XRF录井技术在砂岩型铀矿勘探中的应用

刘有武 许宪金 满安静 熊耀华 靳 峰

(①中国石油长城钻探工程有限公司录井公司;②中国石油辽河油田新能源开发分公司)

0 引 言

钱家店凹陷位于开鲁坳陷的北东部，呈北东-南西向带状展布，长度约100 km，宽度为9～20 km，面积1 280 km2，为中新生代断坳型凹陷[1]。该凹陷自下而上沉积了白垩系下统义县组、九佛堂组、沙海组、阜新组，上统泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组及新生界，古近系依安组,，新近系大安组、泰康组和第四系。其中，九佛堂组为该区油气勘探目的层，姚家组为铀矿富集层位[2]。钱家店区块属半沙漠化草原地貌，地势较平坦，具南西高、北东低的特征。

A井是钱家店钱Ⅱ区块上的一口普查区钻孔。运用XRF录井技术从岩石化学角度对铀矿赋矿砂岩类型、物性特征以及当前砂体所处氧化还原环境进行分析，对砂岩型铀矿富集规律进行总结，并根据XRF分析出的U、S元素建立砂岩型铀矿解释评价图板，解决了对砂岩型铀矿进行评价的难题。

1 XRF录井技术应用

元素录井技术作为录井现场新技术之一，近年来在全国各大油气田均取得了良好的应用效果。当前国内元素录井技术主要用于特殊岩性识别和定名、层位划分以及辅助水平井地质导向[3]，但元素录井技术在铀矿井的应用及研究目前业内少见。

本次研究选取测井铀矿评价结果较好的A井362个岩心样品进行XRF分析。样品数据采集及分析严格按照Q/SY 128-2020《录井资料采集处理解释规范》执行。根据XRF数据分别从赋矿砂岩类型、当前赋矿砂岩所处的氧化还原环境、与铀矿相关特征元素方面分析铀矿富集条件及铀矿富集的指示性特征，从而实现利用XRF录井技术落实铀矿层发育及分布规律，为下一步砂岩型铀矿工区寻找铀矿富集带、扩大铀储量规模提供参考依据。

1.1 赋矿砂岩类型分析

研究工区不同层位砂岩类型不同，成分较复杂，准确识别砂岩类型，是快速查找矿层与寻找有利储层的基础。钱家店地区赋矿岩石类型主要为中-细粒长石岩屑砂岩、细粒长石岩屑砂岩、含泥砾砂岩和砂砾岩等[4]。根据佩蒂庄砂岩类型划分理论[5]，不同类型的砂岩，其Si/Al特征不同，Na/K也表现出不同的特征。因此，通过Si/Al与Na/K交会，可以识别出不同类型的砂岩。本次研究选取A井姚家组250.85～255.20 m非矿层段砂岩段以及286.55～288.95 m电测解释工业层砂岩段进行岩石化学特征对比(表1、表2),用佩蒂庄砂岩类型投点如图1、图2所示。

图1 非矿层砂岩类型投点

图2 工业层砂岩类型投点

表1 A井250.00～255.20 m非矿层砂岩岩石化学成分含量

表2 A井286.55～288.95 m工业层砂岩岩石化学成分含量

通过表中数据可以得出SiO2和Al2O3是赋矿岩石的主要成分，两井段平均含量分别为69.45%、67.83%及16.09%、17.56%。SiO2含量在两类样品中都呈中高值，显示较强的SiO2富集；Al2O3含量是反映黏土含量或黏土蚀变的重要指标，样品中含量普遍较高，且差异性不大，但工业矿层样品中的Al2O3含量略高于非矿层。

根据佩蒂庄砂岩类型划分理论[5]，通过SiO2/Al2O3可以判别砂岩成分的成熟度，进而分析物源情况。一般情况下，SiO2/Al2O3>30，成分成熟度高，代表石英砂岩；5

1.2 矿区岩性识别方法

钱家店工区姚家组砂岩低成熟度特征给现场用常规地质方法对岩性进行定名带来了困难，用元素录井进行岩性定名同样遇到了Si、Al同步的难题。本研究通过A井岩心岩性结合元素特征对比研究，提出了砂泥岩指数公式，用于辅助现场岩性识别和定名。工区泥岩具有高Al2O3、∑Fe2O3、TiO2、NiO、CoO特征，砂岩具有中-高SiO2值特征。因此，将(Al2O3+∑Fe2O3+TiO2+NiO+CoO)/SiO2定义为砂泥岩指数，通过该指数可以区分砂岩与泥岩。根据A井剖面建立了钱家店地区砂泥岩指数判别砂岩、泥岩的标准：砂泥岩指数<0.3为砂岩；砂泥岩指数在0.3～0.5之间为砂质泥岩；砂泥岩指数>0.5为泥岩。砂泥岩指数值与泥质含量成正比，砂泥岩指数值越高泥质含量越高(图3)。

图3 A井砂泥岩指数元素特征

通过砂泥岩指数曲线与电测曲线及现场取心剖面对比，可以发现利用砂泥岩指数判别岩性时具有与现场岩心剖面岩性符合率高，与电测曲线对比度好的优点。结合元素归一化处理生成的岩石成分柱状图，元素录井能直观表征各组分的变化，起到岩性快速识别和准确定名作用，这为层位划分和对比提供了可靠的依据，为优质矿层筛选缩小了范围。

1.3 赋矿砂岩当前所处环境分析

钱家店砂岩型铀矿赋存条件一直是勘探研究的一个课题，因为姚家组地层剖面中同时出现了氧化带、氧化还原过渡带、还原带三种沉积环境。XRF录井技术根据Jones的氧化还原指数即Ni/Co氧化还原指数判别标准：Ni/Co<5为氧化环境，Ni/Co在5～7之间为缺氧环境(弱还原)，Ni/Co>7为还原环境[7]，同时结合还原环境代表性矿物黄铁矿(FeS2)的分布特征来解析氧化带、氧化还原过渡带、还原带这三种沉积环境砂体当中究竟哪一种砂体环境更有利于铀矿富集。

根据A井氧化还原指数特征图(图4)可以得出，本井姚家组自下而上、由深到浅可分为氧化环境、缺氧环境(弱还原)、氧化环境三段。A井姚家组顶部及底部紫红色泥岩、浅红色泥质粉砂岩对应的氧化还原指数值为低平波状，符合氧化环境指数特征；中部浅灰色砂岩呈中尖峰状，符合缺氧环境(弱还原)指数特征。元素氧化还原指数特征图显示工业铀矿层处于弱还原环境，赋矿层上下为氧化环境，符合铀矿富集于氧化还原交界面的成矿理论。前人研究认为铀矿化及伴生的矿化蚀变主要发生在有较大规模的层间渗入过程，根据剖面中赋矿层定位于含矿目的层氧化-还原界面及其邻近的氧化还原过渡带上的层间渗入成矿理论[8]，同时根据图4得出FeS2即黄铁矿在赋矿层富集的结论，由工业矿层中S和Fe散点图(图5)及折线图(图6)可以看出二者具有较好的相关性，但趋势线略微偏离黄铁矿线(红色线)。这说明Fe除了主要以黄铁矿(FeS2)形式赋存外，可能还以菱铁矿等其他形态存在，但大量黄铁矿的存在说明赋矿层所处环境为还原环境。

图4 A井氧化还原指数特征图

图5 A井工业层S和Fe散点图

图6 A井工业层S和Fe折线图

综合A井氧化还原指数及黄铁矿与赋矿层之间的关系可以得出：赋矿层主要分布于氧化-还原过渡带或者氧化带前峰，工业矿层中往往黄铁矿较发育。因此，在寻找矿层时应优先选择氧化-还原过渡带或以还原环境为主并存在间歇性氧化带的砂岩层作为重点找矿层段。

1.4 剖面物性分析

经过前人研究证实铀矿化在剖面上主要定位于红色氧化带减薄或尖灭部位，其在剖面上总体上呈舌状并总有向地下水的流动方向或透水性差的岩石变薄或尖灭的趋势。大部分铀矿体都位于泛滥平原、河道间沉积相及其相邻的辫状河道沉积相中。这是由于这些部位的低渗透性，使层间氧化带较难向前继续推进并长期滞留在这些部位，加上沉积物中含较多的有机质、黄铁矿等还原性物质，使铀在其中不断富集成矿[9]。元素录井根据这一理论，结合A井测井解释结论与元素数据综合分析，提出用来评判砂岩物性好坏的物性指数——元素物性指数，是反映储层胶结致密程度及孔隙度高低的一项综合性参数。根据元素录井归一化计算公式分别计算硅质、泥质、灰质、云质的含量[10]。

本研究从岩石化学特征出发，对比研究电测电阻率、自然电位与元素曲线之间的关系，总结出砂岩物性参数计算公式：砂岩物性指数=砂质/(泥质+灰质+云质)。通过物性指数与砂泥岩指数叠加图(图7)可以看出，电测显示低电阻率、高自然电位的致密层对应元素物性指数表现出异常低值特征。赋矿层元素物性指数呈中低值，往往位于物性指数和砂泥岩指数交会反转处。元素曲线特征说明铀矿易赋存于物性由中上至中下的过渡带，同时也是处于泥质含量变化的过渡带上。这一元素特征与铀矿易赋存于砂岩前峰线低渗透带的赋矿理论相符，因而通过元素录井技术可以在纵向上根据物性指数和砂泥岩指数交会曲线确定铀矿易赋存岩层位置。如果同一区块元素录井的数据库可以满足建立矿层栅状图要求的前提，则可以利用元素录井技术在横向上完成对铀矿易富集岩层的追踪对比。

1.5 运用XRF录井技术实行矿层评价

通过元素测量的U含量曲线与测井放射性伽马曲线对比可以看出，元素U曲线形态与电测伽马曲线相似度较好(图8)。根据钱家店地区砂岩铀矿的形成机理，铀矿的富集经历了“沉积预富集-层间渗入成矿-油气改造富集成矿-油气还原富矿”阶段[11]，因此U元素富集需要还原环境的背景条件。通过对A井测井解释结果与元素数据的对比分析发现，赋矿层与元素U和S含量具有较好的相关性，S元素作为还原环境的特征元素在矿化层及工业矿层中含量明显要比表外矿和非矿层高。本研究根据XRF分析出的铀与硫含量创建了一套砂岩型铀矿床元素录井矿层评价图板(图9)和评价标准(表3)。该标准定义：当样品XRF测量U含量≥5.4×10-6之间且S含量>0.45%时为工业矿层；当U含量在2×10-6～5.4×10-6且样品XRF所测S含量>0.45%时为矿化层；当样品XRF所测U含量在2×10-6～5.4×10-6之间且样品XRF所测S含量在0.1%～0.45%之间时为表外矿层；除这三种情况以外均为非矿层。

表3 元素录井矿层评价标准

图9 A井元素录井矿层评价图板

综合钱家店工区A井砂泥岩指数、氧化还原指数、物性指数、U、S以及元素录井矿层评价结果绘成A井元素录井综合图(图8)，可以看出元素解释赋矿层段基本与测井解释层段对应且矿层评级基本一致。铀矿赋存位置对应物性指数与砂泥岩指数交会反转处，XRF测得赋矿砂岩的U、S元素同时异常高值，矿层发育层段整体氧化还原指数值偏高，局部中低值，属于还原环境为主，局部包含氧化带前峰的环境，说明富矿砂岩目前处在氧化-还原过渡环境中。

图8 A井元素录井综合图

2 应用效果验证

为了验证本研究成果在砂岩型铀矿中的实用性和通用性，选取青海省海西蒙古族藏族自治州西部花土沟七个泉工区砂岩型铀矿井B井来验证相关技术。B井所在工区的铀矿主要赋存于新近系狮子沟组砂砾岩中，通过B井元素录井综合图(图10)可以看出：

图10 B井元素录井综合图

(1)赋矿砂岩处于物性指数与砂泥岩指数频繁交会地带，属于岩性尖灭带或者砂岩前峰线附近。

(2)测井解释为工业矿层和矿化层的赋矿砂砾岩其对应的氧化还原指数、S含量比非矿层段明显高一个等级。

(3)XRF测量的U含量曲线与电测伽马以及照射γ曲线形态相似度较高，说明XRF录井技术能在现场对铀矿层进行实时识别。

(4)利用XRF录井铀矿评价标准评价出的元素解释赋矿层段基本与测井解释层段对应，只是在矿层级别上由于二者评价方法不同最终表现出元素录井矿层划分比测井解释更精细。

3 结 论

通过研究井与验证井的应用效果论证，阐明XRF录井技术在砂岩型铀矿床赋矿砂岩的勘探、筛选和矿层评价中可以发挥重要的作用。现将其作用总结归纳如下：

(1)XRF录井技术可以对赋矿砂岩类型进行分析，赋矿砂岩类型的确定可以为下一步找寻赋矿层缩小范围。

(2)元素录井砂泥岩指数可以有效区分成熟度较低的砂岩与泥岩，提高岩性定名精准度，确定赋矿岩性。

(3)元素录井可以进行氧化还原指数分析以及完成对还原环境特征矿物黄铁矿(FeS2)的追踪识别，更容易探寻到利于铀矿富集的还原环境。

(4)元素录井物性指数能够分析出赋矿岩石物性特征，从而为横向追踪对比铀矿富集层提供依据。

(5)元素录井运用与铀矿品级高低密切相关的U和S建立了元素矿层评价标准以及解释评价图板，可以在钻井现场对矿层进行实时评价。

综上，XRF录井技术可以在砂岩型铀矿床的井筒资料录取和解释、勘探选址、滚动开发及新区研究方面发挥重要作用。需要说明的是，由于目前元素录井的数量有限，本研究所总结的技术成果和矿层解释评价标准门限值可能不能满足所有井的需求，还有待在以后实际应用中进一步完善和修正。