科學鉆探超聲成像測井技術在深部找礦中的應用

崔 明

（中國建筑材料工業地質勘查中心黑龍江總隊，黑龍江 哈爾濱 150040）

某重要礦藏地區不僅因為其有色金屬和稀有金屬的富集，也因為其作為世界大陸花崗巖成礦帶的獨特特征。其礦區內存在多種高溫與鎢多金屬礦床的組合，以及多種低溫與銀、金、銅、鋅礦床的組合。超聲成像測井有助于有效識別地層裂縫和裂縫帶，評價裂縫類型和產狀，分析地層沉積特征，研究地應力表征。受環境條件和高成本的限制，以及對該過程的負面認知和態度的影響，成像測井方法很少用于金屬礦石的勘探，迄今為止提供的相關報告很少。在井深度80～1608m處獲得了有價值的超聲成像測井數據。首先分析了測井圖像的主要地質特征，并收集了定量的裂縫參數[1]。然后，得到了這些裂縫參數的規律，這些參數會隨著鉆井深度的變化而變化。最后，討論了多金屬礦化層測井結果的外延意義。希望通過本研究，為超聲成像測井在潛在金屬礦化科學鉆探中的應用提供參考。

1 日志數據采集和處理

1.1 日志數據采集

連續進行了3 次綜合測井任務。測量間隔為80～477m、597～1257m、1250～1608m，采樣間隔為0.002916m。重復測量的總間隔達到10%，重復測量結果顯示測井數據質量高[2]。由于金屬礦石鉆孔孔的直徑比較小，超聲波成像測井儀的探頭可以接收到較強的信號，提高了采集到的測井數據的質量。當然，直徑較小的鉆孔也增加了超聲成像測井儀中發生堵塞的風險。受儀器最大測量深度和其他鉆井因素的限制，1608.20m 深度以下的超聲成像測井數據無法獲得。除了超聲成像測井數據采集外，還采集了其他常規測井數據，主要是卡尺、聲速、密度、電阻率、誘導極化等。

1.2 日志數據處理

超聲成像測井數據的處理包括預處理、圖像生成、交互處理和解釋。采用WellCAD軟件對測井數據進行處理。WellCAD軟件的ImageLog處理模塊對超聲成像測井數據進行一系列預處理，包括數據的濾波、插值、歸一化、統計信息、定向信息、鏡像圖像等。該模塊還可以調節儀器的偏心度，生成卡尺圖像。WellCAD 軟件的StructureLog 處理模塊可以交互式地收集地質構造產狀(如層理、層理、層界面和裂縫等)，估計裂縫孔徑和裂縫帶厚度，并對產狀數據進行分段計數[3]。

2 裂縫的分布及發育特征

2.1 裂縫的分布

超聲成像測井圖像有兩種:井壁振幅圖像和走時圖像。兩種圖像都能反映井壁的詳細地質特征，但井壁振幅圖像比走時圖像提供的信息更多，利用幅值圖像分析該井的地質構造，當地層相對致密時，井壁與井液界面的聲阻抗差較大。這些地層特征可以為超聲成像測井的振幅產生較大的實測值。在這種情況下，井壁振幅圖像的測井響應是一個光區或明亮區[4]。相反，發生在裂縫或裂縫帶的井壁會導致微弱的聲反射信號，由于漫反射的影響，聲波反射信號會返回到探頭，上述地層特征也會導致超聲成像測井的振幅測量值更小。在這種情況下，井壁振幅圖像的測井響應為黑色或暗區[圖1(a)-(f)]。根據裂縫產狀分類原則，將裂縫分為4種類型:水平裂縫(傾角小于15°)、低角度裂縫(傾角15°～45°)、高角度裂縫(傾角45°～75°)和垂直裂縫(傾角大于75°)[圖1(a)-(d)]。根據這一分類原則，在本次探測中，低角度和高角度裂縫最為常見，而垂直和水平裂縫則較為罕見。根據裂縫充填程度的不同，可將裂縫分為開放裂縫和充填裂縫。開放裂縫比較常見，但充填裂縫比較罕見。如果在同一時期的構造運動應力作用下，這些裂縫幾乎平行發育，并在超聲成像測井圖像中顯示出方向一致的平行暗帶[圖1(e)]。裂縫帶是地層裂縫發育徹底的結果，裂縫帶一般表現為寬暗帶的特征響應，但當地層裂縫嚴重時，測井圖像呈隨機形狀[圖1(f)]。

圖1 超聲成像測井圖像的裂縫特征

2.2 裂縫發育特征

多金屬礦化層一般受裂縫帶控制，可暴露于主裂縫的側翼和多組裂縫的交界處。由于裂縫和裂隙帶與多金屬礦化層密切相關，對暴露多金屬礦化層的裂縫和裂隙帶進行分析，可以間接指示金屬礦床的層位。這種分析還可以幫助揭示金屬礦床的分布，預測研究區潛在的成礦帶。天然裂縫的發育分布特征也可用于研究成礦地質時期可能發生的古應力場特征。從超聲成像測井圖像的裂縫分布規律中可以看出，利用Structurelog 處理模塊觀察到，在80.04～1608.20m 深度之間存在1546 條裂縫。在80.04～1608.20m 深度范圍內，裂縫隨深度變化的特征主要表現為:絕對頻率為10.2 條/10m，最絕對頻率為40 條/10m,裂縫發育深度在100～200m、600～850m和1400～1600m之間；傾角統計結果顯示，傾角主要分布在50°～80°范圍內。其中最常見的裂縫類型為高角度裂縫，占裂縫總數的61.84%。其次是低角度斷裂和垂直斷裂，分別占總斷裂數的19.92%和17.72%。水平斷裂罕見，僅為0.52%；裂縫傾斜方向以SE為主，裂縫傾斜方向呈WS分布，反映了導致裂縫形成的最大水平主應力方向。

3 數據分析

3.1 裂縫發育特征、裂縫帶與多金屬礦化層分布的關系

地層裂縫發育且裂縫均勻，孔隙間空間增大，連通性增強。這對某些金屬礦石的聚集尤其有利，因為它為金屬礦床的形成創造了有利的儲層。在80～1608m的深度已顯露出多種多金屬礦化層。多金屬礦化層一般發育在裂縫或裂隙帶中。主要多金屬礦化層深度區間為806～808m、819～826m、860～863m、876～878m、883～887m、905～908m、909～912m、913～917m、1264～1265m、1583～1589m、1590～1603m。這些多金屬礦化層中最厚的為13m。主要礦化類型有含白鎢礦、含黑鎢礦、含黃鐵礦、含閃鋅礦和含輝鉬礦等。900～930m深度超聲成像測井及相應巖芯數據顯示的典型多金屬礦化層。共露出3個多金屬礦化層，其深度區間分別為905～908m、909～912m和913～917m。在這些深度區間內，超聲成像測井圖像顯示裂縫發育良好。910～912m 和914～916m深度的圖像顯示較大的裂縫，對應于909～912m和913～917m深度的多金屬礦化層。在多金屬礦找礦工作中，確定形成裂縫和發育良好層的發育特征，對指示多金屬礦化層的空間分布有重要的幫助。當然，并不是所有的裂縫或裂縫帶都含有多金屬礦化層。

3.2 超聲成像測井與常規測井相結合的多金屬礦化層說明

由于裂縫帶的影響，常規測井的特征響應涉及到卡鉗增大、電阻率降低、密度降低和聲速降低。在860～863m 深度暴露了一個典型的含白鎢礦、含黑鎢礦、含黃鐵礦和含輝鉬礦化層。礦化層頂部860～861.5m，是完整的，礦化層底部861.5～863m，是斷裂的，與超聲成像的測井響應相對應。在超聲圖像中，礦化層頂部相對穩定和完整，呈現出正弦黑色條狀的循環。礦化層底部的聲反射波較弱，部分地方完全缺乏回聲，形成較寬的暗帶。由于礦化層頂部含有多種金屬礦石，常規測井的特征響應表現為電阻率相對較低、密度較高、聲速較高，誘發極化曲線迅速增大。由于礦化層底部發生裂縫，常規測井的特征響應與裂縫帶一致。超聲成像測井與常規測井相結合，可快速識別裂縫帶。利用誘導極化和磁化率測井可以有效地圈定多金屬礦化層的賦存深度。多金屬礦化層不僅可以暴露在裂縫中，也可以暴露在裂縫帶中。但在這些地區，裂縫或裂隙帶的程度一般都過低，不易形成大型金屬礦床。在這些條件下，只要有豐富的成礦物質來源和成礦條件，就有可能形成金屬礦床。

3.3 裂縫參數與井斜的關系

井斜被視為鉆井工程的一個重要評價指標。盡量保持鉆孔垂直，有利于深部多金屬礦床的找礦。影響井斜的因素有很多，包括鉆井過程本身。此外，地層巖性和地質構造也可能影響井斜。超聲波成像測井可以提供相對準確的裂縫產狀信息、所需鉆孔的尺寸和形狀以及井斜數據。該井眼的鉆進方向并非與裂縫的發育方向平行，而是與裂縫的發育方向相反。這一結果是鉆井直井的有益示范，滿足了地質解釋的需要。此外，井斜的主方向可以間接指示古應力場最大水平主應力的方向。一般認為，沿最大水平主應力方向最容易發生伸展構造，在這里，巖石的完整性最容易受到破壞。主要傾角方向分布在90°～140°范圍內，因此導致裂縫形成的最大水平主應力方向為NW-SE。這一結果與裂縫發育特征的統計結果一致。

4 結論

對探測井80.04～1608.20m深度的超聲成像測井數據進行了全面處理。分析了裂縫和裂隙帶的特征響應，探討了測井資料在多金屬礦床找礦中的作用。可得出以下結論:高角度裂縫發育最為明顯，裂縫走向以NW-SE 為主，反映了導致裂縫形成的最大水平主應力方向；對于發生在裂隙帶的多金屬礦化層，超聲成像測井的特征響應為寬暗帶，常規測井的特征響應表現為高極化率、高密度、高聲速和低電阻率；裂縫或斷裂帶內發育了多金屬原生礦化層，超聲成像測井結果間接指示了多金屬礦化層的賦有。