俞礽安，孫大鵬，周小希，鄧 凡，司慶紅，胡永興

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037；2.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170；3.中國地質(zhì)調(diào)查局鈾礦地質(zhì)重點實驗室，天津 300170；4.中國地質(zhì)調(diào)查局呼和浩特自然資源綜合調(diào)查中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010090；5.甘肅省地質(zhì)調(diào)查院，甘肅 蘭州 730000)

近年來，鑒于鄂爾多斯盆地大營鈾礦“煤鈾兼探”、松遼盆地錢家店鈾礦“油鈾兼探”的成功案例，煤、油氣田原有鉆孔資料，尤其是測井資料在鈾礦選區(qū)、找礦勘查中的“二次開發(fā)”得到足夠重視[1-4]。然而，鈾礦勘查應(yīng)用的是定量伽馬測井，用于獲取鈾礦品位、厚度和深度等信息[5]，但煤、油氣田勘探應(yīng)用的是自然伽馬測井和自然伽馬能譜測井，用于開展油氣生油巖評價、高放射性異常層的識別及沉積環(huán)境評價等[6-10]。因為應(yīng)用目的不同，二者測量的γ 射線能力范圍不一。加之，自然伽馬數(shù)據(jù)的單位為 API 或cps，而定量伽馬數(shù)據(jù)的單位為nC/(kg·h)(照射量率)或%，兩者量綱不同，數(shù)量級也不同，無法直接比較。因此，在實際工作中，煤、油氣田鉆孔測井資料不能直接應(yīng)用于鈾礦勘查。將煤、油氣田鉆孔測井資料有效應(yīng)用于鈾礦勘查和資源評價是“煤鈾兼探”“油鈾兼探”有待突破的關(guān)鍵方向。近年，有學(xué)者研究了自然伽馬和定量伽馬之間的換算關(guān)系，并將其應(yīng)用在鈾礦化類型的解釋[11-13]。鑒于鈾礦選區(qū)和找礦需要，有必要對自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)批量化處理、解釋和鈾資源量估算，但目前這方面尚少有探索。

鄂爾多斯盆地西南緣彭陽地區(qū)的部分煤、油氣田鉆孔測井資料顯示，下白堊統(tǒng)洛河組、華池?環(huán)河組砂巖中存在大范圍的強(qiáng)自然放射性異常。經(jīng)過鉆探驗證，已揭露了多處工業(yè)鈾礦體。通過彭陽地區(qū)油田鉆孔自然伽馬測井和驗證孔定量伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)的回歸分析，探索性地研發(fā)定量伽馬、礦體的品位、平米鈾量等參數(shù)的經(jīng)驗預(yù)測模型和計算程序。研究成果可為其他煤、油氣田利用鉆孔測井?dāng)?shù)據(jù)開展鈾資源評價提供參考。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是位于我國北方的大型中生代內(nèi)陸沉積盆地之一。盆地蘊藏豐富的石油、天然氣、煤炭、鈾礦等能源礦產(chǎn)資源，已發(fā)展成為我國重要的能源礦產(chǎn)基地。彭陽鈾礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南緣地區(qū)的天環(huán)向斜一級構(gòu)造單元內(nèi)(圖1a)。鉆孔揭露地層以中新生代地層為主，由老至新為：早白堊世志丹群(K1zh)，包括洛河組(K1l)、環(huán)河華池組(K1h)、羅漢洞組(K1lh)及涇川組(K1jc)，新近紀(jì)甘河溝組(N2g)及第四系[14-15](圖1b)。鄂爾多斯盆地西南緣地區(qū)分布大量油氣田鉆孔。對這些油氣田鉆孔的自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)篩選，在洛河組地層中發(fā)現(xiàn)了大范圍的厚層放射性異常。經(jīng)鉆探驗證，揭露了多個工業(yè)鈾礦體。含鈾礦砂巖主要為風(fēng)成沉積的中細(xì)砂巖[16](圖2)。

圖1 鄂爾多斯盆地地質(zhì)簡圖及地層柱狀圖Fig.1 Geological map and stratigraphic histogram of the Ordos Basin

圖2 彭陽地區(qū)驗證鉆孔綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of verification borehole in the Pengyang area

2 鈾資源評價原理及方法

2.1 利用自然伽馬估算礦層平米鈾量原理

定量伽馬測井儀和自然伽馬測井儀的電路設(shè)計相似，但區(qū)別在于：自然伽馬測井儀測量的是巖層中天然存在的放射性核素(如40K、232Th、238U 等)在衰變過程中釋放出來的伽馬射線總量；定量伽馬測井儀由于鉛錫屏蔽裝置的存在，屏蔽了低能γ 散射射線[17]，測量的是能量大于400 keV 的γ 射線總量。

為了解決利用自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行鈾資源量估算和預(yù)測的難題，在油田鉆孔附近實施鉆孔驗證。在對比分析驗證鉆孔定量伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)和油田鉆孔自然伽馬數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)礦層平米鈾量篩選計算軟件，極大地加快了資源量評價效率。單個礦層的資源量(平米鈾量)主要由“品位、厚度、巖性、密度”4 種參數(shù)組成。因可滲透性砂巖的密度一般為2.0 g/cm3左右，所以起主導(dǎo)作用的是前3 種參數(shù)。因此，利用自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)估算礦層平米鈾量可分為3 部分內(nèi)容：①建立自然伽馬和鈾礦層放射性元素含量的相關(guān)性來確定礦層品位；② 通過礦層平米鈾量篩選計算軟件自動檢測出邊界品位以上的礦層厚度；③通過常規(guī)測井曲線所編制的巖性交會圖確定巖性識別參數(shù)(圖3)。

圖3 利用自然伽馬測井估算礦層平米鈾量的流程Fig.3 Process of calculating uranium content square meter by using natural gamma logging data

2.2 鈾資源評價方法

2.2.1 油田孔自然伽馬與驗證孔定量伽馬數(shù)據(jù)關(guān)系

本研究在鄂爾多斯盆地西南緣彭陽地區(qū)篩選了9 口具有高自然伽馬異常的油田孔，在距其5～20 m 處實施鉆探進(jìn)行驗證。

研究表明，引起自然伽馬異常的放射性元素有鈾、釷、鉀3 種[18]。本研究選取具有不同伽馬異常的巖石樣品86 件，開展鈾、釷、鉀元素含量分析，旨在確定砂巖中產(chǎn)生高自然伽馬異常的主控元素。從自然伽馬幅值與鈾、釷、鉀3 種元素含量的一元線性回歸分析對比圖可知(圖4)，自然伽馬幅值與鈾、釷、鉀元素含量之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.419 6、0.002 4、0.002 1。鈾元素含量與自然伽馬幅值之間的相關(guān)關(guān)系較為顯著，而釷、鉀元素含量與自然伽馬幅值之間的相關(guān)關(guān)系較弱。由此可知，研究區(qū)的放射性異常主要是由鈾元素引起的，自然伽馬值高表征巖石具有高鈾含量。

圖4 彭陽地區(qū)伽馬值與鈾釷鉀元素數(shù)值相關(guān)性Fig.4 Correlation of gamma data and the contents of U,Th,K in Pengyang area

原油田鉆孔自然伽馬與驗證鉆孔FD3019 的定量伽馬測井曲線異常對應(yīng)關(guān)系明顯(圖5)，但存在一定的深度差異。以定量伽馬深度為基準(zhǔn)，采用異常極大值匹配法，完成了2 條測井曲線的深度校正。在此基礎(chǔ)上，通過兩類數(shù)據(jù)的線性相關(guān)分析，建立了基于鈾含量表征的油田鉆孔自然伽馬回歸解釋模型：

圖5 油田鉆孔和驗證鉆孔的伽馬測井曲線對比Fig.5 Comparison of logging curves between the verification borehole and oil borehole

式中：y為鈾含量(品位)，0.01%；x為伽馬值，API。圖中R2為相關(guān)系數(shù)。

經(jīng)計算得出，F(xiàn)D3019 測井獲得的鈾含量與自然伽馬幅值之間的相關(guān)系數(shù)為0.839 4(圖6)，表明二者之間的相關(guān)關(guān)系較為顯著。

圖6 自然伽馬和定量伽馬的線性關(guān)系Fig.6 Linear relationship between natural gamma and quantitative gamma

同理，將其他8 口驗證鉆孔與對應(yīng)的油田孔的定量/自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，獲得二者的相關(guān)性分析結(jié)果并求平均值，建立彭陽地區(qū)自然伽馬值和定量伽馬測定的鈾含量之間的回歸模型。可據(jù)此將研究區(qū)其他未驗證的油田鉆孔自然伽馬數(shù)值換算出相應(yīng)的鈾含量。

2.2.2 礦層的識別

1) 礦層分類標(biāo)準(zhǔn)

利用礦層平米鈾量軟件對自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行提取和轉(zhuǎn)換，以獲得鈾含量(品位)、厚度和平米鈾量數(shù)據(jù)。根據(jù)EJ/T 1157?2018《地浸砂巖型鈾礦地質(zhì)勘查規(guī)范》的要求，礦層可分為異常層、礦化層和工業(yè)礦層，三者的數(shù)值范圍標(biāo)準(zhǔn)為：

異常層品位為(50～100)×10?6eU(百萬分之一的當(dāng)量鈾)；礦化層品位為100×10?6eU 以上，平米鈾量為小于1 kg/m2；工業(yè)礦層品位為100×10?6e U 以上，平米鈾量為大于或等于1 kg/m2。

2) 礦層厚度確定

由于解釋的單元層厚度為10 cm，在確定礦層邊界時需要將礦段兩個邊界的單元層位置向外各推5 cm。因此，礦層厚度H的計算公式為：礦層厚度H=礦段底部深度－礦段頂部深度＋1 個單元層厚度，即H=Σhi(包含外推的單元層，hi為單元層厚度)。如果2層礦中間的夾層厚度小于用戶給定的“最小夾層厚度時”，需將把2 層礦合并到一起進(jìn)行計算和解釋。

3) 礦層品位確定

礦層邊界品位確定方法：采用邊界大于給定含量的邊界單元層，與其相鄰的礦段外小于給定單元層品位的平均值，即將礦層的邊界品位與其外部單元層平均值作為邊界品位。因此，礦段平均品位由各個單元層的厚度進(jìn)行加權(quán)平均而得(2 個邊界點所代表的厚度各為5 cm，其余單元層代表的厚度為10 cm)，礦層的平均品位計算公式為：

式中：qi為單元層含量，包含兩端外推的含量，%；hi為單元層厚度，m。礦層米百分?jǐn)?shù)為礦層平均品位與礦層厚度的乘積，礦層平米鈾量為礦層的米百分?jǐn)?shù)與礦石密度的乘積。

4) 礦石密度確定

本研究是建立在對煤田或油田鉆孔高放射性自然伽馬測井驗證的基礎(chǔ)上，礦石的密度主要是使用驗證鉆孔中礦石的密度樣分析結(jié)果，而不是參考密度測井?dāng)?shù)據(jù)。驗證鉆孔中的礦石密度數(shù)據(jù)分別為：ZK01 和ZK02 孔礫巖礦層密度為2.3 g/cm3左右，其他鉆孔砂巖礦層密度為2.1 g/cm3左右，具體詳見表1。

表1 驗證鉆孔中的自然伽馬與定量伽馬含礦層解釋結(jié)果對比Table 1 Comparison of interpretation results of natural gamma and quantitative gamma logging in the verification boreholes

5) 物探參數(shù)修正

目前，彭陽地區(qū)鈾礦勘查工作處于調(diào)查階段，工作程度較低。鈾鐳平衡系數(shù)、射氣系數(shù)、濕度等參數(shù)還需進(jìn)一步確定。根據(jù)勘探經(jīng)驗，程序默認(rèn)鈾鐳平衡系數(shù)為1.0，射氣系數(shù)為0，礦石濕度為0，砂巖鈾儲層中的釷、鉀元素一般含量較低，干擾小，此次也未進(jìn)行修正。

2.2.3 巖性解釋

含礦目的層中巖石往往不是單一的巖性，需要按巖性進(jìn)行礦段統(tǒng)計。在劃分巖性的基礎(chǔ)上對含礦目的層的常規(guī)測井響應(yīng)特征進(jìn)行分析，重點分析異常層的巖性與物性特征。同時，結(jié)合地質(zhì)編錄資料的地層巖性信息，分析不同巖性地層的測井響應(yīng)特征，建立適用于全井段的巖性識別標(biāo)準(zhǔn)[19]。彭陽地區(qū)9 口鉆井中洛河組的巖性主要為礫巖、粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖。對比分析常規(guī)測井曲線與鉆孔巖心編錄資料，重點利用自然伽馬、三側(cè)向視電阻率、井徑、密度測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行巖性識別研究，得到不同巖性的測井?dāng)?shù)值統(tǒng)計結(jié)果(圖7)。三側(cè)向視電阻率的巖性區(qū)分效果較好，沉積巖中碎屑巖地層劃分標(biāo)準(zhǔn)為：礫巖(450～650 Ω·m)、粗 砂 巖(400～600 Ω·m)、中 砂 巖(380～500 Ω·m)、細(xì) 砂 巖(150～280 Ω·m)、粉 砂 巖(50～150 Ω·m)和泥巖(30～50 Ω·m)；聲波時差、密度和自然伽馬測井對不同巖性的區(qū)分度不高，難以從單一測井曲線上有效識別巖性。例如，自然伽馬曲線難以區(qū)分泥巖和具有放射性的砂巖。

圖7 研究區(qū)洛河組不同巖性地層的常規(guī)測井響應(yīng)特征Fig.7 Conventional logging response characteristics of different lithologic strata of Luohe Formation in the study area

交會圖版法是劃分巖性的最直觀、有效的方法。為了在交會圖上直觀地區(qū)分不同巖性，需要綜合應(yīng)用各種測井信息來繪制不同組合的交會圖。通過對比分析研究區(qū)3 種不同測井參數(shù)的識別效果可以看出，視電阻率與密度交會圖版的巖性識別效果比其他2 種更佳(圖8)。視電阻率與密度交會圖版顯示，隨著巖石粒級逐漸變大(即，泥巖到粗砂巖)，密度值逐漸減小，視電阻率逐漸增大。而中砂巖和粗砂巖樣點存在部分重疊，可能是區(qū)內(nèi)砂巖中存在孔隙度差異以及粒度不均一所致，二者在測井參數(shù)交會圖中難以有效識別。

圖8 研究區(qū)不同測井參數(shù)交會圖Fig.8 Crossplot map of different logging parameters in the study area

3 礦層平米鈾量篩選計算軟件功能

礦層平米鈾量篩選計算軟件主要由兩大功能模塊組成(圖9)，分別為巖性解釋、含礦層篩選和批量化處理。

圖9 礦層平米鈾量篩選計算模塊Fig.9 Calculation module of uranium content in square meters of ore horizon

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于煤田或油田鉆孔測井?dāng)?shù)據(jù)因環(huán)境因素、井眼、儀器類型及刻度等的不同而有所差異。因此，在應(yīng)用礦層平米鈾量軟件處理數(shù)據(jù)前，需要對每口鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，比如對不同參數(shù)和類型的探管及其刻度進(jìn)行重新分析和計算以及開展井徑等校正。由于在短時間內(nèi)難以實現(xiàn)軟件功能升級，可以暫時利用其他測井軟件。比如，利用煤田和鈾礦測井軟件對測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，同時對這些數(shù)據(jù)按照測井環(huán)境、儀器類型進(jìn)行分類，為后續(xù)的批量處理做準(zhǔn)備。同時，實際工作中不可避免地存在部分鉆孔的測井?dāng)?shù)據(jù)過于老舊，其測井環(huán)境、儀器類型等信息無法獲取。在這種情況下，僅能參考相鄰鉆孔對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

3.2 曲線識別

為解決不同工作區(qū)內(nèi)測井曲線命名方式存在差異的問題，軟件可以設(shè)置精確匹配和模糊匹配2 種方式。在曲線類型中輸入對應(yīng)的曲線代碼或名稱可實現(xiàn)精確匹配曲線類型和單位，而模糊匹配則通過輸入一個或多個關(guān)鍵字符來識別曲線，識別結(jié)果或未識別的曲線可以通過下拉菜單來修改曲線類型，不需要的曲線可選擇忽略。

3.3 巖性解釋

根據(jù)調(diào)查區(qū)內(nèi)巖石主要物性參數(shù)特征，設(shè)置不同巖石巖性的測井參數(shù)范圍(圖10)。含礦層巖石巖性解釋的主要目的是區(qū)分砂巖和泥巖。為提高含礦層巖石巖性解釋的精準(zhǔn)度，可通過視電阻率、密度、聲波時差和自然電位等多個參數(shù)來共同識別巖性。

圖10 巖性解釋模塊Fig.10 Lithologic interpretation module

3.4 含礦層篩選和批量化處理

核工業(yè)系統(tǒng)解釋含礦層信息是通過定量伽馬探管測得地層伽馬脈沖數(shù)(CPS)，經(jīng)探管標(biāo)定系數(shù)轉(zhuǎn)換為單元層照射量率(nC/(kg·h))，再經(jīng)過照射量率換算系數(shù)轉(zhuǎn)換為單元層含量品位(%)。

本軟件含礦層篩選模塊是通過在調(diào)查區(qū)內(nèi)建立的自然伽馬與含礦層品位相關(guān)關(guān)系，即y=Ax+B，輸入邊界品位轉(zhuǎn)換參數(shù)A和B。將單個鉆孔的自然伽馬值轉(zhuǎn)換為品位數(shù)據(jù)，使用手動輸入邊界品位篩選閾值(按照上述礦層分類標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行篩選。首先對目錄文件夾內(nèi)的數(shù)據(jù)文本進(jìn)行識別和匹配，確保測井曲線均為可用數(shù)據(jù)后便可執(zhí)行計算。計算結(jié)果包含篩選后的含礦層深度、厚度、品位、米百分?jǐn)?shù)、平米鈾量以及含礦段巖性占比信息等。

最小夾層厚度的界定：含礦層解釋可以依據(jù)巖性分別設(shè)置含礦層最小夾層厚度，也可以手動對含礦層進(jìn)行拆分或合并。根據(jù)EJ/T 1214?2016《地浸砂巖型鈾礦資源/儲量估算指南》要求，泥巖礦段不參與平米鈾量合并計算，即泥巖厚度輸入0；砂巖層最大夾層厚度為7 m，即輸入7。另外，在同一個礦區(qū)中，多口鉆孔的測井環(huán)境、井眼條件以及儀器類型和刻度相同的情況下，該軟件設(shè)置了文件批量處理功能，可實現(xiàn)對多口鉆孔進(jìn)行批量化處理，有效提高測井?dāng)?shù)據(jù)篩選和評價的工作效率。

4 評價方法檢驗

為了驗證礦層平米鈾量篩選計算程序的解釋效果，本研究利用該軟件將驗證鉆孔的自然伽馬數(shù)據(jù)提取出相應(yīng)的厚度、品位、平米鈾量等數(shù)據(jù)，并與定量伽馬FD3019 測井獲得的平米鈾量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。從表1中可以看出，兩者在測井解釋的深度、厚度、品位、平米鈾量上誤差均很小。自然伽馬異常與定量伽馬解釋結(jié)果關(guān)系表明，三者的相關(guān)系數(shù)分別為0.999 3，0.775 6，0.998 2(圖11)，整體吻合度較好。尤其是在厚層穩(wěn)定的含礦層中，品位誤差較低；但在薄層中的解釋誤差要大一些。經(jīng)分析認(rèn)為，薄層中定量伽馬測井測量要求測速較低，其分辨能力更高。二者對薄層的分辨能力差別是引起解釋誤差的原因所在。綜上所述，利用礦層平米鈾量篩選計算程序，利用自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)可有效評價含礦層信息并估算鈾資源量，且對穩(wěn)定發(fā)育的厚層含礦層解釋有更高的精準(zhǔn)度。

圖11 自然伽馬異常與定量伽馬解釋結(jié)果關(guān)系Fig.11 Relationship of interpretation in natural gamma abnormal and quantitative gamma

5 結(jié) 論

a.通過對比分析彭陽地區(qū)油田鉆孔的自然伽馬和驗證孔定量伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)，明確了含鈾砂巖的不同綜合測井響應(yīng)特征，建立了基于自然伽馬測井信息的鈾礦層識別和品位評價的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

b.利用研發(fā)的礦層平米鈾量篩選計算軟件對油田測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行鈾礦層的品位、平米鈾量計算。通過檢驗對比，利用礦層平米鈾量參數(shù)可從自然伽馬曲線提取出相應(yīng)的礦層信息，包括含礦層的深度、厚度、品位、平米鈾量等，且與定量伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)吻合度相對較好，尤其是穩(wěn)定發(fā)育的厚層含礦層解釋誤差較小。

c.本方法的算法設(shè)計及程序開發(fā)尚處于初期，還存在一些難題需要后續(xù)深入研究解決。如，煤、油氣田的老井中測量系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)不一致，單井?dāng)?shù)據(jù)的環(huán)境校正、多井?dāng)?shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化難題；如何利用取樣測得的巖石巖心孔隙度校正測井計算的孔隙度，進(jìn)一步提高鈾資源儲量估算的準(zhǔn)確性等。

致謝：感謝東華理工大學(xué)封志兵博士、核工業(yè)二四三大隊黃笑高級工程師在成文過程中給予了幫助和指導(dǎo)，在此一并表示衷心感謝!