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，內(nèi)蒙古 包頭 014010；3.東華理工大學地球科學學院，江西 南昌 330013）

自然電位測井是地球物理測井中最常見的方法之一，早在1931 年就投入實際應用。其原理簡單、操作方便、使用成本低廉，主要應用于煤田、石油等能源行業(yè)［1-2］。自然電位-自然伽馬測井曲線可用于識別巖性、對比地層、估計泥質(zhì)含量和測井沉積相分析［1-7］。應用自然伽馬測井曲線分析沉積環(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)境時會受到限制，所以自然電位測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發(fā)生畸變，影響測井原始資料質(zhì)量和對砂巖型鈾礦的沉積環(huán)境研究。

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

1 自然電位的形成機制

鉆井內(nèi)產(chǎn)生電化學過程導致泥漿和地層中正負離子移動，產(chǎn)生了自然電場，主要包括擴散電位、吸附電動勢、過濾電位等［17］。正負離子在不同巖性中的移動規(guī)律不同，泥質(zhì)顆粒對負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)生的原因很復雜，主要有兩個原因：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。

擴散電位：當離子濃度不同的兩種溶液接觸時由于負離子的遷移速率大于正離子的遷移速率，離子濃度低的一側為負，離子濃度高的一側為正。吸附電動勢：泥巖孔隙毛細通道極窄，負離子被吸附在泥質(zhì)顆粒表面，導致在低濃度一側正離子增多，產(chǎn)生吸附電動勢。過濾電位：由于巖層中存在雙電層結構導致泥漿濾液中正離子相對較多，在壓力差的作用下更多的正離子跟隨泥漿濾液進入地層，于是地層內(nèi)正電荷增多，而泥漿中負電荷增多，這樣便產(chǎn)生了負的過濾電位［19-20］。

當?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)負異常的曲線段認為是砂巖，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)、正負異常以及大小還與鉆孔的測井環(huán)境和儀器結構等有關。

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，自然電位測井曲線特征可以反映不同的測井相，進而結合巖心進行沉積相分析［21］。

2.1 砂巖型鈾礦儲層沉積相特征

砂巖型鈾礦是一種儲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），沉積相對砂巖型鈾礦的儲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)測井沉積相特征

二連盆地川井坳陷桑根達來地區(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雜的曲線形態(tài)，反映了辮狀河三角洲建設或破壞表現(xiàn)得較快的進積和退積作用。自然電位測井曲線形態(tài)特征與沉積相之間有密切關系［27］（圖1）。

圖1 桑根達來地區(qū)鉆孔測井沉積相特征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

在實際砂巖型鈾礦勘查過程當中發(fā)現(xiàn)二連盆地川井坳陷桑根達來地區(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井曲線應用效果不理想，有井場和鉆孔內(nèi)測井環(huán)境的影響，也有測井探管結構和地面電極材質(zhì)的影響。

3.1 地面電極材質(zhì)影響

地面測量自然電位要求采用不極化電極，而實際生產(chǎn)中測量自然電位測井電極多為鉛材質(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)生電化學反應。在經(jīng)過對比試驗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 儀器結構影響

除了上述地面電極材質(zhì)影響因素外，現(xiàn)實中還有地層水礦化度、井內(nèi)溫度、電源線虛接、測井探管工作狀態(tài)等影響因素［10-12］，因此在現(xiàn)場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、下均測自然電位（圖3），鉛金屬的測量電極上下是對稱分布的一米絕緣橡膠套，其優(yōu)點是減少儀器本身金屬結構對自然電位測井曲線的影響。定量伽馬組合探管測量結果與組合密度探管（JMZ-2D）對比發(fā)現(xiàn)，定量伽馬組合探管自然電位測量結果與三側向電阻率曲線呈鏡像關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 不同探管結構自然電位曲線對比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際測井生產(chǎn)過程中自然電位曲線基線偏移現(xiàn)象仍然普遍存在，為了消除這個現(xiàn)象，可以使用適當?shù)乃惴▉磉M行校正，若處理后的自然電位測井曲線和鉆孔編錄以及電阻率測井曲線對應效果較好，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行校正。自然電位曲線基線漂移是因為泥漿循環(huán)不充分導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，隨機干擾呈高頻正弦波形態(tài)，這種隨機干擾是儀器或者井場環(huán)境引起的干擾［14］。（圖5）。采用線性平滑算法進行濾波：三點平滑，五點平滑，七點平滑。用相鄰點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［28］。一般經(jīng)過兩次七點平滑會消除不規(guī)則的鋸齒狀。如圖5 中BZK1855-3 的棕色自然電位曲線，經(jīng)過兩次七點平滑和一次五點平滑消除了自然電位曲線鋸齒狀毛刺。

圖5 二連盆地桑根達來地區(qū)鉆孔BZK1855-3 三側向電阻率-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量值，mV；Ni為i深度處的自然電位測量值，mV；Ni-1為i-1 深度處的自然電位測量值，mV；Ni+1為i+1 深度處的自然電位測量值，mV。

4.2 自然電位曲線基線擬合-差值校正

根據(jù)桑根達來地區(qū)自然電位測井曲線偏移特點將其分為：兩個自上而下負偏鉆孔SZK1958-555、SZK2054-547，一個自上而下先正偏后負偏鉆孔SZK2022-539、一個自上而下先負偏后正偏鉆孔SZK1392-103。整體來看自然電位曲線漂移難以總結其變換的規(guī)律，可以用多個直線擬合實際測量漂移后的泥巖基線。若是用一個函數(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，所以泥巖基線負偏嚴重。針對自然電位曲線基線漂移：假設泥漿密度是連續(xù)線性漸變增大，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。基線擬合-差值方法校正（圖6）：①根據(jù)三側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然后算出每個測點擬合值與第一個真實自然電位值的差（公式5）；④用該差加上該點的原始測量值代替原始測量值，然后形成一條新的校正后的自然電位曲線（公式6）；⑤重復上述算法，從上到下進行多次直線擬合，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—實際測量值—擬合值與實際測量值之差，—校正后的測量值，mV。

4.3 自然電位曲線校正效果評價

通過使用濾波和基線擬合-差值校正方法對二連盆地桑根達來地區(qū)鉆孔SZK1958-555、SZK2054-547、SZK2022-539 和SZK1392-103的自然電位曲線泥巖基線進行了校正，校正后的自然電位曲線和三側向電阻率呈鏡像關系，和實際地質(zhì)情況對應一致。通過自然電位曲線和三側向電阻率可以提高巖性解釋的準確率，進一步判斷沉積相，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 結論

自然電位測井曲線在砂巖型鈾礦勘查中可以應用于識別巖性、區(qū)分滲透性巖層和分析測井沉積相。測井過程中受鉆孔環(huán)境和儀器結構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，計算初始泥巖基線測量值與擬合值的差值，最后給每個測量數(shù)值加上對應的差值。

基線擬合-差值法在桑根達來地區(qū)砂巖型鈾礦自然電位測井曲線校正中的應用效果表明，校正后的自然電位測井曲線和三側向電阻率曲線呈鏡像關系，與實際鉆孔地質(zhì)編錄情況對應基本一致。該方法極大地提高了自然電位測井曲線質(zhì)量，為測井沉積相研究和砂巖型鈾礦儲層預測工作打下堅實基礎。