大慶長(zhǎng)垣南端含鈾巖系地層測(cè)井響應(yīng)特征及應(yīng)用

孫大鵬 ，湯超 ，魏佳林 ，曾輝 ，陳軍 ，肖德富

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津300170；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局呼和浩特自然資源綜合調(diào)查中心，呼和浩特010020；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心非化石能源礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300170；4.中陜核工業(yè)集團(tuán)公司二二四大隊(duì)有限公司，西安710100）

松遼盆地是我國(guó)最主要的含油氣盆地，是產(chǎn)生在大型坳陷帶內(nèi)的一個(gè)坳陷區(qū)[1]。在油氣勘探過(guò)程中自然伽馬測(cè)井中發(fā)現(xiàn)大量放射性異常，主要分布在大慶長(zhǎng)垣的周邊[2]。近年來(lái)，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心在大慶長(zhǎng)垣南部利用油田鉆孔資料進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)了一批鈾礦化富集區(qū)，主要在四方臺(tái)組底部砂巖層[3]。通過(guò)野外地質(zhì)編錄、化學(xué)分析、地球物理測(cè)井等手段，對(duì)研究區(qū)內(nèi)主要目的層的沉積相系、巖石學(xué)特征和礦物特征進(jìn)行了大量的研究[4-6]。其中地球物理測(cè)井主要用于鈾礦含礦層解釋、地層巖性劃分和沉積環(huán)境解釋。

大慶長(zhǎng)垣南端有大量的油田鉆孔測(cè)井資料，為該區(qū)域鈾礦地質(zhì)調(diào)查提供了有效的指導(dǎo)。但鉆孔測(cè)井工作針對(duì)油氣儲(chǔ)層，嫩江組及以上地層測(cè)井資料分析相對(duì)較少。本次通過(guò)在該地區(qū)的一百二十余口砂巖鈾礦鉆孔測(cè)井資料，對(duì)電阻率、密度、聲波時(shí)差等參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，分析了嫩江組五段、四方臺(tái)組、明水組和泰康組不同巖性地球物理參數(shù)特征，可以為該區(qū)域進(jìn)一步的地質(zhì)工作提供參考。

1 地質(zhì)背景

圖1 大慶長(zhǎng)垣構(gòu)造位置圖（據(jù)文獻(xiàn)[2]修改）Fig.1 Structural location of the Daqing placanticline

松遼盆地是中新生代陸相含油氣盆地,盆地呈北東向展布，盆地北部經(jīng)過(guò)構(gòu)造演化形成了斷陷構(gòu)造層、拗陷構(gòu)造層和反轉(zhuǎn)構(gòu)造層三大構(gòu)造層（圖1）。大慶長(zhǎng)垣位于松遼盆地中央坳陷區(qū)，是大慶油田的主要產(chǎn)油區(qū)，西側(cè)為齊家-古龍凹陷，東側(cè)為三肇凹陷。中新生代沉積蓋層自下而上依次為白堊系下統(tǒng)沙河子組、營(yíng)城子組、登婁庫(kù)組、泉頭組，白堊系上統(tǒng)青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺(tái)組和明水組，第三系的依安組、大安組、泰康組及第四系。在大慶長(zhǎng)垣頂部嫩江組、四方臺(tái)組及明水組已被剝蝕，而環(huán)繞長(zhǎng)垣南端嫩江組（K2n）、四方臺(tái)組（K2s）、明水組（K2m）以及新生界泰康組（N2t）則發(fā)育相對(duì)較為完整[7-11]。在以往眾多油氣探井測(cè)井中發(fā)現(xiàn)有高值自然伽馬異常，且異常呈環(huán)狀分布于大慶長(zhǎng)垣周邊，礦化層位集中于青山口組、嫩江組、四方臺(tái)組和明水組。

2 測(cè)井巖性響應(yīng)特征

2.1 巖性識(shí)別

在調(diào)查區(qū)內(nèi)取得的巖層地球物理參數(shù)包括電阻率、自然伽馬、聲波時(shí)差、密度、自然電位，不同地層巖性各測(cè)井曲線間均有一定差異。受巖石粒度、孔隙結(jié)構(gòu)和地層埋深等因素綜合影響，利用單一曲線劃分巖性有一定局限性。尤其在地層較淺的情況下，巖石膠結(jié)程度對(duì)電阻率、密度和聲波時(shí)差影響很明顯。綜合考慮該地區(qū)沉積環(huán)境和巖石物性特征，利用交會(huì)圖法識(shí)別巖性（圖2）。

圖2 巖性識(shí)別交會(huì)圖Fig.2 Crossplot of log data from different lithology

以四方臺(tái)組為例，粒度越粗電阻率越大，同時(shí)泥質(zhì)含量降低導(dǎo)致自然伽馬降低。交會(huì)圖雖然可以很直觀的反映各巖性的整體特征，但是巖石物性分界存在不同程度的交叉。粉砂巖因泥質(zhì)含量較高，整體物性偏向泥巖；中-粗砂巖的孔隙發(fā)育和填充物大致類(lèi)似，其整體物性也較相近。

精細(xì)劃分各類(lèi)巖性除了利用各項(xiàng)物性曲線外，還可以參考井徑曲線。如滲透性較好的砂巖層和礫巖層，由于鉆井過(guò)程中泥漿的滲入，井壁上會(huì)形成泥餅，導(dǎo)致其井徑值不會(huì)過(guò)大[12]；而鉆進(jìn)過(guò)程中，泥巖層因會(huì)受到井液的浸泡和沖刷導(dǎo)致坍塌，井徑會(huì)有不同程度的擴(kuò)大。

通過(guò)測(cè)井巖性解釋結(jié)果與地質(zhì)巖性編錄結(jié)果對(duì)比，砂巖的井徑曲線較為平整，不會(huì)出現(xiàn)明顯的擴(kuò)徑（圖3）。在φ113 mm鉆頭施工鉆孔中，砂巖井徑一般小于140 mm；自然伽馬曲線表現(xiàn)為平緩的低值，一般小于120 API；同一鉆孔中砂泥巖自然電位曲線形態(tài)差異明顯，但不同鉆孔受鉆井液和地層水等條件影響自然電位變化范圍不同；大段砂巖中一般不會(huì)出現(xiàn)聲波時(shí)差曲線的大幅度“跳躍”，密度測(cè)井曲線整體與聲波時(shí)差負(fù)相關(guān)。在泥巖地層中，鉆孔有明顯的擴(kuò)徑現(xiàn)象，井徑可達(dá)160 mm；對(duì)應(yīng)聲波曲線也會(huì)出現(xiàn)大幅度的跳動(dòng)，自然伽馬為高值，電阻率為明顯低值。粉砂巖各項(xiàng)性質(zhì)均介于泥巖和細(xì)砂巖之間且偏向泥巖。在高伽馬地層中，密度曲線受地層本身的放射性影響，實(shí)測(cè)密度值偏低。另外，不同深度的地層劃分巖性時(shí)要考慮壓實(shí)作用的影響。

圖3 測(cè)井曲線巖性識(shí)別Fig.3 Lithology identification by logging curves

2.2 物性參數(shù)特征

工作區(qū)內(nèi)鉆孔測(cè)井項(xiàng)目包括自然電位、三側(cè)向電阻率、密度、聲波時(shí)差、自然伽馬、井徑以及定量伽馬等參數(shù)。其中，自然電位、自然伽馬對(duì)地層巖性和沉積環(huán)境有較好反映[13-16]，但在含礦層中自然伽馬受放射性礦物影響異常較大；自然電位垂向分辨率受井液和施工環(huán)境影響，不同鉆孔間巖性識(shí)別中難以進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。三側(cè)向電阻率、密度和聲波時(shí)差能夠有效區(qū)分粒度及孔隙度變化。綜合各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)地層巖性進(jìn)行劃分，同時(shí)，利用定量伽馬測(cè)井確定含礦層深度、品位等礦化信息。根據(jù)綜合測(cè)井曲線，結(jié)合鉆孔地質(zhì)編錄巖性劃分結(jié)果，對(duì)研究區(qū)內(nèi)鉆孔貫穿的泰康組、明水組、四方臺(tái)組和嫩江組五段地層及巖性進(jìn)行測(cè)井物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)（表1）。測(cè)井參數(shù)均值取值采用厚度加權(quán)平均法，對(duì)累計(jì)厚度較小的巖性不計(jì)入統(tǒng)計(jì)。在進(jìn)行自然伽馬、定量伽馬參數(shù)統(tǒng)計(jì)中剔除了含礦段，即伽馬值均為正常背景值。

2.3 不同巖性參數(shù)對(duì)比

研究區(qū)內(nèi)主要巖性為礫巖、砂巖、泥巖，對(duì)砂巖劃分為粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖四個(gè)等級(jí)。礫巖層厚度僅占研究層位的1%左右，且主要分布在泰康組中。由于淺部地層膠結(jié)程度低，孔隙度大，具有高電阻率（均值38.34 Ω·m）、高聲波時(shí)差（均值620.36 μs/m）、低自然伽馬（均值80.99 API）、低密度（均值1.97 g/cm3）特征。部分礫巖層因夾雜泥質(zhì)填充物，會(huì)出現(xiàn)較低的電阻率和較高的自然伽馬值（圖4）。

表1 大慶長(zhǎng)垣南端嫩江組-泰康組地層參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical parameters from Nenjiang Formation to Taikang Formation in Daqing placanticline

圖4 巖石物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.4 Statistical histogram of rock physical parameters

粗砂巖主要發(fā)育在明水組和四方臺(tái)組中，隨地層深度增加電阻率減小、聲波時(shí)差減小。其中四方臺(tái)組下段粗砂巖是研究區(qū)內(nèi)的主要含礦層，段內(nèi)發(fā)育曲流河河道粗碎屑沉積中出現(xiàn)高值伽馬異常，但除礦化異常層外，放射背景值并無(wú)明顯升高。細(xì)砂巖層厚度約占整套地層的20%左右，主要分布在四方臺(tái)組中，表現(xiàn)為高密度、低聲波時(shí)差的特征，即密度均值2.18 g/cm3，聲波時(shí)差約429 μs/m，電阻率介于5～29.2 Ω·m之間。泥巖在研究區(qū)內(nèi)各層位內(nèi)均有分布，約占整套地層的44%以上，其中嫩五段中的大段泥巖在全區(qū)普遍發(fā)育。不同地層間泥巖物性差異較小，整體表現(xiàn)為低電阻率、高伽馬值的特征，電阻率值最低可至3.6 Ω·m。粉砂巖各項(xiàng)參數(shù)與泥巖相近，與該區(qū)粉砂巖泥質(zhì)含量較高有關(guān)。

通過(guò)不同地層物性對(duì)比認(rèn)為，中-粗粒徑巖性受地層壓實(shí)作用更加明顯，表現(xiàn)為上部地層礫巖、粗砂巖、中砂巖密度均值遠(yuǎn)小于下部地層，聲波時(shí)差則相對(duì)高出很多。同時(shí)，中-粗顆粒地層的聲波時(shí)差和電阻率變化范圍明顯比細(xì)顆粒地層大。以四方臺(tái)組為例，中、粗砂巖和礫巖聲波時(shí)差范圍在274～705 μs/m之間，而細(xì)、粉砂巖和泥巖時(shí)差范圍是349～620 μs/m；對(duì)應(yīng)電阻率分布范圍為粗顆粒4～49.5 Ω·m，細(xì)顆粒3.6～29.2 Ω·m。分析認(rèn)為，研究區(qū)地層分選性較好，地層顆粒越粗，孔隙度越大，地層受壓實(shí)作用和填充物的影響越大。地層孔隙填充泥質(zhì)會(huì)導(dǎo)致粗顆粒巖性也呈現(xiàn)低電阻率，但總體均值隨顆粒變小而降低；而聲波時(shí)差值大小受巖性、孔隙度、孔隙填充物、埋深等多種因素影響，不同粒徑巖石聲波時(shí)差均值分布規(guī)律并不明顯。

2.4 聲波-密度換算

不同巖性聲波速度與密度之間表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。Gardner[17]在1974年給出的速度與密度經(jīng)驗(yàn)公式是ρ=0.31VP0.25，該公式綜合考慮了實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)值和野外資料統(tǒng)計(jì)值，而不同地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式不盡相同。根據(jù)朱廣生[18]在大慶地區(qū)進(jìn)行的密度與聲波速度的關(guān)系分析中，主要針對(duì)深度范圍在1 000～2 500 m內(nèi)的砂巖和泥巖，速度變化范圍主要在2 000～6 000 m/s之間，擬合得到該地區(qū)密度-縱波速度關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式為ρ=0.414VP0.214（圖5）。本次聲波時(shí)差測(cè)量采用雙收時(shí)差探管，取得地層縱波速度信息。在研究區(qū)內(nèi)的124口鉆孔，求取各組地層各巖性的平均速度和平均密度作為該鉆孔對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)值，累計(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)1 882個(gè)，主要針對(duì)地層深度在100 m～500 m之間，涵蓋地層包括泰康組、明水組、四方臺(tái)組、嫩江組五段。擬合方程ρ=0.227VP0.292。

圖5 密度-縱波速度擬合圖Fig.5 Density and velocity intersection diagram

3 測(cè)井沉積相特征

研究區(qū)內(nèi)地層由深至淺分別為嫩江組、四方臺(tái)組、明水組、泰康組，其中嫩江組鉆孔揭露至嫩江組五段。利用自然伽馬和電阻率曲線，結(jié)合巖性特征對(duì)研究區(qū)內(nèi)各地層沉積相進(jìn)行識(shí)別分析（圖6、表2）。

嫩江組頂部電阻率曲線較平滑，自然伽馬曲線呈中-低幅微齒狀箱形，與其頂部砂巖突變式接觸。巖性主要為淺灰色、深灰色、綠灰色泥巖夾紅棕色粉砂質(zhì)泥巖，為湖相沉積特征。明水組上部電阻率曲線低平曲線帶鋸齒狀尖峰，自然伽馬為較大的鋸齒形，巖性為紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾淺灰色細(xì)砂巖薄層，為濱淺湖相沉積；下部電阻率曲線呈齒化箱形、指形，判斷其為河道三角洲，巖性為灰色細(xì)砂巖夾灰色砂礫巖薄層。泰康組測(cè)井曲線為高幅齒形，巖性以灰色、深灰色砂礫巖和中、粗砂巖為主，判斷為泛平原沖積相，與其底部明水組呈突變式接觸。

四方臺(tái)組下段是區(qū)內(nèi)鈾礦勘查的重點(diǎn)層位，含礦層主要巖性為淺灰色細(xì)砂巖、中砂巖及中粗砂巖，自然電位曲線呈高幅箱形，時(shí)差曲線低幅跳躍，且有低密度、高電阻的特征。對(duì)應(yīng)電阻率曲線呈多段微齒鐘型，自然伽馬曲線呈鐘-箱形，下部為淺灰色細(xì)砂巖、中砂巖及紅棕色中粗砂巖，為多期河道、堤岸組合；上部巖性為紅棕色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖和灰色粉砂質(zhì)泥巖，主要為細(xì)粒沉積，是含礦段的上部隔水層。四方臺(tái)組上段為低幅齒形、箱形-漏斗形組合，巖性為淺灰色細(xì)砂巖及粉砂巖與紅棕色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，判斷上部為分流河道，下部以河漫灘、河口壩為主?？傮w而言，含鈾富集區(qū)受曲流河河道控制，包括河道滯留沉積、邊灘、河漫灘等沉積微相[4]。

圖6 測(cè)井沉積相識(shí)別Fig.6 Identification of logging sedimentary facies

表2 不同地層參數(shù)均值統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of parameter averages in different formations

通過(guò)對(duì)部分礦段和非礦段巖心取樣進(jìn)行孔隙度、滲透率測(cè)定，認(rèn)為含礦層孔隙度發(fā)育，透水性較好（表3）。通過(guò)測(cè)試結(jié)果標(biāo)定，利用聲波時(shí)差和自然伽馬曲線擬合孔隙度和求取泥質(zhì)含量，對(duì)不同地層孔隙度和泥質(zhì)含量分布分析認(rèn)為，含礦層往往賦存在砂泥巖邊界，上、下層多為泥巖或泥質(zhì)砂巖隔水層，呈“泥-砂-泥”結(jié)構(gòu)特征（圖7）。

4 含礦層放射性參數(shù)對(duì)比

放射性測(cè)量參數(shù)分為自然伽馬和定量伽馬，其中定量伽馬主要用于含礦層品位、厚度的計(jì)算。調(diào)查區(qū)內(nèi)定量伽馬測(cè)量使用FD-3019探管，該探管經(jīng)過(guò)核工業(yè)放射性勘查計(jì)量站標(biāo)定，能夠保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性[19]。含礦層儲(chǔ)量信息的計(jì)算首先通過(guò)鈾鐳系數(shù)、換算系數(shù)、靈敏系數(shù)、井徑校正、沖洗液吸收系數(shù)等參數(shù)校正，利用分層解釋中的五點(diǎn)反褶積計(jì)算方法得到單元層的品位信息，結(jié)合含礦層深度、厚度和密度參數(shù)確定含礦層平米鈾量（圖8）[20，21]。

調(diào)查區(qū)主要含礦層位于四方臺(tái)組底部，含礦層主要巖性為淺灰色細(xì)砂巖、中砂巖及中粗砂巖，自然電位曲線呈高幅箱形，時(shí)差曲線低幅跳躍，且有低密度、高電阻的特征。

表3 樣品測(cè)試結(jié)果Table 3 Results of samples measurement testing

圖7 含礦層測(cè)井曲線特征Fig.7 Logging curve characteristics of ore-bearing strata

調(diào)查區(qū)各地層放射性背景值差異較小，平均分布范圍約在1.58～2.95 nC/kg·h 之間。受泥質(zhì)含量影響泥巖中放射水平整體高于其他巖性地層。其中，四方臺(tái)組粗砂巖、中砂巖中放射性異常變化范圍較大，作為調(diào)查區(qū)內(nèi)發(fā)育的主要鈾含礦層，放射性背景值最大可達(dá)到13.03 nC/kg·h。對(duì)比調(diào)查區(qū)內(nèi)同一鉆孔自然伽馬與定量伽馬曲線，其曲線形態(tài)相似度極高，自然伽馬曲線與品位曲線也基本吻合（圖9）。通過(guò)提取同一鉆孔內(nèi)相同深度測(cè)點(diǎn)上自然伽馬、照射量率值可以看出二者有極高的線性相關(guān)性（圖10）。

圖8 含礦層品位與自然伽馬值對(duì)比Fig.8 Comparison of ore bearing bed grade and natural gamma value

圖9 自然伽馬與定量伽馬曲線對(duì)比Fig.9 Comparison of natural gamma and quantitative gamma curves

調(diào)查區(qū)內(nèi)泥巖自然伽馬背景值約為109～170 API，砂巖背景值約82～122 API，在含礦層邊界自然伽馬值達(dá)到背景值的5.4倍時(shí)，含礦層品位達(dá)到萬(wàn)分之0.5；達(dá)到背景值約9.7 倍時(shí)，品位達(dá)到萬(wàn)分之一。因此，自然伽馬曲線可以有效的評(píng)價(jià)含礦層，并作為篩選潛力鉆孔的依據(jù)。但在利用老鉆孔測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)注意確定自然伽馬參數(shù)單位、標(biāo)定情況等信息。不同地區(qū)或不同系列伽馬探管可能導(dǎo)致自然伽馬值與照射量率值之間定量關(guān)系不同。

圖10 自然伽馬與定量伽馬定量關(guān)系Fig.10 Quantitative relationship between natural gamma and quantitative gamma

5 結(jié)論

（1）利用自然伽馬、電阻率交會(huì)圖法可以有效識(shí)別調(diào)查區(qū)內(nèi)地層巖性，尤其電阻率曲線對(duì)砂泥巖識(shí)別度高。泥巖地層易受井液浸泡發(fā)生垮落導(dǎo)致井徑變大，聲波時(shí)差曲線大幅度“跳躍”。通過(guò)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)總結(jié)歸納調(diào)查區(qū)地層巖性物性參數(shù)發(fā)育特征。

（2）通過(guò)測(cè)井曲線對(duì)調(diào)查區(qū)含鈾巖系地層沉積相特征進(jìn)行簡(jiǎn)單識(shí)別，主要利用了電阻率和自然伽馬。泰康組整體為泛平原沖積；明水組上部為靜水泥質(zhì)沉積，下部為湖底扇；四方臺(tái)組由上至下大致為分流河道、河漫灘、河口壩、河道、堤岸沉積；嫩江組頂部為湖相沉積。調(diào)查區(qū)內(nèi)主要含礦段發(fā)育在四方臺(tái)組內(nèi)河道、堤岸沉積砂泥互層層位中。

（3）自然伽馬曲線與經(jīng)標(biāo)定的定量伽馬曲線相似度較高，測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)高度吻合，可以利用自然伽馬曲線對(duì)含礦層品位進(jìn)行大致評(píng)價(jià)。在利用老資料鉆孔測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)注意確定自然伽馬參數(shù)單位、標(biāo)定情況等信息。不同地區(qū)或不同系列伽馬探管可能導(dǎo)致自然伽馬值與照射量率值之間定量關(guān)系不同。