葉發(fā)旺，王建剛，邱駿挺，張 川，余心起，劉 秀

1. 核工業(yè)北京地質(zhì)研究院遙感信息與圖像分析技術(shù)國家級重點實驗室，北京 100029 2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083

引 言

可溶烴含量(S1)、熱解烴含量(S2)和總有機碳含量(TOC)等烴類含量是確定烴源巖有機質(zhì)豐度、類型及成熟度，評價烴源巖，估算生油量，計算初次運移量和油氣運移系數(shù)，測定烴源巖生烴活化能分布及原油物性評價的重要指標[1-6]。 這些指標可使用巖石快速熱解儀進行測試，也可使用測井數(shù)據(jù)進行反演[7-9]。 但在野外環(huán)境或缺少鉆井資料的情況下，上述方法使用起來會遇到很大困難。 相比而言，可見光-近紅外-短波紅外(Vis-NIR-SWIR，光譜范圍350～2 500 nm)反射光譜測量方法則具有樣品準備過程簡單、分析速度快、無損檢測、不污染樣品、儀器便攜等優(yōu)點，非常適合在野外環(huán)境下開展原位分析測試工作[10-13]。 因此，研究烴源巖TOC，S1和S2等指標與Vis-NIR-SWIR反射光譜之間的關(guān)系對開展野外快速油氣評價具有積極意義。

前人針對Vis-NIR-SWIR反射光譜與油氣之間的關(guān)系開展了很多研究： 劉文斌等[14]研究了漫反射光譜與干酪根成熟度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)漫反射光譜在600～1 000 nm范圍的斜率與干酪根R0值之間負相關(guān)關(guān)系很好(確定系數(shù)R2=0.949 3)； 張宇佳等開展了近紅外和中紅外光譜對烴源巖樣品生烴潛量的定量研究； 王智宏等[15]將組合生成算法與留一交互校驗多元線性回歸(MLR)結(jié)合，確定了近紅外反演烴源巖含油率的最佳波段組合。 上述研究成果對利用光譜開展烴源巖油氣評價具有重要的參考價值。 然而不足的是，很多研究都是在實驗室環(huán)境中利用人工合成的“烴源巖”(即按照不同粘土和機油含量混合而成的樣品)基礎(chǔ)上完成的，利用真實烴源巖開展的研究則很少。 同時，以往研究中，用含油量作為烴源巖油氣評價的唯一指標也顯得過于單薄，因為實際生產(chǎn)中需要綜合S1，S2和TOC進行評價。

針對前人研究存在的不足，在烏茲別克斯坦克孜勒庫姆地塊開展了烴源巖樣品的采集工作。 運用地面ASD光譜儀，開展了烴源巖的Vis-NIR-SWIR反射光譜測量。 同時，運用巖石快速熱解儀對完成光譜測量的烴源巖樣品開展了S1，S2和TOC含量的分析。 最后，運用光譜擬合微分和相關(guān)性分析技術(shù)，探討了不同波段反射率、反射率一階導(dǎo)數(shù)、反射率二階導(dǎo)數(shù)與S1，S2和TOC之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上選出基于可見光-近紅外光譜反演S1，S2和 TOC等烴源巖評價指標參數(shù)的最佳波段，為進行野外快速油氣評價提供了新的技術(shù)方法和參考。

1 實驗部分

1.1 樣品采集

樣品來自烏茲別克斯坦中西部的克孜勒庫姆地塊，沿澤拉夫尚-撒馬爾罕一線采集，共采集了10件烴源巖樣品。 樣品的基本采集信息如表1所示。

1.2 樣品分析方法

1.2.1 光譜測量方法

樣品的光譜測量采用Malvern Panalytical公司旗下的ASD Field Spec 4 Hi-Res地面光譜儀，其接收光譜范圍為350～2 500 nm，光譜分辨率在700 nm處為3 nm，在1 400和2 100 nm處為8 nm，重采樣頻率(波段寬度)在350～1 000 nm為1.4 nm，在1 001～2 500 nm為1.1 nm。

樣品的光譜測量方法參考文獻[16-17]，并簡述如下： 在室內(nèi)環(huán)境下采用接觸式測量方式測量，首先按照光譜儀使用說明對儀器設(shè)備進行組裝； 樣品測量之前，先進行光譜儀暗電流去除、光源強度優(yōu)化等操作； 之后測量標準白板反射光譜曲線，并記錄； 然后，選擇較為平坦的樣品表面，將光源緊貼待測樣品，進行光譜測量； 每件樣品均測量10次，并記錄10次反射曲線，之后對10條曲線進行平均處理，以獲得更高信噪比的反射曲線； 最后將樣品的反射曲線同白板的反射曲線做比值處理以獲得樣品的反射率曲線。

1.2.2 樣品烴類含量分析方法

完成光譜測量的烴源巖樣品送往長江大學(xué)進行總有機碳含量、可溶烴含量和熱解烴含量等烴類含量化學(xué)分析。 其中，總有機碳分析依據(jù)國標GB T19145—2003執(zhí)行，巖石熱解分析依據(jù)國標GB T18602—2012執(zhí)行。 測量過程首先對樣品進行碎巖、干燥； 之后利用分析天平稱樣并進行恒溫水浴加熱，期間加入稀鹽酸沖洗50次至樣品呈中性； 最后將樣品干燥2天后使用LECO公司生產(chǎn)的CS230型碳硫分析儀完成后續(xù)的分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 可見光-近紅外-短波紅外光譜分析結(jié)果

使用ASD光譜儀獲取的10個烴源巖樣品光譜測量結(jié)果如圖1所示，其反射率常規(guī)統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

圖1 烴源巖樣品反射率曲線

表2 烴源巖樣品光譜測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

Table2Thestatisticsofspectraldatafromhydrocarbonsourcerocksamples

樣品編號最大值最小值平均值標準差值10.1150.0680.0830.01520.3320.1840.2570.04330.1670.0840.1160.02540.2300.1490.1820.02450.2180.1260.1630.02460.2580.1590.2240.01770.3180.1800.2670.03380.2580.1490.1810.02790.2250.0970.1360.033100.2070.0800.1080.028平均0.2330.1280.1720.027

通過觀察圖1，可以看出10件烴源巖樣品的反射率曲線，除350 nm附近有些噪聲外，總體噪聲小，曲線比較光滑，曲線形態(tài)總體比較簡單，反射率相對也較低。 各樣品的光譜曲線除在2 205 nm處有統(tǒng)一的吸收峰外，其余位置均有各自較獨特的曲線形態(tài)特征。 具體表現(xiàn)為： 1，3和4號烴源巖樣品光譜反射率曲線形態(tài)均呈現(xiàn)先升后降的特點，反射率自350 nm平緩上升至540 nm附近，然后開始平緩下降至2 500 nm； 2，5，6和7號烴源巖樣品反射光譜曲線形態(tài)亦呈現(xiàn)先升后降的特點，但變化相對較大，自350 nm開始快速上升至540 nm附近，然后平緩下降到2 500 nm； 8，9和10號烴源巖樣品反射光譜曲線均呈現(xiàn)平緩下降的特點，反射率自400 nm附近開始一直下降到2 500 nm。

由表2可知，10件烴源巖樣品的反射率均較低，但各樣品反射率的最大值、最小值、均值及標準差等參數(shù)各不相同； 其中，樣品1的最大值、最小值、均值及標準差均低于其他樣品的統(tǒng)計值，分別為0.115，0.068，0.083和0.015； 而2號樣品的上述統(tǒng)計值除平均值外，均高于其他樣品的統(tǒng)計值，分別為0.332，0.184和0.043； 其他樣品各統(tǒng)計值界于樣品1與樣品2之間。 表2中平均值最大的反射率曲線為樣品7曲線，標準差最大的反射率曲線為樣品2曲線，這兩條曲線總體均處于其他曲線的上部。

2.2 烴類含量分析結(jié)果

10件烴源巖樣品的可溶烴含量(S1)、熱解烴含量(S2)和總有機碳含量(TOC)等烴類含量化學(xué)分析結(jié)果如表3所示。 由表3可以知，10件烴源巖樣品，其成分均含有可溶烴、熱解烴及有機碳，但各種物質(zhì)含量有所差異。 對分析結(jié)果進行綜合統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，可溶烴含量范圍集中在0.02～0.11 mg·g-1范圍內(nèi)，熱解烴含量集中在0.02～0.15 mg·g-1范圍內(nèi)，總有機碳含量集中在0.146%～0.401%范圍內(nèi)。

表3 烴源巖樣品烴類含量分析結(jié)果表

2.3 三種光譜參數(shù)

為了充分挖掘可見光-近紅外-短波紅外區(qū)間的光譜參數(shù)與烴源巖可溶烴含量、熱解烴含量和總有機碳含量等烴類含量之間的相關(guān)性，在烴源巖原始光譜數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)學(xué)函數(shù)模擬和插值算法，將點狀分布的原始光譜測量數(shù)據(jù)進行擬合，并轉(zhuǎn)換成可微分的連續(xù)光譜曲線； 再對其進行不同階導(dǎo)數(shù)微分處理，得到了一階導(dǎo)數(shù)、二價導(dǎo)數(shù)兩種不同光譜微分處理數(shù)據(jù)，作為研究和探討可溶烴含量、熱解烴含量和總有機碳含量等烴類含量與可見光-近紅外-短波紅外光譜之間相關(guān)性研究的兩種參數(shù)。

2.4 相關(guān)性紛析

將10件樣品的原始光譜、一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)三種光譜數(shù)據(jù)各個波段的值作為三種光譜參數(shù), 分別與樣品可溶烴、熱解烴、總有機碳含量進行相關(guān)性計算和統(tǒng)計。 統(tǒng)計結(jié)果如表4。

從表4中可以看出，10 件烴源巖樣本可溶烴含量與原始光譜、一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)分別有1 973，511和239個波段相關(guān)。 其中，與原始光譜的相關(guān)系數(shù)絕對值最大值為0.612 27，滿足了自由度為8時的0.1水平置信度，即表明此時具有相關(guān)性的概率大于90%，但是僅有10個樣品，還是可靠性不高，判斷為相關(guān)性不夠顯著； 與一階導(dǎo)數(shù)的相關(guān)系數(shù)絕對值最大值為0.823，滿足了自由度為8時的0.01水平置信度，即表明此時具有相關(guān)性的概率大于99%，相關(guān)性較高； 與二階導(dǎo)數(shù)的相關(guān)系數(shù)絕對值最大值為0.889，滿足了自由度為8時的0.001水平置信度，表明此時具有相關(guān)性的概率大于99.9%，相關(guān)性強。 所以，可認為可溶烴含量與原始光譜數(shù)據(jù)相關(guān)性較低，與一階導(dǎo)數(shù)相關(guān)性較高、與二階導(dǎo)數(shù)相關(guān)性最高。

表4烴源巖可溶烴、熱解烴、總有機碳含量與三種不同光譜參數(shù)相關(guān)性分析歸納表

Table4Analysisandinductiontableoftherelationshipbetweensolublehydrocarbons,pyrolysishydrocarbons,totalorganiccarboncontentwithfourdifferentspectralparametersforsourcerocks

類型光譜參數(shù)具有相關(guān)性的波段數(shù)量相關(guān)性絕對值最大值相關(guān)性強弱置信度可溶烴原始光譜1 9730.612弱自由度為8時0.1一階導(dǎo)數(shù)5110.823較強自由度為8時0.01二階導(dǎo)數(shù)2390.889極強自由度為8時0.001熱解烴原始光譜20.561弱自由度為8時0.1一階導(dǎo)數(shù)1440.867較強自由度為8時0.01二階導(dǎo)數(shù)2050.926極強自由度為8時0.001總有機碳原始光譜0無一階導(dǎo)數(shù)1860.882極強自由度為8時0.01二階導(dǎo)數(shù)1800.879極強自由度為8時0.001

10件烴源巖樣本熱解烴含量與原始光譜數(shù)據(jù)、一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)三種光譜數(shù)據(jù)分別有2個波段、144個波段、205個波段相關(guān)； 相關(guān)系數(shù)絕對值最大值分別為0.561，0.867，0.926，滿足自由度為8時的水平置信度分別為0.1，0.01和0.001，具有相關(guān)性的概率分別大于90%，99%和99.9%，相關(guān)性程度分別為弱、較高、極強。 因此，可以認為熱解烴含量與原始光譜數(shù)據(jù)相關(guān)性較低，與一階導(dǎo)數(shù)相關(guān)性較高、與二階導(dǎo)數(shù)相關(guān)性最高。

10件烴源巖樣本總有機碳含量與原始光譜無相關(guān)性，與一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)分別有186個波段、180個波段相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對值最大值分別為0.882和0.879，均滿足自由度為8時0.001水平置信度，即具有相關(guān)性的概率大于99.9%因此，可認為總有機碳含量與對應(yīng)波段的一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)相關(guān)性均較高。

2.5 線性回歸分析

在前述相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，又進一步選擇了一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)中相關(guān)系數(shù)絕對值最大和次之的兩個波段數(shù)據(jù)，分別與10件樣品的可溶烴、熱解烴、總有機碳含量進行了線性回歸方程計算，其結(jié)果如圖2，回歸分析擬合結(jié)果統(tǒng)計見表5所示。

圖2(a)和(b)是一階導(dǎo)數(shù)685 nm波段值和2 048 nm波段值分別與10個烴源巖樣品可溶烴含量的散點圖； 圖2(c)和(d)是二階導(dǎo)數(shù)2 012 nm波段值和738 nm波段值分別與10個烴源巖樣品可溶烴含量的散點圖。 從這四個散點圖可以看出，各圖中的散點分布均比較均勻，分布在擬合線性的兩側(cè)； 其中，圖2(c)的散點分布均勻度最好，各散點離擬合線的垂直距離均較近，擬合優(yōu)度達0.790； 而(a)，(b)和(d)中的散點雖然也比較均勻，但有部分散點相對比較分散，離擬合線的垂直距離較遠，擬合優(yōu)度分別為0.677，0.718和0.692(表5)。 所以，對于利用可見光-近紅外-短波紅外區(qū)間的反射光譜來反演烴源巖的可熔烴含量來說，選擇原始光譜的二階導(dǎo)數(shù)的2 012 nm波段值來反演是最合適的，其擬合方程為y=-918.97x+0.066 5。 當然，利用二階導(dǎo)數(shù)的2 048 nm波段值來反演也比較合適，其擬合方程為y=599.24x+0.053 9。

圖2 烴源巖可溶烴、熱解烴、總有機碳含量與一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)線性回歸擬合散點圖

(a): First derivative 685 nm band; (b): First derivative 2 048 nm band; (c): Second derivative 2 012 nm band; (d): Second derivative 738 nm band; (e): First derivative 1 118 nm band; (f): first derivative 2 369 nm band; (g): Second derivative 1 958 nm band; (h): Second derivative 363 band; (m): First derivative 2 480 band; (j): First derivative 966 nm band; (k): Second derivative 436 nm band; (l): Second derivative 846 nm band

表5 回歸分析擬合結(jié)果

從圖2(e)，(f)，(g)和(h)分別反映的一階導(dǎo)數(shù)1 118 nm波段值和2 369 nm波段值，二階導(dǎo)數(shù)1 958 nm波段值和363 nm波段值與烴源巖樣品熱解烴含量的散點圖來看，圖2(h)的散點分布最均勻，散點分布均勻度最好，各散點離擬合線的垂直距離均很近，擬合優(yōu)度達0.858； 其次是圖2(f)和(g), 最后是圖2(e), 擬合優(yōu)度分別為0.752，0.746和0.675(表5)。 所以，利用可見光-近紅外-短波紅外區(qū)間的反射光譜來反演烴源巖的熱解烴含量來說，選擇原始光譜的二階導(dǎo)數(shù)的363 nm波段值來反演是最合適的，其擬合方程為y=19.687x+0.078。 當然，利用一階導(dǎo)數(shù)的2 369 nm波段值和二階導(dǎo)數(shù)的1 958 nm波段值來反演也比較合適，其擬合方程分別為y=338.03x+0.087 2，y=-1 577.2x+0.100 6。 由于1 958 nm處于1 900 nm光譜水汽吸收帶附近，其原始光譜可能會受水汽吸收有點影響，進而影響二階導(dǎo)數(shù)在此波段的值。 因此，就后兩種擬合相比，盡管擬合度相差無幾，但相對而言，一階導(dǎo)數(shù)的2 369 nm波段值應(yīng)該更好。

同理，圖2(m)，(j)，(k)和(l)分別反映的一階導(dǎo)數(shù)2 480 nm波段值和966 nm波段值，二階導(dǎo)數(shù)436 nm波段值和846 nm波段值與烴源巖樣品總有機碳含量的散點圖來看，四個圖的散點分布均勻程度總體較一般，圖2(m)相對較好，各散點離擬合線的垂直距離較近，擬合優(yōu)度達0.777，其次是圖2(l)，擬合優(yōu)度為0.772。 所以，利用可見光-近紅外-短波紅外區(qū)間的反射光譜來反演烴源巖的總有機碳含量來說，選擇原始光譜的一階導(dǎo)數(shù)的2 480 nm波段值和二階導(dǎo)數(shù)的846 nm波段值來反演比較合適，其擬合方程分別為y=-341.85x+0.240 5和y=8 377.9x+0.178 5。 考慮到圖1中顯示可見光-近紅外-短波紅外區(qū)間的反射光譜中，從近紅外至短波紅外，烴源巖樣品的反射率總體是下降，越靠近2 500 nm附近，噪聲越大。 因此，盡管一階導(dǎo)數(shù)的2 480 nm波段值與烴源巖樣品總有機碳含量的擬合度要微高于二階導(dǎo)數(shù)的846 nm波段值，但在實際中，采用二階導(dǎo)數(shù)的846 nm波段值來反演總有機碳含量可能更合適、效果會更好。

基于上述回歸分析結(jié)果，可熔烴含量利用二階導(dǎo)數(shù)的2 012 nm波段值，使用擬合方程y=-918.97x+0.066 5來反演，熱解烴含量利用二階導(dǎo)數(shù)的363 nm波段值，使用擬合方程y=19.687x+0.078來反演，總有機碳含量利用一階導(dǎo)數(shù)的2 480 nm波段值，使用擬合方程y=-341.85x+0.240 5來反演，擬合優(yōu)度最高。 同時由于可見光-近紅外-短波紅外光譜曲線具有測試簡單、分析速度快、檢測儀器便攜等優(yōu)勢，因而可見光-近紅外-短波紅外反射光譜測量可作為野外烴源巖的原位檢測與快速評價的一種重要技術(shù)方法。

3 結(jié) 論

(1)通過烴源巖光譜測量與烴組分分析，開展了光譜參數(shù)與可溶烴、熱解烴、總有機碳的相關(guān)性研究，結(jié)果表明反射率曲線特定波段的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)與可溶烴、熱解烴、總有機碳之間存在較為明顯的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)絕對值的最大值均超過0.8，存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系。

(2)采用線性回歸方法構(gòu)建了特定波段一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)與可溶烴、熱解烴、TOC之間的線性回歸方程，擬合效果較好。 說明可以利用特定波段反射率的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)對可溶烴、熱解烴、總有機碳進行反演，從而實現(xiàn)野外環(huán)境中烴源巖的原位檢測與評價。