山东黄金资源钻探井测井资料分析方法与应用
[王新娥1 
, 许东晖1 , 孙之夫2 , 孙宗峰2 , 罗景美1 ]
, 许东晖引用本文
王新娥, 许东晖, 孙之夫, 孙宗峰, 罗景美. 山东黄金资源钻探井测井资料分析方法与应用. 地球科学进展, 2014, 29(3): 0397-403[Wang Xin’e, Xu Donghui, Sun Zhifu, Sun Zongfeng, Luo Jingmei. Wireline Logs Analysis and Application of Shandong Gold Resources Scientific Drilling. 地球科学进展, 2014, 29(3): 0397-403] 
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山东黄金资源钻探井测井资料分析方法与应用
王新娥(1973-),女,山东东营人,工程师,主要从事资料解释与研究工作.E-mail:cjwxe@163.com
摘要
山东胶东地区为多期次岩浆活动与变质作用的产物,岩石以变质岩和岩浆岩为主。由于构造活动频繁,且处于断裂带上,岩石破碎带发育。本次科学钻探测井分析的主要任务是岩性识别与破碎带识别和划分。首先围绕岩性识别研究了多种测井交会图技术,实现了研究区钻遇的变辉长岩、片麻岩、二长花岗岩等的岩性识别,并总结了其测井响应特征。针对裂缝和破碎带分析,提出了应用主成分分析方法,并且识别结果与岩芯描述比较一致。上述岩性分析和裂缝、破碎带的测井解释结果对寻找黄铁矿石英脉起到较为重要的作用,也为综合地质信息的研究提供了可靠资料和依据。
关键词:
测井资料; 裂缝分析; 岩性划分; 黄铁矿; 主成分分析法
中图分类号:P631.8
文献标志码:A
文章编号:1001-8166(2014)03-0397-403
Wireline Logs Analysis and Application of Shandong Gold Resources Scientific Drilling
Abstract
Jiaodong region of Shandong is created through multi-stage magmatic activity and metamorphism, which is lacated in a fault zone with frequent tectonic activities and development fracture zones. The area dominated by metamorphic and igneous rocks with complex lithology. The main purpose of scientific drilling in this area is to find pyrite-quartz vein associated with gold. Firstly, some crossplots are constructed to identify the lithology ion. Some rocks such as metagabbro, mixing rock, monzogranite can be distinguished from one another and their logs response characteristics are also summarized. For logs analysis fractures and broken zone, the principal component analysis method is proposed, and the recognition results are proved correctly by the core photos. The aforementioned logs interpretation results about lithology and fractured zone play a more important role and provide a reliable basis for the study of integrated geological information.
Keyword:
Logging data; Fracture analysis; Lithology idenfication; Pyrite; Principal component analysis.
中图分类号: P631.8 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2014)03-0397-403 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2014.03.0397
1 引言
胶东半岛位于华北克拉通东南缘、苏鲁超高压变质带北段西侧和郯庐断裂以东的盆—岭区,主要由前寒武纪基底岩石和超高压变质岩块组成,其地质情况复杂、多种矿物共生。岩性主要有变辉长岩、片麻岩、花岗岩、破碎岩和后期脉岩 (煌斑质糜棱岩和闪长斑岩)。为了寻找和研究与金矿伴生的黄铁矿石英脉,山东黄金集团有限公司地质矿产勘查有限公司围绕断裂带成矿带超深部成矿问题在本地区进行了科学钻探,称之为“山东科学钻探”。根据该区的地质情况,山东科学钻探项目采用小井眼钻井(井眼直径仅为75 mm)。
测井工程采用专门研发的小井眼测井仪进行,由中国石化胜利工程公司测井公司施工。测井项目包括自然伽马(GR)、自然电位(SP)、双侧向电阻率(RD+RS)、声波时差(AC)、岩性密度(DEN)、补偿中子(CNL)和井径(CAL)等。
本文通过挖掘测井信息,围绕岩性划分、黄铁矿发育带识别以及裂缝、破碎带分析开展研究工作,提出了基于交会图的岩性分析方法和基于主成分分析法的裂缝带、破碎带识别方法,研究成果为黄铁矿矿床分析提供了重要信息。
2 岩性判别与分析
2.1 岩性简述
通过该区岩芯实验分析结果认为,该区岩性主要以变辉长岩、片麻岩和二长花岗岩为主,夹碎裂岩、煌斑质糜棱岩、闪长斑岩等脉岩,以及厚度较薄的石英岩脉。
变辉长岩的原岩为辉长岩,辉长岩是一种基性深层侵入岩石,主要由含量基本相等的单斜辉石和斜长石组成。片麻岩是一种变质岩[ 1],主要由长石、石英和各种暗色矿物(云母、角闪石、辉石等)组成。根据岩石的物质成分分为富铝片麻岩、斜长片麻岩、二长片麻岩和钙质片麻岩等。还可根据所含矿物种类进一步分为角闪石斜长片麻岩、石榴子石斜长片麻岩、黑云母斜长片麻岩等。原岩类型比较复杂,可以是正常沉积岩(黏土岩、粉砂岩等),也可以是火山岩、火山碎屑岩或各种侵入岩。在一定的温度和压力条件下,可由区域变质作用或接触变质作用形成。二长花岗岩是一种具有大致相等数量的碱性长石和斜长石的花岗岩,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正长石。
2.2 岩性识别方法与测井响应特征
不同岩石矿物的测井特征值不同,单一曲线识别岩性较为困难。为此,针对已知岩性应用多种测井数据分别制作密度—中子孔隙度,自然伽马—光电吸收截面指数,深电阻率—声波时差,密度—深电阻率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、方便地表示和掌握各类岩性在2种测井值上的分布区域,这样可以判断各岩性在测井值上的重合与差异情况。由图1可知,密度可以很好地区分变辉长岩、片麻岩、二长花岗岩与黄铁矿,中子、光电吸收截面指数对变辉长岩识别能力较强,对其他几类岩性的区分能力较弱。电阻率对黄铁矿的识别能力较强。
岩芯分析资料表明,由于岩石的矿物成分不同。不同的岩性具有不同的测井特征值。利用交会图技术可以确定变辉长岩、片麻岩、二长花岗岩测井特征值(表1)。从表1中可以看出,黄铁矿发育段电阻率数值最低,为70~100 Ω·m,利用电阻率数值可清楚的识别。密度、中子、声波、自然伽马曲线值多数数据点重合,但变辉长岩密度数值、光电吸收截面指数、中子数值都高于其他岩性值,数值分别为2.8~2.9 g/cm3,5.1~5.5 b/e,3.0%~6.0%。黄铁矿声波时差数值最高,为53~56 μs/ft;深电阻率数值最低,为10~100 Ω·m。
表1 胶东地区主要岩性测井特征表
 | Table 1 Logging characteristics of some main rocks of Jiaodong area |
2.3 脉岩识别
脉岩是常呈脉状或岩墙状产出的火成岩。其成分常和一定的岩浆岩相关,花岗岩形成后,常伴有大量的脉岩侵入。以浅色矿物为主要成分的有细晶岩和伟晶岩,以暗色矿物集中呈现的为煌斑岩,结构主要为斑状结构和玢岩等。脉岩规模较小,但通常切割矿体,有效识别脉岩对寻找金属矿起到至关重要的作用。根据岩芯分析及测井资料响应值可以有效识别脉岩。
通常在片麻岩及花岗岩中多处发育厚度不等的煌斑质糜棱岩及闪长斑岩侵入脉岩。闪长斑岩属浅成岩,其斑晶主要为斜长石、石英、钾长石和黑云母,基质成分与斑晶相似,但含量有所不同,具有微粒或隐晶质结构。测井特征:自然伽马呈高值,数值为195 API,双侧向数值为20 000~30 000 Ω·m,中子数值为1%~2%,声波数值55~60 μs/ft,密度数值为2.8 g/cm3(图2)。
煌斑质糜棱岩是强烈破碎塑变作用所形成的岩石,往往分布在断裂带两侧,由于压扭应力的作用,使岩石发生错动[ 2],研磨粉碎,并由于强烈的塑性变形,使细小的碎粒处在塑性流变状态下而呈定向排列。糜棱岩的粒度细小,但一般比较均匀,外貌致密、坚硬,需借助显微镜才能分辨颗粒轮廓。有时在断面上可见凸镜状定向排列的碎斑。煌斑质糜棱岩含暗色矿物成分较多,主要为黑云母和角闪石。测井特征:自然伽马呈高值,数值为180~345 API,双侧向数值为20 000~40 000 Ω·m,中子数值为0~3%,声波数值为50~60 μs/ft,密度数值为2.75~2.80 g/cm3(图2)。
由此可以看出,闪长斑岩与煌斑质糜棱岩密度、中子、电阻率及自然伽马数值比较接近,不易区分。因此,在识别脉岩时采取曲线纵向对比的方法,首先应用与围岩数值差别较大的自然伽马曲线把低值背景下的高值井段划分出来,再结合区域岩性资料确定脉岩类别。图2为应用该方法确定的闪长斑岩与煌斑质糜棱岩。
 | 图1 测井交会图识别岩性Fig.1 Identify lithology using logs crossplot |
 | 图2 几种岩性测井响应特征Fig.2 Logs response of several rocks |
3 利用测井资料寻找裂缝发育带
变质岩的储集空间包括缝、孔、洞,一般以裂缝为主。变质岩储层储集空间形成和演化的影响因素主要有变质作用、构造作用、古物理风化作用、化学淋滤作用、矿物充填及原岩性质等,其储集层以裂缝发育和经过碎裂化的刚性变质岩类储集性能最佳。裂缝发育、碎裂化强烈的储集岩主要分布在断裂带及其附近。纵向上可划分为风化破碎带、裂缝发育带和致密带[ 3]。破碎带中常见的变形岩石有断层角砾岩、碎裂岩、糜棱岩[ 4]。黄铁矿石英脉主要分布在碎裂岩、糜棱岩中。本区主要构造形式是褶皱构造和断裂构造,以断裂为主。矿床的内生成矿作用与各种热液作用有密切的成因关系[ 5],而热液作用与岩浆岩关系密切。断裂构造不仅控制着岩浆岩的分布,而且也是主要的控矿构造,因此,利用测井资料识别破碎带、裂缝发育带从而寻找有价值的金矿是一种有效的方法。
钻井过程中由于地层应力释放井眼多处发生崩漏破碎。构造碎裂岩是指受地应力作用(地质构造运动)造成岩石脆性形变—断层或碎裂等,从而形成岩石破碎带,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:第一类为岩石破碎严重,常伴有井壁坍塌扩径的断层破碎带;第二类为井壁坍塌轻微的裂缝破碎带。由于本区资料有限,首先可以利用常规测井响应特征确定断层破碎带及裂缝,其次还可以应用主成分分析法确定地层裂缝发育带。
3.1 常规资料识别裂缝、断层破碎带
裂缝是岩石结构中内聚力减弱所产生的结果[ 6]。断层破碎带是断层两盘相对运动,相互挤压,使附近的岩石破碎,形成与断层面大致平行的破碎带。其内充填有由断层壁撕裂下来的岩石碎块、碎石和断层作用而成的黏土物质。通过对裂缝、断层破碎带的识别可以进行一系列地质研究。通过对本区资料分析发现,利用测井信息结合相关地质资料可以对其进行较有效的识别。
断层破碎带的测井显示特征是扩径明显扩大,并因此造成一系列的测井值异常,不能真实地反映岩石物理性质。如密度测量臂不能贴住井壁(受泥浆影响)而测井值明显降低,严重时只能得到近似泥浆密度值;中子曲线值异常增大;电阻率数值也明显降低;声波时差也因泥浆影响而大幅度增高。如图3所示,井段523.6~524.3 m双侧向电阻率曲线数值下降,中子及声波数值增大,为断层破碎带测井响应;岩芯照片也显示该井段岩石破碎,岩芯描述有一小断层。测井资料与岩芯分析资料两者吻合较好的裂缝的测井显示特征与断裂破碎带基本相似,只是对测井信息的影响(干扰)程度较轻,如井径平直或稍有增大,密度数值有所降低,中子孔隙度和声波时差数值也有增大现象,电阻率数值急剧降低。如井段1 011.5~1 013.5 m双侧向电阻率曲线数值下降,中子及声波数值增大,岩芯照片显示该井段岩石破碎的规模较小(图3),为典型的裂缝破碎带特征。
3.2 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[ 7]。
在裂缝发育带,声波时差曲线产生周波跳跃或出现增大趋势,密度测井值整体偏小且曲线出现窄尖峰状的突变,补偿中子测井值偏大,电阻率测井曲线一般显示出幅度差,井径扩径,并且裂缝发育层段曲线抖动变化明显。而非裂缝发育层段则不存在上述特征。因此利用测井曲线对裂缝的响应特征,提取裂缝指示曲线,可以识别裂缝发育段。
(1) 电阻率差比 Rtc
断层 Rtc曲线变化幅度大,而原岩的 Rtc曲线较平缓,诱导裂缝带数值大于滑动破碎带数值。
式中: Rd, Rs分别为深、浅电阻率。
(2) 三孔隙度比值 Pf
为了清楚地指示地层裂缝发育带,构建了一个裂缝指示参数 Pf。
 | 图3 破碎带的常规测井响应与岩芯照片Fig.3 Logs responses and core photos of broken zone |
式中: ϕt为地层总孔隙度; ϕd, ϕn, ϕs分别为密度、中子、声波求得的孔隙度。
三孔隙度比值( Pf)大于0,表明地层处于裂缝带、破碎带,即表明次生孔隙发育,也就是指裂缝发育; Pf值为0或小于0,表明次生孔隙不发育,即裂缝不发育。
(3) 曲线变化率
选取密度、声波、电阻率和井径等对裂缝发育敏感的曲线,采用三点法计算曲线的变化率,地层裂缝发育时,测井曲线形态变化明显,诱导裂缝带的曲线变化率明显大于滑动破碎带,滑动破碎带的曲线较平缓。
式中: Xi, Xi-1, Xi+1为当前深度点和邻近2点的测井曲线值。
(4) 井径增大率 CALd
裂缝发育地层井眼容易垮塌,井径增大率幅度明显,在裂缝不发育井段曲线平直。
式中: CALJ, CAL分别为钻头直径和实测井径值。
以上是根据测井信息提取裂缝指示曲线来指示地层裂缝,但由于影响裂缝发育因素众多,用单一测井资料或某一种方法识别可能存在多解性,只有将多种信息有效结合,采用多种方法进行综合判识。因此,在此基础上引入主成分分析法,用主成分分析法与裂缝指示曲线相结合对地层裂缝段进行有效判断。
主成分分析方法能将测井数据按地质成因上的联系进行归纳、整理、分类并提炼。应用主成分分析法提取主成分曲线,通过将不同主成分曲线重叠,放大地层裂缝响应特征。从具有复杂相关关系的多种测井值中,提取能控制所有测井变量的、最能反映地层特性的主成分变量 Pi( i=1,2,…)[ 7],从而更有效地识别断层内部结构单元。
由于不同测井资料反映的地层信息不同,需要根据本区岩石的基本特征,选取能较好反映岩性、骨架结构、孔隙度等性质的测井资料,如GR,AC,DEN,CNL等。首先对原始数据进行标准化处理,建立相关系数矩阵及其特征值、特征向量、方差贡献率的计算,最终确定资料的主成分值 Pi,主成分确定后,对地层进行一系列深度点的测井资料主成分值计算。通常在裂缝段各主成分值大小有一定差异,但总体上大于致密岩性段主成分值。因此,对主成分值反向重叠后可以有效地识别出裂缝段。
4 应用效果
4.1 岩性分析实例
根据测井交会图识别结果,对目的层段进行了岩性识别。图4为识别结果和相应的测井响应特征。
 | 图4 几种岩性测井响应特征Fig.4 Logging response characteristics of several of several rocks |
变辉长岩:自然伽马数值较低,约为49 API,密度值约为2.89 g/cm3,中子值为3%~4%,光电吸收截面指数约为5.5 b/e,电阻率约为20 000 Ω·m。
片麻岩:自然伽马数值50 API左右,密度值约为2.8 g/cm3, 中子值几乎为零,光电吸收截面指数约为5 b/e,电阻率为5 000 Ω·m。
二长花岗岩:相对变辉长岩而言,二长花岗岩自然伽马数值较高,约90 API,密度值约为2.72 g/cm3, 中子值约为-2%,光电吸收截面指数约为4.8 b/e,电阻率值为300~10 000 Ω·m。
图4中1 339.07~1 339.24 m为白色黄铁矿石英脉,上盘10 cm为灰色蚀变煌斑岩。1 339.24~1 339.53 m(厚度0.29 m)为白色团块状黄铁矿石英带,黄铁矿含量2%~4%。1 339.53~1 339.66 m(厚度0.13 m)为浅黄色石英黄铁矿粗脉带,黄铁矿含量40%~65%。黄铁矿电阻率数值急剧下降,约为10 Ω·m。4.2 裂缝发育带划分实例
通过裂缝指示特征曲线和主成分交会方法综合划分了裂缝层段。图5为识别裂缝发育层段,测井曲线特征:深侧向电阻率数值急剧下降,密度数值降低,中子孔隙度和声波时差数值增大。518.0~524.0 m裂缝指示特征曲线电阻率比值增大、声波时差变化率增大、井径增大率增大、密度变化率降低,P1与P2主成分反向重叠后指示有裂缝存在。岩芯描述:524.34~524.94 m岩石非常破碎,是一条小断层;591.11~591.94 m韧性剪切带,挤压片理极发育, θ=55°,变辉长岩中的矿物压扁拉长定向排列,原岩为辉长岩。下盘围岩4 cm范围内沿挤压片理分布着较多星点状细粒黄铁矿。591.80 m有团块状白色含白云母石英,含有短脉状细粒黄铁矿。591.88 m一条白云母石英脉,宽度>1.5 cm, θ=60°。在604.50 m处岩石非常破碎,岩石中变辉长岩的结构、构造保留较好。深度归位后,二者吻合较好。
 | 图5 基于主成分分析法的测井裂缝段识别成果图Fig.5 Fracture identification result based on principal component analysis method |
5 结论
各类岩性在不同交会图的分析表明,密度和中子测井交会图对变辉长岩及片麻岩有较强的识别能力;密度和深电阻率测井交会图对片麻岩、二长花岗岩、变辉长岩、黄铁矿石英脉有较强的识别能力。变辉长岩很容易和其他岩石区分开来,变辉长岩DEN最大,CNL最小;黄铁矿石英脉也很容易识别,深侧向电阻率(RD)最小。
此外,本区域脉岩发育段与自然伽马对应性较好,表现为高自然伽马值。
主成分分析法在连续识别裂缝发育带方面具有较为明显的优势,该方法把多种测井资料转化成少数几个互相独立又包含原有资料大部分信息的主成分值。识别结果与岩芯描述一致性较好。因此,利用本文所述方法并结合相关地质资料可以有效地识别裂缝发育带。
目前,应用测井资料交会图技术识别岩性、主成分分析法判断裂缝发育井段、破碎带,在该区取得初步的效果,由于测井资料较少且在测井时测井资料会受到各种因素的影响,因此划分标准有一定的局限性,有待于进一步完善。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献
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