鉆探-物探測井技術(shù)在覆蓋區(qū)填圖中的應用研究

譚春亮， 宋殿蘭， 岳永東， 王 森， 林廣利

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

隨著經(jīng)濟社會和城市化的快速發(fā)展，向覆蓋區(qū)要資源、向地下要空間已經(jīng)被提上發(fā)展日程。地質(zhì)填圖是地質(zhì)工作中具有戰(zhàn)略意義的綜合性基礎工作，是一切地質(zhì)工作的先行，已完成的1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查主要部署在基巖出露區(qū)，對于廣袤草原荒漠區(qū)、森林沼澤區(qū)等第四系覆蓋區(qū)的地質(zhì)填圖，因?qū)嵤┦侄位虮磉_方式難度較大還較少涉及。按照中國地質(zhì)調(diào)查局編制的《1:5萬覆蓋區(qū)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作指南》，覆蓋區(qū)是指第四紀堆積物連續(xù)分布且覆蓋面積占圖幅面積50%以上的地區(qū)，其中覆蓋層厚度<200 m的稱為淺覆蓋區(qū)[1]。淺覆蓋區(qū)主要分布于第四紀盆地邊緣、山澗盆地、河網(wǎng)匯聚地等特殊地質(zhì)地貌區(qū)[2]，多為礦產(chǎn)資源富集、自然環(huán)境脆弱、科學問題匯交的地區(qū)。同時，這些區(qū)域多位于中、小城市地區(qū)及大城市邊緣，因此，開展淺覆蓋區(qū)填圖既是能源資源調(diào)查的發(fā)展需求，也是生態(tài)文明建設的發(fā)展需求。鉆探作為獲取深部地質(zhì)信息的最直接手段，可為覆蓋區(qū)填制地質(zhì)圖與基巖地質(zhì)圖提供準確的地質(zhì)與礦產(chǎn)信息。區(qū)別于礦產(chǎn)鉆探，覆蓋區(qū)填圖鉆探有其自身特點：第一，以第四系、松散層鉆進為主，以基巖為目的層；第二，工區(qū)面積大，孔位多。如我所承擔的中國地質(zhì)調(diào)查局二級項目“內(nèi)蒙古中東部荒漠草原淺覆蓋區(qū)1∶5萬填圖試點”填圖面積為4531 km2，布設鉆孔近300個；第三，鉆孔多位于農(nóng)牧區(qū)，綠色勘探尤為重要。如何滿足覆蓋區(qū)填圖需要，形成一套既有效又經(jīng)濟的技術(shù)方法組合是一個新的研究課題。

1 技術(shù)方法研究

1.1 鉆探在覆蓋區(qū)地質(zhì)填圖中能解決的問題

鉆探作為覆蓋區(qū)填圖工作中的一種重要技術(shù)手段，在填圖中能解決的問題可歸納如下。

(1)調(diào)查第四系三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過獲取第四系或覆蓋層巖心，建立起覆蓋層基本序列，進行地層劃分對比。

(2)確定基巖頂面埋深、驗證地質(zhì)與物探推斷的異常地質(zhì)體、追蹤和圈定重要的地質(zhì)邊界等。

(3)服務于能源資源調(diào)查，化探異常驗證、成礦帶隱伏區(qū)段的直接找礦等[3-4]。按照鉆進方式，鉆探可分為取心鉆進與非取心鉆進，取心鉆進主要包括提鉆取心(回轉(zhuǎn)、沖擊、振動等)、繩索取心等工藝，非取心鉆進主要包括全面鉆進(牙輪、刮刀、螺旋等)、空氣循環(huán)鉆進(正循環(huán)、反循環(huán)、跟管)等工藝[5-6]。非取心鉆進工藝沒有取心工序，鉆進效率一般是取心鉆進工藝的3倍以上，空氣鉆進效率更加顯著。內(nèi)蒙古中東部荒漠草原淺覆蓋區(qū)填圖試點已完成的203個鉆孔中，非全孔取心孔101個，全孔取心孔102個，不同鉆進工藝的平均鉆進效率(含輔助時間)對比如圖1所示。取心鉆進取得的巖心和非取心鉆機取得的巖屑分別見圖2和圖3。

圖1 覆蓋區(qū)填圖中不同鉆進工藝平均鉆進效率對比

圖2 取心鉆進獲取的巖心

1.2 物探測井在覆蓋區(qū)填圖中能解決的問題

物探測井是在鉆孔完成后，借助專門的儀器設備，沿井身測量井眼周圍地層或井中介質(zhì)的各種物理參數(shù)，得到各種地球物理測井曲線，不同的地層或地層組合對應著特定的測井參數(shù)組合，即對應著不同特征的測井曲線[7-8]。以此為基礎，一方面，利用鉆孔測井曲線的變化特征，可確定地層巖性、劃分鉆孔的地質(zhì)剖面，彌補鉆探取心率的不足等；另一方面，利用在相同地質(zhì)背景下，各鉆孔剖面的同一層系在各孔測井曲線上有相同或者相似的反應的特點，將各孔的測井曲線進行綜合對比，確定不同位置的鉆孔剖面中的同一層系在深度、厚度、巖性等方面的變化，物探測井技術(shù)已經(jīng)廣泛應用到煤田、石油、水文勘探等領域。

圖3 非取心鉆進獲取的巖屑

物探測井能解決的問題可歸納如下：(1)利用測井曲線實現(xiàn)巖性識別、劃分地層，確定地層的深度和厚度；(2)利用測井曲線進行地層對比：在分析巖心、巖屑等資料的基礎上，掌握不同性質(zhì)的地層或地層組合在測井曲線上的顯示特征，綜合利用多口井的資料可進行地層對比；(3)利用測井曲線形態(tài)特征解釋沉積環(huán)境：例如：自然伽瑪(GR)、自然電位(SP)、電阻率(Ra)與巖層的粒度、分選性、泥質(zhì)含量密切相關(guān)，而這幾個量與沉積環(huán)境密切相關(guān)，所以可以利用GR、SP、Ra進行沉積環(huán)境分析。

1.3 鉆探-物探測井技術(shù)方法的研究

如何在淺覆蓋區(qū)填圖中，實現(xiàn)鉆探的經(jīng)濟性、實用性與有效性的有機統(tǒng)一，是地質(zhì)行業(yè)專家關(guān)注的焦點，也是衡量能否把鉆探作為覆蓋區(qū)填圖重要手段推廣的主要依據(jù)之一。實施過程中，一方面，通過鉆探技術(shù)本身來實現(xiàn)，如：依據(jù)覆蓋層的特點、厚度和施工條件選擇鉆進方法，根據(jù)地質(zhì)目的、取樣要求，施工場地景觀和地質(zhì)條件、鉆進方法、鉆孔結(jié)構(gòu)等因素選擇鉆機和鉆具，優(yōu)化鉆進參數(shù)，及時調(diào)整沖洗液體系等來有效控制巖心采取率[9]，滿足地質(zhì)填圖需求；另一方面，開展多種技術(shù)手段的綜合研究，加強鉆探與地質(zhì)、鉆探與物探等技術(shù)方法的綜合利用，如：利用不同的巖性地層在物探測井曲線上的特征有明顯不同的特點，部分鉆孔通過“取心+物探測井”方式建立起標準地層單元，部分鉆孔進行“不取心+物探測井”，通過測井曲線與標準地層單元對比確定地層沉積序列，實現(xiàn)地層劃分與對比等，以提高鉆進效率，降低成本。因此，可將淺覆蓋區(qū)填圖鉆孔劃分為兩類：取心孔與非取心孔。不同類型鉆孔的鉆進方法、工作手段、研究目的不同(詳見表1)。

通過合理匹配取心孔(周期較長、效率較低、成本較高)與非取心孔(周期短、效率高、成本低)的數(shù)量，結(jié)合物探測井技術(shù)，可在滿足地質(zhì)工作需求的前提下，減小取心鉆探工作量，同時，通過合理的選用物探測井方法，結(jié)合鉆孔軌跡參數(shù)，亦可確定巖石結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等技術(shù)難題[10]。

表1 淺覆蓋區(qū)填圖鉆孔分類

2 鉆探-物探測井技術(shù)應用效果

以“內(nèi)蒙古中東部荒漠草原淺覆蓋區(qū)1∶5萬填圖試點”填圖工作區(qū)敖漢旗布設的取心孔ZKD9孔與非取心孔ZKD9-1孔為例，介紹鉆探-物探測井技術(shù)方法在淺覆蓋區(qū)填圖中的應用效果。ZKD9、ZKD9-1孔處在同一個地區(qū)、相鄰的鉆孔位置，測井參數(shù)選擇視電阻率(Ra)、自然電位(SP)、自然伽瑪(Ra)、密度(Pb)(如圖4)四類，從不同的測井參數(shù)及對比中可提取多種地質(zhì)信息，如：巖性特征、分層、地層厚度、泥質(zhì)含量等，為覆蓋區(qū)填圖提供準確的地層信息，再結(jié)合面上物探、鉆探取心等資料實現(xiàn)更客觀的地質(zhì)認識、分層對比等。

圖4取心鉆孔ZKD9孔與非取心鉆孔ZKD9-1孔的地球物理測井曲線對比

Ⅰ層：鉆孔0～30 m為烏爾吉組風成砂土、砂質(zhì)黃土，較松散，自然伽瑪表現(xiàn)出明顯的負值，表明蓋層滲透性較強，同時表現(xiàn)出較高的視電阻率值，密度值相對較低；Ⅱ?qū)樱?0～59 m,為淺棕紅色赤峰黃土，成分上以粘土為主，該層在測井曲線中顯示自然伽瑪明顯升高，視電阻降低，整體波動平穩(wěn)，明顯不同于層Ⅰ；Ⅲ層：59～82 m，為赤峰黃土與下覆大塔卜烏蘇組黃土之間夾雜的砂礫石層，表現(xiàn)出顯著的視電阻率跳躍起伏特征，自然電位不穩(wěn)定，說明該層成分不穩(wěn)定；Ⅳ層：82～101 m，大塔卜烏蘇組棕紅色黃土，成分以紅色粘土為主，含砂，礫石等碎屑物，自然電位值總體平穩(wěn)以高值為主，視電阻率整體穩(wěn)定，局部跳躍，推測由含砂、礫石引起；Ⅴ層：101～106 m,為基巖層，巖性為花崗巖，自然電位和視電阻率明顯升高，界面顯著。

通過上述試驗，表明同一層位在各孔測井曲線上有相同或者相似的反映，物探測井可以有效識別不同的覆蓋層及覆蓋層與基巖界面，通過測井曲線的對比，能發(fā)現(xiàn)各孔剖面中的相同層位，并可研究他們在深度、厚度等方面的變化，連接不同鉆孔剖面可對覆蓋層及基巖進行對比，說明地質(zhì)問題。

3 結(jié)論

鉆探作為獲取深部地質(zhì)信息的最直接手段，可為覆蓋區(qū)填圖提供準確的地質(zhì)信息與實物資料；測井是一種成熟的物探技術(shù)方法，在油氣、煤炭等行業(yè)中已廣泛應用。在覆蓋區(qū)填圖中將鉆探與物探測井技術(shù)有機結(jié)合，按照物理學和地質(zhì)學的規(guī)律，結(jié)合取心、化驗測試資料等，可減少鉆探取心工作量，提高勘探效率，降低勘探成本。

(1)在相同地質(zhì)背景下，利用鉆探+綜合測井可構(gòu)建第四紀地層空間的結(jié)構(gòu)模型：通過鉆探取心+測井建立標準孔地層剖面與地層測井曲線，不取心鉆孔通過測井與標準孔測井曲線對比，以確定地層的巖性、深度、厚度等。

(2)利用鉆探+測井進行地層對比：首先，詳細分析鉆探巖心、巖屑等實物資料，掌握不同地層或地層組在物探測井曲線上的顯示特征，然后利用多個孔的測井資料進行地層對比，確定同一層位在不同鉆孔中的深度變化、厚度變化等，建立連井剖面，說明地質(zhì)演化過程。

(3)鉆探+測井技術(shù)方法的綜合研究及應用，發(fā)揮了不同手段的技術(shù)優(yōu)勢。測井減少了鉆探取心工作量，彌補了部分鉆孔取心率不足，降低了人為判斷的誤差等。另外，不取心鉆孔可采用空氣鉆進工藝，效率更高且無需泥漿，更加符合綠色勘探的發(fā)展要求。