納嶺溝鈾礦床局部隔水層成因識別與三維地質(zhì)建模

戴明建 彭云彪 苗愛生 劉璐 陳法正 申科峰

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，武漢 430074;2.核工業(yè)208大隊(duì)，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

納嶺溝鈾礦床位于鄂爾多斯盆地北東部呼斯梁巨型鈾成礦帶，為古層間氧化帶型可地浸砂巖鈾礦，賦礦空間為中侏羅統(tǒng)直羅組下段辮狀河道砂體［1-4］。該礦床處于辮狀河道中心，含礦含水層厚度80～160 m，隔水頂、底板距離礦層較遠(yuǎn)。局部隔水層一般分布范圍較小，只對礦床內(nèi)局部礦體起到隔水作用。局部隔水層的發(fā)育特征影響著鈾儲層的非均質(zhì)性，進(jìn)而影響礦體的分布特征［5］。本次研究以納嶺溝鈾礦床為研究區(qū)，以含礦層直羅組下段為研究層位，分析該礦床的局部隔水層特征，并建立三維可視化模型。

1 局部隔水層類型

研究表明，形成局部隔水層的主要原因是鈾儲層中泥砂質(zhì)和鈣質(zhì)含量增加或巖石顆粒變細(xì)，從而導(dǎo)致鈾儲層內(nèi)局部巖石物性變差［6-7］。納嶺溝鈾礦床含礦含水層為一套辮狀河沉積，根據(jù)其成因可將隔水層分為2大類，即沉積作用形成的局部隔水層和成巖作用形成的局部隔水層。

1.1 沉積作用形成的局部隔水層

沉積作用形成的局部隔水層是指沉積過程中因水動力條件發(fā)生變化，在含礦含水層的砂質(zhì)紋層間形成的夾層［8］，根據(jù)巖性又可分為泥粉砂巖夾層和礫巖夾層。泥粉質(zhì)巖夾層主要由泥巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、含泥粉砂巖、泥質(zhì)砂巖等細(xì)粒物質(zhì)組成，在高能向低能轉(zhuǎn)換的過程中形成。納嶺溝鈾礦床直羅組下段辮狀河心灘壩發(fā)育較好。在洪峰波動過程中憩水期形成的懸浮質(zhì)落淤加積產(chǎn)物，即落淤層，是最典型的沉積成因局部隔水層之一。在辮狀河低水位時期心灘壩露出水面，壩頂會被沖出一些小型溝道，這些沖溝在后期會充填一些懸浮質(zhì)細(xì)粒物質(zhì)，主要為泥巖和粉砂巖，最終形成泥粉質(zhì)局部隔水層［9］。廢棄河道頂部易形成泥粉質(zhì)巖局部隔水層。此外，在辮狀河道底部，可見定向或非定向排列的泥礫在砂巖中構(gòu)成的局部隔水層，屬于河道的滯留沉積物。

1.2 成巖作用形成的局部隔水層

在成巖過程中，泥巖層中的Ca2+能夠使鈾儲層中的薄層砂巖在鈾儲層頂?shù)撞颗c泥巖接觸的部位及鈾儲層內(nèi)部的泥質(zhì)團(tuán)塊附近部位膠結(jié)成巖，使得相對較粗的砂巖因在成巖作用下物性變差、滲透率變低而成為致密非滲透鈣質(zhì)砂巖層夾層［10］。此類局部隔水層通常形成于河道內(nèi)的原始高孔滲地區(qū)，通常呈透鏡狀或板狀。

2 隔水層識別方法

沉積作用和成巖作用的影響結(jié)果不盡相同，從而形成不同類型的隔水層。不同類型隔水層的成因、特點(diǎn)和分布狀態(tài)有較大差異，對地下水運(yùn)動的控制結(jié)果也有所不同。因此，識別、劃分、描述隔水層的最佳方法是應(yīng)用巖心標(biāo)定測井資料，建立不同類型隔水層的測井識別劃分標(biāo)志。

運(yùn)用巖性指示曲線可以有效地識別優(yōu)質(zhì)砂體，并據(jù)此劃分巖性［11］。在此根據(jù)納嶺溝鈾礦床所有測井曲線制作交會圖(圖1和圖2)，進(jìn)行巖性劃分分析。視電阻率(LL3)、聲波時差(AC)和密度(DEN)這3種曲線識別巖性的效果最好，但單條曲線識別巖性的效果仍有限。此外，地質(zhì)人員在進(jìn)行巖心編錄時對巖性和巖心粒度粗細(xì)程度的判斷結(jié)果各有差異，尤其在野外用肉眼區(qū)分細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)細(xì)砂巖、粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖等砂巖類型時主觀性較強(qiáng)，判斷標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一。綜合利用這3種曲線信息進(jìn)行曲線重構(gòu)，可以達(dá)到識別巖性的最佳效果［12］。此次研究中利用與巖性相關(guān)的測井響應(yīng)來重構(gòu)同量綱曲線，使其既能夠反映地層巖性差異，又能更好地反映儲層特征。

圖1 視電阻率(LL3)與密度(DEN)交會圖

圖2 視電阻率(LL3)與聲波時差(AC)交會圖

2.1 曲線重構(gòu)

由于單一測井曲線區(qū)分巖性的準(zhǔn)確度不足，于是有很多學(xué)者開始采用多曲線重構(gòu)技術(shù)來提高巖性識別的準(zhǔn)確度［13-15］。針對納嶺溝鈾礦床物性特征，本次研究提出一種新的多曲線重構(gòu)方法，即多曲線加權(quán)視電阻率曲線重構(gòu)法。此方法既能保持視電阻率曲線原有的時深關(guān)系，又能顯著突出鈾儲層與圍巖之間的差異，突顯儲層特征，而且運(yùn)算和操作簡單。運(yùn)用此方法可將視電阻率曲線所有頻率信息在重構(gòu)過程中保留下來，并將參與重構(gòu)曲線的所有信息融合到視電阻率曲線中。該方法處理流程包括對測井曲線的標(biāo)準(zhǔn)化、歸一化和曲線重構(gòu)等。

(1)曲線標(biāo)準(zhǔn)化。曲線標(biāo)準(zhǔn)化主要針對聲波時差、密度和電阻率等參與重構(gòu)的曲線，使目標(biāo)區(qū)內(nèi)所有鉆孔的曲線整體特征與實(shí)際地質(zhì)特征達(dá)到最佳吻合狀態(tài)，同時使測井曲線重構(gòu)所用的基礎(chǔ)資料標(biāo)準(zhǔn)能夠統(tǒng)一。

(2)曲線歸一化。為了使各井曲線的量綱和幅值一致，并保證原有曲線的特征不變，在各曲線標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上對這些曲線進(jìn)行歸一化處理。將每口井的曲線數(shù)值范圍規(guī)范到［0，1］區(qū)間，以保證其對重構(gòu)貢獻(xiàn)的一致性，公式如下:

式中:C歸，i—?dú)w一化后曲線各樣點(diǎn)值;

Ci—原曲線各樣點(diǎn)值;

Cmin—該曲線所有樣點(diǎn)中的最小值;

Cmax—該曲線所有樣點(diǎn)中的最大值;

n—曲線的樣點(diǎn)數(shù)。

(3)曲線重構(gòu)處理。根據(jù)鈾儲層特征分析的結(jié)果，選取對反映目的層段儲層特征貢獻(xiàn)最大的測井曲線，運(yùn)用數(shù)學(xué)算法對其進(jìn)行重構(gòu)處理。

步驟一:不同曲線對儲層特征的貢獻(xiàn)不一樣，因此對不同曲線設(shè)置不同的加權(quán)系數(shù)Kj(0＜Kj＜1，j表示各類曲線)。根據(jù)不同曲線特征，設(shè)置聲波時差曲線加權(quán)系數(shù)KAC為0.6，密度曲線加權(quán)系數(shù)KDEN為0.4。

步驟二:利用加權(quán)系數(shù)Kj對相應(yīng)的歸一化曲線進(jìn)行加權(quán)，即計(jì)算Kj(M歸，i- ΔM歸，i)，ΔM歸，i為M歸，i的平均值。

步驟三:先將其中一條曲線加權(quán)后的值作為加權(quán)系數(shù)，對視電阻率值進(jìn)行加權(quán)處理，即MLL3，i［1-Kj(M歸，i- ΔM歸，i)］，其中CLL3，i為視電阻率值。在進(jìn)行聲波時差曲線加權(quán)時，由于聲波時差與視電阻率值具有反相關(guān)特征，為加強(qiáng)重構(gòu)曲線識別巖性效果，可在加權(quán)前對聲波時差曲線做鏡像處理，公式為:

步驟四:將加權(quán)后的視電阻率值作為基值，重復(fù)步驟三，再利用第二條曲線加權(quán)后的值對該加權(quán)后的基值重做加權(quán)處理。

步驟五:重復(fù)步驟三和步驟四，利用參與重構(gòu)的所有曲線對視電阻率曲線做加權(quán)處理，最后得到的結(jié)果就是所求的擬視電阻率(ZH)曲線。

經(jīng)過以上步驟，重構(gòu)后的曲線在目的層段將儲層完全突顯出來，并保持原有儲層特征不變。經(jīng)過該方法重構(gòu)的擬視電阻率曲線由于未對原始視電阻率曲線進(jìn)行頻率分離，因而保留了其所有的頻率成分。同時，通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)將不同曲線的頻率加入擬視電阻率曲線中，因此重構(gòu)后的曲線既保留了原始頻率成分又增加了更豐富的頻率信息。這對突出儲層特征、加大砂泥巖差異起到了很好的加強(qiáng)作用，有助于有效識別隔夾層。

2.2 垂向局部隔水層識別

(1)泥粉質(zhì)局部隔水層的測井響應(yīng)特征。納嶺溝鈾礦床泥粉質(zhì)局部隔水層出現(xiàn)頻率相對較高，尤其是局部隔水頂板，巖性主要包括泥巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖等。其測井曲線響應(yīng)主要反映為泥巖特征，擬視電阻率曲線反應(yīng)最為明顯。與上下層的砂巖相比，泥粉質(zhì)局部隔水層位置的擬視電阻率幅度明顯下降，若是薄夾層，其形態(tài)呈尖峰狀，密度值變小，聲波時差值增高(圖3)。

圖3 泥粉質(zhì)局部隔水層測井響應(yīng)

(2)鈣質(zhì)局部隔水層的測井響應(yīng)特征。鈣質(zhì)局部隔水層的導(dǎo)電性差，密度大，滲透率低;其擬視電阻率明顯高于鄰層電阻率，通常高出1.3倍以上，呈尖峰狀，俗稱“鈣尖”。聲波時差明顯表現(xiàn)為低值，一般小于200 μs/m，亦常呈尖峰狀(圖4)。

圖4 鈣質(zhì)局部隔水層測井響應(yīng)

3 隔水層三維模型

通過二維平面圖和剖面圖表示的地質(zhì)成果，很難直觀、高效、便捷地展示三維地質(zhì)體空間特征［16］。在單孔局部隔水層成因識別和地質(zhì)條件約束下，利用Micromine(kantan 3D)軟件建立礦體與局部隔水層的三維模型(圖5)，可以更加有效、準(zhǔn)確、直觀地分析研究局部隔水層和鈾礦體所處位置及展布形態(tài)［17］。

圖5 礦體與局部隔水層三維示意圖

3.1 局部隔水頂板三維模型

局部隔水頂板三維模型中，各局部隔水層在3個維度上相互疊置。局部隔水頂板中單個局部隔水層基本上由1個或2個孔控制，只有少量局部隔水層由5個以上鉆孔控制?？刂泼娣e主要限于3.00×104～6.00 ×104m2，個別控制面積最大可達(dá)67.70×104m2，主要局部隔水層的平均控制面積為28.30×104m2。垂向上局部隔水頂板到礦體的距離主要限于 5.00 ～25.00 m，平均 14.48 m，而個別距離最大可達(dá)52.95 m，最短僅0.25 m。

3.2 局部隔水底板三維模型

局部隔水底板三維模型中單個局部隔水層基本上亦由1或2個孔控制。其控制面積主要限于3.00×104～5.00 ×104m2，個別控制面積最大可達(dá)69.10×104m2，主要局部隔水層的平均控制面積為25.60×104m2;垂向上局部隔水底板到礦體的距離主要限于4.00 ～15.00 m，平均 11.35 m，個別距離最大可達(dá)38.35 m，最短僅0.03 m。

總體上，納嶺溝鈾礦床局部隔水頂板與底板均發(fā)育較好，局部隔水頂板比局部隔水底板發(fā)育更成熟。局部隔水頂板以泥粉質(zhì)局部隔水層為主，單個局部隔水層控制面積相對較大，中部地區(qū)局部隔水層距離礦層較近，一般為10～20 m，有利于實(shí)現(xiàn)礦體地浸開采。鈣質(zhì)局部隔水層發(fā)育較少，且主要位于礦床東部區(qū)域，下部礦體厚度相對較大。尤其是礦床西部和南部區(qū)域局部隔水頂板至礦層的距離可達(dá)40 m以上，局部有未發(fā)育隔水層的“天窗”出現(xiàn);但是“天窗”面積較小，一般限于單孔范圍內(nèi)。局部隔水底板則以鈣質(zhì)局部隔水層為主，礦床中部和東部發(fā)育尤佳;單個局部隔水層控制面積相對較小，上部礦體厚度相對較小。整個礦體呈板狀，連續(xù)性較好。

4 結(jié)語

納嶺溝鈾礦床的局部隔水層，主要包括沉積形成的泥粉質(zhì)局部隔水層及成巖作用形成的鈣質(zhì)局部隔水層。本次研究主要利用曲線重構(gòu)的新技術(shù)來識別局部隔水層位置，以研究區(qū)對巖性反應(yīng)最為敏感的視電阻率、密度和聲波時差曲線為基礎(chǔ)，采用多曲線加權(quán)擬合成一條綜合曲線 —— 擬視電阻率曲線，并用鉆孔巖心標(biāo)定測井資料，建立不同類型隔水層的測井識別劃分標(biāo)志。

利用Micromine三維建模軟件，首次針對納嶺溝鈾礦床建立礦體模型、局部隔水頂板模型和局部隔水底板等三維實(shí)體模型，可從任意角度觀察各實(shí)體可視化模型及局部隔水層與礦體的三維空間配置關(guān)系。

［1］張金帶，徐高中，陳安平，等.我國可地浸砂巖型鈾礦成礦模式初步探討［J］.鈾礦地質(zhì)，2005，21(3):139-145.

［2］彭云彪，李子穎，方錫珩，等.鄂爾多斯盆地北部2081鈾礦床成礦特征［J］.礦物學(xué)報(bào)，2006，26(3):349-355.

［3］張金帶，徐高中，林錦榮，等.中國北方6種新的砂巖型鈾礦對鈾資源潛力的提示［J］.中國地質(zhì)，2010，37(5):1434-1449.

［4］焦養(yǎng)泉，陳安平，王敏芳，等.鄂爾多斯盆地東北部直羅組底部砂體成因分析:砂巖型鈾礦床預(yù)測的空間定位基礎(chǔ)［J］.沉積學(xué)報(bào)，2005，23(3):371-379.

［5］焦養(yǎng)泉，陳安平，楊琴，等.砂體非均質(zhì)性是鈾成礦的關(guān)鍵因素之一:鄂爾多斯盆地東北部鈾成礦規(guī)律探討［J］.鈾礦地質(zhì)，2005，21(1):8-15.

［6］徐守余.油藏描述方法原理［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2005:132-140.

［7］束青林，張本華.河道砂儲層油藏動態(tài)模型河剩余油預(yù)測［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2004:81-101.

［8］張吉，張烈輝，南力亞，等.陸相碎屑巖儲層隔夾層成因、特征及其識別［J］.測井技術(shù)，2003，27(3):221-224.

［9］廖保方，張為民，李列，等.辮狀河現(xiàn)代沉積研究與相模式:中國永定河剖析［J］.沉積學(xué)報(bào)，1998，16(1):34-41.

［10］束青林.孤島油田館陶組河流相儲層隔夾層成因研究［J］.石油學(xué)報(bào)，2006，27(3):100-103.

［11］于文芹，鄧葆玲，周小鷹.巖性指示曲線重構(gòu)及其在儲層預(yù)測中的應(yīng)用［J］.石油物探，2006(5):482-486.

［12］賀懿，劉懷山，毛傳龍，等.多曲線聲波重構(gòu)技術(shù)在儲層預(yù)測中的應(yīng)用研究［J］.石油地球物理勘探，2008，43(5):549-556.

［13］崔健，張星.曲線重構(gòu)反演在儲層預(yù)測研究中的應(yīng)用［J］.大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2008，27(3):133-135.

［14］劉淑華，張宗和.儲層特征曲線重構(gòu)反演技術(shù):以冀東油田南堡凹陷為例［J］.勘探地球物理進(jìn)展，2008，31(1):53-58.

［15］許正龍.曲線重構(gòu)技術(shù)在儲層橫向預(yù)測工作中的應(yīng)用［J］.石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2002，24(4):377-381.

［16］方燕，李梅，胡友健.層狀地質(zhì)體的三維可視化研究［J］.焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，22(6):441-444.

［17］林博，戴俊，陸先亮，等.河流相儲集層夾層的三維空間分布研究［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，30(4):17-20.