大慶長垣南端含鈾巖系地層測井響應特征及應用

孫大鵬 ，湯超 ，魏佳林 ，曾輝 ，陳軍 ，肖德富

（1.中國地質調查局天津地質調查中心，天津300170；2.中國地質調查局呼和浩特自然資源綜合調查中心，呼和浩特010020；3.中國地質調查局天津地質調查中心非化石能源礦產實驗室，天津300170；4.中陜核工業集團公司二二四大隊有限公司，西安710100）

松遼盆地是我國最主要的含油氣盆地，是產生在大型坳陷帶內的一個坳陷區[1]。在油氣勘探過程中自然伽馬測井中發現大量放射性異常，主要分布在大慶長垣的周邊[2]。近年來，中國地質調查局天津地質調查中心在大慶長垣南部利用油田鉆孔資料進行鉆探驗證，發現了一批鈾礦化富集區，主要在四方臺組底部砂巖層[3]。通過野外地質編錄、化學分析、地球物理測井等手段，對研究區內主要目的層的沉積相系、巖石學特征和礦物特征進行了大量的研究[4-6]。其中地球物理測井主要用于鈾礦含礦層解釋、地層巖性劃分和沉積環境解釋。

大慶長垣南端有大量的油田鉆孔測井資料，為該區域鈾礦地質調查提供了有效的指導。但鉆孔測井工作針對油氣儲層，嫩江組及以上地層測井資料分析相對較少。本次通過在該地區的一百二十余口砂巖鈾礦鉆孔測井資料，對電阻率、密度、聲波時差等參數進行了統計，分析了嫩江組五段、四方臺組、明水組和泰康組不同巖性地球物理參數特征，可以為該區域進一步的地質工作提供參考。

1 地質背景

圖1 大慶長垣構造位置圖（據文獻[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，盆地北部經過構造演化形成了斷陷構造層、拗陷構造層和反轉構造層三大構造層（圖1）。大慶長垣位于松遼盆地中央坳陷區，是大慶油田的主要產油區，西側為齊家-古龍凹陷，東側為三肇凹陷。中新生代沉積蓋層自下而上依次為白堊系下統沙河子組、營城子組、登婁庫組、泉頭組，白堊系上統青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺組和明水組，第三系的依安組、大安組、泰康組及第四系。在大慶長垣頂部嫩江組、四方臺組及明水組已被剝蝕，而環繞長垣南端嫩江組（K2n）、四方臺組（K2s）、明水組（K2m）以及新生界泰康組（N2t）則發育相對較為完整[7-11]。在以往眾多油氣探井測井中發現有高值自然伽馬異常，且異常呈環狀分布于大慶長垣周邊，礦化層位集中于青山口組、嫩江組、四方臺組和明水組。

2 測井巖性響應特征

2.1 巖性識別

在調查區內取得的巖層地球物理參數包括電阻率、自然伽馬、聲波時差、密度、自然電位，不同地層巖性各測井曲線間均有一定差異。受巖石粒度、孔隙結構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，巖石膠結程度對電阻率、密度和聲波時差影響很明顯。綜合考慮該地區沉積環境和巖石物性特征，利用交會圖法識別巖性（圖2）。

圖2 巖性識別交會圖Fig.2 Crossplot of log data from different lithology

以四方臺組為例，粒度越粗電阻率越大，同時泥質含量降低導致自然伽馬降低。交會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。粉砂巖因泥質含量較高，整體物性偏向泥巖；中-粗砂巖的孔隙發育和填充物大致類似，其整體物性也較相近。

精細劃分各類巖性除了利用各項物性曲線外，還可以參考井徑曲線。如滲透性較好的砂巖層和礫巖層，由于鉆井過程中泥漿的滲入，井壁上會形成泥餅，導致其井徑值不會過大[12]；而鉆進過程中，泥巖層因會受到井液的浸泡和沖刷導致坍塌，井徑會有不同程度的擴大。

通過測井巖性解釋結果與地質巖性編錄結果對比，砂巖的井徑曲線較為平整，不會出現明顯的擴徑（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出現聲波時差曲線的大幅度“跳躍”，密度測井曲線整體與聲波時差負相關。在泥巖地層中，鉆孔有明顯的擴徑現象，井徑可達160 mm；對應聲波曲線也會出現大幅度的跳動，自然伽馬為高值，電阻率為明顯低值。粉砂巖各項性質均介于泥巖和細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，實測密度值偏低。另外，不同深度的地層劃分巖性時要考慮壓實作用的影響。

圖3 測井曲線巖性識別Fig.3 Lithology identification by logging curves

2.2 物性參數特征

工作區內鉆孔測井項目包括自然電位、三側向電阻率、密度、聲波時差、自然伽馬、井徑以及定量伽馬等參數。其中，自然電位、自然伽馬對地層巖性和沉積環境有較好反映[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境影響，不同鉆孔間巖性識別中難以進行定量評價。三側向電阻率、密度和聲波時差能夠有效區分粒度及孔隙度變化。綜合各項參數，對地層巖性進行劃分，同時，利用定量伽馬測井確定含礦層深度、品位等礦化信息。根據綜合測井曲線，結合鉆孔地質編錄巖性劃分結果，對研究區內鉆孔貫穿的泰康組、明水組、四方臺組和嫩江組五段地層及巖性進行測井物性參數統計（表1）。測井參數均值取值采用厚度加權平均法，對累計厚度較小的巖性不計入統計。在進行自然伽馬、定量伽馬參數統計中剔除了含礦段，即伽馬值均為正常背景值。

2.3 不同巖性參數對比

研究區內主要巖性為礫巖、砂巖、泥巖，對砂巖劃分為粗砂巖、中砂巖、細砂巖、粉砂巖四個等級。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。由于淺部地層膠結程度低，孔隙度大，具有高電阻率（均值38.34 Ω·m）、高聲波時差（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填充物，會出現較低的電阻率和較高的自然伽馬值（圖4）。

表1 大慶長垣南端嫩江組-泰康組地層參數統計Table 1 Statistical parameters from Nenjiang Formation to Taikang Formation in Daqing placanticline

圖4 巖石物性參數統計直方圖Fig.4 Statistical histogram of rock physical parameters

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

通過不同地層物性對比認為，中-粗粒徑巖性受地層壓實作用更加明顯，表現為上部地層礫巖、粗砂巖、中砂巖密度均值遠小于下部地層，聲波時差則相對高出很多。同時，中-粗顆粒地層的聲波時差和電阻率變化范圍明顯比細顆粒地層大。以四方臺組為例，中、粗砂巖和礫巖聲波時差范圍在274～705 μs/m之間，而細、粉砂巖和泥巖時差范圍是349～620 μs/m；對應電阻率分布范圍為粗顆粒4～49.5 Ω·m，細顆粒3.6～29.2 Ω·m。分析認為，研究區地層分選性較好，地層顆粒越粗，孔隙度越大，地層受壓實作用和填充物的影響越大。地層孔隙填充泥質會導致粗顆粒巖性也呈現低電阻率，但總體均值隨顆粒變小而降低；而聲波時差值大小受巖性、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差均值分布規律并不明顯。

2.4 聲波-密度換算

不同巖性聲波速度與密度之間表現出良好的相關性。Gardner[17]在1974年給出的速度與密度經驗公式是ρ=0.31VP0.25，該公式綜合考慮了實驗室觀測值和野外資料統計值，而不同地區經驗公式不盡相同。根據朱廣生[18]在大慶地區進行的密度與聲波速度的關系分析中，主要針對深度范圍在1 000～2 500 m內的砂巖和泥巖，速度變化范圍主要在2 000～6 000 m/s之間，擬合得到該地區密度-縱波速度關系經驗公式為ρ=0.414VP0.214（圖5）。本次聲波時差測量采用雙收時差探管，取得地層縱波速度信息。在研究區內的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應的統計值，累計統計數據1 882個，主要針對地層深度在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 測井沉積相特征

研究區內地層由深至淺分別為嫩江組、四方臺組、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，結合巖性特征對研究區內各地層沉積相進行識別分析（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、粉砂質泥巖夾淺灰色細砂巖薄層，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，巖性為灰色細砂巖夾灰色砂礫巖薄層。泰康組測井曲線為高幅齒形，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。

四方臺組下段是區內鈾礦勘查的重點層位，含礦層主要巖性為淺灰色細砂巖、中砂巖及中粗砂巖，自然電位曲線呈高幅箱形，時差曲線低幅跳躍，且有低密度、高電阻的特征。對應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泥巖、泥巖和灰色粉砂質泥巖，主要為細粒沉積，是含礦段的上部隔水層。四方臺組上段為低幅齒形、箱形-漏斗形組合，巖性為淺灰色細砂巖及粉砂巖與紅棕色粉砂巖、泥質粉砂巖，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 測井沉積相識別Fig.6 Identification of logging sedimentary facies

表2 不同地層參數均值統計表Table 2 Statistics of parameter averages in different formations

通過對部分礦段和非礦段巖心取樣進行孔隙度、滲透率測定，認為含礦層孔隙度發育，透水性較好（表3）。通過測試結果標定，利用聲波時差和自然伽馬曲線擬合孔隙度和求取泥質含量，對不同地層孔隙度和泥質含量分布分析認為，含礦層往往賦存在砂泥巖邊界，上、下層多為泥巖或泥質砂巖隔水層，呈“泥-砂-泥”結構特征（圖7）。

4 含礦層放射性參數對比

放射性測量參數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、厚度的計算。調查區內定量伽馬測量使用FD-3019探管，該探管經過核工業放射性勘查計量站標定，能夠保證數據的準確性和一致性[19]。含礦層儲量信息的計算首先通過鈾鐳系數、換算系數、靈敏系數、井徑校正、沖洗液吸收系數等參數校正，利用分層解釋中的五點反褶積計算方法得到單元層的品位信息，結合含礦層深度、厚度和密度參數確定含礦層平米鈾量（圖8）[20，21]。

調查區主要含礦層位于四方臺組底部，含礦層主要巖性為淺灰色細砂巖、中砂巖及中粗砂巖，自然電位曲線呈高幅箱形，時差曲線低幅跳躍，且有低密度、高電阻的特征。

表3 樣品測試結果Table 3 Results of samples measurement testing

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

調查區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，四方臺組粗砂巖、中砂巖中放射性異常變化范圍較大，作為調查區內發育的主要鈾含礦層，放射性背景值最大可達到13.03 nC/kg·h。對比調查區內同一鉆孔自然伽馬與定量伽馬曲線，其曲線形態相似度極高，自然伽馬曲線與品位曲線也基本吻合（圖9）。通過提取同一鉆孔內相同深度測點上自然伽馬、照射量率值可以看出二者有極高的線性相關性（圖10）。

圖8 含礦層品位與自然伽馬值對比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比Fig.9 Comparison of natural gamma and quantitative gamma curves

調查區內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到背景值的5.4倍時，含礦層品位達到萬分之0.5；達到背景值約9.7 倍時，品位達到萬分之一。因此，自然伽馬曲線可以有效的評價含礦層，并作為篩選潛力鉆孔的依據。但在利用老鉆孔測井數據時，應注意確定自然伽馬參數單位、標定情況等信息。不同地區或不同系列伽馬探管可能導致自然伽馬值與照射量率值之間定量關系不同。

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

5 結論

（1）利用自然伽馬、電阻率交會圖法可以有效識別調查區內地層巖性，尤其電阻率曲線對砂泥巖識別度高。泥巖地層易受井液浸泡發生垮落導致井徑變大，聲波時差曲線大幅度“跳躍”。通過測井數據總結歸納調查區地層巖性物性參數發育特征。

（2）通過測井曲線對調查區含鈾巖系地層沉積相特征進行簡單識別，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沉積，下部為湖底扇；四方臺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。調查區內主要含礦段發育在四方臺組內河道、堤岸沉積砂泥互層層位中。

（3）自然伽馬曲線與經標定的定量伽馬曲線相似度較高，測點數據高度吻合，可以利用自然伽馬曲線對含礦層品位進行大致評價。在利用老資料鉆孔測井數據時，應注意確定自然伽馬參數單位、標定情況等信息。不同地區或不同系列伽馬探管可能導致自然伽馬值與照射量率值之間定量關系不同。