基于“Van Kerevenlen”图解的干酪根类型及成熟度数值化分析方法

熊德明

(重庆市页岩气开发环境保护工程技术研究中心　重庆涪陵页岩气环保研发与技术服务中心，重庆40800)

韩旭

(成都理工大学能源学院，四川 成都 610059)



基于“Van Kerevenlen”图解的干酪根类型及成熟度数值化分析方法

熊德明

(重庆市页岩气开发环境保护工程技术研究中心重庆涪陵页岩气环保研发与技术服务中心，重庆40800)

韩旭

(成都理工大学能源学院，四川 成都 610059)

为了弥补“Van Kerevenlen”图版的不足，提出了建立干酪根类型数学模型和干酪根成熟度数学模型。验证干酪根类型数学模型时，计算了23个样品(6个地区)；验证干酪根成熟度数学模型时，计算了35个样品(9个地区)。从计算结果来看，所建立两个数学模型计算结果和试验测试结果基本相符，说明新建模型是可靠的，是对“Van Kerevenlen”图版确定干酪根类型和成熟度的一个补充。同时避免了矿物基质、沥青污染和芳构化程度等因素对确定干酪根类型和成熟度的影响，降低了试验测试所导致的误差，弥补了高-过成熟度样品干酪根类型和成熟度确定的难题，实现了干酪根类型和成熟度数值化计算。

H/C；O/C；Ro；干酪根类型；“Van Kerevenlen”图版

目前，用于确定干酪根类型的方法较多[1～6]，其中基于元素分析资料的“Van Kerevenlen”图解三型分类法被广泛使用，四型分类法则弥补三型分类法对死碳分析的不足。“Van Kerevenlen”图解不仅表明了干酪根类型与油气之间的关系，还阐述了Ro(镜质体反射率)随H/C和O/C的变化，Ro越小，H/C和O/C越大，且Ro与H/C～O/C存在曲线关系(如图1)。但是，“Van Kerevenlen”图解也存在一些不足：①演化程度越高，不同干酪根的演化途径趋于一致，其干酪根类型和成熟度难以区分；②自然界中干酪根投放在该图解上是成片分布的，不可能只形成几条曲线(干酪根曲线和成熟度曲线)；③运用该图解确定干酪根类型和成熟度时，带有许多主观因素。因此，有必要将“Van Kerevenlen”图解法进行数值化，提高该图解确定干酪根类型和成熟度的准确度。

1　建立计算模型

1.1干酪根类型计算模型

从调研的情况来看，干酪根类型确定方法较多，但是都只能进行简单粗略划分。为了弥补“Van Kerevenlen”图解在干酪根类型划分过程中存在的不足，笔者对“Van Kerevenlen”图解中的Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型干酪根分界线进行了曲线拟合，获得各类型干酪根曲线方程，而后计算干酪根H/C和O/C到各干酪根类型曲线的距离，距离最小即为该型干酪根。计算步骤如下：

利用最小二乘法[7]建立了干酪根类型计算模型。

Ⅰ型干酪根的回归方程：

(1)

Ⅱ型干酪根的回归方程：

(2)

Ⅲ型干酪根的回归方程：

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

(3)

Ⅳ型干酪根的回归方程：

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

(4)

确定最小距离[8]：假设d1为点M到式(1)的距离；d2为点M到式(2)的距离；d3为点M到式(3)的距离；d4位点M到式(4)的距离。而后采用迭代原理计算各个距离并要求精度小于0.01。

确定干酪根类型：将各个距离值进行排序，如果计算结果为d1

1.2干酪根Ro计算模型

图2　干酪根类型图(四分法)

通常反映干酪根演化程度的Ro是通过试验测试得到。实验室测定Ro存在一定的局限性，如：①筛选镜质组时缺少参照组分；②某些地层缺乏镜质体组分，如前石炭系；③干酪根类型影响Ro；④镜质组和惰质组之间存在过渡组分；⑤岩石类型影响Ro；⑥测试仪器的精度等[1，9～12]。所以，需要建立新的干酪根成熟度确定方法，弥补试验测试Ro的不足，特别是成熟度较高的样品。

干酪根Ro不仅与H/C有关[13～15]，而且与H/C～O/C同时存在曲线关系；另外H/C和O/C不受矿物基质、沥青污染和芳构化程度等因素的影响。在“Van Kerevenlen”图版成熟度曲线基础上，拟合不同Ro与H/C～O/C 的关系曲线，通过Matlab软件建立干酪根Ro与H/C～O/C曲线的数学模型，实现Ro的准确确定，如图2。

采用最小二乘法进行曲线回归，通过曲线的回归，笔者可以得到不同Ro的拟合曲线。

Ro=0.4%时的回归方程：

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

(5)

Ro=0.5%时的回归方程：

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

(6)

Ro=1.0%时的回归方程：

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

(7)

Ro=1.5%时的回归方程：

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

(8)

Ro=2.0%时的回归方程：

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

(9)

式中：x为H/C；f(x)为O/C。

将式(5)～(9)的数据代入Matlab进行数据拟合，得到Ro=f(H/C，O/C)的关系式(如图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为O/C；y为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为O/C；y为H/C；且O/C

将试验测试的H/C、O/C代入式(10)、式(11)，从而获得该样品的Ro。

图3　 Ro拟合曲面图(X：O/C，Y：H/C，Z：Ro)

2　方法的验证

2.1干酪根类型模型

为了验证所建立模型的可行性，笔者查阅了我国6个盆地近23个代表性样品的干酪根H/C和O/C，具体数据见表1。该次收集的松辽盆地样品以Ⅰ型为主，陕甘宁盆地样品以Ⅳ型为主，柴达木盆地样品以Ⅳ型为主，渤海湾盆地样品以Ⅱ型为主，江汉盆地样品以Ⅲ型为主。

表1　各盆地的干酪根类型判识

将各盆地干酪根的H/C和O/C代入新建立干酪根类型计算模型，运用编写的VBA程序来计算点(H/C，O/C)到四类型曲线的距离，距离值越小，说明干酪根越接近该类型干酪根，如表1。由表1可知，前人对干酪根类型划分结果与笔者新建模型的计算结果基本符合。前人用图版法判断的结果和新建模型计算结果存在一点误差，可能是在采用图版标定干酪根类型时，带有较多人为主观因素，而该次所建立的模型则客观许多，所以该次新建立模型可以弥补图版标定干酪根类型的不足之处，消除人为主观因素的影响。另外，由于H/C和O/C不受矿物基质、沥青污染和芳构化程度等因素的影响，可用于确定高、过成熟样品干酪根类型。

2.2干酪根成熟度模型

在验证干酪根成熟度模型的过程中，笔者搜集了我国9地区35个干酪根的H/C和O/C。将这35个样品的H/C和O/C投在 “Van Kerevenlen”(图4)图上后发现，样品分布在Ro=0.4%和Ro=1.5%之间，主要分布在0.5%～1.0%之间。随后分两步对所建Ro预测模型进行了验证：首先验证各个Ro曲线的准确性；运用编写的VBA程序计算“Van Kerevenlen”图上点(H/C，O/C)到各个Ro曲线的距离，距离值越小，该点的Ro越靠近该Ro曲线，其中距离最小的2个距离值即为该点Ro的分布范围(如表2和图5)；从图6可知，样品的实测Ro分布在Ro预测范围值内，即拟合的Ro曲线方程是可靠的。其次验证Ro预测模型：将点(H/C，O/C)代入Ro～(H/C，O/C)曲线方程式(式(10))即可获得该点的Ro预测值(见表2和图5)；从表2和图5可知，当试验测试的Ro小于1.0%时，实测Ro和预测的Ro是符合的，当实验测试的Ro大于1.0%时，预测Ro和实测Ro存在一定误差，但均在Ro预测范围内；出现这种误差的原因可能是实测Ro常常受到参照组分、过渡组分、岩石类型、测试仪器精度等因素的影响，所以出现测试值和预测值不同的现象。但是， H/C和O/C不受矿物基质、沥青污染和芳构化程度等因素的影响，且Ro预测值在Ro预测范围值内，所以Ro预测值是准确的。另外，该模型不仅可以预测低成熟阶段的样品，还弥补了高成熟阶段样品Ro确定的问题。

图4　全国各大盆地的干酪根Ro分布图　　　　　　　　图5　全国各大盆地的干酪根Ro实测值与计算值

地区样品序号井号O/CH/C实测Ro/%点到曲线的距离0.40.511.52Ro预测范围/%计算Ro/%五彩湾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松辽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农1010.03600.70001.500.02590.00770.00200.00030.00041.5～21.9820长30.09000.90000.500.01320.00090.00110.00490.00950.5～10.7721煤样0.13000.53000.910.00220.00050.00320.00560.00810.4～0.50.47江汉22红四110.16001.08000.450.00160.00360.01930.03700.04940.4～0.50.4223广100.16000.85000.600.00200.00190.00850.01640.02410.4～0.50.4424王东160.16000.91000.600.00200.00210.01010.01980.02860.4～0.50.43柴达木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双4070.03001.59000.450.01480.00000.05300.09190.10520.4～0.50.50陕甘宁30富300.11000.90000.920.00900.00010.00260.00800.01370.5～10.5531华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渤海湾34营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　结论

1)利用干酪根类型数学模型计算了6个盆地23个样品的干酪根类型，通过计算发现数学模型计算结果和图版法确定的结果基本符合，说明新建模型的计算结果是可靠的，消除干酪根确定过程中人为主观因素的影响，弥补了“Van Kerevenlen”图版确定干酪根类型速度和精度不高的问题。

2)利用干酪根成熟度数学模型计算了9个地区35个样品的干酪根成熟度，从计算结果来看，试验测试的Ro在Ro预测范围值内，但不同于数学模型预测的Ro；其原因可能是试验测试Ro常常受到参照组分、过渡组分、岩石类型、测试仪器精度等因素的影响，而H/C和O/C不受矿物基质、沥青污染和芳构化程度等因素的影响，且该模型是基于“Van Kerevenlen”图版而建立的，所以其Ro预测值是准确的，建立的模型是可靠的，也弥补了“Van Kerevenlen”图版确定干酪根成熟度速度和精度不高的问题。

3)该次研究所建两个模型避免了矿物基质、沥青污染和芳构化程度等因素对干酪根类型和成熟度的影响及试验测试所导致的误差，实现了干酪根类型和成熟度数值化计算，弥补了高-过成熟度样品干酪根类型和成熟度确定难的问题。

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[编辑]宋换新

2016-05-10

中国科学院西部行动计划项目(KZCX2-XB3-12)；中国科学院先导性科技专项(XDB01030403)。

熊德明(1984-)，男，博士，工程师，主要从事天然气地质和油气地球化学研究，xiongdeming2004@126.com。

TE122.2

A

1673-1409(2016)29-0001-06

[引著格式]熊德明，韩旭.基于“Van Kerevenlen”图解的干酪根类型及成熟度数值化分析方法[J].长江大学学报(自科版), 2016,13(29):1～6.