煤矿采空区煤层气钻井施工堵漏液研制
Study and develop on leak plugging fluid for CBM drilling in goaf of coal mine
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摘要: 为解决在煤矿采空区施工煤层气井时出现的钻井液恶性漏失、掉块卡钻、下套管遇阻等问题，以采空区覆岩特征为研究基础，通过对比激活剂、悬浮剂及降失水剂的不同添加量对堵漏液性能的影响，确定了各添加剂的最优添加量，形成了一种具有固化功能的无机胶凝材料钻井堵漏液，其配方为：100%水+5%激活剂+0.5%悬浮剂+ 3%降失水剂+54%矿渣。该堵漏液在30 ℃条件下流动度为21 cm，稠化时间在61 min以内，1 d抗压强度大于6 MPa，其性能指标满足煤矿区煤层气浅井堵漏要求。为进一步分析该堵漏液的作用机理，采用扫描电镜、X-射线及热重分析等现代测试分析方法对形成的固化体进行测试，结果表明：堵漏液中的胶凝材料与水接触后发生水化反应生成C—S—H凝胶，随着时间的增加，C—S—H凝胶越来越多，最终水化产物的结构越来越致密形成了较高的抗压强度。宏观表征即：具有良好流动性的堵漏液通过泵送进入地层裂缝，浆液填充裂缝直至裂缝被充满，随着水化反应的进行堵漏液逐步失去流动性，最终原裂隙发育地层形成一个胶结具有承压能力的整体，实现了堵漏。Abstract: The leakage of drilling fluid, block stuck, and casing resistance is a severe problem when constructing coalbed methane wells in coal mine gobs.Based on the characteristics of overburden of gob, the ideal adding amount of each additive is determined by comparing the effects of different amount of activator, suspension concentrate, and fluid loss additive on the performance of plugging fluid. An inorganic cementsolidifying drilling plugging solution is developed, the formula of which is 100% water, 5% activator (JHQ), 0.5% suspending agent (CMC), 3% fluid loss agent (G33S), and 54% slag. This drilling plugging fluid has fluidity of 21 cm at 30 ℃, thickening time within 61 min, and 1 d compressive strength of over 6 MPa. The performance parameters meet the requirements for plugging fluid used in shallow well in coal mines. To further analyze the mechanism of the plugging solution, the formed solidified body was tested using modern testing methods such as SEM, XRD, and thermal analysis. The results show that when contacting with water, hydration reaction occurred on the cementation material of plugging solution, producing C-S-H gelation which increases with time. The structure of the final hydration product becomes denser gradually, resulting in higher compressive strength. The whole process that the plugging fluid realizes plugging can be described as three steps-the plugging fluid with good fluidity is first pumped into the formation crack, filling the crack until full, then the plugging fluid gradually loses fluidity as the hydration reaction proceeds, and finally forms a cementation in the original fissure to realize plugging.
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Keywords:
- coalbed methane /
- gob /
- leaking stoppage /
- slag /
- solidified body
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0. 引 言
随着世界人口的快速增长和工业化进程的加速，全球二氧化碳排放量持续攀升，温室效应危机日益严峻。中国提出了力争2030年前碳达峰、到2060年实现碳中和的战略目标[1]。“十四五”阶段是我国应对气候变化、实现碳达峰目标的关键窗口期，也是工业实现绿色低碳转型的重要阶段。我国以风能、太阳能和潮汐能等为代表的清洁能源发展迅猛，但由于其间歇性和不稳定性使得新能源消纳问题愈发突出[2]。
压缩空气储能（Compressed Air Energy Storage，CAES）作为一种大规模长时性的物理储能技术，是解决弃风、弃光、实现电网削峰填谷，最有效、最经济的手段之一[3]。它是构建新型电力系统、支撑能源结构转型升级的有效途径，也是分布式能源系统和实现“双碳”目标的关键技术，国家大力发展的战略性新兴产业，极具发展潜力[4]。CAES的基本原理是在电网负荷低谷期将电能转化为压缩空气进行存储，在负荷高峰期释放压缩空气驱动汽轮机发电[5]。其具有储存容量大、单位成本低、建设周期短、使用寿命长、清洁环保和安全可靠等诸多优点，可广泛应用于智能电网削峰填谷和大规模新能源消纳等，被称为能源革命的支撑技术[6]。
地下CAES的主要储气方式有：盐穴、人工硐室、废弃矿井等。地下CAES是地下储能（深部地下储能或深地储能）的一部分，与被储存于深部地层（地下盐穴、采空室、废弃矿井等）的石油、天然气、氢气、二氧化碳和氦气等能源同等重要，对保障国家能源安全、战略物资安全以及实现“双碳”目标等具有重要意义[7]。盐穴即地下盐层被开采后留下的空腔，储气容量大、密封性良好且技术成熟，是储存高压空气的理想场所[8]。人工硐室是在地下连续的岩体中人工开挖成型获取的大容量围岩硐室，内有密封层，可存储大容量高压空气[9]。废弃矿井是利用符合储气条件的废弃井或洞穴改建的地下储能库，其近年来因矿井关停数量增加而展现出巨大潜力[10]。
自1949年德国Stal Laval公司提出利用地下盐穴储存压缩空气以来，国内外学者相继开展了大量研究工作[11]。1978年，德国利用地下盐穴构建了全球第1台商业运行CAES Huntorf电站，至今仍在运行。此后，美国McIntosh电站、Norton电站，中国金坛盐穴CAES电站等陆续投入使用或建设中。进入21世纪，以“双碳”目标为核心理念的CAES技术迅速发展，并衍生出多种技术路线和示范应用[12]。2016—2023年间，我国自主研发的新型压缩空气储能电站不断建设和完工，地下CAES技术呈现出多点开花的良好发展态势[13]。2022年，国家发展改革委和国家能源局联合发布的《“十四五”新型储能发展实施方案》明确提出：“开展压缩空气储能等关键核心技术、装备和集成优化设计研究。到2025年，新型储能将从商业化初期步入规模化发展阶段，具备大规模商业化应用条件”。这一规划标志着CAES进入了重要的发展机遇期[14]。利用盐穴等地下空间储存压缩空气是最为经济、最为安全的储存方式，将成为各大能源企业的新宠，形成新型储能系统运行模式和战略性新兴产业集群，有力推进我国地下CAES技术的规模化、产业化和商业化发展进程。2024年《政府工作报告》中首次提出“发展新型储能”，进一步彰显了地下CAES技术的重要战略意义。未来10年将是我国地下储气库建设的高峰期[6]。
目前，针对地下CAES的研究，我国已取得丰硕成果[21]。然而，尚未见学者运用知识图谱结合文献计量的方法对该领域进行系统的可视化分析。基于知识图谱的可视化分析正展现出强大的潜力，它能够为各研究领域提供真实且有价值的参考信息。利用新兴科学知识图谱可视化分析是探索地下CAES领域未来发展的有效手段，可以快速厘清地下CAES领域的核心体系、研究热点和前沿趋势[22]。该方法已在多个领域得到了广泛应用，并取得了显著成效。如：① HUANG等[23]使用VOSviewer和CiteSpace软件，分析了大规模地下能源储存的发展现状、研究前沿及未来趋势；② WANG等[24]通过Citespace和LDA主题建模，分析了美国、日本、欧洲和中国在储能技术领域的研究，发现电化学储能研究增长显著，美国和欧洲在储能技术领域具有稳定的领先地位；③ ZHU等[25]采用VOSviewer和CiteSpace软件，对储氢安全领域的文献进行了共现、共被引及突现分析，揭示了研究热点与前沿。
综上所述，为了厘清我国地下CAES领域的研究现状与发展态势，笔者以中国知网（CNKI）数据库和Web of Science（WOS）核心合集数据库1985—2023年关于地下CAES领域的相关文献为基础，利用VOSviewer、CiteSpace科学知识图谱可视化软件和Origin软件进行计量分析，系统梳理我国地下CAES领域的发展脉络、研究主线及热点前沿趋势。笔者旨在为我国地下CAES研究的未来发展提供真实且有价值的参考数据和技术指导，为推动相关技术的创新与实践作出贡献。
1. 数据来源及研究方法
1.1 数据源检索
笔者以CNKI数据库（学术期刊、学位论文）和WOS核心合集数据库作为数据源。首先，根据研究领域相关主题词构建检索式。其次，从相关文献提取发表年份、期刊、基金项目、机构、国家、作者和关键词等信息，进行可视化分析，绘制相应网络、共现、聚类知识图谱。最后，揭示研究领域的热点与发展趋势。表1展示了国内外部分地下CAES项目的情况。
地点 项目 储气方式 输出功率/MW 运行年份 德国 Huntorf电站 盐穴 290 1978 美国 McIntosh电站 盐穴 110 1991 美国 Norton电站 人工硐室 270 2001 日本 上砂川町CAES示范项目 废弃矿井 2 2001 澳大利亚 SilverCity项目 废弃矿井 200 建设中 中国江苏 金坛盐穴CAES国家试验示范项目 盐穴 60 2022 中国湖北 中国能建应城CAES电站示范工程 盐穴 300 2024 中国山东 中储国能肥城盐穴CAES示范项目 盐穴 300 2024 中国山东 中国电建肥城盐穴CAES电站项目 盐穴 2×300 建设中 中国山东 中国能建泰安CAES创新示范项目 盐穴 350 建设中 中国河南 叶县盐穴CAES电站项目 盐穴 200 建设中 中国江苏 淮安盐穴CAES电站项目 盐穴 2×300 建设中 中国云南 昆明安宁CAES电站示范项目 盐穴 300 建设中 中国湖南 湘乡CAES电站工程 人工硐室 300 建设中 中国河北 张家口CAES示范项目 人工硐室 100 2022 中国宁夏 大唐中宁CAES示范项目 人工硐室 100 建设中 中国辽宁 朝阳CAES电站示范工程 人工硐室 300 建设中 中国甘肃 酒泉玉门CAES电站示范工程 人工硐室 300 建设中 中国山西 云冈矿北大巷废弃巷道CAES电站项目 废弃矿井 60/100 建设中 中国山东 底阁镇石膏矿井CAES示范项目 废弃矿井 110 建设中 中国山东 中国石化胜利油田项目 枯竭油气藏 100 可研阶段 中国青海 中国石油青海油田项目 枯竭油气藏 50 可研阶段 为提高文献分析的准确性和效率，本研究对检索结果进行了严格筛选，剔除主编寄语、会议、报纸、广告、图书、年鉴等与计量分析无关的信息，以确保分析结果的科学性和有效性。
1.1.1 CNKI检索
进入中国知网检索首页，仅勾选学术期刊和学位论文选项，点击高级检索，增添检索行数，检索文献相关主题词，主题词结合方法见表2。检索时间范围为1985年1月1日至2023年12月31日。共得相关文献828篇（中文），需筛选去除重复和无关文献。
表 2 CNKI数据库主题词检索Table 2. Subject keyword search in the CNKI database储气方式主题词 运算符 CAES主题词 盐穴类 人工硐室类 废弃矿井类 盐穴 人工硐室 废弃矿井 AND 压缩空气储能 人工开挖 盐岩 岩穴 压缩空气 岩洞 废弃煤矿 盐腔 岩石洞穴 坑道 压气储能 盐矿 隧道 废弃 地下 压气蓄能 岩盐 洞室 硐室 1.1.2 WOS检索
进入Web of Science检索首页，选择Web of Science Core Collecion，点击高级检索，在Query Preview输入相关主题词，主题词结合方法见表3。Publication Date选择All years（1985—2023）。共得相关文献813篇（外文），同样需筛选去除重复及无效文献。
表 3 WOS数据库主题词检索Table 3. Subject keyword search in the WOS database储气方式主题词 运算符 CAES
主题词盐穴类 人工硐室类 废弃矿井类 “salt cave*” “artificial chamber*” “abandoned mine*” AND “compressed
air”“salt rock*” “hand excavation” “abandoned coal mine*” “salt mine*” “rock cave*” “abandon*” “tunnel*” “abandoned gas well*” “pressurized
gas
storage*”“rock salt*” “underground spac*” “abandoned oil well*” “underground” 1.2 研究方法
本研究使用科学知识图谱（定性）与文献计量学（定量）相结合的综合研究方法。
知识图谱（知识域可视化或知识领域映射地图），主要目的是检测和监控科学知识领域的演变[22, 26]。2012年被Google正式提出。它是通过将应用数学、图形学、信息可视化技术、信息科学等学科理论方法与计量学引文分析、共现分析等方法相结合，利用图谱软件形象展示研究领域的核心体构、发展历史、前沿趋势以及整体知识架构达到多学科融合目的的现代理论[27]。
所谓文献计量学指以数学、应用统计学、文献情报学为基础，文献的体构、动态规律及计量特征为研究对象，进而描述、评价和预测科学技术的现状及进展态势的计量分析法[28]。在当前的国际情报学术界研究中，文献计量学是一个非常活跃的专业领域[29]。文献计量学一般旨在揭示科研领域丰富的那一部分，它通过对文献的发表年份、期刊、基金项目、政策、专利、机构、国家、作者和关键词等信息的共词统计分析，揭示科研文献的拓扑网络关系，从而精准反映知识领域的研究重点和未来方向[30]。
以文献计量学为基础，加之运用知识图谱可视化软件（VOSviewer、CiteSpace等）可更加直观、高效、科学的展现出大数据之间的内在关系。相较传统文献综述来说，具有非常可视的显著优势[31]。VOSviewer软件对CNKI数据源分析时，具有操作简便、功能强大等优势[32-33]。但其功能较少，于是本文运用VOSviewer和CiteSpace两个可视化软件互补分析。
2. 地下压缩空气储能回顾分析
2.1 发展内涵
文献的年出版量可直观地反映出某研究领域的活动状况。对1985—2023年地下CAES领域文献发文量进行统计分析，绘制年发文趋势如图1所示。
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图 1 地下CAES领域文献年发文量变化趋势（1985−01−01—2023−12−31）Figure 1. Annual publication trends in the field of underground CAES (1985−01−01—2023−12−31)从图1可知，CNKI数据库年发文量以红色柱状表示，WOS数据库年发文量以浅蓝色柱状表示。地下CAES领域的发展大致可划分为2个阶段。
第1阶段：1985—2010年，CNKI数据库文献发文量占比16.51%，年均发文1.35篇。WOS数据库文献发文量占比25.37%，年均发文5.23篇，1997年发文量达到了19篇，是均值的3.63倍，为一个峰值。CNKI和WOS数据库文献发文量均有振幅，但WOS数据库波动较大。依据普赖斯文献增长理论关于起始阶段的描述：若某研究领域刚刚兴起，则文献发表数量较少且增长不稳定[34]。该阶段尚处于新兴探索阶段。
第2阶段：2010—2023年，两数据库年发文量虽有小幅回降，但基本呈现逐年递增趋势。CNKI数据库文献发文量占比83.49%，年均发文12.64篇，相对第1阶段翻涨9.36倍，该阶段文献增长率明显提升。WOS数据库文献发文量占比74.63%，年均发文28.57篇，相对第1阶段翻涨5.46倍，增长率仍有明显提升。对比CNKI、WOS数据库文献发文量，可发现CNKI数据库发文量少于WOS数据库。就这一角度观察并不表明国内地下CAES领域研究热点就低于国外。从机构、国家和作者发文可知，WOS数据库多数文章由我国发表。由此表明，新形势下、地下CAES发展是一个重要的研究方向，正受到诸多研究学者关注。
总体来看，我国地下CAES研究历经曲折，但凭借深厚的研究积累和强劲的发展势头，新技术、新方法日继涌现，始终保持向前发展的趋势。随着“双碳”目标和现代化国家能源战略布局的刺激，我国地下CAES领域的研究热点将持续上涨，直至高峰期。
为进一步揭示文献发表趋势，整合CNKI和WOS数据库文献发文量，建立年度发文与时间的指数关系。设年份为$ x $，年发文量为$ y $，二者关系如式（1）所示，其拟合优度$ {R}^{2}=0.910 $，显示出较高的拟合精度。
$$ y=1.568{{\mathrm{e}}}^{0.097x} $$ (1) 2.2 期刊分布
期刊分析能够深入揭示研究领域的论文分布特点、重心漂移和学术水平等信息。1985—2023年地下CAES领域发文量前10名期刊见表4。
表 4 1985—2023年地下CAES领域发表文献前10名期刊Table 4. Top 10 journals in the field of underground CAES publications (1985—2023)排名 CNKI数据库 WOS数据库 期刊 发文量/篇 影响因子 期刊 发文量/篇 影响因子 1 中国盐业 23 — Journal of Energy Storage 32 9.4 2 岩石力学与工程学报 8 3.866 Energy 20 9.0 3 储能科学与技术 8 1.921 Energies 14 3.2 4 岩土力学 5 2.414 Rock Mechanics and Rock Engineering 14 6.2 5 煤炭科学技术 4 3.880 Tunnelling and Underground Space Technology 14 6.9 6 电世界 4 0.087 Applied Energy 11 11.2 7 岩土工程学报 3 2.237 Renewable Energy 8 8.7 8 同济大学学报(自然科学版) 3 1.192 Engineering Geology 7 7.4 9 中国地质 3 3.809 Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground 7 — 10 可再生能源 3 1.549 Renewable Sustainable Energy Reviews 7 15.9 由表4可知，在CNKI数据库中，发文量最多的期刊为《中国盐业》，共23篇。其发文量远多于其他期刊，是第2名《岩石力学与工程学报》近3倍。该期刊由中国盐业集团有限公司和中国盐业协会主办，刊登文献内容多属于新闻资讯，学术参考价值不大。除《中国盐业》《电世界》期刊外，其余8种期刊均为北大核心来源。《岩石力学与工程学报》《岩土力学》《煤炭科学技术》《岩土工程学报》和《同济大学学报(自然科学版) 》更是属于Ei检索高水平期刊。前10名期刊共计发文64篇，核心占比57.81%。
WOS数据库中，发文量最多的期刊为Journal of Energy Storage，共32篇。此外，Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground是在英国伦敦出版的国际会议论文集，收录了来自25个以上国家的地下工程研究、设计和施工成果。以《2023年中国科学院文献情报中心期刊分区表》大类分区作为参考，可知Journal of Energy Storage期刊为2区Top、Energy期刊为1区Top、Rock Mechanics and Rock Engineering期刊为2区Top、Tunnelling and Underground Space Technology期刊为1区Top、Applied Energy为1区Top、Renewable Energy期刊为1区Top、Engineering Geology为1区Top、Renewable Sustainable Energy Reviews期刊为1区Top。前10名期刊共计发文134篇，1、2区占比84.33%。
由此表明，地下CAES领域的研究水平和质量日益提高，学术成果不断突出，深受广大学者青睐，我国地下CAES研究具有重要意义。
从期刊收刊角度分析，主要涵盖了岩石力学与工程、测试技术与方法、新储能体系、储能价值、煤田地质、煤炭开采、煤炭加工与清洁利用、土木建筑工程、金属非金属矿产勘查工程、能源资源勘查工程、新能源和可再生能源技术、新型储能技术、综合能源系统、能源管理、储能与应用、地下空间规划、可持续能源系统等方面的研究成果和学术动态。
2.3 基金项目资助
基金项目分析可以从多个视角揭示某研究领域的支持力度、成果产出及社会认可度等信息。1985—2023年地下CAES领域发表文献资助前10名基金项目如图2所示。
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图 2 1985—2023年地下CAES领域发表文献资助前10名基金项目统计示意Figure 2. Top 10 funding projects for publications in the field of underground CAES from 1985 to 2023从图2可知，我国地下CAES研究基金项目资助可划分为2类：政府级和企业级。企业级项目仅有2个，但中国电建集团科技计划项目资助排名第2。可见，地下CAES领域的研究在我国社会层面上受到了深度关注和支持。从发文量的角度看，CNKI数据库共有85篇文献受基金项目资助。政府级75篇，占比88.24%。由此表明，政府级资助是我国地下CAES研究的主要来源，已受到国家高度重视。企业级10篇，占比11.76%。企业研究值得鼓励，有待进一步广泛发展。
从图2可知，国际地下CAES研究基金项目资助主要有中国、英国、德国。WOS数据库共有192篇文献受基金项目资助。中国157篇，占比81.77%。英国23篇，占比11.98%。德国12篇，占比6.25%。进一步综合分析知，无论CNKI还是WOS数据库发表文献资助，中国国家自然科学基金数量最多，远超其他基金项目，共142篇。中国中央高校基本科研业务费次之，共30篇。由此表明，在国际范围内，我国对待地下CAES领域的研究资助投入力度极大，已显著超越其他国家，研究成果不断得到国内外社会认可。
3. 科学网络力量
科学合作：定义为科研学者为生产新的科学知识这一共同目的而在一起工作。实际过程中，科学合作网络可以表现为多种形式。本文的科学合作指在同一篇文献中同时出现不同的作者（微观）、机构（中观）或国家/地区（宏观），那就认为这些不同的作者、机构、国家/地区之间具有生产关系。
科学合作网络的分析能够揭示研究领域内科研成果突出的研究机构、国家和作者，从不同层面反映科研能力及合作情况，同时为评估科研机构、国家和作者的学术影响力提供参考。鉴于数据量较大，为了凸显效果，本文重点分析成果突出的研究生产者。
3.1 机构生产力
1985—2023年地下CAES领域发文量前10名机构见表5。各机构合作网络如图3、图4a所示，WOS数据库引用爆发最强机构如图4b所示。
表 5 1985—2023年地下CAES领域发表文献前10名机构Table 5. Top 10 institutions for publications in the field of underground CAES (1985—2023)排名 CNKI数据库 WOS数据库 机构 发文
量/篇首发作者、年份 机构 国家 发文
量/篇首发作者、年份 1 中盐金坛盐化有限责任公司 18 关铁琴、2011 Chinese academy of sciences 中国 36 YANG Chunhe、2009 2 长沙理工大学 17 刘澜婷、2017 Chongqing university 中国 27 HUANG Xiaolan、2009 3 清华大学 13 李仲奎、2003 Wuhan institute of rock soil mechanics cas 中国 24 YANG Chunhe、2009 4 中南勘测设计研究院 13 赵海斌、2016 Tongji university 中国 24 ZHUANG Xiaoying、2014 5 同济大学 10 夏才初、2014 China university of mining technology 中国 20 MIN Fanlu、2014 6 中国矿业大学 9 何秋德、2013 Ruhr university bochum 德国 16 THEWES Markus、2010 7 中国科学院武汉岩土力学研究所 8 徐新桥、2006 University of chinese academy of sciences cas 中国 15 HU Bin、2020 8 中国科学院大学 7 刘金超、2014 Centre national de la recherche scientifique cnrs 法国 11 BÉREST P、2001 9 中国科学院工程热物理研究所 5 张世铮、1989 Korea institute of geoscience mineral resources kigam 韩国 11 KIM Taehee、2009 10 中能建数字科技集团有限公司 5 万明忠、2022 Changsha university of science technology 中国 9 JIANG Zhongming、2019 ![]()
图 3 1985—2023年CNKI数据库地下CAES研究机构合作网络视图Figure 3. Research institution collaboration network in the field of underground CAES (1985—2023) based on CNKI database![]()
图 4 1985—2023年WOS数据库地下CAES研究机构合作网络视图及WOS数据库引用爆发最强的5个机构Figure 4. Research institution collaboration network in the field of underground CAES (1985—2023) based on WOS database and Top 5 institutions with the strongest citation outbreaks in the WOS database由表5可知，在CNKI数据库中，中盐金坛盐化有限责任公司发文量最多，共18篇。但该机构所发期刊多为《中国盐业》，学术价值较低。其次为长沙理工大学，与第1名仅一篇之差。清华大学和中南勘测设计研究院发文量相同，不过清华大学首发时间比中南勘测设计研究院早13年。中国科学院工程热物理研究所首发时间比中能建数字科技集团有限公司更远早33年。发文量前10名机构中，中国科学院工程热物理研究所首发时间最早（1989年），作者张世铮的文献概述了当时压缩空气储能技术的发展现状[35]。WOS数据库中，中国科学院发文量最多，共36篇。据WOS数据库统计分析，中国科学院发文量记入包含中国科学院武汉岩土力学研究所、中国科学院工程热物理研究所、中国科学技术大学和中国科学院大学等。前10名机构中，中国占据了7个，且发文量前5名均为中国机构。综合2个数据库分析可知，全球地下CAES领域，中国科学院发文最多，共36篇。其次为同济大学34篇，中国科学院武汉岩土力学研究所32篇，重庆大学30篇。
图3、图4a展现了各机构间的合作关系及演化历程。各机构在网络视图中采用年轮圆圈代表，每一个圆圈节点代表一个机构。节点越大，说明该机构发文量越多，网络连线反映合作关系强度。节点颜色采用色彩图谱表示，每种颜色对应每一发文年份。节点颜色越鲜艳代表该机构发表的文献越新，轮圈颜色宽度则反映相应年份该机构发表的文献数量多少[36]。图4b爆发指某时间范围内文献的引用频次突发骤升或骤降[37]。一篇文献之所以产生突发现象，反映该文献可能切中了该科研领域的要害问题。CiteSpace爆发性探测基于Kleinberg J.（2002）提出的算法进行，该算法适用于识别新兴的研究前沿[38]。具有爆发性特征的节点在对应爆发年限区域将被红色填充标记。
从图3可知，CNKI数据库核心集群共有9个，同一集群内各机构用相同颜色连线连接，不同集群机构合作无色连线连接。在地下CAES研究主题下，涉及研究机构诸多，但不同研究机构之间合作较少，多以同一单位下辖的二级机构合作为主。以中盐金坛盐化有限责任公司为核心节点的集群网络与清华大学电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室的集群网络存在唯一跨集群合作关系，该合作体现在青海大学启迪新能源学院与清华大学电机系在文献[39]的联合研究。由此表明，我国地下CAES研究主要以机构独自团队为主，各机构合作强度有待提高，有望在未来的发展机遇期深度挖掘。
从图4a可知，WOS数据库核心集群共有12个，机构文献阈值为2。不同于CNKI数据库，该网络跨机构、跨集群连线合作均较多，跨国机构合作也有少许。以发文量前10名机构为例，国际地下CAES领域形成了以下主要的机构合作团体：以中国科学院为核心节点的集群#0（重庆大学、中国科学院武汉岩土力学研究所等）；以法国国家科学研究中心为核心节点的集群#1（里昂国立应用科学学院、法国工程与系统科学研究所等）；以同济大学为核心节点的集群#2（清华大学、成都理工大学等）；以长沙理工大学为核心节点的集群#3（美国科罗拉多大学、湖北工业大学等）；以中国矿业大学为核心节点的集群#5（加拿大滑铁卢大学、中国石油大学等）；以德国波鸿鲁尔大学为核心节点的集群#7（基尔大学、亥姆霍兹环境研究中心等）；以韩国地质资源研究院为核心节点的集群#8（美国劳伦斯伯克利国家实验室、美国能源部等）。其中，集群#0跨网络合作最为密切，集群#1、#2、#3和#5均与其有合作关系，且集群#0含有3个引用爆发最强机构，爆发年限均在近几年，展现出强劲的学术影响力。
图4b展示的5个引用爆发最强机构按起始时间（Begin）排序。重庆大学爆发强度（Strength）最高，达到了7.4，2022年以来受到重要关注。其在WOS数据库共发表了27篇文献，FAN等[40]一文被引频次高达156次，阐述了盐穴主要问题非连续疲劳机制是Bauschinger效应。重庆大学CHEN等[41]、FAN等[42]一文被引频次也分别达85、41次，具有一定代表性。德国波鸿鲁尔大学爆发强度4.8，排名第2。BAUER等[43]一文被引频次高达120次，全面探讨了能源转型中地下空间储能的规划，为CAES的大规模发展提供了重要的理论指导。但该机构爆发时限较久，对当前地下CAES局势把控也不太理想，最新发表文献仅2021年一篇。中国科学院大学自2020年首现地下CAES领域以来，便一直处于爆发热点机构行列。中国科学院大学2020-2023年共发表15篇，ZHAO等[44]一文被引频次最高、26次，揭示了蠕变疲劳载荷下岩盐的变形由初始阶段、稳定阶段和加速阶段组成。
在岩石力学与岩土工程学科领域，集群#0团队表现出高度的研究能力和卓越的学术成果。该团队不仅拥有丰富的研究经验，还形成了一支水平高、成果突出的年轻科研队伍[45]。综上表明，该团体机构（中国）始终处于地下CAES研究焦点，具有相当的国际影响力。
3.2 国家生产力
1985—2023年WOS数据库地下CAES领域发文量前20名国家见表6。国家合作网络如图5a所示，该网络连线颜色对应合作年份，节点等分析原理同机构网络。WOS数据库引用爆发最强国家如图5b所示。
表 6 1985—2023年WOS数据库地下CAES领域发表文献前20名国家/地区Table 6. Top 20 countries/regions in terms of published literature in the underground CAES field from 1985 to 2023 based on WOS database排名 国家/地区 发文量/篇 排名 国家/地区 发文量/篇 1 Peoples R China 157 11 South Africa 14 2 USA 71 12 Spain 14 3 Germany 60 13 Japan 13 4 England 53 14 Switzerland 12 5 France 25 15 India 10 6 South Korea 20 16 Iran 10 7 Austria 18 17 Russia 10 8 Poland 17 18 Thailand 7 9 Canada 16 19 Bulgaria 6 10 Italy 14 20 Netherlands 6 ![]()
图 5 1985—2023年WOS数据库地下CAES研究国家合作网络视图及WOS数据库引用爆发最强的4个国家Figure 5. Country collaboration network in the field of underground CAES (1985—2023) based on WOS database and Top 4 countries with the strongest citation outbreaks in the WOS database由表6可知，中国、美国和德国生产发文位居全球前三，其次为英国、法国、韩国等。中国发文量最多，达到了157篇，是第2名美国的2.21倍，遥遥领先其他国家。经统计，中国发文占全球地下CAES领域总发文29.29%，对全球地下CAES发展起着主导作用，是该领域的生产主力军。
从图5a可知，地下CAES研究共涉及55个国家，网络连线56条。各国学者之间合作密度适中，以中国、美国、德国、英国和法国合作网络关系最为显著。但存在部分国家无任何合作联系，独自发文。究其原因可能与国家综合实力、自然资源分布以及科学技术创新程度有关。该5个国家发文量均排名前列，都是世界强国。地下CAES研究今后的发展离不开世界各国的交流合作，共同进步。
从图5b可知，引用爆发最强的4个国家，中国爆发强度最高，达到了26.09。157篇文献中，被引频次超过100的有2篇。被引频次超过10的有53篇。重庆大学FAN等[40]的研究以156次引用位居榜首。韩国爆发强度6.7，20篇文献被引频次超过100的有3篇，机械材料研究所KIM等[46-47]两文被引频次最高，分别为149、130次。德国爆发强度5.38，60篇文献被引频次超过100的有2篇，基尔大学BAUER等[43]一文被引频次最高，120次。英国爆发强度4.13，53篇文献被引频次超过100的仅1篇，沙迦大学OLABI等[48]一文被引频次最高，122次。
韩国、德国和英国现均不处于爆发国家行列，中国自2022年跻跃爆发，强度便一路提升直至第一。由此说明，中国在地下CAES领域的研究影响不断扩大，国际交流日益活跃，学术地位得到显著提升。
3.3 作者生产力
1985—2023年地下CAES领域发文量前10名作者见表7。各作者合作网络如图6、图7所示。
表 7 1985—2023年地下CAES领域发表文献前10名作者Table 7. Top 10 authors in terms of published literature in the underground CAES field (1985—2023)排名 CNKI数据库 WOS数据库 作者 单位 发文量/篇 TLS 作者 单位 发文量/篇 TLS 1 蒋中明 长沙理工大学 14 50 YANG Chunhe 中国科学院武汉岩土力学研究所 15 75 2 李鹏 中南勘测设计研究院 10 44 MA Hongling 中国科学院武汉岩土力学研究所 13 69 3 薛小代 清华大学 9 39 LIU Wei 重庆大学 12 73 4 梅生伟 清华大学、青海大学 8 37 SCHANZ Tom Ruhr University Bochum 12 65 5 夏才初 同济大学 8 32 XIA Caichu 同济大学 11 40 6 唐栋 长沙理工大学 8 24 ZHOU Shuwei 同济大学 11 39 7 郑明阳 中盐金坛盐化有限责任公司 7 4 JIANG Deyi 重庆大学 9 52 8 梅松华、赵海斌 中南勘测设计研究院 6 31 FAN Jinyang 重庆大学 9 43 9 周瑜、周舒威 同济大学 6 24 KHALEDI Kavan Ruhr University Bochum 9 32 10 纪文栋、商浩亮 中能建数字科技集团有限公司 5 22 MAHMOUDI Elham Ruhr University Bochum 9 30 ![]()
图 6 1985—2023年CNKI数据库地下CAES研究作者合作网络视图Figure 6. Author collaboration network view of underground CAES research in CNKI database from 1985 to 2023![]()
图 7 1985—2023年WOS数据库地下CAES研究作者合作网络视图Figure 7. Author collaboration network view of underground CAES research in WOS database from 1985 to 2023该作者网络，节点大小有3种显现模式（Links、Total link strength、Occurrences），本文以Occurrences频次进行显示。TLS（Total link strength）反映总连接强度，即总合作关系，节点、连线颜色表示属于同一集群。网络分析原理与机构网络类似。任何领域的作者科学网络，都会产生独特的核心作者群。所谓核心作者群指某一学科或科研领域，生产力较强、影响力较大的作者类群。根据普赖斯理论，属于核心作者群的高产作者生产下限由式（2）确定。
$$ M=0.749\sqrt{{n}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}} $$ (2) 式中：$ M $为满足核心作者群的作者发文量下限；$ {n}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $为最高产作者发文量。
由表7可知，在CNKI数据库中，最高产作者发文量为14篇。故由式（2）得$ M=2.80 $，取满足核心作者群的作者发文量下限为3。CNKI共有402名作者，发文量≥3的有26名，占比6.47%。26名核心作者共计发文142篇，占有效发文比66.98%。由此可见，CNKI网络核心作者群已经形成，极大推动了我国地下CAES发展。发文量最多的作者是蒋中明，来自长沙理工大学，主要从事地下CAES人工硐室方面的工作，蒋中明最早发文于2017年，2023年发文有2篇，TLS值最高、合作网络最紧密。发文量第4名梅生伟单位含2个，表示其在清华大学、青海大学有独立发文。中南勘测设计研究院梅松华、赵海斌发文量、TLS均相同，因此并列第8名。周瑜和周舒威、商浩亮和纪文栋排名同理。WOS数据库中，最高产作者发文量为15篇。故由式（2）得$ M=2.90 $，取核心作者发文下限为3。WOS共有1 553名作者，发文量≥3的有92名，占比5.92%。92名核心作者共计发文452篇，占有效发文比84.33%。由此可见，WOS网络核心作者群已然形成，引领着全球地下CAES发展。发文量最多的作者是杨春和，来自中国科学院武汉岩土力学研究所，主要从事地下CAES盐穴方面的工作，15篇文献总被引频次达214次，其研究成果为中国能源战略储备提供了重要保障，杨春和最早发文于2009年，2023年发文有6篇。前10名作者中，中国作者有7名。由此表明，中国学者跻身全球地下CAES研究前列，彰显出了我国学者在全球地下CAES领域具有重要代表性作用。
从图6可知，我国地下CAES研究作者合作网络分布较为均匀，存在几处突出的学者群体。如：以长沙理工大学蒋中明为核心节点的人工硐室研究团队（唐栋、刘澧源等）；以中南勘测设计研究院李鹏为核心节点的人工硐室研究团队（梅松华、赵海斌等）；以清华大学薛小代为核心节点的盐穴设备研究团队（梅生伟、陈来军等）；以同济大学夏才初为核心节点的人工硐室研究团队（周瑜、周舒威等）；以中能建数字科技集团有限公司纪文栋为核心节点的盐穴研究团队（商浩亮、万明忠等）；以中国科学院武汉岩土力学研究所杨春和为核心节点的盐穴研究团队（王同涛、李银平等）。该几个团队主要成员在地下CAES领域均有较强的研究能力，且都来自同一机构。由此说明，我国从事地下CAES研究的学者来源较广泛，但各机构学者之间合作较少，大多以科研团队或课题组为主。其中，长沙理工大学蒋中明团队与中南勘测设计研究院李鹏团队合作甚为密切，而薛小代是同济大学与清华大学合作的枢纽节点。
从图7可知，全球地下CAES研究形成了几个显著的学者群体。如：以中国科学院武汉岩土力学研究所杨春和为核心节点的盐穴研究团队（马洪岭、赵凯等）；以中国重庆大学刘伟为核心节点的盐穴研究团队（范金洋、姜德义等）；以同济大学夏才初为核心节点的人工硐室研究团队（周瑜、周舒威等）；以德国波鸿鲁尔大学SCHANZ Tom为核心节点的盐穴研究团队（KHALEDI Kavan、MAHMOUDI Elham等）；SCHANZ Tom是基尔大学与波鸿鲁尔大学合作的枢纽节点。值得注意的是，4个主要显著群体，3个在中国，且研究主题多集中在盐穴方面。由此表明，中国科研学者在全球地下CAES研究占主导地位，引领地下CAES发展前沿、意义重大。全球地下CAES主要储气方式中，盐穴储气研究受主要关注，是大规模储能极具潜力的发展方向。
综合2个数据库分析可知，作者生产分析与机构生产分析具有高度契合性。
4. 研究热点及演化趋势
作为文献核心观点浓缩和思想升华的凝炼——关键词，是掌握科研领域发展动向的重要指标。对大量文献关键词可视化剖析，预测科研领域的研究热点、主题演化和发展趋势就成为了可能。
4.1 研究热点
研究热点指某科研领域，研究学者共同关注的一个或多个研究主题，反映该领域主流发展方向。关键词共现分析（共词分析）是将文献关键词进行定量化的分析方法。可发现研究对象之间的亲疏关系，进而挖掘隐含或潜在的有用知识，揭示出研究领域的热点、前沿及演化趋势。
文献关键词在进行共现分析时，可分为高频关键词和低频关键词。高频关键词更能识别研究领域的热点和演化趋势。如何挖掘文献得到高频关键词，将依据阈值筛选。由普赖斯高频词估算公式（3）确定。
$$ G=0.749\sqrt{{g}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}} $$ (3) 式中：$ G $为高频关键词阈值；$ {g}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $为最高产关键词。
1985—2023年地下CAES领域文献关键词频次前20名见表8。关键词共现网络如图8、图9a所示，WOS数据库引用爆发最强关键词如图9b所示。
表 8 1985—2023年地下CAES领域文献关键词出现频次前20名Table 8. Top 20 most frequent keywords in underground CAES research (1985—2023)排名 CNKI数据库 WOS数据库 关键词 频次 TLS 首现年份 关键词 频次 TLS 首现年份 1 压缩空气储能 51 183 2014 energy storage 59 527 2007 2 压气储能 21 79 2014 compressed air energy storage 57 504 2009 3 压缩空气 14 49 1992 caes 51 452 2012 4 盐穴 12 39 2013 compressed air 40 320 2009 5 数值模拟 11 43 2009 temperature 37 391 2011 6 储能 11 37 2017 simulation 35 342 2012 7 储气库 10 44 2008 model 29 311 2003 8 地下储气库 10 39 2017 performance 29 300 2012 9 稳定性 7 29 2009 system 29 269 2015 10 可再生能源 5 21 2014 rock salt 28 252 2012 11 废弃煤矿 5 19 2020 compressed air energy storage(caes) 28 184 2007 12 压气蓄能 5 18 2003 behavior 25 258 2015 13 废弃矿井 5 14 2014 renewable energy 24 243 2009 14 盐岩 4 19 2006 caverns 24 235 2009 15 压缩空气蓄能 4 16 1989 design 24 212 2009 16 压缩空气储能系统 4 13 2014 technologies 23 248 2009 17 内衬洞室 3 16 2014 thermodynamic analysis 21 193 2015 18 岩石力学 3 15 2017 gas 19 218 2017 19 循环荷载 3 13 2017 stability 19 193 2014 20 气密性 3 13 2018 pressure 19 179 2011 ![]()
图 8 1985—2023年CNKI数据库地下CAES研究关键词共现网络视图Figure 8. Co-occurrence network of keywords in underground CAES research based on CNKI database from 1985 to 2023![]()
图 9 1985—2023年WOS数据库地下CAES研究关键词共现网络视图及WOS数据库引用爆发最强的4个关键词Figure 9. Co-occurrence network of keywords in underground CAES research (1985—2023) based on WOS database and Top 4 keywords with the most significant citation bursts in WOS database由表8可知，在CNKI数据库中，最高产关键词频次为51次。故由式（3）得$ G=5.35 $，取高频关键词阈值为6。CNKI共有关键词435个，频次≥6的有9个，占比2.07%。由此可见，高频关键词从定量的角度升华了研究热点导向。值得注意的是，地下CAES主要储气方式中，只有“盐穴”入选高频关键词阈值，且TLS最强，高于“废弃煤矿”“废弃矿井”和“内衬洞室”等关键词。WOS数据库中，最高产关键词频次为59次,。故由式（3）得$ G=5.75 $,取高频关键词阈值为6。WOS共有关键词1 812个，频次≥6的有75个，占比4.14%。高频关键词涉及地下CAES主要储气方式的有：“rock salt”、28次，“caverns”、24次，“salt cavern”、18次，“lined rock caverns”、12次，“salt caverns”、9次，“cavern”、8次，“salt rock”、7次，“lined rock cavern”、7次；表明国际研究中盐穴储气受到更多关注。
从图8可知，CNKI关键词共现网络共有215个节点，9大集群，577条链接，TLS$ = $639。共现网络表明，地下CAES的研究主要分布在3个方面，分别是盐穴（Cluster #7，19个字段，地下存储、盐穴勘测、盐穴评估、选址、腐蚀等）、盐岩（Cluster #6，19个字段，循环荷载、细观机理、高温、非线性本构模型、蠕变—疲劳共同作用等），废弃矿井（Cluster #5，20个字段，资源开发、开发模式、采煤沉陷区、煤炭地下气化、光伏等），内衬洞室（Cluster #4，20个字段，力学响应、气密性、泄漏率、应力、高分子密封层等），地下含水层和枯竭油气藏等方向也略有发展。由此可知，地下CAES多向发展，研究体系庞大，不同研究方向影响因素相异，亟待解决。
从图9a可知，WOS关键词共现网络共有512个节点，
1283 条链接，反映了国际地下CAES领域的热点问题及关系。图中被紫色外圈包裹的节点（compressed air =0.16、energy storage=0.13）代表具有高中介中心性,中介中心性大于0.1时视为关键节点，能够引起某领域的范式转变。“compressed air”关键词最早首现于2009年PICKARD等[49]一文，被引频次最高、达111次。该文在电网大规模储能基础上科学预见了地下抽水蓄能和先进CAES具有显著优越性，但两者是明显的竞争对手。“energy storage”关键词被引频次最高达283次，OZARSLAN A[50]一文，阐明了废弃矿山不是残余物，是从高排放的传统化石燃料转向低排放的可再生能源新资产。从图9b可知，地下CAES领域共有4个突现热点词，Strength与热点影响力成正比。该4个热点词在图9a中的节点使用红色填充标记，突出要害问题。2016—2022年间，“technology”和“performance”先后爆发成为研究热点受到重视。与传统CAES技术相比，改进的绝热CAES技术可以同时提供机械能、热能和冷却动力，被认为是一种有前途的零排放技术，有效促进了可再生能源的绿色转型和CAES技术的发展[51]。其中“salt cavern”，近年来热点持续上涨，其具有流变性好[52]、极低渗透率[53-55]和自愈能力强[56-57]等特点，是当前地下CAES研究最具前景的新兴储气方式[58-59]。
综上分析结果，地下CAES研究进展和趋势主要聚焦于盐穴、人工硐室和废弃矿井3种储气方式，在未来将是大规模储能技术发展的重要领域。
4.2 演化趋势
4.2.1 盐 穴
盐穴（盐岩、盐腔、盐矿、岩盐）形成于地下盐丘或盐层[59]。盐穴储气库的建造过程由选址、溶洞浸出、注气/注液除卤和储存操作等构成。盐穴通常采用水溶造腔法开采，淡水从地表注入地下盐层，溶解固体氯化钠矿物，生成含钠和氯离子的盐水[60]。水溶法具有低成本、无污染、易操作等优点[61]。目前，利用盐穴进行地下能源储备已经较为成熟, 全世界已建成盐穴储气库约100座、总工作气量超330亿m3[62]。研究表明，我国拥有丰富的盐穴资源，到2030年前将形成3亿m3的地下盐穴[63-64]。与其他储气方式相比，盐穴是唯一成功实现商业化的CAES项目，被认为是最有利的储能选择[65]。因其低渗透率、低孔隙度、低成本、优流变、注采效率高、缓冲气少、产能高和自愈强等诸多优点[66-68]，是大规模能源储存的高安全性场所[69-71]。盐穴已被广泛应用于天然气、石油、氢气、压缩空气和二氧化碳等能源及氦气等战略稀缺物质的储备，资源化利用我国盐穴资源对优化能源结构、提高能源储备能力和国家能源及战略物质安全具有重要意义[72]。
欧美国家是最早使用盐穴储能的地区，在盐穴选址、建造、储能和运行管理等方面积累了成熟的理论、技术和经验。然而，一些发展中国家，如中国、俄罗斯、巴西等，盐穴储能发展起步较晚，未来面临着诸多问题亟待解决。尽管盐穴具有良好的蠕变性能和自愈能力，其蠕变行为也可能会带来相应的弊端[40, 73]。近年来，由于盐岩蠕变行为引发的安全事故在世界范围内屡见不鲜，多数由溶腔体积收缩引起。不仅造成了严重的经济损失，附近居民生命财产安全也受到威胁。因此，有必要对盐穴的长期稳定运行进行深入研究，确保其安全[69]。“稳定性”、“Performance”和“Behavior”等词已成为高频热点。
在欧美，盐穴储气的溶液开采技术和标准等已较为成熟，大型盐穴储气容量可达数百万立方米[74]。但欧美地区多为盐丘型盐岩，结构完整、厚度大、夹层少、物理性能好。而我国，盐穴地质有诸多不利特征：① 普遍盐层薄，一般厚度小于200 m、容量20万m3以下，如江苏金坛盐矿、山东菏泽盐矿和广东三水盐矿[75]；② 杂质含量高，基本20%以上，导致溶腔浸出效率低、事故频发[76]；③ 夹层多，具有高渗透率、大孔隙度和低强度等特点[77]；④ 品位低[59]；⑤ 溶腔形状不规则[60]。这些特征使得我国盐穴储气库对稳定性和安全性的要求更高[5, 78]。
我国盐穴虽具有储量优势，但在利用过程中仍面临许多基础科学和关键技术问题亟需突破与发展。例如，洞室形态的精确控制、卤水浓度场的调节和盐岩溶解速度的控制等，仍是制约我国盐穴储能库安全高效运行的技术瓶颈[7, 60]。同时，高频率、高强度注采和剧烈温度变化等影响储气库安全演化的技术挑战亟待攻克[62, 79]。未来，在各种能源储存中，盐穴的作用至关重要。我国政府已高度重视盐穴储能产业的发展，并将CAES纳入国家“十四五”规划[80]。
4.2.2 人工硐室
人工硐室指人工开挖隧道式或坑道式硐室，内加有密封层（钢、橡胶等）保证高压气体密封[81-82]。相比传统的洞穴储气，人工硐室储气密闭性更好、承压能力更强，自稳定性好、变形小，洞穴断面型式多适应性强（隧洞、竖井、硐室），选址容易、可在一定程度上减少对地形的依赖[83-84]。随着地下空间开发技术的进步，通过人工硐室解决高压储气库面临的技术经济问题越来越成为可能[85-86]。中南勘测设计研究院在湖南平江利用勘探坑道建造了国内首个人工硐室CAES试验洞[87]。此外，河北张北、内蒙古化德、甘肃酒泉、辽宁朝阳、湖北麻城和宁夏中宁CAES电站均属于此类储气方式。
人工硐室储气也存在一定缺点[88]，如：① 建库成本相对较高、经济性差；② 需要单独设置密封层、密封技术难度大；③ 施工工艺复杂、难度较大。其试验成果并不鲜见。1981年，美国Soyland项目利用硬岩洞室作为储气库，最终以失败告终[89]。20世纪90年代，日本进行的深埋储气库密封性试验最大试压仅达900 kPa，还出现了严重开裂现象[90]。2004年，瑞典Skallen项目投入商业运行，历经了一年半的测试[91]。2017年，瑞典进行了AA-CAES试验，最大压力只达到了700 kPa，因泄漏无法达到更高压力[92]。韩国，人工硐室试验成果多只集中在理论分析和数值模拟2个方面[93-94]。以色列对人工硐室储能也有所研究，具体成果未见报道[95]。我国对人工硐室的探索研究多以长沙理工大学蒋中明教授团队和同济大学夏才初教授团队较为全面[96-98]。从渗漏和能效的角度来看，人工硐室CAES是可行的。如果气密性和稳定性得到保证，建库和运营成本将会进一步降低[99]。以目前技术经济合理性角度观之，未来人工硐室CAES仍受诸多因素的影响，有待进一步发展。
4.2.3 废弃矿井
废弃矿井一般开凿于岩石层，以煤矿、金属矿为代表，是矿资源开发完成后形成的地下空间[62]。其具有资源量大、分布广、免选址、成本低、储气压力高、长时储能、结构稳定、清洁环保和安全运行等优势[100-101]。目前，世界上仅有3座废弃矿井储气库，1座在美国，2座在比利时[102]。随着煤炭资源的不断开发和枯竭，多数煤矿将面临关闭[103]。截至2020年，中国已关闭煤矿1.2万座，到2030年关闭的煤矿数量预计将达1.5万座[104-105]。近年来，废弃矿井再利用逐渐成为热门话题[42]。不仅能作为CAES，为可再生能源提供新投资和就业机会，还会带来很好的经济效益、生态效益和能源效益[101, 106]。例如，早在20世纪60年代，美国就利用科罗拉多州Leyden废弃煤矿建成了世界首座废弃矿井地下储气库。1975、1982年比利时分别在Anderlues、Peronnes建成废弃矿井地下储气库并使用[107]。1990年，日本在北海道Kamimasagawa市的一个煤矿内进行了CAES试验[108]。2017年，德国建造了世界上第一个废弃矿井抽水蓄能电站[105]。2019年，山西大同云冈矿废弃巷道CAES项目开工，这是我国第1个利用废弃矿井改造成CAES的电站项目[109]。当前，利用废弃矿井建设地下CAES比较成功的主要是盐矿井（金坛、云应、淮安、平顶山、泰安等）[110]。
废弃矿井在CAES中的应用还存在一些挑战，亟需开展深入研究[10, 111]。如：① 储存矿井的遴选有限；② 矿井自身稳定性不足、地面沉陷问题易发生；③ 气密性差，需要单独设置密封层、技术难度大；④ 存在地下水污染和有害气体处置等问题。废弃矿井作为能源储备必须仔细注重稳定性（地应力、埋深、围岩性质等多影响因素）、气密性（热力学、传热学和动力学交叉耦合问题）和环境影响（既要节约资源又要环保安全）3个关键问题。如果这3个问题得到妥善解决，那么废弃矿井再利用无疑是一个潜在的储能方案。SCHMIDT等[112]研究了废弃矿井作为A-CAES时的地质力学特性。XU等[113]对山西云冈矿废弃矿井CAES项目建立三维耦合模型，比较了2种方案的热力学响应。CHEN等[104]建立P-EDZ数值模型研究了废弃矿井作为CAES洞室的稳定性。结果表明，为确保洞室的长期稳定和安全运行，对洞室受损区域进行加固是非常有必要的。同时，废弃矿井还可能会发生地下水回灌、残余有害气体排放等问题，显著影响CAES洞室的稳定性和环境。
我国废弃矿井开发利用起步较晚，整体还处于试验阶段，基础理论研究薄弱，关键技术不成熟，且存在地质条件复杂和阶段性关闭矿井数量大等特殊问题[114-115]。因此，我国废弃矿井的关闭应和开发结合，运用现代化科学技术走智能精准道路，形成综合性开发技术体系。废弃矿井的科学关闭、开发，对提高我国矿资源安全水平、推动资源枯竭转型、保障国家能源战略安全和经济可持续绿色发展具有重要意义。
5. 我国地下压缩空气储能政策研究
聚焦全球，储能产业的发展与应用离不开国家政策机制（提供补贴、投资税收减免等措施）的支持。作为规模化储能产业的领跑者，美国、德国、日本和英国等国家早在二、三十年前便出台了一系列促进储能产业发展的政策[116-117]。主要手段包括支持储能技术的基础研发、扶持重点储能企业、资助储能系统示范项目，以及通过财政补贴鼓励用户采用储能技术等[116]。
从国外的成功经验可以看出，政策对于地下CAES产业的发展起着至关重要的作用。我国的CAES产业起步较晚，但政策支持力度正在不断增强，如图10所示。2010 年，《可再生能源法修正案》首次提及储能的发展[116]，为我国储能产业的政策体系奠定了基础。2011年，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》第十一章第三节“加强能源输送通道建设”明确指出：“适应大规模跨区输电和新能源发电并网的要求……依托信息、控制和储能等先进技术，推进智能电网建设……”。对于储能产业来说，“储能”二字在国家的政策纲领性文件中首次出现[118]。
2020年，《储能技术专业学科发展行动计划（2020—2024年）》进一步强调了CAES技术的重要性。文件指出，CAES技术在推动能源生产与消费转型、促进能源灵活交易、实现开放共享与协同发展，以及推动能源革命和新型能源业态发展中发挥了关键作用[119]。
近年来，我国政府部门和能源领域专家日益认识到CAES在构建以可再生能源为主体的新型能源体系中的重要地位与作用。CAES相继被纳入《“十四五”能源领域科技创新规划》和《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》[120-121]。特别是在2024年的《政府工作报告》中，“发展新型储能”被首次提出，标志着我国对CAES技术的重视进入了新阶段。
6. 结 论
1）从数据可视化到知识驱动——地下CAES研究展望。本研究以CNKI和WOS数据库1985—2023年地下CAES领域相关文献为研究对象，运用VOSviewer、CiteSpace科学知识图谱可视化软件和Origin软件，对地下CAES发展内涵、期刊分布、基金资助、科学生产力、关键词和突现词进行了系统的计量分析，并对研究热点、主题演化和发展趋势进行了阐述。
2）从地下CAES的背景观之，新形势下、地下CAES领域的研究发展势头强劲。新型储气方式不断涌现（盐穴、人工硐室、废弃矿井、地下含水层、枯竭油气藏等），成果突出逐渐得到社会认可。随着我国能源结构的持续优化，地下CAES研究将迎来快速发展期，并逐步形成大规模战略产业集群。
3）从科学网络视角来看，我国在地下CAES领域拥有一支经验丰富、水平显著和成果突出的年轻队伍，国际影响不断扩大、交流合作紧密，引领地下CAES发展前沿。此外，我国从事地下CAES研究的学者广泛，但各机构学者之间合作较少，大多以科研团队或课题组为主。今后，地下CAES的研究发展离不开世界各国、各机构、各学者的交叉推动。
4）地下CAES的研究主要分布在3个方面：盐穴、人工硐室和废弃矿井。我国盐穴储量丰富，是最具潜力的储气方式。科学开发和高效利用我国盐穴资源对优化我国能源结构、提高能源储备能力和保障国家能源及战略物质安全具有重要意义。但盐穴储气库在高效运行和长期稳定性方面仍面临技术瓶颈。如何控制洞室形态、卤水浓度场管理和盐岩溶解速率优化等。此外，高频率、高强度注采和剧烈温度变化等挑战亟需解决。随着地下空间开发技术的发展，人工硐室解决高压储气库面临的技术经济问题逐渐成为可能。人工硐室具备良好的密闭性和承压能力，且适应性强。然而，其高成本、密封技术复杂性以及施工难度仍是限制广泛应用的主要障碍。未来需进一步探索密封与稳定性问题，以降低建库和运营成本。废弃矿井具有资源量大、分布广、成本低等优势，但其在稳定性、气密性和环境影响方面的挑战显著。如果能妥善解决地质应力、气密性技术以及环境治理问题，废弃矿井再利用将成为CAES领域的重要补充。
5）政策对地下CAES产业发展至关重要。我国已初步形成了CAES相关政策体系和体制机制，在未来不断完善的政策激励下，我国地下CAES具有广阔的应用前景，有望成为可再生能源储能的核心支柱。三大CAES储气方式中，盐穴储气作为研究重点，将持续引领大规模储能的发展方向。
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