2021年2期
创新前沿
科技创新与应用
Technology Innovation and Application
现状研究与趋势分析*
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。 摘要：探究各国天然气水合物关键技术专利布局及技术趋势，为各类创新主体的研发、创新活动及知识产权布局提供信息参考。文章以德温特创新索引专利数据库中收录的1970-2019年间天然气水合物相关专利为数据基础，利用科学计量工具Citespace 绘制天然气水合物专利科学知识图谱，识别了主要专利权人、技术热点和前沿领域，并对其发展趋势进行了分析。结果表明：中国、日本、美国拥有的天然气
水合物专利较多，中国专利在近2年快速增长；主要专利权人呈现小集中、大分散的特点，明显形成以中国和日本为主体的2大研究合作体；开采方法与技术、计算机控制、环境保护既是热点领域，也是关注度较高的前沿技术领域，是实现天然气水合物商业化开发持续突破的方向。
关键词：天然气水合物；Citespace ；专利分析中图分类号:TK01
文献标志码:A
文章编号:2095-2945(2021)02-0001-07
Abstract :The research project was conducted to probe into the patent portfolio and technological trend of the key
technologies on natural gas hydrate(NGH)in different countries.Thus,it is designed to open up referential ideas for the R&D,innovation and intellectual property portfolio of various innovators.this paper uses the relevant patents on gas hydrate from
1970to 2019included in Derwent Innovations Index
(DII)as data foundation and plots mapping knowledge domain of patents
on gas hydrate with the Scientific measuring tool Citespace.Meanwhile,it identifies the major patentee,technical hot points and frontier fields and analyzes their development tendency.It's found that China,Japan and the United States possess
relatively more patents than other countries while China's patents have increased rapidly in the recent two years;the major patentee is centralized in a small area but dispersed in large area,forming two research cooperation groups with China and Japan as their main part respectively;as the hot academic themes and frontier technologies,mining method and technology,computer control and environmental protection are also directions for realizing continuous breakthroughs in the commercial
development of natural gas hydrate.
Keywords :natural gas hydrate(NGH);Citespace;patent analysis
*基金项目：四川省科技基础条件平台项目(编号:2019JDPT0027)
作者简介：王智勇（1984-），男，本科，工程师，研究方向：科技信息；秦建军（1975-），男，本科，高级工程师，研究方向：
科技信息；柳戌昊（1970-），女，本科，研究员，研究方向：
产业研究。*通讯作者：刘雯晶（1986-），女，硕士，助理研究员，
研究方向：科技信息。1--
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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11970-2019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
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表1天然气水合物国际专利权人TOP10
的机构合作态势。
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。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。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#0H06（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#3T06（过程与机器控制）、聚类#4E36（非金属、半金属及其化合物）、聚类#5H01（原油和
天然气勘探、钻井、生产及处理）、聚类#6H02（单元操作-包括蒸馏，吸附和溶剂萃取）、聚类#7B04（天然产物及聚合物）、聚类#8Q31（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。
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
专利数量 专利权人
专利权人所属国家
184 mitsuieng shipbuilding co ltd 日本 131 univ southwest petroleum 中国 89 daqingdongyouruijiaretroleumtechnolo
中国 70 univ china petroleum 中国 50 univ dalian technology 中国 46 qingdaoinst marine geology
中国 42 chugokudenryoku kk
日本 41 univ jilin 中国 40 mitsubishijukogyo kk
日本 39
guangzhou marine geological survey
中国
图3主要专利权人及合
作网络
图4天然气水合物专利关键词聚类图谱
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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。
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[CO 2，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
图51970-2019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
中心性 出现频次
年份 人工代码 英文 释义 0.35 75 1983 A12-W10 mining, oil wells
采矿、油井
0.31 84 1998 E10-J02D1 methane
甲烷 0.30 40 2010 E11-W environmentally friendly inventions 环保发明 0.22 204 2011 Q49-A mining and quarrying equipment
采矿和采石设备
0.22 25 2013 T01-J13 scientific analysis 科学分析 0.21 204 2013 Q49-V35 fluids, slurry 液体、浆液 0.20 258 1998 H06-A02 (liquefied) natural gas 液化天然气 0.20 50 1974 H01-F natural gas [unclassified]
天然气 0.19 128 1970 H01-F01 natural gas - field treatment and processing
现场处理与加工
0.17 92 2002 E31-N05C co 2
二氧化碳 0.16 55 1978 H01-D producing crude oil and natural gas
石油天然气生产
0.16 15 1979 J01-E03 gas separation [general] 气体分离 0.16 25 2016 T01-J15H simulation of non-electronic systems
非电子系统仿真 0.14 69 1974 H01-D08 producing crude oil and natural gas - thermal methods
加热法生产天然气和石油
0.14 41 2010 J04-C01 sampling
采样 0.14 11 2016 T01-J07A data collection/acquisition
数据采集 0.14 8 2016 T01-J08A1 using external, general purpose computer
外部通用计算机
0.13 27 2010 E11-Q01B purification by physical means 物理纯化 0.12 15 2010 H01-B06A water-based drilling fluids
水性钻井液 0.12
62
2010
H06-P
fuel preparation
燃料制备
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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。
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 e -
quipment ，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[CO 2，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 natu -
ral 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]
出现频次 中心性 年份 手工代码 英文
释义 258 0.2 1998 H06-A02 (liquefied) natural gas 液化天然气 204 0.22 2011 Q49-A mining and quarrying equipment
采矿和采石设备 204 0.21 2013 Q49-V35 fluids, slurry
液体、浆液 128 0.19 1970 H01-F01 natural gas-field treatment and processing
现场处理与加工
99 0.03 1999 H06-A gaseous fuels
气态燃料 92 0.17 2002 E31-N05C co 2 二氧化碳 84 0.31 1998 E10-J02D1 methane 甲烷 75 0.35 1983 A12-W10 mining, oil wells
采矿、油井
69 0.14 1974 H01-D08 producing crude oil and natural gas - thermal methods
加热法生产天然气和石油
63 0.02 2010 H01-B03D transmission/generation of power, data
发电/数据传输 62 0.12 2010 H06-P fuel preparation
燃料制备
55 0.08 2010 H01-B03B3
rotary drilling - valves and control equipment
旋转钻孔—阀门和控制设备
53 0.03 2014 Q49-H maintenance equipment 设备维护 50 0.20 1974 H01-F natural gas [unclassified]
天然气 47 0.04 2008 H06-X01 treatment of fuels 燃料处理 44 0.05 2014 Q49-A01 extraction equipment 提取设备 43 0.02 1982 E10-J02D aliphatic saturated hydrocarbons 脂肪族饱和烃 43 0.07 2010 H01-B03C3
rotary drilling - drill pipe
旋挖钻杆 42 0.06 2010 H01-B01 marine drilling structures and equipment
钻井船结构和设备
41
0.14
2010
J04-C01
sampling
采样
表3标记频次前20位的德温特手工代码
5--
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