利用測(cè)井資料估算洪海溝鈾礦床砂體滲透系數(shù)

劉富強(qiáng)，羅星剛，陳程，王毛毛，王守玉

（核工業(yè)二一六大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830011）

對(duì)于砂巖型鈾礦床而言，其含礦含水層的滲透系數(shù)是評(píng)價(jià)地浸開采有效性的重要指標(biāo)之一，滲透系數(shù)的空間分布特征既是影響地下水滲流方向和溶質(zhì)運(yùn)移的重要因素［1］，也是對(duì)含水層非均質(zhì)性評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。按不同測(cè)試手段可將獲取滲透系數(shù)的方法分為3 類［2］：①巖心分析法，通過采取孔滲樣品，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定巖心滲透系數(shù)，屬于巖石物理概念；②測(cè)井評(píng)價(jià)法，建立某種測(cè)井參數(shù)與砂體滲透系數(shù)之間關(guān)系以估算砂體滲透系數(shù)，屬于地球物理概念；③抽水試驗(yàn)法，水文地質(zhì)孔通過抽水試驗(yàn)確定影響半徑及影響半徑范圍內(nèi)的滲透系數(shù)，屬于水文地質(zhì)概念。因此，在評(píng)價(jià)含水層非均質(zhì)性時(shí)，準(zhǔn)確獲取滲透系數(shù)的空間分布特征是鈾礦勘查最為困難的問題之一。

盡管對(duì)于含礦含水層滲透系數(shù)的重要性已取得普遍共識(shí)，但現(xiàn)階段野外方法可提供的信息卻不能滿足含礦含水層地下水滲流方向預(yù)測(cè)的要求，限制傳統(tǒng)方法測(cè)定精確度的因素主要有兩個(gè)［3］：①對(duì)既有水文參數(shù)孔的依賴，而既有水文參數(shù)孔在礦床中的分布通常比較稀疏，因此很難獲得既有水文參數(shù)孔周邊區(qū)域之外的滲透系數(shù)信息；②孔滲樣品的代表性不足，而且樣品在采集、測(cè)定過程中存在不可避免的誤差，影響滲透系數(shù)值的確定。因此，利用遍布礦床的勘查鉆孔測(cè)井資料來研究含礦含水層滲透系數(shù)的空間分布具有重要勘查意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

本文對(duì)滲透系數(shù)估算方法進(jìn)行了探討，通過對(duì)洪海溝地區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析，建立視電阻率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與水文地質(zhì)參數(shù)井滲透系數(shù)的擬合方程，嘗試估算洪海溝地區(qū)砂體滲透系數(shù)，并討論滲透系數(shù)空間分布特征對(duì)地下水滲流方向及層間氧化帶發(fā)育方向的影響。

1 地質(zhì)概況

洪海溝鈾礦床為伊犁盆地南緣近年新發(fā)現(xiàn)的砂巖型鈾礦床，位于盆地南緣斜坡帶西部洪海溝微凹，地處構(gòu)造簡單的相對(duì)穩(wěn)定區(qū)。區(qū)內(nèi)八道灣組下段、西山窯組下段、西山窯組上段及頭屯河組均揭露有工業(yè)鈾礦體，為典型層間氧化帶型鈾礦床。

近年來，通過對(duì)礦床主含礦層巖性-巖相的深入分析，發(fā)現(xiàn)在單斜構(gòu)造背景條件下，層間含氧含鈾水在砂體內(nèi)的滲流狀態(tài)主要受到含礦砂體展布形態(tài)的制約，表現(xiàn)為層間氧化帶收斂于砂體突變（沉積微相相變）部位，層間含氧含鈾水與含礦砂體構(gòu)成動(dòng)與靜的關(guān)系，砂體空間展布約束著層間氧化流體的運(yùn)移，砂體的滲透系數(shù)空間分布造成層間氧化帶分層，進(jìn)而控制鈾礦體的空間產(chǎn)出狀態(tài)。因此，選擇該礦床開展砂體滲透系數(shù)的研究，對(duì)分析伊犁盆地南緣中西段構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)具有相似巖相特征地段的找礦工作具有重要意義。

2 砂體滲透系數(shù)影響因素及估算方法

2.1 砂體滲透系數(shù)影響因素

從成巖作用角度分析，砂巖層內(nèi)的早期成巖作用，如壓實(shí)、壓溶、膠結(jié)及交代作用，可使孔隙度和滲透性降低。而自生高嶺石膠結(jié)可保留粒間微孔隙，對(duì)滲透性影響較小，甚至可增強(qiáng)滲透性。在中后期成巖作用下，有機(jī)質(zhì)成熟直至生烴以及產(chǎn)生的酸性水發(fā)生溶蝕形成了次生孔隙，可使砂巖滲透性大大增強(qiáng)，是砂巖型鈾礦形成的有利前提條件［4］。

從巖性特征分析，砂體滲透系數(shù)與孔隙度、泥質(zhì)含量及粒度中值都有著密切的關(guān)系?？紫抖缺硎旧绑w內(nèi)孔隙體積的百分比，而在分析砂體滲透系數(shù)時(shí)，只有有效孔隙對(duì)滲透系數(shù)才有貢獻(xiàn)。一般而言，孔隙度大的砂體，滲透系數(shù)也相應(yīng)較大，但也有不少例外，比如粉砂巖地層具有較大的孔隙度，然而滲透系數(shù)卻不大?？紫抖戎饕Q于砂體的孔隙體積，而滲透系數(shù)除了與砂體孔隙體積有關(guān)外，還受孔隙幾何形狀的控制，滲透系數(shù)是有效孔隙度和孔隙幾何形狀的函數(shù)，粉砂巖之所以滲透系數(shù)低，是因?yàn)槠淇紫哆^于窄小和彎曲，阻礙地下水的暢通流動(dòng)。

泥質(zhì)含量是巖石中顆粒很細(xì)的細(xì)粉砂、黏土及其所含水的體積占巖石體積的百分?jǐn)?shù)，隨著泥質(zhì)含量的增加滲透系數(shù)減?。?-7］。一般來說，對(duì)于地層水電阻率相對(duì)穩(wěn)定、泥質(zhì)成分相同、不含放射性礦物的砂體，利用自然伽馬或自然電位來求取泥質(zhì)含量效果最好。

粒度中值是度量組成砂體骨架的各種分量粒徑大小的綜合指標(biāo)，因而粒度中值對(duì)砂體孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性具有更強(qiáng)的反映能力。廣義上講，泥質(zhì)也屬于一種粒度概念，因此粒度中值與泥質(zhì)之間也有一定的聯(lián)系，粒度中值與自然伽馬測(cè)井資料有很好的相關(guān)性，巖石粒徑的大小反映了沉積環(huán)境和沉積速率的變化，也反映沉積過程中巖石顆粒吸附能力的大小，隨著粒度中值由大變小（粒徑由粗變細(xì)），泥質(zhì)含量逐漸增加，滲透系數(shù)逐漸減?。?］。

2.2 砂體滲透系數(shù)估算方法

通過對(duì)砂體滲透系數(shù)影響因素分析，造成砂體滲透系數(shù)差異的主要因素有巖石孔隙度、泥質(zhì)含量及粒度中值。在砂巖型鈾礦勘探測(cè)井資料中，自然電位、視電阻率及自然伽馬測(cè)井資料與巖石孔隙度、泥質(zhì)含量及粒度中值有著密切關(guān)系，利用不同的測(cè)井資料估算砂體滲透系數(shù)各有特點(diǎn)［2，9］，簡要分析如下。

2.2.1 利用自然電位測(cè)井資料估算滲透系數(shù)

自然電位異常幅度反映了砂體與井內(nèi)泥漿濾液間滲濾過程的強(qiáng)弱，影響自然電位異常幅度的砂體孔隙度及泥質(zhì)含量也是影響砂體滲透系數(shù)的主要因素，但滲透系數(shù)與自然電位之間并沒有明確的函數(shù)關(guān)系，因而利用自然電位測(cè)井資料只能大致定性地估算砂體滲透系數(shù)［10-11］。

2.2.2 利用視電阻率測(cè)井資料估算滲透系數(shù)

該方法需要滿足一定的前提條件，即砂體內(nèi)膠結(jié)物含量及地層水礦化度均應(yīng)穩(wěn)定，此時(shí)決定砂體滲透系數(shù)的主要因素為巖石粒度和泥質(zhì)含量，而巖石粒度和泥質(zhì)含量的變化也是造成巖石視電阻率測(cè)井參數(shù)差異的主要因素，因此認(rèn)為巖石視電阻率測(cè)井參數(shù)的變化能夠反映含水層滲透系數(shù)的差異［12，15］。

2.2.3 利用自然伽馬測(cè)井資料估算滲透系數(shù)

自然伽馬測(cè)井資料能夠反映砂體巖石顆粒的粒徑或粒度中值，并假定滲透系數(shù)與巖石顆粒的粒徑或粒度中值之間存在某種單調(diào)關(guān)系。但這種假定受多種因素的制約，要求巖石顆粒粒徑、泥質(zhì)含量比較接近［13-14］。

3 視電阻率估算砂體滲透系數(shù)

3.1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

3.1.1 滲透系數(shù)

用測(cè)井評(píng)價(jià)法估算砂體滲透系數(shù)遇到的一個(gè)難題是，以孔滲樣品分析結(jié)果還是以水文地質(zhì)參數(shù)井試驗(yàn)結(jié)果作為測(cè)井資料估算砂體滲透系數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，顯然，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不同，其結(jié)果也不同。前人對(duì)利用測(cè)井資料估算滲透系數(shù)做了較多研究，大多以孔滲樣品分析結(jié)果作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［15-17］。但受孔滲樣品分布及樣品數(shù)量的影響，導(dǎo)致估算的滲透系數(shù)具有一定的局限性，而且樣品在采集、測(cè)定過程中存在不可避免的誤差，影響滲透系數(shù)值。水文地質(zhì)參數(shù)井在鉆進(jìn)施工過程中通過水文參數(shù)試驗(yàn)，可以定量評(píng)價(jià)含礦含水層的各種水文地質(zhì)參數(shù)，如滲透系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)等，而通過抽水試驗(yàn)計(jì)算出的砂體滲透系數(shù)是其抽水半徑范圍內(nèi)的綜合反映，能夠較為真實(shí)客觀地反映該水文地質(zhì)參數(shù)井抽水半徑范圍的綜合滲透系數(shù)，具有一定的代表性，因此，選取水文地質(zhì)參數(shù)井試驗(yàn)結(jié)果作為估算砂體滲透系數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是可靠的。

3.1.2 視電阻率

前文已分析了不同測(cè)井資料估算砂體滲透系數(shù)的特點(diǎn)。通過對(duì)洪海溝地區(qū)自然電位、視電阻率及自然伽馬測(cè)井資料的分析發(fā)現(xiàn)，自然電位測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與砂體滲透系數(shù)的相關(guān)性不高，而受含礦層的影響自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)亦未能對(duì)砂體滲透系數(shù)有所響應(yīng)。洪海溝地區(qū)的含礦含水層中，含水巖層的鈣質(zhì)含量低，且變化不大，因而決定巖石滲透系數(shù)的主要因素是粒度和泥質(zhì)含量。泥質(zhì)、粉砂質(zhì)組分以均勻分散狀態(tài)填充于滲透性巖石的顆?？紫堕g，它們的含量變化會(huì)引起巖礦石滲透系數(shù)的變化，同時(shí)也引起巖礦石物理特性的變化，礦石視電阻率也隨之變化，這是利用視電阻率測(cè)井資料估算其滲透系數(shù)的物理依據(jù)。洪海溝地區(qū)地層水的礦化度很?。ǎ? g/L），且造成巖石視電阻率測(cè)井參數(shù)差異的主要原因是巖石粒度的變化和泥質(zhì)含量的高低，因此，巖石視電阻率測(cè)井參數(shù)的變化能夠反映含水層滲透系數(shù)的差異［18-20］。可以通過曲線擬合方程，構(gòu)建砂體視電阻率與滲透系數(shù)之間的關(guān)系式。

3.2 擬合方程

建立曲線擬合方程是研究變量間相互關(guān)系的重要過程。常見的擬合方程有很多種，不同的方程具有不同的特征，如果隨意選擇擬合方程，通常不能很好地?cái)M合數(shù)據(jù)。通過對(duì)洪海溝地區(qū)水文地質(zhì)資料及測(cè)井資料的分析，認(rèn)為孔滲樣品分析結(jié)果與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的相關(guān)性不是很高，主要原因是受巖心采取率影響目的層樣品數(shù)量不夠充足。水文參數(shù)孔可以得到抽水半徑范圍內(nèi)較為客觀的滲透系數(shù)，整理洪海溝地區(qū)已施工的10 組水文參數(shù)孔資料，并以水文參數(shù)孔為中心，統(tǒng)計(jì)該水文參數(shù)孔影響半徑范圍內(nèi)所有鉆孔砂體的視電阻率平均值，砂體內(nèi)巖性包括細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖、砂礫巖等滲透性巖石，由于存在砂體厚度的差異，在統(tǒng)計(jì)過程中以砂體厚度為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)，消除因砂體厚度不同而造成的計(jì)算結(jié)果差異，此外，還需進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，以消除砂體內(nèi)部薄層泥巖及膠結(jié)物等特殊現(xiàn)象的影響。通過對(duì)滲透系數(shù)與視電阻率的預(yù)分析，并利用散點(diǎn)圖觀察變量的變化，發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)與視電阻率的對(duì)數(shù)值之間呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)規(guī)律變化（圖1），經(jīng)過回歸擬合曲線后得到的滲透系數(shù)方程為：

圖1 洪海溝地區(qū)實(shí)測(cè)滲透系數(shù)與視電阻率回歸曲線擬合圖Fig.1 Fitted regression curve of permeability coefficient to apparent resistivity in Honghaigou area

式（1）中：K為砂體滲透系數(shù)，m·d-1；ρ為厚度加權(quán)后砂體視電阻率平均值，Ω·m。

3.3 結(jié)果評(píng)價(jià)

利用式（1）求取洪海溝地區(qū)西山窯組上段砂體滲透系數(shù)取得了良好的應(yīng)用效果，估算出的滲透系數(shù)為砂體滲透系數(shù)的近似值，計(jì)算所得滲透系數(shù)與水文孔抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.89，相關(guān)性顯著，絕對(duì)誤差在±0.1 m/d 之間，變化范圍較小，說明該擬合方程能較好地反映滲透系數(shù)與視電阻率之間的關(guān)系（表1）。然而不同區(qū)域的砂體滲透系數(shù)分布概型不同，利用視電阻率測(cè)井參數(shù)估算滲透系數(shù)的擬合方程具有一定的區(qū)域性。

表1 洪海溝地區(qū)滲透系數(shù)與視電阻率回歸擬合結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of measured permeability coefficient and apparent resistivity regression fitted permeability coefficient in Honghaigou area

4 砂體滲透系數(shù)空間分布特征

4.1 砂體滲透系數(shù)平面特征

洪海溝地區(qū)西山窯組上段含礦含水層以粗砂巖、含礫粗砂巖、砂礫巖為主，分選性較好，泥質(zhì)膠結(jié)，固結(jié)疏松。通過統(tǒng)計(jì)洪海溝地區(qū)西山窯組上段336 個(gè)勘探鉆孔視電阻率數(shù)據(jù)，利用擬合方程（1）估算該層位滲透系數(shù)（圖2a），整體上看，西山窯組上段砂體滲透系數(shù)在平面上分布連續(xù)穩(wěn)定，呈北西-南東向條帶狀展布，其值變化不大，砂體滲透性較好。局部呈現(xiàn)滲透系數(shù)高值區(qū)與低值區(qū)。78 至158 勘探線地段滲透系數(shù)值最高，呈現(xiàn)向北西方向延伸的趨勢(shì)；22 至30 勘探線地段滲透系數(shù)值較低，與之對(duì)應(yīng)的砂體厚度卻較大，推斷可能是洪海溝斷裂改變了砂體的滲流能力。

4.2 砂體滲透系數(shù)對(duì)地下水滲流狀態(tài)的影響

砂體的滲透系數(shù)分布是影響地下水系統(tǒng)中溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的重要因素，洪海溝地區(qū)西山窯組上段砂體滲透系數(shù)分布圖顯示（圖2a），30 至94 勘探線南部地區(qū)砂體滲透系數(shù)較高，且該區(qū)中下侏羅統(tǒng)、中上三疊統(tǒng)在礦床南部與第四系含水層直接接觸，屬于開啟程度較好的水動(dòng)力窗口，30 勘探線附近發(fā)育常年性南北向河流洪海溝河，其上游切割第四系較深，在30 至38 勘探線之間，河水下滲進(jìn)入第四系后，可直接補(bǔ)給東、西兩側(cè)的侏羅系含水層，構(gòu)成礦床東側(cè)地下水補(bǔ)給的重要來源。

洪海溝地區(qū)各含水巖組在接受第四系潛水和洪海溝河水的入滲補(bǔ)給后，地下水沿地層傾向向北或北西方向滲流，受含礦建造砂體及砂體滲透系數(shù)空間展布形態(tài)影響，地下水滲流方向在平面上表現(xiàn)出差異。西山窯組上段砂體主體呈北西向帶狀延伸，與地層傾向基本一致（305°），利用測(cè)井資料估算滲透系數(shù)在0.20～0.60 m/d 之間，綜合來看，西山窯組上段含水層水動(dòng)力條件較好。150 至54 勘探線地段砂體厚度大且穩(wěn)定，滲透系數(shù)大的砂體決定地下水滲流方向，導(dǎo)致地下水滲流方向?yàn)楸蔽飨?，為河道沉積中心。94 勘探線地段雖然砂體滲透系數(shù)較大，但其北側(cè)砂體厚度變薄（圖2b），導(dǎo)致此處下水滲流方向沿砂體厚度較大的南西側(cè)局部改變。150 勘探線以西，砂體滲透系數(shù)變化不大，砂體規(guī)模較小，地下水補(bǔ)給量也較小，未對(duì)地下水滲流方向造成影響，因而繼續(xù)向北西方向延伸。

圖2 洪海溝地區(qū)西山窯組上段地下水滲流（a）及氧化帶分布（b）圖Fig.2 Distribution map of groundwater seepage（a）and oxidation zone（b）of the upper Xishanyao Formation in Honghaigou area

洪海溝地區(qū)西山窯組上段地下水滲流方向受砂體滲透系數(shù)及厚度的影響較大。砂體滲透系數(shù)大且厚度大的地區(qū)是地下水滲流方向的主方向；砂體滲透系數(shù)大、厚度小或滲透系數(shù)小、厚度大的地區(qū)，應(yīng)對(duì)該地區(qū)砂體非均質(zhì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，綜合考慮影響地下水滲流方向的各個(gè)因素，找出主要因素進(jìn)行討論。砂體滲透系數(shù)小且厚度小的地區(qū)，地下水滲流不暢。

4.3 砂體滲透系數(shù)對(duì)層間氧化帶發(fā)育的影響

砂體滲透系數(shù)影響地下水滲流方向，進(jìn)而影響層間氧化帶的發(fā)育。西山窯組上段為主河道型層間氧化帶［21］，受砂體空間展布特征及穩(wěn)定性、地下水滲流方向及還原劑含量的綜合影響，西山窯組上段層間氧化帶發(fā)育較好，總體呈舌狀北西向展布，前鋒線發(fā)育方向穩(wěn)定，鈾礦化發(fā)育也好（圖2）。150 至54 勘探線地段受砂體滲透系數(shù)影響，導(dǎo)致地下水滲流方向?yàn)楸蔽飨颍瑢娱g氧化帶前鋒線也沿北西向發(fā)育。94 勘探線地段砂體滲透系數(shù)及厚度發(fā)生改變，導(dǎo)致此處地下水滲流方向沿砂體滲透系數(shù)及厚度較大的南西側(cè)局部改變，層間氧化帶前鋒線也向南西側(cè)轉(zhuǎn)折。沿K01勘探線方向，砂體厚度大（＞30 m）且穩(wěn)定，滲透系數(shù)也較大，為河道中心發(fā)育方向；由K01勘探線向南西、北東兩側(cè)，砂體厚度逐漸減薄，其滲透系數(shù)也逐漸減小，泥質(zhì)含量、有機(jī)質(zhì)含量增多，形成沿河道砂體兩側(cè)發(fā)育的側(cè)向?qū)娱g氧化帶，層間氧化帶對(duì)鈾礦化起控制作用，它不但直接影響鈾元素的遷移、富集，而且是鈾元素的運(yùn)移通道和礦化富集的賦存空間，因此，鈾礦化沿河道砂體兩側(cè)層間氧化帶前鋒線內(nèi)側(cè)發(fā)育。

利用視電阻率估算的砂體滲透系數(shù)可以進(jìn)一步控制層間氧化帶前鋒線發(fā)育位置，對(duì)鈾成礦預(yù)測(cè)有一定的指示作用。

5 結(jié)論

1）從滲透系數(shù)的估算方法、影響因素及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)角度分析，認(rèn)為視電阻率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)及水文地質(zhì)參數(shù)井?dāng)?shù)據(jù)具有估算砂體滲透系數(shù)的理論基礎(chǔ)。

2）通過建立擬合方程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)洪海溝鈾礦床地區(qū)砂體滲透系數(shù)的估算，其結(jié)果相關(guān)性顯著，能夠比較準(zhǔn)確地反映該區(qū)砂體滲透系數(shù)。然而該擬合方程具有一定的局限性，根據(jù)不同的滲透系數(shù)分布規(guī)律應(yīng)研究適合的擬合方程。

3）砂體滲透系數(shù)對(duì)地下水滲流方向及層間氧化帶的發(fā)育都有重要影響。砂體滲透系數(shù)大且厚度大的地區(qū)是地下水滲流的主方向，也是層間氧化帶的主要發(fā)育方向。

4）本次研究可為周邊及其他地區(qū)砂體滲透系數(shù)的估算提供參考。