大庆长垣南端含铀岩系地层测井响应特征及应用

孙大鹏 ，汤超 ，魏佳林 ，曾辉 ，陈军 ，肖德富

（1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津300170；2.中国地质调查局呼和浩特自然资源综合调查中心，呼和浩特010020；3.中国地质调查局天津地质调查中心非化石能源矿产实验室，天津300170；4.中陕核工业集团公司二二四大队有限公司，西安710100）

松辽盆地是我国最主要的含油气盆地，是产生在大型坳陷带内的一个坳陷区[1]。在油气勘探过程中自然伽马测井中发现大量放射性异常，主要分布在大庆长垣的周边[2]。近年来，中国地质调查局天津地质调查中心在大庆长垣南部利用油田钻孔资料进行钻探验证，发现了一批铀矿化富集区，主要在四方台组底部砂岩层[3]。通过野外地质编录、化学分析、地球物理测井等手段，对研究区内主要目的层的沉积相系、岩石学特征和矿物特征进行了大量的研究[4-6]。其中地球物理测井主要用于铀矿含矿层解释、地层岩性划分和沉积环境解释。

大庆长垣南端有大量的油田钻孔测井资料，为该区域铀矿地质调查提供了有效的指导。但钻孔测井工作针对油气储层，嫩江组及以上地层测井资料分析相对较少。本次通过在该地区的一百二十余口砂岩铀矿钻孔测井资料，对电阻率、密度、声波时差等参数进行了统计，分析了嫩江组五段、四方台组、明水组和泰康组不同岩性地球物理参数特征，可以为该区域进一步的地质工作提供参考。

1 地质背景

图1 大庆长垣构造位置图（据文献[2]修改）Fig.1 Structural location of the Daqing placanticline

松辽盆地是中新生代陆相含油气盆地,盆地呈北东向展布，盆地北部经过构造演化形成了断陷构造层、拗陷构造层和反转构造层三大构造层（图1）。大庆长垣位于松辽盆地中央坳陷区，是大庆油田的主要产油区，西侧为齐家-古龙凹陷，东侧为三肇凹陷。中新生代沉积盖层自下而上依次为白垩系下统沙河子组、营城子组、登娄库组、泉头组，白垩系上统青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组和明水组，第三系的依安组、大安组、泰康组及第四系。在大庆长垣顶部嫩江组、四方台组及明水组已被剥蚀，而环绕长垣南端嫩江组（K2n）、四方台组（K2s）、明水组（K2m）以及新生界泰康组（N2t）则发育相对较为完整[7-11]。在以往众多油气探井测井中发现有高值自然伽马异常，且异常呈环状分布于大庆长垣周边，矿化层位集中于青山口组、嫩江组、四方台组和明水组。

2 测井岩性响应特征

2.1 岩性识别

在调查区内取得的岩层地球物理参数包括电阻率、自然伽马、声波时差、密度、自然电位，不同地层岩性各测井曲线间均有一定差异。受岩石粒度、孔隙结构和地层埋深等因素综合影响，利用单一曲线划分岩性有一定局限性。尤其在地层较浅的情况下，岩石胶结程度对电阻率、密度和声波时差影响很明显。综合考虑该地区沉积环境和岩石物性特征，利用交会图法识别岩性（图2）。

图2 岩性识别交会图Fig.2 Crossplot of log data from different lithology

以四方台组为例，粒度越粗电阻率越大，同时泥质含量降低导致自然伽马降低。交会图虽然可以很直观的反映各岩性的整体特征，但是岩石物性分界存在不同程度的交叉。粉砂岩因泥质含量较高，整体物性偏向泥岩；中-粗砂岩的孔隙发育和填充物大致类似，其整体物性也较相近。

精细划分各类岩性除了利用各项物性曲线外，还可以参考井径曲线。如渗透性较好的砂岩层和砾岩层，由于钻井过程中泥浆的渗入，井壁上会形成泥饼，导致其井径值不会过大[12]；而钻进过程中，泥岩层因会受到井液的浸泡和冲刷导致坍塌，井径会有不同程度的扩大。

通过测井岩性解释结果与地质岩性编录结果对比，砂岩的井径曲线较为平整，不会出现明显的扩径（图3）。在φ113 mm钻头施工钻孔中，砂岩井径一般小于140 mm；自然伽马曲线表现为平缓的低值，一般小于120 API；同一钻孔中砂泥岩自然电位曲线形态差异明显，但不同钻孔受钻井液和地层水等条件影响自然电位变化范围不同；大段砂岩中一般不会出现声波时差曲线的大幅度“跳跃”，密度测井曲线整体与声波时差负相关。在泥岩地层中，钻孔有明显的扩径现象，井径可达160 mm；对应声波曲线也会出现大幅度的跳动，自然伽马为高值，电阻率为明显低值。粉砂岩各项性质均介于泥岩和细砂岩之间且偏向泥岩。在高伽马地层中，密度曲线受地层本身的放射性影响，实测密度值偏低。另外，不同深度的地层划分岩性时要考虑压实作用的影响。

图3 测井曲线岩性识别Fig.3 Lithology identification by logging curves

2.2 物性参数特征

工作区内钻孔测井项目包括自然电位、三侧向电阻率、密度、声波时差、自然伽马、井径以及定量伽马等参数。其中，自然电位、自然伽马对地层岩性和沉积环境有较好反映[13-16]，但在含矿层中自然伽马受放射性矿物影响异常较大；自然电位垂向分辨率受井液和施工环境影响，不同钻孔间岩性识别中难以进行定量评价。三侧向电阻率、密度和声波时差能够有效区分粒度及孔隙度变化。综合各项参数，对地层岩性进行划分，同时，利用定量伽马测井确定含矿层深度、品位等矿化信息。根据综合测井曲线，结合钻孔地质编录岩性划分结果，对研究区内钻孔贯穿的泰康组、明水组、四方台组和嫩江组五段地层及岩性进行测井物性参数统计（表1）。测井参数均值取值采用厚度加权平均法，对累计厚度较小的岩性不计入统计。在进行自然伽马、定量伽马参数统计中剔除了含矿段，即伽马值均为正常背景值。

2.3 不同岩性参数对比

研究区内主要岩性为砾岩、砂岩、泥岩，对砂岩划分为粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩四个等级。砾岩层厚度仅占研究层位的1%左右，且主要分布在泰康组中。由于浅部地层胶结程度低，孔隙度大，具有高电阻率（均值38.34 Ω·m）、高声波时差（均值620.36 μs/m）、低自然伽马（均值80.99 API）、低密度（均值1.97 g/cm3）特征。部分砾岩层因夹杂泥质填充物，会出现较低的电阻率和较高的自然伽马值（图4）。

表1 大庆长垣南端嫩江组-泰康组地层参数统计Table 1 Statistical parameters from Nenjiang Formation to Taikang Formation in Daqing placanticline

图4 岩石物性参数统计直方图Fig.4 Statistical histogram of rock physical parameters

粗砂岩主要发育在明水组和四方台组中，随地层深度增加电阻率减小、声波时差减小。其中四方台组下段粗砂岩是研究区内的主要含矿层，段内发育曲流河河道粗碎屑沉积中出现高值伽马异常，但除矿化异常层外，放射背景值并无明显升高。细砂岩层厚度约占整套地层的20%左右，主要分布在四方台组中，表现为高密度、低声波时差的特征，即密度均值2.18 g/cm3，声波时差约429 μs/m，电阻率介于5～29.2 Ω·m之间。泥岩在研究区内各层位内均有分布，约占整套地层的44%以上，其中嫩五段中的大段泥岩在全区普遍发育。不同地层间泥岩物性差异较小，整体表现为低电阻率、高伽马值的特征，电阻率值最低可至3.6 Ω·m。粉砂岩各项参数与泥岩相近，与该区粉砂岩泥质含量较高有关。

通过不同地层物性对比认为，中-粗粒径岩性受地层压实作用更加明显，表现为上部地层砾岩、粗砂岩、中砂岩密度均值远小于下部地层，声波时差则相对高出很多。同时，中-粗颗粒地层的声波时差和电阻率变化范围明显比细颗粒地层大。以四方台组为例，中、粗砂岩和砾岩声波时差范围在274～705 μs/m之间，而细、粉砂岩和泥岩时差范围是349～620 μs/m；对应电阻率分布范围为粗颗粒4～49.5 Ω·m，细颗粒3.6～29.2 Ω·m。分析认为，研究区地层分选性较好，地层颗粒越粗，孔隙度越大，地层受压实作用和填充物的影响越大。地层孔隙填充泥质会导致粗颗粒岩性也呈现低电阻率，但总体均值随颗粒变小而降低；而声波时差值大小受岩性、孔隙度、孔隙填充物、埋深等多种因素影响，不同粒径岩石声波时差均值分布规律并不明显。

2.4 声波-密度换算

不同岩性声波速度与密度之间表现出良好的相关性。Gardner[17]在1974年给出的速度与密度经验公式是ρ=0.31VP0.25，该公式综合考虑了实验室观测值和野外资料统计值，而不同地区经验公式不尽相同。根据朱广生[18]在大庆地区进行的密度与声波速度的关系分析中，主要针对深度范围在1 000～2 500 m内的砂岩和泥岩，速度变化范围主要在2 000～6 000 m/s之间，拟合得到该地区密度-纵波速度关系经验公式为ρ=0.414VP0.214（图5）。本次声波时差测量采用双收时差探管，取得地层纵波速度信息。在研究区内的124口钻孔，求取各组地层各岩性的平均速度和平均密度作为该钻孔对应的统计值，累计统计数据1 882个，主要针对地层深度在100 m～500 m之间，涵盖地层包括泰康组、明水组、四方台组、嫩江组五段。拟合方程ρ=0.227VP0.292。

图5 密度-纵波速度拟合图Fig.5 Density and velocity intersection diagram

3 测井沉积相特征

研究区内地层由深至浅分别为嫩江组、四方台组、明水组、泰康组，其中嫩江组钻孔揭露至嫩江组五段。利用自然伽马和电阻率曲线，结合岩性特征对研究区内各地层沉积相进行识别分析（图6、表2）。

嫩江组顶部电阻率曲线较平滑，自然伽马曲线呈中-低幅微齿状箱形，与其顶部砂岩突变式接触。岩性主要为浅灰色、深灰色、绿灰色泥岩夹红棕色粉砂质泥岩，为湖相沉积特征。明水组上部电阻率曲线低平曲线带锯齿状尖峰，自然伽马为较大的锯齿形，岩性为红色泥岩、粉砂质泥岩夹浅灰色细砂岩薄层，为滨浅湖相沉积；下部电阻率曲线呈齿化箱形、指形，判断其为河道三角洲，岩性为灰色细砂岩夹灰色砂砾岩薄层。泰康组测井曲线为高幅齿形，岩性以灰色、深灰色砂砾岩和中、粗砂岩为主，判断为泛平原冲积相，与其底部明水组呈突变式接触。

四方台组下段是区内铀矿勘查的重点层位，含矿层主要岩性为浅灰色细砂岩、中砂岩及中粗砂岩，自然电位曲线呈高幅箱形，时差曲线低幅跳跃，且有低密度、高电阻的特征。对应电阻率曲线呈多段微齿钟型，自然伽马曲线呈钟-箱形，下部为浅灰色细砂岩、中砂岩及红棕色中粗砂岩，为多期河道、堤岸组合；上部岩性为红棕色粉砂质泥岩、泥岩和灰色粉砂质泥岩，主要为细粒沉积，是含矿段的上部隔水层。四方台组上段为低幅齿形、箱形-漏斗形组合，岩性为浅灰色细砂岩及粉砂岩与红棕色粉砂岩、泥质粉砂岩，判断上部为分流河道，下部以河漫滩、河口坝为主。总体而言，含铀富集区受曲流河河道控制，包括河道滞留沉积、边滩、河漫滩等沉积微相[4]。

图6 测井沉积相识别Fig.6 Identification of logging sedimentary facies

表2 不同地层参数均值统计表Table 2 Statistics of parameter averages in different formations

通过对部分矿段和非矿段岩心取样进行孔隙度、渗透率测定，认为含矿层孔隙度发育，透水性较好（表3）。通过测试结果标定，利用声波时差和自然伽马曲线拟合孔隙度和求取泥质含量，对不同地层孔隙度和泥质含量分布分析认为，含矿层往往赋存在砂泥岩边界，上、下层多为泥岩或泥质砂岩隔水层，呈“泥-砂-泥”结构特征（图7）。

4 含矿层放射性参数对比

放射性测量参数分为自然伽马和定量伽马，其中定量伽马主要用于含矿层品位、厚度的计算。调查区内定量伽马测量使用FD-3019探管，该探管经过核工业放射性勘查计量站标定，能够保证数据的准确性和一致性[19]。含矿层储量信息的计算首先通过铀镭系数、换算系数、灵敏系数、井径校正、冲洗液吸收系数等参数校正，利用分层解释中的五点反褶积计算方法得到单元层的品位信息，结合含矿层深度、厚度和密度参数确定含矿层平米铀量（图8）[20，21]。

调查区主要含矿层位于四方台组底部，含矿层主要岩性为浅灰色细砂岩、中砂岩及中粗砂岩，自然电位曲线呈高幅箱形，时差曲线低幅跳跃，且有低密度、高电阻的特征。

表3 样品测试结果Table 3 Results of samples measurement testing

图7 含矿层测井曲线特征Fig.7 Logging curve characteristics of ore-bearing strata

调查区各地层放射性背景值差异较小，平均分布范围约在1.58～2.95 nC/kg·h 之间。受泥质含量影响泥岩中放射水平整体高于其他岩性地层。其中，四方台组粗砂岩、中砂岩中放射性异常变化范围较大，作为调查区内发育的主要铀含矿层，放射性背景值最大可达到13.03 nC/kg·h。对比调查区内同一钻孔自然伽马与定量伽马曲线，其曲线形态相似度极高，自然伽马曲线与品位曲线也基本吻合（图9）。通过提取同一钻孔内相同深度测点上自然伽马、照射量率值可以看出二者有极高的线性相关性（图10）。

图8 含矿层品位与自然伽马值对比Fig.8 Comparison of ore bearing bed grade and natural gamma value

图9 自然伽马与定量伽马曲线对比Fig.9 Comparison of natural gamma and quantitative gamma curves

调查区内泥岩自然伽马背景值约为109～170 API，砂岩背景值约82～122 API，在含矿层边界自然伽马值达到背景值的5.4倍时，含矿层品位达到万分之0.5；达到背景值约9.7 倍时，品位达到万分之一。因此，自然伽马曲线可以有效的评价含矿层，并作为筛选潜力钻孔的依据。但在利用老钻孔测井数据时，应注意确定自然伽马参数单位、标定情况等信息。不同地区或不同系列伽马探管可能导致自然伽马值与照射量率值之间定量关系不同。

图10 自然伽马与定量伽马定量关系Fig.10 Quantitative relationship between natural gamma and quantitative gamma

5 结论

（1）利用自然伽马、电阻率交会图法可以有效识别调查区内地层岩性，尤其电阻率曲线对砂泥岩识别度高。泥岩地层易受井液浸泡发生垮落导致井径变大，声波时差曲线大幅度“跳跃”。通过测井数据总结归纳调查区地层岩性物性参数发育特征。

（2）通过测井曲线对调查区含铀岩系地层沉积相特征进行简单识别，主要利用了电阻率和自然伽马。泰康组整体为泛平原冲积；明水组上部为静水泥质沉积，下部为湖底扇；四方台组由上至下大致为分流河道、河漫滩、河口坝、河道、堤岸沉积；嫩江组顶部为湖相沉积。调查区内主要含矿段发育在四方台组内河道、堤岸沉积砂泥互层层位中。

（3）自然伽马曲线与经标定的定量伽马曲线相似度较高，测点数据高度吻合，可以利用自然伽马曲线对含矿层品位进行大致评价。在利用老资料钻孔测井数据时，应注意确定自然伽马参数单位、标定情况等信息。不同地区或不同系列伽马探管可能导致自然伽马值与照射量率值之间定量关系不同。