科学钻探超声成像测井技术在深部找矿中的应用

崔 明

（中国建筑材料工业地质勘查中心黑龙江总队，黑龙江 哈尔滨 150040）

某重要矿藏地区不仅因为其有色金属和稀有金属的富集，也因为其作为世界大陆花岗岩成矿带的独特特征。其矿区内存在多种高温与钨多金属矿床的组合，以及多种低温与银、金、铜、锌矿床的组合。超声成像测井有助于有效识别地层裂缝和裂缝带，评价裂缝类型和产状，分析地层沉积特征，研究地应力表征。受环境条件和高成本的限制，以及对该过程的负面认知和态度的影响，成像测井方法很少用于金属矿石的勘探，迄今为止提供的相关报告很少。在井深度80～1608m处获得了有价值的超声成像测井数据。首先分析了测井图像的主要地质特征，并收集了定量的裂缝参数[1]。然后，得到了这些裂缝参数的规律，这些参数会随着钻井深度的变化而变化。最后，讨论了多金属矿化层测井结果的外延意义。希望通过本研究，为超声成像测井在潜在金属矿化科学钻探中的应用提供参考。

1 日志数据采集和处理

1.1 日志数据采集

连续进行了3 次综合测井任务。测量间隔为80～477m、597～1257m、1250～1608m，采样间隔为0.002916m。重复测量的总间隔达到10%，重复测量结果显示测井数据质量高[2]。由于金属矿石钻孔孔的直径比较小，超声波成像测井仪的探头可以接收到较强的信号，提高了采集到的测井数据的质量。当然，直径较小的钻孔也增加了超声成像测井仪中发生堵塞的风险。受仪器最大测量深度和其他钻井因素的限制，1608.20m 深度以下的超声成像测井数据无法获得。除了超声成像测井数据采集外，还采集了其他常规测井数据，主要是卡尺、声速、密度、电阻率、诱导极化等。

1.2 日志数据处理

超声成像测井数据的处理包括预处理、图像生成、交互处理和解释。采用WellCAD软件对测井数据进行处理。WellCAD软件的ImageLog处理模块对超声成像测井数据进行一系列预处理，包括数据的滤波、插值、归一化、统计信息、定向信息、镜像图像等。该模块还可以调节仪器的偏心度，生成卡尺图像。WellCAD 软件的StructureLog 处理模块可以交互式地收集地质构造产状(如层理、层理、层界面和裂缝等)，估计裂缝孔径和裂缝带厚度，并对产状数据进行分段计数[3]。

2 裂缝的分布及发育特征

2.1 裂缝的分布

超声成像测井图像有两种:井壁振幅图像和走时图像。两种图像都能反映井壁的详细地质特征，但井壁振幅图像比走时图像提供的信息更多，利用幅值图像分析该井的地质构造，当地层相对致密时，井壁与井液界面的声阻抗差较大。这些地层特征可以为超声成像测井的振幅产生较大的实测值。在这种情况下，井壁振幅图像的测井响应是一个光区或明亮区[4]。相反，发生在裂缝或裂缝带的井壁会导致微弱的声反射信号，由于漫反射的影响，声波反射信号会返回到探头，上述地层特征也会导致超声成像测井的振幅测量值更小。在这种情况下，井壁振幅图像的测井响应为黑色或暗区[图1(a)-(f)]。根据裂缝产状分类原则，将裂缝分为4种类型:水平裂缝(倾角小于15°)、低角度裂缝(倾角15°～45°)、高角度裂缝(倾角45°～75°)和垂直裂缝(倾角大于75°)[图1(a)-(d)]。根据这一分类原则，在本次探测中，低角度和高角度裂缝最为常见，而垂直和水平裂缝则较为罕见。根据裂缝充填程度的不同，可将裂缝分为开放裂缝和充填裂缝。开放裂缝比较常见，但充填裂缝比较罕见。如果在同一时期的构造运动应力作用下，这些裂缝几乎平行发育，并在超声成像测井图像中显示出方向一致的平行暗带[图1(e)]。裂缝带是地层裂缝发育彻底的结果，裂缝带一般表现为宽暗带的特征响应，但当地层裂缝严重时，测井图像呈随机形状[图1(f)]。

图1 超声成像测井图像的裂缝特征

2.2 裂缝发育特征

多金属矿化层一般受裂缝带控制，可暴露于主裂缝的侧翼和多组裂缝的交界处。由于裂缝和裂隙带与多金属矿化层密切相关，对暴露多金属矿化层的裂缝和裂隙带进行分析，可以间接指示金属矿床的层位。这种分析还可以帮助揭示金属矿床的分布，预测研究区潜在的成矿带。天然裂缝的发育分布特征也可用于研究成矿地质时期可能发生的古应力场特征。从超声成像测井图像的裂缝分布规律中可以看出，利用Structurelog 处理模块观察到，在80.04～1608.20m 深度之间存在1546 条裂缝。在80.04～1608.20m 深度范围内，裂缝随深度变化的特征主要表现为:绝对频率为10.2 条/10m，最绝对频率为40 条/10m,裂缝发育深度在100～200m、600～850m和1400～1600m之间；倾角统计结果显示，倾角主要分布在50°～80°范围内。其中最常见的裂缝类型为高角度裂缝，占裂缝总数的61.84%。其次是低角度断裂和垂直断裂，分别占总断裂数的19.92%和17.72%。水平断裂罕见，仅为0.52%；裂缝倾斜方向以SE为主，裂缝倾斜方向呈WS分布，反映了导致裂缝形成的最大水平主应力方向。

3 数据分析

3.1 裂缝发育特征、裂缝带与多金属矿化层分布的关系

地层裂缝发育且裂缝均匀，孔隙间空间增大，连通性增强。这对某些金属矿石的聚集尤其有利，因为它为金属矿床的形成创造了有利的储层。在80～1608m的深度已显露出多种多金属矿化层。多金属矿化层一般发育在裂缝或裂隙带中。主要多金属矿化层深度区间为806～808m、819～826m、860～863m、876～878m、883～887m、905～908m、909～912m、913～917m、1264～1265m、1583～1589m、1590～1603m。这些多金属矿化层中最厚的为13m。主要矿化类型有含白钨矿、含黑钨矿、含黄铁矿、含闪锌矿和含辉钼矿等。900～930m深度超声成像测井及相应岩芯数据显示的典型多金属矿化层。共露出3个多金属矿化层，其深度区间分别为905～908m、909～912m和913～917m。在这些深度区间内，超声成像测井图像显示裂缝发育良好。910～912m 和914～916m深度的图像显示较大的裂缝，对应于909～912m和913～917m深度的多金属矿化层。在多金属矿找矿工作中，确定形成裂缝和发育良好层的发育特征，对指示多金属矿化层的空间分布有重要的帮助。当然，并不是所有的裂缝或裂缝带都含有多金属矿化层。

3.2 超声成像测井与常规测井相结合的多金属矿化层说明

由于裂缝带的影响，常规测井的特征响应涉及到卡钳增大、电阻率降低、密度降低和声速降低。在860～863m 深度暴露了一个典型的含白钨矿、含黑钨矿、含黄铁矿和含辉钼矿化层。矿化层顶部860～861.5m，是完整的，矿化层底部861.5～863m，是断裂的，与超声成像的测井响应相对应。在超声图像中，矿化层顶部相对稳定和完整，呈现出正弦黑色条状的循环。矿化层底部的声反射波较弱，部分地方完全缺乏回声，形成较宽的暗带。由于矿化层顶部含有多种金属矿石，常规测井的特征响应表现为电阻率相对较低、密度较高、声速较高，诱发极化曲线迅速增大。由于矿化层底部发生裂缝，常规测井的特征响应与裂缝带一致。超声成像测井与常规测井相结合，可快速识别裂缝带。利用诱导极化和磁化率测井可以有效地圈定多金属矿化层的赋存深度。多金属矿化层不仅可以暴露在裂缝中，也可以暴露在裂缝带中。但在这些地区，裂缝或裂隙带的程度一般都过低，不易形成大型金属矿床。在这些条件下，只要有丰富的成矿物质来源和成矿条件，就有可能形成金属矿床。

3.3 裂缝参数与井斜的关系

井斜被视为钻井工程的一个重要评价指标。尽量保持钻孔垂直，有利于深部多金属矿床的找矿。影响井斜的因素有很多，包括钻井过程本身。此外，地层岩性和地质构造也可能影响井斜。超声波成像测井可以提供相对准确的裂缝产状信息、所需钻孔的尺寸和形状以及井斜数据。该井眼的钻进方向并非与裂缝的发育方向平行，而是与裂缝的发育方向相反。这一结果是钻井直井的有益示范，满足了地质解释的需要。此外，井斜的主方向可以间接指示古应力场最大水平主应力的方向。一般认为，沿最大水平主应力方向最容易发生伸展构造，在这里，岩石的完整性最容易受到破坏。主要倾角方向分布在90°～140°范围内，因此导致裂缝形成的最大水平主应力方向为NW-SE。这一结果与裂缝发育特征的统计结果一致。

4 结论

对探测井80.04～1608.20m深度的超声成像测井数据进行了全面处理。分析了裂缝和裂隙带的特征响应，探讨了测井资料在多金属矿床找矿中的作用。可得出以下结论:高角度裂缝发育最为明显，裂缝走向以NW-SE 为主，反映了导致裂缝形成的最大水平主应力方向；对于发生在裂隙带的多金属矿化层，超声成像测井的特征响应为宽暗带，常规测井的特征响应表现为高极化率、高密度、高声速和低电阻率；裂缝或断裂带内发育了多金属原生矿化层，超声成像测井结果间接指示了多金属矿化层的赋有。