綜合測井在膠東西嶺金礦床深部開采技術條件研究中的應用

王玉,李肖,唐德龍,黃建強,宋林君,尹劍飛

(1.山東省地質礦產勘查開發局第六地質大隊,山東 招遠 265400;2.山東黃金地質礦產勘查有限公司,山東 萊州 261400;3.山東省地質礦產勘查開發局第七地質大隊,山東 臨沂 276000)

0 引言

西嶺金礦床位于三山島金礦床深部,是目前我國勘查深度最大的礦床[1]。山東黃金集團在前期做過大量的基礎地質勘查與科研工作。目前,西嶺金礦床已進入深部勘探階段[2]。在前期地質勘查過程中,礦床成礦機理及礦床開采技術條件的研究多位于礦床淺部。鑒于該礦區礦體埋藏深度較大,隨著礦體開采深度的增加,對深部礦體地溫、地壓產生的熱害、巖爆等研究不足,已無法滿足深部勘探開發要求,有必要開展礦體深部開采條件研究。

自2011年實施找礦突破戰略行動以來,膠東金礦深部找礦取得了重大成績,深部找礦的重大成果得益于找礦技術方法的不斷進步。地球物理測井作為地質家的眼睛,在油氣勘探領域應用非常普遍,然而在礦體深部開采技術條件研究中應用的很少。

本文通過地球物理綜合測井技術、鉆孔工程與水文地質編錄、巖石物理力學性質樣品測試,結合深井實驗室資料,從礦床深部的水文地質、工程地質及環境地質方面研究礦床深部開采技術條件[3]。

1 測井實施情況

礦區主要為第四系沙土覆蓋,西部出露太古宙膠東群變質巖。礦區內侵入巖為中生代花崗巖:晚侏羅世玲瓏花崗巖,以巖基的形式發育;早白堊世郭家嶺花崗巖,以巖株的形式發育,分布于三山島斷裂帶的下盤[4]。礦區內主斷裂總體呈舒緩波狀。走向34°左右,傾向SE。斷裂主要沿玲瓏花崗巖與郭家嶺花崗巖接觸帶分布(圖1)。

1—第四系;2—牟平-即墨構造混雜帶;3—膠東侵入巖變質巖區;4—膠北隆起區;5—膠萊坳陷區;6—膠南隆起區

研究區地處渤海海灣,位于三山島西北部,近岸及海底地形低平,豎井位置見圖1。本次地球物理測井測試了2個鉆孔,測井現場地形平坦,交通方便。ZK72-13鉆孔結構:0～60m,Φ150mm;60～545.25m,Φ122mm;545.25～2607.87m,Φ98mm。ZK90-9鉆孔結構:0～29.64m,Φ170mm;29.64～74.4m,Φ150mm;74.4～389.3m,Φ122mm;389.3～1863.85m,Φ98mm。測井工作使用儀器為JGS-1B綜合數字測井系統(表1)[5]。

表1 測井工作參數

2 主要測井內容及作用

為評價西嶺金礦區深部開采技術條件,本文利用綜合測井方法,從水位、地溫、裂隙發育、巖層位置等信息進行探測。主要采用地球物理測井方法,包括井溫測井、自然伽馬測井、三側向電阻率測井、自然電位測井、井徑測井、密度測井和聲波測井[6]。

通過三側向電阻率、密度和聲波測井成果,結合鉆孔工程地質編錄、巖石物理力學性質樣品測試,研究礦床深部工程地質條件。通過自然電位、三側向電阻率和井徑測井成果,結合鉆孔水文地質工程地質編錄,研究礦床水文地質條件。應用井溫、自然伽馬測井技術,結合深井實驗室資料,研究礦床開采可能引起的熱害、放射性傷害及沖擊地壓與巖爆等井下災害等環境地質條件。

3 地球物理測井結果

在礦床西北部和東南部分別選取鉆孔ZK90-9和ZK72-13開展地球物理測井,根據測井結果分析礦床工程地質條件、礦床水文地質條件、環境地質條件,總結了礦床深部的開采技術條件變化規律[7]。

3.1 水位的確定

(1)ZK72-13水位的確定比較容易,多個參數在孔深4.5m處對水位有異常顯示(圖2)。主要有井溫、自然電位、三側向電阻率、聲波速度[8]。

圖2 ZK72-13水位確定示意圖

(2)由于聲波速度這個參數是在探管進入水面以下之后開始測量的,所以在探管入水之前與入水之后會有明顯的變化,據此可確定水位深度(圖3),ZK90-9近接收、遠接收、聲波時差3個參數在入水之前數值都是0,在探管下到5m附近3個參數開始測量,據此可大致確定水位線在5m附近。

圖3 ZK90-9水位確定示意圖

3.2 地溫變化規律

ZK72-13孔井溫測試結果表明,區內地溫隨深度增加呈線性遞增,淺部地表以下100m的溫度13.48℃,深部2500m的溫度69.04℃,每百米自然增溫2.32℃。綜合鉆孔地溫梯度變化規律可知,該區域平均地溫梯度為每百米自然增溫2.12℃。該地區溫度變化屬于正常范圍(圖4、圖5)。

圖4 ZK72-13井溫曲線

圖5 ZK72-13溫度梯度曲線

在以巖漿巖為主的地區,富水性較好的巖層,存在裂隙發育、巖石破碎或巖層孔隙度較大的現象,體現在地球物理特征上為對應的井徑變大,巖層的導電能力增強,電阻率變小。三側向電阻率參數與巖石導電性和孔隙度密切相關,井徑、聲波速度與巖層破碎程度相關,因此可用這些參數輔助裂隙發育推斷及確定巖層出水位置。

3.3 裂隙發育推斷及出水位置的確定

本次測井工作在ZK72-13孔發現7處出水部位(圖6)。將鉆孔的地質編錄資料與本次測井結果結合可知,存在導水裂隙發育的井段井壁掉塊,井徑變大;對應聲波參數較雜亂,聲波速度降低,波速基線不明顯,反映出這幾處存在巖石破碎情況,且破碎較嚴重;巖石三側向電阻率參數降低,推測此處為出水部位,使得該段巖層較上下兩側導電性增強。

圖6 ZK72-13出水位置示意圖

本次測井工作在ZK90-9孔發現2處出水部位(圖7)。將鉆孔的地質編錄資料與本次測井結果結合可知,1293.2～1344.9m、1430.6～1448.7m段井壁掉塊,井徑變大,反映出該處存在巖石破碎情況;對應自然電位升高,綜合判斷該處為出水部位,推斷存在導水裂隙發育。

圖7 ZK90-9出水位置示意圖

3.4 巖層位置的確定及放射性評價

由于不同巖性地層具有不同的密度,因此可以用密度參數劃分地層[9]。根據2個鉆孔的地質編錄資料可知,鉆孔巖性由淺至深大體可分為第四系、變輝長巖、二長花崗巖、絹英巖化花崗巖和似斑狀黑云花崗閃長巖。通過自然伽馬和密度曲線分析不同巖性的不同測井參數特征,對鉆孔巖性進行劃分(圖8、圖9)。

圖8 ZK72-13巖層劃分示意圖

圖9 ZK90-9巖層劃分示意圖

巖石分界異常特征明顯。變輝長巖與二長花崗巖前者自然伽馬低于后者,在密度參數上前者高于后者,兩者交界處形成一個臺階[10]。片麻巖在密度參數上特征顯示鮮明,相對于變輝長巖呈明顯的低值異常反映,接觸界線清楚;絹英巖化花崗巖其原巖為二長花崗巖,在各項地球物理參數中,大多與二長花崗巖接近,無明顯區分。似斑狀黑云花崗閃長巖一般在于孔底,因鉆孔巖屑沉積,測量探管一般未達到其對應深度便遇阻,數據量有限,僅憑現有數據分析其與上部巖層無明顯物探測井界限。

依據《電離輻射防護與輻射源安全基本標準(GB18871—2002)》,通過本次地球物理測井對ZK72-13、ZK90-9兩個鉆孔進行巖層天然放射性檢測,自然伽馬曲線放射性總體處于較低水平,曲線相對穩定,評價總體不超標(圖8、圖9)。

3.5 巖石物理力學性質方面

巖石物理力學試驗研究以室內巖石力學參數測定為主。分別采用巖石天然密度試驗、巖石顆粒密度及孔隙率測試、抗拉試驗、單軸抗壓及彈性模量試驗和直剪試驗,嚴格按照《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266—2013)的標準對巖石密度、顆粒密度、孔隙率、單軸抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、泊松比、黏聚力和內摩擦角進行測定[11-12],得到8個鉆孔不同深度范圍內巖芯的實際巖石物理力學參數,通過對各個力學參數進一步計算統計,得到各類巖石各種力學參數的平均值(表2)。

表2 巖石物理力學性質試驗結果平均值統計表

為對巖爆傾向性作出正確的評判,首先要理解控制巖爆的各種因素,其中包括圍巖巖性的內部因素和圍巖環境的外部因素[13],并根據研究對象的實際,選取較為重要的控制性因素,建立相應的評判因素集[14]。為此,綜合西嶺村礦區地質狀況,選取上述巖體強度脆性系數B、變形脆性系數Ku、動態破壞時間Dt、巖爆傾向性指數Wet[15]、沖擊能量指數Wcf與陶振宇判據α6個評定指標作為巖爆傾向性評價體系的評判因素集,即:

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

根據送檢鉆孔絹英巖化花崗巖和黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖測定的數據(表3)[16],依據強度脆性系數B、變形脆性系數Ku、動態破壞時間Dt、巖爆傾向性指數Wet、沖擊能量指數Wcf與陶振宇判據α,判定絹英巖化花崗巖分別具有中等巖爆傾向、弱巖爆傾向性、弱巖爆傾向性、中等巖爆傾向、弱巖爆傾向性、強烈巖爆傾向[17-21]。

表3 送檢鉆孔測定數據因素集U取值表

4 結論

鑒于三山島西嶺金礦區礦體埋藏深度較大,已有研究程度已無法滿足深部勘探開采要求,為此,本文通過地球物理綜合測井技術、鉆孔工程與水文地質編錄、巖石物理力學性質樣品測試,結合深井實驗室資料,對礦床深部的水文地質、工程地質及環境地質進行了研究。研究結果顯示,整個井段未發現咸水層,區內地溫變化在正常范圍內,巖層放射性水平總體處于低水平,評價總體不超標,巖石分界異常特征明顯,開采技術條件良好。評價結果為礦床深井開采和熱防護工程提供可靠的技術參數和技術指導。研究結果表明,地球物理綜合測井在膠西北金礦床深部開采技術條件研究中取得較好效果,可以作為深部開采開發設計的依據。