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1、Chen Z H ,Cha M ,J in Q . Applicatio n of nat ural gamma ray logging and nat ural gamma spect ro met ry logging to recovering paleoenvi2ro nment of sedimentary basin. Chi nese J . Geop hys . (in Chinese) ,2004 ,47 (6) :11451150自然伽玛及自然伽玛能谱测井在沉积盆地古环境反演中的应用陈中红查明金强石油大学( 华东) 地球资源与信息学院 ,山东东营 257061摘 要 对山东
2、东营凹陷牛 38 井古近系沙河街组三段的自然伽玛和自然伽玛能谱测井的初步实验研究表明 ,在比较稳定的还原性古环境中 ,能谱测井中的铀 ( U ) 含量和钍 、铀含量比 ( Th/ U ) ,能作为古环境研究的重要指示参 数 ,而伽玛总量则不然. U 及 Th/ U 与有机碳含量 ( co ) 存在良好相关性 ,在比较安静 、还原性的古环境中 ( 有机碳含 量大于 4 . 0 %时) ,两参数具有较强的应用性 ,而随着古环境的开放性及动荡性增强 ,其应用能力减弱.关键词自然伽玛 自然伽玛能谱 测井曲线 古环境 铀文章编号 0001 - 5733 (2004) 06 - 1145 - 06 中图分
3、类号 P631 收稿日期 2003 - 06 - 10 ,2004 - 06 - 05 收修定稿APPL ICATIO N OF NATURAL GAMMA RAY LO GGING AND NATURALGAMMA SPECTROMETRY LO GGING TO RECO VERING PAL EOENVIRO NMENT OF SED IMENTARY BASINCH EN Zho ng2Ho ng ZHA Ming J IN QiangU ni versity of Pet roleu m , Dongyi ng S han dong 257061 , Chi naAbstract T
4、he applicatio n of t he nat ural gamma ray ( GR) curve and t he nat ural gamma spect ro met ry(N GS) curve to t he Member 3 of t he Shahejie Fo r matio n f ro m t he well Niu238 in t he Do ngying de2 p ressio n indicates t hat t he GR curve can not reflect t he change of t he paleoenviro nment well
5、, but t he curves of uranium ( U ) and t he ratio of t ho rium to uranium ( Th/ U) f ro m N GS are co nsistent wit h t he change of paleoenviro nment and have goo d co rrelatio n wit h t he co ntent s of carbo n o rganic ,w hich sug2 gest s t hat U and Th/ U are bet ter parameters fo r paleoenviro n
6、ment t han GR. In t he quiet and deo xidize co nditio n U and Th/ U are much applicable ,wit h t he co nditio ns having mo re o xidatio n t heir capabilit y of applicatio n is weaken . So t he applicatio n of t he GR curve in t he recovering of paleoenviro nmentsho uld be toget her wit h t he N GS c
7、urve ,and t he N GS curve sho uld be used as a criterio n .Key wordsNat ural gamma , Nat ural gamma spect ro met ry , Well logging curve , Paleoenviro nment ,U ranium.基金项目 国家“十五”重点科技攻关项目( 2001BA605A - 09) 资助.作者简介 陈中红 ,男 ,1976 年生 ,博士研究生 ,油气地质与勘探专业. E2mail : ho ngczh 163 . co m对照参数 ,可以对伽玛测井及伽玛能谱测井在恢复沉
8、积盆地古环境 、古气候过程中的可行性及参考价 值进行讨论.引言1自然伽玛测井曲线 ( GR 曲线) 是一种重要的地球物理研究指标 ,在油气勘探中应用广泛 ,尤其在古 环境 、古气候的恢复及反演方面受到人们的日益关注. 而在自然伽玛测井的基础上发展起来的自然伽 玛能谱测井曲线 ( N GS 曲线) 不仅可以反映总的伽 玛放射性强度 ,还可以定量测试放射性元素铀 ( U ) 、 钍( Th) 、钾 ( K) 的含量 ,它可以解决一些 GR 曲线所 不能解决的地质问题 ,但目前对其应用关注还不够.东营凹陷牛 38 井“七五”以来成为国家攻关项 目的重点井 ,是目前国内连续取芯最长 ,泥岩最多的 井段
9、 , 该 井 从 沙 三 段 ( 2770 3376 m ) 连 续 取 芯606 m ,有机碳地球化学测试样品点达到 605 个 , 平 均每 1 m 左右取一个有机碳测试点 , 洪志华等1 3对该井进行了比较详细的研究 ,这些良好条件为分 析评价 GR 曲线及 N GS 曲线的应用性提供了很好 的保证. 本文以东营凹陷牛 38 井为研究对象 ,对 GR 曲线与 N GS 曲线在古环境恢复中的应用性做一探 讨.3 实例分析3 . 1 牛 38 井古环境及古气候特征牛 38 井位于东营凹陷的牛庄洼陷 , 距牛庄镇5 km. 研究井段 ( 2770 3376 m) 可以划分为 4 个层 段 :
10、沙三中上部 ( 2770 2952 m) 、沙三中中部(29523090 m) 、沙三中下部 ( 3090 3263 m) 及沙三下段 ( 3263 3376 m) 1 . 沙三段中上部处于 氧化 还原性的前三角洲环境中 ,发育灰色及深灰 色砂质泥岩 ,夹有深灰色泥岩和浅灰色粉砂岩 ,泥质 岩中见有菱铁矿条带及碳化的植物茎屑 ,并发育有 少量的藻类化石 ,有机碳含量在0 . 32 %4 . 81 %之间 ,平均为 1 . 09 % ; 沙三中中部处于滨浅湖的还原弱还原沉积环境中 ,发育深灰色泥岩 ,并伴有深灰 色泥灰岩 ,介形类 、孢粉和藻类化石均为丰富 ,并见 有碳化的植物茎屑和黄铁矿 ,以
11、 2 型及 1 型干酪 根为主 ,有机碳含量在0 . 56 %3 . 19 %之间 ,平均为1 . 52 % ;沙三中下部处于强还原 还原性的半深湖 沉积环境中 ,发育深灰色泥岩 ,夹砂质泥岩和薄层细 砂岩 ,分布有多种化石及黄铁矿 ,藻类化石也明显增 多 ,以 1 型 及 型 干 酪 根 为 主 , 有 机 碳 含 量 在0 . 42 %6 . 78 %之间 , 平均在 2 . 00 % ; 沙三段下部处于强还原性的深湖环境中 ,发育深灰色 、灰黑色泥 岩 、钙质泥岩 、褐灰色油页岩 ,藻类化石富集成层 ,基 本为 型干酪根 ,有机碳含量在 0 . 35 %13 . 75 % 之间 ,平均为
12、 4 . 00 %1 ,3 . 有机碳含量的变化特征表 明牛 38 井沙三段从下向上水体深度逐渐变浅. 从研 究区古气候上看 , 不同学者有着差异 , 如姚益民伽玛与伽玛能谱测井的地质意义及应用2自然伽玛测井是在井内测量岩层中自然存在的放射性核素 (如40 K、232 Th 、238 U 等) 核衰变过程中放 射出来的射线的强度 ,同时测量岩层中放射性元 素铀 、钍 、钾的总浓度的变化. 由于值主要反映沉 积颗粒的性质 ,随地层中泥质含量的增加而升高 ,因 此在层序地层的划分及泥质含量的估算方面得到广 泛应用. 近年来 , Herbert 等4 7 认为曲线是恢复 沉积盆地古环境 、古气候的有
13、价值的参考指标 ,并认 为高值反映沉积水动力弱 、水体加深 、湖面扩张的 沉积环境 ,指示降水多 、较湿润的古气候.铀的化学性质比较活泼 ,岩石中铀的富集机理 主要是有机物质在成岩过程中对铀的还原和吸附作等10认为沙三段沉积时期属于中亚热带温湿气候 ,朱宗浩等11 认为沙三段沉积时期属于南亚热带湿润型气候 ,但可以看出当时气候比较湿润 、潮热.3 . 2GR 及 NGS 曲线的应用牛 38 井进行的多项测井为 GR 曲线及 N GS 曲 线的对比分析创造了良好条件. 从沙三段 4400 个 测井数据点中每隔 2 m 进行数字化采样 , 绘制成 GR 及 N GS 曲线 (图 1) , 其中 D
14、 为深度. 为了确 定古环境及古气候的变化特征 , 以有机碳含量的变 化特征及其他测井参数作为参考对象 , 统计结果见 表 1 .用8,因此岩石中铀的富集反映一种还原环境. 钍较铀化学性质稳定 ,在氧化状态下 ,随着岩石中铀元素的减少 , Th/ U 会增大 ; 在还原状态下 , 随着岩石中 铀元素的富集 , Th/ U 会减小 ,因此 Th/ U 也可以用来指示古环境的氧化或还原程度. 由于有机碳是指 示古环境的良好参数9 ,因此以有机碳含量 ( co ) 为6 期陈中红等 :自然伽玛及自然伽玛能谱测井在沉积盆地古环境反演中的应用1147图 1 牛 38 井沙三段自然伽玛及自然伽玛能谱曲线的
15、变化特征Fig. 1 The characteristics of respo nses of nat ural gamma and gamma spect ro met ry log f ro m t he well Niu238表 1 牛 38 井沙三段不同层位测井参数值统计表Ta ble 1 The statistics of log para meters in diff erent members of Sha hejie f ormation f rom the well Niu238注 :o 为自然伽玛测井中 射线强度 , w ( U) 、w ( V) 、w ( Th) 和 分别
16、为伽玛能谱测井中铀的含量 ,钍的含量和钍含量与铀含量的比值( Th/ U) , t 为声波测井中测得的声波时差值 , R 为电阻率值 , co 为地层中检测到的有机碳含量.总体上 ,各曲线中参数值在沙三中下部及沙三下部与有机碳值有着良好的对应关系 ,在沙三中中 部及上部对应关系比较差 ,反映了不同沉积环境对各参数值与有机碳含量的关系存在很大影响 : 在比 较安静还原状态下的深湖 、半深湖中 ,各参数值能较 好地反映古环境的变化 ;在比较动荡 、氧化性状态下 的滨浅湖 、前三角洲中 , 各参数反映古环境能力较 弱. 从测井曲线微观形态上看 ,各曲线呈现出较大的波动性 ,反映了沉积环境的不稳定性
17、, 这是由于牛38 井离物源区比较近 ,与源区的供应关系密切 , 能 够较灵敏地反映集水区自然条件的变化2 .统计结果显示从沙三下向上 ,o 值变低 , 但在 沙三中上的时候出现 o 值高异常 ; N GS 曲线中 U 含量向上减小 , Th/ U 比值向上增大 ; Th 含量向上 增大 , 但在沙三中中部出现低异常 ; 有机碳含量 co向上减少. 可以看出 ,U 含量与 Th/ U 比值的变化反层位沉积相3 氧化 - 还原环境3 伽玛测井伽玛能谱测井参照参数o/ ( A P I)w ( U) / 10 - 6w ( Th) / 10 - 6t / (s/ f t )R / (m)co/ (
18、%) 3 沙三中上 沙三中中 沙三中下沙三下前三角洲 滨浅湖 半深湖深湖弱氧化 - 弱还原 还原 - 弱还原 强还原 - 还原强还原58 . 4452 . 1552 . 7654 . 382 . 262 . 302 . 523 . 658 . 197 . 517 . 686 . 863 . 713 . 513 . 161 . 9489 . 8492 . 3692 . 01100 . 932 . 262 . 653 . 026 . 351 . 091 . 522 . 004 . 00映出一定的规律性 ,并与 co 的变化相对应 : 从下向上随 co 的减少 , U 含量减小 , Th/ U 比值
19、增大 ,总体 上反映出从下向上湖水逐渐变浅 ,还原性逐渐减弱 , 氧化性逐渐增强 ,气候从湿润逐渐向干旱变化 ,与该 井在沙三段从深湖向前三角洲逐渐过渡1 的沉积背 景一致.对比分析表明 , 在研究区内 N GS 曲线中 U 含 量与 Th/ U 比值两参数是比较好的古环境指标 , GR 曲线中的 o 值受其他地质因素的影响较大 ,在沙三 中上部出现高异常 ,不能较准确地反映古环境的变 化特征.3 . 3 o 、U 含量 w ( Th) 、Th 含量及 Th/ U 比值与 co的定量关系分析为了较准确地反映 GR 曲线及 N GS 曲线与古w ( Th) 、Th/ U 比值 r 与 co 的定
20、量关系进行进一步分析.o 与 co 相关性分析 (图 2a) 表明两者相关性较差 ,但 o 值分布的下限与 co 存在良好的相关性 ( 图2a) ,亦即 o 的分布与 co 的关系为o 3 . 3043 co + 25 . 98 .可以看出 ,o 的分布状态受 co 值的影响 ,在 co较大时( co 4 %) ,o 分布相对集中 ;当 co 较小时 ( co 4 %) ,o 分布区间较大 ,o 呈现较大的离散性 ,此 时o 较小的波动可引起 co 强烈的变化 , 如 o 从2792m 的 52. 157API 变化到 3298m 的52. 212API时 ,co 可从 0. 5 %变化到 4
21、. 8 % ,变化幅度达一个数量级左右. 以上分析说明 ,在研究区内o 不能较好地反映 古环境的变化.环境的相互关系 , 对 o 、U 含量w ( U ) 、Th 含量图 2 牛 38 井 o 与 co (a) 、U 含量与 co ( b) 、Th 含量与 co (c) 、o 与 Th 含量 ( d) 以及 Th/ U 比值与 co (e) 相关性分析图Fig. 2 The relatio n bet ween o and co (a) , w ( U) and co ( b) , w ( Th) and co (c) ,o and w ( Th) ( d) and r and co f ro
22、 m t he well Niu238与 o 相比 , U 含量与 co 整体上呈现出一定的相关性 ( 图 2b) , 总体上随着 co 的增大 , U 含量增大 ,尤其在 co 大于 4 . 0 %时 ,其相关性较强.N GS 曲线中的 Th 含量与 co 相关性差 ( 图 2c) ,6 期陈中红等 :自然伽玛及自然伽玛能谱测井在沉积盆地古环境反演中的应用1149关性 ,而 o 及 Th 含量与 co 相关性差 ,证实了 U 含量及 Th/ U 比值较 o 及 Th 含量反演古环境的能 力强.GR 曲线及 N GS 曲线中的异常特征也说明了地质特征的复杂性 ,因此在判断古环境过程中 ,应该
23、多参数综合运用. 而在应用 GR 及 N GS 曲线时 , GR曲线不应作为单独的判断环境的依据 ,应与 N GS 曲 线相结合 ,并以后者为基准进行分析.在本文的完成过程中 ,朱光有博士为本文提供了测井曲线及有机碳原始测试数据 ,对他的帮助和 支持表示衷心的感谢.说明 Th 含量指示古环境的能力差 , 不能作为反映古环境变化的良好参数. 但 o 与 Th 含量存在良好 的相关性 (图 2d) , Th 含量的变化可引起 o 出现异 常 ,两者相关性公式见图 2d.Th/ U 比值 r 与 co 亦呈现良好相关性 ( 图 2e) , 排除 r 大于 5 . 0 时出现的异常点 ,由 Th/ U
24、 比值与 co 的相关公式 ( 图 2e) 可以得出 , 在 co 小于 8 . 4 %时 , Th/ U 比值整体上与 co 呈现负相关 ; 在 co 大于8 . 4 %时 , Th/ U 比值虽然与 co 呈现正相关 ,但由于 数据点非常有限 ( 仅 3 个) ,所以其规律性还需进一 步考察.定量分析表明 ,U 含量及 Th/ U 比值与 co 相关性较强 ,可以作为古环境的指示参数. 随着 co 的升 高 ,U 含量及 Th/ U 比值与 co 相关性增强 ,尤其在 co 大于 4 . 0 %时 ,两参数与 co 显示良好的相关性.这表明在 co 较高时 ( 大于 4 . 0 %) ,沉
25、积水体处于一 种稳定还原性的环境之中 ,此时有机质对铀的富集 起着控制作用. 如 Charles 指出12 , 在还原环境中 , 铀的富集作用是一种加速的过程 ,在铀发生还原作 用之前 ,有机质的吸附作用可以加速铀的富集 ,经过 吸附的预富集 ,可以加速铀的还原 ; 而在 co 较低时 (小于 4 . 0 %) ,沉积水体比较动荡 ,铀的富集与迁移 虽然整体上 (统计规律) 依然受有机质分布的影响 , 但受其他地质因素综合影响较大 : 如岩石中的 U 4 + 在强酸性环境中比较有利 ,当酸性减弱时容易水解 生成 U6 + 进入地层水中 ,杨典忠等13 认为在 p H =3 . 4 的酸性溶液中
26、 ,有机质吸附铀达到最大值 ; 另外 有机质对铀的吸附与有机质本身的性质也存在关系 ,实验表明泥炭及褐煤吸附铀的能力最强 ,随着变质程度增高 ,有机质吸附铀的能力降低14 . 因此 ,相 同含量的有机质由于氧化状态的不同 ,可导致有机质不同程度的变质 ,从而使铀出现不同程度的富集.参考文献洪志华 ,陈致林 ,殷 沫等. 东营凹陷牛 38 井沙三段中下部有机质分布特征. 石油与天然气地质 ,1991 ,12 ( 3) :292299Ho ng Z H , Chen Z L , Yin M ,et al . Dist ributio n characters of o r2 ganic mat t
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32、2Yang P ,Chen Y ,Liu Z C. Applicatio n of Gamma Ray log to st udy o n palaeoclimate and sedimentary enviro nment s of t he J urassic in12345结论4通过自然伽玛和自然伽玛能谱在牛 38 井沙三段中的应用表明 , GR 曲线不能很好地反映古环境 变化规律 ,在古环境反演中的应用不存在普适性 ;而 U 含量及 Th/ U 比值曲线特征与该段古环境变化规律基本一致 ,说明 U 含量及 Th/ U 比值可以作为古 环境的指示参数.o 、U 含量 、Th 含量及 Th
33、/ U 比值与 co 的定量关系表明 ,U 含量及 Th/ U 比值与 co 存在良好的相67Qaidam basin . Jou r nal of Pal aeogeog rap hy ,2003 ,5 ( 1) : 94102刘埃平 ,钟子川. 铀的地球化学特征及其在油气勘探中的应用.石油学报 ,1999 ,20 ( 6) : 3237Liu A P , Zho ng Z C. Geochemical characteristics of uranium and t he applicatio n to oil and gas explo ratio n . A ct a Pet role
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