四川盆地普光地区三叠系杂卤石测井评价与发育规律

王建波，冯明刚，王 昆，周依南

(中国石化勘探分公司，成都 610041)

四川盆地一直是中国重点钾盐找矿地区之一[1]，其中，三叠纪是上扬子地区由海洋过渡为陆地关键时期[2]，沉积了嘉陵江组和雷口坡组碳酸盐岩-蒸发岩[3-5]，在空间上分布有20个大小不等的盐盆体[6]，钾盐矿体资源丰富，具有埋藏深、单层厚度变化大[7]、含钾盐层与非含钾盐层互层交替频繁的特点[8-10]。因此，针对四川盆地钾盐矿开展研究工作具有重要的现实意义。郑绵平等[11]认为，四川盆地三叠系钾盐矿远景资源在90亿t以上，主要分布在川中和川东北地区。据测算，普光地区钾盐资源量为21.99亿t，约占到整个四川盆地的四分之一，钾盐矿资源丰富。陈科贵等[12]针对杂卤石开展了重要的研究工作，对川西和川中地区传统型杂卤石的识别方法和发育情况进行了评价，但川东北地区杂卤石的类型和分布规律与川西、川中地区存在较大差异。随着“盐晶颗粒杂卤石岩矿”的发现[13]，川东北普光地区三叠系新型杂卤石盐矿成为中国海相钾盐勘查的主攻方向。

21世纪初，中国石化在川东北地区开展了油气勘探和地质研究工作，围绕“以三叠系飞仙关组、二叠系长兴组礁滩孔隙型白云岩储层为主的构造-岩性复合型圈闭”进行勘探实践，发现了普光大气田。现充分吸收前期油气勘探的成果认识，在普光气田大量钻录井、测井资料的基础上，基于“油钾兼探”的思路，开展杂卤石测井评价方法和分布规律研究等工作。

图1 四川盆地盐盆与含钾有利区分布图Fig.1 Salt structures and favorable potassium areas in Sichuan Basin

1 岩性识别研究

1.1 岩性敏感信息分析

四川盆地三叠系广安、长寿双龙、黄金口和平罗坝等多个构造为含钾有利区(图1)，主要分布在川东和川北地区。

川东北地区嘉陵江组沉积时期沉积环境变化快，岩性复杂，主要发育传统型杂卤石、盐晶颗粒杂卤石、硬石膏、石盐岩、绿豆岩及泥岩等岩性，富钾矿物包括杂卤石和绿豆岩，绿豆岩层普遍较薄，厚度为1～5 m[14-15]。分析6类岩性的响应特征，建立测井识别模式(表1和图2)。

表1 嘉陵江组地层主要岩性测井分类识别模式Table 1 Classification and identification model of the main lithologic logging of Jialingjiang Formation

传统型杂卤石为难溶钾盐，在硬石膏岩中以条带状、纹层状及块状产出，测井曲线具有“三高两低”特征，表现为高自然伽马、高钾、高电阻率、低钍、低铀。盐晶颗粒杂卤石与传统型杂卤石存在明显差异，以斑点状、团块状、集合体等大小不等的内碎屑颗粒散布于石盐基质中，测井曲线上具有“三高三低一扩”特征，具体表现为高自然伽马、高钾、高电阻率、低钍、低铀、低密度，由于石盐岩为易溶盐类，常出现扩径，“低密度、扩径”是盐晶颗粒杂卤石最典型的识别标志。

图2 嘉陵江组主要岩性测井响应雷达图Fig.2 Spider diagram of the main lithologic logging response of Jialingjiang Formation

1.2 杂卤石测井识别

四川盆地杂卤石常与硬石膏、石盐岩共生，形态主要有层状、团块状、星点浸染状、板块状等。在测井曲线上表现为高自然伽马(通常高于50 API，纯杂卤石层自然伽马值高达150 API)、高电阻率、高钾、低钍、低铀等特征，此外，由于盐晶颗粒杂卤石与石盐岩等易溶矿物伴生，时有扩径发生，密度值较低。利用曲线叠合和交会图法、钾钍比值法等方法对研究区嘉陵江组地层岩性进行定性识别。

1.2.1 曲线重叠和交会图法

图3 交会图法岩性识别效果图Fig.3 Crossplot of lithology identification effect

利用测井组合法识别杂卤石能起到一定区分效果，以泥岩段为基准岩性将自然伽马与声波、密度曲线进行重叠，对高伽马层段幅度差异进行判定，差异越大，杂卤石越纯。在此基础上，优选岩性敏感曲线，在选取基准岩性基础上进行定性识别。选取硬石膏为基准岩性，针对K与电阻率交会图，当K>4.0%、电阻率>10 000 Ω·m时多为杂卤石层；硬石膏和石盐岩钾值整体低于1.0%[图3(a)]。针对K与Th交会图，当K>4.0%、Th<1.0×10-6时多为杂卤石层；硬石膏和石盐岩K值整体低于1.0%、Th值低于4.0×10-6[图3(b)]。由于地层岩性复杂，交会图版法常存在较多重叠区，通常利用交会法定性判别岩性。

1.2.2 钾钍比值法(K/Th)

地层中钍元素主要受泥质含量和粒度变化的影响，当地层岩石颗粒粒度变细时，钍值增大；泥质含量增加时，钍值增大。在碳酸盐岩地层中，钍曲线为低值时，可识别为低含黏土地层，排除泥质对识别杂卤石的影响；钾元素主要受地层中富钾矿物影响，钾曲线对杂卤石响应敏感，当地层中含杂卤石时，钾值明显增大。因此，可以综合钾与钍曲线，扩大对杂卤石的敏感性，将K/Th作为识别杂卤石的敏感曲线。利用本地区系统取心井Z6井为标准对分类评价标准进行刻度(表2)，以K/Th=1.0为岩性识别线，K/Th>1.0时，地层中杂卤石含量多在10%以上，为杂卤石层；K/Th<1.0时，地层中杂卤石含量较少，多低于10%，为非杂卤石层。利用K/Th对杂卤石品质进行半定量评价，并结合Z6井岩心描述情况开展分类评价。当杂卤石含量为10%～50%时，K/Th=1.0～2.0，定义为三类杂卤石层；当杂卤石含量为50%～80%时，K/Th分布在2.0～4.0，定义为二类杂卤石层；当杂卤石含量大于80%时，K/Th>4.0，定义为一类杂卤石层(表3)。利用上述评价标准对D02井3 390.0～3 500.0 m井段进行评价(图4)。

表2 Z6井杂卤石岩心描述厚度及含量Table 2 Core describes thickness and content of polyhalite in well Z6

表3 杂卤石层测井分类评价标准Table 3 Classification and evaluation criterion for well logging of polyhalite

图4 D02井钾钍比值法杂卤石识别效果图Fig.4 Recogniting effect diagram of polyhalite by potassium-thorium ratio method in well D02

1.2.3 应用分析

分析几种方法的应用效果，曲线重叠法和交会图法识别杂卤石较直观、快速，但影响因素较多，与其他岩性常存在重叠，可对杂卤石层进行定性判别。钾钍比值法识别杂卤石效果较好，根据其比值对杂卤石进行分类评价。结合川东北地区嘉陵江组地层特征，采用钾钍比值法对普光地区嘉陵江组杂卤石层进行识别(表4)。综合分析杂卤石识别情况，不同井之间杂卤石厚度差异较大，累计厚度为1～85.0 m，主体为0～20 m，单层厚度为0～40 m，多小于6 m，呈薄层产出(图5)。

杂卤石厚度在平面上具有变化较大、井间差异明显、呈局部富集的特点，存在明显分区分带现象，主体走向为北东-南西向，同时，研究区二叠、三叠系几个基本构造单元均以北东向为主[16]，两者之间相互吻合，说明杂卤石的发育与区域构造之间存在一定耦合关系。

图5 研究区杂卤石累计厚度和单层厚度分布Fig.5 Distribution of polyhalites’ accumulative thickness and thickness of single layer

表4 普光地区嘉陵江组地层杂卤石累计厚度统计表Table 4 Statistical table of polyhalites’ thickness of Jialingjiang Formation in Puguang Area

2 测井解释模型建立与参数研究

在利用常规测井资料定性识别和分类评价杂卤石的基础上，根据其沉积规律和区域地质特征，建立泥质、富钾矿物等矿物含量的计算模型，形成测井定量评价方法。

2.1 泥质含量计算

地层自然放射性主要来源于地层中的U、Th、K。对于蒸发岩地层，U主要来源于黏土、干酪根、地层水、碳酸盐岩等，地层中广泛存在，不能作为泥质的指示元素；Th主要来源于泥质，控制沉积岩中分布的主要因素，是泥质对Th的吸附性以及Th在稳定矿物中的存在；K主要来源于泥质和杂卤石，由于地层中K含量较少，可以认为K主要是富钾矿物的贡献[17]。

由于Th在地层中的存在相对稳定，与沉积环境和泥质含量具有较强相关性，因此可利用Th值的变化计算地层泥质含量[12]，即

(1)

(2)

式中：SHTh为钍的泥质含量指数；Thmax为纯泥岩层的钍值，10-6；Thmin为纯砂岩地层的钍值，10-6；VTh为泥质总量，%；GCUR为地层常数，一般老地层取2。

2.2 富钾矿物含量计算

地层中不含富钾矿物时，利用Th和K曲线计算的泥质含量基本相同，当二者出现差异时，尤其当K曲线计算的泥质含量高于Th曲线计算结果时，这种差异主要受富钾矿物影响。因此，在利用Th曲线计算泥质含量后，再利用K曲线计算地层视泥质含量(泥质含量与富钾矿物之和)[18]，在李召成等研究的基础上，引入GCUR经验常数优化计算模型，即

(3)

(4)

(5)

2.3 应用实例

利用上述模型对D02井矿物含量进行计算(图6)。建模研究中将富钾矿物作为测井计算的矿物成分之一，建立有针对性的定量计算模型，可有效解决矿物含量计算与实际情况误差较大的问题。利用钍曲线计算泥质含量，将富钾矿物含量作为主要的矿物成分之一计算的岩性剖面更符合实际情况，有效提高了嘉陵江组地层测井评价精度。

图6 D02井测井解释成果图Fig.6 Log interpretation map of well D02

3 结论

(1)川东北普光地区嘉陵江组岩性复杂，常出现不同岩性混杂，含钾盐层和非含钾盐层互层交替频繁，主要发育传统型杂卤石、盐晶颗粒杂卤石、硬石膏、石盐岩、绿豆岩及泥岩等岩性。其中，传统型杂卤石具有高自然伽马值、高钾、高电阻率、低钍、低铀等“三高两低”测井响应模式。盐晶颗粒杂卤石具有“三高三低一扩”特征，表现为高自然伽马值、高钾、高电阻率、低钍、低铀，密度值较低，伴随一定程度扩径。

(2)利用曲线重叠和交会图法、钾钍比值法等方法对杂卤石开展定性识别和分布规律研究，钾钍比值法识别效果较好，能有效区分薄层杂卤石，并可根据K/Th的大小对杂卤石品质进行分类评价。K/Th<1为非杂卤石层；K/Th=1.0～2.0，定义为三类杂卤石层，K/Th=2.0～4.0，定义为二类杂卤石层；K/Th>4.0，定义为一类杂卤石层。普光地区杂卤石累计厚度主体为1～40 m，单层厚度多小于4 m，分布具有平面变化大、井间差异明显、局部富集的特点，与区域构造之间存在一定耦合关系。

(3)利用杂卤石层K曲线与Th曲线指示泥质含量差异的特点，建立“伽马能谱差值分析法”计算富钾矿物，为杂卤石层矿物含量的准确计算提供了新思路。