基于Citespace 的天然氣水合物國際專利現狀研究與趨勢分析*

王智勇，秦建軍，柳戌昊，劉雯晶

（四川省科學技術信息研究所，四川 成都610000）

引言

天然氣水合物（可燃冰）被認為是21 世紀最具潛力的接替煤炭、石油和天然氣的新型潔凈能源之一。世界各國尤其是發達國家及資源短缺國家針對其進行了大量的研究與開發[1]。

據不完全統計，全球已超過40 個國家和地區開展了天然氣水合物調查研究[2]，美國、日本、加拿大、俄羅斯、韓國、德國、印度、新西蘭、中國等國家相繼制定了天然氣水合物的發展踐線圖，納入國家能源中長期規劃，通過開發計劃和項目資助等形式對天然氣水合物進行開發研究。在勘探技術、開采技術、儲運技術等方面均取得重要進展，但全球范圍內的天然氣水合物尚處于研究階段，尚未實現商業化開采[3]，共同面臨著安全環保、成本高企、關鍵技術突破等問題。

根據相關產業政策和規劃，全球主要國家將從2020年始開啟天然氣水合物商業化開采進程。為探究各國天然氣水合物國際專利主要布局及分布，整體掌握天然氣水合物技術開發狀況，為各類創新主體的研發、創新活動及知識產權布局等提供信息參考和幫助。本文基于德溫特專利數據庫（DII），運用Citespace 科學知識可視化工具，繪制關鍵詞共現圖譜，識別天然氣水合物國際專利技術領域、熱點及前沿，并對發展趨勢進行分析。

1 數據來源與方法

1.1 數據來源

本文基礎數據來源于Web of science 的Derwent Innovations Index（DII），利用主題詞“natural gas hydrate”進行檢索，時間跨度為1970-2019，檢索時間為2019 年12 月12 日，共檢索到專利2952 項。

1.2 研究方法

利用DII 記錄導出功能，記錄內容選擇為“全紀錄”，使每條記錄涵蓋專利號、標題、專利權人、摘要、德溫特手工代碼等信息，文件格式選擇為純文本，檢索專利項全部導出，并運用Citespace 文獻可視化分析軟件[4]對導出數據格式進行轉換和分析參數設置，進行專利計量及知識圖譜繪制，開展技術熱點及前沿領域的識別，并對技術趨勢進行探析。

2 國內外天然氣水合物技術研究趨勢

2.1 專利時間態勢分布

圖1 顯示了1970-2019 年期間全球天然氣水合物關鍵技術專利申請整體呈上升趨勢。其中，1970-2000 年，天然氣水合物專利申請呈平穩增長態勢但申請量整體偏小。進入2000 年后，專利申請量逐年大幅攀升，2007 年和2013 年分別出現二個申請小高峰，而后，專利申請數稍有回落。2017 年專利總數回升并于2018 年達到最高峰的328 項，其中中國專利250 項，其申請量的快速增長與國家層面對天然氣水合物研究的高度重視有關。2017年5 月，我國首次海域天然氣水合物試采成功。11 月3日，天然氣水合物被批準為我國第173 個新礦種。

圖1 1970-2019 年在天然氣水合物專利申請趨勢

2.2 專利權人國家分布

為考察全球天然氣水合物技術在重點國家和地區的分布態勢，了解其專利產出與技術實力，同時，消除PCT專利面向多個國家和地區，不便統計的因素[5]，本文采用專利優先權屬對專利技術分布進行統計分析。天然氣水合物專利申請較為集中（見圖2），主要集中在中國（CN+TW）、美國（US）、日本（JP）、俄羅斯（RU+SU）、韓國（KR）和德國（DE）等國家。其中，中國專利申請量1275 項，占總量的43%，位居首位；美國專利申請量481 項，占總量的16%，居第二位；日本申請量449 項，占總量的15%，位居第三；俄羅斯（含蘇聯）申請量245 項，占總量的9%，居第四位。

圖2 天然氣水合物專利按優先權的地區分布

2.3 主要專利權人分布

表1 給出了天然氣水合物研究領域專利數量排名前10 的專利權人，共擁有專利732 項，占專利總數的31.35%。排名前10 的專利權人中，中國7 家、日本3 家。可以看出，中國和日本在天然氣水合物的研發實力優勢突出，但在研究力量分布上存在較大差異。其中，中國的專利申請以石油地質類高校、科研院所為主，企業專利申請相對較弱，但大慶東油睿佳石油科技有限公司表現突出，擁有專利89 項。日本的企業研發實力較強，以三井造船、三菱重工、住友重工為代表的企業擁有較多專利，其中三井造船公司的專利總量位居榜首。排名前25 的國外主要專利權人還包括Instfrancais Du Petrole（法國）、Chevron Usainc（美國）、Samsung Heavy Ind Co Ltd（韓國）、Shell Int Res Mijbv（荷蘭）等。

2.4 專利權人合作分布

對天然氣水合物專利申請機構分析，可以幫助明確該領域研究的主要專利權人及現狀。在Citespace 可視化軟件中對檢索的2952 項專利進行專利權人及其合作網絡分析，設時間間隔為4 年，時間跨度為1970-2019，主題詞來源于標題、摘要、作者關鍵詞、附加關鍵詞，網絡節點選擇Institution，提取每個時區中出現頻率最高的前50個數據、其他閥值為系統默認，運行得到機構（專利權人）合作圖譜（見圖3）。

圖譜中共有去重后的節點（Nodes）168 條，71 條節點連線（Links），網絡密度0.0051，明顯析出2 組機構合作網絡圖譜，從整體上看，天然氣水合物研究機構之間合作強度較弱，但呈現出中國以高校為主體、日本企業為代表的機構合作態勢。

表1 天然氣水合物國際專利權人TOP10

圖3 主要專利權人及合作網絡

從圖3 可知，中國整體呈現出以石油地質類高校、科研院所為中心的合作網絡，形成2 大合作群。一是以西南石油大學-中國石油大學-青島海洋地質研究所-大連理工大學-吉林大學-廣州海洋地質調查局-大慶東油睿佳石油科技有限公司為主體的協作網；二是以中科院廣州能源研究所-廣州海洋地質調查局-中國石油天然氣有限公司為主體的合作網。

日本呈現出以三井造船為核心的企業協作網，形成內外2 大協作群。一是國內協作網，以三井造船-三菱重工-住友重工-石川島播磨重工為主導；二是國際合作網，以三井造船-住友重工-美國菲利普斯石油公司-美國雪弗龍公司-大西洋富田公司為核心。

2.5 專利技術主題分布

關鍵詞聚類知識圖譜可以反映研究熱點領域構成[6]。為考察天然氣水合物專利的整體技術布局及分布狀況，利用Citespace 聚類功能對關鍵詞共現圖譜進行聚類操作。選擇術語詞匯noun Phrases，節點類型keyword，其他條件同2.4，運行并聚類，得到共9 個聚類（Cluster#0-8）。選擇索引詞indexing Terms 對聚類進行標簽，利用llr（Log-Likelihood Ratio）算法，得到天然氣水合物專利關鍵詞聚類視圖。（見圖4）

由圖4 左上角信息可知，圖譜中有284 個網絡節點，1565 條節點連線，網絡密度0.0389，聚類分析得到模塊值（Q 值）為0.5482>0.3，意味劃分出的網絡聚類較好，平均輪廓值（S 值）為0.702>0.7，說明網絡同質性較高，聚類是高效率令人信服的。

圖譜顯示，天然氣水合物國際專利主要集中在9 個技術主題領域，分別為聚類#0 H06（氣態和液體燃料）、聚類#1 A97（油井應用等其他聚合物）、聚類#2 S03（科學儀器）、聚類#3 T06（過程與機器控制）、聚類#4 E36（非金屬、半金屬及其化合物）、聚類#5 H01（原油和天然氣勘探、鉆井、生產及處理）、聚類#6 H02（單元操作-包括蒸餾，吸附和溶劑萃取）、聚類#7 B04（天然產物及聚合物）、聚類#8 Q31（包裝工藝與設備），除聚類#8外，其他聚類都較為集中，許多關鍵詞重復出現在多個聚類中，綜合來看，天然氣水合物是一個集勘探、開采、制備及儲運多技術內容并存多學科交叉的復合研究領域。

圖4 天然氣水合物專利關鍵詞聚類圖譜

3 天然氣水合物關鍵技術、技術熱點、技術前沿

德溫特手工代碼（MC）標識了專利文獻的詳細技術領域，相當于論文的“關鍵詞”，對其分析有助于發現研究熱點及技術前沿。筆者利用Citespace 信息可視化軟件對前面確認的2952 項專利文獻進行可視化分析，類型選擇突現詞burst、節點類型category，閥值為（2，2，20）、（4，3，20）、（4，3，20），修 剪 算 法 為pathfinder-Pruning Sliced Networks，其他條件同2.4，運行得到其專利德溫特人工代碼共詞圖譜（見圖5）。圖5 中有174 個網絡節點，256 條節點連線，網絡密度0.017，每一個節點代表一個技術類別，節點越大表明在特定時間段內對應的技術類型專利數量越多。

圖5 1970-2019 年天然氣水合物專利德溫特人工代碼共現網絡圖譜

表2 天然氣水合物領域技術類型中心性前20 分析結果

3.1 關鍵技術

在共詞網絡中，中介中心性是測度節點在網絡中重要性的度量。中心性>0.1 的節點為關鍵節點，中心性強的節點一般代表該領域的關鍵技術。同時，出現頻次高的技術領域，代表受到研究人員的更廣泛的關注[7]。

筆者利用Citespce 軟件對天然氣水合物技術專利德溫特人工代碼的中心性大小及頻次進行統計分析，篩選出標記次數排名前20 項細分技術（見表2）。

從表2 可知，A12-W10[mining，oil wells，含義為采礦、油井]中心性最高為0.35，它所代表的是天然氣水合物鉆探技術領域。緊隨其后的是E10-J02D1[methane，含義為甲烷]，中心性為0.31，它所代表的是本征研究領域，E11-W[environmentally friendly inventions，含義為環保發明（成分/應用）]中心性0.30 位居第三，它所代表的是環境保護領域。Q49-A[mining and quarrying equipment，含義為采礦及采石設備]和T01-J13[scientific analysis，含義為科學分析]中心性均為0.22，涉及開采設備及計算機系統分析。還有一些關鍵技術領域，如E31-N05C[CO2，含義二氧化碳]中心性0.17、H01-D[producing crude oil and natural gas，含義天然氣生產]0.16 及H01-D08[producing crude oil and natural gas - thermal methods，含義加熱法生產天然氣] 中心性0.14 均代表天然氣水合物開采方法及技術領域；T01-J15H [simulation of non-electronic systems，含義非電子系統仿真]中心性0.16，代表模擬實驗領域；H01-B06A[water-based drilling fluids，含義為水性鉆井液]中心性0.12，代表鉆探安全領域。

在中心性排名前20 的技術領域中，從技術維度來看，大多屬于T01（電腦控制）及H01（原油和天然氣勘探、鉆井、生產及處理）領域；從時間維度來看，2010 年后的關鍵技術主要集中在Q49（采礦）和T01（電腦控制）領域，其中T01-J（數據處理系統）尤為突出，包括T01-J08A1（通用計算機）、T01-J07A（數據采集）、T01-J13（數據分析）、T01-J15H（非電子系統仿真），上述領域自2013年起得到較高關注，具有較大發展潛力。

表3 標記頻次前20 位的德溫特手工代碼

3.2 技術熱點

專利共現網絡圖譜可以展現一段時間內相關專利集中反映的熱點類別，出現頻次高的領域代表天然氣水合物領域的研究熱點[8]。借助Citespace 軟件的統計分析功能可得1970-2019 年天然氣水合物相關專利的出現頻次及中心性大小，按出現頻次逆序排列，得到排名前20 位的熱點技術，如表3 所示。

結合圖3 和表3 可知，H06-A02 [（liquefied）natural gas，含義液化天然氣]的節點最大，即出現頻次最高，258次，它所代表的是水合物制備、合成、儲運、添加劑等技術領域。緊隨其后的是Q49-A [mining and quarrying equipment，含義采礦設備]和Q49-V35[fluids，slurry，含義液體、液漿]，出現頻次均為204 次，代表開采裝置、防砂技術等領域。H01-F01 [natural gas-field treatment and processing，含義天然氣現場處理與加工]出現頻次128，代表現場加工處理技術包括凈化、無害化處理等。其他一些熱點技術領域，包括E31-N05C[CO2，含義二氧化碳]，頻次92 次；A12-W10[mining，oil wells，含義為采礦、油井]，頻次75 次；H01-D08[producing crude oil and natural gas - thermal methods，含義加熱法生產天然氣]，頻次69 次；J04-C01[sampling，含義采樣]，頻次41 次。

從技術領域來看，其部分熱點領域與關鍵技術領域有所重疊，說明天然氣水合物相關企業或機構意識到關鍵技術的重要作用，強化對關鍵技術的開發。另外，技術熱點整體偏向于對天然氣水合物鉆探技術與裝置、開采工藝與設備的研發，與當前行業關注重點切合。

3.3 技術前沿

利用Citespace 詞頻探測技術，根據詞頻的時間分布，將頻次變化率高的詞從大量主題詞中探出，形成突現詞（Burst Terms）。依靠詞頻的變動趨勢，把突現率（Burst值）高的關鍵詞作為技術前沿。在圖5 中，帶有深色外圈的節點即為突現率高的技術類別，利用Citespace 數據挖掘，整理每個手工代碼的突現年份，抽取20 個高突現率技術類別及其信息，如表4 所示。同時，我們發現，2015-2019 年仍有7 個領域的技術類別研究較為活躍，包括以Q49-A[mining and quarrying equipment，含義采礦設備]為代表的開采設備領域、H01-D03 [producing crude oil and natural gas-pumps，原油和天然氣生產-泵]為代表的開采方法及技術領域、T01-J15H[simulation of non-electronic systems，非電子系統仿真]為代表的實驗模擬領域及S03-E13D[preparing specimens for investigation，調查取樣]為代表的樣本調查，具體如表5 所示。

為進一步了解天然氣水合物技術研究前沿領域的變化與更迭，將圖3 所示的天然氣水合物專利德溫特人手工代碼共現網絡轉換成對應的Timezone 圖譜（圖6），可清晰的反映1970-2019 年相關研究的前沿熱點演化路徑。從整體上講大致可以分為三個階段：階段一，1970-2000 年，以H01-F 為代表，主要涉及傳統的石油和天然氣現場加工與處理、液化與設備開發與研究，以H03-B為代表的運輸與倉儲領域的研究受到極大關注，同時，以H06-A 和E10-J02D1 為代表的氣態燃料進入研究范圍，主要服務于天然氣水合物物性等研究。階段二，2000-2010 年，主要涉及三個方面，以J04-C 為代表，側重于勘察、取樣，以H01-C 為代表，主要集中于完井技術，以H01-B、E31-N05C 為代表，主要服務于天然氣水合物開采技術與設備開發，以E11-W 為代表，對開采環境保護的技術進入研究范圍。階段三，2010-至今，主要涉及天然氣水合物的勘探方法與儀器設備開發與研究、反應器工藝、開采技術與設備再優化、數據監測與采集系統等，分別以S03-E、Q49-A、J04-X03、H01-B03C1、T01-J13 為代表。

表4 按強度排列的前20 位手工代碼對應名稱

表5 按強度排列的2015-2019 年手工代碼對應名稱

4 結論

本文基于Citespace 可視化軟件，對DII 數據庫中公開的天然氣水合物相關專利（1970-2019 年）進行了統計和可視化分析，得出以下結論：

第一，天然氣水合物領域技術處于快速發展階段。2000 年后其專利申請量大幅攀升，中美日3 國天然氣水合物專利數量占明顯優勢，俄羅斯、韓國、德國、英國、法國也是重要的專利權國。從近幾年的專利申請活躍度來看，中國呈快速增長態勢。

第二，天然氣水合物領域技術發展態勢比較集中，主要專利權人擁有專利數據顯示出集聚優勢。排名前10 專利權人分布在中國和日本，擁有超1/3 的專利總量。中國專利權人主要分屬于西南石油大學、中國石油大學、廣州海洋地質調查局、中國海洋石油總公司、大慶東油睿佳石油科技有限公司，其中大慶東油睿佳石油科技有限公司近年專利申請比較活躍。三井造船和三菱重工是日本最主要的專利權人。美國的雪弗龍公司、韓國三星重工及大宇造船、德國科萊恩、英國石油公司、法國石油公司、俄羅斯石油天然氣公司等均是重要的專利權人。

第三，天然氣水合物領域技術合作緊密度欠佳、技術壁壘比較高。機構之間的合作脈絡較為分散，但中日主要專利權人仍呈現出相對緊密的對外合作態勢，中國以石油地質資源類大學、科研院所為主體形成緊密的國內合作網，而日本呈現出以三井造船等企業為主體的國際、國內協作網絡。

第四，從專利技術主題分析，目前天然氣水合物技術發展偏向于本征研究領域、開采技術與設備領域，以及服務于二者的計算機處理系統及技術三大領域。通過手工代碼共現網絡、中心性及詞頻分析，本征研究領域集中于基礎物性研究、實驗模擬領域；開采技術與設備領域主要集中于開采方法與技術及開發設備；計算機處理系統集中于數據的采集、控制、處理和分析領域。

第五，通過對天然氣水合物研發前沿分析，目前天然氣水合物的技術領域從物性研究、勘探開采探索階段發展到以資源評價為基礎、開發技術、工藝與設備優化提升的階段，以適應高效、安全開采的要求。伴隨開發引起的環境問題的重視，以綠色開發為代表的環境保護技術與計算機控制技術一起受到越來越廣泛的關注。

鑒于當前天然氣水合物開發整體上將從“試驗性試采”到“生產性試采”階段，為搶占全球能源發展的戰略制高點，國家應在產業層面高度重視，加快產業政策引導、加強平臺的建設，瞄準關鍵環節，統籌優勢資源重點突破；高校及科研院所應跟蹤產業動態，面向應用推進基礎研究，加快成果轉移轉化；企業層面應加強產學研合作及國際協作，夯實核心技術儲備，努力構筑自有的知識產權體系，提升企業自主競爭能力。

圖6 1970-2019 年德溫特人工代碼時區圖