的高頻關鍵詞主要有頁巖氣(shale gas)、天然氣(natural gas)、水力壓裂(hydraulic fracturing)等，這些高頻關鍵詞在一定程度上代表了頁巖氣的研究重點及熱點。圖5中紫色外圈表明其中心性大于或等于0.1，屬于關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡中的關鍵節(jié)點，具有較強的影響力。頁巖氣論文關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡中的關鍵節(jié)點有頁巖氣(shale gas)、天然氣(natural gas)、甲烷(methane)、擴散(diffusion)、演化(evolution)、流(flow)、沉積盆地(sedimentary basin)、煤(coal)、吸附(adsorption)、生成(generation)、系統(tǒng)(system)、碳(carbon)、美國中部(central united states)、盆地鹵水(basinal brine)，這些關鍵節(jié)點具有較強的中介作用，與其他關鍵詞的聯(lián)系較為緊密，通過這些節(jié)點開展的研究較多，在頁巖氣研究領域具有較重要的地位。

將頁巖氣研究領域相關論文的高頻關鍵詞按年度排序，得到主題詞的年度變化表(表5)，結(jié)合相關論文的內(nèi)容， 進一步從時間的維度來解析頁巖氣研究熱點的變化趨勢(圖6)。

圖4 頁巖氣研究學科分布圖譜Figure 4 Shale gas research subjects distribution graph

圖5 頁巖氣研究論文關鍵詞共現(xiàn)及聚類混合圖譜Figure 5 Shale gas research paper keywords co-occurrence and hybrid clustering graph

時間關鍵詞頻次中心性時間關鍵詞頻次中心性2002甲烷810.172011密西西比州的巴涅特頁巖880.092003天然氣1410.332011多孔介質(zhì)480.012007流動800.152011中國430.072007煤570.142011賓夕法尼亞州390.072007吸附510.122012美國450.032007盆地470.052012巖石440.032007德克薩斯中北學院4002012德克薩斯州400.022007碳350.12013油藏470.012008模型770.042013馬塞勒斯頁巖4402008滲透率740.072014油5202008頁巖700.052014擴散4002008福特沃斯盆地670.012014水3502010頁巖氣4150.392015孔隙結(jié)構380.022010系統(tǒng)900.12015模擬3502011水力壓裂960.032015納米孔隙340.02

在頁巖氣研究的萌芽階段(2002～2006)，高頻關鍵詞有“甲烷”“天然氣”，這期間的論文主要研究頁巖氣資源潛力的評價。較具代表性的是Curtis JB發(fā)表在《AAPG BULLETIN》上的《Fractured shale-gas systems》，指出低基質(zhì)滲透率頁巖儲層中的天然裂縫發(fā)育程度是天然氣生產(chǎn)率的控制因素，在大多數(shù)情況下，成功的頁巖氣井需要進行水力壓裂[5]。該論文為后來頁巖氣相關研究提供了重要的借鑒意義。

頁巖氣研究的早期發(fā)展階段(2007～2010年)，論文的關鍵詞主要有“flow”“coal”“adsorption”“carbon”“model”“permeability”“shale”“shale gas”“system”等，這期間主要開展了頁巖氣在納米孔中的流動、頁巖氣吸附及儲層建模等研究。2011年進入快速發(fā)展階段，“hydraulic fracturing”“mississippian barnett shale”“porous media”“china”“Pennsylvania”等成為高頻關鍵詞，2012年的高頻關鍵詞有“united states”“rock”“texa”等，2013年的高頻關鍵詞有“reservoir”“marcellus shale”，2014年論文出現(xiàn)的新焦點為“oil”“emission”“water”等，結(jié)合相關論文內(nèi)容的分析，結(jié)果表明學者針對頁巖氣水力壓裂技術、水力壓裂造成的飲用水污染、甲烷泄漏造成的空氣質(zhì)量損害等開展研究， 可見隨著頁巖氣的大規(guī)模開采，開發(fā)引起的環(huán)境污染開始受到學者們的高度關注。2015年頁巖氣論文開始主要關注“pore structure”“simulation”“nanopore”等關鍵詞，表明頁巖氣儲層的孔隙結(jié)構、納米孔等成為研究熱點。

利用CiteSpace軟件的聚類分析功能，對頁巖氣研究論關鍵詞進行聚類分析，采用“tf*idf +關鍵詞”對聚類進行自動標識，得到關鍵詞的聚類圖(圖5)和聚類統(tǒng)計表(表6)。Modularity Q=0.741 8，Mean Silhouette=0.677 5，表明聚類結(jié)果是合適的。

經(jīng)CiteSpace自動聚類，共產(chǎn)生11個聚類，本文選取文獻數(shù)大于10的前6大聚類，分析頁巖氣的主要研究方向，如表6所示。表6從大到小列出了每個聚類的編號、聚類包含的論文數(shù)量、研究方向以及對應的關鍵詞?？梢姡?頁巖氣的研究熱點主要包括頁巖氣產(chǎn)能影響因素研究、中國四川盆地頁巖氣研究、頁巖氣儲層微觀孔隙研究、頁巖氣動力學特征研究、頁巖氣烴源巖研究以及頁巖氣開發(fā)造成的污染研究等。

圖6 頁巖氣研究熱點的演變Figure 6 Shale gas research hot topics evolution

聚類號聚類文獻(篇)研究方向聚類標簽(關鍵詞)#029頁巖氣產(chǎn)能影響因素分析擴散性(diffusivity);規(guī)則(regulation); 壓力(pressure); 滲透率(permeability);(溫室氣體)greenhouse gas#124中國四川盆地頁巖氣研究頁巖氣(shale oil); 儲層特征(reservoir characterisation); 四川盆地南部(south-ern sichuan basin); 聚焦離子束(fib); 瀝青(bitumen)#220頁巖氣儲層微觀孔隙研究微孔(microporosity);孔隙度(porosity); 孔隙結(jié)構(pore structure); 負吸附(negative adsorption; sorption)#319頁巖氣動力學特征宏觀動力學(macro-kinetics); 網(wǎng)格粗化(upscaling); 非均質(zhì)性(heterogenei-ty); 宏觀傳輸(macro transport); langmuir等溫吸附模型(langmuir isotherm)#415頁巖氣烴源巖研究含氣油頁巖(gas shale); 顯微組分(maceral); 干酪根(kerogen); 有機碳(organic carbon); 電阻系數(shù)(electrical resistivity)#514頁巖氣開發(fā)造成的污染鹽巖(halite); 盆地鹵水(basinal brine); 微生物氣(microbial gas); 更新世冰川作用(pleistocene glaciation); 沉積盆地(sedimentary basin)

(1)頁巖氣產(chǎn)能影響因素研究。該主題的研究集中在頁巖氣的擴散與吸附研究，頁巖氣儲層滲透率研究等。Civan F提出了頁巖氣滲透率和擴散性的改進模型[6]。Yuan WN等實驗研究了甲烷吸附和擴散，并建立了相應的模型[7]。

(2)中國四川盆地頁巖氣研究。該研究主題主要關注頁巖氣儲層特征、頁巖氣資源潛力、地球化學特征、頁巖氣藏形成于富集模式等。Chen Shangbin等研究了四川盆地頁巖氣儲層特征，分析了樣品的地球化學、巖石學、礦物學以及巖石物理特征[8]。Yang Feng等探索了四川盆地頁巖的分形特征，利用X射線衍射、總有機碳含量(TOC)、孔隙度和滲透率測試、氮氣吸附和甲烷吸附實驗研究了頁巖氣的納米孔結(jié)構[9]。

(3)頁巖氣儲層微觀孔隙研究。該主題的研究主要集中在頁巖微觀孔隙結(jié)構的意義、特征及表征等。Ross Daniel J K等提出了頁巖組成和孔隙結(jié)構對頁巖氣藏儲氣的潛在重要性[10]。Clarkson C等利用USANS/SANS、氣體吸附和壓汞研究了北美頁巖氣儲層的孔隙結(jié)構特征[11]。

(4)頁巖氣動力學特征。該主題主要研究頁巖氣分子動力學特征以及實驗模擬等。Fathi Ebrahim等研究了基質(zhì)非均質(zhì)性對頁巖氣儲層氣體運移和吸附的影響[12]。Fathi Ebrahim等指出宏觀傳輸和宏觀動力學中非線性有所體現(xiàn)，促進了氣體表面擴散的效果[13]。Kazemi等對不同的頁巖樣品采用實驗langmuir等溫線研究了吸附對納米通道視滲透率的影響[14]。

(5)頁巖氣烴源巖研究。主要針對頁巖氣源巖的顯微組分、有機碳等含量、熱成熟度等進行分析與評價。Curtis JB年研究了美國五套頁巖地層的熱成熟度(表示為鏡質(zhì)體反射率)、有機碳含量等[5]。Zhang Tongwei等采用不同的頁巖干酪根樣品，分析了在頁巖氣系統(tǒng)中有機質(zhì)類型和熱成熟度對甲烷吸附的影響[15]。

(6)頁巖氣開發(fā)造成的污染研究。該主題的研究主要集中的頁巖氣鉆井和水力壓裂過程中的環(huán)境影響等。Vengosh Avner等指出了頁巖氣對美國水資源四大潛在危險：易散烴類氣體對淺水層的污染，這也能導致潛水層的鹽化；溢出、泄露或處置不當?shù)捻搸r氣廢水造成的地表水和淺層地下水污染；在處置點或溢出點的有毒或放射性元素的積累；水利壓裂造成的水資源短缺[16]。Shaffer Devin L則提出了高鹽頁巖氣產(chǎn)生廢水的淡化技術：機械蒸氣壓縮(MVC)、膜蒸餾(MD)和正向滲透(FO)[17]。

3 結(jié)論

目前頁巖氣研究正處于快速發(fā)展階段，頁巖氣論文數(shù)量急劇增加。各個國家之間已形成較緊密的合作關系，其中美國在頁巖氣研究中具有一馬當先的影響力和引領作用，中國緊隨其之后。美國德克薩斯州立大學、中國石油大學和加拿大卡爾加里大學等與其他機構開展合作較多，在頁巖氣研究中起到了較為重要的橋梁作用和引領作用。工程、能源與燃料等是開展頁巖氣研究的主要學科，化學、環(huán)境科學，地球科學、工程等是學科之間相互交叉滲透的中心點，在頁巖氣學科延伸中起到重要的橋梁作用。

頁巖氣研究熱點的演化：萌芽階段(2002～2006)，相關論文主要開展頁巖氣資源潛力評價。早期發(fā)展階段(2007～2010年)，研究熱點主要是頁巖氣在頁巖納米孔中的流動、頁巖氣吸附以及儲層建模等。2011年進入快速發(fā)展階段，針對頁巖氣水力壓裂技術、頁巖氣開采造成的飲用水污染、甲烷泄漏造成的空氣質(zhì)量損害等開展研究。此外，受到美國頁巖氣開發(fā)成功的啟發(fā)，中國學者開展了中國頁巖氣儲層特征等研究。2015年頁巖氣儲層的孔隙結(jié)構、納米孔等微觀研究成為熱點。頁巖氣的研究熱點主要有頁巖氣產(chǎn)能影響因素、四川盆地頁巖氣研究、頁巖微觀孔隙及孔隙結(jié)構、頁巖氣動力學特征、頁巖氣烴源巖以及頁巖氣開發(fā)產(chǎn)生的水污染等。

值得注意的是，學者們開展頁巖氣勘探開發(fā)技術研究的同時，也關注了頁巖氣開采帶來的水污染、空氣質(zhì)量損害等環(huán)境影響。這是否能給我國頁巖氣開采帶來啟示？我們不能單方面追求能源開發(fā)與經(jīng)濟效益，還應注重環(huán)境與生態(tài)保護，大力開展油氣資源開采伴隨的污染防治研究，不僅需要開發(fā)清潔能源，還要做到清潔開發(fā)能源。