川东北中下三叠统含钾地层测井识别研究＊

刘铸，唐学渊，仲佳爱，盛德波，王富明，庞博

川东北中下三叠统含钾地层测井识别研究＊

刘铸，唐学渊，仲佳爱，盛德波，王富明，庞博

（四川省地质矿产勘查开发局四〇五地质队，四川 成都 611830）

在分析川东北早中三叠统蒸发岩成钾地质背景及岩性组合的基础上，开展了含钾地层测井识别方法的研究。系统分析了不同测井曲线对各岩性地层的响应特征，同时结合不同岩性地层对不同测井方法的响应不同，初步建立了自然伽马（GR）-声波时差（AC）-井径（CAL）、自然伽马（GR）-电阻率（RT）曲线重叠综合识别含钾地层模式，从而拓展了测井资料在四川盆地钾盐勘查中的应用，为四川盆地利用以往钻井资料进行钾盐勘查提供了坚实的基础。

钾盐；测井识别；杂卤石；富钾卤水

中国是一个农业大国，耕地大规模缺钾，致使中国钾盐消耗量达到世界消耗总量的五分之一，但是中国钾盐资源匮乏，钾肥大规模依靠进口，目前中国己成为世界上最大的钾肥进口国[1-2]。钾盐资源的匮乏不仅成为制约中国国民经济发展的最主要因素之一，而且严重影响到国家农业安全和社会稳定。

目前，开展钾盐资源勘查，并在最有可能获得突破的地区尽快寻找大型钾盐矿床是中国一项非常重要的任务。四川盆地中、下三叠统经历了较长的海水蒸发浓缩阶段，沉积了厚层的蒸发岩，经过几十年的钾盐勘查工作，川东北宣汉地区黄金口背斜三叠系杂卤石及富钾卤水等海相钾盐找矿取得了一定的成果[3-6]。但是，川东北钾盐资源多为深埋矿产，专门针对钾盐勘查的深钻资料较少，而石油部门的深钻资料缺少钾盐识别评价。所以开展川东北含钾地层测井识别研究，建立钾盐测井识别模式，可以为该地区利用石油测井资料开展钾盐找矿工作提供坚实基础。

1 地质背景及钾盐沉积

1.1 川东北早中三叠世成盐地质背景

研究区位于四川盆地东北部，构造上属于上扬子古陆块的西北缘，四川前陆盆地腹部。早中三叠世，上扬子地区为广海环绕的台地环境。早三叠世初期，上扬子古陆块地势上总体为西北高、东南低；至中三叠世，东南部江南古陆强烈抬升，西北部龙门山古陆下沉，使台地地势变为东南高、西北低，并最终迫使海水向西撤出扬子古陆[7-9]。所以四川盆地成为海水撤出台地前的最后盆地，聚集了高度咸化的海水，从而出现石盐甚至更高咸化阶段的盐类-钾镁盐沉积，如图1所示。

图1 四川三叠系中下统地层剖面略图[10]

1.2 蒸发岩岩性剖面

海水蒸发浓缩过程中，各种盐类按照溶解度的大小由小到大依次沉积，同一个蒸发沉积旋回中，依次沉积碳酸盐岩、石膏、硬石膏、石盐、泻利盐、钾盐等。钾盐由于在海水中溶解度比较大，所以在海水蒸发浓缩的最后阶段才析出。中下三叠统，四川盆地经历了较长的海水蒸发浓缩阶段，沉积了厚层的蒸发岩，发育了下三叠统嘉陵江组上部（五段）、中三叠统雷口坡组底部（一段）两段主要的含盐岩系[11-12]。含盐层基本岩性以白云岩为主，程度不等的夹有石灰岩、硬石膏、杂卤石、岩盐等碳酸盐、硫酸盐、氯化物岩层，其间常有一层灰绿色水云母黏土岩（“绿豆岩”）。

2 含钾地层测井识别方法

2.1 利用伽马曲线识别放射性与非放射性地层

自然伽马测井是以地层的自然放射性为基础，通过伽马射线探测器检测地层伽马射线强度的一种地球物理测井方法。地层岩石中，由于含有钾、铀、镭、钍等元素的放射性同位素，自然伽马测井可以检测到地层放射性异常。钾的同位素K40是放射性元素，地层中含钾时，自然伽马曲线幅度增高。所以，通过自然伽马测井可以识别出包括含钾地层在内的放射性地层，从而排除不可能含钾的非放射性地层。

2.2 放射性地层中非含钾地层区分

含钾地层由于K40的放射性在自然伽马曲线上表现出幅度增高的异常，但是除了钾同位素外，铀、镭、钍等元素的存在同样会导致自然伽马曲线产生异常响应。要想识别含钾地层，必须从放射性地层中剔除铀、镭、钍等放射性元素含量高的地层，此时，仅仅利用自然伽马曲线很难区别含钾地层和非含钾的高放射性地层，需要对更多的测井资料进行综合解释分析。

沉积岩中，黏土矿物会对钍进行选择性吸附，成为控制钍在沉积岩中分布的主要因素，铀和钍经常是共生的。所以，沉积岩中除含钾地层外，高放射性地层基本为容易吸附钍、铀等放射性元素的泥质含量比较高的地层，识别非含钾的放射性地层主要就是识别泥质含量较高的地层。

研究区含钾地层分为固态钾盐层和液态钾盐层，固态钾盐主要为杂卤石、绿豆岩、光卤石、钾石盐等，液态钾盐主要赋存于石灰岩及白云岩中。无论是固态钾盐还是液态钾盐储层，在岩石的声学特征、密度、电阻率等方面均与非含钾放射性地层-泥页岩具有明显区别。所以可以通过声波时差（AC）、密度（DEN）、电阻率（RT）及井径（CAL）等测井资料综合识别含钾地层与非含钾放射性地层。

声波在地层中的传播速度与岩石本身的性质有关，不同岩性的地层具有不同的声波速度，所以可以通过声波时差测井来区别地层岩性。声速与地层造岩矿物的成分、弹性、密度孔隙度、泥质含量、饱和度及孔隙流体相态有关。岩层的孔隙增大，其声速下降，声波时差增加，所以致密岩石的声波时差小于孔隙性岩石。泥页岩中，由于黏土矿物含量较高而石英等脆性矿物含量少，所以声速较慢，声波时差较大；同时，泥页岩颗粒比较细，束缚水含量很高，而声波在流体中传播较慢，所以时差大。因此，泥页岩相对于其他岩性具有较高的声波时差，可以作为区分泥页岩与固态钾盐的标志之一。

不同的岩石与矿物具有不同的电阻率，如表1所示，黏土岩由于颗粒细、分选好、总孔隙发育，电阻率较低；碳酸盐岩由于颗粒极细、孔隙度极小，电阻率比较高；而石膏和岩盐孔隙度极低，电阻率很高。所以，在电阻率曲线上，杂卤石、钾石盐、光卤石等表现为高值，泥页岩表现为低值。

表1 常见岩石和矿物电阻率

岩石/矿物黏土泥岩页岩疏松砂岩致密砂岩石灰岩白云岩硬石膏 电阻率/（Ω·m）1×102～2×1025～6010～10020～1 0002～1 00050～5 00050～5 0001×104～1×106

井径测井是针对井眼直径的测井方法，致密岩层井径一般接近于钻头直径，泥岩由于易垮塌，井径常大于钻头直径，出现扩径，部分易溶解的钾盐也会出现扩径现象。另外，固态钾盐密度一般大于泥页岩密度。

以上测井资料均可以作为区别含钾地层与非含钾放射性地层的依据，综合以上测井资料既可以从放射性地层中区分出非含钾地层。

2.3 放射性钾盐测井特征

2.3.1 测井曲线幅度

研究区固态钾盐主要为杂卤石、光卤石、钾石盐、绿豆岩等。杂卤石为难溶钾盐，具有高伽马、高电阻率、无扩径、声波时差较高、密度较高的特征；光卤石与钾石盐均为易溶钾盐，具有高伽马、高电阻率、低声波时差、扩径的特征，二者由于前者含氢而后者不含氢，可以用中子测井区别；绿豆岩为一种含钾黏土岩，在测井曲线上常表现出高伽马、高声波时差、低密度、低电阻率的特征。

另外，研究区与膏岩层相邻的孔渗条件较好的石灰岩与白云岩中赋存品位比较好的富钾卤水，具有高伽马、低声波时差、低电阻率的特征，同时，卤水层具有浅侧向电阻率小于深侧向电阻率的特征。

除钾盐外，研究区还常见石灰岩、白云岩、石膏、硬石膏、石盐及泥页岩等地层。石灰岩与白云岩具有自然伽马、声波时差及电阻率均较低的特征，且无扩径；石膏、硬石膏及石盐均具有低伽马、高声波时差和电阻率的特征，但石膏与硬石膏一般无扩径，石盐由于易溶常具扩径的特征；泥页岩具有高伽马与声波时差、低电阻率、扩径的特征。

根据以上不同测井方法对各类岩性地层的测井分析，可以建立各类岩性地层测井响应，如表2所示。

表2 各类岩性地层测井响应

岩性自然伽马声波时差电阻率井径 测井（GR）（AC）（RT）（CAL） 泥页岩高高低扩径 石灰岩低低低无扩径 白云岩低低低无扩径 石膏低高高无扩径 硬石膏低高高无扩径 石盐低高高扩径 杂卤石高较高高无扩径 光卤石高低高扩径 钾石盐高低高扩径 绿豆岩高高低无扩径

2.3.2 测井曲线形态

研究区含盐系组合主要有硬石膏-杂卤石和硬石膏-石盐-杂卤石两种类型，由于膏岩和石盐均无放射性，而杂卤石具有放射性，所以自然伽马曲线常呈“漏斗形”或“箱形”。“漏斗形”即自然伽马曲线从下往上幅度逐渐增大，顶部突然下降，反映地层放射性逐渐增强，杂卤石与膏岩间有杂卤石质膏岩过渡；“箱形”即自然伽马曲线形态呈箱状，曲线顶底都呈突变关系，反映放射性地层-杂卤石夹于膏岩或石盐中。

2.4 曲线重叠法识别含钾地层

鉴于不同岩性地层在各测井曲线上的幅度差异，可以对相关测井曲线进行重叠，根据曲线幅度差来识别含钾地 层[13-14]。具体做法为：将两条测井曲线排列在同一道中，两条曲线的低值段重合，对比其他有幅度差异段，从而识别不同地层。在此，取各岩性幅度差异较明显的自然伽马（GR）、声波时差（AC）、电阻率（RT）等曲线分别做自然伽马（GR）-声波时差（AC）-井径（CAL）、自然伽马（GR）-电阻率（RT）重叠图，综合分析识别含钾地层。

在自然伽马（GR）-声波时差（AC）-井径（CAL）曲线重叠图上，钾石盐、光卤石表现出自然伽马与声波时差的正幅度差；膏岩层曲线表现为负幅度差；杂卤石、绿豆岩与泥页岩曲线均显示高值且基本重合，但是泥页岩有扩径，杂卤石与绿豆岩无扩径；而对于赋存富钾卤水的石灰岩与白云岩，曲线也表现出正的幅度差异。

在自然伽马（GR）-电阻率（RT）曲线重叠图上，绿豆岩与泥页岩表现出自然伽马与电阻率的正幅度差；膏岩层曲线表现为负幅度差；钾石盐、光卤石、杂卤石曲线均高位重合；赋存富钾卤水的石灰岩与白云岩曲线低位重合。

另外，对于富钾卤水，由于卤水层具有浅侧向电阻率小于深侧向电阻率的特征，可以增加深侧向（RD）-浅侧向（RS）曲线重叠来识别。

通过以上分析，基本能利用曲线重叠法识别含钾地层。

3 应用实例

3.1 固态钾盐测井识别实例

通过曲线叠加识别固态钾盐的示意图如图2所示，图中杂卤石在两个曲线道中都表现出高位重合的特征，且伽马曲线呈“漏斗形”；灰岩与云岩两个曲线道中的曲线都低位重合；膏岩在两个曲线道中都表现为负幅度差；绿豆岩在自然伽马（GR）-声波时差（AC）-井径（CAL）曲线重叠图上高位重合且无扩径，在自然伽马（GR）-电阻率（RT）曲线重叠图上表现为正幅度差。

图2 固态钾盐测井识别

3.2 富钾卤水测井识别实例

通过曲线叠加识别富钾卤水的示意图如图3所示，图3中，富钾卤水段在自然伽马（GR）-声波时差（AC）、自然伽马（GR）-电阻率（RT）曲线重叠图上均表现为低位重合，且深侧向电阻率高于浅侧向电阻率。上段富钾卤水伽马曲线呈波状起伏，卤水含矿情况应较下段差。

图3 富钾卤水识别

4 结论

川东北早中三叠统蒸发岩系主要发育石灰岩、白云岩、硬石膏、杂卤石、岩盐及绿豆岩等岩层。蒸发岩系各地层在自然伽马、声波时差、电阻率及井径等测井曲线上具有不同的测井响应，通过自然伽马（GR）-声波时差（AC）-井径（CAL）、自然伽马（GR）-电阻率（RT）重叠图综合分析可以识别不同岩性地层。杂卤石在GR-AC、GR-RT重叠图两个曲线道中都表现出高位重合，富钾卤水均表现为低位重合，绿豆岩在GR-AC-CAL曲线重叠图上高位重合且无扩径，在GR-RT曲线重叠图上表现为正幅度差。

［1］胡挺.识别与评价钾盐的测井方法研究［D］.荆州：长江大学，2012.

［2］王帅成.川西坳陷南段中三叠统富钾卤水富集模式及有利区预测［D］.成都：成都理工大学，2011.

［3］林耀庭，陈绍兰.四川盆地卤水分布及开发前景展望［J］.化工矿产地质，1999，21（4）：209-213.

［4］林耀庭，何金权，王田丁，等.四川盆地中三叠统成都盐盆富钾卤水地球化学特征及其勘查开发前景研究［J］.化工矿产地质，2002，24（2）：72-84.

［5］林耀庭，何永红.论四川盆地液态钾盐及其形成机制［J］.中国井矿盐，1996（4）：25-26.

［6］林传律.四川盆地三叠系含钾岩系变质演化特点及找矿意义［J］.四川地质学报，1994，14（2）：122-129.

［7］张奇，徐亮，金小林，等.川东地区嘉陵江组四段膏盐岩分布的沉积环境分析［J］.盐湖研究，2009，17（4）：1-5，

［8］昌燕，谭秀成，杜本强，等.岩相古地理对自贡地区嘉陵江组储层的控制［J］.西南石油大学学报，2007（29）：12-15.

［9］钟怡江，陈洪德，林良彪，等.川东北地区中三叠统雷口坡组四段古岩溶作用与储层分布［J］.岩石学报，2011，27（8）：2272-2280.

［10］赖贤友，肖懿，马红熳，等.四川省钾盐资源潜力评价成果报告［R］.四川：四川省地质矿产勘查开发局，2011.

［11］林良彪，陈洪德，朱利东，等.川东嘉陵江组-雷口坡组层序岩相古地理［J］.成都理工大学学报（自然科学版），2010，37（4）：446-450.

［12］林耀庭，陈绍兰.论四川盆地下、中三叠统蒸发岩的生成模式、成盐机理及找钾展望［J］.盐湖研究，2008，16（3）：1-10.

［13］陈科贵，李春梅，李利，等.四川盆地含钾地层的地球物理测井标志、判别模型与应用——以川中广安地区为例［J］.地球学报，2013（5）：623-630.

［14］李春梅，陈科贵，黄羽，等.钾盐矿藏测井评价［J］.国外测井技术，2013（1）：3，14-17.

P631.81

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.020

2095－6835（2020）09－0054－04

四川省地质勘查基金项目（编号：201505）

刘铸（1988—），男，硕士，工程师，从事地质调查与矿产勘查工作。

仲佳爱（1985—），男，博士，高级工程师，从事地质调查与矿产勘查工作。

〔编辑：张思楠〕