烃源岩评价的3个重要方面分别是烃源岩有机质丰度、有机质类型和有机质成熟度^{[1, 2]}, 其中, 不同类型的有机质具有不同的生烃潜力, 形成不同的产物。因此准确识别有机质的类型是烃源岩研究的关键问题之一^{[2, 3]}。

烃源岩有机质类型可以通过氢指数(HI)与氧指数(OI)范式图、氢指数与生烃高峰温度(T_max)交会图等方法识别^{[1, 2, 3, 4, 5]}。烃源岩有机质类型分为3类, 即Ⅰ 型、Ⅱ 型和Ⅲ 型, 也有三类四分法、三类五分法等, 分别对应氢指数与氧指数范式图中藻质体为主、角质体为主和镜质体为主的区域^[1]。烃源岩热演化过程可以分为成岩作用、深成热解作用和后成作用3个阶段, 在烃源岩成岩作用阶段, Ⅰ 型有机质有极高的氢指数和极低的氧指数, Ⅱ 型有机质有较高的氢指数和较高的氧指数, Ⅲ 型有机质有极低的氢指数和极高的氧指数^{[1, 2, 6, 10]}。但是, 随着烃源岩热演化过程逐渐深入, 烃源岩成熟度会逐渐增加, 使得烃源岩生烃量也逐渐增加, 当烃源岩满足自身的烃吸附量后, 烃源岩向外排烃量也会逐渐增加, 则烃源岩有机质中氢指数和氧指数会逐渐减少。因此随着烃源岩热演化过程的加深, 烃源岩Ⅰ 型、Ⅱ 型、Ⅲ 型有机质的氢指数— 氧指数曲线会向原点逐渐收敛, 当达到深成热解作用晚期和后成作用阶段, 这3种类型的有机质相互交叉难以分辨, 就难以利用氢指数与氧指数范式图识别成熟— 过成熟阶段的烃源岩有机质类型^[1], 最终会影响盆地生烃性质和生烃潜力的研究。

针对上述难题, 笔者从反问题角度出发, 将未成熟— 低成熟阶段的有机质采样点通过一系列的数学运算变换到成熟— 过成熟阶段, 然后据此构建各种类型有机质的氢指数(氧指数)分布函数, 再利用线性组合方法计算成熟— 过成熟阶段几种有机质所占的比重, 据此可以识别成熟— 过成熟阶段烃源岩有机质类型。

烃源岩有机质类型分为Ⅰ 型、Ⅱ 型和Ⅲ 型, 其热演化过程又可以分为成岩作用、深成热解作用和后成作用3个阶段(图1)。 不同类型烃源岩有机质的氢指数和氧指数, 随着热演化程度的增加, 都会沿着其标准线方向逐渐减小(图2)。由于沉积环境的易变性和非均质性, 烃源岩有机质的各采样点会沿其标准线垂直方向分散分布, 即使这些点不在标准线上, 它们也会沿着其标准线的变化趋势逐渐演化, 直至收敛到原点。因此从数学上看, 烃源岩热演化过程是一个函数的平移、旋转和压缩的过程(图3), 其中函数是指氢指数和氧指数的分布函数; 平移是因为氢指数和氧指数沿标准线方向变化; 旋转是因为氢指数— 氧指数分布曲线总是沿标准线垂直方向分布, 而标准线垂直方向是不断变化的; 压缩是因为氢指数和氧指数会随热演化程度增加不断收敛。

图1

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	图1 烃源岩有机质类型与热演化途径示意

图2

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	图2 烃源岩有机质热演化过程示意

图3

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	图3 烃源岩有机质热演化的数学过程

为了求解烃源岩有机质在热演化过程中氢指数和氧指数的变化关系, 假设某种有机质类型的氢指数(y)或氧指数(x)标准线的函数关系是y=f(x), 初始状态的氢指数(氧指数)的分布曲线是y=f₀(x), 则y=f₀(x)上任意一A点的坐标是(x₀, y₀), 并且 y=f(x)与y=f₀(x)的交点B的坐标是( x̅0, y̅0), 则 y=f₀(x)的斜率是k₀= 1f'(x̅0)。当达到某种热演化程度时, B点会沿着y=f(x)变为B', A点会变为A', 因此问题就转变为求解该热演化程度下A'点的氢指数或氧指数大小。假设B点变为B'点时氧指数的位移量是m, 氢指数的位移量是n。则根据A点的平移、旋转、压缩三个过程, 可以求解出A'点的坐标。

平移:首先A点平移后的坐标是(x₀-m, y₀-n), 此时氢指数(氧指数)分布曲线的斜率是k= 1f'(x̅0-m);

旋转:氢指数(氧指数)分布曲线围绕B'点旋转, 直至和标准线y=f(x)垂直, 根据数学原理, A点再旋转后的坐标是

x=(x0-x̅0)cosθ+(y0-y̅0)sinθ+(x̅0-m)y=-(x0-x̅0)sinθ+(y0-y̅0)cosθ+(y̅0-n),

其中θ =arctank₀-arctank;

压缩:假设初始状态时, 氢指数(氧指数)分布曲线y=f₀(x)的长度是L, 并且随着热演化程度的增加, 分布曲线长度线性减小。当热演化程度极高时, 烃源岩有机质会完全炭化, 此时氢指数和氧指数都为零, 即分布曲线长度是零。因此根据数学原理, A点最后压缩为A'的坐标是

x=(x̅0-m)+[(x0-x̅0)cosθ+(y0-y̅0)sinθ]x̅0-mx̅0y=(y̅0-n)-[(x0-x̅0)sinθ-(y0-y̅0)cosθ]y̅0-ny̅0。（1）

式(1)可以将某一热演化时刻的样本换算到另一热演化时刻, 若要将某一热演化阶段的样本换算到另一热演化阶段, 只需要将B点设定为初始演化阶段样本的均值在标准线上的投影点即可。

当烃源岩进入成熟阶段后, 各类型有机质区域会叠合在一起, 则成熟— 过成熟阶段的总有机质是各种类型有机质相互组合形成的(见图4a)。因此可以利用成熟— 过成熟阶段的各种类型有机质的氢指数(氧指数)的样本估计重构成熟— 过成熟阶段总有机质的氢指数(氧指数)样本, 根据重构权值确定成熟— 过成熟阶段各类型有机质的占比。

根据式(1)可以将未成熟— 低成熟阶段的样本换算到成熟— 过成熟阶段, 然后计算各种类型有机质换算到成熟— 过成熟阶段的氢指数(氧指数)数据, 将氢指数(氧指数)等间隔分成N个单位, 之后统计各单位内氢指数(氧指数)采样点数, 最后得到归一化的各类型有机质氢指数(氧指数)函数分布频率(见图4b)。假设A_Ⅰ 、A_Ⅱ 、A_Ⅲ 分别表示Ⅰ 型、Ⅱ 型、Ⅲ 型烃源岩有机质氢指数(氧指数)分布函数, 根据图4b可得, A_Ⅰ =[a_{Ⅰ 1}, a_{Ⅰ 2}, …, a_{Ⅰ N}]^T, A_Ⅱ =[a_{Ⅱ 1}, a_{Ⅱ 2}, …, a_{Ⅱ N}]^T, A_Ⅲ =[a_{Ⅲ 1}, a_{Ⅲ 2}, …, a_{Ⅲ N}]^T。

图4

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	图4 烃源岩有机质氢指数(氧指数)范式(a)及样本分布频率(b)

假设B表示成熟— 过成熟阶段氢指数(氧指数)函数分布, 根据图4b可得B=[b₁, b₂, …, b_N]^T。由于成熟— 过成熟阶段有机质是由Ⅰ 型、Ⅱ 型、Ⅲ 型有机质相互组合形成的, 则可得如下关系式:

xⅠAⅠ+xⅡAⅡ+xⅢAⅢ=B。（2）

式(2)是一个超定线性方程组^{[11, 12]}, 可以简化为

Ax=B。（3）

式(3)中:A=[A_Ⅰ , A_Ⅱ , A_Ⅲ ], x=[x_Ⅰ , x_Ⅱ , x_Ⅲ ]^T, 式(3)可以利用最小二乘法解出^{[13, 14]}, 即

x=(ATA)-1ATB。（4）

根据式(4)的结果可以计算成熟— 过成熟阶段Ⅰ 型、Ⅱ 型、Ⅲ 型有机质所占的比重R_Ⅰ 、R_Ⅱ 、R_Ⅲ 。其中, R_Ⅰ = xⅠxⅠ+xⅡ+xⅢ, R_Ⅱ = xⅡxⅠ+xⅡ+xⅢ, R_Ⅲ = xⅢxⅠ+xⅡ+xⅢ。

不失一般性, 对于四分法或五分法等烃源岩有机质类型分类, 只需要改变有机质类型维数即可。

亚太地区N盆地是一个晚古生代— 新生代的巨型含油气盆地, 并且经历了复杂的构造演化。盆地沉积环境、烃类的生成、运移和聚集主要受与裂谷有关的构造作用控制。在前裂谷期主要为海相及河成三角洲沉积。随后盆地被分割成许多小的沉降中心, 在裂谷早期, 主要为海相及三角洲沉积; 在主裂谷期主要为局限海相沉积; 在裂谷晚期, 沉积了各种海相沉积物; 在后裂谷活动边缘阶段主要为海侵页岩, 在被动大陆边缘阶段主要为开阔陆棚海相沉积。目前在前裂谷期、裂谷期和后裂谷期地层中均发现油气田或见油气显示, 其中, E隆起是N盆地重要油气发现区, 目前已在E隆起三叠系发现22个油气田, 侏罗系— 白垩系发现7个油气田, 但是E隆起勘探程度仍然较低。为了进一步挖掘E隆起的剩余勘探潜力, 需要加深对其石油地质条件的研究。

上三叠统泥岩是E隆起的主要烃源岩, 根据隆起内钻遇上三叠统烃源岩的18口井111个采样点的氢指数和氧指数参数, 制作N盆地烃源岩有机质范式图(图5), 据此可以识别E隆起上三叠统烃源岩有机质类型。E隆起上三叠统烃源岩有机质类型只有Ⅱ 型、Ⅲ 型而缺少Ⅰ 型, 因此成熟— 过成熟阶段有机质类型识别问题是一个二维超定线性方程组求解问题。图5的未成熟— 低成熟阶段有机质有72个采样点, 其中Ⅱ 型的有9个采样点, Ⅲ 型的有65个采样点; 但成熟— 过成熟阶段有机质类型不可识别, 共有35个采样点; 还有2个氢指数极高的畸变点需要剔除, 则共有109个可用的采样点。

根据式(1)可以将未成熟— 成熟阶段Ⅱ 型、Ⅲ 型有机质的样本分别换算到成熟— 过成熟阶段, 然后统计Ⅱ 型、Ⅲ 型有机质氢指数(氧指数)频率分布A_Ⅱ 、A_Ⅲ 和成熟— 过成熟阶段烃源岩有机质氢指数/氧指数频率分布B, 即

AⅡ=[20100011110011000000]T/9, AⅢ=[004876400000000000000]T/65, B=[27615231201001200011]T/35

根据式(4)可以计算成熟— 过成熟阶段Ⅱ 型、Ⅲ 型有机质的权重系数, 分别是x_Ⅱ =0.2651, x_Ⅲ =0.2189。则成熟— 过成熟阶段Ⅱ 型、Ⅲ 型有机质占比分别是R_Ⅱ = xⅡxⅡ+xⅢ=0.5477, R_Ⅲ = xⅢxⅡ+xⅢ=0.4523。据此可以计算整个研究区Ⅱ 型、Ⅲ 型有机质占比, 分别是 9+35×0.54779+65+35=0.2584, 65+35×0.40449+65+35=0.7416。

为了验证以上方法的正确性, 笔者还计算了N盆地E隆起上三叠统的干酪根镜检显微组分的类型指数(TI), TI的计算公式是TI=[腐泥组含量%× 100+壳质组含量%× 50+镜质组含量%× (-75)+惰质组含量%× (-100)]/100。干酪根类型的划分标准是Ⅰ 型的TI≥ 80; Ⅱ 1型的TI< 80~40; Ⅱ 2型的TI< 40~0; Ⅲ 型的TI< 0。图6是TI频次分布图, 图中Ⅱ 型干酪根有36个采样点, Ⅲ 型干酪根有125个采样点, 因此Ⅱ 型干酪根占比是 3636+125=0.2236, Ⅲ 型干酪根占比是 12536+125=0.7764, 这与用氢指数(氧指数)分布函数组合法计算的结果接近, 因此笔者发展的成熟— 过成熟阶段有机质类型识别方法具有较好的可行性。

图5

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	图5 E隆起18口钻井的上三叠统烃源岩有机质氢指数和氧指数范式

图6

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	图6 E隆起上三叠统烃源岩TI频次分布

根据以上研究可知, N盆地E隆起上三叠统烃源岩在未成熟— 成熟阶段, 其Ⅲ 型有机质占比较高; 而在成熟— 过成熟阶段, 其Ⅱ 型有机质占比较高。整体来说, Ⅱ 型有机质占比低于Ⅲ 型有机质, 并且Ⅱ 型有机质中成熟部分占比较高。

未成熟— 低成熟阶段有机质类型可以通过氢指数— 氧指数范式图来识别, 但是成熟— 过成熟阶段有机质类型却难以用氢指数— 氧指数范式图来识别。针对这一问题, 笔者发展了成熟— 过成熟阶段烃源岩有机质类型识别方法, 该方法首先通过数学变换关系建立了烃源岩热演化过程的数学表征, 据此将未成熟— 低成熟阶段各类型有机质的氢指数与氧指数换算到成熟— 过成熟阶段, 然后计算成熟— 过成熟阶段各类型有机质的氢指数/氧指数的分布函数, 最后通过线性组合法计算各类型有机质在成熟— 过成熟阶段的权值系数, 据此可以计算出成熟— 过成熟阶段各类型有机质的占比, 以识别成熟— 过成熟阶段有机质类型。通过实例应用分析, 本次发展的成熟— 过成熟阶段有机质类型识别方法可以准确地识别工区目的层的有机质类型分布, 因此该方法具有较好的可行性。