科學(xué)鉆探超聲成像測井技術(shù)在深部找礦中的應(yīng)用

崔 明

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心黑龍江總隊(duì)，黑龍江 哈爾濱 150040）

某重要礦藏地區(qū)不僅因?yàn)槠溆猩饘俸拖∮薪饘俚母患?，也因?yàn)槠渥鳛槭澜绱箨懟◢弾r成礦帶的獨(dú)特特征。其礦區(qū)內(nèi)存在多種高溫與鎢多金屬礦床的組合，以及多種低溫與銀、金、銅、鋅礦床的組合。超聲成像測井有助于有效識別地層裂縫和裂縫帶，評價裂縫類型和產(chǎn)狀，分析地層沉積特征，研究地應(yīng)力表征。受環(huán)境條件和高成本的限制，以及對該過程的負(fù)面認(rèn)知和態(tài)度的影響，成像測井方法很少用于金屬礦石的勘探，迄今為止提供的相關(guān)報告很少。在井深度80～1608m處獲得了有價值的超聲成像測井?dāng)?shù)據(jù)。首先分析了測井圖像的主要地質(zhì)特征，并收集了定量的裂縫參數(shù)[1]。然后，得到了這些裂縫參數(shù)的規(guī)律，這些參數(shù)會隨著鉆井深度的變化而變化。最后，討論了多金屬礦化層測井結(jié)果的外延意義。希望通過本研究，為超聲成像測井在潛在金屬礦化科學(xué)鉆探中的應(yīng)用提供參考。

1 日志數(shù)據(jù)采集和處理

1.1 日志數(shù)據(jù)采集

連續(xù)進(jìn)行了3 次綜合測井任務(wù)。測量間隔為80～477m、597～1257m、1250～1608m，采樣間隔為0.002916m。重復(fù)測量的總間隔達(dá)到10%，重復(fù)測量結(jié)果顯示測井?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量高[2]。由于金屬礦石鉆孔孔的直徑比較小，超聲波成像測井儀的探頭可以接收到較強(qiáng)的信號，提高了采集到的測井?dāng)?shù)據(jù)的質(zhì)量。當(dāng)然，直徑較小的鉆孔也增加了超聲成像測井儀中發(fā)生堵塞的風(fēng)險。受儀器最大測量深度和其他鉆井因素的限制，1608.20m 深度以下的超聲成像測井?dāng)?shù)據(jù)無法獲得。除了超聲成像測井?dāng)?shù)據(jù)采集外，還采集了其他常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)，主要是卡尺、聲速、密度、電阻率、誘導(dǎo)極化等。

1.2 日志數(shù)據(jù)處理

超聲成像測井?dāng)?shù)據(jù)的處理包括預(yù)處理、圖像生成、交互處理和解釋。采用WellCAD軟件對測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行處理。WellCAD軟件的ImageLog處理模塊對超聲成像測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行一系列預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)的濾波、插值、歸一化、統(tǒng)計(jì)信息、定向信息、鏡像圖像等。該模塊還可以調(diào)節(jié)儀器的偏心度，生成卡尺圖像。WellCAD 軟件的StructureLog 處理模塊可以交互式地收集地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)狀(如層理、層理、層界面和裂縫等)，估計(jì)裂縫孔徑和裂縫帶厚度，并對產(chǎn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行分段計(jì)數(shù)[3]。

2 裂縫的分布及發(fā)育特征

2.1 裂縫的分布

超聲成像測井圖像有兩種:井壁振幅圖像和走時圖像。兩種圖像都能反映井壁的詳細(xì)地質(zhì)特征，但井壁振幅圖像比走時圖像提供的信息更多，利用幅值圖像分析該井的地質(zhì)構(gòu)造，當(dāng)?shù)貙酉鄬χ旅軙r，井壁與井液界面的聲阻抗差較大。這些地層特征可以為超聲成像測井的振幅產(chǎn)生較大的實(shí)測值。在這種情況下，井壁振幅圖像的測井響應(yīng)是一個光區(qū)或明亮區(qū)[4]。相反，發(fā)生在裂縫或裂縫帶的井壁會導(dǎo)致微弱的聲反射信號，由于漫反射的影響，聲波反射信號會返回到探頭，上述地層特征也會導(dǎo)致超聲成像測井的振幅測量值更小。在這種情況下，井壁振幅圖像的測井響應(yīng)為黑色或暗區(qū)[圖1(a)-(f)]。根據(jù)裂縫產(chǎn)狀分類原則，將裂縫分為4種類型:水平裂縫(傾角小于15°)、低角度裂縫(傾角15°～45°)、高角度裂縫(傾角45°～75°)和垂直裂縫(傾角大于75°)[圖1(a)-(d)]。根據(jù)這一分類原則，在本次探測中，低角度和高角度裂縫最為常見，而垂直和水平裂縫則較為罕見。根據(jù)裂縫充填程度的不同，可將裂縫分為開放裂縫和充填裂縫。開放裂縫比較常見，但充填裂縫比較罕見。如果在同一時期的構(gòu)造運(yùn)動應(yīng)力作用下，這些裂縫幾乎平行發(fā)育，并在超聲成像測井圖像中顯示出方向一致的平行暗帶[圖1(e)]。裂縫帶是地層裂縫發(fā)育徹底的結(jié)果，裂縫帶一般表現(xiàn)為寬暗帶的特征響應(yīng)，但當(dāng)?shù)貙恿芽p嚴(yán)重時，測井圖像呈隨機(jī)形狀[圖1(f)]。

圖1 超聲成像測井圖像的裂縫特征

2.2 裂縫發(fā)育特征

多金屬礦化層一般受裂縫帶控制，可暴露于主裂縫的側(cè)翼和多組裂縫的交界處。由于裂縫和裂隙帶與多金屬礦化層密切相關(guān)，對暴露多金屬礦化層的裂縫和裂隙帶進(jìn)行分析，可以間接指示金屬礦床的層位。這種分析還可以幫助揭示金屬礦床的分布，預(yù)測研究區(qū)潛在的成礦帶。天然裂縫的發(fā)育分布特征也可用于研究成礦地質(zhì)時期可能發(fā)生的古應(yīng)力場特征。從超聲成像測井圖像的裂縫分布規(guī)律中可以看出，利用Structurelog 處理模塊觀察到，在80.04～1608.20m 深度之間存在1546 條裂縫。在80.04～1608.20m 深度范圍內(nèi)，裂縫隨深度變化的特征主要表現(xiàn)為:絕對頻率為10.2 條/10m，最絕對頻率為40 條/10m,裂縫發(fā)育深度在100～200m、600～850m和1400～1600m之間；傾角統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，傾角主要分布在50°～80°范圍內(nèi)。其中最常見的裂縫類型為高角度裂縫，占裂縫總數(shù)的61.84%。其次是低角度斷裂和垂直斷裂，分別占總斷裂數(shù)的19.92%和17.72%。水平斷裂罕見，僅為0.52%；裂縫傾斜方向以SE為主，裂縫傾斜方向呈WS分布，反映了導(dǎo)致裂縫形成的最大水平主應(yīng)力方向。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 裂縫發(fā)育特征、裂縫帶與多金屬礦化層分布的關(guān)系

地層裂縫發(fā)育且裂縫均勻，孔隙間空間增大，連通性增強(qiáng)。這對某些金屬礦石的聚集尤其有利，因?yàn)樗鼮榻饘俚V床的形成創(chuàng)造了有利的儲層。在80～1608m的深度已顯露出多種多金屬礦化層。多金屬礦化層一般發(fā)育在裂縫或裂隙帶中。主要多金屬礦化層深度區(qū)間為806～808m、819～826m、860～863m、876～878m、883～887m、905～908m、909～912m、913～917m、1264～1265m、1583～1589m、1590～1603m。這些多金屬礦化層中最厚的為13m。主要礦化類型有含白鎢礦、含黑鎢礦、含黃鐵礦、含閃鋅礦和含輝鉬礦等。900～930m深度超聲成像測井及相應(yīng)巖芯數(shù)據(jù)顯示的典型多金屬礦化層。共露出3個多金屬礦化層，其深度區(qū)間分別為905～908m、909～912m和913～917m。在這些深度區(qū)間內(nèi)，超聲成像測井圖像顯示裂縫發(fā)育良好。910～912m 和914～916m深度的圖像顯示較大的裂縫，對應(yīng)于909～912m和913～917m深度的多金屬礦化層。在多金屬礦找礦工作中，確定形成裂縫和發(fā)育良好層的發(fā)育特征，對指示多金屬礦化層的空間分布有重要的幫助。當(dāng)然，并不是所有的裂縫或裂縫帶都含有多金屬礦化層。

3.2 超聲成像測井與常規(guī)測井相結(jié)合的多金屬礦化層說明

由于裂縫帶的影響，常規(guī)測井的特征響應(yīng)涉及到卡鉗增大、電阻率降低、密度降低和聲速降低。在860～863m 深度暴露了一個典型的含白鎢礦、含黑鎢礦、含黃鐵礦和含輝鉬礦化層。礦化層頂部860～861.5m，是完整的，礦化層底部861.5～863m，是斷裂的，與超聲成像的測井響應(yīng)相對應(yīng)。在超聲圖像中，礦化層頂部相對穩(wěn)定和完整，呈現(xiàn)出正弦黑色條狀的循環(huán)。礦化層底部的聲反射波較弱，部分地方完全缺乏回聲，形成較寬的暗帶。由于礦化層頂部含有多種金屬礦石，常規(guī)測井的特征響應(yīng)表現(xiàn)為電阻率相對較低、密度較高、聲速較高，誘發(fā)極化曲線迅速增大。由于礦化層底部發(fā)生裂縫，常規(guī)測井的特征響應(yīng)與裂縫帶一致。超聲成像測井與常規(guī)測井相結(jié)合，可快速識別裂縫帶。利用誘導(dǎo)極化和磁化率測井可以有效地圈定多金屬礦化層的賦存深度。多金屬礦化層不僅可以暴露在裂縫中，也可以暴露在裂縫帶中。但在這些地區(qū)，裂縫或裂隙帶的程度一般都過低，不易形成大型金屬礦床。在這些條件下，只要有豐富的成礦物質(zhì)來源和成礦條件，就有可能形成金屬礦床。

3.3 裂縫參數(shù)與井斜的關(guān)系

井斜被視為鉆井工程的一個重要評價指標(biāo)。盡量保持鉆孔垂直，有利于深部多金屬礦床的找礦。影響井斜的因素有很多，包括鉆井過程本身。此外，地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造也可能影響井斜。超聲波成像測井可以提供相對準(zhǔn)確的裂縫產(chǎn)狀信息、所需鉆孔的尺寸和形狀以及井斜數(shù)據(jù)。該井眼的鉆進(jìn)方向并非與裂縫的發(fā)育方向平行，而是與裂縫的發(fā)育方向相反。這一結(jié)果是鉆井直井的有益示范，滿足了地質(zhì)解釋的需要。此外，井斜的主方向可以間接指示古應(yīng)力場最大水平主應(yīng)力的方向。一般認(rèn)為，沿最大水平主應(yīng)力方向最容易發(fā)生伸展構(gòu)造，在這里，巖石的完整性最容易受到破壞。主要傾角方向分布在90°～140°范圍內(nèi)，因此導(dǎo)致裂縫形成的最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹W-SE。這一結(jié)果與裂縫發(fā)育特征的統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。

4 結(jié)論

對探測井80.04～1608.20m深度的超聲成像測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了全面處理。分析了裂縫和裂隙帶的特征響應(yīng)，探討了測井資料在多金屬礦床找礦中的作用?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論:高角度裂縫發(fā)育最為明顯，裂縫走向以NW-SE 為主，反映了導(dǎo)致裂縫形成的最大水平主應(yīng)力方向；對于發(fā)生在裂隙帶的多金屬礦化層，超聲成像測井的特征響應(yīng)為寬暗帶，常規(guī)測井的特征響應(yīng)表現(xiàn)為高極化率、高密度、高聲速和低電阻率；裂縫或斷裂帶內(nèi)發(fā)育了多金屬原生礦化層，超聲成像測井結(jié)果間接指示了多金屬礦化層的賦有。