變質巖巖石化學組分的測井評價及其在巖礦分析中的應用
——以中國大陸科學鉆探工程主孔超高壓變質巖為例

韓延禮，景建恩，侯本軍，侯國正

(1.山東省物化探勘查院，山東 濟南　250013；2.中國地質大學(北京)地球物理信息技術學院，北京　100083；3.上海海洋石油局第一海洋地質調查大隊，上海　201208)

變質巖巖石化學組分的測井評價及其在巖礦分析中的應用
——以中國大陸科學鉆探工程主孔超高壓變質巖為例

韓延禮1，景建恩2，侯本軍3，侯國正1

(1.山東省物化探勘查院，山東 濟南250013；2.中國地質大學(北京)地球物理信息技術學院，北京100083；3.上海海洋石油局第一海洋地質調查大隊，上海201208)

為了更有效地利用測井資料識別巖性，以中國大陸科學鉆探工程主孔超高壓變質巖的測井與巖心化學分析資料為對象，研究兩者之間的內在關系。從相關文獻中搜集和整理了主孔的189個巖心樣品的全元素分析資料，提取了巖心分析與測井響應的樣本數據。在此基礎上，分析了氧化物含量與常規測井響應的統計關系，并通過逐步線性回歸方法，建立了氧化物含量的測井評價模型。利用測井資料，計算主孔72～2010m井段地層的氧化物含量，對主孔地層巖性和鈦礦(化)發育特征進行解釋。研究表明，對于復雜的變質巖類，常規測井響應與地層元素組分之間存在內在的聯系；在獲得巖心全元素分析數據的條件下，利用測井資料建立地層化學組分的評價模型，能夠為巖性與含礦分析提供更為直接的數據。

中國大陸科學鉆探；超高壓變質巖；測井；線性回歸；氧化物含量

引文格式：韓延禮，景建恩，侯本軍，等.變質巖巖石化學組分的測井評價及其在巖礦分析中的應用——以中國大陸科學鉆探工程主孔超高壓變質巖為例[J].山東國土資源，2015,31(4)：61-66. HAN Yanli, JING Jian'en, HOU BenJun, etc. Well Logging Evaluation and Its Application of Chemical Components in Metamorphic Rock——Setting Super-high Pressure Metamorphic Rocks in Main Holes of CCSD Project as an Example[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(4):61-66.

0　引言

地球物理測井(簡稱測井)是為了滿足石油、天然氣勘探需要而發展起來的一個地球物理勘探分支，現在其應用已擴展到非油氣資源、科學鉆探及工程、災害和環境地質等領域，成為人們研究地球和解決地質問題的關鍵技術之一。隨著生產實踐不斷深入，測井技術面臨越來越多的復雜巖性解釋問題，其中以火成巖與變質巖巖性評價最為突出。由于礦物種類多、含量變化大、巖性分類復雜，這些巖性的測井解釋工作存在較大困難。測井、巖心巖屑分析是獲知鉆井巖性剖面的主要手段。與巖心巖屑資料相比，測井具有分辨率低、測量結果受井眼環境影響等缺點。但是，測井能夠提供原位的測量信息，可用于研究沿井身連續變化的巖石礦物學特征，并給出較準確的深度信息。因此，利用測井資料識別巖性，就成為測井解釋人員的一個重要研究課題。

針對復雜巖性的測井識別問題，學者們研究了交會圖方法[1-2]、人工神經網絡方法[3-4]、多元統計方法[5-6]。交會圖方法要求每種巖性具有不同的測井響應特征，對于復雜巖性，這一條件很難得到滿足。人工神經網絡法要求足夠多具有代表性的樣本，并且常用簡單的數字組合代表不同巖性，這些數字一般沒有明顯地質意義。多元統計方法利用眾多測井曲線，通過降維處理提取對巖性敏感的少數參數，并進一步利用提取的參數判斷巖性。可以說，多元統計方法是交會圖方法的延伸，同時所提取參數的地質意義仍然不是十分明確。為克服上述研究方法的不足，文獻[7-10]利用元素俘獲(ECS)測井從巖石化學成分角度對火成巖巖性進行識別，但是ECS測井各種誤差及測井費用較高等制約了ECS測井方法的推廣。對比發現，ECS測井得到的元素產額與常規測井曲線具有內在相關性，揭示這種關系可以為沒有測量ECS的井進行準確的巖性與礦化識別打下基礎[8]。

2001—2005年，在江蘇東海實施的第一個中國大陸科學鉆探工程(簡稱CCSD)計劃，以重要命題“大陸板塊會聚邊界的地幔動力學”和“超高壓變質巖形成與折返機制”的研究為科學目標，受到了國際地學界的高度重視[11-12]。為了保證科學鉆探的順利實施和地學研究目標的全面實現，CCSD采用先進的ECLIPS5700測井系統的20多種測井技術，獲得了主孔全井段超高壓變質巖的原位測量信息[13]，進行了全井段取心和巖心的巖石學特征分析，為研究常規測井曲線與地層元素產額的內在聯系提供了寶貴的數據資料。該文從已發表的資料獲得CCSD主孔189塊巖心樣品氧化物含量的測試數據，經過對巖心樣品的深度校正，提取巖心測試與測井響應數據樣本，分析氧化物含量與各常規測井響應之間的內在關系，通過逐步線性回歸方法建立氧化物含量的測井評價模型。根據所建立的測井回歸模型，計算CCSD主孔72～2010m井段地層的氧化物含量，對該井段的巖性和含礦性特征進行分析研究。

1　全巖氧化物組分的測井分析基礎

從礦物化學分析的角度，同一地區相同巖性的組成礦物都具有相對穩定的化學元素或氧化物組成[14]。若已知某巖石的礦物組成及含量，則可以估計該巖石中元素或氧化物組分的含量。根據巖石體積物理模型，可得到測井與各組分物理參數之間的響應方程。由此判斷，測井響應與地層的氧化物含量之間必然存在著內在的關系。這里對這個關系進行分析，尋找建立地層氧化物質量百分含量測井評價模型的理論基礎。

根據巖石體積模型,測井響應與各組分物理參數關系方程為：

L=CV

(1)

式中：L為由測井參數構成的列向量；V為由地層礦物和孔隙度相對體積含量構成的列向量；C為礦物參數矩陣。當測井參數個數大于地層組分個數時，該方程組為超定方程，其解可表示為[15-16]。

(2)

若得到地層各礦物組分的相對體積百分含量，則可由下式計算各氧化物體積密度參數：

(3)

式中：Od為單位體積巖石中各種氧化物質量的列向量;ρ為與V對應的礦物組分的體積密度列向量;M為礦物中各氧化物質量百分含量矩陣。由此進一步得到地層中各氧化物質量百分含量的計算公式：

(4)

式中：Ow為各氧化物質量百分含量；ρb為地層巖石體積密度標量。

(5)

由(5)式可知，在地層各礦物的化學元素或氧化物組成與含量相對穩定的條件下，地層中各氧化物質量百分含量與測井響應總體上滿足一種線性關系。因此，在獲得巖心樣本與測井數據之后，利用線性回歸分析方法，能夠建立氧化物質量百分含量的測井評價模型。

2　氧化物含量與測井響應樣本

近年來，多名巖石學專家采用X熒光光譜分析法對主孔的巖樣進行了全巖氧化物含量測試，涉及巖性包括榴輝巖、角閃巖、副片麻巖、正片麻巖及蛇紋巖等，測試誤差<0.5%[17-21]。通過對上述巖樣資料進行收集和整理，共獲得189塊可供利用的巖樣測試數據，其中榴輝巖75塊、副片麻巖50塊、正片麻巖52塊，其他巖類12塊，為利用測井資料重建CCSD主孔的氧化物質量百分含量剖面奠定了基礎。由于巖心編錄深度與測井深度之間存在一定的偏差，在建立測井回歸模型時，首先對巖樣測試資料進行深度校正。Kessels,W.[22]和牛一雄等[23]介紹了巖性深度歸位的方法。這里根據主孔巖性歸位資料分析巖心深度誤差與巖心編錄深度的關系(圖1)。由圖1可知，巖心深度誤差與巖心編錄深度具有較好的統計關系，根據統計方法得到巖心深度校正量的分段計算公式(6)。

圖1　CCSD主孔巖心深度誤差與巖心編錄深度關系

(6)

式中：Er是測井深度減去巖心編錄深度的誤差；Dc表示巖心編錄深度(m)。利用上面建立的關系對巖樣測試資料進行深度校正。根據校正后的巖樣深度，提取相應的測井數據，獲得189個氧化物含量的測井響應樣本。

3　CCSD主孔變質巖氧化物含量的測井回歸模型

該文在建立回歸模型時，使用了103塊巖心樣

品的測試資料，另外86塊樣本資料來自文獻[18-21]，用于對模型進行檢驗。下面以全鐵氧化物TFe(包含FeO與Fe2O3)的質量百分含量(由mTFe表示)為例，介紹氧化物含量測井回歸模型的建立方法。在分析中，AC,DEN,CNL,PE,GR,K,Th和RD分別表示聲波時差、密度、補償中子、光電吸收截面指數、自然伽瑪、自然伽瑪能譜鉀、釷、深側向電阻率的測井響應變量。為了分析mTFe與各測井響應的內在關系，繪制了189塊樣本數據的散點圖2。由圖2可知，與AC,DEN,CNL,PE具有較明顯的線性統計關系，與GR,K,Th的常用對數具有較好的線性關系，與RD的關系不明確。因此，以DEN,PE,AC,CN和GR,Th,K的常用對數等測井數據為自變量，以mTFe為因變量，采用逐步線性回歸法與進入回歸法進行分析，得到回歸方程式(7)。

TFe=4.112+4.139DEN+0.624PE-6.243lgGR

(7)

回歸結果的相關系數為0.893，殘差標準偏差為2.722%，F檢驗表明回歸系數顯著性明顯。

對各氧化物質量百分含量進行回歸分析，得到回歸模型系數見表1。除MnO與P2O3之外，各回歸模型的相關系數都大于0.7，表明在滿足表1所示標準偏差精度要求下，可以利用測井資料估計鉆孔地層氧化物含量。為了給出更好的模型，該文根據189塊巖樣資料，利用上述方法建立了回歸模型。

表1　氧化物質量百分含量的測井回歸模型系數

注：表中“/”表示該測井響應不出現在對應的回歸模型中

在表1中，DEN出現的次數較多，并且在模型中的系數最大，表明密度測井與各氧化物含量具有十分密切的關系；AC,K,Th出現的次數較少，說明聲波測井、自然伽瑪能譜測井響應與各氧化物含量的相關關系較差；從各模型系數看，DEN與FeO,Fe2O3,TFe,MgO,TiO2等含量呈正相關關系，與SiO2,Na2O,Al2O3含量呈負相關關系；GR或lgGR與SiO2,K2O含量呈正相關關系，與FeO,Fe2O3,TFe含量呈負相關關系。PE與MgO含量負相關，與FeO,CaO,TiO2含量呈正相關關系。

圖2　全鐵氧化物含量mTFe與各測井響應交會圖

4　CCSD主孔氧化物含量分布特征與巖礦分析

根據所建模型，利用測井資料計算中國大陸科學鉆探工程主孔70～2010m地層的氧化物含量曲線(圖3)。圖3中離散點子為巖心測試數據，其中，圓點表示建立回歸模型時用到的103個樣本點數據，三角形點表示沒有參與模型回歸的樣本，用于檢驗回歸模型的可靠性。由圖可知，圓點和星點與回歸曲線具有很好的一致性。尤其在750～1150m和1700～1850m井段，在沒有圓點樣本控制的情況下，三角形點與連續曲線表現出很好的擬合關系。這說明該文所建氧化物百分含量的回歸模型是可靠的，所計算的氧化物含量曲線比較可信。

根據大陸科學鉆探中心對主孔巖性識別與分層結果，將主孔100～2000m井段揭示的榴輝巖劃分為18個層段(圖3)。

圖3　巖心測試與測井估計的氧化物含量

圖3反映了鉆孔中不同巖性各氧化物含量的變化特征，其中，100～603.4m和1058～1092.4m井段的SiO2,Na2O,K2O含量較低;TFe,MgO,TiO2,CaO含量較高，主要巖性為榴輝巖，對應1～8,14層段。603.4～683.2m和843.0～850.6m井段的SiO2,Na2O,K2O,Al2O3含量最低;TFe含量較高，MgO含量最高，表現為超基性巖特征，對應巖性為蛇紋巖。1165.5～1578.2m井段SiO2,Na2O,K2O含量較高;TFe,MgO,TiO2,CaO含量最低，對應的主要巖性為片麻巖。683.2～1058.0m和1578.2～2000m井段各氧化物含量曲線高低起伏變化較大，揭示了榴輝巖、片麻巖和少量角閃巖的互層特征，對應第18層段。

鈦是一種非常重要的金屬元素。隨著濱海型鈦礦物、礦砂的日趨枯竭，榴輝巖型的變質鈦礦床，可能成為重要的鈦礦物資源。徐玨等學者[24]從巖石和礦物學角度對CCSD主孔的鈦礦化進行了研究，指出有經濟價值的含鈦相礦物主要是金紅石，其次是鈦磁鐵礦，其他礦物不含或含微量鈦。因此，可以根據TiO2含量曲線，對主孔中這2種含鈦相礦物的分布特征進行分析解釋。根據TiO2含量曲線識別整個井段中鈦礦化程度較高的4個層位，其深度區間分別為316～371.5m，430.6～471.4m，531～603.4m，683.2～704.4m，對應第3,4,8,10層段。

5　結語

地球物理測井是研究地球和解決地質問題的關鍵技術之一。利用測井資料進行復雜巖性評價是測井解釋人員的一個重要研究課題。該文從理論上對地層元素組分與常規測井曲線的內在關系進行分析，推導了利用測井響應評價地層氧化物含量的線性化公式，為從化學組分角度識別復雜巖性奠定了基礎。

利用中國大陸科學鉆探工程主孔的測井與巖心全元素分析數據，對兩者之間的關系進行研究，建立了主孔地層主元素氧化物含量的測井回歸模型。利用常規測井資料計算了主孔72～2010m井段的氧化物含量。計算結果表明，主孔中各種巖性具有明顯不同的氧化物含量特征。該文利用各氧化物含量曲線對該井段巖性與鈦礦(化)的發育特征進行了分析解釋，進一步劃分了4個鈦礦化程度較高的層段。

研究表明，在獲得巖心全元素分析數據的條件下，可通過測井資料建立地層化學組分的測井評價模型，從而為復雜巖性解釋提供了一種值得借鑒的方法。

志謝：筆者在研究中得到了牛一雄高工、潘和平教授、王文先高工的熱情支持。李舟波教授、曾繁超總工對該文研究給予了熱心幫助和指導。在此，對幾位專家表示誠摯謝意。

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Well Logging Evaluation and Its Application of Chemical Components in Metamorphic Rock——Setting Super-high Pressure Metamorphic Rocks in Main Holes of CCSD Project as an Example

HAN Yanli1, JING Jian'en2, HOU BenJun3, HOU Guozheng1

(1. Shandong Geophysical and Geochemical Exploration Institute, Shandong Jinan 250013, China; 2. Geophysics and Information Technology College of China University of Geosciences, Beijing 100083, China;3. No.1 Marine Geological Party of Shanghai offshore Petroleum Bureau, Shanghai 201208, China)

Well logging is facing more and more questions about complicated lithology interpretation. In order to identify lithology effectively by taking well logging，logging and core test data of main holes in super high pressure metamorphic rocks from Chinese Continental Scientific Drilling Project(CCSD)as examples, internal relations between conventional logging data and element component of stratum have been studied. Whole elements analysis information of 189 pieces of core samples have been collected, and the sample data of core analysis and corresponding logging datas have been extracted. On these basis, statistical relationship between oxide contents and normal corresponding logging datas has been analyzed. By using stepwise linear regression method, logging evaluation model of oxide content has been established. The oxide contents of main holes in 72～2010m section have been calculated by using logging data, and lithology and mineral development characteristics of main holes have been explained. It is showed that immanent connection exists between conventional logging response and element component for the complex metamorphic rock. On the condition of gaining element analysis data, by using well logging data, evaluation models of chemical components in strata has been set up. It can provide more direct data for lithology and ore analysis.

Chinese Continental Scientific Drilling (CCSD)； ultra-high pressure metamorphic rock； well logging； linear regression；oxide content

2014-06-03；

2014-09-03；編輯：陶衛衛

韓延禮(1973—)，男，山東章丘人，高級工程師，主要從事地球物理勘查及方法研究；E-mail:hanyanli@139.com

P618.51

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