纳岭沟铀矿床局部隔水层成因识别与三维地质建模

戴明建 彭云彪 苗爱生 刘璐 陈法正 申科峰

(1.中国地质大学(武汉)，武汉 430074;2.核工业208大队，内蒙古 包头 014010)

纳岭沟铀矿床位于鄂尔多斯盆地北东部呼斯梁巨型铀成矿带，为古层间氧化带型可地浸砂岩铀矿，赋矿空间为中侏罗统直罗组下段辫状河道砂体［1-4］。该矿床处于辫状河道中心，含矿含水层厚度80～160 m，隔水顶、底板距离矿层较远。局部隔水层一般分布范围较小，只对矿床内局部矿体起到隔水作用。局部隔水层的发育特征影响着铀储层的非均质性，进而影响矿体的分布特征［5］。本次研究以纳岭沟铀矿床为研究区，以含矿层直罗组下段为研究层位，分析该矿床的局部隔水层特征，并建立三维可视化模型。

1 局部隔水层类型

研究表明，形成局部隔水层的主要原因是铀储层中泥砂质和钙质含量增加或岩石颗粒变细，从而导致铀储层内局部岩石物性变差［6-7］。纳岭沟铀矿床含矿含水层为一套辫状河沉积，根据其成因可将隔水层分为2大类，即沉积作用形成的局部隔水层和成岩作用形成的局部隔水层。

1.1 沉积作用形成的局部隔水层

沉积作用形成的局部隔水层是指沉积过程中因水动力条件发生变化，在含矿含水层的砂质纹层间形成的夹层［8］，根据岩性又可分为泥粉砂岩夹层和砾岩夹层。泥粉质岩夹层主要由泥岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、炭质泥岩、含泥粉砂岩、泥质砂岩等细粒物质组成，在高能向低能转换的过程中形成。纳岭沟铀矿床直罗组下段辫状河心滩坝发育较好。在洪峰波动过程中憩水期形成的悬浮质落淤加积产物，即落淤层，是最典型的沉积成因局部隔水层之一。在辫状河低水位时期心滩坝露出水面，坝顶会被冲出一些小型沟道，这些冲沟在后期会充填一些悬浮质细粒物质，主要为泥岩和粉砂岩，最终形成泥粉质局部隔水层［9］。废弃河道顶部易形成泥粉质岩局部隔水层。此外，在辫状河道底部，可见定向或非定向排列的泥砾在砂岩中构成的局部隔水层，属于河道的滞留沉积物。

1.2 成岩作用形成的局部隔水层

在成岩过程中，泥岩层中的Ca2+能够使铀储层中的薄层砂岩在铀储层顶底部与泥岩接触的部位及铀储层内部的泥质团块附近部位胶结成岩，使得相对较粗的砂岩因在成岩作用下物性变差、渗透率变低而成为致密非渗透钙质砂岩层夹层［10］。此类局部隔水层通常形成于河道内的原始高孔渗地区，通常呈透镜状或板状。

2 隔水层识别方法

沉积作用和成岩作用的影响结果不尽相同，从而形成不同类型的隔水层。不同类型隔水层的成因、特点和分布状态有较大差异，对地下水运动的控制结果也有所不同。因此，识别、划分、描述隔水层的最佳方法是应用岩心标定测井资料，建立不同类型隔水层的测井识别划分标志。

运用岩性指示曲线可以有效地识别优质砂体，并据此划分岩性［11］。在此根据纳岭沟铀矿床所有测井曲线制作交会图(图1和图2)，进行岩性划分分析。视电阻率(LL3)、声波时差(AC)和密度(DEN)这3种曲线识别岩性的效果最好，但单条曲线识别岩性的效果仍有限。此外，地质人员在进行岩心编录时对岩性和岩心粒度粗细程度的判断结果各有差异，尤其在野外用肉眼区分细砂岩、粉砂质细砂岩、粉砂岩和泥质粉砂岩等砂岩类型时主观性较强，判断标准难以统一。综合利用这3种曲线信息进行曲线重构，可以达到识别岩性的最佳效果［12］。此次研究中利用与岩性相关的测井响应来重构同量纲曲线，使其既能够反映地层岩性差异，又能更好地反映储层特征。

图1 视电阻率(LL3)与密度(DEN)交会图

图2 视电阻率(LL3)与声波时差(AC)交会图

2.1 曲线重构

由于单一测井曲线区分岩性的准确度不足，于是有很多学者开始采用多曲线重构技术来提高岩性识别的准确度［13-15］。针对纳岭沟铀矿床物性特征，本次研究提出一种新的多曲线重构方法，即多曲线加权视电阻率曲线重构法。此方法既能保持视电阻率曲线原有的时深关系，又能显著突出铀储层与围岩之间的差异，突显储层特征，而且运算和操作简单。运用此方法可将视电阻率曲线所有频率信息在重构过程中保留下来，并将参与重构曲线的所有信息融合到视电阻率曲线中。该方法处理流程包括对测井曲线的标准化、归一化和曲线重构等。

(1)曲线标准化。曲线标准化主要针对声波时差、密度和电阻率等参与重构的曲线，使目标区内所有钻孔的曲线整体特征与实际地质特征达到最佳吻合状态，同时使测井曲线重构所用的基础资料标准能够统一。

(2)曲线归一化。为了使各井曲线的量纲和幅值一致，并保证原有曲线的特征不变，在各曲线标准化的基础上对这些曲线进行归一化处理。将每口井的曲线数值范围规范到［0，1］区间，以保证其对重构贡献的一致性，公式如下:

式中:C归，i—归一化后曲线各样点值;

Ci—原曲线各样点值;

Cmin—该曲线所有样点中的最小值;

Cmax—该曲线所有样点中的最大值;

n—曲线的样点数。

(3)曲线重构处理。根据铀储层特征分析的结果，选取对反映目的层段储层特征贡献最大的测井曲线，运用数学算法对其进行重构处理。

步骤一:不同曲线对储层特征的贡献不一样，因此对不同曲线设置不同的加权系数Kj(0＜Kj＜1，j表示各类曲线)。根据不同曲线特征，设置声波时差曲线加权系数KAC为0.6，密度曲线加权系数KDEN为0.4。

步骤二:利用加权系数Kj对相应的归一化曲线进行加权，即计算Kj(M归，i- ΔM归，i)，ΔM归，i为M归，i的平均值。

步骤三:先将其中一条曲线加权后的值作为加权系数，对视电阻率值进行加权处理，即MLL3，i［1-Kj(M归，i- ΔM归，i)］，其中CLL3，i为视电阻率值。在进行声波时差曲线加权时，由于声波时差与视电阻率值具有反相关特征，为加强重构曲线识别岩性效果，可在加权前对声波时差曲线做镜像处理，公式为:

步骤四:将加权后的视电阻率值作为基值，重复步骤三，再利用第二条曲线加权后的值对该加权后的基值重做加权处理。

步骤五:重复步骤三和步骤四，利用参与重构的所有曲线对视电阻率曲线做加权处理，最后得到的结果就是所求的拟视电阻率(ZH)曲线。

经过以上步骤，重构后的曲线在目的层段将储层完全突显出来，并保持原有储层特征不变。经过该方法重构的拟视电阻率曲线由于未对原始视电阻率曲线进行频率分离，因而保留了其所有的频率成分。同时，通过数据融合技术将不同曲线的频率加入拟视电阻率曲线中，因此重构后的曲线既保留了原始频率成分又增加了更丰富的频率信息。这对突出储层特征、加大砂泥岩差异起到了很好的加强作用，有助于有效识别隔夹层。

2.2 垂向局部隔水层识别

(1)泥粉质局部隔水层的测井响应特征。纳岭沟铀矿床泥粉质局部隔水层出现频率相对较高，尤其是局部隔水顶板，岩性主要包括泥岩、粉砂岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩等。其测井曲线响应主要反映为泥岩特征，拟视电阻率曲线反应最为明显。与上下层的砂岩相比，泥粉质局部隔水层位置的拟视电阻率幅度明显下降，若是薄夹层，其形态呈尖峰状，密度值变小，声波时差值增高(图3)。

图3 泥粉质局部隔水层测井响应

(2)钙质局部隔水层的测井响应特征。钙质局部隔水层的导电性差，密度大，渗透率低;其拟视电阻率明显高于邻层电阻率，通常高出1.3倍以上，呈尖峰状，俗称“钙尖”。声波时差明显表现为低值，一般小于200 μs/m，亦常呈尖峰状(图4)。

图4 钙质局部隔水层测井响应

3 隔水层三维模型

通过二维平面图和剖面图表示的地质成果，很难直观、高效、便捷地展示三维地质体空间特征［16］。在单孔局部隔水层成因识别和地质条件约束下，利用Micromine(kantan 3D)软件建立矿体与局部隔水层的三维模型(图5)，可以更加有效、准确、直观地分析研究局部隔水层和铀矿体所处位置及展布形态［17］。

图5 矿体与局部隔水层三维示意图

3.1 局部隔水顶板三维模型

局部隔水顶板三维模型中，各局部隔水层在3个维度上相互叠置。局部隔水顶板中单个局部隔水层基本上由1个或2个孔控制，只有少量局部隔水层由5个以上钻孔控制。控制面积主要限于3.00×104～6.00 ×104m2，个别控制面积最大可达67.70×104m2，主要局部隔水层的平均控制面积为28.30×104m2。垂向上局部隔水顶板到矿体的距离主要限于 5.00 ～25.00 m，平均 14.48 m，而个别距离最大可达52.95 m，最短仅0.25 m。

3.2 局部隔水底板三维模型

局部隔水底板三维模型中单个局部隔水层基本上亦由1或2个孔控制。其控制面积主要限于3.00×104～5.00 ×104m2，个别控制面积最大可达69.10×104m2，主要局部隔水层的平均控制面积为25.60×104m2;垂向上局部隔水底板到矿体的距离主要限于4.00 ～15.00 m，平均 11.35 m，个别距离最大可达38.35 m，最短仅0.03 m。

总体上，纳岭沟铀矿床局部隔水顶板与底板均发育较好，局部隔水顶板比局部隔水底板发育更成熟。局部隔水顶板以泥粉质局部隔水层为主，单个局部隔水层控制面积相对较大，中部地区局部隔水层距离矿层较近，一般为10～20 m，有利于实现矿体地浸开采。钙质局部隔水层发育较少，且主要位于矿床东部区域，下部矿体厚度相对较大。尤其是矿床西部和南部区域局部隔水顶板至矿层的距离可达40 m以上，局部有未发育隔水层的“天窗”出现;但是“天窗”面积较小，一般限于单孔范围内。局部隔水底板则以钙质局部隔水层为主，矿床中部和东部发育尤佳;单个局部隔水层控制面积相对较小，上部矿体厚度相对较小。整个矿体呈板状，连续性较好。

4 结语

纳岭沟铀矿床的局部隔水层，主要包括沉积形成的泥粉质局部隔水层及成岩作用形成的钙质局部隔水层。本次研究主要利用曲线重构的新技术来识别局部隔水层位置，以研究区对岩性反应最为敏感的视电阻率、密度和声波时差曲线为基础，采用多曲线加权拟合成一条综合曲线 —— 拟视电阻率曲线，并用钻孔岩心标定测井资料，建立不同类型隔水层的测井识别划分标志。

利用Micromine三维建模软件，首次针对纳岭沟铀矿床建立矿体模型、局部隔水顶板模型和局部隔水底板等三维实体模型，可从任意角度观察各实体可视化模型及局部隔水层与矿体的三维空间配置关系。

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