基线拟合-差值法在砂岩型铀矿自然电位测井曲线校正中的应用——以二连盆地桑根达来地区为例

王伟，王贵，剡鹏兵，武正乾，李华明，史贵兵，李颖

（1.核工业二〇三研究所，陕西 西安 710086；2.核工业二〇八大队，内蒙古 包头 014010；3.东华理工大学地球科学学院，江西 南昌 330013）

自然电位测井是地球物理测井中最常见的方法之一，早在1931 年就投入实际应用。其原理简单、操作方便、使用成本低廉，主要应用于煤田、石油等能源行业［1-2］。自然电位-自然伽马测井曲线可用于识别岩性、对比地层、估计泥质含量和测井沉积相分析［1-7］。应用自然伽马测井曲线分析沉积环境的前提是泥岩的放射性高和砂岩的放射性低，由于含矿目的层砂体具有放射性，自然伽马曲线分析沉积环境时会受到限制，所以自然电位测井在砂岩型铀矿勘查中常用于分析沉积环境。砂岩型铀矿勘查中自然电位测井曲线幅值易受各种因素影响的问题普遍存在，受干扰的自然电位曲线会发生畸变，影响测井原始资料质量和对砂岩型铀矿的沉积环境研究。

自然电位测井是沿井测量地层或岩体在自然条件下产生的电场电势变化的一种地球物理测井方法［8］。测井现场有限的条件和复杂的钻井环境都会影响自然电位的测量，使其不能正常地测出井内的自然电场变化。前人对影响自然电位测井的因素和解决方法进行了探索，如地层因素、电极电位的影响、工业游散电流影响等［9-16］，但侧重点多在现场测井及井内测井环境的研究，对仪器结构的影响分析和自然电位曲线校正方法的论述较少。加强对后者的研究，提高自然电位测井曲线在砂岩型铀矿勘查中的应用效果迫在眉睫。

1 自然电位的形成机制

钻井内产生电化学过程导致泥浆和地层中正负离子移动，产生了自然电场，主要包括扩散电位、吸附电动势、过滤电位等［17］。正负离子在不同岩性中的移动规律不同，泥质颗粒对负离子有选择性吸附作用，通常泥岩的自然电位很稳定，在自然电位曲线上表现为一条平行于深度轴的直线，称为泥岩基线［18］。自然电位产生的原因很复杂，主要有两个原因：①泥浆的矿化度与地层水的矿化度有差异；②泥浆柱压力与地层水的压力不同。

扩散电位：当离子浓度不同的两种溶液接触时由于负离子的迁移速率大于正离子的迁移速率，离子浓度低的一侧为负，离子浓度高的一侧为正。吸附电动势：泥岩孔隙毛细通道极窄，负离子被吸附在泥质颗粒表面，导致在低浓度一侧正离子增多，产生吸附电动势。过滤电位：由于岩层中存在双电层结构导致泥浆滤液中正离子相对较多，在压力差的作用下更多的正离子跟随泥浆滤液进入地层，于是地层内正电荷增多，而泥浆中负电荷增多，这样便产生了负的过滤电位［19-20］。

当地层水矿化度大于泥浆矿化度，在自然电位曲线中以稳定泥岩段为基线，出现负异常的曲线段认为是砂岩，随着泥质含量的上升，曲线异常幅度下降。自然电位曲线的形态、正负异常以及大小还与钻孔的测井环境和仪器结构等有关。

2 自然电位曲线在砂岩型铀矿勘查中的意义

砂岩型铀矿一般赋存于沉积盆地的辫状河或者辫状河三角洲沉积相中，自然电位测井曲线特征可以反映不同的测井相，进而结合岩心进行沉积相分析［21］。

2.1 砂岩型铀矿储层沉积相特征

砂岩型铀矿是一种储存于沉积盆地砂体中的放射性矿产。典型砂岩型铀矿赋存于辫状河-辫状河三角洲沉积相（表1），沉积相对砂岩型铀矿的储存空间控制作用明显，例如二连盆地巴彦乌拉铀矿床含矿地层属于辫状河相的心滩沉积微相，鄂尔多斯盆地大营铀矿床含矿地层属于辫状河三角洲相的水下分流河道沉积微相。

表1 中国典型砂岩型铀矿沉积相研究现状［22-26］Table 1 Sedimentary facies of typical sandstone type uranium deposits in China[22-26]

2.2 研究区测井沉积相特征

二连盆地川井坳陷桑根达来地区钻孔揭遇层位有下白垩统赛汉组下段和上白垩统二连组，地层产状近水平，二连组平行不整合于赛汉组下段之上。二连组：曲流河泛滥平原沉积，岩性以泥岩和粉砂岩为主，自然电位和电阻率曲线幅值低，呈类平直形态。赛汉组下段：辫状河三角洲沉积，岩性主要为砂岩、砂砾岩，其自然电位和电阻率曲线上部为低幅值、线形夹漏斗形和钟形，曲线下部为高幅锯齿状。密度曲线在赛汉组下段上部表现为低幅值。辫状河三角洲具有复杂的曲线形态，反映了辫状河三角洲建设或破坏表现得较快的进积和退积作用。自然电位测井曲线形态特征与沉积相之间有密切关系［27］（图1）。

图1 桑根达来地区钻孔测井沉积相特征Fig.1 The characteristics of sedimentary facies of aborehole by logging and geologic coding in the Sangendalai area

3 自然电位曲线异常原因

在实际砂岩型铀矿勘查过程当中发现二连盆地川井坳陷桑根达来地区和鄂尔多斯盆地特拉敖包地区的大部分钻孔自然电位测井曲线应用效果不理想，有井场和钻孔内测井环境的影响，也有测井探管结构和地面电极材质的影响。

3.1 地面电极材质影响

地面测量自然电位要求采用不极化电极，而实际生产中测量自然电位测井电极多为铅材质，而地面电极有不锈钢材质或者铜棒，其电极电位大而且不稳定，容易与地面土壤产生电化学反应。在经过对比试验后选择不极化电极作为地面电极（图2），使用后地面电极受环境影响明显减小，自然电位曲线基线漂移明显减轻，自然电位测井曲线品质显著提高。

图2 鄂尔多斯盆地巴音青格力地区钻孔ZKB15-19 不同地面电极自然电位曲线对比Fig.2 Comparison of spontaneous potential curves of borehole ZKB15-19 with different electrodes in Bayinqinggeli area，Ordos Basin

3.2 仪器结构影响

除了上述地面电极材质影响因素外，现实中还有地层水矿化度、井内温度、电源线虚接、测井探管工作状态等影响因素［10-12］，因此在现场排除各种因素后自然电位曲线仍有漂移和幅度减小过快、畸变等现象，可以使用改造后的定量伽马组合探管（JSXWD），探管上、下均测自然电位（图3），铅金属的测量电极上下是对称分布的一米绝缘橡胶套，其优点是减少仪器本身金属结构对自然电位测井曲线的影响。定量伽马组合探管测量结果与组合密度探管（JMZ-2D）对比发现，定量伽马组合探管自然电位测量结果与三侧向电阻率曲线呈镜像关系比组合密度探管效果好（图3、4）。

图3 定量伽马组合探管改造图Fig.3 Reconstruction diagram of quantitative gamma combined exploration tube

图4 鄂尔多斯盆地特拉敖包地区钻孔ZKY32-31 不同探管结构自然电位曲线对比Fig.4 Comparison of spontaneous potential curves of borehole ZKY32-31 with different pipe structures in Telaaobao area，Ordos Basin

4 自然电位曲线漂移校正

自然电位参数比较敏感，容易受到井场和钻井孔内环境的影响，经过采集过程的排查和处理在沉积盆地实际测井生产过程中自然电位曲线基线偏移现象仍然普遍存在，为了消除这个现象，可以使用适当的算法来进行校正，若处理后的自然电位测井曲线和钻孔编录以及电阻率测井曲线对应效果较好，则可以考虑使用。首先要研究曲线基线漂移的规律，然后用合适的算法和软件进行校正。自然电位曲线基线漂移是因为泥浆循环不充分导致不同深度地层矿化度不均匀或者电极环材质没有使用不极化电极产生。

4.1 自然电位曲线滤波

自然电位曲线上呈现不规则的锯齿震荡状毛刺，随机干扰呈高频正弦波形态，这种随机干扰是仪器或者井场环境引起的干扰［14］。（图5）。采用线性平滑算法进行滤波：三点平滑，五点平滑，七点平滑。用相邻点的自然电位均值代替中间的数值。从而去除偶然干扰信号［28］。一般经过两次七点平滑会消除不规则的锯齿状。如图5 中BZK1855-3 的棕色自然电位曲线，经过两次七点平滑和一次五点平滑消除了自然电位曲线锯齿状毛刺。

图5 二连盆地桑根达来地区钻孔BZK1855-3 三侧向电阻率-自然电位曲线Fig.5 Trilateral resistance-spontaneous potential curve of borehole BZK1855-3 in Sangendalai area，Erlian Basin

线性平滑算法公式见（1）（2）（3）。

式中：—i深度处滤波得到的自然电位测量值，mV；Ni为i深度处的自然电位测量值，mV；Ni-1为i-1 深度处的自然电位测量值，mV；Ni+1为i+1 深度处的自然电位测量值，mV。

4.2 自然电位曲线基线拟合-差值校正

根据桑根达来地区自然电位测井曲线偏移特点将其分为：两个自上而下负偏钻孔SZK1958-555、SZK2054-547，一个自上而下先正偏后负偏钻孔SZK2022-539、一个自上而下先负偏后正偏钻孔SZK1392-103。整体来看自然电位曲线漂移难以总结其变换的规律，可以用多个直线拟合实际测量漂移后的泥岩基线。若是用一个函数拟合整孔自然电位曲线基线偏移误差太大。

由于钻孔内泥浆循环不充分，深部泥浆密度增大后，深度越大泥浆压力越大，产生过滤电位，所以泥岩基线负偏严重。针对自然电位曲线基线漂移：假设泥浆密度是连续线性渐变增大，漂移后的曲线一小段内自然电位可以反映泥砂岩地层的变化，每一段曲线中的泥岩基线值都是随深度线性变化。基线拟合-差值方法校正（图6）：①根据三侧向电阻率曲线和地质编录资料确定泥岩段的位置；②从上而下先求出第一段的拟合方程（公式4）；③然后算出每个测点拟合值与第一个真实自然电位值的差（公式5）；④用该差加上该点的原始测量值代替原始测量值，然后形成一条新的校正后的自然电位曲线（公式6）；⑤重复上述算法，从上到下进行多次直线拟合，最终得出的校正后的自然电位曲线［29］。

图6 基线拟合-差值校正方法流程图Fig.6 Flow chart of baseline fitting-difference correction method

基线拟合-差值方法公式见（4）（5）（6）。

式中：—第一段基线偏移线性拟合值，mV；k1—拟合线性方程斜率；b1—拟合线性方程斜距；N1—实际测量值—拟合值与实际测量值之差，—校正后的测量值，mV。

4.3 自然电位曲线校正效果评价

通过使用滤波和基线拟合-差值校正方法对二连盆地桑根达来地区钻孔SZK1958-555、SZK2054-547、SZK2022-539 和SZK1392-103的自然电位曲线泥岩基线进行了校正，校正后的自然电位曲线和三侧向电阻率呈镜像关系，和实际地质情况对应一致。通过自然电位曲线和三侧向电阻率可以提高岩性解释的准确率，进一步判断沉积相，发现铀矿化产出在漏斗形和钟形界面附近，可能是倒韵律和正韵律沉积序列结合部位的砂体非均质性影响了铀元素富集（图7、8）。

图7 钻孔SZK1392-103 和SZK2054-547 自然电位曲线基线漂移特点及校正效果Fig.7 Drift characteristics of spontaneous potential baseline and calibration result of borehole SZK1392-103 and SZK2054-547

图8 钻孔SZK2022-539 和SZK1958-555 自然电位曲线基线漂移特点及校正效果Fig.8 Drift characteristics of spontaneous potential baseline and calibrated curve of borehole SZK2022-539 and SZK1958-555

5 结论

自然电位测井曲线在砂岩型铀矿勘查中可以应用于识别岩性、区分渗透性岩层和分析测井沉积相。测井过程中受钻孔环境和仪器结构影响自然电位曲线容易发生漂移。基线拟合-差值方法将漂移的自然电位泥岩基线看成随深度变化的函数，然后分段求取其拟合方程，计算初始泥岩基线测量值与拟合值的差值，最后给每个测量数值加上对应的差值。

基线拟合-差值法在桑根达来地区砂岩型铀矿自然电位测井曲线校正中的应用效果表明，校正后的自然电位测井曲线和三侧向电阻率曲线呈镜像关系，与实际钻孔地质编录情况对应基本一致。该方法极大地提高了自然电位测井曲线质量，为测井沉积相研究和砂岩型铀矿储层预测工作打下坚实基础。