王偉，王貴，剡鵬兵，武正乾，李華明，史貴兵，李穎

（1.核工業(yè)二〇三研究所，陜西 西安 710086；2.核工業(yè)二〇八大隊(duì)，內(nèi)蒙古 包頭 014010；3.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013）

自然電位測(cè)井是地球物理測(cè)井中最常見的方法之一，早在1931 年就投入實(shí)際應(yīng)用。其原理簡(jiǎn)單、操作方便、使用成本低廉，主要應(yīng)用于煤田、石油等能源行業(yè)［1-2］。自然電位-自然伽馬測(cè)井曲線可用于識(shí)別巖性、對(duì)比地層、估計(jì)泥質(zhì)含量和測(cè)井沉積相分析［1-7］。應(yīng)用自然伽馬測(cè)井曲線分析沉積環(huán)境的前提是泥巖的放射性高和砂巖的放射性低，由于含礦目的層砂體具有放射性，自然伽馬曲線分析沉積環(huán)境時(shí)會(huì)受到限制，所以自然電位測(cè)井在砂巖型鈾礦勘查中常用于分析沉積環(huán)境。砂巖型鈾礦勘查中自然電位測(cè)井曲線幅值易受各種因素影響的問題普遍存在，受干擾的自然電位曲線會(huì)發(fā)生畸變，影響測(cè)井原始資料質(zhì)量和對(duì)砂巖型鈾礦的沉積環(huán)境研究。

自然電位測(cè)井是沿井測(cè)量地層或巖體在自然條件下產(chǎn)生的電場(chǎng)電勢(shì)變化的一種地球物理測(cè)井方法［8］。測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)有限的條件和復(fù)雜的鉆井環(huán)境都會(huì)影響自然電位的測(cè)量，使其不能正常地測(cè)出井內(nèi)的自然電場(chǎng)變化。前人對(duì)影響自然電位測(cè)井的因素和解決方法進(jìn)行了探索，如地層因素、電極電位的影響、工業(yè)游散電流影響等［9-16］，但側(cè)重點(diǎn)多在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井及井內(nèi)測(cè)井環(huán)境的研究，對(duì)儀器結(jié)構(gòu)的影響分析和自然電位曲線校正方法的論述較少。加強(qiáng)對(duì)后者的研究，提高自然電位測(cè)井曲線在砂巖型鈾礦勘查中的應(yīng)用效果迫在眉睫。

1 自然電位的形成機(jī)制

鉆井內(nèi)產(chǎn)生電化學(xué)過程導(dǎo)致泥漿和地層中正負(fù)離子移動(dòng)，產(chǎn)生了自然電場(chǎng)，主要包括擴(kuò)散電位、吸附電動(dòng)勢(shì)、過濾電位等［17］。正負(fù)離子在不同巖性中的移動(dòng)規(guī)律不同，泥質(zhì)顆粒對(duì)負(fù)離子有選擇性吸附作用，通常泥巖的自然電位很穩(wěn)定，在自然電位曲線上表現(xiàn)為一條平行于深度軸的直線，稱為泥巖基線［18］。自然電位產(chǎn)生的原因很復(fù)雜，主要有兩個(gè)原因：①泥漿的礦化度與地層水的礦化度有差異；②泥漿柱壓力與地層水的壓力不同。

擴(kuò)散電位：當(dāng)離子濃度不同的兩種溶液接觸時(shí)由于負(fù)離子的遷移速率大于正離子的遷移速率，離子濃度低的一側(cè)為負(fù)，離子濃度高的一側(cè)為正。吸附電動(dòng)勢(shì)：泥巖孔隙毛細(xì)通道極窄，負(fù)離子被吸附在泥質(zhì)顆粒表面，導(dǎo)致在低濃度一側(cè)正離子增多，產(chǎn)生吸附電動(dòng)勢(shì)。過濾電位：由于巖層中存在雙電層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致泥漿濾液中正離子相對(duì)較多，在壓力差的作用下更多的正離子跟隨泥漿濾液進(jìn)入地層，于是地層內(nèi)正電荷增多，而泥漿中負(fù)電荷增多，這樣便產(chǎn)生了負(fù)的過濾電位［19-20］。

當(dāng)?shù)貙铀V化度大于泥漿礦化度，在自然電位曲線中以穩(wěn)定泥巖段為基線，出現(xiàn)負(fù)異常的曲線段認(rèn)為是砂巖，隨著泥質(zhì)含量的上升，曲線異常幅度下降。自然電位曲線的形態(tài)、正負(fù)異常以及大小還與鉆孔的測(cè)井環(huán)境和儀器結(jié)構(gòu)等有關(guān)。

2 自然電位曲線在砂巖型鈾礦勘查中的意義

砂巖型鈾礦一般賦存于沉積盆地的辮狀河或者辮狀河三角洲沉積相中，自然電位測(cè)井曲線特征可以反映不同的測(cè)井相，進(jìn)而結(jié)合巖心進(jìn)行沉積相分析［21］。

2.1 砂巖型鈾礦儲(chǔ)層沉積相特征

砂巖型鈾礦是一種儲(chǔ)存于沉積盆地砂體中的放射性礦產(chǎn)。典型砂巖型鈾礦賦存于辮狀河-辮狀河三角洲沉積相（表1），沉積相對(duì)砂巖型鈾礦的儲(chǔ)存空間控制作用明顯，例如二連盆地巴彥烏拉鈾礦床含礦地層屬于辮狀河相的心灘沉積微相，鄂爾多斯盆地大營鈾礦床含礦地層屬于辮狀河三角洲相的水下分流河道沉積微相。

表1 中國典型砂巖型鈾礦沉積相研究現(xiàn)狀［22-26］Table 1 Sedimentary facies of typical sandstone type uranium deposits in China[22-26]

2.2 研究區(qū)測(cè)井沉積相特征

二連盆地川井坳陷桑根達(dá)來地區(qū)鉆孔揭遇層位有下白堊統(tǒng)賽漢組下段和上白堊統(tǒng)二連組，地層產(chǎn)狀近水平，二連組平行不整合于賽漢組下段之上。二連組：曲流河泛濫平原沉積，巖性以泥巖和粉砂巖為主，自然電位和電阻率曲線幅值低，呈類平直形態(tài)。賽漢組下段：辮狀河三角洲沉積，巖性主要為砂巖、砂礫巖，其自然電位和電阻率曲線上部為低幅值、線形夾漏斗形和鐘形，曲線下部為高幅鋸齒狀。密度曲線在賽漢組下段上部表現(xiàn)為低幅值。辮狀河三角洲具有復(fù)雜的曲線形態(tài)，反映了辮狀河三角洲建設(shè)或破壞表現(xiàn)得較快的進(jìn)積和退積作用。自然電位測(cè)井曲線形態(tài)特征與沉積相之間有密切關(guān)系［27］（圖1）。

圖1 桑根達(dá)來地區(qū)鉆孔測(cè)井沉積相特征Fig.1 The characteristics of sedimentary facies of aborehole by logging and geologic coding in the Sangendalai area

3 自然電位曲線異常原因

在實(shí)際砂巖型鈾礦勘查過程當(dāng)中發(fā)現(xiàn)二連盆地川井坳陷桑根達(dá)來地區(qū)和鄂爾多斯盆地特拉敖包地區(qū)的大部分鉆孔自然電位測(cè)井曲線應(yīng)用效果不理想，有井場(chǎng)和鉆孔內(nèi)測(cè)井環(huán)境的影響，也有測(cè)井探管結(jié)構(gòu)和地面電極材質(zhì)的影響。

3.1 地面電極材質(zhì)影響

地面測(cè)量自然電位要求采用不極化電極，而實(shí)際生產(chǎn)中測(cè)量自然電位測(cè)井電極多為鉛材質(zhì)，而地面電極有不銹鋼材質(zhì)或者銅棒，其電極電位大而且不穩(wěn)定，容易與地面土壤產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。在經(jīng)過對(duì)比試驗(yàn)后選擇不極化電極作為地面電極（圖2），使用后地面電極受環(huán)境影響明顯減小，自然電位曲線基線漂移明顯減輕，自然電位測(cè)井曲線品質(zhì)顯著提高。

圖2 鄂爾多斯盆地巴音青格力地區(qū)鉆孔ZKB15-19 不同地面電極自然電位曲線對(duì)比Fig.2 Comparison of spontaneous potential curves of borehole ZKB15-19 with different electrodes in Bayinqinggeli area，Ordos Basin

3.2 儀器結(jié)構(gòu)影響

除了上述地面電極材質(zhì)影響因素外，現(xiàn)實(shí)中還有地層水礦化度、井內(nèi)溫度、電源線虛接、測(cè)井探管工作狀態(tài)等影響因素［10-12］，因此在現(xiàn)場(chǎng)排除各種因素后自然電位曲線仍有漂移和幅度減小過快、畸變等現(xiàn)象，可以使用改造后的定量伽馬組合探管（JSXWD），探管上、下均測(cè)自然電位（圖3），鉛金屬的測(cè)量電極上下是對(duì)稱分布的一米絕緣橡膠套，其優(yōu)點(diǎn)是減少儀器本身金屬結(jié)構(gòu)對(duì)自然電位測(cè)井曲線的影響。定量伽馬組合探管測(cè)量結(jié)果與組合密度探管（JMZ-2D）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，定量伽馬組合探管自然電位測(cè)量結(jié)果與三側(cè)向電阻率曲線呈鏡像關(guān)系比組合密度探管效果好（圖3、4）。

圖3 定量伽馬組合探管改造圖Fig.3 Reconstruction diagram of quantitative gamma combined exploration tube

圖4 鄂爾多斯盆地特拉敖包地區(qū)鉆孔ZKY32-31 不同探管結(jié)構(gòu)自然電位曲線對(duì)比Fig.4 Comparison of spontaneous potential curves of borehole ZKY32-31 with different pipe structures in Telaaobao area，Ordos Basin

4 自然電位曲線漂移校正

自然電位參數(shù)比較敏感，容易受到井場(chǎng)和鉆井孔內(nèi)環(huán)境的影響，經(jīng)過采集過程的排查和處理在沉積盆地實(shí)際測(cè)井生產(chǎn)過程中自然電位曲線基線偏移現(xiàn)象仍然普遍存在，為了消除這個(gè)現(xiàn)象，可以使用適當(dāng)?shù)乃惴▉磉M(jìn)行校正，若處理后的自然電位測(cè)井曲線和鉆孔編錄以及電阻率測(cè)井曲線對(duì)應(yīng)效果較好，則可以考慮使用。首先要研究曲線基線漂移的規(guī)律，然后用合適的算法和軟件進(jìn)行校正。自然電位曲線基線漂移是因?yàn)槟酀{循環(huán)不充分導(dǎo)致不同深度地層礦化度不均勻或者電極環(huán)材質(zhì)沒有使用不極化電極產(chǎn)生。

4.1 自然電位曲線濾波

自然電位曲線上呈現(xiàn)不規(guī)則的鋸齒震蕩狀毛刺，隨機(jī)干擾呈高頻正弦波形態(tài)，這種隨機(jī)干擾是儀器或者井場(chǎng)環(huán)境引起的干擾［14］。（圖5）。采用線性平滑算法進(jìn)行濾波：三點(diǎn)平滑，五點(diǎn)平滑，七點(diǎn)平滑。用相鄰點(diǎn)的自然電位均值代替中間的數(shù)值。從而去除偶然干擾信號(hào)［28］。一般經(jīng)過兩次七點(diǎn)平滑會(huì)消除不規(guī)則的鋸齒狀。如圖5 中BZK1855-3 的棕色自然電位曲線，經(jīng)過兩次七點(diǎn)平滑和一次五點(diǎn)平滑消除了自然電位曲線鋸齒狀毛刺。

圖5 二連盆地桑根達(dá)來地區(qū)鉆孔BZK1855-3 三側(cè)向電阻率-自然電位曲線Fig.5 Trilateral resistance-spontaneous potential curve of borehole BZK1855-3 in Sangendalai area，Erlian Basin

線性平滑算法公式見（1）（2）（3）。

式中：—i深度處濾波得到的自然電位測(cè)量值，mV；Ni為i深度處的自然電位測(cè)量值，mV；Ni-1為i-1 深度處的自然電位測(cè)量值，mV；Ni+1為i+1 深度處的自然電位測(cè)量值，mV。

4.2 自然電位曲線基線擬合-差值校正

根據(jù)桑根達(dá)來地區(qū)自然電位測(cè)井曲線偏移特點(diǎn)將其分為：兩個(gè)自上而下負(fù)偏鉆孔SZK1958-555、SZK2054-547，一個(gè)自上而下先正偏后負(fù)偏鉆孔SZK2022-539、一個(gè)自上而下先負(fù)偏后正偏鉆孔SZK1392-103。整體來看自然電位曲線漂移難以總結(jié)其變換的規(guī)律，可以用多個(gè)直線擬合實(shí)際測(cè)量漂移后的泥巖基線。若是用一個(gè)函數(shù)擬合整孔自然電位曲線基線偏移誤差太大。

由于鉆孔內(nèi)泥漿循環(huán)不充分，深部泥漿密度增大后，深度越大泥漿壓力越大，產(chǎn)生過濾電位，所以泥巖基線負(fù)偏嚴(yán)重。針對(duì)自然電位曲線基線漂移：假設(shè)泥漿密度是連續(xù)線性漸變?cè)龃?，漂移后的曲線一小段內(nèi)自然電位可以反映泥砂巖地層的變化，每一段曲線中的泥巖基線值都是隨深度線性變化?；€擬合-差值方法校正（圖6）：①根據(jù)三側(cè)向電阻率曲線和地質(zhì)編錄資料確定泥巖段的位置；②從上而下先求出第一段的擬合方程（公式4）；③然后算出每個(gè)測(cè)點(diǎn)擬合值與第一個(gè)真實(shí)自然電位值的差（公式5）；④用該差加上該點(diǎn)的原始測(cè)量值代替原始測(cè)量值，然后形成一條新的校正后的自然電位曲線（公式6）；⑤重復(fù)上述算法，從上到下進(jìn)行多次直線擬合，最終得出的校正后的自然電位曲線［29］。

圖6 基線擬合-差值校正方法流程圖Fig.6 Flow chart of baseline fitting-difference correction method

基線擬合-差值方法公式見（4）（5）（6）。

式中：—第一段基線偏移線性擬合值，mV；k1—擬合線性方程斜率；b1—擬合線性方程斜距；N1—實(shí)際測(cè)量值—擬合值與實(shí)際測(cè)量值之差，—校正后的測(cè)量值，mV。

4.3 自然電位曲線校正效果評(píng)價(jià)

通過使用濾波和基線擬合-差值校正方法對(duì)二連盆地桑根達(dá)來地區(qū)鉆孔SZK1958-555、SZK2054-547、SZK2022-539 和SZK1392-103的自然電位曲線泥巖基線進(jìn)行了校正，校正后的自然電位曲線和三側(cè)向電阻率呈鏡像關(guān)系，和實(shí)際地質(zhì)情況對(duì)應(yīng)一致。通過自然電位曲線和三側(cè)向電阻率可以提高巖性解釋的準(zhǔn)確率，進(jìn)一步判斷沉積相，發(fā)現(xiàn)鈾礦化產(chǎn)出在漏斗形和鐘形界面附近，可能是倒韻律和正韻律沉積序列結(jié)合部位的砂體非均質(zhì)性影響了鈾元素富集（圖7、8）。

圖7 鉆孔SZK1392-103 和SZK2054-547 自然電位曲線基線漂移特點(diǎn)及校正效果Fig.7 Drift characteristics of spontaneous potential baseline and calibration result of borehole SZK1392-103 and SZK2054-547

圖8 鉆孔SZK2022-539 和SZK1958-555 自然電位曲線基線漂移特點(diǎn)及校正效果Fig.8 Drift characteristics of spontaneous potential baseline and calibrated curve of borehole SZK2022-539 and SZK1958-555

5 結(jié)論

自然電位測(cè)井曲線在砂巖型鈾礦勘查中可以應(yīng)用于識(shí)別巖性、區(qū)分滲透性巖層和分析測(cè)井沉積相。測(cè)井過程中受鉆孔環(huán)境和儀器結(jié)構(gòu)影響自然電位曲線容易發(fā)生漂移?；€擬合-差值方法將漂移的自然電位泥巖基線看成隨深度變化的函數(shù)，然后分段求取其擬合方程，計(jì)算初始泥巖基線測(cè)量值與擬合值的差值，最后給每個(gè)測(cè)量數(shù)值加上對(duì)應(yīng)的差值。

基線擬合-差值法在桑根達(dá)來地區(qū)砂巖型鈾礦自然電位測(cè)井曲線校正中的應(yīng)用效果表明，校正后的自然電位測(cè)井曲線和三側(cè)向電阻率曲線呈鏡像關(guān)系，與實(shí)際鉆孔地質(zhì)編錄情況對(duì)應(yīng)基本一致。該方法極大地提高了自然電位測(cè)井曲線質(zhì)量，為測(cè)井沉積相研究和砂巖型鈾礦儲(chǔ)層預(yù)測(cè)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。