纳米比亚欢乐谷地区岩粉钻孔γ 测井影响因素和铁、水修正系数计算

刘卫国

（核工业二〇三研究所，陕西 西安 710086）

铀资源是重要的战略资源和能源矿产［1］，是核能发电的重要原料。加大国内铀资源勘查力度的同时，铀资源海外开发已成为我国重要的铀供应途径［2］。纳米比亚达马拉造山带产有丰富的铀资源，探明的铀资源量约为80 万t，铀矿化类型主要为白岗岩型和钙结岩型［3］，其中白岗岩型铀矿是纳米比亚在世界上独有的铀矿类型［4］。

钻探是铀资源勘查的重要手段，γ 测井是铀资源量估算的物探方法。纳米比亚欢乐谷地区钻探施工常采用空压岩粉与绳索取心组合方式钻进，国外采用岩粉岩心取样后送实验室测试确定矿层铀含量，国内采用γ 测井解释及相关参数修正确定矿层铀含量。其中取样测试法价格贵、周期长、劳动强度大、矿层厚度会有增减，但可直接获得矿石铀含量数据；测井解释法价格低、速度快、劳动强度低，经过铁套管、水（或泥浆）、铀镭平衡系数［5-7］、射气系数、钍钾系数、密度、湿度、有效原子序数等修正，可快速获得矿层铀含量。本文着重分析了钻孔内因素对γ 测井的影响和测井仪对铁、水修正系数的计算，以及孔内有岩粉污染时如何获得准确的γ 测井原始数据，铁、水吸收系数在γ 测井规范不能查得时如何计算其修正系数，为该区提供可靠的铀矿层伽马测井解释结果。

1 区域地质概况

欢乐谷地区位于世界著名的达马拉造山带，是卡拉哈里和刚果两大太古宙克拉通间的元古宙造山带，为世界上最古老的地盾之一，基底为太古宇结晶基底，具有地壳固结早、岩石演化成熟度高、富铀的特征。元古宇末的达马拉造山运动构造活动强烈，不同期次岩浆活动发育，以富钾质的花岗岩、混合花岗岩、深变质岩为主，能谱测量铀含量（平均值为 39.44×10-6）与地壳克拉克值相比，明显偏高，为铀含量偏高地区［8］。达马拉造山带可为后期铀成矿提供丰富的铀源，找矿前景良好。达马拉运动后该区一直处于构造稳定阶段，早期形成的铀矿得以保存，后期构造运动使铀矿得以叠加富集。欢乐谷地区处于达马拉造山带西南部次级构造单元中部带南部区和奥卡汗加线形带内，位于北东向奥马鲁鲁断裂和奥克汗加断裂所夹持的区域［9-10］（图1）。地理上位于纳米比亚中西部铀成矿的中心部位，周围有在产的罗辛和湖山白岗岩型铀矿床、待产的瓦伦西亚白岗岩型铀矿床、兰格汉瑞赤钙结岩型铀矿床，以及其他铀矿床和铀矿点。欢乐谷地区距纳米比亚海边城市斯瓦科普孟德东约65 km，交通便利，电力和用水充足［8］。

2 γ 测井原理

γ 测井是普查勘探放射性矿床的一种基本的钻井地球物理方法［11］。它是用测井仪沿井孔测量岩石和矿石的天然γ 射线强度，并根据γ 场的分布确定钻孔所穿过的放射性矿层的位置、厚度以及其中放射性元素的含量。γ 测井解释结果是铀矿床储量计算的主要资料，在矿层地段岩心采取率不高的情况下更为重要。

在矿石处于平衡状态下，铁套管和水对γ射线吸收的百分数值（吸收系数）与选用的γ 测井仪探测器类型和结构有关，一般可由γ 测井规范［12］中查表得到。γ 测井数据使用自动解释软件［13-14］或手工解释，可以快速确定含矿段的铀含量、位置和厚度。

根据使用仪器类型、钻孔中铁套管和水吸收层厚度，可在铁、水吸收系数表上查出相应的吸收系数，然后按公式（1）逐点修正［12］：

式中：N1、N2分别为任意点修正后和测量的γ 照射量率的数值，nC/（kg·h）；μ1、μ2分别为水和铁套管吸收系数的数值，%。

井液吸收层厚度按公式（2）计算［12］：

式中：DK、DT分别为钻孔直径和探管直径，m；d2为铁套管厚度，m。

3 岩粉钻孔γ 测井

欢乐谷地区钻探施工常采用空压岩粉与绳索取心两种工艺，其中岩粉钻孔钻进时钻头将地层岩石研磨成粉末状的岩粉，同时使用空压机向孔底打入的高压空气将岩粉吹出孔口，每钻进1 m 用岩粉袋收集一袋岩粉。岩粉（心）使用FD-3010A 型β-γ 岩心编录仪进行岩粉γ、γ+β测量，测井仪使用9800 轻便数字测井仪，γ 测井使用FD-3019型探管［15］。

本次研究以欢乐谷15 号地区ZK9-0 钻孔为例，该孔深249.20 m，测井孔斜为63°，钻孔直径为127 mm，水层位置为64 m。γ 测井仪经“三性”检查符合规范要求，γ 测量进行了完钻不洗井测量和完钻后用清水洗井1 至2 小时后测量，分别得到两条γ 测井原始曲线（图2）。

图2 ZK9-0 γ 测井洗井前后原始曲线图Fig. 2 Original ZK9-0 gamma logging curve before and after well washing

从γ 测井原始曲线可以直观看出（图2），完钻洗井后曲线数值明显低于完钻不洗井曲线数值。从γ 原始测井洗井前后数值统计表可以看出（表1），完钻不洗井测量γ 曲线峰值最高为10 389 l/s，最低为52 l/s；完钻洗井后测量γ 曲线峰值最高为9 619 l/s，最低为49 l/s。以完钻洗井后测量的γ 数值为基准值，曲线峰值最高值误差为-8.00%，相对差值为-770 1/s，最低值误差为-6.12%，相对差值为-3 l/s。曲线数值最大相对差值为-1 494 l/s，最大误差为-76.81%，曲线数值最小相对差值为-3 l/s，最小误差为-4.49%。γ 原始测井洗井前后数值峰值平均误差（-21.99%）相差较大。

表1 γ 原始测井洗井前后数值统计表Table 1 γ numerical statistics before and after the original well logging wash

选取ZK9-0 钻孔112 m 至147 m 矿段进行γ测井解释，该孔γ 测量为裸眼测井，设计为斜孔，无铁套管即无需吸收系数修正，仅对水层吸收系数计算［12］。由表2 可以看出，水层厚度为43.5 mm，水层厚度标准值有40 mm、45 mm的水层吸收值，根据γ 测井原理计算得到该处水层吸收系数为16.52%，修正系数为83.48%（表2）。

表2 ZK9-0 修正系数计算表Table 2 Calculation table of ZK9-0 correction coefficient

该孔洗井前后进行两次γ测井，使用同一γ探管测量，标定系数为0.107 9 nC·（kg·h）-1/1·s-1，换算系数为30.56 nC·（kg·h）-1/0.01%，测井仪读数单位为1/s。γ 测井原始数据用表2 计算得出的修正系数予以修正，0 m 至64 m 原始数值不修正，64 m至249.20 m 进行修正。原始测井数值除以修正系数取整，得到修正后测井数值，导入自动γ 测井解释软件进行解释，选取万分之三做为解释边界品位，洗井前后γ 解释结果即可获得（表3）。由表3可以看出，该矿段矿层边界位置、矿层平均品位、米百分值均有大幅变化。

表3 ZK9-0 洗井前后γ 测井解释结果表Table 3 γ logging interpretation results before and after ZK9-0 well washing

欢乐谷地区空压岩粉钻探工艺优点为钻进速度快（1 至2 天可岩粉钻进200 m，4 至5 天可岩心钻进400 m），人力成本低（每机台3人），岩粉钻孔1 m 取一袋样品，岩心钻孔取心率高（一般取心率均在100%），施工工期短（一般600 m 钻孔工期为7 天完钻，每天工作8 小时），随钻纠偏孔斜达标率高（钻具含随钻测斜仪），发生卡钻事故率极低（套管钻进）；缺点为岩粉颗粒为粉末状，质量轻，易悬浮液体，易粘染于孔壁，岩粉样品实验室测试难以确定含矿段位置。在其他条件相同的情况下，测井结果易产生误差，其主要原因：1）含矿层岩粉颗粒悬浮于孔内水中导致污染，使含水层孔内放射性偏高；2）含矿层岩粉颗粒沾染在无水层孔壁上导致污染，使不含水层孔内放射性偏高，均造成矿层边界模糊。故针对岩粉钻孔，终孔γ 测井前应采用清水充分洗井后测量（洗井时间一般1 至2 小时），才可以得到相对准确的γ 原始测井数据和可靠γ 测井解释结果，今后钻孔施工中也应尽量避免选择岩粉工艺施工。

4 γ 测井解释

4.1 钻孔组合结构

根据纳米比亚欢乐谷地区地层产状，钻探施工设计孔斜为90°、80°、70°、60°、45°的直孔及斜孔，钻探工程的质量标准和要求按放射性矿产资源钻探规程（EJ/T 1052—1997）执行。该区钻孔施工结构相对复杂，有空压岩粉钻孔、纯岩心钻孔、岩粉岩心组合钻孔。纯岩粉钻孔孔径按钻头尺寸有121 mm、124 mm、127 mm；纯岩心钻孔孔径按钻头尺寸有114.3 mm、96 mm、75.8 mm；岩粉岩心组合钻孔孔径按钻头尺寸有127 mm、124 mm、121 mm、119 mm、96 mm、75.8 mm，铁套管最多达到三层。因钻孔施工结构组合复杂性，所以γ 测井对水层、铁套管吸收系数需进行分别计算，对原始γ 测井数据进行综合修正，这样就会得到准确可靠的γ 测井解释结果。

4.2 综合修正系数

根据γ 测井规范，钻孔孔斜为90°直孔时，水层、铁套管吸收系数沿井轴测量，计算修正系数；孔斜为80°到45°斜孔时，水层、铁套管吸收系数靠井壁位置测量，由γ 测井原理计算吸收系数。下面以纯岩粉裸眼钻孔和纯岩心钻孔综合修正系数计算为例，详细说明计算综合修正系数的方法。类似的，可以计算各种钻孔组合结构综合修正系数，这里不详述了。

4.2.1 纯岩粉钻孔修正系数

纯岩粉裸眼钻孔修正系数是孔内含水位置到孔底水层的修正系数，纯岩粉裸眼钻孔分为直孔和斜孔两种类型，直孔型水层修正系数计算按沿井轴位置选标准值，斜孔型水层修正系数计算按靠井壁位置选标准值。

式中：h 为实际水层厚度，由式（2）计算获得；h1、h2为γ 测井规范中相邻的两个水层厚度；U水1、U水2为h1、h2水层厚度对应的吸收系数；U水吸为h 实际水层厚度的吸收系数；U水修为h 实际水层厚度的修正系数。各量的单位如表4 中所示，斜孔或直孔同理计算可得。

表4 纯岩粉钻孔修正系数计算表Table 4 Calculation table of comprehensive correction coefficient of pure rock powder drilling

经计算，孔径124 mm 斜孔型水层修正系数为 83.96%，直孔型水层修正系数为82.16%（表4）。

4.2.2 岩粉加岩心组合钻孔综合修正系数

岩粉加岩心含铁套管钻孔综合修正系数是对水层修正与铁套管修正系数的综合。以钻孔ZK23-2 为例，该孔是岩粉岩心组合钻孔，设计孔深300 m，孔斜为70°，γ 测井孔深299.6 m。孔深0 至200 m 岩粉钻孔孔径按钻头孔径为96 mm，孔深200 m 至300 m 岩心钻孔孔径为75.8 mm；全孔下铁套管，外径为69.9 mm，内经为60.3 mm，壁厚为4.8 mm，水位为0 m。

铁吸收值计算式：

综合修正系数：

式中：H 为实测铁厚度，H1、H2为γ 测井规范中相邻的两个铁厚度，U铁吸1、U铁吸2为H1、H2铁厚度对应的吸收系数，U铁吸为H 实测厚度的吸收系数，U铁水修为h 实际水层厚度、H 实测厚度的综合修正系数。不同孔深、孔型、孔径水吸收值计算可由式（3）计算获得，各量的单位如表5中所示，斜孔或直孔同理计算可得。

表5 岩粉加岩心钻孔综合修正系数计算表Table 5 Calculation table of comprehensive correction coefficient of rock powder and core drilling

岩粉岩心钻孔综合修正系数计算见表5。由表可见，0 至200 m，96 mm 孔径斜孔型综合修正系数为73.40%，200 至299.6 m，75.8 mm 孔径斜孔型综合修正系数为76.67%。

4.3 γ 解释成果

根据上述计算方法，对ZK23-2 钻孔γ 测井数据进行综合修正后，得到欢乐谷地区15线ZK23-2 钻孔γ 测井曲线图（图3），使用γ自动解释软件对矿化段进行解释，可获得准确可靠的解释成果（表6）。该孔100 m 以上为无矿层段，选取100 m 至299.6 m 展示结果。

表6 ZK23-2 钻孔γ 测井解释成果表Table 6 γ logging interpretation results of ZK23-2 borehole

图3 ZK23-2 钻孔γ 测井曲线图Fig. 3 γ log diagram of ZK23-2 borehole

5 测井解释法和取样测试法结果对比

对研究区5个矿段γ测井解释铀品位（铀含量）与岩（矿）心取样分析铀品位（铀含量）和米百分数进行了统计分析（表7），γ 测井解释经过单矿体钍、湿度、厚度修正。从结果可知：参与统计矿层的总厚度为32.47 m，测井解释铀米百分数和矿石取样测试铀米百分数结果对比的系统误差为0.9～1.1。说明测井方法和解释结果是正确的［8］。5个矿段的铀米百分数（m·%）相对误差小于±10%，整体相对误差为3.92%。说明选取测井数据解释的修正参数是合适的，钻孔结构采用的孔径、套管厚度和泥浆密度修正系数是合适的，除对钍影响修正外，其他参数不需要修正［15］。

表7 欢乐谷地区伽马测井与岩心取样分析铀含量结果对比误差统计表Table 7 Comparison error of uranium content analysis results of gamma logging and core sampling in Happy Valley area

6 结 论

1）岩粉钻探施工的钻孔，γ 测井前应采用清水充分洗井后，可以得到准确的原始测井数据，钻孔施工应尽量避免选择此工艺施工。

2）对岩粉、岩粉岩心钻探工艺施工的钻孔，γ 测井计算铀含量时应首先计算水、铁吸收系数，进而获得综合修正系数准确计算铀含量，为该区提供了可靠的铀矿层伽马测井解释依据和方法。