運用測井資料進行K2O視含量計算方法研究

陳科貴，李春梅 （西南石油大學資源與環(huán)境學院，四川 成都610500）

張 杰，吳迎章 （西南石油大學電氣信息學院，四川 成都610500）

李 航 （西南石油大學資源與環(huán)境學院，四川 成都610500）

鉀鹽是生產鉀肥的重要資源，我國是一個農業(yè)大國，對鉀肥的需求量十分巨大?？扇苄遭淃}一般深埋地下幾千米，難于直接在地表發(fā)現露頭，很多是在油氣勘探過程中發(fā)現的，油鹽兼探已成為一種趨勢。目前，我國發(fā)現的鉀鹽主要分布于青海鹽湖區(qū)、新疆鹽湖區(qū)、西藏鹽湖區(qū)、四川盆地以及云南思茅盆地等。其中，青海鹽湖區(qū)、西藏鹽湖區(qū)、云南思茅盆地、鄂爾多斯盆地以尋找固體鉀鹽礦床為主；新疆鹽湖區(qū)，在羅布泊以及四川盆地主要以尋找大型鹵水鉀礦為主[1，2]。測井資料的豐富以及鉀鹽層的放射性異常奠定了石油測井資料在找鉀鹽礦中的地位。對于鉀鹽的研究，目前使用較多且效果良好的是自然伽馬能譜測井，它能夠較好地區(qū)分鉀鹽層、泥質鉀鹽層和泥巖層[3]，結合井徑測井資料還可以有效地計算出地層中總的K2O視含量 （指重量百分含量）。但其不足之處在于不能區(qū)分鉀鹽礦物的種類，計算出的K2O視含量中包含了泥巖中鉀的貢獻，不能準確反映純鉀鹽的貢獻。此外，在利用自然伽馬能譜測井資料進行K2O視含量計算時需要確定多個參數，比較繁瑣，影響其準確性。該次研究中，筆者利用聲波時差測井、密度測井、視石灰?guī)r孔隙度測井、自然伽馬測井等進行組合，不僅可以有效地識別出常見鹽類礦物的種類，而且還能求解出地層中總的K2O視含量以及不同礦物各自的K2O視含量，排除泥巖中K2O的干擾，得到純鉀鹽的貢獻，彌補能譜測井在鉀鹽半定量、定量解釋中的不足之處。在眾多鉀鹽礦物中，K2O視含量高、溶解度高且普遍存在、易于開采的鉀鹽礦物主要為鉀石鹽和光鹵石，具有極高的經濟價值。通過常規(guī)測井組合，識別出鉀鹽礦物，計算出各礦物的K2O視含量以及地層中總的K2O視含量，與 《礦產工業(yè)要求參考手冊》中鉀鹽開采的品位要求相對比，判定其是否具有開采價值。

1 研究思路

在了解鉀鹽礦物類型的基礎上，利用組合測井資料，根據各礦物巖石的測井特征，對蒸發(fā)巖地層進行巖性識別。再根據地層中鹽類巖石的種類，建立相應的體積物理模型，由純度計算公式得到地層的含泥質情況，并進一步選取合適的測井曲線建立矩陣關系式。通過數學變換，選取合適的參數，在已知各常規(guī)測井值的情況下，對矩陣進行求解，得到各礦物的相對體積，進而求出地層中總的K2O視含量、各礦物的K2O視含量以及鉀鹽的K2O視含量。

2 鉀鹽礦物類型及測井特征

鉀鹽按溶解度分為可溶性鉀鹽、非可溶性鉀鹽和液態(tài)鉀鹽?？扇苄遭淃}礦物主要以氯化物及硫酸鹽的形式存在，這類礦石主要有鉀石鹽、光鹵石、鉀鹽鎂釩、無水鉀鹽鎂釩以及雜鹵石 （難溶礦物）等；非可溶性鉀鹽常以硅酸鹽、鋁硅酸鹽的形式存在；液態(tài)鉀鹽主要是高礦化度的含鉀鹵水[4]。石鹽、石膏、硬石膏常與鉀鹽伴生，是尋找鉀鹽層的重要標志。石鹽、石膏、硬石膏屬于非放射性的；鉀石鹽、光鹵石、雜鹵石屬于放射性的。鉀石鹽和光鹵石是鉀鹽找礦的主要對象[5]。以下為礦物的測井曲線特征。

2.1 石鹽

純石鹽層不具有放射性，易溶解，密度大，其自然伽馬曲線顯示低值；井徑出現擴徑；聲波時差低值；純的石鹽層電阻率極高，孔隙度極低，但在微側向電阻率曲線上，由于受擴徑影響，井內泥漿增多，為低值；中子伽馬讀數顯示為高值。隨著泥質含量的增加，其自然伽馬值升高、聲波時差增大、電阻率降低、中子伽馬讀數減小[5～7]。

2.2 石膏、硬石膏

石膏與硬石膏都為難溶礦物，硬石膏在地表條件下可以水化成石膏，石膏也可以脫水轉變?yōu)橛彩?。二者共同的測井曲線特征為：自然伽馬低值；無擴徑或者輕微擴徑。不同點在于硬石膏電阻率極高，石膏相對而言較低；石膏含氫而硬石膏不含氫，所以中子伽馬石膏讀數顯示為低值，硬石膏顯示為中等值；硬石膏的密度非常大，也可以利用密度測井將二者進行區(qū)分[5]。

2.3 雜鹵石

雜鹵石是一種電阻率極高的難溶鉀鹽礦物，含有結晶水。它的主要測井曲線特征為：井徑不出現擴大；電阻率高值；自然伽馬高值；中子伽馬讀數低[5，7]。雜鹵石工業(yè)價值極低，其含量高會降低礦藏價值。

2.4 鉀石鹽、光鹵石

鉀石鹽和光鹵石是最常見的易溶鉀鹽礦物，是鉀鹽找礦的主要對象。它們共同的測井曲線特征為：井徑擴大 （與石鹽層相似）；自然伽馬高值；聲波時差低值 （與石鹽層相近）；電阻率高值。不同點在于：光鹵石含氫指數高而鉀石鹽不含氫；鉀石鹽含氯較高，所以鉀石鹽中子伽馬讀數顯示高值而光鹵石讀數顯示低值；除此之外，由于鉀石鹽的密度比光鹵石高，也可用密度測井對二者進行區(qū)分[5，7，8]。

3 鉀鹽純度判別

3.1 測井曲線幅度差判別法

對于鉀鹽層，其電阻率 （三側向電阻率測井、雙側向電阻率測井、七側向電阻率測井）為高值；但對于微側向電阻率測井來說，由于易溶鉀鹽層段通常出現井徑擴大，微側向的電極板不能很好地壓向井壁，造成電阻率讀數為低值 （反映泥漿電阻率），聲波時差低值。泥巖層的電阻率為低值，聲波時差高值。在泥巖層段將電阻率曲線和聲波時差曲線進行重疊，則會在鉀鹽層出現重疊，重疊的幅度差越大，鉀鹽的純度越高。選用電阻率曲線及聲波時差曲線進行重疊的優(yōu)點在于這2種測井方法受井眼影響較小，同時三側向電阻率測井具有較強的分層能力，能劃分出高阻薄層。

3.2 聲波時差判別法

對于純鉀鹽層來說，其實測聲波時差測井值應等于骨架聲波時差測井值。當鉀鹽層含有泥質時，實測聲波時差測井值不等于骨架聲波時差測井值。從而根據實際測井值與巖石骨架測井值可以對鉀鹽進行純度判斷。關系式為：

式中，Δtch為用聲波時差測井值求得的巖層的鉀鹽純度；Δt為實測聲波時差測井值，μs/m；Δtma為巖石骨架的聲波時差測井值，μs/m。

由式（1）可知，當巖層為純鉀鹽層時，Δt＝Δtma，Δtch＝1；當巖層含有泥質時，Δt＞Δtma，Δtch＜1，泥質含量越高，Δtch越小，巖層的鉀鹽純度越低[6]。當實測聲波時差測井值大于2Δtma時，由于泥質含量過高而使鉀鹽層不具備工業(yè)開采價值，所以只探討Δtma≤Δt＜2Δtma的情況。

根據以上的方法，可以了解鉀鹽的泥質含量情況。

4 K2O視含量計算

4.1 方法原理

在識別出礦物類型的基礎上，根據鉀鹽的純度判別公式，可以判斷出鉀鹽層中是否含有泥質，再根據礦物的種類、數量，建立起相應的體積物理模型。選取合適的測井曲線建立矩陣，并選擇合適的參數對矩陣進行求解，從而求出各礦物的相對體積，進一步求出地層中總的K2O視含量、各礦物的K2O視含量以及鉀鹽的K2O視含量。

假設地層含有m種礦物，則可建立起如圖1所示的體積物理模型。

根據物質平衡方程有：

圖1 鉀鹽層體積物理模型

式中，Vi為第i種礦物的相對體積。

在油氣勘探過程中，鑒別鹽類巖石常用的測井曲線主要有聲波時差、密度、視石灰?guī)r孔隙度及自然伽馬，它們各自的測井響應方程如下。

聲波時差測井響應方程：

密度測井響應方程：

視石灰?guī)r孔隙度測井響應方程：

自然伽馬測井響應方程：

式中，ρ為實測密度測井值，g/cm3；N為實測視石灰?guī)r孔隙度值，%；GR 為實測自然伽馬測井值，API；Δti為第i種礦物的聲波時差測井值，μs/m；ρi為第i種礦物的密度測井值，g/cm3；Ni為第i種礦物的視石灰?guī)r孔隙度值，%；GRi為第i種礦物的自然伽馬測井值，API。

式（3）～ （6）可用矩陣表示[9]：

式中，A為由各種測井方法測得的實際測井響應所構成的m×1矩陣；B為骨架礦物的聲波時差測井、密度測井、視石灰?guī)r孔隙度測井以及自然伽馬測井響應值構成的m×m矩陣；V為各礦物的相對體積所構成的m×1矩陣。

在式（7）兩邊同時左乘B－1，便可求得各礦物的相對體積：

對于由不同巖性巖石組成的圍巖，核測井儀的響應（自然伽馬測井、視石灰?guī)r孔隙度測井、密度測井）以及聲波測井儀的測井響應基本上是呈線性分布的，其總響應為各部分響應之和[9]。于是有：

式中，ki為第i種礦物的K2O視含量，%；k粘土為粘土中K2O視含量，%；ρ粘土為粘土的密度，g/cm3；V粘土為粘土的相對體積，%。

由以上公式知，在已知各實測測井響應值和各礦物的測井響應值的情況下，便可求出地層中總的K2O視含量、各礦物的K2O視含量以及鉀鹽的K2O視含量。

4.2 方法限制

1）由于只有核測井儀 （自然伽馬測井、視石灰?guī)r孔隙度測井、密度測井）以及聲波測井儀的測井響應才呈線性分布，再加上物質平衡方程，最多只能建立5個未知量的五元方程組 （即5個組分的相對體積Vi），預測出5種礦物的K2O視含量。

2）由于不溶物質的鉀含量變化大，用上述方法求解出的結果存在一定誤差，不能很好地反映地層不溶物質的情況。

5 實例分析

某工區(qū)鉀鹽層含4種礦物，分別是石鹽、鉀石鹽、光鹵石和不溶物質。選擇聲波時差、密度以及視石灰?guī)r孔隙度測井進行計算。假設它們各自的相對體積分別為石鹽V1、鉀石鹽V2、光鹵石V3、粘土V4。根據式（2）和式（7）可以得出：

各礦物的測井響應值分別為：石鹽的聲波時差Δt1＝220μs/m，密度ρ1＝2.165g/cm3，視石灰?guī)r孔隙度N1＝ 0%；鉀石鹽 Δt2＝ 243μs/m，ρ2＝ 1.984g/cm3，N2＝ 0%；光鹵 石 Δt3＝ 256μs/m，ρ3＝1.61g/cm3，N3＝65%。粘土參數與壓實程度、含氫情況等有關，需視各地區(qū)的實際情況而定，可以通過統(tǒng)計資料獲得：粘土的聲波時差Δt4＝360μs/m，密度ρ4＝2.25g/cm3，視石灰?guī)r孔隙度N4＝30%。

由以上參數可知：

運用計算機求出：

根據式（8）可以得出：

在以上幾種礦物中，含有鉀元素的只有鉀石鹽、光鹵石和粘土，而與石鹽無關（石鹽不含有鉀元素），所以k1＝0。根據戈斯密佛的報告中指出，鉀鹽礦物對天然伽馬射線的理論反應是1%的K2O具有16API的伽馬射線，因此，鉀石鹽伽馬射線為1008API，換算成K2O視含量k2＝63%；光鹵石伽馬射線為272API，換算成K2O視含量k3＝17%[2]。k4由該地區(qū)的巖心分析資料得到，k4＝6.4%。則根據式（10）有：

根據式（9）有：

在鉀鹽勘探過程中，工業(yè)價值較高的主要為鉀石鹽和光鹵石，因此有：

由該地區(qū)的實際測井資料知，Δt＝235μs/m、ρ＝2.09g/cm3、N＝4.5%，從而由式（15）可算出：V1＝0.6223、V2＝0.29、V3＝0.0401、V4＝0.0477；進而由式 （16）～ （19）可算出：K2O（鉀石鹽）＝17.34%、K2O（光鹵石）＝0.52%、K2O（鉀鹽）＝17.86%、K2O（總計）＝18.19%。

6 結 論

1）通過常規(guī)測井組合，利用鉀鹽層高自然伽馬、低聲波時差、高電阻率等特性，能夠較為準確地劃分出鉀鹽層，并結合密度測井、中子測井、井徑測井等確定出鉀鹽礦物的類型。

2）鉀鹽層段的電阻率曲線與聲波時差曲線幅度差越大，純度越高。Δtch越大，越接近于1，純度越高，隨著泥質含量增加，其值不斷減小。

3）建立了計算K2O視含量的公式，根據測井組合識別出礦物類型，讀取相應的測井值，從而計算出地層中總的K2O視含量以及不同礦物各自的K2O視含量。

4）利用體積物理模型計算K2O視含量時存在一定的缺陷，最多只能計算5種礦物的K2O視含量。

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