油源判識指標研究進展及基于曲線相似性的新方法

王文愽 ，鮑園 ，羅群 ，師生寶

（1.西安科技大學地質與環境學院，陜西 西安 710054；2.中國石油大學（北京）非常規油氣科學技術研究院，北京 102249；3.中國石油大學（北京）地球科學學院，北京 102249）

0 引言

能源是國家經濟社會發展的基礎，可分為三大類，包括煤炭、石油、天然氣等常規能源，煤層氣、頁巖氣、天然氣水合物等非常規能源和風能、太陽能、地熱能等新能源［1-5］。煤炭、石油及天然氣是中國一次能源消費的主體，根據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，大量依賴進口，因此，加速我國石油的勘探開發是改善該局面的重要措施。精確的油源判識結果是石油勘探開發的基礎和前提，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的重要基礎。有效油源判識，可以圈定可靠的油源區，為油田的進一步勘探提供資料。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提供重要依據，對指導油氣資源的開采工作及合理化開發也具有重要的指導意義。

準確的油源判識方法能夠加快我國對油氣甜點區塊的勘探與開發，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、準噶爾盆地等。精確的判識結果是石油勘探開發的基礎，只有方法得當、結果準確才能快速、準確地在這些盆地中確定油氣甜點區，才有可能提高我國石油產量，增加自供率，減小對進口石油的依賴。但是，由于傳統油源單因素的對比模式中參數數據繁雜，并且可能會由于單個參數的異常造成誤差，使得判識結果不準確。因此，本文在前人研究的基礎上［6-74］，將油源判識相關參數進行分類整理，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行判識。這樣的判識方法大大降低了對單一參數的依賴，從整體上對油源進行把握，使得判識結果更加準確可靠。

1 油源判識參數

目前，對于油源的判識指標，總體來講主要依賴于3個方面：生物標志化合物、碳同位素及輕烴組分。其中，生物標志化合物和碳同位素是油源判識的重要指標。但是，由于生物標志化合物質量分數很低，在遭受強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量分數很高，可以對缺失的信息進行很好地補充，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 生物標志化合物

一般來講，生物標志化合物具有3個特點：1）在生物體中具有較高含量；2）在化學結構上具有穩定的碳骨架結構；3）化合物結構能表明生物標志化合物的來源。生物標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、沉積環境、成熟度等方面的信息，也可以表征成油物源、沉積環境的改變以及遭受到的地質作用、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甾烷的不同構型可以提供母質來源及成熟度等信息。相關參數詳細信息如表1所示。

表1 油源判識參數

關于油源對比，前人在生物標志化合物參數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、成熟度等參數對鄂爾多斯盆地東北部七里村長6原油進行油源判識研究發現：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垂向運移和短距離側向運移聚集成藏；生油母質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、甾烷等參數對四川盆地北部石龍場和元壩地區原油進行油源判識發現，該地區原油為自生自儲型。Fu等［19］通過對南海珠江口盆地白云凹陷油源進行判識研究表明，該地區發育湖相原油。同時通過碳同位素和生物標志化合物的對比認為，白云凹陷西南側是原油的主要運移方向。生物標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-源巖的沉積環境，甾烷能提供沉積相及母質來源的相關信息，它們能為圈定可靠的油氣甜點區提供直接證據。

1.2 輕烴組分

原油的組成中輕烴的質量分數約占30%，而生物標志化合物僅占1%［12］，同時輕烴性質較為穩定，不易受環境的影響；因此，在某些方面，輕烴所反映出的油源地球化學信息較之于生物標志化合物更具代表性。

甲基環己烷-二甲基環戊烷-正庚烷質量分數關系，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］認為，正庚烷（nC7）主要來自于藻類和細菌，是腐泥型烴類輕烴的組成特征之一。

戴金星［7］認為二甲基環戊烷（∑DMCP）主要來自水生生物的類脂化合物，甲基環己烷（MCH）來自于高等植物的木質素、纖維素和糖分，其熱力學特征穩定，是煤成烴組分的顯著特征。Tao等［23］利用輕烴對準噶爾盆地西北深部油藏的研究表明，細菌和藻類是該地區原油的主要生烴母質，原油主要來自下二疊統鳳城組。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來源的重要判識指標，可以和生物標志化合物反映的信息進行對比，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質碳同位素特征（見圖1。圖中干酪根數據引自參考文獻［34-35］，原油/抽提物數據引自參考文獻［9，31，40-41］）。研究結果表明，原油碳同位素組成受控于烴源巖有機碳同位素組成［30］及沉積環境［31］。Stahl等［40］提出根據穩定碳同位素類型曲線進行油源追蹤的方法，該方法是將原油的4個組分（飽和烴、芳烴、非烴和瀝青質）的碳同位素進行等值排序。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而增大，即飽和烴δ13C<芳烴δ13C<非烴δ13C<瀝青質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‰以內即認為該原油可能的烴源巖［24］。同時干酪根碳同位素也表現出類似特點，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］發現陸相來源原油的同位素值只比海相來源原油高0.9‰，不足以用來區分海、陸相原油。

碳同位素組成對判識母質來源和油氣運移路徑也具有較好的效果。趙陽等［29］對甘南沼澤現代泥炭和準噶爾盆地長焰煤的碳同位素分析，研究了各正構烷烴碳同位素組成與有機質來源及成巖演化的關系，依據碳同位素曲線對比圖發現，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行對比，結果表明，下二疊統下石盒子組原油主要來源于下二疊統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至下白堊統原油進行了對比研究，結果顯示，該原油主要來源于上侏羅統至下白堊統Garau組烴源巖。碳同位素是隨有機質變化遷移的重要標志，通過研究碳同位素的改變可以對生物標志化合物反映的信息進行補充和說明，相互印證，保證油源判識的準確性。

1.4 其他參數

除了上述提到的較為成熟且廣泛使用的油源判識指標之外，還有一些其他的油源對比參數，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是由于其性質穩定，并且相應的金屬有機質干酪根對烴源巖有著良好的繼承性，因此，可以區分出不同的烴源巖。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，發現氮同位素會隨著環境及時代的變化而發生變化，因此，可以很好地應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，新的判識指標被不斷發現，烴類的可動性使判識結果具有多解性，大大增加了油源對比的復雜程度和誤差，因此，應該在原有判識參數的基礎上合理選取新的對比參數，對油源進行綜合判識，保證判識結果的精確。

2 油源判識新方法及其應用

2.1 曲線相似性理論

相似性判別方法被廣泛用于眾多領域，例如計算機繪圖、模式識別及結構生物學等方面。其中，Fréchet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、準確的優勢［43］。Yang 等［44］將 Fréchet距離應用到計算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非減的實函數。

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

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）），并將其應用于在線手寫簽名認證中。

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D≤ε時，則A，B相似，為同源；否則認為A，B不相似。D值越小，則A與B的親緣關系越近。

由于本文所使用油源判識參數有限，且為離散點，間距一致，在朱潔等原有定義的基礎上，對其至高點與至中低點重新定義，即至高點為目標原油相對于實驗樣品在該點處相同參數差值最大值點，至低點為目標原油相對于實驗樣品在該點處相同參數差值最小值點。通過對目標樣與實驗樣品差值進行計算，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，相同指標在x軸上位置相同，故曲線相似誤差ε只與y相關，可知ε=εy。

表2 基于油源判識新方法計算閾值參數

2.2 相似性曲線判別法在油源判識中的應用

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

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

3 結論

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

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，并通過統計28組相關指標參數數據，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到油源判識的目的。該方法結合多個參數對比分析，有效提高了油源判識的準確性與工作效率，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。