變質(zhì)巖巖石化學(xué)組分的測井評價及其在巖礦分析中的應(yīng)用
——以中國大陸科學(xué)鉆探工程主孔超高壓變質(zhì)巖為例

韓延禮，景建恩，侯本軍，侯國正

(1.山東省物化探勘查院，山東 濟(jì)南　250013；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理信息技術(shù)學(xué)院，北京　100083；3.上海海洋石油局第一海洋地質(zhì)調(diào)查大隊，上?！?01208)

變質(zhì)巖巖石化學(xué)組分的測井評價及其在巖礦分析中的應(yīng)用
——以中國大陸科學(xué)鉆探工程主孔超高壓變質(zhì)巖為例

韓延禮1，景建恩2，侯本軍3，侯國正1

(1.山東省物化探勘查院，山東 濟(jì)南250013；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理信息技術(shù)學(xué)院，北京100083；3.上海海洋石油局第一海洋地質(zhì)調(diào)查大隊，上海201208)

為了更有效地利用測井資料識別巖性，以中國大陸科學(xué)鉆探工程主孔超高壓變質(zhì)巖的測井與巖心化學(xué)分析資料為對象，研究兩者之間的內(nèi)在關(guān)系。從相關(guān)文獻(xiàn)中搜集和整理了主孔的189個巖心樣品的全元素分析資料，提取了巖心分析與測井響應(yīng)的樣本數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，分析了氧化物含量與常規(guī)測井響應(yīng)的統(tǒng)計關(guān)系，并通過逐步線性回歸方法，建立了氧化物含量的測井評價模型。利用測井資料，計算主孔72～2010m井段地層的氧化物含量，對主孔地層巖性和鈦礦(化)發(fā)育特征進(jìn)行解釋。研究表明，對于復(fù)雜的變質(zhì)巖類，常規(guī)測井響應(yīng)與地層元素組分之間存在內(nèi)在的聯(lián)系；在獲得巖心全元素分析數(shù)據(jù)的條件下，利用測井資料建立地層化學(xué)組分的評價模型，能夠為巖性與含礦分析提供更為直接的數(shù)據(jù)。

中國大陸科學(xué)鉆探；超高壓變質(zhì)巖；測井；線性回歸；氧化物含量

引文格式：韓延禮，景建恩，侯本軍，等.變質(zhì)巖巖石化學(xué)組分的測井評價及其在巖礦分析中的應(yīng)用——以中國大陸科學(xué)鉆探工程主孔超高壓變質(zhì)巖為例[J].山東國土資源，2015,31(4)：61-66. HAN Yanli, JING Jian'en, HOU BenJun, etc. Well Logging Evaluation and Its Application of Chemical Components in Metamorphic Rock——Setting Super-high Pressure Metamorphic Rocks in Main Holes of CCSD Project as an Example[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(4):61-66.

0　引言

地球物理測井(簡稱測井)是為了滿足石油、天然氣勘探需要而發(fā)展起來的一個地球物理勘探分支，現(xiàn)在其應(yīng)用已擴(kuò)展到非油氣資源、科學(xué)鉆探及工程、災(zāi)害和環(huán)境地質(zhì)等領(lǐng)域，成為人們研究地球和解決地質(zhì)問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著生產(chǎn)實踐不斷深入，測井技術(shù)面臨越來越多的復(fù)雜巖性解釋問題，其中以火成巖與變質(zhì)巖巖性評價最為突出。由于礦物種類多、含量變化大、巖性分類復(fù)雜，這些巖性的測井解釋工作存在較大困難。測井、巖心巖屑分析是獲知鉆井巖性剖面的主要手段。與巖心巖屑資料相比，測井具有分辨率低、測量結(jié)果受井眼環(huán)境影響等缺點。但是，測井能夠提供原位的測量信息，可用于研究沿井身連續(xù)變化的巖石礦物學(xué)特征，并給出較準(zhǔn)確的深度信息。因此，利用測井資料識別巖性，就成為測井解釋人員的一個重要研究課題。

針對復(fù)雜巖性的測井識別問題，學(xué)者們研究了交會圖方法[1-2]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[3-4]、多元統(tǒng)計方法[5-6]。交會圖方法要求每種巖性具有不同的測井響應(yīng)特征，對于復(fù)雜巖性，這一條件很難得到滿足。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法要求足夠多具有代表性的樣本，并且常用簡單的數(shù)字組合代表不同巖性，這些數(shù)字一般沒有明顯地質(zhì)意義。多元統(tǒng)計方法利用眾多測井曲線，通過降維處理提取對巖性敏感的少數(shù)參數(shù)，并進(jìn)一步利用提取的參數(shù)判斷巖性?？梢哉f，多元統(tǒng)計方法是交會圖方法的延伸，同時所提取參數(shù)的地質(zhì)意義仍然不是十分明確。為克服上述研究方法的不足，文獻(xiàn)[7-10]利用元素俘獲(ECS)測井從巖石化學(xué)成分角度對火成巖巖性進(jìn)行識別，但是ECS測井各種誤差及測井費用較高等制約了ECS測井方法的推廣。對比發(fā)現(xiàn)，ECS測井得到的元素產(chǎn)額與常規(guī)測井曲線具有內(nèi)在相關(guān)性，揭示這種關(guān)系可以為沒有測量ECS的井進(jìn)行準(zhǔn)確的巖性與礦化識別打下基礎(chǔ)[8]。

2001—2005年，在江蘇東海實施的第一個中國大陸科學(xué)鉆探工程(簡稱CCSD)計劃，以重要命題“大陸板塊會聚邊界的地幔動力學(xué)”和“超高壓變質(zhì)巖形成與折返機(jī)制”的研究為科學(xué)目標(biāo)，受到了國際地學(xué)界的高度重視[11-12]。為了保證科學(xué)鉆探的順利實施和地學(xué)研究目標(biāo)的全面實現(xiàn)，CCSD采用先進(jìn)的ECLIPS5700測井系統(tǒng)的20多種測井技術(shù)，獲得了主孔全井段超高壓變質(zhì)巖的原位測量信息[13]，進(jìn)行了全井段取心和巖心的巖石學(xué)特征分析，為研究常規(guī)測井曲線與地層元素產(chǎn)額的內(nèi)在聯(lián)系提供了寶貴的數(shù)據(jù)資料。該文從已發(fā)表的資料獲得CCSD主孔189塊巖心樣品氧化物含量的測試數(shù)據(jù)，經(jīng)過對巖心樣品的深度校正，提取巖心測試與測井響應(yīng)數(shù)據(jù)樣本，分析氧化物含量與各常規(guī)測井響應(yīng)之間的內(nèi)在關(guān)系，通過逐步線性回歸方法建立氧化物含量的測井評價模型。根據(jù)所建立的測井回歸模型，計算CCSD主孔72～2010m井段地層的氧化物含量，對該井段的巖性和含礦性特征進(jìn)行分析研究。

1　全巖氧化物組分的測井分析基礎(chǔ)

從礦物化學(xué)分析的角度，同一地區(qū)相同巖性的組成礦物都具有相對穩(wěn)定的化學(xué)元素或氧化物組成[14]。若已知某巖石的礦物組成及含量，則可以估計該巖石中元素或氧化物組分的含量。根據(jù)巖石體積物理模型，可得到測井與各組分物理參數(shù)之間的響應(yīng)方程。由此判斷，測井響應(yīng)與地層的氧化物含量之間必然存在著內(nèi)在的關(guān)系。這里對這個關(guān)系進(jìn)行分析，尋找建立地層氧化物質(zhì)量百分含量測井評價模型的理論基礎(chǔ)。

根據(jù)巖石體積模型,測井響應(yīng)與各組分物理參數(shù)關(guān)系方程為：

L=CV

(1)

式中：L為由測井參數(shù)構(gòu)成的列向量；V為由地層礦物和孔隙度相對體積含量構(gòu)成的列向量；C為礦物參數(shù)矩陣。當(dāng)測井參數(shù)個數(shù)大于地層組分個數(shù)時，該方程組為超定方程，其解可表示為[15-16]。

(2)

若得到地層各礦物組分的相對體積百分含量，則可由下式計算各氧化物體積密度參數(shù)：

(3)

式中：Od為單位體積巖石中各種氧化物質(zhì)量的列向量;ρ為與V對應(yīng)的礦物組分的體積密度列向量;M為礦物中各氧化物質(zhì)量百分含量矩陣。由此進(jìn)一步得到地層中各氧化物質(zhì)量百分含量的計算公式：

(4)

式中：Ow為各氧化物質(zhì)量百分含量；ρb為地層巖石體積密度標(biāo)量。

(5)

由(5)式可知，在地層各礦物的化學(xué)元素或氧化物組成與含量相對穩(wěn)定的條件下，地層中各氧化物質(zhì)量百分含量與測井響應(yīng)總體上滿足一種線性關(guān)系。因此，在獲得巖心樣本與測井?dāng)?shù)據(jù)之后，利用線性回歸分析方法，能夠建立氧化物質(zhì)量百分含量的測井評價模型。

2　氧化物含量與測井響應(yīng)樣本

近年來，多名巖石學(xué)專家采用X熒光光譜分析法對主孔的巖樣進(jìn)行了全巖氧化物含量測試，涉及巖性包括榴輝巖、角閃巖、副片麻巖、正片麻巖及蛇紋巖等，測試誤差<0.5%[17-21]。通過對上述巖樣資料進(jìn)行收集和整理，共獲得189塊可供利用的巖樣測試數(shù)據(jù)，其中榴輝巖75塊、副片麻巖50塊、正片麻巖52塊，其他巖類12塊，為利用測井資料重建CCSD主孔的氧化物質(zhì)量百分含量剖面奠定了基礎(chǔ)。由于巖心編錄深度與測井深度之間存在一定的偏差，在建立測井回歸模型時，首先對巖樣測試資料進(jìn)行深度校正。Kessels,W.[22]和牛一雄等[23]介紹了巖性深度歸位的方法。這里根據(jù)主孔巖性歸位資料分析巖心深度誤差與巖心編錄深度的關(guān)系(圖1)。由圖1可知，巖心深度誤差與巖心編錄深度具有較好的統(tǒng)計關(guān)系，根據(jù)統(tǒng)計方法得到巖心深度校正量的分段計算公式(6)。

圖1　CCSD主孔巖心深度誤差與巖心編錄深度關(guān)系

(6)

式中：Er是測井深度減去巖心編錄深度的誤差；Dc表示巖心編錄深度(m)。利用上面建立的關(guān)系對巖樣測試資料進(jìn)行深度校正。根據(jù)校正后的巖樣深度，提取相應(yīng)的測井?dāng)?shù)據(jù)，獲得189個氧化物含量的測井響應(yīng)樣本。

3　CCSD主孔變質(zhì)巖氧化物含量的測井回歸模型

該文在建立回歸模型時，使用了103塊巖心樣

品的測試資料，另外86塊樣本資料來自文獻(xiàn)[18-21]，用于對模型進(jìn)行檢驗。下面以全鐵氧化物TFe(包含F(xiàn)eO與Fe2O3)的質(zhì)量百分含量(由mTFe表示)為例，介紹氧化物含量測井回歸模型的建立方法。在分析中，AC,DEN,CNL,PE,GR,K,Th和RD分別表示聲波時差、密度、補(bǔ)償中子、光電吸收截面指數(shù)、自然伽瑪、自然伽瑪能譜鉀、釷、深側(cè)向電阻率的測井響應(yīng)變量。為了分析mTFe與各測井響應(yīng)的內(nèi)在關(guān)系，繪制了189塊樣本數(shù)據(jù)的散點圖2。由圖2可知，與AC,DEN,CNL,PE具有較明顯的線性統(tǒng)計關(guān)系，與GR,K,Th的常用對數(shù)具有較好的線性關(guān)系，與RD的關(guān)系不明確。因此，以DEN,PE,AC,CN和GR,Th,K的常用對數(shù)等測井?dāng)?shù)據(jù)為自變量，以mTFe為因變量，采用逐步線性回歸法與進(jìn)入回歸法進(jìn)行分析，得到回歸方程式(7)。

TFe=4.112+4.139DEN+0.624PE-6.243lgGR

(7)

回歸結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.893，殘差標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.722%，F(xiàn)檢驗表明回歸系數(shù)顯著性明顯。

對各氧化物質(zhì)量百分含量進(jìn)行回歸分析，得到回歸模型系數(shù)見表1。除MnO與P2O3之外，各回歸模型的相關(guān)系數(shù)都大于0.7，表明在滿足表1所示標(biāo)準(zhǔn)偏差精度要求下，可以利用測井資料估計鉆孔地層氧化物含量。為了給出更好的模型，該文根據(jù)189塊巖樣資料，利用上述方法建立了回歸模型。

表1　氧化物質(zhì)量百分含量的測井回歸模型系數(shù)

注：表中“/”表示該測井響應(yīng)不出現(xiàn)在對應(yīng)的回歸模型中

在表1中，DEN出現(xiàn)的次數(shù)較多，并且在模型中的系數(shù)最大，表明密度測井與各氧化物含量具有十分密切的關(guān)系；AC,K,Th出現(xiàn)的次數(shù)較少，說明聲波測井、自然伽瑪能譜測井響應(yīng)與各氧化物含量的相關(guān)關(guān)系較差；從各模型系數(shù)看，DEN與FeO,Fe2O3,TFe,MgO,TiO2等含量呈正相關(guān)關(guān)系，與SiO2,Na2O,Al2O3含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；GR或lgGR與SiO2,K2O含量呈正相關(guān)關(guān)系，與FeO,Fe2O3,TFe含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。PE與MgO含量負(fù)相關(guān)，與FeO,CaO,TiO2含量呈正相關(guān)關(guān)系。

圖2　全鐵氧化物含量mTFe與各測井響應(yīng)交會圖

4　CCSD主孔氧化物含量分布特征與巖礦分析

根據(jù)所建模型，利用測井資料計算中國大陸科學(xué)鉆探工程主孔70～2010m地層的氧化物含量曲線(圖3)。圖3中離散點子為巖心測試數(shù)據(jù)，其中，圓點表示建立回歸模型時用到的103個樣本點數(shù)據(jù)，三角形點表示沒有參與模型回歸的樣本，用于檢驗回歸模型的可靠性。由圖可知，圓點和星點與回歸曲線具有很好的一致性。尤其在750～1150m和1700～1850m井段，在沒有圓點樣本控制的情況下，三角形點與連續(xù)曲線表現(xiàn)出很好的擬合關(guān)系。這說明該文所建氧化物百分含量的回歸模型是可靠的，所計算的氧化物含量曲線比較可信。

根據(jù)大陸科學(xué)鉆探中心對主孔巖性識別與分層結(jié)果，將主孔100～2000m井段揭示的榴輝巖劃分為18個層段(圖3)。

圖3　巖心測試與測井估計的氧化物含量

圖3反映了鉆孔中不同巖性各氧化物含量的變化特征，其中，100～603.4m和1058～1092.4m井段的SiO2,Na2O,K2O含量較低;TFe,MgO,TiO2,CaO含量較高，主要巖性為榴輝巖，對應(yīng)1～8,14層段。603.4～683.2m和843.0～850.6m井段的SiO2,Na2O,K2O,Al2O3含量最低;TFe含量較高，MgO含量最高，表現(xiàn)為超基性巖特征，對應(yīng)巖性為蛇紋巖。1165.5～1578.2m井段SiO2,Na2O,K2O含量較高;TFe,MgO,TiO2,CaO含量最低，對應(yīng)的主要巖性為片麻巖。683.2～1058.0m和1578.2～2000m井段各氧化物含量曲線高低起伏變化較大，揭示了榴輝巖、片麻巖和少量角閃巖的互層特征，對應(yīng)第18層段。

鈦是一種非常重要的金屬元素。隨著濱海型鈦礦物、礦砂的日趨枯竭，榴輝巖型的變質(zhì)鈦礦床，可能成為重要的鈦礦物資源。徐玨等學(xué)者[24]從巖石和礦物學(xué)角度對CCSD主孔的鈦礦化進(jìn)行了研究，指出有經(jīng)濟(jì)價值的含鈦相礦物主要是金紅石，其次是鈦磁鐵礦，其他礦物不含或含微量鈦。因此，可以根據(jù)TiO2含量曲線，對主孔中這2種含鈦相礦物的分布特征進(jìn)行分析解釋。根據(jù)TiO2含量曲線識別整個井段中鈦礦化程度較高的4個層位，其深度區(qū)間分別為316～371.5m，430.6～471.4m，531～603.4m，683.2～704.4m，對應(yīng)第3,4,8,10層段。

5　結(jié)語

地球物理測井是研究地球和解決地質(zhì)問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。利用測井資料進(jìn)行復(fù)雜巖性評價是測井解釋人員的一個重要研究課題。該文從理論上對地層元素組分與常規(guī)測井曲線的內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行分析，推導(dǎo)了利用測井響應(yīng)評價地層氧化物含量的線性化公式，為從化學(xué)組分角度識別復(fù)雜巖性奠定了基礎(chǔ)。

利用中國大陸科學(xué)鉆探工程主孔的測井與巖心全元素分析數(shù)據(jù)，對兩者之間的關(guān)系進(jìn)行研究，建立了主孔地層主元素氧化物含量的測井回歸模型。利用常規(guī)測井資料計算了主孔72～2010m井段的氧化物含量。計算結(jié)果表明，主孔中各種巖性具有明顯不同的氧化物含量特征。該文利用各氧化物含量曲線對該井段巖性與鈦礦(化)的發(fā)育特征進(jìn)行了分析解釋，進(jìn)一步劃分了4個鈦礦化程度較高的層段。

研究表明，在獲得巖心全元素分析數(shù)據(jù)的條件下，可通過測井資料建立地層化學(xué)組分的測井評價模型，從而為復(fù)雜巖性解釋提供了一種值得借鑒的方法。

志謝：筆者在研究中得到了牛一雄高工、潘和平教授、王文先高工的熱情支持。李舟波教授、曾繁超總工對該文研究給予了熱心幫助和指導(dǎo)。在此，對幾位專家表示誠摯謝意。

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Well Logging Evaluation and Its Application of Chemical Components in Metamorphic Rock——Setting Super-high Pressure Metamorphic Rocks in Main Holes of CCSD Project as an Example

HAN Yanli1, JING Jian'en2, HOU BenJun3, HOU Guozheng1

(1. Shandong Geophysical and Geochemical Exploration Institute, Shandong Jinan 250013, China; 2. Geophysics and Information Technology College of China University of Geosciences, Beijing 100083, China;3. No.1 Marine Geological Party of Shanghai offshore Petroleum Bureau, Shanghai 201208, China)

Well logging is facing more and more questions about complicated lithology interpretation. In order to identify lithology effectively by taking well logging，logging and core test data of main holes in super high pressure metamorphic rocks from Chinese Continental Scientific Drilling Project(CCSD)as examples, internal relations between conventional logging data and element component of stratum have been studied. Whole elements analysis information of 189 pieces of core samples have been collected, and the sample data of core analysis and corresponding logging datas have been extracted. On these basis, statistical relationship between oxide contents and normal corresponding logging datas has been analyzed. By using stepwise linear regression method, logging evaluation model of oxide content has been established. The oxide contents of main holes in 72～2010m section have been calculated by using logging data, and lithology and mineral development characteristics of main holes have been explained. It is showed that immanent connection exists between conventional logging response and element component for the complex metamorphic rock. On the condition of gaining element analysis data, by using well logging data, evaluation models of chemical components in strata has been set up. It can provide more direct data for lithology and ore analysis.

Chinese Continental Scientific Drilling (CCSD)； ultra-high pressure metamorphic rock； well logging； linear regression；oxide content

2014-06-03；

2014-09-03；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

韓延禮(1973—)，男，山東章丘人，高級工程師，主要從事地球物理勘查及方法研究；E-mail:hanyanli@139.com

P618.51

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