Дифференциация образцов нефти по изомерному составу парафинов с использованием методов кластерного анализа

Abstract

Предложен метод контроля источников образцов нефти по компонентному составу н -парафинов для их дифференциации, идентификации и установления происхождения (конкретных скважин эксплуатируемого месторождения) с использованием агломеративной иерархической кластеризации данных с применением алгоритма Д. Уорда (J. Ward). Исходной информацией служат данные по составу и относительным содержаниям н- парафинов С17Н36 ÷ С34Н70, изопреноидов пристана С19Н40 и фитана С20Н42 в образцах нефти, полученные методом хроматомасс-спектрометрии в варианте мониторинга выбранных ионов. Возможности метода иллюстрируются результатами обработки матрицы данных размерностью 20×27 по относительным содержаниям парафинов в 27 шифрованных анонимных образцах. При этом выделены 3 кластера, в состав каждого из которых были объединены образцы, отобранные из конкретной скважины. Таким образом, дифференцированы источники образцов, из которых они были отобраны. Решить эту задачу традиционным методом сопоставления усредненных для каждой скважины содержаний индивидуальных парафинов оказалось невозможным. С учетом неизбежных погрешностей в результатах анализов и возможных изменений состава извлекаемой нефти в процессе эксплуатации скважин, значения относительных содержаний парафинов в образцах нефти из всех трех скважин перекрываются и источники остаются неразличимыми. Предлагаемый аналитический метод, основанный на получении информации о компонентном составе парафинов методами хроматомасс-спектрометрии в варианте мониторинга выделенных ионов и обработке ее методами кластерного анализа, расширяет возможности аналитиков при контроле источников образцов нефти в органической геохимии и химии окружающей среды, которые осложнены широкой вариабельностью состава образцов нефти, изменчивостью ее состава под воздействием природных и техногенных факторов и отсутствием возможности оценок реальных неопределенностей данных.

A new method is proposed for controlling the sources of oil samples by chemical composition for their differentiation, identification and establishment of their origin (specific wells of the operating field) using the agglomerative hierarchical data clustering and applying the J. Ward algorithm. The initial information is the data on the composition and relative contents of n -paraffins С17Н36 ÷ С34Н70, isoprenoids of pristane С19Н40 and phytane С20Н42 in oil samples obtained by selected-ion monitoring gas chromatography/mass spectrometry. The solution to the problem was carried out in the absence of the information about the magnitude of the total uncertainty in the data, without using the standard samples for their assessment and without the preliminary assumption of the number of expected clusters. The proposed technique’s possibilities were illustrated by the results of 20 × 27 data matrix processing based on the relative paraffin content in 27 encrypted anonymous samples. As an outcome, three clusters were identified, each of which included objects sampled from the specific well. Differentiating the sources of the samples using the traditional methods by comparing the amounts of n -paraffins and isoprenoids proved to be impossible. Due to the inevitable errors in the analysis results and the possible changes in the composition of the recovered oil, the values of the relative contents of paraffins in the oil samples from all three wells overlap and the sources remain indistinguishable. The newly proposed method made it possible to solve the differentiation problem of oil samples in organic geochemistry and environment control which are complicated by the wide variability of the composition of oil samples, the lability of petroleum system under the influence of natural and technogenic factors and the absence of the estimate of the actual errors in the data.