基于“Van Kerevenlen”圖解的干酪根類型及成熟度數值化分析方法

熊德明

(重慶市頁巖氣開發環境保護工程技術研究中心　重慶涪陵頁巖氣環保研發與技術服務中心，重慶40800)

韓旭

(成都理工大學能源學院，四川 成都 610059)

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基于“Van Kerevenlen”圖解的干酪根類型及成熟度數值化分析方法

熊德明

(重慶市頁巖氣開發環境保護工程技術研究中心重慶涪陵頁巖氣環保研發與技術服務中心，重慶40800)

韓旭

(成都理工大學能源學院，四川 成都 610059)

為了彌補“Van Kerevenlen”圖版的不足，提出了建立干酪根類型數學模型和干酪根成熟度數學模型。驗證干酪根類型數學模型時，計算了23個樣品(6個地區)；驗證干酪根成熟度數學模型時，計算了35個樣品(9個地區)。從計算結果來看，所建立兩個數學模型計算結果和試驗測試結果基本相符，說明新建模型是可靠的，是對“Van Kerevenlen”圖版確定干酪根類型和成熟度的一個補充。同時避免了礦物基質、瀝青污染和芳構化程度等因素對確定干酪根類型和成熟度的影響，降低了試驗測試所導致的誤差，彌補了高-過成熟度樣品干酪根類型和成熟度確定的難題，實現了干酪根類型和成熟度數值化計算。

H/C；O/C；Ro；干酪根類型；“Van Kerevenlen”圖版

目前，用于確定干酪根類型的方法較多[1～6]，其中基于元素分析資料的“Van Kerevenlen”圖解三型分類法被廣泛使用，四型分類法則彌補三型分類法對死碳分析的不足。“Van Kerevenlen”圖解不僅表明了干酪根類型與油氣之間的關系，還闡述了Ro(鏡質體反射率)隨H/C和O/C的變化，Ro越小，H/C和O/C越大，且Ro與H/C～O/C存在曲線關系(如圖1)。但是，“Van Kerevenlen”圖解也存在一些不足：①演化程度越高，不同干酪根的演化途徑趨于一致，其干酪根類型和成熟度難以區分；②自然界中干酪根投放在該圖解上是成片分布的，不可能只形成幾條曲線(干酪根曲線和成熟度曲線)；③運用該圖解確定干酪根類型和成熟度時，帶有許多主觀因素。因此，有必要將“Van Kerevenlen”圖解法進行數值化，提高該圖解確定干酪根類型和成熟度的準確度。

1　建立計算模型

1.1干酪根類型計算模型

從調研的情況來看，干酪根類型確定方法較多，但是都只能進行簡單粗略劃分。為了彌補“Van Kerevenlen”圖解在干酪根類型劃分過程中存在的不足，筆者對“Van Kerevenlen”圖解中的Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型干酪根分界線進行了曲線擬合，獲得各類型干酪根曲線方程，而后計算干酪根H/C和O/C到各干酪根類型曲線的距離，距離最小即為該型干酪根。計算步驟如下：

利用最小二乘法[7]建立了干酪根類型計算模型。

Ⅰ型干酪根的回歸方程：

(1)

Ⅱ型干酪根的回歸方程：

(2)

Ⅲ型干酪根的回歸方程：

f(x)=194.73x3-101.07x2+17.44x-0.3241

(3)

Ⅳ型干酪根的回歸方程：

f(x)=-10.841x2+4.2711x-0.0236

(4)

確定最小距離[8]：假設d1為點M到式(1)的距離；d2為點M到式(2)的距離；d3為點M到式(3)的距離；d4位點M到式(4)的距離。而后采用迭代原理計算各個距離并要求精度小于0.01。

確定干酪根類型：將各個距離值進行排序，如果計算結果為d1

1.2干酪根Ro計算模型

圖2　干酪根類型圖(四分法)

通常反映干酪根演化程度的Ro是通過試驗測試得到。實驗室測定Ro存在一定的局限性，如：①篩選鏡質組時缺少參照組分；②某些地層缺乏鏡質體組分，如前石炭系；③干酪根類型影響Ro；④鏡質組和惰質組之間存在過渡組分；⑤巖石類型影響Ro；⑥測試儀器的精度等[1，9～12]。所以，需要建立新的干酪根成熟度確定方法，彌補試驗測試Ro的不足，特別是成熟度較高的樣品。

干酪根Ro不僅與H/C有關[13～15]，而且與H/C～O/C同時存在曲線關系；另外H/C和O/C不受礦物基質、瀝青污染和芳構化程度等因素的影響。在“Van Kerevenlen”圖版成熟度曲線基礎上，擬合不同Ro與H/C～O/C 的關系曲線，通過Matlab軟件建立干酪根Ro與H/C～O/C曲線的數學模型，實現Ro的準確確定，如圖2。

采用最小二乘法進行曲線回歸，通過曲線的回歸，筆者可以得到不同Ro的擬合曲線。

Ro=0.4%時的回歸方程：

f(x)=0.0781x3-0.3805x2+0.4984x+0.0073

(5)

Ro=0.5%時的回歸方程：

f(x)=0.1364x3-0.5564x2+0.6141x+0.0823

(6)

Ro=1.0%時的回歸方程：

f(x)=-0.358x2+0.4845x-0.0831

(7)

Ro=1.5%時的回歸方程：

f(x)=-0.3877x2+0.4667x-0.0831

(8)

Ro=2.0%時的回歸方程：

f(x)=-0.3423x2+0.3673x-0.0587

(9)

式中：x為H/C；f(x)為O/C。

將式(5)～(9)的數據代入Matlab進行數據擬合，得到Ro=f(H/C，O/C)的關系式(如圖3)，即z=f(x,y)：

Ro=0.4%～0.5%

f(x,y)=p00+p10x+p01y+p20x2+p11xy+p02y2+p30x3+p21x2y+

p12xy2+p03y3+p40x4+p31x3y+p22x2y2+p13xy3+p04y4

(10)

式中:x為O/C；y為H/C；且O/C>fRo=0.5%(H/C)；p00= 0.8191,p10= -18.04,p01= 0.8526,p20= 147.1,p11= 23.95,p02= -2.369；p30= -567.7,p21= -146.7,p12= -6.772,p03= 1.544,p40= 902.2,p31= 234.1；p22= 32.74,p13= -0.3605,p04= 0.3021；Ro=0.5%～2.0%。

f(x,y)=p00+p10x+p01y+p20x2+p11xy+p02y2+p30x3+p21x2y+

p12xy2+p03y3+p40x4+p31x3y+p22x2y2+p13xy3+p04y4

(11)

式中:x為O/C；y為H/C；且O/C

將試驗測試的H/C、O/C代入式(10)、式(11)，從而獲得該樣品的Ro。

圖3　 Ro擬合曲面圖(X：O/C，Y：H/C，Z：Ro)

2　方法的驗證

2.1干酪根類型模型

為了驗證所建立模型的可行性，筆者查閱了我國6個盆地近23個代表性樣品的干酪根H/C和O/C，具體數據見表1。該次收集的松遼盆地樣品以Ⅰ型為主，陜甘寧盆地樣品以Ⅳ型為主，柴達木盆地樣品以Ⅳ型為主，渤海灣盆地樣品以Ⅱ型為主，江漢盆地樣品以Ⅲ型為主。

表1　各盆地的干酪根類型判識

將各盆地干酪根的H/C和O/C代入新建立干酪根類型計算模型，運用編寫的VBA程序來計算點(H/C，O/C)到四類型曲線的距離，距離值越小，說明干酪根越接近該類型干酪根，如表1。由表1可知，前人對干酪根類型劃分結果與筆者新建模型的計算結果基本符合。前人用圖版法判斷的結果和新建模型計算結果存在一點誤差，可能是在采用圖版標定干酪根類型時，帶有較多人為主觀因素，而該次所建立的模型則客觀許多，所以該次新建立模型可以彌補圖版標定干酪根類型的不足之處，消除人為主觀因素的影響。另外，由于H/C和O/C不受礦物基質、瀝青污染和芳構化程度等因素的影響，可用于確定高、過成熟樣品干酪根類型。

2.2干酪根成熟度模型

在驗證干酪根成熟度模型的過程中，筆者搜集了我國9地區35個干酪根的H/C和O/C。將這35個樣品的H/C和O/C投在 “Van Kerevenlen”(圖4)圖上后發現，樣品分布在Ro=0.4%和Ro=1.5%之間，主要分布在0.5%～1.0%之間。隨后分兩步對所建Ro預測模型進行了驗證：首先驗證各個Ro曲線的準確性；運用編寫的VBA程序計算“Van Kerevenlen”圖上點(H/C，O/C)到各個Ro曲線的距離，距離值越小，該點的Ro越靠近該Ro曲線，其中距離最小的2個距離值即為該點Ro的分布范圍(如表2和圖5)；從圖6可知，樣品的實測Ro分布在Ro預測范圍值內，即擬合的Ro曲線方程是可靠的。其次驗證Ro預測模型：將點(H/C，O/C)代入Ro～(H/C，O/C)曲線方程式(式(10))即可獲得該點的Ro預測值(見表2和圖5)；從表2和圖5可知，當試驗測試的Ro小于1.0%時，實測Ro和預測的Ro是符合的，當實驗測試的Ro大于1.0%時，預測Ro和實測Ro存在一定誤差，但均在Ro預測范圍內；出現這種誤差的原因可能是實測Ro常常受到參照組分、過渡組分、巖石類型、測試儀器精度等因素的影響，所以出現測試值和預測值不同的現象。但是， H/C和O/C不受礦物基質、瀝青污染和芳構化程度等因素的影響，且Ro預測值在Ro預測范圍值內，所以Ro預測值是準確的。另外，該模型不僅可以預測低成熟階段的樣品，還彌補了高成熟階段樣品Ro確定的問題。

圖4　全國各大盆地的干酪根Ro分布圖　　　　　　　　圖5　全國各大盆地的干酪根Ro實測值與計算值

地區樣品序號井號O/CH/C實測Ro/%點到曲線的距離0.40.511.52Ro預測范圍/%計算Ro/%五彩灣1彩0050.09060.67130.710.01080.00130.00010.00160.00360.5～10.742彩1100.11260.69450.640.00710.00050.00140.00380.00700.5～10.673彩180.09520.83910.760.01190.00070.00100.00400.00790.5～10.784彩180.10400.81440.720.00990.00030.00130.00450.00860.5～10.705彩190.10730.79520.680.00910.00020.00140.00460.00860.5～10.676彩0010.11800.40110.420.00120.00120.00410.00580.00710.4～0.50.44阜康7阜110.09070.40080.820.00370.00010.00140.00240.00330.5～10.488阜110.07780.39400.930.00520.00040.00070.00140.00200.5～10.489阜20.08940.78190.670.01270.00110.00060.00240.00530.5～10.9010阜20.09020.82300.690.01290.00100.00070.00310.00650.5～10.8511阜20.07150.81670.690.01740.00260.00000.00140.00381～1.51.0512阜20.09050.50280.600.00670.00060.00040.00140.00260.5～10.7813阜20.10090.69470.730.00920.00080.00080.00260.00530.5～10.8214阜20.11400.76890.730.00770.00050.00170.00500.00900.5～10.60松遼15杜4020.06001.44000.460.01190.00040.03290.06280.07590.5～10.5016金670.06001.32001.210.01480.00020.01660.03830.04990.4～0.50.4717古3010.14001.28001.000.00210.00420.03630.06140.07630.4～0.50.4318霍10.12001.78000.940.00010.01100.16040.23280.25010.4～0.50.4219農1010.03600.70001.500.02590.00770.00200.00030.00041.5～21.9820長30.09000.90000.500.01320.00090.00110.00490.00950.5～10.7721煤樣0.13000.53000.910.00220.00050.00320.00560.00810.4～0.50.47江漢22紅四110.16001.08000.450.00160.00360.01930.03700.04940.4～0.50.4223廣100.16000.85000.600.00200.00190.00850.01640.02410.4～0.50.4424王東160.16000.91000.600.00200.00210.01010.01980.02860.4～0.50.43柴達木25旱20.09000.74000.830.01210.00150.00050.00200.00450.5～10.9226旱20.16000.75000.960.00170.00140.00700.01280.01880.4～0.50.4427旱20.13000.76001.280.00510.00010.00310.00720.01190.5～10.49南襄28泌740.07001.19101.100.01520.00040.00740.02210.03170.5～10.5629雙4070.03001.59000.450.01480.00000.05300.09190.10520.4～0.50.50陜甘寧30富300.11000.90000.920.00900.00010.00260.00800.01370.5～10.5531華280.10000.61000.450.00780.00070.00040.00220.00420.5～10.8332富300.06000.72000.450.01920.00430.00040.00050.00141～1.51.3233葫430.06000.81000.570.02050.00390.00020.00080.00251～1.51.20渤海灣34營100.09001.22000.600.01020.00040.01360.03310.04450.5～10.5035安290.14001.22000.450.00260.00330.02760.05060.06450.4～0.50.43

3　結論

1)利用干酪根類型數學模型計算了6個盆地23個樣品的干酪根類型，通過計算發現數學模型計算結果和圖版法確定的結果基本符合，說明新建模型的計算結果是可靠的，消除干酪根確定過程中人為主觀因素的影響，彌補了“Van Kerevenlen”圖版確定干酪根類型速度和精度不高的問題。

2)利用干酪根成熟度數學模型計算了9個地區35個樣品的干酪根成熟度，從計算結果來看，試驗測試的Ro在Ro預測范圍值內，但不同于數學模型預測的Ro；其原因可能是試驗測試Ro常常受到參照組分、過渡組分、巖石類型、測試儀器精度等因素的影響，而H/C和O/C不受礦物基質、瀝青污染和芳構化程度等因素的影響，且該模型是基于“Van Kerevenlen”圖版而建立的，所以其Ro預測值是準確的，建立的模型是可靠的，也彌補了“Van Kerevenlen”圖版確定干酪根成熟度速度和精度不高的問題。

3)該次研究所建兩個模型避免了礦物基質、瀝青污染和芳構化程度等因素對干酪根類型和成熟度的影響及試驗測試所導致的誤差，實現了干酪根類型和成熟度數值化計算，彌補了高-過成熟度樣品干酪根類型和成熟度確定難的問題。

[1]Tissot B P，Welte D H.Petroleum formation and occurrence (1ed.)[M].Berlin：Springer-Verlag，1978.

[2]Tissot B P，Welte D H.Petroleum format ion and occurrence(2ed.) [M]. Berlin:Springer-Verlag，1984.

[3]SY/T 5735—1995, 陸相烴源巖地球化學評價方法[S].

[4]黃第藩，李晉超.干酪根類型劃分的X圖解[J].地球化學，1982，1:21～30.

[5]盧雙舫，龐雄奇，李泰明，等.干酪根類型數值化的探討[J]. 天然氣工業, 1986, 3(6): 17～23.

[6]熊德明，馬萬云，張明峰，等.干酪根類型及生烴潛力確定新方法[J].天然氣地球科學，2014，25(6)：898～901.

[7]杜迎春.實用數值分析[M].北京:化學工業出版社，2007.

[8]郭治中.高等數學[M].北京:清華大學出版社，2013.

[9]Yvon H, Andre C, Martine S.Organic matter and clay anomalies associated with base-metal sulfide deposits[J]. Ore Geology Reviews, 1996,11(1～3):157～173.

[10]郭迪孝,酆軒增.鏡質體反射率是成熟度的通用“標尺”嗎?[J].石油實驗地質, 1990,12(4): 421～425.

[11]陳建渝，郝芳.有機巖石學研究有機質類型和成熟度的改進[J].石油實驗地質，1990，12(4)：426～431.

[12]吳保軍,趙師慶. 煤和不同主巖干酪根鏡質組反射率差異性的研究[J]. 石油實驗地質, 1990, 12(4): 432～437.

[13] Jones R W，Edison T A.Microscopic observations of kerogen related to geochemical parameters with emphasis on thermal maturation[A].Oltz D F. Low temperature metamorphism of kerogen and clay minerals[C]. Los Angeles: SEPM，Pacific Section,1978:1～12.

[14] Horsfield B.Practical criteria for classifying kerogens：Some observations from pyrolysis-gas chromatography[J].Geochim Cosmochim Acta，l989，53：891～901.

[15] Baskin D K.Atomic H/C ratio of kerogen as an estimate of thermal maturity and organic matter conversion [J].AAPG Bulletin，1997，81(9)：1437～1450.

[編輯]宋換新

2016-05-10

中國科學院西部行動計劃項目(KZCX2-XB3-12)；中國科學院先導性科技專項(XDB01030403)。

熊德明(1984-)，男，博士，工程師，主要從事天然氣地質和油氣地球化學研究，xiongdeming2004@126.com。

TE122.2

A

1673-1409(2016)29-0001-06

[引著格式]熊德明，韓旭.基于“Van Kerevenlen”圖解的干酪根類型及成熟度數值化分析方法[J].長江大學學報(自科版), 2016,13(29):1～6.