利用测井资料估算洪海沟铀矿床砂体渗透系数

刘富强，罗星刚，陈程，王毛毛，王守玉

（核工业二一六大队，新疆 乌鲁木齐 830011）

对于砂岩型铀矿床而言，其含矿含水层的渗透系数是评价地浸开采有效性的重要指标之一，渗透系数的空间分布特征既是影响地下水渗流方向和溶质运移的重要因素［1］，也是对含水层非均质性评价的重要参数。按不同测试手段可将获取渗透系数的方法分为3 类［2］：①岩心分析法，通过采取孔渗样品，实验室测定岩心渗透系数，属于岩石物理概念；②测井评价法，建立某种测井参数与砂体渗透系数之间关系以估算砂体渗透系数，属于地球物理概念；③抽水试验法，水文地质孔通过抽水试验确定影响半径及影响半径范围内的渗透系数，属于水文地质概念。因此，在评价含水层非均质性时，准确获取渗透系数的空间分布特征是铀矿勘查最为困难的问题之一。

尽管对于含矿含水层渗透系数的重要性已取得普遍共识，但现阶段野外方法可提供的信息却不能满足含矿含水层地下水渗流方向预测的要求，限制传统方法测定精确度的因素主要有两个［3］：①对既有水文参数孔的依赖，而既有水文参数孔在矿床中的分布通常比较稀疏，因此很难获得既有水文参数孔周边区域之外的渗透系数信息；②孔渗样品的代表性不足，而且样品在采集、测定过程中存在不可避免的误差，影响渗透系数值的确定。因此，利用遍布矿床的勘查钻孔测井资料来研究含矿含水层渗透系数的空间分布具有重要勘查意义和经济价值。

本文对渗透系数估算方法进行了探讨，通过对洪海沟地区基础数据的分析，建立视电阻率测井数据与水文地质参数井渗透系数的拟合方程，尝试估算洪海沟地区砂体渗透系数，并讨论渗透系数空间分布特征对地下水渗流方向及层间氧化带发育方向的影响。

1 地质概况

洪海沟铀矿床为伊犁盆地南缘近年新发现的砂岩型铀矿床，位于盆地南缘斜坡带西部洪海沟微凹，地处构造简单的相对稳定区。区内八道湾组下段、西山窑组下段、西山窑组上段及头屯河组均揭露有工业铀矿体，为典型层间氧化带型铀矿床。

近年来，通过对矿床主含矿层岩性-岩相的深入分析，发现在单斜构造背景条件下，层间含氧含铀水在砂体内的渗流状态主要受到含矿砂体展布形态的制约，表现为层间氧化带收敛于砂体突变（沉积微相相变）部位，层间含氧含铀水与含矿砂体构成动与静的关系，砂体空间展布约束着层间氧化流体的运移，砂体的渗透系数空间分布造成层间氧化带分层，进而控制铀矿体的空间产出状态。因此，选择该矿床开展砂体渗透系数的研究，对分析伊犁盆地南缘中西段构造稳定区具有相似岩相特征地段的找矿工作具有重要意义。

2 砂体渗透系数影响因素及估算方法

2.1 砂体渗透系数影响因素

从成岩作用角度分析，砂岩层内的早期成岩作用，如压实、压溶、胶结及交代作用，可使孔隙度和渗透性降低。而自生高岭石胶结可保留粒间微孔隙，对渗透性影响较小，甚至可增强渗透性。在中后期成岩作用下，有机质成熟直至生烃以及产生的酸性水发生溶蚀形成了次生孔隙，可使砂岩渗透性大大增强，是砂岩型铀矿形成的有利前提条件［4］。

从岩性特征分析，砂体渗透系数与孔隙度、泥质含量及粒度中值都有着密切的关系。孔隙度表示砂体内孔隙体积的百分比，而在分析砂体渗透系数时，只有有效孔隙对渗透系数才有贡献。一般而言，孔隙度大的砂体，渗透系数也相应较大，但也有不少例外，比如粉砂岩地层具有较大的孔隙度，然而渗透系数却不大。孔隙度主要取决于砂体的孔隙体积，而渗透系数除了与砂体孔隙体积有关外，还受孔隙几何形状的控制，渗透系数是有效孔隙度和孔隙几何形状的函数，粉砂岩之所以渗透系数低，是因为其孔隙过于窄小和弯曲，阻碍地下水的畅通流动。

泥质含量是岩石中颗粒很细的细粉砂、黏土及其所含水的体积占岩石体积的百分数，随着泥质含量的增加渗透系数减小［5-7］。一般来说，对于地层水电阻率相对稳定、泥质成分相同、不含放射性矿物的砂体，利用自然伽马或自然电位来求取泥质含量效果最好。

粒度中值是度量组成砂体骨架的各种分量粒径大小的综合指标，因而粒度中值对砂体孔隙结构的复杂性具有更强的反映能力。广义上讲，泥质也属于一种粒度概念，因此粒度中值与泥质之间也有一定的联系，粒度中值与自然伽马测井资料有很好的相关性，岩石粒径的大小反映了沉积环境和沉积速率的变化，也反映沉积过程中岩石颗粒吸附能力的大小，随着粒度中值由大变小（粒径由粗变细），泥质含量逐渐增加，渗透系数逐渐减小［8］。

2.2 砂体渗透系数估算方法

通过对砂体渗透系数影响因素分析，造成砂体渗透系数差异的主要因素有岩石孔隙度、泥质含量及粒度中值。在砂岩型铀矿勘探测井资料中，自然电位、视电阻率及自然伽马测井资料与岩石孔隙度、泥质含量及粒度中值有着密切关系，利用不同的测井资料估算砂体渗透系数各有特点［2，9］，简要分析如下。

2.2.1 利用自然电位测井资料估算渗透系数

自然电位异常幅度反映了砂体与井内泥浆滤液间渗滤过程的强弱，影响自然电位异常幅度的砂体孔隙度及泥质含量也是影响砂体渗透系数的主要因素，但渗透系数与自然电位之间并没有明确的函数关系，因而利用自然电位测井资料只能大致定性地估算砂体渗透系数［10-11］。

2.2.2 利用视电阻率测井资料估算渗透系数

该方法需要满足一定的前提条件，即砂体内胶结物含量及地层水矿化度均应稳定，此时决定砂体渗透系数的主要因素为岩石粒度和泥质含量，而岩石粒度和泥质含量的变化也是造成岩石视电阻率测井参数差异的主要因素，因此认为岩石视电阻率测井参数的变化能够反映含水层渗透系数的差异［12，15］。

2.2.3 利用自然伽马测井资料估算渗透系数

自然伽马测井资料能够反映砂体岩石颗粒的粒径或粒度中值，并假定渗透系数与岩石颗粒的粒径或粒度中值之间存在某种单调关系。但这种假定受多种因素的制约，要求岩石颗粒粒径、泥质含量比较接近［13-14］。

3 视电阻率估算砂体渗透系数

3.1 数据基础

3.1.1 渗透系数

用测井评价法估算砂体渗透系数遇到的一个难题是，以孔渗样品分析结果还是以水文地质参数井试验结果作为测井资料估算砂体渗透系数的基础数据，显然，基础数据不同，其结果也不同。前人对利用测井资料估算渗透系数做了较多研究，大多以孔渗样品分析结果作为基础数据［15-17］。但受孔渗样品分布及样品数量的影响，导致估算的渗透系数具有一定的局限性，而且样品在采集、测定过程中存在不可避免的误差，影响渗透系数值。水文地质参数井在钻进施工过程中通过水文参数试验，可以定量评价含矿含水层的各种水文地质参数，如渗透系数、导水系数等，而通过抽水试验计算出的砂体渗透系数是其抽水半径范围内的综合反映，能够较为真实客观地反映该水文地质参数井抽水半径范围的综合渗透系数，具有一定的代表性，因此，选取水文地质参数井试验结果作为估算砂体渗透系数的基础数据是可靠的。

3.1.2 视电阻率

前文已分析了不同测井资料估算砂体渗透系数的特点。通过对洪海沟地区自然电位、视电阻率及自然伽马测井资料的分析发现，自然电位测井数据与砂体渗透系数的相关性不高，而受含矿层的影响自然伽马测井数据亦未能对砂体渗透系数有所响应。洪海沟地区的含矿含水层中，含水岩层的钙质含量低，且变化不大，因而决定岩石渗透系数的主要因素是粒度和泥质含量。泥质、粉砂质组分以均匀分散状态填充于渗透性岩石的颗粒孔隙间，它们的含量变化会引起岩矿石渗透系数的变化，同时也引起岩矿石物理特性的变化，矿石视电阻率也随之变化，这是利用视电阻率测井资料估算其渗透系数的物理依据。洪海沟地区地层水的矿化度很小（＜1 g/L），且造成岩石视电阻率测井参数差异的主要原因是岩石粒度的变化和泥质含量的高低，因此，岩石视电阻率测井参数的变化能够反映含水层渗透系数的差异［18-20］。可以通过曲线拟合方程，构建砂体视电阻率与渗透系数之间的关系式。

3.2 拟合方程

建立曲线拟合方程是研究变量间相互关系的重要过程。常见的拟合方程有很多种，不同的方程具有不同的特征，如果随意选择拟合方程，通常不能很好地拟合数据。通过对洪海沟地区水文地质资料及测井资料的分析，认为孔渗样品分析结果与测井数据的相关性不是很高，主要原因是受岩心采取率影响目的层样品数量不够充足。水文参数孔可以得到抽水半径范围内较为客观的渗透系数，整理洪海沟地区已施工的10 组水文参数孔资料，并以水文参数孔为中心，统计该水文参数孔影响半径范围内所有钻孔砂体的视电阻率平均值，砂体内岩性包括细砂岩、中砂岩、粗砂岩、砂砾岩等渗透性岩石，由于存在砂体厚度的差异，在统计过程中以砂体厚度为权重进行加权，消除因砂体厚度不同而造成的计算结果差异，此外，还需进行数据清洗，以消除砂体内部薄层泥岩及胶结物等特殊现象的影响。通过对渗透系数与视电阻率的预分析，并利用散点图观察变量的变化，发现渗透系数与视电阻率的对数值之间呈现出对数规律变化（图1），经过回归拟合曲线后得到的渗透系数方程为：

图1 洪海沟地区实测渗透系数与视电阻率回归曲线拟合图Fig.1 Fitted regression curve of permeability coefficient to apparent resistivity in Honghaigou area

式（1）中：K为砂体渗透系数，m·d-1；ρ为厚度加权后砂体视电阻率平均值，Ω·m。

3.3 结果评价

利用式（1）求取洪海沟地区西山窑组上段砂体渗透系数取得了良好的应用效果，估算出的渗透系数为砂体渗透系数的近似值，计算所得渗透系数与水文孔抽水试验渗透系数的相关系数为0.89，相关性显著，绝对误差在±0.1 m/d 之间，变化范围较小，说明该拟合方程能较好地反映渗透系数与视电阻率之间的关系（表1）。然而不同区域的砂体渗透系数分布概型不同，利用视电阻率测井参数估算渗透系数的拟合方程具有一定的区域性。

表1 洪海沟地区渗透系数与视电阻率回归拟合结果对比Table 1 Comparison of measured permeability coefficient and apparent resistivity regression fitted permeability coefficient in Honghaigou area

4 砂体渗透系数空间分布特征

4.1 砂体渗透系数平面特征

洪海沟地区西山窑组上段含矿含水层以粗砂岩、含砾粗砂岩、砂砾岩为主，分选性较好，泥质胶结，固结疏松。通过统计洪海沟地区西山窑组上段336 个勘探钻孔视电阻率数据，利用拟合方程（1）估算该层位渗透系数（图2a），整体上看，西山窑组上段砂体渗透系数在平面上分布连续稳定，呈北西-南东向条带状展布，其值变化不大，砂体渗透性较好。局部呈现渗透系数高值区与低值区。78 至158 勘探线地段渗透系数值最高，呈现向北西方向延伸的趋势；22 至30 勘探线地段渗透系数值较低，与之对应的砂体厚度却较大，推断可能是洪海沟断裂改变了砂体的渗流能力。

4.2 砂体渗透系数对地下水渗流状态的影响

砂体的渗透系数分布是影响地下水系统中溶质迁移转化的重要因素，洪海沟地区西山窑组上段砂体渗透系数分布图显示（图2a），30 至94 勘探线南部地区砂体渗透系数较高，且该区中下侏罗统、中上三叠统在矿床南部与第四系含水层直接接触，属于开启程度较好的水动力窗口，30 勘探线附近发育常年性南北向河流洪海沟河，其上游切割第四系较深，在30 至38 勘探线之间，河水下渗进入第四系后，可直接补给东、西两侧的侏罗系含水层，构成矿床东侧地下水补给的重要来源。

洪海沟地区各含水岩组在接受第四系潜水和洪海沟河水的入渗补给后，地下水沿地层倾向向北或北西方向渗流，受含矿建造砂体及砂体渗透系数空间展布形态影响，地下水渗流方向在平面上表现出差异。西山窑组上段砂体主体呈北西向带状延伸，与地层倾向基本一致（305°），利用测井资料估算渗透系数在0.20～0.60 m/d 之间，综合来看，西山窑组上段含水层水动力条件较好。150 至54 勘探线地段砂体厚度大且稳定，渗透系数大的砂体决定地下水渗流方向，导致地下水渗流方向为北西向，为河道沉积中心。94 勘探线地段虽然砂体渗透系数较大，但其北侧砂体厚度变薄（图2b），导致此处下水渗流方向沿砂体厚度较大的南西侧局部改变。150 勘探线以西，砂体渗透系数变化不大，砂体规模较小，地下水补给量也较小，未对地下水渗流方向造成影响，因而继续向北西方向延伸。

图2 洪海沟地区西山窑组上段地下水渗流（a）及氧化带分布（b）图Fig.2 Distribution map of groundwater seepage（a）and oxidation zone（b）of the upper Xishanyao Formation in Honghaigou area

洪海沟地区西山窑组上段地下水渗流方向受砂体渗透系数及厚度的影响较大。砂体渗透系数大且厚度大的地区是地下水渗流方向的主方向；砂体渗透系数大、厚度小或渗透系数小、厚度大的地区，应对该地区砂体非均质性进行评价，综合考虑影响地下水渗流方向的各个因素，找出主要因素进行讨论。砂体渗透系数小且厚度小的地区，地下水渗流不畅。

4.3 砂体渗透系数对层间氧化带发育的影响

砂体渗透系数影响地下水渗流方向，进而影响层间氧化带的发育。西山窑组上段为主河道型层间氧化带［21］，受砂体空间展布特征及稳定性、地下水渗流方向及还原剂含量的综合影响，西山窑组上段层间氧化带发育较好，总体呈舌状北西向展布，前锋线发育方向稳定，铀矿化发育也好（图2）。150 至54 勘探线地段受砂体渗透系数影响，导致地下水渗流方向为北西向，层间氧化带前锋线也沿北西向发育。94 勘探线地段砂体渗透系数及厚度发生改变，导致此处地下水渗流方向沿砂体渗透系数及厚度较大的南西侧局部改变，层间氧化带前锋线也向南西侧转折。沿K01勘探线方向，砂体厚度大（＞30 m）且稳定，渗透系数也较大，为河道中心发育方向；由K01勘探线向南西、北东两侧，砂体厚度逐渐减薄，其渗透系数也逐渐减小，泥质含量、有机质含量增多，形成沿河道砂体两侧发育的侧向层间氧化带，层间氧化带对铀矿化起控制作用，它不但直接影响铀元素的迁移、富集，而且是铀元素的运移通道和矿化富集的赋存空间，因此，铀矿化沿河道砂体两侧层间氧化带前锋线内侧发育。

利用视电阻率估算的砂体渗透系数可以进一步控制层间氧化带前锋线发育位置，对铀成矿预测有一定的指示作用。

5 结论

1）从渗透系数的估算方法、影响因素及数据基础角度分析，认为视电阻率测井数据及水文地质参数井数据具有估算砂体渗透系数的理论基础。

2）通过建立拟合方程，实现了对洪海沟铀矿床地区砂体渗透系数的估算，其结果相关性显著，能够比较准确地反映该区砂体渗透系数。然而该拟合方程具有一定的局限性，根据不同的渗透系数分布规律应研究适合的拟合方程。

3）砂体渗透系数对地下水渗流方向及层间氧化带的发育都有重要影响。砂体渗透系数大且厚度大的地区是地下水渗流的主方向，也是层间氧化带的主要发育方向。

4）本次研究可为周边及其他地区砂体渗透系数的估算提供参考。