黄华,余嫦娥,张士万,王春连,张连元.2016.基于地球物理测井参数的深层卤水矿化度方法研究[J].矿床地质,35(6):1293~1299HUANG Hua,YU Chang E,ZHANG ShiWan,WANG ChunLian,ZHANG LianYuan.2016.Research on calculation methods of salinity of deep brine based on geophysical well logging parameters[J].Mineral Deposits35(6):1293~1299
DOi: 10.16111/j.0258_7106.2016.06.013
基于地球物理测井参数的深层卤水矿化度方法研究
（1 中国石油化工股份有限公司江汉油田分公司勘探开发研究院， 湖北 武汉430223； 2 中国地质大学（武汉）资源学院， 湖北 武汉430074； 3 江汉石油工程有限公司测 录井 公司， 湖北 潜江433123； 4 中国地质科学院矿产资源研究所 国土资 源部成矿作 用与资源评价重点实验室, 北京100037）
第一作者简介黄华， 男， 1982年生， 高级工程师， 从事矿产资源地质勘探与开发研 究。 Email： 876813589@qq.com
收稿日期2016_09_30；
改回日期2016_10_17
本文得到国家“863
摘要:深层富矿卤水是一种重要的矿产资源，卤水层的矿化度是评价卤水品 位和开展卤水试水及采卤重要的参数，而卤水层矿化度的计算一直是一个难题。文章推导了 地层水电阻率法和中子寿命测井法2种利用测井资料计算矿化度的方法，分别适应于低矿化 度和高 矿化度卤水，应用这2种方法对江汉盆地潜江凹陷潜江组深层卤水矿化度进行了计算，取得 了良好的效果。
关键词:
地质学；深层卤水；矿化度；测井资料；潜江凹陷
文章编号： 0258_7106 (2016) 06_1293_07 中图分类号： P631.1+2 文献标志码：A
Research on calculation methods of salinity of deep brine based on geophysical
well logging parameters
well logging parameters
(1 Research Institute of Exploration and Development of Jianghan Oilfield Branch Company of SINOPEC, Wuhan 430223，Hubei，China； 2 Faculty of Earth Resources， China University of Geosciences，Wuhan 430074， Hubei， China； 3 Logging and M ud Logging Company of Jianghan Petroleum Engineering Co., Ltd., Qianjiang 433123 ， Hubei， China； 4 MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Asses sment, I nstitute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 1 00037， China)
Abstract:The highly-mineralized brine of deep zone is a kind of important mineral resour c es, the salinity of brine formations is an important parameter of brine grade ev aluation，brine testing and brine mining, and the salinity calculation of brine formations has always been a difficult problem. In this paper, the authors used logging data to derive two calculation methods of salinity, i.e., formation wate r resistivity technique and neutron lifetime technique, respectively, which are suitable for brine with low salinity and high salinity. The authors used these t wo methods to calculate the deep brine salinity of Qianjiang Formation in the Qi anjiang sag of Jianghan basin and achieved good effect.
Key words:
geology， brine of deep zone， salinity， logging data， Qian jiang sag
中国是一个缺钾、硼、碘等资源的国家，这些资源产品一半以上依赖进口，严重影响农业和 其他 产业的发展。卤水中富含多种矿产，是生产这些资源性产品的重要化工原材料。目前利用的 卤水矿床主要来自于地表和第四纪盐湖，如青海柴达木盆地和新疆罗布泊（刘成林等，2007 ；2010），它们已经成为中国钾盐生产的主要地区，但仍没有从根本上解决中国缺钾的问题 。深 层卤水矿床（深度＞500 m）目前大多还处于勘探评价阶段，但是由于其资 源分 布广，资源量大，含有钾、锂、硼、溴、碘、铷、铯等重要资源(刘成林，2013；林耀庭等, 1996)，潜在经济价值高，勘探开发潜力大（黄华等，2015），已经逐步引起人们的重视。
利用钻井对深层卤水钻探后，如何快速、经济、准确的评价卤水层的位置、卤水层的品质（ 矿化度、有用元素含量）是下一步进行试水的关键，也是卤水资源勘探开发的基础。利用地 球 物理测井资料，借用石油相关的测井评价方法，能够判定卤水层的位置、厚度、物性，进而 能推算卤水层产能（黄华等，2013；2014）。但是对于深层卤水层，尤其是高矿化度的卤水 层品位的确定，一直是一个难点，导致在深井卤水勘探开发中，需要先进行逐层试水，在开 展室 内品位测试后，再决定对哪一层采卤，这样不仅工程上效率低下，而且不经济。古盐湖盆地 中，一般卤水矿化度越高，卤水中的钾、锂、硼、溴、碘、铷、铯等有用离子的含量也越高 （黄华等，2015），即矿化度越高卤水的品位也越好。本文基于地球物理测井资料，利用计 算的各种参数，推导出2种计算深层卤水矿化度的方法，用以评价卤水层的品位，为下一步 优选卤水层试水和采卤提供决策。
浅层矿井中，由于矿化度不高，主要采用自然电位（SP）测井资料求取 地层水矿化度（赵发展等，2002；任履兆，1985；魏大农等，2004；肖世匡等，2006）。但 是对于深层卤水钻井而言，地层水矿化度高，一般100～400 g/L，钻井中多采用盐水钻井 液， 且地层中还有盐层不断溶蚀，这样导致井筒为饱和 盐水钻井液，无法直接进行自然电位测井。如果要 进行自然电位测井，则需要在测井前更换钻井液体系，将井筒中的盐水 钻井液置换成淡水钻井液，难以实现经济高效，且易出现井壁垮塌现象，导致井下出现危险 。因此在深层盐湖盆地中，利用自然电位求取地层水电阻率的方法是不适用的。
本文求取地层水电阻率利用的是阿尔奇公式，由地层电阻率来求取地层水电阻率。
（3） 式中求取的是地层温度下地层水电阻率，将其转换到18℃下地层水的电阻率：
通过实验室等效氯化钠矿化度与18℃地层水电阻率的关系（图1），可得到：
将（3）代入（4）后再代入（5）中，就可以求取等效氯化钠矿化度。
从矿化度与地层水电阻率的关系图看出（图1），
当地层水电阻率很小时，此时矿化度较大 ，矿化度与电阻率关系近似于垂直的直线，即微小的地层水电 阻率误差就会带来矿化度很大的变化，使得矿化度计算不准确。
通过开展误差分析（图2），当矿化度小于100 g/L，地层电阻率小于0.1 Ω·m时，电 阻率误 差相对比较小；但是当矿化度大于100 g/L，地层电阻率大于0.1 Ω·m后，电阻率的 误差在 求取矿化度的过程中被急剧放大，使得卤水层的矿化度误差变大。因此，利用地层水电阻率 法适合求取卤水矿化度小于100 g/L的地区，矿化度越小，计算越精确。 2中子寿命测井法
由于中子寿命测井不受孔隙度的影响，受到温度影响也不大，因此使用范围比较广泛。根据 计算 原理可知，本方法要求卤水层中氯离子含量高，卤水 矿化度越大，计算越精准。
根据实验室卤水等效氯化钠矿化度和与其俘获截面值的关系函数（图3）：
将（7）和（8）联合起来，可以得到等效氯化钠矿化度：
以广3～10井为例，该井2526.6～2538.0 m为一标准砂岩卤水层（图4），该层声波时差平 均值为250 μs/m，砂岩卤水层总俘获截面值Σ平均为38 c.u.，Σma＝12 c.u .， Σsh＝63 c.u.，通过计算平均泥质含量Vsh＝0.1，平均孔隙度为14.8%， 通过 中子寿命计算等效NaCl矿化度为311.1 g/L。通过潜江凹陷等效NaCl与试水资料的转换，其 最终矿化度为320.4 g/L。该层实际试水资料的矿化度为320.4 g/L，通过中子寿命计算的 矿化度与实际矿化度一致。通过地层水电阻率法计算后矿化度为302.4 g/L，相对误差为8 .6%。由于地层矿化度高，因此中子寿命测井法计算的矿化度明显精度较高（表2）。
对另外5口井也进行了计算（表2）。通过对比中子寿命计算的矿化度与实际矿化度发现， 最 小误差为0，最大误差为-7.8%，平均误差为3.5%，能够满足矿化度求取要求。利用地层水 电 阻率法求取的矿化度与实际矿化度比较，最小误差为-1.4%，最大误差为44.3%，平均误差 为19.3%，误差相对大。由此可见，在高矿化度卤水层计算矿化度时，中子寿命测井法比地 层水电 阻率法精度更高，潜江凹陷潜江组的深层卤水矿化度计算更适合于中子寿命测井法。
通过以上2种基于地球物理测井参数的深层卤水矿化度方法，可以计算得到较为准确的深 层卤水矿化度。
江汉盆地潜江凹陷深层卤水矿化度和有用的离子（钾、锂、硼、溴、碘、铷、铯）含量成正比，以钾离子为例（图5），当矿化度 在100～300 g/ L时，ρ(K+)随着矿化度的升高呈缓慢线性增加，ρ(K+)在0～1.5 g/L；当矿化度在300～350 g/L时，ρ(K+)随着矿化度的升高呈快速指数增 加，ρ(K+)在1.5～6.0 g/L。因此通过对矿化度的精准计 算，利用深层卤水矿化度与有用离子含量之间的关系，可以判断出卤水的品位，为卤水层试 水和采卤提供决策依据。
（2） 中子寿命测井法要求卤水层浓度大且卤水中氯离子含量高，该方法解决了大多数深层 卤水层矿化度的计算问题。
（3） 通过在潜江凹陷潜江组深层卤水区进行应用，证实在以氯化钠含量为主的浓卤水中， 中子寿命测井法计算卤水层矿化度精度要明显高于地层水电阻率法。因此建议在明确卤水层 特点的情况下，酌情互补使用这2种方法计算卤水矿化度。
（4） 通过对卤水层矿化度的精准计算，利用深层卤水矿化度与有用离子含量之间的关系， 可以判断出卤水的品位，为卤水层试水和采卤提供决策依据。
志谢本文完成过程中得到中国地质科学院矿产资源研究所刘成林、焦鹏程 研究员的指导 ，江汉油田分公司勘探开发研究院陈晓和谢浪工程师对相关图件进行了编制，在此一并表示 感谢。
利用钻井对深层卤水钻探后，如何快速、经济、准确的评价卤水层的位置、卤水层的品质（ 矿化度、有用元素含量）是下一步进行试水的关键，也是卤水资源勘探开发的基础。利用地 球 物理测井资料，借用石油相关的测井评价方法，能够判定卤水层的位置、厚度、物性，进而 能推算卤水层产能（黄华等，2013；2014）。但是对于深层卤水层，尤其是高矿化度的卤水 层品位的确定，一直是一个难点，导致在深井卤水勘探开发中，需要先进行逐层试水，在开 展室 内品位测试后，再决定对哪一层采卤，这样不仅工程上效率低下，而且不经济。古盐湖盆地 中，一般卤水矿化度越高，卤水中的钾、锂、硼、溴、碘、铷、铯等有用离子的含量也越高 （黄华等，2015），即矿化度越高卤水的品位也越好。本文基于地球物理测井资料，利用计 算的各种参数，推导出2种计算深层卤水矿化度的方法，用以评价卤水层的品位，为下一步 优选卤水层试水和采卤提供决策。
1地层水电阻率法
1.1计算原理和方法
地层水电阻率法主要原理是利用地层水电阻率、温度和矿化度之间的关系，在测井中能够 测量卤水层的温度，利用测井资料计算地层水电阻率，这样可以利用已知的两个量求取卤水 层的矿化度。斯伦贝谢等公司通过室内试验，已经将这三者之间的关系编制成图版（张庚骥 ，2003），也有研究者将图表近似表达为函数关系式（刘应，1988），用以快速求取其中的 变量。浅层矿井中，由于矿化度不高，主要采用自然电位（SP）测井资料求取 地层水矿化度（赵发展等，2002；任履兆，1985；魏大农等，2004；肖世匡等，2006）。但 是对于深层卤水钻井而言，地层水矿化度高，一般100～400 g/L，钻井中多采用盐水钻井 液， 且地层中还有盐层不断溶蚀，这样导致井筒为饱和 盐水钻井液，无法直接进行自然电位测井。如果要 进行自然电位测井，则需要在测井前更换钻井液体系，将井筒中的盐水 钻井液置换成淡水钻井液，难以实现经济高效，且易出现井壁垮塌现象，导致井下出现危险 。因此在深层盐湖盆地中，利用自然电位求取地层水电阻率的方法是不适用的。
本文求取地层水电阻率利用的是阿尔奇公式，由地层电阻率来求取地层水电阻率。
阿尔奇公式： Sw=nabRwRtφm（1）
卤水层的含水饱和度为100%，即Sw=100%（2）
将（2）代入（1）中得到： Rw=abRtφm（3）
式中Sw—含水饱和度（f）； n—饱和度指数； a, b—与岩性有关的系数； Rw—地层温度下地层水电阻率(Ω·m)； Rt—地层电阻率(Ω·m)； φ—孔隙度（f）；m—胶结指数。（3） 式中求取的是地层温度下地层水电阻率，将其转换到18℃下地层水的电阻率：
Rw(18)=Rw(1+α(t-18))（4）
式中Rw(18)—18℃地层水电阻率(Ω·m)；α—温度系数；t—卤水层 温度（℃）。通过实验室等效氯化钠矿化度与18℃地层水电阻率的关系（图1），可得到：
C等=5.601 Rw（18）-1.1959（5）
相关系数r=0.99，式中C等—等效氯化钠矿化度（g/L）。将（3）代入（4）后再代入（5）中，就可以求取等效氯化钠矿化度。
C等=［5.601(abRt/φm)(1+α(t-18))］-1.1959（6 ）
（6） 式中，a、b、m、α均可以由实验获得；φ可以由常规测井资料或者岩芯实 验 室测试获得；Rt用卤水层的测井电阻率（深感应或者深侧向电阻率）。卤水的矿化度 只需要将本方法 得到的等效氯化钠矿化度根据地区经验公式转换即可。
1.2适用范围
以上推导中由于应用到阿尔奇公式，阿尔奇公式成立的前提是砂岩层孔隙度为中高孔，要求 卤水层孔隙度在10%～40%（孙建国，2007），否则误差较大。从矿化度与地层水电阻率的关系图看出（图1），
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图 1等效氯化钠矿化度与18℃地层水电阻率的关系图 Fig. 1Diagram of equivalent NaCl salinity and formation water resistivity at 18℃ |
通过开展误差分析（图2），当矿化度小于100 g/L，地层电阻率小于0.1 Ω·m时，电 阻率误 差相对比较小；但是当矿化度大于100 g/L，地层电阻率大于0.1 Ω·m后，电阻率的 误差在 求取矿化度的过程中被急剧放大，使得卤水层的矿化度误差变大。因此，利用地层水电阻率 法适合求取卤水矿化度小于100 g/L的地区，矿化度越小，计算越精确。 2中子寿命测井法
2.1计算原理
中子寿命测井是最常见的脉冲中子测井，其原 理是利用脉冲中子源发射高能快速中子照射地 层, 探测热中子寿命和地层对热中子的宏观俘获截面（李震，2008），在石油矿产测井中常 被用来计算剩余油的饱和度（刘应，1988；戴长林，2005）。由于岩石中不同元素对热中子 的俘获截面值是不同的，中子寿命测井记录是单位岩石体积中所有元素俘获中子的截面总 和。从不同元素对热中子的俘获截面数据可以看到，硼（B）、锂（Li）元素是最多的（表1 ），但是由于其在深层卤水中含量比较低，因此影响是很小的。在剩下的元素中，氯（Cl） 元 素对热中子的俘获截面最大，由于深层卤水中主要成分是氯化钠（黄华等，2015），因此氯 的影响是最大的。以江汉盆地潜江凹陷深层卤水为例，研究各种不同元素对于中子寿 命测井中探测的单位岩石体积中俘获截面的影响，发现氯元素的影响占到98.362% （表1）， 其他元素的影响几乎可以忽略，因此可以利用中子寿命测井来计算卤水中等效氯化钠矿化度 ，从而计算卤水层的矿化度。由于中子寿命测井不受孔隙度的影响，受到温度影响也不大，因此使用范围比较广泛。根据 计算 原理可知，本方法要求卤水层中氯离子含量高，卤水 矿化度越大，计算越精准。
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图 2地层水电阻率在求取卤水矿化度过程中误差分析图 Fig. 2Error analyses in the process of brine salinity calculation by formati on water resistivity technique |
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表 1深层卤水中不同元素热中子俘获截面指数影响因素统计表 Table 1The influence factors of different elements on the thermal-neutron cap ture cross-section index in the deep brine |
2.2计算方法
将地层中的砂岩卤水层抽象成一个体积模型，即整个体积是由泥质、砂岩和砂岩孔隙中的卤 水 组成，三者体积为1个单位，其中泥质的体积含量Vsh，卤水的体积百分含量φ ，因此砂岩的骨架体积百分含量为1-Vsh-φ。砂岩卤水层总的俘获截面值 是砂岩骨 架的俘获截面值、砂岩中卤水的俘获截面值和泥质的俘获截面值之和。因此相应的测井方程 为：
Σ=Σma(1-φ-Vsh)+φΣw+VshΣsh（7）
式中： Σ—砂岩卤水层总俘获截面值（c.u.）；Σma—砂岩骨架的俘获 截面值（c.u.）；φ—卤水层孔隙度；Vsh—地层的泥质含量；Σw— 卤水的俘获截面值（c.u.）；Σsh—泥岩的俘获截面值（c.u.）。根据实验室卤水等效氯化钠矿化度和与其俘获截面值的关系函数（图3）：
Σw=0.4223CNaCl+21.842（8）
相关系数r=0.9999，式中：CNaCl—卤水层的等效氯化钠矿化度（g/L）。将（7）和（8）联合起来，可以得到等效氯化钠矿化度：
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图 3卤水等效氯化钠矿化度与俘获截面指数关系图 Fig. 3Diagram of the equivalent NaCl salinity and the |
capture cross-section index in brineCNaCl=［(Σ-Σma(1-φ-Vsh)-VshΣ sh)/φ
-21.842］/0.4223（9）
（9） 式中，Σ可通过中子寿命测井得到；Σma可利用理论值得到，也可用卤水 层附近干砂层的俘获截面值代替；Σsh也可用理论值得到，也可用砂岩卤水层附 近纯泥岩的俘获截面值代替；φ可以由常规测井资料或者岩芯实验室测试获得；V sh可以由常规测井资料计算得到。根据本方法得到的等效氯化钠矿化度再由地区经验 公式换算成卤水矿化度。
3应用实例
运用以上2种计算卤水矿化度的方法，在江汉盆地潜江凹陷潜江组深层卤水中进行了应用。 以广3～10井为例，该井2526.6～2538.0 m为一标准砂岩卤水层（图4），该层声波时差平 均值为250 μs/m，砂岩卤水层总俘获截面值Σ平均为38 c.u.，Σma＝12 c.u .， Σsh＝63 c.u.，通过计算平均泥质含量Vsh＝0.1，平均孔隙度为14.8%， 通过 中子寿命计算等效NaCl矿化度为311.1 g/L。通过潜江凹陷等效NaCl与试水资料的转换，其 最终矿化度为320.4 g/L。该层实际试水资料的矿化度为320.4 g/L，通过中子寿命计算的 矿化度与实际矿化度一致。通过地层水电阻率法计算后矿化度为302.4 g/L，相对误差为8 .6%。由于地层矿化度高，因此中子寿命测井法计算的矿化度明显精度较高（表2）。
对另外5口井也进行了计算（表2）。通过对比中子寿命计算的矿化度与实际矿化度发现， 最 小误差为0，最大误差为-7.8%，平均误差为3.5%，能够满足矿化度求取要求。利用地层水 电 阻率法求取的矿化度与实际矿化度比较，最小误差为-1.4%，最大误差为44.3%，平均误差 为19.3%，误差相对大。由此可见，在高矿化度卤水层计算矿化度时，中子寿命测井法比地 层水电 阻率法精度更高，潜江凹陷潜江组的深层卤水矿化度计算更适合于中子寿命测井法。
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图 4广3-10井中子寿命与完井测井曲线图 Fig. 4Neutron lifetime and well completion logging curves of well Guang 3-10 |
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表 2潜江凹陷潜江组深层卤水不同方法计算矿化度统计表 Table 2Calculation results of the deep brine salinity of Qianjiang Formation i n the Qianjiang sag by different methods |
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图 5潜江凹陷潜江组深层卤水矿化度与钾离子含量关系图 Fig. 5Diagram of the salinity of deep brine and the content of potassium ion s in the Qianjiang Formation of Qianjiang sag |
4结论
（1） 地层水电阻率法计算深层卤水矿化度时，由于计算原理的限制，使用范围受到孔隙度 和卤水层矿化度的严重制约，适用于中高孔低矿化度的卤水层。（2） 中子寿命测井法要求卤水层浓度大且卤水中氯离子含量高，该方法解决了大多数深层 卤水层矿化度的计算问题。
（3） 通过在潜江凹陷潜江组深层卤水区进行应用，证实在以氯化钠含量为主的浓卤水中， 中子寿命测井法计算卤水层矿化度精度要明显高于地层水电阻率法。因此建议在明确卤水层 特点的情况下，酌情互补使用这2种方法计算卤水矿化度。
（4） 通过对卤水层矿化度的精准计算，利用深层卤水矿化度与有用离子含量之间的关系， 可以判断出卤水的品位，为卤水层试水和采卤提供决策依据。
志谢本文完成过程中得到中国地质科学院矿产资源研究所刘成林、焦鹏程 研究员的指导 ，江汉油田分公司勘探开发研究院陈晓和谢浪工程师对相关图件进行了编制，在此一并表示 感谢。
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