張 村,宋子玉,趙毅鑫
(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 共伴生能源精準(zhǔn)開(kāi)采北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083;3.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 淮南 232001)
煤層氣資源作為重要的非常規(guī)天然氣資源,在國(guó)際上的開(kāi)采熱度一直不減,目前美國(guó)、加拿大和澳大利亞等國(guó)的煤層氣開(kāi)采已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化,并且已開(kāi)展深層煤層氣開(kāi)發(fā)試驗(yàn),有望進(jìn)一步走向商業(yè)化[1-2]。中國(guó)1 000 m以淺和1 000~2 000 m埋深的煤層氣儲(chǔ)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(duì)于深部煤層氣界定而言,國(guó)內(nèi)學(xué)者將深部煤層氣界定為1 000 m以深,但國(guó)際上并沒(méi)有明確的界定[5]。隨著中國(guó)煤層氣需求量的增加,煤層氣開(kāi)發(fā)逐步向深部進(jìn)軍,目前已經(jīng)在沁水盆地、鄂爾多斯盆地等地進(jìn)行了初步嘗試[5-9]。結(jié)合中國(guó)煤層氣儲(chǔ)量情況,未來(lái)深部煤層氣開(kāi)采勢(shì)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(gè)因素進(jìn)而間接影響煤層氣產(chǎn)氣階段。除此之外,由于中國(guó)的能源賦存形式,煤與瓦斯共采也是中國(guó)煤層瓦斯的重要開(kāi)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(kāi)采,另一方面還能實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯的有效抽采利用[19-22]。綜上可知,中國(guó)煤層氣開(kāi)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(guó)在國(guó)際上煤層氣開(kāi)采所處地位,掌握國(guó)際煤層氣開(kāi)采發(fā)展趨勢(shì),文中基于Citespace可視化文獻(xiàn)計(jì)量軟件對(duì)煤層氣開(kāi)采的主要研究力量分布、研究熱點(diǎn)趨勢(shì)等進(jìn)行了計(jì)量分析。研究結(jié)果有助于掌握國(guó)際煤層氣的開(kāi)采動(dòng)態(tài),為中國(guó)煤層氣開(kāi)采研究提供參考。
Web of Science的核心數(shù)據(jù)庫(kù)作為國(guó)際上影響力大、涵蓋范圍廣的科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)能夠全面反映各學(xué)科的研究概況與最新動(dòng)態(tài)。根據(jù)文中研究?jī)?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(kāi)采領(lǐng)域中的研究數(shù)據(jù)庫(kù),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(xiàn)的關(guān)鍵詞、作者、機(jī)構(gòu)、引文等信息導(dǎo)入至CiteSpace中進(jìn)行分析,生成更加直觀的圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行文中的相關(guān)分析。
CiteSpace由美國(guó)Drexel University陳超美教授基于Java開(kāi)發(fā)的可視化文獻(xiàn)計(jì)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(shí)別主要主題領(lǐng)域和“熱點(diǎn)”以及自動(dòng)標(biāo)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(diǎn)”研究課題和前沿研究,在查看結(jié)果時(shí),一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)項(xiàng)目,例如關(guān)鍵字、期刊或參考文獻(xiàn),鏈接描述節(jié)點(diǎn)之間的共引或共現(xiàn)。此外,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都用一系列不同顏色的圓圈來(lái)描述,且能夠識(shí)別關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。因此,CiteSpace能夠通過(guò)分析引文和共引信息來(lái)獲得特定研究領(lǐng)域的計(jì)量結(jié)果,已經(jīng)應(yīng)用于獲取領(lǐng)域研究趨勢(shì)、學(xué)科發(fā)展、研究力量分布等。
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(shì),具體見(jiàn)式(1),表明近些年國(guó)際學(xué)者對(duì)于煤層氣的研究熱度逐年上升,根據(jù)公式(1)預(yù)測(cè)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(jì)整年發(fā)文量435篇左右,稍微低于預(yù)測(cè)值,這因?yàn)榻衲晔艿叫鹿谝咔榈挠绊憽?/p>
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
合作網(wǎng)絡(luò)分析主要包括發(fā)文國(guó)家、機(jī)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(guó)家(Country)和機(jī)構(gòu)(Institute)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析,從圖2可以看出,從2010年1月至2020年9月,伙伴國(guó)家的56個(gè)節(jié)點(diǎn)和138個(gè)鏈路組成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò),圖中節(jié)點(diǎn)圓圈的大小代表數(shù)量,節(jié)點(diǎn)之間的連線(xiàn)代表合作關(guān)系。根據(jù)研究國(guó)家與合作圖譜顯示,近10 a共涉及56個(gè)國(guó)家,中國(guó)占主導(dǎo)地位,中國(guó)在煤層氣領(lǐng)域的文獻(xiàn)被引次數(shù)占總數(shù)的43.7%,然后是美國(guó)(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(wèn)題,中國(guó)在這一領(lǐng)域的研究人員要比其他國(guó)家更多,相關(guān)領(lǐng)域的研究熱度和進(jìn)展也更強(qiáng)一點(diǎn),但是總體來(lái)看各國(guó)家之間交流合作偏少,因此各個(gè)國(guó)家間的交流合作還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。
圖2 2010—2020年煤層氣研究主要國(guó)家合作網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Cooperation network of major countries in CBM research from 2010—2020
國(guó)際煤層氣的主要研究力量來(lái)自中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)、河南理工大學(xué)、中國(guó)石油大學(xué)、重慶大學(xué)、賓夕法尼亞州立大學(xué)、中國(guó)醫(yī)科大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院和昆士蘭大學(xué)等研究機(jī)構(gòu),如圖3所示。在研究期內(nèi)各機(jī)構(gòu)文獻(xiàn)被引用計(jì)數(shù)排名第1的中國(guó)礦業(yè)大學(xué)發(fā)表文獻(xiàn)被引用次數(shù)占總數(shù)的15.1%;排名第2的中國(guó)地質(zhì)大學(xué)占總數(shù)的7.2%,排名第3的中國(guó)科學(xué)院發(fā)表的文獻(xiàn)被引用次數(shù)占總數(shù)的3.7%。由圖3可以看出,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)與其他機(jī)構(gòu)的合作最為廣泛,但也僅限于國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu),這由圖2中國(guó)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(kāi)采研究機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Cooperation network of research institutionsin CBM exploiation from 2010—2020
煤層氣研究中涉及的學(xué)科可以通過(guò)學(xué)科類(lèi)別共現(xiàn)性分析來(lái)確定,圖4為煤層氣研究領(lǐng)域發(fā)文主要涉及的學(xué)科分布情況,其中Energy & Fuels(1 103個(gè)提取)、ENGINEERING(971個(gè)提取)、Engineering,Chemical(654個(gè)提取)、GEOLOGY(476個(gè)提取)和Ceosciences,Multidisciplinary(450個(gè)提取)是前5個(gè)學(xué)科類(lèi)別。由圖4可以看出,煤層氣開(kāi)發(fā)主要涉及能源科學(xué)、工程學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)學(xué)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域,是一個(gè)多方面、多學(xué)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(xué)科門(mén)類(lèi)網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Subject category network in CBM research from 2010—2020
研究數(shù)據(jù)庫(kù)中論文引用文獻(xiàn)來(lái)源期刊分布情況代表著煤層氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的主要期刊,共被引期刊可視化圖顯示了726個(gè)節(jié)點(diǎn)(代表期刊)和5 475個(gè)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(xué)術(shù)期刊見(jiàn)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(kāi)采研究領(lǐng)域的領(lǐng)軍核心期刊,影響因子均超過(guò)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(diǎn)。值得關(guān)注的是,煤炭學(xué)報(bào)作為中文期刊和非Web of science收錄期刊,被引論文能夠進(jìn)前10名,表明該學(xué)報(bào)在國(guó)際上存在一定影響力,同樣表明中國(guó)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
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(xué)者及其合作網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)圖譜,揭示了研究學(xué)者之間的合作關(guān)系。圖6中,包括505個(gè)節(jié)點(diǎn)和1 161條連線(xiàn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表1位發(fā)文作者,節(jié)點(diǎn)越大說(shuō)明該學(xué)者在該領(lǐng)域發(fā)表的文章越多,節(jié)點(diǎn)之間的連線(xiàn)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(guó)內(nèi)學(xué)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(xué)者均來(lái)自中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京),第4位學(xué)者來(lái)自澳大利亞,最后1位來(lái)自中國(guó)礦業(yè)大學(xué),這與前面所提到的國(guó)家和機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果基本一致。
圖7是國(guó)內(nèi)外煤層氣研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)共被引論文分布,文獻(xiàn)共被引(Co-Citation)是由Henry Small提出的用以快速識(shí)別重要文獻(xiàn)的方法[27]。
由圖7可以看出,在共被引文獻(xiàn)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(xiàn)之一。此外,在2012年和2011年還有2位學(xué)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(xiàn):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(duì)較高。表2列舉了煤層氣研究領(lǐng)域被引100次以上的文獻(xiàn)(不包括其它領(lǐng)域的被引量,僅統(tǒng)計(jì)1 931篇文獻(xiàn)的引用情況),這些文獻(xiàn)基本上以綜述類(lèi)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(jìn)展。
圖7 2010—2020年煤層氣研究領(lǐng)域文獻(xiàn)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(xiàn)
關(guān)鍵詞分析在一定程度上可用來(lái)研究煤層氣開(kāi)采的研究熱點(diǎn),因?yàn)檎撐牡年P(guān)鍵詞是對(duì)論文研究?jī)?nèi)容的高度總結(jié),某個(gè)關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率越多,可以認(rèn)為該關(guān)鍵詞是研究熱點(diǎn)。為了清晰呈現(xiàn)煤層氣研究的熱點(diǎn)聚類(lèi),表3列出數(shù)據(jù)庫(kù)中煤層氣研究的前十個(gè)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(diǎn)主要集中在permeability,adsorption(sorption),pressure,pore structure等煤層氣儲(chǔ)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(xiàn)計(jì)量中可以根據(jù)煤層氣開(kāi)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(jìn)行聯(lián)合檢索(&),有助于擴(kuò)充煤層氣相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。
突現(xiàn)詞(burst terms)可以認(rèn)為是突然出現(xiàn)、短時(shí)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(shí)間段的研究前沿關(guān)鍵詞見(jiàn)表4。由表3可以看出,2015年前的研究熱點(diǎn)主要集中在isotherm,adsorption,CO2,N2等關(guān)于儲(chǔ)層吸附膨脹等實(shí)驗(yàn)室研究,為煤層氣注氣驅(qū)替增產(chǎn)提供試驗(yàn)基礎(chǔ);同時(shí),隨著2011年國(guó)際各區(qū)域煤層氣開(kāi)始開(kāi)發(fā),以basin為關(guān)鍵詞的煤層氣產(chǎn)地的名稱(chēng)開(kāi)始成為熱點(diǎn),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(guó)際煤層氣的研究逐漸由國(guó)外向中國(guó)轉(zhuǎn)移,中國(guó)煤層氣開(kāi)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(chǔ)層滲透率、應(yīng)力和孔隙結(jié)構(gòu)為主。且隨著細(xì)微觀設(shè)備如CT,NMR,SEM等手段在煤層孔隙結(jié)構(gòu)探測(cè)中的應(yīng)用,煤層氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)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(diǎn)。隨著中國(guó)深部煤層氣的高效開(kāi)采,需要探索出適應(yīng)性開(kāi)采技術(shù),提高低滲透煤層的滲透率和采收率是今后中國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)研究的主要方向。
圖8 2010—2020年煤層氣領(lǐng)域共被引時(shí)間線(xiàn)圖譜Fig.8 Timeline map of co-citaion in CBM reseach from 2010—2020
圖8展示了國(guó)內(nèi)外煤層氣研究的總體趨勢(shì)。煤層氣研究從2010年開(kāi)始聚焦,共被引文獻(xiàn)主題有7大聚類(lèi),分別體現(xiàn)在圖中右側(cè)。從分布時(shí)間看出,nuclear magnetic resonance,methanogenesis,numerical simulation,pore structure,parana basin,carbon sequestration和coal reservoir properties是學(xué)者們一直在關(guān)注的主題,幾乎對(duì)每一項(xiàng)關(guān)注度都持續(xù)近10余年時(shí)間。其中,carbon sequestration和coal reservoir properties在近10 a關(guān)注度相對(duì)較低,parana basin在2013年前關(guān)注度相對(duì)較高,之后隨著中國(guó)成為國(guó)際煤層氣開(kāi)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(guó)際煤層氣開(kāi)采技術(shù)主要包括2個(gè)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(lèi)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?dú)怏w驅(qū)替技術(shù)。水力壓裂技術(shù)通過(guò)高壓驅(qū)動(dòng)水流進(jìn)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(zhǎng)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(jìn)而研發(fā)出分段壓裂技術(shù)以解決這些問(wèn)題[30]。隨著煤層開(kāi)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(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)[31]。但水力壓裂技術(shù)適用于比較堅(jiān)硬的煤層,對(duì)于較軟的煤層,并未獲得良好的開(kāi)采效果。因此,針對(duì)軟煤層的水力壓裂是今后煤層氣開(kāi)采的一個(gè)重點(diǎn)研究方向[30]。多元?dú)怏w驅(qū)替技術(shù)是向煤儲(chǔ)層注入N2,CO2等氣體,增大擴(kuò)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(jì)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(chǎng)應(yīng)用時(shí),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(kāi)采技術(shù)分類(lèi)Fig.9 Classification of CBM exploitation technology
1)近些年國(guó)際學(xué)者對(duì)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(zhǎng),國(guó)際煤層氣的研究逐漸由國(guó)外向中國(guó)轉(zhuǎn)移,中國(guó)煤層氣的開(kāi)發(fā)熱度在近些年大幅度提升。中國(guó)學(xué)者在煤層氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位(占比43.7%),但國(guó)際化合作相對(duì)較少,其中傳統(tǒng)煤炭類(lèi)高校在中國(guó)煤層氣領(lǐng)域的研究處于領(lǐng)先地位。
2)煤層氣開(kāi)發(fā)涉及多個(gè)學(xué)科,主要集中在能源、工程和地質(zhì)3個(gè)領(lǐng)域,在研究過(guò)程中需要多學(xué)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(kāi)發(fā)領(lǐng)域重要成果的國(guó)際期刊,煤炭學(xué)報(bào)發(fā)表的關(guān)于煤層氣研究成果的論文在國(guó)際上也有一定的影響力。綜述類(lèi)論文(如Coalbed methane:A review)能夠全面的梳理煤層氣開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀和研究熱點(diǎn),是該研究領(lǐng)域的重要參考文獻(xiàn),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(kāi)發(fā)的研究熱點(diǎn),水平井分段多簇壓裂逐漸成為低滲透煤層氣成功開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。隨著細(xì)微觀設(shè)備如CT,NMR,SEM等手段在煤層孔隙結(jié)構(gòu)表征過(guò)程中的應(yīng)用,煤層氣儲(chǔ)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(diǎn)。