劉有武 許憲金 滿安靜 熊耀華 靳 峰

(①中國石油長城鉆探工程有限公司錄井公司;②中國石油遼河油田新能源開發(fā)分公司)

0 引 言

錢家店凹陷位于開魯坳陷的北東部，呈北東-南西向帶狀展布，長度約100 km，寬度為9～20 km，面積1 280 km2，為中新生代斷坳型凹陷[1]。該凹陷自下而上沉積了白堊系下統(tǒng)義縣組、九佛堂組、沙海組、阜新組，上統(tǒng)泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺組、明水組及新生界，古近系依安組,，新近系大安組、泰康組和第四系。其中，九佛堂組為該區(qū)油氣勘探目的層，姚家組為鈾礦富集層位[2]。錢家店區(qū)塊屬半沙漠化草原地貌，地勢較平坦，具南西高、北東低的特征。

A井是錢家店錢Ⅱ區(qū)塊上的一口普查區(qū)鉆孔。運用XRF錄井技術(shù)從巖石化學(xué)角度對鈾礦賦礦砂巖類型、物性特征以及當(dāng)前砂體所處氧化還原環(huán)境進行分析，對砂巖型鈾礦富集規(guī)律進行總結(jié)，并根據(jù)XRF分析出的U、S元素建立砂巖型鈾礦解釋評價圖板，解決了對砂巖型鈾礦進行評價的難題。

1 XRF錄井技術(shù)應(yīng)用

元素錄井技術(shù)作為錄井現(xiàn)場新技術(shù)之一，近年來在全國各大油氣田均取得了良好的應(yīng)用效果。當(dāng)前國內(nèi)元素錄井技術(shù)主要用于特殊巖性識別和定名、層位劃分以及輔助水平井地質(zhì)導(dǎo)向[3]，但元素錄井技術(shù)在鈾礦井的應(yīng)用及研究目前業(yè)內(nèi)少見。

本次研究選取測井鈾礦評價結(jié)果較好的A井362個巖心樣品進行XRF分析。樣品數(shù)據(jù)采集及分析嚴格按照Q/SY 128-2020《錄井資料采集處理解釋規(guī)范》執(zhí)行。根據(jù)XRF數(shù)據(jù)分別從賦礦砂巖類型、當(dāng)前賦礦砂巖所處的氧化還原環(huán)境、與鈾礦相關(guān)特征元素方面分析鈾礦富集條件及鈾礦富集的指示性特征，從而實現(xiàn)利用XRF錄井技術(shù)落實鈾礦層發(fā)育及分布規(guī)律，為下一步砂巖型鈾礦工區(qū)尋找鈾礦富集帶、擴大鈾儲量規(guī)模提供參考依據(jù)。

1.1 賦礦砂巖類型分析

研究工區(qū)不同層位砂巖類型不同，成分較復(fù)雜，準確識別砂巖類型，是快速查找礦層與尋找有利儲層的基礎(chǔ)。錢家店地區(qū)賦礦巖石類型主要為中-細粒長石巖屑砂巖、細粒長石巖屑砂巖、含泥礫砂巖和砂礫巖等[4]。根據(jù)佩蒂莊砂巖類型劃分理論[5]，不同類型的砂巖，其Si/Al特征不同，Na/K也表現(xiàn)出不同的特征。因此，通過Si/Al與Na/K交會，可以識別出不同類型的砂巖。本次研究選取A井姚家組250.85～255.20 m非礦層段砂巖段以及286.55～288.95 m電測解釋工業(yè)層砂巖段進行巖石化學(xué)特征對比(表1、表2),用佩蒂莊砂巖類型投點如圖1、圖2所示。

圖1 非礦層砂巖類型投點

圖2 工業(yè)層砂巖類型投點

表1 A井250.00～255.20 m非礦層砂巖巖石化學(xué)成分含量

表2 A井286.55～288.95 m工業(yè)層砂巖巖石化學(xué)成分含量

通過表中數(shù)據(jù)可以得出SiO2和Al2O3是賦礦巖石的主要成分，兩井段平均含量分別為69.45%、67.83%及16.09%、17.56%。SiO2含量在兩類樣品中都呈中高值，顯示較強的SiO2富集；Al2O3含量是反映黏土含量或黏土蝕變的重要指標(biāo)，樣品中含量普遍較高，且差異性不大，但工業(yè)礦層樣品中的Al2O3含量略高于非礦層。

根據(jù)佩蒂莊砂巖類型劃分理論[5]，通過SiO2/Al2O3可以判別砂巖成分的成熟度，進而分析物源情況。一般情況下，SiO2/Al2O3>30，成分成熟度高，代表石英砂巖；5

1.2 礦區(qū)巖性識別方法

錢家店工區(qū)姚家組砂巖低成熟度特征給現(xiàn)場用常規(guī)地質(zhì)方法對巖性進行定名帶來了困難，用元素錄井進行巖性定名同樣遇到了Si、Al同步的難題。本研究通過A井巖心巖性結(jié)合元素特征對比研究，提出了砂泥巖指數(shù)公式，用于輔助現(xiàn)場巖性識別和定名。工區(qū)泥巖具有高Al2O3、∑Fe2O3、TiO2、NiO、CoO特征，砂巖具有中-高SiO2值特征。因此，將(Al2O3+∑Fe2O3+TiO2+NiO+CoO)/SiO2定義為砂泥巖指數(shù)，通過該指數(shù)可以區(qū)分砂巖與泥巖。根據(jù)A井剖面建立了錢家店地區(qū)砂泥巖指數(shù)判別砂巖、泥巖的標(biāo)準：砂泥巖指數(shù)<0.3為砂巖；砂泥巖指數(shù)在0.3～0.5之間為砂質(zhì)泥巖；砂泥巖指數(shù)>0.5為泥巖。砂泥巖指數(shù)值與泥質(zhì)含量成正比，砂泥巖指數(shù)值越高泥質(zhì)含量越高(圖3)。

圖3 A井砂泥巖指數(shù)元素特征

通過砂泥巖指數(shù)曲線與電測曲線及現(xiàn)場取心剖面對比，可以發(fā)現(xiàn)利用砂泥巖指數(shù)判別巖性時具有與現(xiàn)場巖心剖面巖性符合率高，與電測曲線對比度好的優(yōu)點。結(jié)合元素歸一化處理生成的巖石成分柱狀圖，元素錄井能直觀表征各組分的變化，起到巖性快速識別和準確定名作用，這為層位劃分和對比提供了可靠的依據(jù)，為優(yōu)質(zhì)礦層篩選縮小了范圍。

1.3 賦礦砂巖當(dāng)前所處環(huán)境分析

錢家店砂巖型鈾礦賦存條件一直是勘探研究的一個課題，因為姚家組地層剖面中同時出現(xiàn)了氧化帶、氧化還原過渡帶、還原帶三種沉積環(huán)境。XRF錄井技術(shù)根據(jù)Jones的氧化還原指數(shù)即Ni/Co氧化還原指數(shù)判別標(biāo)準：Ni/Co<5為氧化環(huán)境，Ni/Co在5～7之間為缺氧環(huán)境(弱還原)，Ni/Co>7為還原環(huán)境[7]，同時結(jié)合還原環(huán)境代表性礦物黃鐵礦(FeS2)的分布特征來解析氧化帶、氧化還原過渡帶、還原帶這三種沉積環(huán)境砂體當(dāng)中究竟哪一種砂體環(huán)境更有利于鈾礦富集。

根據(jù)A井氧化還原指數(shù)特征圖(圖4)可以得出，本井姚家組自下而上、由深到淺可分為氧化環(huán)境、缺氧環(huán)境(弱還原)、氧化環(huán)境三段。A井姚家組頂部及底部紫紅色泥巖、淺紅色泥質(zhì)粉砂巖對應(yīng)的氧化還原指數(shù)值為低平波狀，符合氧化環(huán)境指數(shù)特征；中部淺灰色砂巖呈中尖峰狀，符合缺氧環(huán)境(弱還原)指數(shù)特征。元素氧化還原指數(shù)特征圖顯示工業(yè)鈾礦層處于弱還原環(huán)境，賦礦層上下為氧化環(huán)境，符合鈾礦富集于氧化還原交界面的成礦理論。前人研究認為鈾礦化及伴生的礦化蝕變主要發(fā)生在有較大規(guī)模的層間滲入過程，根據(jù)剖面中賦礦層定位于含礦目的層氧化-還原界面及其鄰近的氧化還原過渡帶上的層間滲入成礦理論[8]，同時根據(jù)圖4得出FeS2即黃鐵礦在賦礦層富集的結(jié)論，由工業(yè)礦層中S和Fe散點圖(圖5)及折線圖(圖6)可以看出二者具有較好的相關(guān)性，但趨勢線略微偏離黃鐵礦線(紅色線)。這說明Fe除了主要以黃鐵礦(FeS2)形式賦存外，可能還以菱鐵礦等其他形態(tài)存在，但大量黃鐵礦的存在說明賦礦層所處環(huán)境為還原環(huán)境。

圖4 A井氧化還原指數(shù)特征圖

圖5 A井工業(yè)層S和Fe散點圖

圖6 A井工業(yè)層S和Fe折線圖

綜合A井氧化還原指數(shù)及黃鐵礦與賦礦層之間的關(guān)系可以得出：賦礦層主要分布于氧化-還原過渡帶或者氧化帶前峰，工業(yè)礦層中往往黃鐵礦較發(fā)育。因此，在尋找礦層時應(yīng)優(yōu)先選擇氧化-還原過渡帶或以還原環(huán)境為主并存在間歇性氧化帶的砂巖層作為重點找礦層段。

1.4 剖面物性分析

經(jīng)過前人研究證實鈾礦化在剖面上主要定位于紅色氧化帶減薄或尖滅部位，其在剖面上總體上呈舌狀并總有向地下水的流動方向或透水性差的巖石變薄或尖滅的趨勢。大部分鈾礦體都位于泛濫平原、河道間沉積相及其相鄰的辮狀河道沉積相中。這是由于這些部位的低滲透性，使層間氧化帶較難向前繼續(xù)推進并長期滯留在這些部位，加上沉積物中含較多的有機質(zhì)、黃鐵礦等還原性物質(zhì)，使鈾在其中不斷富集成礦[9]。元素錄井根據(jù)這一理論，結(jié)合A井測井解釋結(jié)論與元素數(shù)據(jù)綜合分析，提出用來評判砂巖物性好壞的物性指數(shù)——元素物性指數(shù)，是反映儲層膠結(jié)致密程度及孔隙度高低的一項綜合性參數(shù)。根據(jù)元素錄井歸一化計算公式分別計算硅質(zhì)、泥質(zhì)、灰質(zhì)、云質(zhì)的含量[10]。

本研究從巖石化學(xué)特征出發(fā)，對比研究電測電阻率、自然電位與元素曲線之間的關(guān)系，總結(jié)出砂巖物性參數(shù)計算公式：砂巖物性指數(shù)=砂質(zhì)/(泥質(zhì)+灰質(zhì)+云質(zhì))。通過物性指數(shù)與砂泥巖指數(shù)疊加圖(圖7)可以看出，電測顯示低電阻率、高自然電位的致密層對應(yīng)元素物性指數(shù)表現(xiàn)出異常低值特征。賦礦層元素物性指數(shù)呈中低值，往往位于物性指數(shù)和砂泥巖指數(shù)交會反轉(zhuǎn)處。元素曲線特征說明鈾礦易賦存于物性由中上至中下的過渡帶，同時也是處于泥質(zhì)含量變化的過渡帶上。這一元素特征與鈾礦易賦存于砂巖前峰線低滲透帶的賦礦理論相符，因而通過元素錄井技術(shù)可以在縱向上根據(jù)物性指數(shù)和砂泥巖指數(shù)交會曲線確定鈾礦易賦存巖層位置。如果同一區(qū)塊元素錄井的數(shù)據(jù)庫可以滿足建立礦層?xùn)艩顖D要求的前提，則可以利用元素錄井技術(shù)在橫向上完成對鈾礦易富集巖層的追蹤對比。

1.5 運用XRF錄井技術(shù)實行礦層評價

通過元素測量的U含量曲線與測井放射性伽馬曲線對比可以看出，元素U曲線形態(tài)與電測伽馬曲線相似度較好(圖8)。根據(jù)錢家店地區(qū)砂巖鈾礦的形成機理，鈾礦的富集經(jīng)歷了“沉積預(yù)富集-層間滲入成礦-油氣改造富集成礦-油氣還原富礦”階段[11]，因此U元素富集需要還原環(huán)境的背景條件。通過對A井測井解釋結(jié)果與元素數(shù)據(jù)的對比分析發(fā)現(xiàn)，賦礦層與元素U和S含量具有較好的相關(guān)性，S元素作為還原環(huán)境的特征元素在礦化層及工業(yè)礦層中含量明顯要比表外礦和非礦層高。本研究根據(jù)XRF分析出的鈾與硫含量創(chuàng)建了一套砂巖型鈾礦床元素錄井礦層評價圖板(圖9)和評價標(biāo)準(表3)。該標(biāo)準定義：當(dāng)樣品XRF測量U含量≥5.4×10-6之間且S含量>0.45%時為工業(yè)礦層；當(dāng)U含量在2×10-6～5.4×10-6且樣品XRF所測S含量>0.45%時為礦化層；當(dāng)樣品XRF所測U含量在2×10-6～5.4×10-6之間且樣品XRF所測S含量在0.1%～0.45%之間時為表外礦層；除這三種情況以外均為非礦層。

表3 元素錄井礦層評價標(biāo)準

圖9 A井元素錄井礦層評價圖板

綜合錢家店工區(qū)A井砂泥巖指數(shù)、氧化還原指數(shù)、物性指數(shù)、U、S以及元素錄井礦層評價結(jié)果繪成A井元素錄井綜合圖(圖8)，可以看出元素解釋賦礦層段基本與測井解釋層段對應(yīng)且礦層評級基本一致。鈾礦賦存位置對應(yīng)物性指數(shù)與砂泥巖指數(shù)交會反轉(zhuǎn)處，XRF測得賦礦砂巖的U、S元素同時異常高值，礦層發(fā)育層段整體氧化還原指數(shù)值偏高，局部中低值，屬于還原環(huán)境為主，局部包含氧化帶前峰的環(huán)境，說明富礦砂巖目前處在氧化-還原過渡環(huán)境中。

圖8 A井元素錄井綜合圖

2 應(yīng)用效果驗證

為了驗證本研究成果在砂巖型鈾礦中的實用性和通用性，選取青海省海西蒙古族藏族自治州西部花土溝七個泉工區(qū)砂巖型鈾礦井B井來驗證相關(guān)技術(shù)。B井所在工區(qū)的鈾礦主要賦存于新近系獅子溝組砂礫巖中，通過B井元素錄井綜合圖(圖10)可以看出：

圖10 B井元素錄井綜合圖

(1)賦礦砂巖處于物性指數(shù)與砂泥巖指數(shù)頻繁交會地帶，屬于巖性尖滅帶或者砂巖前峰線附近。

(2)測井解釋為工業(yè)礦層和礦化層的賦礦砂礫巖其對應(yīng)的氧化還原指數(shù)、S含量比非礦層段明顯高一個等級。

(3)XRF測量的U含量曲線與電測伽馬以及照射γ曲線形態(tài)相似度較高，說明XRF錄井技術(shù)能在現(xiàn)場對鈾礦層進行實時識別。

(4)利用XRF錄井鈾礦評價標(biāo)準評價出的元素解釋賦礦層段基本與測井解釋層段對應(yīng)，只是在礦層級別上由于二者評價方法不同最終表現(xiàn)出元素錄井礦層劃分比測井解釋更精細。

3 結(jié) 論

通過研究井與驗證井的應(yīng)用效果論證，闡明XRF錄井技術(shù)在砂巖型鈾礦床賦礦砂巖的勘探、篩選和礦層評價中可以發(fā)揮重要的作用?，F(xiàn)將其作用總結(jié)歸納如下：

(1)XRF錄井技術(shù)可以對賦礦砂巖類型進行分析，賦礦砂巖類型的確定可以為下一步找尋賦礦層縮小范圍。

(2)元素錄井砂泥巖指數(shù)可以有效區(qū)分成熟度較低的砂巖與泥巖，提高巖性定名精準度，確定賦礦巖性。

(3)元素錄井可以進行氧化還原指數(shù)分析以及完成對還原環(huán)境特征礦物黃鐵礦(FeS2)的追蹤識別，更容易探尋到利于鈾礦富集的還原環(huán)境。

(4)元素錄井物性指數(shù)能夠分析出賦礦巖石物性特征，從而為橫向追蹤對比鈾礦富集層提供依據(jù)。

(5)元素錄井運用與鈾礦品級高低密切相關(guān)的U和S建立了元素礦層評價標(biāo)準以及解釋評價圖板，可以在鉆井現(xiàn)場對礦層進行實時評價。

綜上，XRF錄井技術(shù)可以在砂巖型鈾礦床的井筒資料錄取和解釋、勘探選址、滾動開發(fā)及新區(qū)研究方面發(fā)揮重要作用。需要說明的是，由于目前元素錄井的數(shù)量有限，本研究所總結(jié)的技術(shù)成果和礦層解釋評價標(biāo)準門限值可能不能滿足所有井的需求，還有待在以后實際應(yīng)用中進一步完善和修正。