油源判识指标研究进展及基于曲线相似性的新方法
时间：2023-01-16 13:55:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王文愽 ，鲍园 ，罗群 ，师生宝
（1.西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054；
2.中国石油大学（北京）非常规油气科学技术研究院，北京 102249；
3.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249）
能源是国家经济社会发展的基础，可分为三大类，包括煤炭、石油、天然气等常规能源，煤层气、页岩气、天然气水合物等非常规能源和风能、太阳能、地热能等新能源［1-5］。煤炭、石油及天然气是中国一次能源消费的主体，根据我国能源消费占比逐年变化情况来看，煤炭占比逐年下降，石油占比呈逐年上升趋势，近3 a基本稳定，天然气占比逐年升高，说明我国能源消费逐步向清洁能源靠拢，但是贫油的局面始终未得到缓解。我国石油的消费量逐年增加，大量依赖进口，因此，加速我国石油的勘探开发是改善该局面的重要措施。精确的油源判识结果是石油勘探开发的基础和前提，但针对油源判识方法的研究鲜有报道。
对于多油层油田及被断层分割的油田，各油层的追踪溯源及不同断块之间的连通情况是确定勘探目标的重要基础。有效油源判识，可以圈定可靠的油源区，为油田的进一步勘探提供资料。因此，油源判识方法研究为探讨石油成因、判断油气的运移方向、路径和距离及圈定油气甜点区提供重要依据，对指导油气资源的开采工作及合理化开发也具有重要的指导意义。
准确的油源判识方法能够加快我国对油气甜点区块的勘探与开发，尤其对于我国一些具有良好油气显示的盆地，如鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地等。精确的判识结果是石油勘探开发的基础，只有方法得当、结果准确才能快速、准确地在这些盆地中确定油气甜点区，才有可能提高我国石油产量，增加自供率，减小对进口石油的依赖。但是，由于传统油源单因素的对比模式中参数数据繁杂，并且可能会由于单个参数的异常造成误差，使得判识结果不准确。因此，本文在前人研究的基础上［6-74］，将油源判识相关参数进行分类整理，再基于相似曲线判别法，通过判别曲线的相似性来对油源进行判识。这样的判识方法大大降低了对单一参数的依赖，从整体上对油源进行把握，使得判识结果更加准确可靠。
目前，对于油源的判识指标，总体来讲主要依赖于3个方面：生物标志化合物、碳同位素及轻烃组分。其中，生物标志化合物和碳同位素是油源判识的重要指标。但是，由于生物标志化合物质量分数很低，在遭受强烈生物降解作用或热演化程度较高的原油中，它们反映的信息往往会有缺失和误差；
轻烃组分在原油中质量分数很高，可以对缺失的信息进行很好地补充，弥补了遭受生物降解作用或热演化程度较高的这类原油信息的缺失。
1.1 生物标志化合物
一般来讲，生物标志化合物具有3个特点：1）在生物体中具有较高含量；
2）在化学结构上具有稳定的碳骨架结构；
3）化合物结构能表明生物标志化合物的来源。生物标志化合物是由生物自身合成的，比其他化合物能提供更多的成因信息，能较好地反映原油与母质、沉积环境、成熟度等方面的信息，也可以表征成油物源、沉积环境的改变以及遭受到的地质作用、生物作用及热演化作用等信息［8］，因此，常被用于油-油、油-源对比中。如，姥鲛烷和植烷可以提供成烃时期的沉积环境信息；
三萜烷（C19+20，C21，C23）可以提供沉积相的变化；
C29甾烷的不同构型可以提供母质来源及成熟度等信息。相关参数详细信息如表1所示。
表1 油源判识参数
关于油源对比，前人在生物标志化合物参数对比上做了大量的研究工作。赵靖州等［17］使用姥植比、碳同位素、成熟度等参数对鄂尔多斯盆地东北部七里村长6原油进行油源判识研究发现：长6原油为成熟原油，主要是原长7段烃源岩生成的原油经垂向运移和短距离侧向运移聚集成藏；
生油母质以藻类等低等水生生物为主，混有陆源高等植物，并且母源沉积相为偏还原性的淡水湖泊。朱扬明等［10］利用姥植比、成熟度、甾烷等参数对四川盆地北部石龙场和元坝地区原油进行油源判识发现，该地区原油为自生自储型。Fu等［19］通过对南海珠江口盆地白云凹陷油源进行判识研究表明，该地区发育湖相原油。同时通过碳同位素和生物标志化合物的对比认为，白云凹陷西南侧是原油的主要运移方向。生物标志化合物是油源判识最重要的一类化合物，能从多个方面反映出油-源岩的特征，如姥植比可以反映油-源岩的沉积环境，甾烷能提供沉积相及母质来源的相关信息，它们能为圈定可靠的油气甜点区提供直接证据。
1.2 轻烃组分
原油的组成中轻烃的质量分数约占30%，而生物标志化合物仅占1%［12］，同时轻烃性质较为稳定，不易受环境的影响；
因此，在某些方面，轻烃所反映出的油源地球化学信息较之于生物标志化合物更具代表性。
甲基环己烷-二甲基环戊烷-正庚烷质量分数关系，可反映原油/烃源岩是来自高等植物还是低等植物。例如，王祥等［21］认为，正庚烷（nC7）主要来自于藻类和细菌，是腐泥型烃类轻烃的组成特征之一。
戴金星［7］认为二甲基环戊烷（∑DMCP）主要来自水生生物的类脂化合物，甲基环己烷（MCH）来自于高等植物的木质素、纤维素和糖分，其热力学特征稳定，是煤成烃组分的显著特征。Tao等［23］利用轻烃对准噶尔盆地西北深部油藏的研究表明，细菌和藻类是该地区原油的主要生烃母质，原油主要来自下二叠统凤城组。轻烃虽然反映的信息较为单一，但是它却是油源判识过程母质来源的重要判识指标，可以和生物标志化合物反映的信息进行对比，两者相互验证，保证判识的正确性。
1.3 碳同位素
石油赋存于沉积岩中，故其碳同位素一般都符合沉积有机质碳同位素特征（见图1。图中干酪根数据引自参考文献［34-35］，原油/抽提物数据引自参考文献［9，31，40-41］）。研究结果表明，原油碳同位素组成受控于烃源岩有机碳同位素组成［30］及沉积环境［31］。Stahl等［40］提出根据稳定碳同位素类型曲线进行油源追踪的方法，该方法是将原油的4个组分（饱和烃、芳烃、非烃和沥青质）的碳同位素进行等值排序。在同位素分馏的作用下，不同组分的碳同位素会随着极性的增强而增大，即饱和烃δ13C<芳烃δ13C<非烃δ13C<沥青质δ13C<原油/抽提物 δ13C［33］；
因此，只要将原油的 4 个组分的δ13C值按等间距分布，再将可能的烃源岩干酪根的碳同位素值置于同位素类型曲线上，其偏离度在±0.5‰以内即认为该原油可能的烃源岩［24］。同时干酪根碳同位素也表现出类似特点，即Ⅰ型干酪根δ13C<Ⅱ1干酪根 δ13C<Ⅱ2干酪根 δ13C<Ⅲ干酪根 δ13C［34-35］。一般碳同位素值差异小于2‰或5‰即可判识同源。另外，存在某些方面碳同位素差异过小的问题，如Sofer等［42］发现陆相来源原油的同位素值只比海相来源原油高0.9‰，不足以用来区分海、陆相原油。
碳同位素组成对判识母质来源和油气运移路径也具有较好的效果。赵阳等［29］对甘南沼泽现代泥炭和准噶尔盆地长焰煤的碳同位素分析，研究了各正构烷烃碳同位素组成与有机质来源及成岩演化的关系，依据碳同位素曲线对比图发现，具有较重碳同位素值的原油为陆生植物成因，而具有较轻碳同位素值的原油为水生生物成因。Yang等［44］利用碳同位素对黄骅凹陷新近系油源进行对比，结果表明，下二叠统下石盒子组原油主要来源于下二叠统山西组和下石盒子组陆源泥岩。Kobraei等［45］利用碳同位素和单体烃碳同位素对伊朗西南部阿巴丹平原上侏罗统至下白垩统原油进行了对比研究，结果显示，该原油主要来源于上侏罗统至下白垩统Garau组烃源岩。碳同位素是随有机质变化迁移的重要标志，通过研究碳同位素的改变可以对生物标志化合物反映的信息进行补充和说明，相互印证，保证油源判识的准确性。
1.4 其他参数
除了上述提到的较为成熟且广泛使用的油源判识指标之外，还有一些其他的油源对比参数，如微量元素和氮同位素（见表1）。微量元素作为油源对比指标是由于其性质稳定，并且相应的金属有机质干酪根对烃源岩有着良好的继承性，因此，可以区分出不同的烃源岩。在油源分类上，微量元素也具有良好的应用［26］。
秦欢等［33］在塔里木盆地油源对比中，使用了微量元素 V/Ni，V/Cr，Ni/Co，Ni/Mo 等，对塔里木盆地油源进行了对比，并取得了较好的效果。陈传平等［50］通过对塔里木盆地干酪根及原油的氮同位素测试，发现氮同位素会随着环境及时代的变化而发生变化，因此，可以很好地应用于油源对比及油气运移方向的确定。随着油源判识研究的逐步深入，新的判识指标被不断发现，烃类的可动性使判识结果具有多解性，大大增加了油源对比的复杂程度和误差，因此，应该在原有判识参数的基础上合理选取新的对比参数，对油源进行综合判识，保证判识结果的精确。
2.1 曲线相似性理论
相似性判别方法被广泛用于众多领域，例如计算机绘图、模式识别及结构生物学等方面。其中，Fréchet距离是曲线相似性的一种高级判断方法，它考虑了曲线上各点的位置和次序，在描述曲线相似性方面具有快速、准确的优势［43］。Yang 等［44］将 Fréchet距离应用到计算2条曲线的相似度上，见式（1）。
式中：α，β分别为涉及到所有连续非减的实函数。
Eiter和 Mannilalsl等［53］在总结连续 Fréchet距离性质和意义的基础上，提出了离散Fréchet距离的定义（式（2）），使得该算法的应用范围更加广泛。
式中：A，B分别为2条由离散点组成的曲线；
dF(A，B)为曲线A和B之间的Fréchet距离；
w为A，B之间组合方式。
朱洁等［54］基于离散 Fréchet距离的曲线相似性提出了一种新的判别算法（式（3）），并将其应用于在线手写签名认证中。
ε计算公式：
式中：D为至高点与至低点之间的Fréchet距离之差的绝对值。
当D≤ε时，则A，B相似，为同源；
否则认为A，B不相似。D值越小，则A与B的亲缘关系越近。
由于本文所使用油源判识参数有限，且为离散点，间距一致，在朱洁等原有定义的基础上，对其至高点与至中低点重新定义，即至高点为目标原油相对于实验样品在该点处相同参数差值最大值点，至低点为目标原油相对于实验样品在该点处相同参数差值最小值点。通过对目标样与实验样品差值进行计算，求解在该条件下离散Fréchet距离，通过对前人成果的梳理，求出阈值ε并应用于油源对比（见表2）。曲线形状由x，y共同决定确定，且x，y对曲线形状的约束力同等重要，所以。在油源判识中，相同指标在x轴上位置相同，故曲线相似误差ε只与y相关，可知ε=εy。
表2 基于油源判识新方法计算阈值参数
2.2 相似性曲线判别法在油源判识中的应用
在比较目标原油与可能原油或烃源岩指标参数的曲线相似性过程中，计算出误差阈值ε是油源判识的关键。虽然判识参数越多得到的结论越准确，但在使用该方法时往往会遇到不同参数的差值D过大问题。因此，使用该方法的限定条件为某参数的极值不能超过该参数在统计数据中最大值（如表2中该值为3.33）。本文通过统计前人公开发表的近30篇文献中判识参数数据，对ε值进行计算，确定ε为0.916。
图2为鄂尔多斯盆地富县地区长6、长7段原油与可能烃源岩的参数关系，以原油曲线为基准，根据定义可得原油与FX134井区之间的误差值D1为0.569，原油与FX120井区之间的误差值D2为1.169。由于0.569＜0.916＜1.169，故 FX134井区的烃源岩是目标原油的烃源岩，且亲缘性较好；
而FX120的烃源岩显然不是目标原油的烃源岩，且亲缘性较差［22］。
1）传统的油源判识指标可归纳为生物标志化合物、轻烃组分、碳氮同位素组成和微量元素等。生物标志化合物主要通过不同化合物组成及质量分数判识成熟度、沉积环境等多方面信息，但是其质量分数较小且容易受微生物作用及热演化的影响；
轻烃质量分数较高，可以反映出成烃母质（母质为藻类/细菌轻烃组成，以正庚烷（nC7）为主；
母质为高等植物轻烃组成，以甲基环己烷（MCH）为主）来源，相较于生物标志化合物来讲，信息较为单一；
碳同位素可指示母质来源和运移路径，是最直接的油源判识指标。
2）基于离散Fréchet距离的曲线相似性模型，对至高点与至低点范围重新定义，并通过统计28组相关指标参数数据，计算油源判识阈值ε为0.916。
3）本文提出基于离散Fréchet距离的油源判识新方法，通过对曲线相似性的判别达到油源判识的目的。该方法结合多个参数对比分析，有效提高了油源判识的准确性与工作效率，减小了单因素的误差影响，是一种简单、快捷、方便和高效的油源判识方法。
猜你喜欢 烃源同位素化合物 黄河口凹陷烃源岩有机地球化学特征分析西安石油大学学报（自然科学版）(2022年3期)2022-06-01二连盆地伊和乌苏凹陷烃源岩地球化学特征与生烃潜力中国石油大学学报（自然科学版）(2022年1期)2022-02-28“源热共控”曾母盆地和文莱—沙巴盆地油气的差异分布天然气工业(2021年11期)2021-12-22川东北地区陆相烃源岩评价科学与生活(2021年18期)2021-11-24例析高考中的铁及其化合物中学化学(2017年6期)2017-10-16例谈氯及其化合物的学习与考查中学化学(2017年6期)2017-10-162017第四届全国稳定同位素制备与应用技术交流会分析化学(2017年5期)2017-06-21钒及其化合物在高考中的考查中学化学(2017年2期)2017-04-01金属元素及其化合物试题与研究·高考理综化学(2016年3期)2017-03-28《同位素》（季刊）2015年征订通知同位素(2014年3期)2014-06-13
