川東北中下三疊統(tǒng)含鉀地層測(cè)井識(shí)別研究＊

劉鑄，唐學(xué)淵，仲佳愛(ài)，盛德波，王富明，龐博

川東北中下三疊統(tǒng)含鉀地層測(cè)井識(shí)別研究＊

劉鑄，唐學(xué)淵，仲佳愛(ài)，盛德波，王富明，龐博

（四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局四〇五地質(zhì)隊(duì)，四川 成都 611830）

在分析川東北早中三疊統(tǒng)蒸發(fā)巖成鉀地質(zhì)背景及巖性組合的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了含鉀地層測(cè)井識(shí)別方法的研究。系統(tǒng)分析了不同測(cè)井曲線對(duì)各巖性地層的響應(yīng)特征，同時(shí)結(jié)合不同巖性地層對(duì)不同測(cè)井方法的響應(yīng)不同，初步建立了自然伽馬（GR）-聲波時(shí)差（AC）-井徑（CAL）、自然伽馬（GR）-電阻率（RT）曲線重疊綜合識(shí)別含鉀地層模式，從而拓展了測(cè)井資料在四川盆地鉀鹽勘查中的應(yīng)用，為四川盆地利用以往鉆井資料進(jìn)行鉀鹽勘查提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

鉀鹽；測(cè)井識(shí)別；雜鹵石；富鉀鹵水

中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，耕地大規(guī)模缺鉀，致使中國(guó)鉀鹽消耗量達(dá)到世界消耗總量的五分之一，但是中國(guó)鉀鹽資源匱乏，鉀肥大規(guī)模依靠進(jìn)口，目前中國(guó)己成為世界上最大的鉀肥進(jìn)口國(guó)[1-2]。鉀鹽資源的匱乏不僅成為制約中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最主要因素之一，而且嚴(yán)重影響到國(guó)家農(nóng)業(yè)安全和社會(huì)穩(wěn)定。

目前，開(kāi)展鉀鹽資源勘查，并在最有可能獲得突破的地區(qū)盡快尋找大型鉀鹽礦床是中國(guó)一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。四川盆地中、下三疊統(tǒng)經(jīng)歷了較長(zhǎng)的海水蒸發(fā)濃縮階段，沉積了厚層的蒸發(fā)巖，經(jīng)過(guò)幾十年的鉀鹽勘查工作，川東北宣漢地區(qū)黃金口背斜三疊系雜鹵石及富鉀鹵水等海相鉀鹽找礦取得了一定的成果[3-6]。但是，川東北鉀鹽資源多為深埋礦產(chǎn)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)鉀鹽勘查的深鉆資料較少，而石油部門(mén)的深鉆資料缺少鉀鹽識(shí)別評(píng)價(jià)。所以開(kāi)展川東北含鉀地層測(cè)井識(shí)別研究，建立鉀鹽測(cè)井識(shí)別模式，可以為該地區(qū)利用石油測(cè)井資料開(kāi)展鉀鹽找礦工作提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景及鉀鹽沉積

1.1 川東北早中三疊世成鹽地質(zhì)背景

研究區(qū)位于四川盆地東北部，構(gòu)造上屬于上揚(yáng)子古陸塊的西北緣，四川前陸盆地腹部。早中三疊世，上揚(yáng)子地區(qū)為廣海環(huán)繞的臺(tái)地環(huán)境。早三疊世初期，上揚(yáng)子古陸塊地勢(shì)上總體為西北高、東南低；至中三疊世，東南部江南古陸強(qiáng)烈抬升，西北部龍門(mén)山古陸下沉，使臺(tái)地地勢(shì)變?yōu)闁|南高、西北低，并最終迫使海水向西撤出揚(yáng)子古陸[7-9]。所以四川盆地成為海水撤出臺(tái)地前的最后盆地，聚集了高度咸化的海水，從而出現(xiàn)石鹽甚至更高咸化階段的鹽類(lèi)-鉀鎂鹽沉積，如圖1所示。

圖1 四川三疊系中下統(tǒng)地層剖面略圖[10]

1.2 蒸發(fā)巖巖性剖面

海水蒸發(fā)濃縮過(guò)程中，各種鹽類(lèi)按照溶解度的大小由小到大依次沉積，同一個(gè)蒸發(fā)沉積旋回中，依次沉積碳酸鹽巖、石膏、硬石膏、石鹽、瀉利鹽、鉀鹽等。鉀鹽由于在海水中溶解度比較大，所以在海水蒸發(fā)濃縮的最后階段才析出。中下三疊統(tǒng)，四川盆地經(jīng)歷了較長(zhǎng)的海水蒸發(fā)濃縮階段，沉積了厚層的蒸發(fā)巖，發(fā)育了下三疊統(tǒng)嘉陵江組上部（五段）、中三疊統(tǒng)雷口坡組底部（一段）兩段主要的含鹽巖系[11-12]。含鹽層基本巖性以白云巖為主，程度不等的夾有石灰?guī)r、硬石膏、雜鹵石、巖鹽等碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物巖層，其間常有一層灰綠色水云母黏土巖（“綠豆巖”）。

2 含鉀地層測(cè)井識(shí)別方法

2.1 利用伽馬曲線識(shí)別放射性與非放射性地層

自然伽馬測(cè)井是以地層的自然放射性為基礎(chǔ)，通過(guò)伽馬射線探測(cè)器檢測(cè)地層伽馬射線強(qiáng)度的一種地球物理測(cè)井方法。地層巖石中，由于含有鉀、鈾、鐳、釷等元素的放射性同位素，自然伽馬測(cè)井可以檢測(cè)到地層放射性異常。鉀的同位素K40是放射性元素，地層中含鉀時(shí)，自然伽馬曲線幅度增高。所以，通過(guò)自然伽馬測(cè)井可以識(shí)別出包括含鉀地層在內(nèi)的放射性地層，從而排除不可能含鉀的非放射性地層。

2.2 放射性地層中非含鉀地層區(qū)分

含鉀地層由于K40的放射性在自然伽馬曲線上表現(xiàn)出幅度增高的異常，但是除了鉀同位素外，鈾、鐳、釷等元素的存在同樣會(huì)導(dǎo)致自然伽馬曲線產(chǎn)生異常響應(yīng)。要想識(shí)別含鉀地層，必須從放射性地層中剔除鈾、鐳、釷等放射性元素含量高的地層，此時(shí)，僅僅利用自然伽馬曲線很難區(qū)別含鉀地層和非含鉀的高放射性地層，需要對(duì)更多的測(cè)井資料進(jìn)行綜合解釋分析。

沉積巖中，黏土礦物會(huì)對(duì)釷進(jìn)行選擇性吸附，成為控制釷在沉積巖中分布的主要因素，鈾和釷經(jīng)常是共生的。所以，沉積巖中除含鉀地層外，高放射性地層基本為容易吸附釷、鈾等放射性元素的泥質(zhì)含量比較高的地層，識(shí)別非含鉀的放射性地層主要就是識(shí)別泥質(zhì)含量較高的地層。

研究區(qū)含鉀地層分為固態(tài)鉀鹽層和液態(tài)鉀鹽層，固態(tài)鉀鹽主要為雜鹵石、綠豆巖、光鹵石、鉀石鹽等，液態(tài)鉀鹽主要賦存于石灰?guī)r及白云巖中。無(wú)論是固態(tài)鉀鹽還是液態(tài)鉀鹽儲(chǔ)層，在巖石的聲學(xué)特征、密度、電阻率等方面均與非含鉀放射性地層-泥頁(yè)巖具有明顯區(qū)別。所以可以通過(guò)聲波時(shí)差（AC）、密度（DEN）、電阻率（RT）及井徑（CAL）等測(cè)井資料綜合識(shí)別含鉀地層與非含鉀放射性地層。

聲波在地層中的傳播速度與巖石本身的性質(zhì)有關(guān)，不同巖性的地層具有不同的聲波速度，所以可以通過(guò)聲波時(shí)差測(cè)井來(lái)區(qū)別地層巖性。聲速與地層造巖礦物的成分、彈性、密度孔隙度、泥質(zhì)含量、飽和度及孔隙流體相態(tài)有關(guān)。巖層的孔隙增大，其聲速下降，聲波時(shí)差增加，所以致密巖石的聲波時(shí)差小于孔隙性巖石。泥頁(yè)巖中，由于黏土礦物含量較高而石英等脆性礦物含量少，所以聲速較慢，聲波時(shí)差較大；同時(shí)，泥頁(yè)巖顆粒比較細(xì)，束縛水含量很高，而聲波在流體中傳播較慢，所以時(shí)差大。因此，泥頁(yè)巖相對(duì)于其他巖性具有較高的聲波時(shí)差，可以作為區(qū)分泥頁(yè)巖與固態(tài)鉀鹽的標(biāo)志之一。

不同的巖石與礦物具有不同的電阻率，如表1所示，黏土巖由于顆粒細(xì)、分選好、總孔隙發(fā)育，電阻率較低；碳酸鹽巖由于顆粒極細(xì)、孔隙度極小，電阻率比較高；而石膏和巖鹽孔隙度極低，電阻率很高。所以，在電阻率曲線上，雜鹵石、鉀石鹽、光鹵石等表現(xiàn)為高值，泥頁(yè)巖表現(xiàn)為低值。

表1 常見(jiàn)巖石和礦物電阻率

巖石/礦物黏土泥巖頁(yè)巖疏松砂巖致密砂巖石灰?guī)r白云巖硬石膏 電阻率/（Ω·m）1×102～2×1025～6010～10020～1 0002～1 00050～5 00050～5 0001×104～1×106

井徑測(cè)井是針對(duì)井眼直徑的測(cè)井方法，致密巖層井徑一般接近于鉆頭直徑，泥巖由于易垮塌，井徑常大于鉆頭直徑，出現(xiàn)擴(kuò)徑，部分易溶解的鉀鹽也會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)徑現(xiàn)象。另外，固態(tài)鉀鹽密度一般大于泥頁(yè)巖密度。

以上測(cè)井資料均可以作為區(qū)別含鉀地層與非含鉀放射性地層的依據(jù)，綜合以上測(cè)井資料既可以從放射性地層中區(qū)分出非含鉀地層。

2.3 放射性鉀鹽測(cè)井特征

2.3.1 測(cè)井曲線幅度

研究區(qū)固態(tài)鉀鹽主要為雜鹵石、光鹵石、鉀石鹽、綠豆巖等。雜鹵石為難溶鉀鹽，具有高伽馬、高電阻率、無(wú)擴(kuò)徑、聲波時(shí)差較高、密度較高的特征；光鹵石與鉀石鹽均為易溶鉀鹽，具有高伽馬、高電阻率、低聲波時(shí)差、擴(kuò)徑的特征，二者由于前者含氫而后者不含氫，可以用中子測(cè)井區(qū)別；綠豆巖為一種含鉀黏土巖，在測(cè)井曲線上常表現(xiàn)出高伽馬、高聲波時(shí)差、低密度、低電阻率的特征。

另外，研究區(qū)與膏巖層相鄰的孔滲條件較好的石灰?guī)r與白云巖中賦存品位比較好的富鉀鹵水，具有高伽馬、低聲波時(shí)差、低電阻率的特征，同時(shí)，鹵水層具有淺側(cè)向電阻率小于深側(cè)向電阻率的特征。

除鉀鹽外，研究區(qū)還常見(jiàn)石灰?guī)r、白云巖、石膏、硬石膏、石鹽及泥頁(yè)巖等地層。石灰?guī)r與白云巖具有自然伽馬、聲波時(shí)差及電阻率均較低的特征，且無(wú)擴(kuò)徑；石膏、硬石膏及石鹽均具有低伽馬、高聲波時(shí)差和電阻率的特征，但石膏與硬石膏一般無(wú)擴(kuò)徑，石鹽由于易溶常具擴(kuò)徑的特征；泥頁(yè)巖具有高伽馬與聲波時(shí)差、低電阻率、擴(kuò)徑的特征。

根據(jù)以上不同測(cè)井方法對(duì)各類(lèi)巖性地層的測(cè)井分析，可以建立各類(lèi)巖性地層測(cè)井響應(yīng)，如表2所示。

表2 各類(lèi)巖性地層測(cè)井響應(yīng)

巖性自然伽馬聲波時(shí)差電阻率井徑 測(cè)井（GR）（AC）（RT）（CAL） 泥頁(yè)巖高高低擴(kuò)徑 石灰?guī)r低低低無(wú)擴(kuò)徑 白云巖低低低無(wú)擴(kuò)徑 石膏低高高無(wú)擴(kuò)徑 硬石膏低高高無(wú)擴(kuò)徑 石鹽低高高擴(kuò)徑 雜鹵石高較高高無(wú)擴(kuò)徑 光鹵石高低高擴(kuò)徑 鉀石鹽高低高擴(kuò)徑 綠豆巖高高低無(wú)擴(kuò)徑

2.3.2 測(cè)井曲線形態(tài)

研究區(qū)含鹽系組合主要有硬石膏-雜鹵石和硬石膏-石鹽-雜鹵石兩種類(lèi)型，由于膏巖和石鹽均無(wú)放射性，而雜鹵石具有放射性，所以自然伽馬曲線常呈“漏斗形”或“箱形”。“漏斗形”即自然伽馬曲線從下往上幅度逐漸增大，頂部突然下降，反映地層放射性逐漸增強(qiáng)，雜鹵石與膏巖間有雜鹵石質(zhì)膏巖過(guò)渡；“箱形”即自然伽馬曲線形態(tài)呈箱狀，曲線頂?shù)锥汲释蛔冴P(guān)系，反映放射性地層-雜鹵石夾于膏巖或石鹽中。

2.4 曲線重疊法識(shí)別含鉀地層

鑒于不同巖性地層在各測(cè)井曲線上的幅度差異，可以對(duì)相關(guān)測(cè)井曲線進(jìn)行重疊，根據(jù)曲線幅度差來(lái)識(shí)別含鉀地 層[13-14]。具體做法為：將兩條測(cè)井曲線排列在同一道中，兩條曲線的低值段重合，對(duì)比其他有幅度差異段，從而識(shí)別不同地層。在此，取各巖性幅度差異較明顯的自然伽馬（GR）、聲波時(shí)差（AC）、電阻率（RT）等曲線分別做自然伽馬（GR）-聲波時(shí)差（AC）-井徑（CAL）、自然伽馬（GR）-電阻率（RT）重疊圖，綜合分析識(shí)別含鉀地層。

在自然伽馬（GR）-聲波時(shí)差（AC）-井徑（CAL）曲線重疊圖上，鉀石鹽、光鹵石表現(xiàn)出自然伽馬與聲波時(shí)差的正幅度差；膏巖層曲線表現(xiàn)為負(fù)幅度差；雜鹵石、綠豆巖與泥頁(yè)巖曲線均顯示高值且基本重合，但是泥頁(yè)巖有擴(kuò)徑，雜鹵石與綠豆巖無(wú)擴(kuò)徑；而對(duì)于賦存富鉀鹵水的石灰?guī)r與白云巖，曲線也表現(xiàn)出正的幅度差異。

在自然伽馬（GR）-電阻率（RT）曲線重疊圖上，綠豆巖與泥頁(yè)巖表現(xiàn)出自然伽馬與電阻率的正幅度差；膏巖層曲線表現(xiàn)為負(fù)幅度差；鉀石鹽、光鹵石、雜鹵石曲線均高位重合；賦存富鉀鹵水的石灰?guī)r與白云巖曲線低位重合。

另外，對(duì)于富鉀鹵水，由于鹵水層具有淺側(cè)向電阻率小于深側(cè)向電阻率的特征，可以增加深側(cè)向（RD）-淺側(cè)向（RS）曲線重疊來(lái)識(shí)別。

通過(guò)以上分析，基本能利用曲線重疊法識(shí)別含鉀地層。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 固態(tài)鉀鹽測(cè)井識(shí)別實(shí)例

通過(guò)曲線疊加識(shí)別固態(tài)鉀鹽的示意圖如圖2所示，圖中雜鹵石在兩個(gè)曲線道中都表現(xiàn)出高位重合的特征，且伽馬曲線呈“漏斗形”；灰?guī)r與云巖兩個(gè)曲線道中的曲線都低位重合；膏巖在兩個(gè)曲線道中都表現(xiàn)為負(fù)幅度差；綠豆巖在自然伽馬（GR）-聲波時(shí)差（AC）-井徑（CAL）曲線重疊圖上高位重合且無(wú)擴(kuò)徑，在自然伽馬（GR）-電阻率（RT）曲線重疊圖上表現(xiàn)為正幅度差。

圖2 固態(tài)鉀鹽測(cè)井識(shí)別

3.2 富鉀鹵水測(cè)井識(shí)別實(shí)例

通過(guò)曲線疊加識(shí)別富鉀鹵水的示意圖如圖3所示，圖3中，富鉀鹵水段在自然伽馬（GR）-聲波時(shí)差（AC）、自然伽馬（GR）-電阻率（RT）曲線重疊圖上均表現(xiàn)為低位重合，且深側(cè)向電阻率高于淺側(cè)向電阻率。上段富鉀鹵水伽馬曲線呈波狀起伏，鹵水含礦情況應(yīng)較下段差。

圖3 富鉀鹵水識(shí)別

4 結(jié)論

川東北早中三疊統(tǒng)蒸發(fā)巖系主要發(fā)育石灰?guī)r、白云巖、硬石膏、雜鹵石、巖鹽及綠豆巖等巖層。蒸發(fā)巖系各地層在自然伽馬、聲波時(shí)差、電阻率及井徑等測(cè)井曲線上具有不同的測(cè)井響應(yīng)，通過(guò)自然伽馬（GR）-聲波時(shí)差（AC）-井徑（CAL）、自然伽馬（GR）-電阻率（RT）重疊圖綜合分析可以識(shí)別不同巖性地層。雜鹵石在GR-AC、GR-RT重疊圖兩個(gè)曲線道中都表現(xiàn)出高位重合，富鉀鹵水均表現(xiàn)為低位重合，綠豆巖在GR-AC-CAL曲線重疊圖上高位重合且無(wú)擴(kuò)徑，在GR-RT曲線重疊圖上表現(xiàn)為正幅度差。

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.020

2095－6835（2020）09－0054－04

四川省地質(zhì)勘查基金項(xiàng)目（編號(hào)：201505）

劉鑄（1988—），男，碩士，工程師，從事地質(zhì)調(diào)查與礦產(chǎn)勘查工作。

仲佳愛(ài)（1985—），男，博士，高級(jí)工程師，從事地質(zhì)調(diào)查與礦產(chǎn)勘查工作。

〔編輯：張思楠〕