综合测井在胶东西岭金矿床深部开采技术条件研究中的应用

王玉,李肖,唐德龙,黄建强,宋林君,尹剑飞

(1.山东省地质矿产勘查开发局第六地质大队,山东 招远 265400;2.山东黄金地质矿产勘查有限公司,山东 莱州 261400;3.山东省地质矿产勘查开发局第七地质大队,山东 临沂 276000)

0 引言

西岭金矿床位于三山岛金矿床深部,是目前我国勘查深度最大的矿床[1]。山东黄金集团在前期做过大量的基础地质勘查与科研工作。目前,西岭金矿床已进入深部勘探阶段[2]。在前期地质勘查过程中,矿床成矿机理及矿床开采技术条件的研究多位于矿床浅部。鉴于该矿区矿体埋藏深度较大,随着矿体开采深度的增加,对深部矿体地温、地压产生的热害、岩爆等研究不足,已无法满足深部勘探开发要求,有必要开展矿体深部开采条件研究。

自2011年实施找矿突破战略行动以来,胶东金矿深部找矿取得了重大成绩,深部找矿的重大成果得益于找矿技术方法的不断进步。地球物理测井作为地质家的眼睛,在油气勘探领域应用非常普遍,然而在矿体深部开采技术条件研究中应用的很少。

本文通过地球物理综合测井技术、钻孔工程与水文地质编录、岩石物理力学性质样品测试,结合深井实验室资料,从矿床深部的水文地质、工程地质及环境地质方面研究矿床深部开采技术条件[3]。

1 测井实施情况

矿区主要为第四系沙土覆盖,西部出露太古宙胶东群变质岩。矿区内侵入岩为中生代花岗岩:晚侏罗世玲珑花岗岩,以岩基的形式发育;早白垩世郭家岭花岗岩,以岩株的形式发育,分布于三山岛断裂带的下盘[4]。矿区内主断裂总体呈舒缓波状。走向34°左右,倾向SE。断裂主要沿玲珑花岗岩与郭家岭花岗岩接触带分布(图1)。

1—第四系;2—牟平-即墨构造混杂带;3—胶东侵入岩变质岩区;4—胶北隆起区;5—胶莱坳陷区;6—胶南隆起区

研究区地处渤海海湾,位于三山岛西北部,近岸及海底地形低平,竖井位置见图1。本次地球物理测井测试了2个钻孔,测井现场地形平坦,交通方便。ZK72-13钻孔结构:0～60m,Φ150mm;60～545.25m,Φ122mm;545.25～2607.87m,Φ98mm。ZK90-9钻孔结构:0～29.64m,Φ170mm;29.64～74.4m,Φ150mm;74.4～389.3m,Φ122mm;389.3～1863.85m,Φ98mm。测井工作使用仪器为JGS-1B综合数字测井系统(表1)[5]。

表1 测井工作参数

2 主要测井内容及作用

为评价西岭金矿区深部开采技术条件,本文利用综合测井方法,从水位、地温、裂隙发育、岩层位置等信息进行探测。主要采用地球物理测井方法,包括井温测井、自然伽马测井、三侧向电阻率测井、自然电位测井、井径测井、密度测井和声波测井[6]。

通过三侧向电阻率、密度和声波测井成果,结合钻孔工程地质编录、岩石物理力学性质样品测试,研究矿床深部工程地质条件。通过自然电位、三侧向电阻率和井径测井成果,结合钻孔水文地质工程地质编录,研究矿床水文地质条件。应用井温、自然伽马测井技术,结合深井实验室资料,研究矿床开采可能引起的热害、放射性伤害及冲击地压与岩爆等井下灾害等环境地质条件。

3 地球物理测井结果

在矿床西北部和东南部分别选取钻孔ZK90-9和ZK72-13开展地球物理测井,根据测井结果分析矿床工程地质条件、矿床水文地质条件、环境地质条件,总结了矿床深部的开采技术条件变化规律[7]。

3.1 水位的确定

(1)ZK72-13水位的确定比较容易,多个参数在孔深4.5m处对水位有异常显示(图2)。主要有井温、自然电位、三侧向电阻率、声波速度[8]。

图2 ZK72-13水位确定示意图

(2)由于声波速度这个参数是在探管进入水面以下之后开始测量的,所以在探管入水之前与入水之后会有明显的变化,据此可确定水位深度(图3),ZK90-9近接收、远接收、声波时差3个参数在入水之前数值都是0,在探管下到5m附近3个参数开始测量,据此可大致确定水位线在5m附近。

图3 ZK90-9水位确定示意图

3.2 地温变化规律

ZK72-13孔井温测试结果表明,区内地温随深度增加呈线性递增,浅部地表以下100m的温度13.48℃,深部2500m的温度69.04℃,每百米自然增温2.32℃。综合钻孔地温梯度变化规律可知,该区域平均地温梯度为每百米自然增温2.12℃。该地区温度变化属于正常范围(图4、图5)。

图4 ZK72-13井温曲线

图5 ZK72-13温度梯度曲线

在以岩浆岩为主的地区,富水性较好的岩层,存在裂隙发育、岩石破碎或岩层孔隙度较大的现象,体现在地球物理特征上为对应的井径变大,岩层的导电能力增强,电阻率变小。三侧向电阻率参数与岩石导电性和孔隙度密切相关,井径、声波速度与岩层破碎程度相关,因此可用这些参数辅助裂隙发育推断及确定岩层出水位置。

3.3 裂隙发育推断及出水位置的确定

本次测井工作在ZK72-13孔发现7处出水部位(图6)。将钻孔的地质编录资料与本次测井结果结合可知,存在导水裂隙发育的井段井壁掉块,井径变大;对应声波参数较杂乱,声波速度降低,波速基线不明显,反映出这几处存在岩石破碎情况,且破碎较严重;岩石三侧向电阻率参数降低,推测此处为出水部位,使得该段岩层较上下两侧导电性增强。

图6 ZK72-13出水位置示意图

本次测井工作在ZK90-9孔发现2处出水部位(图7)。将钻孔的地质编录资料与本次测井结果结合可知,1293.2～1344.9m、1430.6～1448.7m段井壁掉块,井径变大,反映出该处存在岩石破碎情况;对应自然电位升高,综合判断该处为出水部位,推断存在导水裂隙发育。

图7 ZK90-9出水位置示意图

3.4 岩层位置的确定及放射性评价

由于不同岩性地层具有不同的密度,因此可以用密度参数划分地层[9]。根据2个钻孔的地质编录资料可知,钻孔岩性由浅至深大体可分为第四系、变辉长岩、二长花岗岩、绢英岩化花岗岩和似斑状黑云花岗闪长岩。通过自然伽马和密度曲线分析不同岩性的不同测井参数特征,对钻孔岩性进行划分(图8、图9)。

图8 ZK72-13岩层划分示意图

图9 ZK90-9岩层划分示意图

岩石分界异常特征明显。变辉长岩与二长花岗岩前者自然伽马低于后者,在密度参数上前者高于后者,两者交界处形成一个台阶[10]。片麻岩在密度参数上特征显示鲜明,相对于变辉长岩呈明显的低值异常反映,接触界线清楚;绢英岩化花岗岩其原岩为二长花岗岩,在各项地球物理参数中,大多与二长花岗岩接近,无明显区分。似斑状黑云花岗闪长岩一般在于孔底,因钻孔岩屑沉积,测量探管一般未达到其对应深度便遇阻,数据量有限,仅凭现有数据分析其与上部岩层无明显物探测井界限。

依据《电离辐射防护与辐射源安全基本标准(GB18871—2002)》,通过本次地球物理测井对ZK72-13、ZK90-9两个钻孔进行岩层天然放射性检测,自然伽马曲线放射性总体处于较低水平,曲线相对稳定,评价总体不超标(图8、图9)。

3.5 岩石物理力学性质方面

岩石物理力学试验研究以室内岩石力学参数测定为主。分别采用岩石天然密度试验、岩石颗粒密度及孔隙率测试、抗拉试验、单轴抗压及弹性模量试验和直剪试验,严格按照《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—2013)的标准对岩石密度、颗粒密度、孔隙率、单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、黏聚力和内摩擦角进行测定[11-12],得到8个钻孔不同深度范围内岩芯的实际岩石物理力学参数,通过对各个力学参数进一步计算统计,得到各类岩石各种力学参数的平均值(表2)。

表2 岩石物理力学性质试验结果平均值统计表

为对岩爆倾向性作出正确的评判,首先要理解控制岩爆的各种因素,其中包括围岩岩性的内部因素和围岩环境的外部因素[13],并根据研究对象的实际,选取较为重要的控制性因素,建立相应的评判因素集[14]。为此,综合西岭村矿区地质状况,选取上述岩体强度脆性系数B、变形脆性系数Ku、动态破坏时间Dt、岩爆倾向性指数Wet[15]、冲击能量指数Wcf与陶振宇判据α6个评定指标作为岩爆倾向性评价体系的评判因素集,即:

U={B,Ku,DT,Wet,Wcf,α}={u1,u2,u3,u4,u5,u6}

根据送检钻孔绢英岩化花岗岩和黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩测定的数据(表3)[16],依据强度脆性系数B、变形脆性系数Ku、动态破坏时间Dt、岩爆倾向性指数Wet、冲击能量指数Wcf与陶振宇判据α,判定绢英岩化花岗岩分别具有中等岩爆倾向、弱岩爆倾向性、弱岩爆倾向性、中等岩爆倾向、弱岩爆倾向性、强烈岩爆倾向[17-21]。

表3 送检钻孔测定数据因素集U取值表

4 结论

鉴于三山岛西岭金矿区矿体埋藏深度较大,已有研究程度已无法满足深部勘探开采要求,为此,本文通过地球物理综合测井技术、钻孔工程与水文地质编录、岩石物理力学性质样品测试,结合深井实验室资料,对矿床深部的水文地质、工程地质及环境地质进行了研究。研究结果显示,整个井段未发现咸水层,区内地温变化在正常范围内,岩层放射性水平总体处于低水平,评价总体不超标,岩石分界异常特征明显,开采技术条件良好。评价结果为矿床深井开采和热防护工程提供可靠的技术参数和技术指导。研究结果表明,地球物理综合测井在胶西北金矿床深部开采技术条件研究中取得较好效果,可以作为深部开采开发设计的依据。