油源判識指標(biāo)研究進(jìn)展及基于曲線相似性的新方法

王文愽 ，鮑園 ，羅群 ，師生寶

（1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中國石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249；3.中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249）

0 引言

能源是國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的基礎(chǔ)，可分為三大類，包括煤炭、石油、天然氣等常規(guī)能源，煤層氣、頁巖氣、天然氣水合物等非常規(guī)能源和風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮艿刃履茉矗?-5］。煤炭、石油及天然氣是中國一次能源消費的主體，根據(jù)我國能源消費占比逐年變化情況來看，煤炭占比逐年下降，石油占比呈逐年上升趨勢，近3 a基本穩(wěn)定，天然氣占比逐年升高，說明我國能源消費逐步向清潔能源靠攏，但是貧油的局面始終未得到緩解。我國石油的消費量逐年增加，大量依賴進(jìn)口，因此，加速我國石油的勘探開發(fā)是改善該局面的重要措施。精確的油源判識結(jié)果是石油勘探開發(fā)的基礎(chǔ)和前提，但針對油源判識方法的研究鮮有報道。

對于多油層油田及被斷層分割的油田，各油層的追蹤溯源及不同斷塊之間的連通情況是確定勘探目標(biāo)的重要基礎(chǔ)。有效油源判識，可以圈定可靠的油源區(qū)，為油田的進(jìn)一步勘探提供資料。因此，油源判識方法研究為探討石油成因、判斷油氣的運移方向、路徑和距離及圈定油氣甜點區(qū)提供重要依據(jù)，對指導(dǎo)油氣資源的開采工作及合理化開發(fā)也具有重要的指導(dǎo)意義。

準(zhǔn)確的油源判識方法能夠加快我國對油氣甜點區(qū)塊的勘探與開發(fā)，尤其對于我國一些具有良好油氣顯示的盆地，如鄂爾多斯盆地、準(zhǔn)噶爾盆地等。精確的判識結(jié)果是石油勘探開發(fā)的基礎(chǔ)，只有方法得當(dāng)、結(jié)果準(zhǔn)確才能快速、準(zhǔn)確地在這些盆地中確定油氣甜點區(qū)，才有可能提高我國石油產(chǎn)量，增加自供率，減小對進(jìn)口石油的依賴。但是，由于傳統(tǒng)油源單因素的對比模式中參數(shù)數(shù)據(jù)繁雜，并且可能會由于單個參數(shù)的異常造成誤差，使得判識結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上［6-74］，將油源判識相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分類整理，再基于相似曲線判別法，通過判別曲線的相似性來對油源進(jìn)行判識。這樣的判識方法大大降低了對單一參數(shù)的依賴，從整體上對油源進(jìn)行把握，使得判識結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

1 油源判識參數(shù)

目前，對于油源的判識指標(biāo)，總體來講主要依賴于3個方面：生物標(biāo)志化合物、碳同位素及輕烴組分。其中，生物標(biāo)志化合物和碳同位素是油源判識的重要指標(biāo)。但是，由于生物標(biāo)志化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低，在遭受強(qiáng)烈生物降解作用或熱演化程度較高的原油中，它們反映的信息往往會有缺失和誤差；輕烴組分在原油中質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高，可以對缺失的信息進(jìn)行很好地補充，彌補了遭受生物降解作用或熱演化程度較高的這類原油信息的缺失。

1.1 生物標(biāo)志化合物

一般來講，生物標(biāo)志化合物具有3個特點：1）在生物體中具有較高含量；2）在化學(xué)結(jié)構(gòu)上具有穩(wěn)定的碳骨架結(jié)構(gòu)；3）化合物結(jié)構(gòu)能表明生物標(biāo)志化合物的來源。生物標(biāo)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，能較好地反映原油與母質(zhì)、沉積環(huán)境、成熟度等方面的信息，也可以表征成油物源、沉積環(huán)境的改變以及遭受到的地質(zhì)作用、生物作用及熱演化作用等信息［8］，因此，常被用于油-油、油-源對比中。如，姥鮫烷和植烷可以提供成烴時期的沉積環(huán)境信息；三萜烷（C19+20，C21，C23）可以提供沉積相的變化；C29甾烷的不同構(gòu)型可以提供母質(zhì)來源及成熟度等信息。相關(guān)參數(shù)詳細(xì)信息如表1所示。

表1 油源判識參數(shù)

關(guān)于油源對比，前人在生物標(biāo)志化合物參數(shù)對比上做了大量的研究工作。趙靖州等［17］使用姥植比、碳同位素、成熟度等參數(shù)對鄂爾多斯盆地東北部七里村長6原油進(jìn)行油源判識研究發(fā)現(xiàn)：長6原油為成熟原油，主要是原長7段烴源巖生成的原油經(jīng)垂向運移和短距離側(cè)向運移聚集成藏；生油母質(zhì)以藻類等低等水生生物為主，混有陸源高等植物，并且母源沉積相為偏還原性的淡水湖泊。朱揚明等［10］利用姥植比、成熟度、甾烷等參數(shù)對四川盆地北部石龍場和元壩地區(qū)原油進(jìn)行油源判識發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)原油為自生自儲型。Fu等［19］通過對南海珠江口盆地白云凹陷油源進(jìn)行判識研究表明，該地區(qū)發(fā)育湖相原油。同時通過碳同位素和生物標(biāo)志化合物的對比認(rèn)為，白云凹陷西南側(cè)是原油的主要運移方向。生物標(biāo)志化合物是油源判識最重要的一類化合物，能從多個方面反映出油-源巖的特征，如姥植比可以反映油-源巖的沉積環(huán)境，甾烷能提供沉積相及母質(zhì)來源的相關(guān)信息，它們能為圈定可靠的油氣甜點區(qū)提供直接證據(jù)。

1.2 輕烴組分

原油的組成中輕烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占30%，而生物標(biāo)志化合物僅占1%［12］，同時輕烴性質(zhì)較為穩(wěn)定，不易受環(huán)境的影響；因此，在某些方面，輕烴所反映出的油源地球化學(xué)信息較之于生物標(biāo)志化合物更具代表性。

甲基環(huán)己烷-二甲基環(huán)戊烷-正庚烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系，可反映原油/烴源巖是來自高等植物還是低等植物。例如，王祥等［21］認(rèn)為，正庚烷（nC7）主要來自于藻類和細(xì)菌，是腐泥型烴類輕烴的組成特征之一。

戴金星［7］認(rèn)為二甲基環(huán)戊烷（∑DMCP）主要來自水生生物的類脂化合物，甲基環(huán)己烷（MCH）來自于高等植物的木質(zhì)素、纖維素和糖分，其熱力學(xué)特征穩(wěn)定，是煤成烴組分的顯著特征。Tao等［23］利用輕烴對準(zhǔn)噶爾盆地西北深部油藏的研究表明，細(xì)菌和藻類是該地區(qū)原油的主要生烴母質(zhì)，原油主要來自下二疊統(tǒng)鳳城組。輕烴雖然反映的信息較為單一，但是它卻是油源判識過程母質(zhì)來源的重要判識指標(biāo)，可以和生物標(biāo)志化合物反映的信息進(jìn)行對比，兩者相互驗證，保證判識的正確性。

1.3 碳同位素

石油賦存于沉積巖中，故其碳同位素一般都符合沉積有機(jī)質(zhì)碳同位素特征（見圖1。圖中干酪根數(shù)據(jù)引自參考文獻(xiàn)［34-35］，原油/抽提物數(shù)據(jù)引自參考文獻(xiàn)［9，31，40-41］）。研究結(jié)果表明，原油碳同位素組成受控于烴源巖有機(jī)碳同位素組成［30］及沉積環(huán)境［31］。Stahl等［40］提出根據(jù)穩(wěn)定碳同位素類型曲線進(jìn)行油源追蹤的方法，該方法是將原油的4個組分（飽和烴、芳烴、非烴和瀝青質(zhì)）的碳同位素進(jìn)行等值排序。在同位素分餾的作用下，不同組分的碳同位素會隨著極性的增強(qiáng)而增大，即飽和烴δ13C<芳烴δ13C<非烴δ13C<瀝青質(zhì)δ13C<原油/抽提物 δ13C［33］；因此，只要將原油的 4 個組分的δ13C值按等間距分布，再將可能的烴源巖干酪根的碳同位素值置于同位素類型曲線上，其偏離度在±0.5‰以內(nèi)即認(rèn)為該原油可能的烴源巖［24］。同時干酪根碳同位素也表現(xiàn)出類似特點，即Ⅰ型干酪根δ13C<Ⅱ1干酪根 δ13C<Ⅱ2干酪根 δ13C<Ⅲ干酪根 δ13C［34-35］。一般碳同位素值差異小于2‰或5‰即可判識同源。另外，存在某些方面碳同位素差異過小的問題，如Sofer等［42］發(fā)現(xiàn)陸相來源原油的同位素值只比海相來源原油高0.9‰，不足以用來區(qū)分海、陸相原油。

碳同位素組成對判識母質(zhì)來源和油氣運移路徑也具有較好的效果。趙陽等［29］對甘南沼澤現(xiàn)代泥炭和準(zhǔn)噶爾盆地長焰煤的碳同位素分析，研究了各正構(gòu)烷烴碳同位素組成與有機(jī)質(zhì)來源及成巖演化的關(guān)系，依據(jù)碳同位素曲線對比圖發(fā)現(xiàn)，具有較重碳同位素值的原油為陸生植物成因，而具有較輕碳同位素值的原油為水生生物成因。Yang等［44］利用碳同位素對黃驊凹陷新近系油源進(jìn)行對比，結(jié)果表明，下二疊統(tǒng)下石盒子組原油主要來源于下二疊統(tǒng)山西組和下石盒子組陸源泥巖。Kobraei等［45］利用碳同位素和單體烴碳同位素對伊朗西南部阿巴丹平原上侏羅統(tǒng)至下白堊統(tǒng)原油進(jìn)行了對比研究，結(jié)果顯示，該原油主要來源于上侏羅統(tǒng)至下白堊統(tǒng)Garau組烴源巖。碳同位素是隨有機(jī)質(zhì)變化遷移的重要標(biāo)志，通過研究碳同位素的改變可以對生物標(biāo)志化合物反映的信息進(jìn)行補充和說明，相互印證，保證油源判識的準(zhǔn)確性。

1.4 其他參數(shù)

除了上述提到的較為成熟且廣泛使用的油源判識指標(biāo)之外，還有一些其他的油源對比參數(shù)，如微量元素和氮同位素（見表1）。微量元素作為油源對比指標(biāo)是由于其性質(zhì)穩(wěn)定，并且相應(yīng)的金屬有機(jī)質(zhì)干酪根對烴源巖有著良好的繼承性，因此，可以區(qū)分出不同的烴源巖。在油源分類上，微量元素也具有良好的應(yīng)用［26］。

秦歡等［33］在塔里木盆地油源對比中，使用了微量元素 V/Ni，V/Cr，Ni/Co，Ni/Mo 等，對塔里木盆地油源進(jìn)行了對比，并取得了較好的效果。陳傳平等［50］通過對塔里木盆地干酪根及原油的氮同位素測試，發(fā)現(xiàn)氮同位素會隨著環(huán)境及時代的變化而發(fā)生變化，因此，可以很好地應(yīng)用于油源對比及油氣運移方向的確定。隨著油源判識研究的逐步深入，新的判識指標(biāo)被不斷發(fā)現(xiàn)，烴類的可動性使判識結(jié)果具有多解性，大大增加了油源對比的復(fù)雜程度和誤差，因此，應(yīng)該在原有判識參數(shù)的基礎(chǔ)上合理選取新的對比參數(shù)，對油源進(jìn)行綜合判識，保證判識結(jié)果的精確。

2 油源判識新方法及其應(yīng)用

2.1 曲線相似性理論

相似性判別方法被廣泛用于眾多領(lǐng)域，例如計算機(jī)繪圖、模式識別及結(jié)構(gòu)生物學(xué)等方面。其中，F(xiàn)réchet距離是曲線相似性的一種高級判斷方法，它考慮了曲線上各點的位置和次序，在描述曲線相似性方面具有快速、準(zhǔn)確的優(yōu)勢［43］。Yang 等［44］將 Fréchet距離應(yīng)用到計算2條曲線的相似度上，見式（1）。

式中：α，β分別為涉及到所有連續(xù)非減的實函數(shù)。

Eiter和 Mannilalsl等［53］在總結(jié)連續(xù) Fréchet距離性質(zhì)和意義的基礎(chǔ)上，提出了離散Fréchet距離的定義（式（2）），使得該算法的應(yīng)用范圍更加廣泛。

式中：A，B分別為2條由離散點組成的曲線；dF(A，B)為曲線A和B之間的Fréchet距離；w為A，B之間組合方式。

朱潔等［54］基于離散 Fréchet距離的曲線相似性提出了一種新的判別算法（式（3）），并將其應(yīng)用于在線手寫簽名認(rèn)證中。

ε計算公式：

式中：D為至高點與至低點之間的Fréchet距離之差的絕對值。

當(dāng)D≤ε時，則A，B相似，為同源；否則認(rèn)為A，B不相似。D值越小，則A與B的親緣關(guān)系越近。

由于本文所使用油源判識參數(shù)有限，且為離散點，間距一致，在朱潔等原有定義的基礎(chǔ)上，對其至高點與至中低點重新定義，即至高點為目標(biāo)原油相對于實驗樣品在該點處相同參數(shù)差值最大值點，至低點為目標(biāo)原油相對于實驗樣品在該點處相同參數(shù)差值最小值點。通過對目標(biāo)樣與實驗樣品差值進(jìn)行計算，求解在該條件下離散Fréchet距離，通過對前人成果的梳理，求出閾值ε并應(yīng)用于油源對比（見表2）。曲線形狀由x，y共同決定確定，且x，y對曲線形狀的約束力同等重要，所以。在油源判識中，相同指標(biāo)在x軸上位置相同，故曲線相似誤差ε只與y相關(guān)，可知ε=εy。

表2 基于油源判識新方法計算閾值參數(shù)

2.2 相似性曲線判別法在油源判識中的應(yīng)用

在比較目標(biāo)原油與可能原油或烴源巖指標(biāo)參數(shù)的曲線相似性過程中，計算出誤差閾值ε是油源判識的關(guān)鍵。雖然判識參數(shù)越多得到的結(jié)論越準(zhǔn)確，但在使用該方法時往往會遇到不同參數(shù)的差值D過大問題。因此，使用該方法的限定條件為某參數(shù)的極值不能超過該參數(shù)在統(tǒng)計數(shù)據(jù)中最大值（如表2中該值為3.33）。本文通過統(tǒng)計前人公開發(fā)表的近30篇文獻(xiàn)中判識參數(shù)數(shù)據(jù)，對ε值進(jìn)行計算，確定ε為0.916。

圖2為鄂爾多斯盆地富縣地區(qū)長6、長7段原油與可能烴源巖的參數(shù)關(guān)系，以原油曲線為基準(zhǔn)，根據(jù)定義可得原油與FX134井區(qū)之間的誤差值D1為0.569，原油與FX120井區(qū)之間的誤差值D2為1.169。由于0.569＜0.916＜1.169，故 FX134井區(qū)的烴源巖是目標(biāo)原油的烴源巖，且親緣性較好；而FX120的烴源巖顯然不是目標(biāo)原油的烴源巖，且親緣性較差［22］。

3 結(jié)論

1）傳統(tǒng)的油源判識指標(biāo)可歸納為生物標(biāo)志化合物、輕烴組分、碳氮同位素組成和微量元素等。生物標(biāo)志化合物主要通過不同化合物組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)判識成熟度、沉積環(huán)境等多方面信息，但是其質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小且容易受微生物作用及熱演化的影響；輕烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，可以反映出成烴母質(zhì)（母質(zhì)為藻類/細(xì)菌輕烴組成，以正庚烷（nC7）為主；母質(zhì)為高等植物輕烴組成，以甲基環(huán)己烷（MCH）為主）來源，相較于生物標(biāo)志化合物來講，信息較為單一；碳同位素可指示母質(zhì)來源和運移路徑，是最直接的油源判識指標(biāo)。

2）基于離散Fréchet距離的曲線相似性模型，對至高點與至低點范圍重新定義，并通過統(tǒng)計28組相關(guān)指標(biāo)參數(shù)數(shù)據(jù)，計算油源判識閾值ε為0.916。

3）本文提出基于離散Fréchet距離的油源判識新方法，通過對曲線相似性的判別達(dá)到油源判識的目的。該方法結(jié)合多個參數(shù)對比分析，有效提高了油源判識的準(zhǔn)確性與工作效率，減小了單因素的誤差影響，是一種簡單、快捷、方便和高效的油源判識方法。