多芳烃参数定量评价烃源岩成熟度的方法——以银额盆地中生界烃源岩为例

陈治军，张亚雄，王永昌，王 希，葛宏选，高志亮，李子梁

1.长江大学 资源与环境学院，武汉 430100；2.陕西延长石油(集团)有限责任公司 研究院，西安 710075；3.中国石化 石油勘探开发研究院，北京 100083；4.中国石油集团 渤海钻探工程有限公司 定向井分公司，天津 300280

在烃源岩成烃有效性评价、原油性质分析等方面，成熟度研究是一个重要的环节。传统的成熟度评价方法有镜质体反射率法(Ro)和岩石热解最高峰温法(Tmax)等[1-3]。然而传统的成熟度评价方法在实际应用中存在着局限性，比如以烃源岩为基础建立的上述方法无法应用于原油成熟度研究，再比如由于海相烃源岩普遍缺乏镜质组而不能采用Ro法评价成熟度。

在有机质热演化过程中，生物标志化合物中热稳定性差的化合物会向热稳定性好的化合物转化，使得生物标志化合物成为成熟度评价的有效指标，在烃源岩或原油成熟度研究方面有广泛的应用[1]。相对于常用于成熟度研究的饱和烃化合物，芳烃化合物具有含量较高、热稳定性较好等特点，在成熟度研究方面更具优越性[3-8]。芳烃成熟度参数建立的理论依据为：在有机质热演化过程中，芳烃化合物的甲基化、脱甲基化、甲基重排等作用均受控于热稳定性，伴随热演化程度的增加，热稳定性好的化合物的相对含量逐渐增加，而热稳定性差的化合物的相对含量会逐渐减少，相关化合物的含量比值对成熟度有很好的指示作用[1,3]。基于上述原理，前人建立了多种芳烃成熟度参数，这些参数被广泛应用于不同地区、不同类型烃源岩成熟度的研究中，但应用效果不一[9-13]。基于芳烃参数和成熟度的相关性分析，前人建立了一些利用芳烃参数计算视镜质体反射率(Rc)的关系式[7-10,13-14]。但这些定量评价公式都是基于单一的芳烃参数，且在其他区域运用效果较差，甚至出现计算出的视镜质体反射率与实际地质情况相矛盾的现象。如利用甲基菲指数MPI1计算Ro的定量评价关系式最早由RADKE等[7]建立，计算公式得到了广泛应用，但王辉[6]在利用该公式计算某一地区湖相烃源岩成熟度时，某一样品的实测镜质体反射率(Ro)为1.47%，而计算出的Rc为2.30%或0.40%，数值相差甚远。而实际上，一些芳烃成熟度参数可能并非仅受成熟度控制，生源、沉积环境等因素对其也有很大的影响，烃源岩的区域差异性和芳烃参数影响因素的复杂性是芳烃成熟度参数及其定量评价关系式在很多区域应用效果不佳的主要原因。越来越多的学者发现，在运用芳烃参数定量评价烃源岩成熟度时，需要建立适合于研究区的定量评价关系式[1,5]。

在相关地区利用芳烃参数对烃源岩成熟度开展定量评价时，发现利用单一芳烃成熟度参数建立的计算Rc的公式开展成熟度定量评价时往往具有较大的误差。笔者探索出了一种全新的利用芳烃参数定量评价烃源岩成熟度的方法，即利用多元回归法建立适合研究区的多芳烃参数定量评价成熟度的模型，该方法在一定程度上提高了芳烃参数定量评价烃源岩成熟度的准确度。

1 芳烃成熟度参数的理论基础

1.1 萘系列参数

基于一些烷基取代的萘化合物与天然产物结构的类似性，前人认为萘系列化合物衍生于高等植物及细菌的倍半萜至三萜类化合物[15]。萘系列化合物对有机质成熟度指示作用的理论依据为：随着有机质热演化程度的增加，多甲基萘系列中热稳定性强的异构体含量升高，热稳定性差的异构体含量降低，可用多甲基萘系列化合物的分布特征来研究有机质的热演化程度[15-16]。萘由2个苯环组成，2个苯环共用2个碳原子，由于α位电子云密度高于β位，α位活性大于β位，在甲基取代反应中一般容易得到α位取代物[3,17-18](图1)。故α位热稳定性比β位差，β位取代萘一旦形成就比较稳定，β位取代萘与α位取代萘异构体的比值可以表征烃源岩和原油的成熟度[16]。基于上述原理，前人建立的烷基萘类成熟度参数有甲基萘参数(MNR)、二甲基萘参数(DNR-1—DNR-5)、三甲基萘参数(TMNr、TMNrl—TMNr3)等、四甲基萘参数(TeMNr)、五甲基萘(PMNr)等[3]，并确定了上述参数的表达式(表1)。如RADKE等[7]认为随着热演化程度的增加，αα取代型的1，5-二甲基萘(1，5-DMN)经甲基迁移和甲基重排重组为2，6-DMN、2，7-DMN等ββ取代型的异构体，参数DNR-1的表达式为[(2，6-DMN+2，7-DMN)/1，5-DMN]，其与Ro有很好的相关性[7]。

图1 萘、菲和二苯并噻吩碳骨架型式据文献[15,18]修改。

表1 芳烃成熟度参数

然而这些参数对于不同地区的应用效果不一，体现出烃源岩的区域差异性和参数影响因素的复杂性。如前人认为三甲基萘指数与成熟度具有持续的正相关关系，但刘亚洲等[4]运用这些指数对鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7烃源岩成熟度进行评价时，发现了与实际情况有很多相矛盾之处，指出三甲基萘指数可能受生源、沉积环境等其他因素影响较大。因此，有学者指出烷系列化合物在甲基迁移、甲基重排等作用的过程中并不是只受热动力学作用控制，黏土等矿物的催化作用、母质来源、生物降解等也对烷基萘成熟度参数有很大的影响[3,18-19]。因此，在运用萘系列参数评价烃源岩成熟度时，要特别注意其他因素对参数的影响。

1.2 烷基菲系列参数

菲系列化合物在各类沉积有机质及化石燃料中广泛分布，且丰度较高，并在中—高成熟阶段显示出最高的丰度，因此在烃源岩或原油成熟度评价方面具有一定的优势，也是应用于成熟度研究较早的芳烃化合物[14,18]。菲系列化合物的碳骨架型式见图1，由3个苯环相连而组成，β位取代基较α位取代基稳定，随着有机质热演化程度的增加，α位取代的异构体的相对含量逐渐降低，β位取代的异构体的相对含量逐渐增加，β位异构体与α位异构体的比值可以表征成熟度[3,20-22]。基于这一理论基础，前人建立的烷基菲系列成熟度参数有甲基菲指数MPI1—MPI3、甲基菲比值MPR、甲基菲分布分数F1和F2、二甲基菲指数DPR和DPR2等[1-2,5,9](表1)。

这些参数被广泛应用于不同地区烃源岩或原油的成熟度研究中，但在应用中也存在部分参数并非主要受成熟度控制、对某些参数随成熟度的变化规律存较大的争议、一些参数的定量评价应用效果不佳等问题，这可能由烃源岩存在区域差异性、参数影响因素存在复杂性、化验分析存在误差性等原因所致。如前人[4]利用KVALHEIM等[9]建立的关系式计算出的某一地区的烃源岩样品的甲基菲分布分数F2为0.22～0.28，按照已有的评价标准[23](低熟阶段F2<0.27，成熟阶段F2=0.27～0.35，高熟阶段F2>0.35)，这些烃源岩以低成熟烃源岩为主，而实际上这些烃源岩为成熟—高成熟烃源岩，这种矛盾表明对于研究区甲基菲比值可能受到成熟度以外的其他因素的影响较大。基于此，前人认为应用烷基菲参数定量评价成熟度，需建立适合于研究区的关系式[1,6]。

1.3 烷基二苯并噻吩系列参数

二苯并噻吩类化合物广泛存在于沉积有机质中，由于分子结构对称(图1)，该类化合物具有较高的稳定性[4,11]。二苯并噻吩系列化合物在有机质热演化过程中也存在着甲基化和甲基重排作用，同样由于热稳定性的差异，一些热稳定性强的化合物的相对含量越来越大，而一些热稳定性差的化合物的相对含量越来越小，相关化合物的比值可以指示成熟度。这些参数在不同地区的应用中有很好的效果，且这些参数在较广的成熟度范围内对成熟度均有较好的响应，在高成熟度下更具持续、稳定的优势[11]。现有研究已建立了很多烷基二苯并噻吩成熟度参数，如甲基二苯并噻吩参数MDR[12-13]、甲基二苯并噻吩分布指数MDBI[14]、二甲基二苯并噻吩参数DMDBT1、DMDBT2、DMDBT3、DMDBT4、DMDBT5[10-12]等(表1)。如HUGHES[13]认为4-甲基二苯并噻吩(4-MDBT)的热稳定性好于1-甲基二苯并噻吩(1-MDBT)，建立了甲基二苯并噻吩参数MDR，认为随热演化程度增加该值应该逐渐增大。魏志彬等[14]提出了甲基二苯并噻吩分布指数MDBI，并验证了Ro在0.67%～1.22%范围内，MDBI与Ro有很好的正相关关系。CHAKHMAKHCHEV等[10]研究发现2，4-二甲基二苯并噻吩(2，4-DMDBT)和4，6-二甲基二苯并噻吩(4，6-DMDBT)的相对含量随着热演化程度的增加而增大，而1，4-二甲基二苯并噻吩(1，4-DMDBT)相对含量随着热演化程度的增加而减小，提出了一系列二甲基二苯并噻吩成熟度参数。

尽管烷基二苯并噻吩系列成熟度参数被广泛应用，但他们的影响因素可能更为复杂。周叶骏等[11]的研究表明，二苯并噻吩类的烷基化程度在咸水湖相、海相、淡水湖相中呈现较为明显的分异，认为盐度差异相对于海陆原始有机物组成差异是主导二苯并噻吩类化合物烷基化程度的更为重要的因素。前人建立了一些利用烷基二苯并噻吩系列成熟度参数计算Rc的关系式，但基本都是针对于中—低成熟度烃源岩，对于高—过成熟度烃源岩还处于探索阶段[1]。这主要是因为一些烷基二苯并噻吩系列成熟度参数与烃源岩实测Ro的关系更为复杂，存在变化不明显、甚至反转等现象，使得建立定量评价关系式变得较为困难[11,14]。

2 方法介绍

由于芳烃化合物成熟度参数的影响因素比理论中更为复杂，且烃源岩存在着区域差异性，使得利用单一参数定量评价烃源岩成熟度的做法会出现较大误差。这就需要我们在实际研究中做到以下两点：一是针对不同地区、不同类型的烃源岩，套用他区已建立的关系式可能会达不到理想的应用效果，需要建立适合研究区的芳烃参数定量评价关系式；二是在利用芳烃成熟度参数定量评价成熟度时，要尽量避免利用单一参数，采用多参数综合分析可能会减少误差。

基于上述考虑，笔者在相关研究中探索出了一种提高芳烃参数定量评价烃源岩成熟度准确度的方法。该方法基于研究区一定数量的烃源岩芳烃色谱—质谱(GC-MS)分析数据，通过开展各芳烃成熟度参数与Ro的相关性分析，分别在3大类芳烃成熟度参数(烷基萘系列、烷基菲系列和烷基二苯并噻吩系列)中找出1个对成熟度最敏感(相关系数最大)的参数，利用数值分析软件对这几个参数和Ro进行多元线性回归，拟合出一个利用多参数定量计算Rc的关系式。

该方法的具体实施步骤是：(1)选取研究目标，对具有代表性的烃源岩进行取样。研究目标区应为同一盆地或同一凹陷。目标层系选择参照沉积体系，如可将海相沉积体系、湖相沉积体系和海陆过渡相沉积体系中的1个沉积体系所包含的烃源岩作为研究目标层系。烃源岩样品具有代表性体现在以下3个方面：一是样品的数量多，为开展相关性分析，样品数量要求大于3个，当然样品数量越多越好；二是成熟度范围大，最好涵盖未成熟、低成熟、成熟、高成熟、过成熟等所有热演化阶段；三是样品在各演化阶段均有较为均匀的分布。在获取烃源岩样品后，对所有烃源岩样品开展干酪根Ro测定，对沥青抽提物的芳烃馏分开展GC-MS分析，也可收集研究目标区前期的相关资料。(2)计算每个样品的芳烃成熟度参数，参数的名称和计算公式参照表1。开展各芳烃成熟度参数与Ro的相关性分析，分别在烷基萘类、烷基菲类和烷基二苯并噻吩类3大类芳烃成熟度参数中找出1个对成熟度最敏感的参数，对成熟度最敏感体现在该参数在该系列所有参数中与Ro的相关系数最大。运用数值分析软件(如SPSS等)，对所确定的3个成熟度参数和Ro进行多元回归，拟合出一个利用多参数定量计算Rc的多元关系式。(3)对建立的多元关系式开展有效性评价，即利用所建立的模型计算所有样品的Rc，对Rc和Ro开展相关性分析。如果相关系数高(如相关系数R2>0.9)、且相比于单一芳烃成熟度参数与Ro的相关系数有大幅度提高，说明定量评价的准确度有明显的提高，建立的模型适合在研究区推广或作为相关研究的参考。如果相关系数不高(如相关系数R2<0.9)，但相比于单一芳烃成熟度参数与Ro的相关系数有大幅度提高，说明选取的目标研究区不合理(即选择的区域太大、或目标层系所包含的沉积体系过多)，需要调整缩小研究目标，再次尝试该方法，直到定量评价的准确度有明显的提高。如果相关系数较低(如R2<<0.9)、且相比于单一芳烃成熟度参数与Ro的相关系数也没有大幅度提高，说明芳烃成熟度参数在研究区的影响因素较为复杂，不适合开展芳烃成熟度参数定量评价烃源岩成熟度。

该方法提供了一种全新的利用芳烃参数定量评价烃源岩成熟度的研究思路，在很大程度上提高了芳烃参数定量评价烃源岩成熟度的准确度，研究目标区所建立的评价模型对该区相关研究有很好的参考意义。同时，该方法具备很好的可操作性，对于各种勘探研究区块均值得推广。

3 应用实例

3.1 烃源岩地球化学特征

以银额盆地哈日凹陷中生界湖相烃源岩为例(图2)，验证该方法的应用效果。哈日凹陷中生代为断陷湖盆的全面发展期，主要发育湖泊沉积体系[24-27]。中生代的沉积地层主要有下白垩统和上白垩统，下白垩统自下而上有巴音戈壁组、苏红图组和银根组，上白垩统仅有乌兰苏海组[27-30]。该区中生界烃源岩较为发育，烃源岩岩性主要有深灰色—黑色含灰泥岩、灰色—深灰色泥岩、灰色灰质泥岩、灰色白云质泥岩、灰色泥质白云岩等[27-28,31]。

图2 银额盆地哈日凹陷构造位置及相关取样井

本次研究的烃源岩样品来自于H1井—H6井(图2)，数量为69个，样品岩性为灰质泥岩、含灰泥岩、含云泥岩等。对所有烃源岩样品开展有机地球化学测试分析，由长江大学地球化学实验室完成；对所有烃源岩样品的沥青抽提物的芳烃馏分开展色谱—质谱(GC-MS)分析，相关测试分析也是由长江大学地球化学实验室完成，分析仪器及流程见文献[27]。

结果表明，样品的总有机碳(TOC)含量为0.05%～6.91%，平均为1.47%；热解生烃潜量(S1+S2)为0.03～77.87 mg/g，平均为6.40 mg/g。从TOC的分布频率来看(图3a)，有机质丰度较低的非烃源岩(TOC小于0.4%，评价标准据文献[32-33]，下同)占总样品的33.3%，差烃源岩(TOC为0.4%～0.6%)占8.7%，中等有机质丰度烃源岩(TOC为0.6%～1.0%)占17.4%，好的烃源岩(TOC为1.0%～2.0%)占15.9%，极好的烃源岩(TOC大于2.0%)占24.6%。从S1+S2的分布频率同样也可以看出本次研究样品有机质丰度的多样性，部分烃源岩的生烃潜力较大，但较小生烃潜力的烃源岩也有很大的占比(图3b)。

图3 银额盆地哈日凹陷中生界湖相烃源岩样品的TOC(a)、S1+S2(b)分布频率直方图

岩石热解参数氢指数(IH)、氧指数(IO)、最高热解峰温(Tmax)对烃源岩的有机质类型有很好的指示作用[27,32-33]，分类结果显示烃源岩有机质类型主要为混合型(Ⅱ1—Ⅱ2型)，也有少量有机质类型较好的Ⅰ型和较差的Ⅲ型存在，样品具有典型的湖相烃源岩特征(图4)。样品的Ro为0.52%～2.35%，平均为0.95%。其中低成熟烃源岩(Ro为0.50%～0.70%，评价标准据文献[32-33]，下同)样品占总样品的36%，成熟烃源岩(Ro为0.70%～1.30%)样品占总样品的47%，高成熟烃源岩(Ro为1.30%～2.00%)样品占总样品的9%，过成熟烃源岩(Ro大于2.00%)样品占总样品的8%。

图4 银额盆地哈日凹陷中生界湖相烃源岩样品有机质类型划分

总的来说，本次研究的烃源岩样品数量多，有机质丰度具有多样性，有机质类型丰富，有机质成熟度跨度大，且烃源岩在低成熟、成熟、高成熟、过成熟等热演化阶段有较为均匀的分布，具有很好的代表性，适合运用该方法进行研究。

3.2 芳烃宏观组成

前人研究表明，烃源岩生源特征、沉积环境、成熟度等均会对芳烃的组成产生影响。如1，2，5-三甲基萘和1，2，5，6-四甲基萘可能来源于高等植物生源的五环三萜香树素或树脂生源的二环二萜刺柏酸，较高的1，2，5-三甲基萘和1，2，5，6-四甲基萘含量预示着较高的陆源高等植物输入[5,33-34]。“三芴”系列化合物的相对组成可以指示烃源岩和原油的沉积环境，陆相淡水或微咸水湖相下的烃源岩/原油中芴的含量较高，盐湖相和海相碳酸盐岩烃源岩/原油中硫芴(二苯并噻吩)含量较高，在沼泽相煤或煤成油中氧芴(二苯并呋喃)含量较高[35-36]。芳烃化合物的宏观组成对成熟度也有一定的指示作用，未成熟—低成熟度原油，芳烃化合物中四环、五环化合物含量较高；中—高成熟度的原油，芳烃化合物中二环或三环化合物占优势[5,21]。

图5 银额盆地哈日凹陷中生界湖相烃源岩样品芳烃系列相对含量

3.3 芳烃参数与Ro相关性分析

前人建立的烷基萘成熟度参数多达12个，由于本次GC-MS分析未能检出1，8-二甲基萘(1，8-DMN)，相关参数DNR-2、DNR-3、DNR-4和DNR-5未能求取，绘制出其他8个烷基萘类成熟度参数与Ro的交会图(图6a-h)，并分别开展线性回归和相关性分析。可以看出，烷基萘成熟度参数整体与Ro的相关性差别很大。甲基萘参数MNR、二甲基萘比值DNR-1、三甲基萘指数TMNr3和五甲基萘指数PMNr在本次研究的成熟度范围内(Ro为0.52%～2.35%)与Ro相关性较差或者几乎无相关性，相关系数R2仅为0.000 4～0.110 1(图6a，b，f，h)，表明对于湖相烃源岩，这些参数可能受沉积环境、生源等其他因素影响较大。三甲基萘指数TMNr、TMNr1、TMNr2和四甲基萘指数TeMNr等参数虽然在中低成熟度阶段(Ro<1.00%)值较为分散，但整体与Ro相关性较好，R2为0.281 1～0.550 3(图6c-e，g)。烷基萘成熟度参数中参数TMNr的R2最大，说明研究区烷基萘类成熟度参数中TMNr为对Ro最敏感的参数。

同样，绘制出8个烷基菲成熟度参数与Ro的交会图(图6i-p)，并开展线性回归分析。可以看出，参数DPR、DPR2与Ro的相关性较差，因为它们与Ro的相关系数R2分别仅为0.068 6和0.013 5(图6o，p)。除了参数DPR和DPR2，其他参数与Ro的相关性显著，R2为0.674 4～0.923 7，表明烷基菲成熟度参数对于湖相烃源岩有很好的适用性。其中，参数MPR的R2最大，为0.923 7，预示着研究区烷基菲类成熟度参数中MPR对Ro最敏感。

图6 银额盆地哈日凹陷中生界湖相烃源岩芳烃参数与Ro相关关系

烷基二苯并噻吩类7个成熟度参数与Ro的线性回归分析结果表明，除了参数MDR、MDBI与Ro的相关性不显著外(R2分别为0.089 9和0.213 2)，其他烷基二苯并噻吩成熟度参数与Ro的相关性均较好(图5q-u)，R2为0.808 5～0.904 5，其中参数DMDBT1与Ro的相关系数R2最大，为0.9045，说明研究区烷基二苯并噻吩类成熟度参数中DMDBT1对Ro最敏感。

3.4 模型的建立与应用效果分析

基于以上芳烃参数与Ro的相关性分析，确定的研究区烷基萘类、烷基菲类和烷基二苯并噻吩类芳烃成熟度参数中对成熟度最为敏感的参数分别为TMNr、MPR和DMDBT1。对TMNr、MPR和DMDBT1和Ro进行多元线性回归，用SPSS软件拟合出的利用这3个参数计算视镜质体反射率(Rc)的关系式：

Rc=0.316 8×TMNr-0.291 3×MPR+

0.167 3×DMDBT1+0.395 6

(1)

利用公式(1)计算所有样品的Rc，并对Rc和Ro开展相关性分析，新模型计算出的Rc和Ro之间的相关系数R2高达0.96(图7)。

图7 银额盆地哈日凹陷中生界湖相 烃源岩样品新模型计算的Rc与Ro相关关系

本应用实例所有样品的23个芳烃成熟度参数与Ro的相关系数R2为0.000 4～0.923 7。虽然有极少数单一参数与Ro的相关系数较高，如MPR与Ro的R2为0.923 7(为最高)，DMDBT1与Ro的R2为0.904 5，这几个参数在一定程度上能够满足烃源岩成熟度评价的精度要求，但地质定量评价研究中的精度越高往往会得到更为客观的结论。且绝大多数单一参数与Ro的相关系数均较小，如所有单一参数中与Ro的相关系数R2小于0.8的占81%。相比于单一芳烃参数与Ro的相关系数，新模型计算出的Rc与Ro的相关系数有了大幅度提高。如分别选取样品中成熟度较低和较高的2个样品，实测Ro分别为0.56%和2.31%，利用单一芳烃参数中与Ro的相关系性最好的MPR参数建立的模型计算出的Rc分别为0.66%和2.14%，而新模型计算出的Rc分别为0.54%和2.23%，可见新模型计算出的Rc精度明显较高。

以上表明利用多芳烃参数建立定量计算Rc的方法具有明显的优越性，体现在相对于单因素定量评价的准确度能有大幅度地提高。本研究应用实例的研究对象为湖相烃源岩，代表了最重要的、最广泛的一类烃源岩类型，用本方法建立的公式(1)对于银额盆地中生界烃源岩具有很好的适用性，对于其他区域的湖相烃源岩的相关研究也能提供参考。

4 结论

(1)基于热稳定性的差异性，前人建立了30余个芳烃成熟度参数，但实际上一些参数可能并非仅受成熟度控制，生源特征、沉积环境等因素对其也会有很大影响，导致一些参数在某些研究区的应用效果并不理想，且前人基于单一参数建立的计算Rc的模型在其他地区也并不适用。

(2)本研究探索出了一种提高芳烃参数定量评价烃源岩成熟度准确度的方法。该方法基于研究区一定数量的烃源岩芳烃色谱—质谱(GC-MS)分析数据，通过开展各芳烃成熟度参数与Ro的相关性分析，分别在3大类芳烃成熟度参数(烷基萘系列、烷基菲系列和烷基二苯并噻吩系列)中找出1个对成熟度最敏感(相关系数最大)的参数，利用数值分析软件对这几个参数和Ro进行多元线性回归，拟合出一个利用多参数定量计算Rc的关系式。

(3)本方法在银额盆地哈日凹陷中生界湖相烃源岩研究中取得了很好的应用效果，用本方法拟合出的关系式计算所有样品的Rc，结果Rc和Ro相关系数R2高达0.96，相对于单一芳烃参数，相关系数有了大幅度的提高，表明该方法具有较好的适用性和较强的可操作性，在相关研究中值得推广。