王智勇，秦建军，柳戌昊，刘雯晶

（四川省科学技术信息研究所，四川 成都610000）

引言

天然气水合物（可燃冰）被认为是21 世纪最具潜力的接替煤炭、石油和天然气的新型洁净能源之一。世界各国尤其是发达国家及资源短缺国家针对其进行了大量的研究与开发[1]。

据不完全统计，全球已超过40 个国家和地区开展了天然气水合物调查研究[2]，美国、日本、加拿大、俄罗斯、韩国、德国、印度、新西兰、中国等国家相继制定了天然气水合物的发展践线图，纳入国家能源中长期规划，通过开发计划和项目资助等形式对天然气水合物进行开发研究。在勘探技术、开采技术、储运技术等方面均取得重要进展，但全球范围内的天然气水合物尚处于研究阶段，尚未实现商业化开采[3]，共同面临着安全环保、成本高企、关键技术突破等问题。

根据相关产业政策和规划，全球主要国家将从2020年始开启天然气水合物商业化开采进程。为探究各国天然气水合物国际专利主要布局及分布，整体掌握天然气水合物技术开发状况，为各类创新主体的研发、创新活动及知识产权布局等提供信息参考和帮助。本文基于德温特专利数据库（DII），运用Citespace 科学知识可视化工具，绘制关键词共现图谱，识别天然气水合物国际专利技术领域、热点及前沿，并对发展趋势进行分析。

1 数据来源与方法

1.1 数据来源

本文基础数据来源于Web of science 的Derwent Innovations Index（DII），利用主题词“natural gas hydrate”进行检索，时间跨度为1970-2019，检索时间为2019 年12 月12 日，共检索到专利2952 项。

1.2 研究方法

利用DII 记录导出功能，记录内容选择为“全纪录”，使每条记录涵盖专利号、标题、专利权人、摘要、德温特手工代码等信息，文件格式选择为纯文本，检索专利项全部导出，并运用Citespace 文献可视化分析软件[4]对导出数据格式进行转换和分析参数设置，进行专利计量及知识图谱绘制，开展技术热点及前沿领域的识别，并对技术趋势进行探析。

2 国内外天然气水合物技术研究趋势

2.1 专利时间态势分布

图1 显示了1970-2019 年期间全球天然气水合物关键技术专利申请整体呈上升趋势。其中，1970-2000 年，天然气水合物专利申请呈平稳增长态势但申请量整体偏小。进入2000 年后，专利申请量逐年大幅攀升，2007 年和2013 年分别出现二个申请小高峰，而后，专利申请数稍有回落。2017 年专利总数回升并于2018 年达到最高峰的328 项，其中中国专利250 项，其申请量的快速增长与国家层面对天然气水合物研究的高度重视有关。2017年5 月，我国首次海域天然气水合物试采成功。11 月3日，天然气水合物被批准为我国第173 个新矿种。

图1 1970-2019 年在天然气水合物专利申请趋势

2.2 专利权人国家分布

为考察全球天然气水合物技术在重点国家和地区的分布态势，了解其专利产出与技术实力，同时，消除PCT专利面向多个国家和地区，不便统计的因素[5]，本文采用专利优先权属对专利技术分布进行统计分析。天然气水合物专利申请较为集中（见图2），主要集中在中国（CN+TW）、美国（US）、日本（JP）、俄罗斯（RU+SU）、韩国（KR）和德国（DE）等国家。其中，中国专利申请量1275 项，占总量的43%，位居首位；美国专利申请量481 项，占总量的16%，居第二位；日本申请量449 项，占总量的15%，位居第三；俄罗斯（含苏联）申请量245 项，占总量的9%，居第四位。

图2 天然气水合物专利按优先权的地区分布

2.3 主要专利权人分布

表1 给出了天然气水合物研究领域专利数量排名前10 的专利权人，共拥有专利732 项，占专利总数的31.35%。排名前10 的专利权人中，中国7 家、日本3 家。可以看出，中国和日本在天然气水合物的研发实力优势突出，但在研究力量分布上存在较大差异。其中，中国的专利申请以石油地质类高校、科研院所为主，企业专利申请相对较弱，但大庆东油睿佳石油科技有限公司表现突出，拥有专利89 项。日本的企业研发实力较强，以三井造船、三菱重工、住友重工为代表的企业拥有较多专利，其中三井造船公司的专利总量位居榜首。排名前25 的国外主要专利权人还包括Instfrancais Du Petrole（法国）、Chevron Usainc（美国）、Samsung Heavy Ind Co Ltd（韩国）、Shell Int Res Mijbv（荷兰）等。

2.4 专利权人合作分布

对天然气水合物专利申请机构分析，可以帮助明确该领域研究的主要专利权人及现状。在Citespace 可视化软件中对检索的2952 项专利进行专利权人及其合作网络分析，设时间间隔为4 年，时间跨度为1970-2019，主题词来源于标题、摘要、作者关键词、附加关键词，网络节点选择Institution，提取每个时区中出现频率最高的前50个数据、其他阀值为系统默认，运行得到机构（专利权人）合作图谱（见图3）。

图谱中共有去重后的节点（Nodes）168 条，71 条节点连线（Links），网络密度0.0051，明显析出2 组机构合作网络图谱，从整体上看，天然气水合物研究机构之间合作强度较弱，但呈现出中国以高校为主体、日本企业为代表的机构合作态势。

表1 天然气水合物国际专利权人TOP10

图3 主要专利权人及合作网络

从图3 可知，中国整体呈现出以石油地质类高校、科研院所为中心的合作网络，形成2 大合作群。一是以西南石油大学-中国石油大学-青岛海洋地质研究所-大连理工大学-吉林大学-广州海洋地质调查局-大庆东油睿佳石油科技有限公司为主体的协作网；二是以中科院广州能源研究所-广州海洋地质调查局-中国石油天然气有限公司为主体的合作网。

日本呈现出以三井造船为核心的企业协作网，形成内外2 大协作群。一是国内协作网，以三井造船-三菱重工-住友重工-石川岛播磨重工为主导；二是国际合作网，以三井造船-住友重工-美国菲利普斯石油公司-美国雪弗龙公司-大西洋富田公司为核心。

2.5 专利技术主题分布

关键词聚类知识图谱可以反映研究热点领域构成[6]。为考察天然气水合物专利的整体技术布局及分布状况，利用Citespace 聚类功能对关键词共现图谱进行聚类操作。选择术语词汇noun Phrases，节点类型keyword，其他条件同2.4，运行并聚类，得到共9 个聚类（Cluster#0-8）。选择索引词indexing Terms 对聚类进行标签，利用llr（Log-Likelihood Ratio）算法，得到天然气水合物专利关键词聚类视图。（见图4）

由图4 左上角信息可知，图谱中有284 个网络节点，1565 条节点连线，网络密度0.0389，聚类分析得到模块值（Q 值）为0.5482>0.3，意味划分出的网络聚类较好，平均轮廓值（S 值）为0.702>0.7，说明网络同质性较高，聚类是高效率令人信服的。

图谱显示，天然气水合物国际专利主要集中在9 个技术主题领域，分别为聚类#0 H06（气态和液体燃料）、聚类#1 A97（油井应用等其他聚合物）、聚类#2 S03（科学仪器）、聚类#3 T06（过程与机器控制）、聚类#4 E36（非金属、半金属及其化合物）、聚类#5 H01（原油和天然气勘探、钻井、生产及处理）、聚类#6 H02（单元操作-包括蒸馏，吸附和溶剂萃取）、聚类#7 B04（天然产物及聚合物）、聚类#8 Q31（包装工艺与设备），除聚类#8外，其他聚类都较为集中，许多关键词重复出现在多个聚类中，综合来看，天然气水合物是一个集勘探、开采、制备及储运多技术内容并存多学科交叉的复合研究领域。

图4 天然气水合物专利关键词聚类图谱

3 天然气水合物关键技术、技术热点、技术前沿

德温特手工代码（MC）标识了专利文献的详细技术领域，相当于论文的“关键词”，对其分析有助于发现研究热点及技术前沿。笔者利用Citespace 信息可视化软件对前面确认的2952 项专利文献进行可视化分析，类型选择突现词burst、节点类型category，阀值为（2，2，20）、（4，3，20）、（4，3，20），修 剪 算 法 为pathfinder-Pruning Sliced Networks，其他条件同2.4，运行得到其专利德温特人工代码共词图谱（见图5）。图5 中有174 个网络节点，256 条节点连线，网络密度0.017，每一个节点代表一个技术类别，节点越大表明在特定时间段内对应的技术类型专利数量越多。

图5 1970-2019 年天然气水合物专利德温特人工代码共现网络图谱

表2 天然气水合物领域技术类型中心性前20 分析结果

3.1 关键技术

在共词网络中，中介中心性是测度节点在网络中重要性的度量。中心性>0.1 的节点为关键节点，中心性强的节点一般代表该领域的关键技术。同时，出现频次高的技术领域，代表受到研究人员的更广泛的关注[7]。

笔者利用Citespce 软件对天然气水合物技术专利德温特人工代码的中心性大小及频次进行统计分析，筛选出标记次数排名前20 项细分技术（见表2）。

从表2 可知，A12-W10[mining，oil wells，含义为采矿、油井]中心性最高为0.35，它所代表的是天然气水合物钻探技术领域。紧随其后的是E10-J02D1[methane，含义为甲烷]，中心性为0.31，它所代表的是本征研究领域，E11-W[environmentally friendly inventions，含义为环保发明（成分/应用）]中心性0.30 位居第三，它所代表的是环境保护领域。Q49-A[mining and quarrying equipment，含义为采矿及采石设备]和T01-J13[scientific analysis，含义为科学分析]中心性均为0.22，涉及开采设备及计算机系统分析。还有一些关键技术领域，如E31-N05C[CO2，含义二氧化碳]中心性0.17、H01-D[producing crude oil and natural gas，含义天然气生产]0.16 及H01-D08[producing crude oil and natural gas - thermal methods，含义加热法生产天然气] 中心性0.14 均代表天然气水合物开采方法及技术领域；T01-J15H [simulation of non-electronic systems，含义非电子系统仿真]中心性0.16，代表模拟实验领域；H01-B06A[water-based drilling fluids，含义为水性钻井液]中心性0.12，代表钻探安全领域。

在中心性排名前20 的技术领域中，从技术维度来看，大多属于T01（电脑控制）及H01（原油和天然气勘探、钻井、生产及处理）领域；从时间维度来看，2010 年后的关键技术主要集中在Q49（采矿）和T01（电脑控制）领域，其中T01-J（数据处理系统）尤为突出，包括T01-J08A1（通用计算机）、T01-J07A（数据采集）、T01-J13（数据分析）、T01-J15H（非电子系统仿真），上述领域自2013年起得到较高关注，具有较大发展潜力。

表3 标记频次前20 位的德温特手工代码

3.2 技术热点

专利共现网络图谱可以展现一段时间内相关专利集中反映的热点类别，出现频次高的领域代表天然气水合物领域的研究热点[8]。借助Citespace 软件的统计分析功能可得1970-2019 年天然气水合物相关专利的出现频次及中心性大小，按出现频次逆序排列，得到排名前20 位的热点技术，如表3 所示。

结合图3 和表3 可知，H06-A02 [（liquefied）natural gas，含义液化天然气]的节点最大，即出现频次最高，258次，它所代表的是水合物制备、合成、储运、添加剂等技术领域。紧随其后的是Q49-A [mining and quarrying equipment，含义采矿设备]和Q49-V35[fluids，slurry，含义液体、液浆]，出现频次均为204 次，代表开采装置、防砂技术等领域。H01-F01 [natural gas-field treatment and processing，含义天然气现场处理与加工]出现频次128，代表现场加工处理技术包括净化、无害化处理等。其他一些热点技术领域，包括E31-N05C[CO2，含义二氧化碳]，频次92 次；A12-W10[mining，oil wells，含义为采矿、油井]，频次75 次；H01-D08[producing crude oil and natural gas - thermal methods，含义加热法生产天然气]，频次69 次；J04-C01[sampling，含义采样]，频次41 次。

从技术领域来看，其部分热点领域与关键技术领域有所重叠，说明天然气水合物相关企业或机构意识到关键技术的重要作用，强化对关键技术的开发。另外，技术热点整体偏向于对天然气水合物钻探技术与装置、开采工艺与设备的研发，与当前行业关注重点切合。

3.3 技术前沿

利用Citespace 词频探测技术，根据词频的时间分布，将频次变化率高的词从大量主题词中探出，形成突现词（Burst Terms）。依靠词频的变动趋势，把突现率（Burst值）高的关键词作为技术前沿。在图5 中，带有深色外圈的节点即为突现率高的技术类别，利用Citespace 数据挖掘，整理每个手工代码的突现年份，抽取20 个高突现率技术类别及其信息，如表4 所示。同时，我们发现，2015-2019 年仍有7 个领域的技术类别研究较为活跃，包括以Q49-A[mining and quarrying equipment，含义采矿设备]为代表的开采设备领域、H01-D03 [producing crude oil and natural gas-pumps，原油和天然气生产-泵]为代表的开采方法及技术领域、T01-J15H[simulation of non-electronic systems，非电子系统仿真]为代表的实验模拟领域及S03-E13D[preparing specimens for investigation，调查取样]为代表的样本调查，具体如表5 所示。

为进一步了解天然气水合物技术研究前沿领域的变化与更迭，将图3 所示的天然气水合物专利德温特人手工代码共现网络转换成对应的Timezone 图谱（图6），可清晰的反映1970-2019 年相关研究的前沿热点演化路径。从整体上讲大致可以分为三个阶段：阶段一，1970-2000 年，以H01-F 为代表，主要涉及传统的石油和天然气现场加工与处理、液化与设备开发与研究，以H03-B为代表的运输与仓储领域的研究受到极大关注，同时，以H06-A 和E10-J02D1 为代表的气态燃料进入研究范围，主要服务于天然气水合物物性等研究。阶段二，2000-2010 年，主要涉及三个方面，以J04-C 为代表，侧重于勘察、取样，以H01-C 为代表，主要集中于完井技术，以H01-B、E31-N05C 为代表，主要服务于天然气水合物开采技术与设备开发，以E11-W 为代表，对开采环境保护的技术进入研究范围。阶段三，2010-至今，主要涉及天然气水合物的勘探方法与仪器设备开发与研究、反应器工艺、开采技术与设备再优化、数据监测与采集系统等，分别以S03-E、Q49-A、J04-X03、H01-B03C1、T01-J13 为代表。

表4 按强度排列的前20 位手工代码对应名称

表5 按强度排列的2015-2019 年手工代码对应名称

4 结论

本文基于Citespace 可视化软件，对DII 数据库中公开的天然气水合物相关专利（1970-2019 年）进行了统计和可视化分析，得出以下结论：

第一，天然气水合物领域技术处于快速发展阶段。2000 年后其专利申请量大幅攀升，中美日3 国天然气水合物专利数量占明显优势，俄罗斯、韩国、德国、英国、法国也是重要的专利权国。从近几年的专利申请活跃度来看，中国呈快速增长态势。

第二，天然气水合物领域技术发展态势比较集中，主要专利权人拥有专利数据显示出集聚优势。排名前10 专利权人分布在中国和日本，拥有超1/3 的专利总量。中国专利权人主要分属于西南石油大学、中国石油大学、广州海洋地质调查局、中国海洋石油总公司、大庆东油睿佳石油科技有限公司，其中大庆东油睿佳石油科技有限公司近年专利申请比较活跃。三井造船和三菱重工是日本最主要的专利权人。美国的雪弗龙公司、韩国三星重工及大宇造船、德国科莱恩、英国石油公司、法国石油公司、俄罗斯石油天然气公司等均是重要的专利权人。

第三，天然气水合物领域技术合作紧密度欠佳、技术壁垒比较高。机构之间的合作脉络较为分散，但中日主要专利权人仍呈现出相对紧密的对外合作态势，中国以石油地质资源类大学、科研院所为主体形成紧密的国内合作网，而日本呈现出以三井造船等企业为主体的国际、国内协作网络。

第四，从专利技术主题分析，目前天然气水合物技术发展偏向于本征研究领域、开采技术与设备领域，以及服务于二者的计算机处理系统及技术三大领域。通过手工代码共现网络、中心性及词频分析，本征研究领域集中于基础物性研究、实验模拟领域；开采技术与设备领域主要集中于开采方法与技术及开发设备；计算机处理系统集中于数据的采集、控制、处理和分析领域。

第五，通过对天然气水合物研发前沿分析，目前天然气水合物的技术领域从物性研究、勘探开采探索阶段发展到以资源评价为基础、开发技术、工艺与设备优化提升的阶段，以适应高效、安全开采的要求。伴随开发引起的环境问题的重视，以绿色开发为代表的环境保护技术与计算机控制技术一起受到越来越广泛的关注。

鉴于当前天然气水合物开发整体上将从“试验性试采”到“生产性试采”阶段，为抢占全球能源发展的战略制高点，国家应在产业层面高度重视，加快产业政策引导、加强平台的建设，瞄准关键环节，统筹优势资源重点突破；高校及科研院所应跟踪产业动态，面向应用推进基础研究，加快成果转移转化；企业层面应加强产学研合作及国际协作，夯实核心技术储备，努力构筑自有的知识产权体系，提升企业自主竞争能力。

图6 1970-2019 年德温特人工代码时区图