焦家金矿带3000m科研深钻地球物理测井及初步分析

熊玉新，于学峰，迟乃杰，杨德平，王新娥

(1.山东省地质科学研究院，国土资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室，山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，山东 济南 250013；2.中石化胜利石油工程有限公司测井公司，山东 东营 257096)

0 引言

在科研钻探中,测井作为关键技术之一,与钻探取心和岩心测试构成了科研钻探的完整体系。在过去的50年间，科研钻探作为探测地壳浅层的直接手段，在西方国家得到高度重视和较大的发展。迄今为止,已有美国、前苏联、德国等多个国家开展了科研钻探的测井研究,测井资料已应用到众多科学领域,并取得了显著成绩[1]。2000年以来，我们国家先后开展了海洋科学钻探计划(ODP)和大陆科学钻探计划(ICDP)，2001年实施的中国第一口大陆科学深钻(5158m)采用了各种先进的测井技术,为地质学研究提供了大量测量数据，并取得了丰硕的研究成果[2-7]。2010年山东黄金集团围绕三山岛断裂带超深部成矿问题在该地区进行了科研钻探(4006.17m)，随后开展了多项测井项目，测井数据为破碎带识别和黄铁矿等硫化物分布提供了重要信息[8]。

近年来，山东地质工作者围绕焦家断裂带深部成矿问题做了大量研究预测工作[9-15]。焦家带3000m勘查科研深钻是山东省地质科学研究院为验证焦家断裂带超深部成矿问题实施的科研钻探。科研深钻位于胶西北金矿集中区焦家断裂带和三山岛断裂带之间,岩性自上而下为英云闪长质片麻岩、斜长角闪岩、黑云二长花岗岩、花岗质碎裂岩、花岗质蚀变岩。钻孔于2016年4月开钻,2017年8月终孔，历时484天，终孔深度3266.06m，成功控制了焦家金矿带的3000m深度的蚀变矿化特征，控制金矿化带180.69m，发现金矿体6层，矿体总厚度25.20m，其中工业矿体厚度7m，品位3.13×10-6，最高品位达13.65×10-6，为国内最深见金矿钻孔。该文将简单介绍焦家带3000m勘查科研深钻测井实施情况和测井初步研究成果。

1 测井实施情况

采用金刚石小口径绳索取心完成的焦家断裂带3000m深度控矿岩心钻探，开孔孔径175mm,终孔孔径98mm，钻孔编号ZK01。测井工作由中石化胜利石油工程有限公司测井公司完成，测井施工为三开(中间)、四开(完井)裸眼测井施工,测井项目主要包括自然电位、自然伽马、自然伽马能谱、双侧向、岩性密度、补偿中子、偶极阵列声波、电阻率、井径、井斜-井斜方位角、井温、激电、磁化率测井。

2 主要测井项目简述

岩性密度测井：使用伽马源发射出的中低能量伽马射线轰击岩石, 可以同时给出岩石的密度和光电吸收指数，用于发现岩石中的重矿物,划分岩性。

补偿中子测井：通过判断结晶岩石中是否有含水矿物,并根据含氢量划分岩性。主要用于识别孔隙性地层和估算孔隙度。将补偿中子和密度测井相结合能够提供精确的地层评价资料。

声波测井：通过提取纵波、横波及斯通利波速度和各波组分的频谱分析数据，结合密度参数用于计算各种岩石力学参数,研究岩石的各向异性和分析岩石应力。

双侧向电阻率测井：通过提供一条深探测电阻率和一条浅探测电阻率曲线，用来确定地层真电阻率，可以划分岩性、研究破碎带的性质等。

自然伽马能谱测井：通过测量岩石总的自然伽马射线强度和地层中铀(U)、钍(Th)和钾(K)的含量，用于划分钻孔岩性剖面,研究沉积或变质环境,发现放射性岩石。

井温测井：是一种传统的测井方法,测井电缆头上带有1～2个水银温度计，当仪器提升或下放过程中，温度计可测量相应深度的温度。

激电测井：是勘查多金属和贵金属硫化物型金属矿床的重要手段之一，其所测得的视电阻率和视极化率对矿(化)体的反映最佳，可以作为确定矿(化)体位置的首选参数。

3 岩浆岩与变质岩的测井响应分析

前人在实验室岩石物性方面已有很多研究成果，但国内目前全面使用先进的石油测井仪器,研究岩浆岩与变质岩的测井响应还比较少[16-17],其测井响应特征分析具有探索性。

测井响应特征分析过程，即对测井曲线进行预处理和整理，将不同次测井曲线拼接起来使其具有较好的连续性，并进行深度校正等工作。在此基础上，参考岩心编录等资料对测井曲线进行分层并确定每一层的岩性，提取各层岩石的测井响应特征值，按照岩性进行整理统计，以开展岩浆岩与变质岩的测井响应特征研究。

3.1 岩性识别方法及测井响应特征

ZK01孔岩性种类较多，各种岩性测井响应特征变化具有一定的规律性。利用自然伽马、密度、中子和电阻率等测井曲线能够划分岩性。ZK01孔岩性主要为斜长角闪岩、英云闪长质片麻岩、黑云二长变粒岩、黑云二长花岗岩等。

针对已知岩性应用多种测井数据分别制作自然伽马-密度、钾-铀、中子-密度，自然伽马-声波交会图分析各类岩性测井响应特征(图1),从而确定岩性划分准则。

利用交会图可以直观、方便的表示和了解各类岩性在不同测井值上的分布区域，可以判断各岩性在测井值上的重合与差异情况。由图1可见，利用现有的测井资料可很好地区分英云闪长质片麻岩、斜长角闪岩、二长花岗岩以及石英闪长玢岩。自然伽马测井对岩性反映最为敏感，一般情况下，斜长角闪岩、英云闪长质片麻岩、二长花岗岩、石英闪长玢岩的放射性强度依次增高。由于黑云二长变粒岩与英云闪长质片麻岩矿物成分相近、测井特征相似，利用现有的测井资料不能有效地鉴别，但通过自然伽马和声波交会图对比可见，二者声波时差略有差别，黑云二长变粒岩声波数值多大于54μs/ft，英云闪长质片麻岩数值多小于54μs/ft。

3.2 岩性分析实例

a—ZK01孔自然伽马-密度交会图；b—ZK01孔钾-铀交会图；c—ZK01孔中子-密度交会图；d—ZK01孔自然伽马-声波交会图图1 ZK01孔测井数据交会图

根据测井交会图识别结果，对目的层段进行了岩性识别。图2为斜长角闪岩测井曲线图，从图中可看出该孔斜长角闪岩大致分为3种情况。①致密斜长角闪岩：测井曲线特征显示为大中子、高密度、低自然伽马数值。②绿泥石化、绿帘石化或阳起石化角闪岩：密度、声波数值与致密斜长角闪岩基本一致，中子数值增大明显。③岩石破碎的斜长角闪岩：由于岩石破碎，地层裂缝发育，测井曲线显示为中子、声波数值增大，密度数值减小，电阻率数值异常降低。

图2 ZK01孔斜长角闪岩测井曲线图

黑云二长变粒岩由于与英云闪长质片麻岩矿物成分基本接近，因此测井特征也基本一致。密度测井值主要分布在2.68～2.80g/cm3；中子测井值主要分布在2%～5%；声波测井值主要分布在52～58μs/ft；受黑云母自然伽马数值较高的影响，黑云二长变粒岩自然伽马测井值分布范围广，但峰值主要分布在40～80API，电阻率测井值主要分布在100.0～2000.0Ω·m(图3)。

图3 ZK01孔黑云二长变粒岩频率直方图

黑云二长花岗岩是一种酸性岩浆侵入地壳浅部冷凝后形成的岩石，具有大致相等数量的碱性长石和斜长石，含有少量黑云母。其具有二长结构,即一种半自形粒状结构,其特征是斜长石的自形程度高于碱性长石。ZK01孔岩浆岩主要为黑云二长花岗岩，从测井曲线分析认为，岩石多处破碎。测井曲线的数值变化与岩石的破碎程度直接相关，岩石破碎越严重，测井曲线数值变化幅度越显著。通常中子、声波数值增大，密度、电阻率数值降低。

黑云二长花岗岩的密度测井值主要分布在2.702～2.712g/cm3；中子测井值主要分布在-0.3%～0.5%；声波测井值主要分布在49.8～50.8μs/ft；自然伽马测井值主要分布在78～88API，黑云二长花岗岩具有较高的放射性；电阻率测井值在1000.0～4000.0Ω·m。

4 利用测井资料寻找破碎带

钻孔揭露的焦家断裂带是主要的金矿控矿构造，因此，利用测井资料识别破碎带、裂缝发育带从而寻找金矿床是一种有效的方法。

岩石破碎带是受地应力作用造成岩石脆性形变—断层或碎裂等形成的，它可以发生在不同岩性的岩石上。从测井显示特征上可将它们分为2类：一类为岩石破碎严重，常伴有井壁坍塌的断层破碎带；另一类为井壁坍塌轻微的裂缝发育带。首先可以利用测井响应特征确定断层及裂缝破碎带，其次参考主成分分析法以及偶极阵列声波幅度衰减法可以进一步判别。

4.1 常规资料识别

断层破碎带岩石较为破碎、孔壁垮塌，因此会造成测井数值较大异常变化。受到岩石破碎以及钻井液性质的影响，常规测井资料常见以下特征：井径数值增大；密度明显降低；中子曲线值异常增大；电阻率数值明显降低；声波时差大幅度增高。该孔的616～620.6m为典型的断层破碎带测井响应(图4)。

裂缝破碎带的测井显示特征与断裂破碎带基本相似，但只是对测井信息的影响程度较轻，声波数值降低，中子孔隙度和密度数值也略有增大现象，电阻率数值的高低与裂缝充填状况以及充填物性质有关。该孔的2879～2887m为裂缝破碎带的测井响应。

图4 断层破碎带测井特征图

4.2 主成分分析法

主成分分析法是霍特林于1933年首次提出的，主要是利用降维思想，把多指标转化成少数几个互相独立而且包含原有指标大部分信息的综合指标的多元统计方法。王新娥等[18]在山东黄金资源钻探井测井工作中使用该方法做了深入研究，取得了较好效果。应用主成分分析法对ZK01孔进行处理，通过裂缝指示特征曲线和主成分交会等方法综合划分了该孔的裂缝层段。如2802～2820m声波变化较小，而密度数值较低、中子增大，反映存在裂缝与破碎，2820～2892m裂缝发育较为破碎。

上述识别裂缝的方法，当裂缝含有水或有泥浆侵入时识别效果最好，但裂缝若被与地层岩石物理性质相近的矿物充填则识别能力较弱。该孔蚀变严重，多处由于硅化、钾化、黄铁矿化等作用的结果，导致了各种测井方法对裂缝的响应不敏感。只有综合测井资料并结合岩心编录资料才能有效的划分裂缝及破碎带。

5 岩石机械特性及地应力参数的估算

利用声波测井所获取的纵、横波信息结合密度以及泥质含量等曲线，可以计算一系列岩石力学参数。所计算参数包括：杨氏模量、剪切模量、体积模量、单轴抗压强等。

对5种主要岩性的杨氏模量进行统计表明：石英闪长玢岩分布在70～80GPa；斜长角闪岩分布在85～100GPa；英云闪长质片麻岩分布在65～80GPa；黑云二长变粒岩分布在65～75GPa；二长花岗岩分布在60～70GPa。相对而言，斜长角闪岩的杨氏模量最大。从分布范围上看，英云闪长质片麻岩、黑云二长变粒岩和二长花岗岩并不太容易被区分。

6 井温梯度计算

6.1 温度场基本特征

图5显示了ZK01孔所测的井温曲线，基本反映温度随深度的变化趋势。测井井温曲线在1719.2～1725.2m处，出现突变，反映当时测井的环境温度。综合分析各项测井资料，该井段为该孔的出水层段。

图5 ZK01孔井温曲线

6.2 井温梯度的计算

计算井温梯度的主要目的是分析井温的变化情况。尽管经过了滤波处理，井温数据仍然含有一定的误差和干扰成分，采用逐点计算的方法会引起井温梯度计算结果剧烈震荡，不便分析解释，该文选用了平均差分方法。

平均差分方法的基本原理是将某一深度段内井温值Ti用不同的差分距求出一组差分井温梯度值，然后求平均得到该段中心点的井温梯度，然后逐点滑动可计算出全井的井温梯度值。

其计算公式为：

式中：(△T/△Z)—第i点的井温梯度；△Z—测点深度间隔；Ti，Ti+j，Ti-j—相应点上的温度值。计算的井温梯度见图6。

图6 ZK01孔温度梯度曲线

7 激电测井解释—矿(化)体的异常特征

受断裂构造控矿作用影响，含金硫化物充填交代于碎裂带中。如碎裂带充水呈现低阻特性；由于金矿床经历多次成矿阶段形成，早期的石英脉充填作用方式以及围岩蚀变(主要为硅化、钾化)会使得局部矿体呈现出高阻，测井曲线上显示为孤峰正异常；在以交代作用方式成矿为主时，金属硫化物主要为黄铁矿，为主要载金矿物，以团块状、浸染状产出，其金属离子与自由电子含量较高，矿石成分以及结构构造具备良好的激发极化效应，呈现出高极化特性。

7.1 视电阻率特征

ZK01孔激电测井所测视电阻率曲线起伏波动比较大，变化范围主要在38～100000Ω·m，平均1318.5Ω·m。

视电阻率的高值区一般为致密的岩石或具有不同程度的蚀变如绢云母化、硅化、钾化及脉岩发育段。如深度1138～1177m、1280～1322m，1800m以下整体上电阻率表现出相对高阻夹低阻的强烈震荡特征，为底部花岗岩影响。较典型视电阻率的低值区处于断裂构造、岩石破碎、裂隙较为发育层段。

2418～3115m，其电阻率特点为高阻中夹杂低阻，推断主要为2种原因：一为主裂面及局部断裂面的影响；二为靠近断裂带上下盘附近岩石多极为破碎，多呈碎裂岩特征。依据以往结果，结合极化率测井，推断为2418m以下电阻率降低主要受含金硫化物影响。部分电阻率异常特征见表1。

表1 ZK01孔激电异常特征

7.2 视极化率特征

该孔视极化率曲线变化范围0.90%～13.3%，平均3.51%。总体上看该孔极化率场背景中等偏高，正异常值幅度较大，且具明显分层特性。激电异常主要反映区段在孔深1130～1140m，2485～3228m，其视极化率多大于5%，岩石蚀变较强，黄铁矿化强烈；1200～1700m极化率表现出高低震荡特征，显示出矿化不均一；1800～2440m极化率相对平缓，较为稳定单一，为典型非黄铁矿化层(图7)。

该钻孔深部所揭露矿化层为典型的低阻高极化类型，属于典型的蚀变碎裂岩型金矿，矿化层主要赋存区段为2820～2910m。从极化率曲线形态来看，从3122m到井底曲线逐渐收缩，趋于平稳，曲线开口呈现反向特征，推断井底附近无盲矿体。

8 结论

(1)焦家带3000m勘查科研钻测井工程使用多种测井方法,原位获取了大量宝贵的钻孔地球物理资料，实现了设计预定的数据采集目标，取得了丰富的初步解译研究成果。

(2)通过交会图等技术分析了不同岩石的测井响应特征，自然伽马测井对岩性反映最为敏感，中子、密度测井结合可有效的区分暗色矿物与浅色矿物。通过常规识别法和主成分分析方法相结合，有效的识别了断裂带。通过阵列声波测井对岩石机械特性及地应力参数估算，得出斜长角闪岩强度最大。实现了井温梯度的计算,井温梯度显示1715～1832m变化异常剧烈。

(3)利用激电测井结合其他测井资料，综合分析认为低阻高极化为深部矿化体主要异常特征。依据极化率曲线整体幅值及形态分析，2485～3122m为矿化较为集中部位，矿化体主要赋存在2820～2910m区段，属于典型的蚀变岩型金矿。

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