納米比亞歡樂(lè)谷地區(qū)巖粉鉆孔γ 測(cè)井影響因素和鐵、水修正系數(shù)計(jì)算

劉衛(wèi)國(guó)

（核工業(yè)二〇三研究所，陜西 西安 710086）

鈾資源是重要的戰(zhàn)略資源和能源礦產(chǎn)［1］，是核能發(fā)電的重要原料。加大國(guó)內(nèi)鈾資源勘查力度的同時(shí)，鈾資源海外開(kāi)發(fā)已成為我國(guó)重要的鈾供應(yīng)途徑［2］。納米比亞達(dá)馬拉造山帶產(chǎn)有豐富的鈾資源，探明的鈾資源量約為80 萬(wàn)t，鈾礦化類型主要為白崗巖型和鈣結(jié)巖型［3］，其中白崗巖型鈾礦是納米比亞在世界上獨(dú)有的鈾礦類型［4］。

鉆探是鈾資源勘查的重要手段，γ 測(cè)井是鈾資源量估算的物探方法。納米比亞歡樂(lè)谷地區(qū)鉆探施工常采用空壓巖粉與繩索取心組合方式鉆進(jìn)，國(guó)外采用巖粉巖心取樣后送實(shí)驗(yàn)室測(cè)試確定礦層鈾含量，國(guó)內(nèi)采用γ 測(cè)井解釋及相關(guān)參數(shù)修正確定礦層鈾含量。其中取樣測(cè)試法價(jià)格貴、周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、礦層厚度會(huì)有增減，但可直接獲得礦石鈾含量數(shù)據(jù)；測(cè)井解釋法價(jià)格低、速度快、勞動(dòng)強(qiáng)度低，經(jīng)過(guò)鐵套管、水（或泥漿）、鈾鐳平衡系數(shù)［5-7］、射氣系數(shù)、釷鉀系數(shù)、密度、濕度、有效原子序數(shù)等修正，可快速獲得礦層鈾含量。本文著重分析了鉆孔內(nèi)因素對(duì)γ 測(cè)井的影響和測(cè)井儀對(duì)鐵、水修正系數(shù)的計(jì)算，以及孔內(nèi)有巖粉污染時(shí)如何獲得準(zhǔn)確的γ 測(cè)井原始數(shù)據(jù)，鐵、水吸收系數(shù)在γ 測(cè)井規(guī)范不能查得時(shí)如何計(jì)算其修正系數(shù)，為該區(qū)提供可靠的鈾礦層伽馬測(cè)井解釋結(jié)果。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

歡樂(lè)谷地區(qū)位于世界著名的達(dá)馬拉造山帶，是卡拉哈里和剛果兩大太古宙克拉通間的元古宙造山帶，為世界上最古老的地盾之一，基底為太古宇結(jié)晶基底，具有地殼固結(jié)早、巖石演化成熟度高、富鈾的特征。元古宇末的達(dá)馬拉造山運(yùn)動(dòng)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，不同期次巖漿活動(dòng)發(fā)育，以富鉀質(zhì)的花崗巖、混合花崗巖、深變質(zhì)巖為主，能譜測(cè)量鈾含量（平均值為 39.44×10-6）與地殼克拉克值相比，明顯偏高，為鈾含量偏高地區(qū)［8］。達(dá)馬拉造山帶可為后期鈾成礦提供豐富的鈾源，找礦前景良好。達(dá)馬拉運(yùn)動(dòng)后該區(qū)一直處于構(gòu)造穩(wěn)定階段，早期形成的鈾礦得以保存，后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使鈾礦得以疊加富集。歡樂(lè)谷地區(qū)處于達(dá)馬拉造山帶西南部次級(jí)構(gòu)造單元中部帶南部區(qū)和奧卡汗加線形帶內(nèi)，位于北東向奧馬魯魯斷裂和奧克汗加斷裂所夾持的區(qū)域［9-10］（圖1）。地理上位于納米比亞中西部鈾成礦的中心部位，周?chē)性诋a(chǎn)的羅辛和湖山白崗巖型鈾礦床、待產(chǎn)的瓦倫西亞白崗巖型鈾礦床、蘭格漢瑞赤鈣結(jié)巖型鈾礦床，以及其他鈾礦床和鈾礦點(diǎn)。歡樂(lè)谷地區(qū)距納米比亞海邊城市斯瓦科普孟德東約65 km，交通便利，電力和用水充足［8］。

2 γ 測(cè)井原理

γ 測(cè)井是普查勘探放射性礦床的一種基本的鉆井地球物理方法［11］。它是用測(cè)井儀沿井孔測(cè)量巖石和礦石的天然γ 射線強(qiáng)度，并根據(jù)γ 場(chǎng)的分布確定鉆孔所穿過(guò)的放射性礦層的位置、厚度以及其中放射性元素的含量。γ 測(cè)井解釋結(jié)果是鈾礦床儲(chǔ)量計(jì)算的主要資料，在礦層地段巖心采取率不高的情況下更為重要。

在礦石處于平衡狀態(tài)下，鐵套管和水對(duì)γ射線吸收的百分?jǐn)?shù)值（吸收系數(shù)）與選用的γ 測(cè)井儀探測(cè)器類型和結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般可由γ 測(cè)井規(guī)范［12］中查表得到。γ 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)使用自動(dòng)解釋軟件［13-14］或手工解釋，可以快速確定含礦段的鈾含量、位置和厚度。

根據(jù)使用儀器類型、鉆孔中鐵套管和水吸收層厚度，可在鐵、水吸收系數(shù)表上查出相應(yīng)的吸收系數(shù)，然后按公式（1）逐點(diǎn)修正［12］：

式中：N1、N2分別為任意點(diǎn)修正后和測(cè)量的γ 照射量率的數(shù)值，nC/（kg·h）；μ1、μ2分別為水和鐵套管吸收系數(shù)的數(shù)值，%。

井液吸收層厚度按公式（2）計(jì)算［12］：

式中：DK、DT分別為鉆孔直徑和探管直徑，m；d2為鐵套管厚度，m。

3 巖粉鉆孔γ 測(cè)井

歡樂(lè)谷地區(qū)鉆探施工常采用空壓巖粉與繩索取心兩種工藝，其中巖粉鉆孔鉆進(jìn)時(shí)鉆頭將地層巖石研磨成粉末狀的巖粉，同時(shí)使用空壓機(jī)向孔底打入的高壓空氣將巖粉吹出孔口，每鉆進(jìn)1 m 用巖粉袋收集一袋巖粉。巖粉（心）使用FD-3010A 型β-γ 巖心編錄儀進(jìn)行巖粉γ、γ+β測(cè)量，測(cè)井儀使用9800 輕便數(shù)字測(cè)井儀，γ 測(cè)井使用FD-3019型探管［15］。

本次研究以歡樂(lè)谷15 號(hào)地區(qū)ZK9-0 鉆孔為例，該孔深249.20 m，測(cè)井孔斜為63°，鉆孔直徑為127 mm，水層位置為64 m。γ 測(cè)井儀經(jīng)“三性”檢查符合規(guī)范要求，γ 測(cè)量進(jìn)行了完鉆不洗井測(cè)量和完鉆后用清水洗井1 至2 小時(shí)后測(cè)量，分別得到兩條γ 測(cè)井原始曲線（圖2）。

圖2 ZK9-0 γ 測(cè)井洗井前后原始曲線圖Fig. 2 Original ZK9-0 gamma logging curve before and after well washing

從γ 測(cè)井原始曲線可以直觀看出（圖2），完鉆洗井后曲線數(shù)值明顯低于完鉆不洗井曲線數(shù)值。從γ 原始測(cè)井洗井前后數(shù)值統(tǒng)計(jì)表可以看出（表1），完鉆不洗井測(cè)量γ 曲線峰值最高為10 389 l/s，最低為52 l/s；完鉆洗井后測(cè)量γ 曲線峰值最高為9 619 l/s，最低為49 l/s。以完鉆洗井后測(cè)量的γ 數(shù)值為基準(zhǔn)值，曲線峰值最高值誤差為-8.00%，相對(duì)差值為-770 1/s，最低值誤差為-6.12%，相對(duì)差值為-3 l/s。曲線數(shù)值最大相對(duì)差值為-1 494 l/s，最大誤差為-76.81%，曲線數(shù)值最小相對(duì)差值為-3 l/s，最小誤差為-4.49%。γ 原始測(cè)井洗井前后數(shù)值峰值平均誤差（-21.99%）相差較大。

表1 γ 原始測(cè)井洗井前后數(shù)值統(tǒng)計(jì)表Table 1 γ numerical statistics before and after the original well logging wash

選取ZK9-0 鉆孔112 m 至147 m 礦段進(jìn)行γ測(cè)井解釋，該孔γ 測(cè)量為裸眼測(cè)井，設(shè)計(jì)為斜孔，無(wú)鐵套管即無(wú)需吸收系數(shù)修正，僅對(duì)水層吸收系數(shù)計(jì)算［12］。由表2 可以看出，水層厚度為43.5 mm，水層厚度標(biāo)準(zhǔn)值有40 mm、45 mm的水層吸收值，根據(jù)γ 測(cè)井原理計(jì)算得到該處水層吸收系數(shù)為16.52%，修正系數(shù)為83.48%（表2）。

表2 ZK9-0 修正系數(shù)計(jì)算表Table 2 Calculation table of ZK9-0 correction coefficient

該孔洗井前后進(jìn)行兩次γ測(cè)井，使用同一γ探管測(cè)量，標(biāo)定系數(shù)為0.107 9 nC·（kg·h）-1/1·s-1，換算系數(shù)為30.56 nC·（kg·h）-1/0.01%，測(cè)井儀讀數(shù)單位為1/s。γ 測(cè)井原始數(shù)據(jù)用表2 計(jì)算得出的修正系數(shù)予以修正，0 m 至64 m 原始數(shù)值不修正，64 m至249.20 m 進(jìn)行修正。原始測(cè)井?dāng)?shù)值除以修正系數(shù)取整，得到修正后測(cè)井?dāng)?shù)值，導(dǎo)入自動(dòng)γ 測(cè)井解釋軟件進(jìn)行解釋，選取萬(wàn)分之三做為解釋邊界品位，洗井前后γ 解釋結(jié)果即可獲得（表3）。由表3可以看出，該礦段礦層邊界位置、礦層平均品位、米百分值均有大幅變化。

表3 ZK9-0 洗井前后γ 測(cè)井解釋結(jié)果表Table 3 γ logging interpretation results before and after ZK9-0 well washing

歡樂(lè)谷地區(qū)空壓巖粉鉆探工藝優(yōu)點(diǎn)為鉆進(jìn)速度快（1 至2 天可巖粉鉆進(jìn)200 m，4 至5 天可巖心鉆進(jìn)400 m），人力成本低（每機(jī)臺(tái)3人），巖粉鉆孔1 m 取一袋樣品，巖心鉆孔取心率高（一般取心率均在100%），施工工期短（一般600 m 鉆孔工期為7 天完鉆，每天工作8 小時(shí)），隨鉆糾偏孔斜達(dá)標(biāo)率高（鉆具含隨鉆測(cè)斜儀），發(fā)生卡鉆事故率極低（套管鉆進(jìn)）；缺點(diǎn)為巖粉顆粒為粉末狀，質(zhì)量輕，易懸浮液體，易粘染于孔壁，巖粉樣品實(shí)驗(yàn)室測(cè)試難以確定含礦段位置。在其他條件相同的情況下，測(cè)井結(jié)果易產(chǎn)生誤差，其主要原因：1）含礦層巖粉顆粒懸浮于孔內(nèi)水中導(dǎo)致污染，使含水層孔內(nèi)放射性偏高；2）含礦層巖粉顆粒沾染在無(wú)水層孔壁上導(dǎo)致污染，使不含水層孔內(nèi)放射性偏高，均造成礦層邊界模糊。故針對(duì)巖粉鉆孔，終孔γ 測(cè)井前應(yīng)采用清水充分洗井后測(cè)量（洗井時(shí)間一般1 至2 小時(shí)），才可以得到相對(duì)準(zhǔn)確的γ 原始測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和可靠γ 測(cè)井解釋結(jié)果，今后鉆孔施工中也應(yīng)盡量避免選擇巖粉工藝施工。

4 γ 測(cè)井解釋

4.1 鉆孔組合結(jié)構(gòu)

根據(jù)納米比亞歡樂(lè)谷地區(qū)地層產(chǎn)狀，鉆探施工設(shè)計(jì)孔斜為90°、80°、70°、60°、45°的直孔及斜孔，鉆探工程的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和要求按放射性礦產(chǎn)資源鉆探規(guī)程（EJ/T 1052—1997）執(zhí)行。該區(qū)鉆孔施工結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，有空壓巖粉鉆孔、純巖心鉆孔、巖粉巖心組合鉆孔。純巖粉鉆孔孔徑按鉆頭尺寸有121 mm、124 mm、127 mm；純巖心鉆孔孔徑按鉆頭尺寸有114.3 mm、96 mm、75.8 mm；巖粉巖心組合鉆孔孔徑按鉆頭尺寸有127 mm、124 mm、121 mm、119 mm、96 mm、75.8 mm，鐵套管最多達(dá)到三層。因鉆孔施工結(jié)構(gòu)組合復(fù)雜性，所以γ 測(cè)井對(duì)水層、鐵套管吸收系數(shù)需進(jìn)行分別計(jì)算，對(duì)原始γ 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行綜合修正，這樣就會(huì)得到準(zhǔn)確可靠的γ 測(cè)井解釋結(jié)果。

4.2 綜合修正系數(shù)

根據(jù)γ 測(cè)井規(guī)范，鉆孔孔斜為90°直孔時(shí)，水層、鐵套管吸收系數(shù)沿井軸測(cè)量，計(jì)算修正系數(shù)；孔斜為80°到45°斜孔時(shí)，水層、鐵套管吸收系數(shù)靠井壁位置測(cè)量，由γ 測(cè)井原理計(jì)算吸收系數(shù)。下面以純巖粉裸眼鉆孔和純巖心鉆孔綜合修正系數(shù)計(jì)算為例，詳細(xì)說(shuō)明計(jì)算綜合修正系數(shù)的方法。類似的，可以計(jì)算各種鉆孔組合結(jié)構(gòu)綜合修正系數(shù)，這里不詳述了。

4.2.1 純巖粉鉆孔修正系數(shù)

純巖粉裸眼鉆孔修正系數(shù)是孔內(nèi)含水位置到孔底水層的修正系數(shù)，純巖粉裸眼鉆孔分為直孔和斜孔兩種類型，直孔型水層修正系數(shù)計(jì)算按沿井軸位置選標(biāo)準(zhǔn)值，斜孔型水層修正系數(shù)計(jì)算按靠井壁位置選標(biāo)準(zhǔn)值。

式中：h 為實(shí)際水層厚度，由式（2）計(jì)算獲得；h1、h2為γ 測(cè)井規(guī)范中相鄰的兩個(gè)水層厚度；U水1、U水2為h1、h2水層厚度對(duì)應(yīng)的吸收系數(shù)；U水吸為h 實(shí)際水層厚度的吸收系數(shù)；U水修為h 實(shí)際水層厚度的修正系數(shù)。各量的單位如表4 中所示，斜孔或直孔同理計(jì)算可得。

表4 純巖粉鉆孔修正系數(shù)計(jì)算表Table 4 Calculation table of comprehensive correction coefficient of pure rock powder drilling

經(jīng)計(jì)算，孔徑124 mm 斜孔型水層修正系數(shù)為 83.96%，直孔型水層修正系數(shù)為82.16%（表4）。

4.2.2 巖粉加巖心組合鉆孔綜合修正系數(shù)

巖粉加巖心含鐵套管鉆孔綜合修正系數(shù)是對(duì)水層修正與鐵套管修正系數(shù)的綜合。以鉆孔ZK23-2 為例，該孔是巖粉巖心組合鉆孔，設(shè)計(jì)孔深300 m，孔斜為70°，γ 測(cè)井孔深299.6 m?？咨? 至200 m 巖粉鉆孔孔徑按鉆頭孔徑為96 mm，孔深200 m 至300 m 巖心鉆孔孔徑為75.8 mm；全孔下鐵套管，外徑為69.9 mm，內(nèi)經(jīng)為60.3 mm，壁厚為4.8 mm，水位為0 m。

鐵吸收值計(jì)算式：

綜合修正系數(shù)：

式中：H 為實(shí)測(cè)鐵厚度，H1、H2為γ 測(cè)井規(guī)范中相鄰的兩個(gè)鐵厚度，U鐵吸1、U鐵吸2為H1、H2鐵厚度對(duì)應(yīng)的吸收系數(shù)，U鐵吸為H 實(shí)測(cè)厚度的吸收系數(shù)，U鐵水修為h 實(shí)際水層厚度、H 實(shí)測(cè)厚度的綜合修正系數(shù)。不同孔深、孔型、孔徑水吸收值計(jì)算可由式（3）計(jì)算獲得，各量的單位如表5中所示，斜孔或直孔同理計(jì)算可得。

表5 巖粉加巖心鉆孔綜合修正系數(shù)計(jì)算表Table 5 Calculation table of comprehensive correction coefficient of rock powder and core drilling

巖粉巖心鉆孔綜合修正系數(shù)計(jì)算見(jiàn)表5。由表可見(jiàn)，0 至200 m，96 mm 孔徑斜孔型綜合修正系數(shù)為73.40%，200 至299.6 m，75.8 mm 孔徑斜孔型綜合修正系數(shù)為76.67%。

4.3 γ 解釋成果

根據(jù)上述計(jì)算方法，對(duì)ZK23-2 鉆孔γ 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行綜合修正后，得到歡樂(lè)谷地區(qū)15線ZK23-2 鉆孔γ 測(cè)井曲線圖（圖3），使用γ自動(dòng)解釋軟件對(duì)礦化段進(jìn)行解釋，可獲得準(zhǔn)確可靠的解釋成果（表6）。該孔100 m 以上為無(wú)礦層段，選取100 m 至299.6 m 展示結(jié)果。

表6 ZK23-2 鉆孔γ 測(cè)井解釋成果表Table 6 γ logging interpretation results of ZK23-2 borehole

圖3 ZK23-2 鉆孔γ 測(cè)井曲線圖Fig. 3 γ log diagram of ZK23-2 borehole

5 測(cè)井解釋法和取樣測(cè)試法結(jié)果對(duì)比

對(duì)研究區(qū)5個(gè)礦段γ測(cè)井解釋鈾品位（鈾含量）與巖（礦）心取樣分析鈾品位（鈾含量）和米百分?jǐn)?shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析（表7），γ 測(cè)井解釋經(jīng)過(guò)單礦體釷、濕度、厚度修正。從結(jié)果可知：參與統(tǒng)計(jì)礦層的總厚度為32.47 m，測(cè)井解釋鈾米百分?jǐn)?shù)和礦石取樣測(cè)試鈾米百分?jǐn)?shù)結(jié)果對(duì)比的系統(tǒng)誤差為0.9～1.1。說(shuō)明測(cè)井方法和解釋結(jié)果是正確的［8］。5個(gè)礦段的鈾米百分?jǐn)?shù)（m·%）相對(duì)誤差小于±10%，整體相對(duì)誤差為3.92%。說(shuō)明選取測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)解釋的修正參數(shù)是合適的，鉆孔結(jié)構(gòu)采用的孔徑、套管厚度和泥漿密度修正系數(shù)是合適的，除對(duì)釷影響修正外，其他參數(shù)不需要修正［15］。

表7 歡樂(lè)谷地區(qū)伽馬測(cè)井與巖心取樣分析鈾含量結(jié)果對(duì)比誤差統(tǒng)計(jì)表Table 7 Comparison error of uranium content analysis results of gamma logging and core sampling in Happy Valley area

6 結(jié) 論

1）巖粉鉆探施工的鉆孔，γ 測(cè)井前應(yīng)采用清水充分洗井后，可以得到準(zhǔn)確的原始測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，鉆孔施工應(yīng)盡量避免選擇此工藝施工。

2）對(duì)巖粉、巖粉巖心鉆探工藝施工的鉆孔，γ 測(cè)井計(jì)算鈾含量時(shí)應(yīng)首先計(jì)算水、鐵吸收系數(shù)，進(jìn)而獲得綜合修正系數(shù)準(zhǔn)確計(jì)算鈾含量，為該區(qū)提供了可靠的鈾礦層伽馬測(cè)井解釋依據(jù)和方法。