頁(yè)巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)方法研究
——以四川盆地蜀南地區(qū)為例

鐘光海，謝　冰，周　肖

（1.中國(guó)石油西南油氣田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，成都610041；2.頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)與開(kāi)采四川重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610041）

頁(yè)巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)方法研究
——以四川盆地蜀南地區(qū)為例

鐘光海1，2，謝冰12，周肖1，2

（1.中國(guó)石油西南油氣田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，成都610041；2.頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)與開(kāi)采四川重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610041）

頁(yè)巖氣是一種重要的非常規(guī)天然氣資源，目前國(guó)內(nèi)對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)方法的研究還處于起步階段。在對(duì)國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)方法調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)巖心分析資料，建立了四川盆地蜀南地區(qū)頁(yè)巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)巖石物理模型。通過(guò)開(kāi)展總有機(jī)碳含量、吸附氣含量及游離氣含量等計(jì)算方法的研究，形成了針對(duì)四川盆地蜀南地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算方法，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的測(cè)井解釋模塊，建立了一套系統(tǒng)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)方法。該方法支撐了頁(yè)巖氣試油層段及儲(chǔ)層改造措施優(yōu)選，為四川盆地頁(yè)巖氣藏的勘探開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)保障。

頁(yè)巖氣；巖石物理模型；吸附氣；游離氣；蜀南地區(qū)；四川盆地

0　引言

頁(yè)巖氣藏與常規(guī)油氣藏在多方面存在較大差異，因而頁(yè)巖氣儲(chǔ)層與常規(guī)油氣儲(chǔ)層的測(cè)井評(píng)價(jià)方法不同，其測(cè)井解釋模型完全不同于常規(guī)油氣儲(chǔ)層所適用的模型。目前，四川盆地蜀南地區(qū)基本使用常規(guī)測(cè)井解釋評(píng)價(jià)方法對(duì)頁(yè)巖氣井進(jìn)行評(píng)價(jià)，尚未形成針對(duì)區(qū)域頁(yè)巖氣的測(cè)井精細(xì)解釋方法體系，測(cè)井處理和解釋精度較差，因此系統(tǒng)研究適用于該地區(qū)的頁(yè)巖氣測(cè)井精細(xì)解釋方法非常有必要。筆者根據(jù)巖心分析資料，建立蜀南地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層總有機(jī)碳（TOC）含量、含水飽和度、吸附氣含量及游離氣含量等巖心刻度計(jì)算模型，形成該區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)方法，以期為現(xiàn)場(chǎng)試油層位優(yōu)選提供技術(shù)指導(dǎo)。

1　頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征

頁(yè)巖（Shale）是一種成分復(fù)雜的沉積巖，具有薄頁(yè)狀或薄片層狀節(jié)理，主要是由黏土沉積埋藏再經(jīng)地層溫度和壓力作用形成的巖石，并混雜有石英、長(zhǎng)石的碎屑以及其他礦物［1］。四川盆地蜀南地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層屬于深水陸棚相沉積，巖性一般為富含炭質(zhì)的黑色頁(yè)巖，礦物成分除了黏土、石英、長(zhǎng)石（斜長(zhǎng)石、正長(zhǎng)石）和有機(jī)質(zhì)外，還有大量的方解石和白云石，此外，由于沉積時(shí)處于還原環(huán)境，還含有一定數(shù)量的黃鐵礦。

根據(jù)蜀南地區(qū)寧201井和威201井100余個(gè)頁(yè)巖巖心實(shí)驗(yàn)分析資料，結(jié)合鉆探情況分析，認(rèn)為該區(qū)頁(yè)巖氣藏的儲(chǔ)集空間主要為微孔隙和裂縫，而裂縫是游離氣的主要儲(chǔ)集空間。頁(yè)巖氣成藏需要一定的物性條件，美國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙度一般為3%～5%，高者可達(dá)10%～15%［2］。頁(yè)巖氣的產(chǎn)出一般是儲(chǔ)集在基質(zhì)孔隙和裂縫中的游離氣優(yōu)先被采出，其后才是吸附氣。對(duì)蜀南地區(qū)寧201井和威201井頁(yè)巖巖心物性的分析結(jié)果表明，該區(qū)孔隙度主要為4%～8%，占85%以上；巖心滲透率小于0.01 mD，主要為10～100 nD，占70%以上。因此，蜀南地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層屬于低孔、特低滲儲(chǔ)層。

2　頁(yè)巖氣儲(chǔ)層關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算方法研究

根據(jù)國(guó)外公司的研究，頁(yè)巖氣主要包括游離氣和吸附氣，而TOC含量與孔隙度控制著總含氣量的大小［3］?？傮w來(lái)說(shuō)，除了過(guò)去評(píng)價(jià)常規(guī)氣藏常用的孔隙度、滲透率、含水飽和度和儲(chǔ)層厚度4個(gè)參數(shù)外，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層增加了TOC含量、吸附氣含量和游離氣含量等關(guān)鍵參數(shù)，而測(cè)井技術(shù)可以提供這些頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵參數(shù)。

2.1建立頁(yè)巖氣巖石物理模型

蜀南地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層一般為富含炭質(zhì)的黑色頁(yè)巖，礦物成分包括黏土、石英、長(zhǎng)石（斜長(zhǎng)石、正長(zhǎng)石）、有機(jī)質(zhì)、方解石、白云石及少量黃鐵礦，流體主要為天然氣和束縛水。由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)含量高，黃鐵礦廣泛存在，故在巖石物理模型中增加了有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦組分（圖1）。

圖1　頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井巖石物理模型Fig.1Logging petrophysical model of shale gas reservoir

圖2　ΔlogR疊合圖上各種特征的解釋示意圖Fig.2Schematic diagram showing the characteristics of ΔlogR superposed graph

2.2有機(jī)碳含量計(jì)算方法

根據(jù)蜀南地區(qū)巖心分析，提出2種方法來(lái)計(jì)算TOC含量：一是電阻率與孔隙度測(cè)井曲線重疊法；二是放射性鈾元素含量與總有機(jī)碳關(guān)系回歸法。

2.2.1電阻率與孔隙度測(cè)井曲線重疊法

國(guó)內(nèi)外利用測(cè)井資料評(píng)價(jià)烴源巖最常用的方法是ΔLogR法［4］。該方法將一種專(zhuān)門(mén)刻度的孔隙度測(cè)井曲線（一般是聲波時(shí)差曲線）疊合在一條電阻率曲線上，并以細(xì)顆粒的非烴源巖為基線，該基線存在的條件是這2條曲線“軌跡”一致或在一個(gè)有意義的深度范圍內(nèi)重疊，這2條曲線的幅度差就定義為ΔLogR（圖2）。應(yīng)用ΔLogR幅度差不僅可以定性識(shí)別頁(yè)巖氣儲(chǔ)層，還可以定量計(jì)算TOC含量。

ΔlogR法采用電阻率與孔隙度曲線重疊來(lái)定量評(píng)價(jià)烴源巖的TOC含量。在選擇孔隙度曲線時(shí)，采用聲波時(shí)差與電阻率曲線疊加比采用密度或者中子與電阻率曲線疊加計(jì)算所得到的TOC含量精度更高。這是由于井眼環(huán)境會(huì)影響到密度和中子測(cè)井值，富含有機(jī)質(zhì)的層段往往黏土含量較高，通常井壁容易垮塌，密度-中子測(cè)井曲線異常較明顯。因此，通常采用電阻率-聲波時(shí)差疊合法來(lái)計(jì)算TOC含量，具體計(jì)算方法［4］如下：

式中：R和R基線分別為巖石電阻率和非烴源巖的電阻率，Ω·m；Δt和Δt基線分別為巖石聲波時(shí)差和非烴源巖的聲波時(shí)差，μs/m；TOC為總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；k為相對(duì)互溶刻度的比例系數(shù)，一般都需要經(jīng)過(guò)巖心分析資料的刻度標(biāo)定，有機(jī)質(zhì)成熟度不同的地層，其系數(shù)K有些許差異；LOM為與頁(yè)巖成熟度有關(guān)的一個(gè)參數(shù)，取5～18。

成熟度（Ro）越高，則LOM值也越高，國(guó)外對(duì)于這種關(guān)系（圖3）進(jìn)行了大量的研究［4］。蜀南地區(qū)志留系和寒武系地層的Ro高，一般大于2.5，故在使用上述公式時(shí)LOM的取值大于12。

圖3　LOM值與成熟度的關(guān)系Fig.3Relationship between LOM and maturity

2.2.2放射性鈾元素含量與總有機(jī)碳關(guān)系回歸法

研究表明，富含有機(jī)質(zhì)的烴源巖由于吸附了大量的鈾元素，所以常伴隨著高的放射性異常，即高的自然伽馬值。因此，可用異常高的自然伽馬值來(lái)識(shí)別烴源巖［5］。對(duì)于蜀南地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層，本次研究發(fā)現(xiàn)能譜測(cè)井鈾元素含量與巖心分析的TOC含量存在良好的線性關(guān)系（圖4）。

圖4　鈾元素與TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系Fig.4Relationship between uranium and TOC content

由圖4擬合可得到如下的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

式中：U為巖石鈾元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，×10-6；A0和A1均為系數(shù)，小數(shù)。

從蜀南地區(qū)寧203井龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層2種方法計(jì)算TOC含量的結(jié)果對(duì)比分析（圖5）可以看出：利用鈾元素計(jì)算的TOC含量與實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果具有非常高的吻合度，計(jì)算精度完全能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要；利用ΔlogR重疊法計(jì)算的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層上部的TOC含量與巖心一致性較好，但計(jì)算出的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層下部TOC含量與巖心對(duì)應(yīng)性較差。因此，在蜀南地區(qū)優(yōu)選鈾元素來(lái)計(jì)算TOC含量。

圖5　蜀南地區(qū)寧203井龍馬溪組2種TOC含量計(jì)算方法處理結(jié)果對(duì)比Fig.5Contrast of TOC content of Longmaxi Formation in Ning 203 well in Shunan area calculated by two methods

2.3礦物組分及物性參數(shù)的計(jì)算方法

2.3.1孔隙度的計(jì)算方法

目前主要采用最優(yōu)化的多礦物模型［6］，利用優(yōu)化技術(shù)將各種測(cè)井響應(yīng)方程聯(lián)立求解并尋優(yōu)，即可得到地層巖石（或礦物）組分、流體的體積及孔隙度。

根據(jù)蜀南地區(qū)頁(yè)巖巖石物理模型（參見(jiàn)圖1），利用最優(yōu)化測(cè)井解釋方法將各種測(cè)井響應(yīng)方程聯(lián)立求解，并利用優(yōu)化技術(shù)，調(diào)節(jié)各種輸入?yún)?shù)（如礦物測(cè)井響應(yīng)參數(shù)），再輸入曲線權(quán)值等，使方程矩陣的非相關(guān)性達(dá)到最小，從而計(jì)算出各種礦物的含量和流體的體積及地層孔隙度，即可計(jì)算得到儲(chǔ)層參數(shù)。

式（4）～（7）中：ΔThr，ΔTmf，ΔTsh，ΔTmai，ΔT分別為殘余天然氣、混合流體、黏土、巖石骨架和巖石的聲波時(shí)差，μs/m；ΦNhr，ΦNmf，ΦNsh，ΦNmai，ΦN分別為殘余天然氣、混合流體、黏土、巖石骨架和巖石的中子值，%；ρhr，ρmf，ρsh，ρmai，ρb分別為殘余天然氣、混合流體、黏土、巖石骨架和巖石的密度，g/cm3；φ為有效孔隙度，%；Sxo為沖洗帶殘余氣飽和度，%；Vmai為礦物體積分?jǐn)?shù)，%；Vsh為黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；A為系數(shù)，小數(shù)；i=1，2，…，n，代表石英、方解石、綠泥石及伊利石等礦物。對(duì)于這個(gè)方程組，可以采用最優(yōu)化的方法來(lái)計(jì)算各種礦物的含量及孔隙度。

2.3.2含水飽和度的計(jì)算方法

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙度低，一般無(wú)自由可動(dòng)水，故所求得的含水飽和度為束縛水飽和度。此次研究采用Simandoux方程來(lái)計(jì)算頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的含水飽和度，模型公式［6］為

式中：Rt為巖石真電阻率，Ω·m；Rsh為純泥巖的巖石電阻率，Ω·m；Rw為地層水電阻率，Ω·m；Sw為含水飽和度，%；a，c，m，n均為地區(qū)巖-電實(shí)驗(yàn)參數(shù)，常數(shù)，可以通過(guò)地區(qū)巖-電實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。

2.3.3滲透率的計(jì)算方法

根據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)［7-8］，充氣孔隙主要是指頁(yè)巖中游離氣占據(jù)的孔隙空間，該值在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中具有較大意義。根據(jù)蜀南地區(qū)巖心分析結(jié)果，充氣孔隙度與巖石密度具有較好的相關(guān)性。根據(jù)國(guó)外巖心分析資料，充氣孔隙度與滲透率呈近似指數(shù)關(guān)系［9-10］（圖6）。由于充氣孔隙是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中相對(duì)較大的孔隙，天然氣在其中的流動(dòng)具有達(dá)西定律的特征［11-12］，因此充氣孔隙度與基質(zhì)滲透率具有正相關(guān)性，即充氣孔隙度增大，則滲透率也增大。同樣，蜀南地區(qū)巖心分析資料表明，該區(qū)充氣孔隙度與基質(zhì)滲透率也存在類(lèi)似的關(guān)系（圖7）。由此建立了蜀南地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的滲透率計(jì)算公式，即

圖6　國(guó)外頁(yè)巖儲(chǔ)層滲透率與充氣孔隙度關(guān)系Fig.6Relationship between permeability and gas-filled porosity of shale reservoir at abroad

圖7　蜀南地區(qū)頁(yè)巖充氣孔隙度與滲透率的關(guān)系Fig.7Relationship between permeability and gas-filled porosity of shale reservoir in Shunan area

式中：K為基質(zhì)滲透率，mD；φg為充氣孔隙度，%；A和B均為地區(qū)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，小數(shù)。

2.4含氣量的計(jì)算方法

2.4.1吸附氣含量的計(jì)算方法

蘭格繆爾等溫吸附方程［13-14］是法國(guó)化學(xué)家蘭格繆爾建立的物質(zhì)吸附氣體的經(jīng)典公式，對(duì)煤層氣和頁(yè)巖氣等在物質(zhì)表面的吸附均適用［15］。其基本理論為吸附在干酪根表面的甲烷與頁(yè)巖中的游離甲烷處于平衡狀態(tài)。蘭格繆爾等溫線（圖8）就是用來(lái)描述某一恒定溫度下的這種平衡關(guān)系的。

圖8　蘭格繆爾等溫曲線示意圖［15］（1 psia=0.006 9 MPa）Fig.8Diagram of Langmuir isothermal curve

該關(guān)系涉及2個(gè)重要參數(shù)：蘭格繆爾體積和蘭格繆爾壓力，前者描述的是無(wú)限大壓力下的氣體體積，而后者描述的是氣體含量等于二分之一蘭格繆爾體積時(shí)的壓力。在一定的溫度條件下，對(duì)于任一壓力條件下吸附的氣體體積，普遍采用的蘭格繆爾方程［16］的形式為

式中：Va為吸附氣的質(zhì)量體積，m3/t；p為儲(chǔ)層壓力，MPa；pL為蘭格繆爾壓力，MPa；VL為蘭格繆爾體積，m3/t。

圖9為不同成熟度頁(yè)巖的等溫吸附線。在TOC含量相近（圖9中黑色與粉色實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)）的情況下，隨著成熟度的增加，吸附氣含量增大，如果再配以TOC含量的增加，那么吸附氣含量就有可能大大增加（圖9中紅色與黑色實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)）。

2.4.2游離氣含量的計(jì)算方法

相對(duì)于吸附氣而言，游離氣含量的計(jì)算方法較為簡(jiǎn)單，其計(jì)算采用國(guó)際上通用的常規(guī)方法，即游離氣占據(jù)頁(yè)巖的有效孔隙度，因此游離氣含量的計(jì)算公式［16］為

式中：Gf為游離氣的質(zhì)量體積，m3/t；Bg為氣體的體積壓縮因子，無(wú)量綱，0.004 6；φeff為有效孔隙度，%；ψ為常數(shù)，0.91。

圖9　不同有機(jī)質(zhì)成熟度的頁(yè)巖等溫吸附線Fig.9The adsorption isothermal curve of shale at different organic matter maturity

2.4.3總含氣量的計(jì)算方法

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層某一深度點(diǎn)的總含氣量，即為該深度點(diǎn)的吸附氣含量與游離氣含量之和，計(jì)算公式如下：

式中：Vt為總含氣的質(zhì)量體積，m3/t；Vf為游離氣的質(zhì)量體積，m3/t。

3　實(shí)際應(yīng)用

根據(jù)常規(guī)測(cè)井資料的處理結(jié)果，綜合錄井顯示、電成像裂縫分析，應(yīng)用建立的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)方法，對(duì)蜀南地區(qū)寧201井頁(yè)巖氣儲(chǔ)層進(jìn)行了測(cè)井綜合評(píng)價(jià)分析（圖10），共處理和解釋了3段頁(yè)巖氣儲(chǔ)層。

1號(hào)儲(chǔ)層：成像測(cè)井顯示裂縫發(fā)育，且三孔隙度和電阻率曲線有明顯“刺刀”尖狀變化，綜合解釋為裂縫型頁(yè)巖氣層。

2號(hào)儲(chǔ)層：TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍小于2%，總含氣量較低，脆性礦物含量及脆性指數(shù)中等，綜合解釋為頁(yè)巖差氣層。對(duì)2號(hào)儲(chǔ)層優(yōu)選了3段進(jìn)行射孔和大型加砂壓裂改造，測(cè)試獲得0.7萬(wàn)m3/d的工業(yè)氣流，試油后評(píng)價(jià)分析產(chǎn)氣主要來(lái)自于1號(hào)裂縫型頁(yè)巖氣層。

3號(hào)儲(chǔ)層：TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%，總含氣量高，脆性礦物含量及脆性指數(shù)高，綜合解釋為頁(yè)巖氣層。對(duì)3號(hào)儲(chǔ)層優(yōu)選了3段優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層段進(jìn)行射孔和大型加砂壓裂改造，測(cè)試獲得1.0萬(wàn)m3/d的工業(yè)氣流。

上述分析表明，此次研究形成的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)方法能夠滿足該區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)要求，支撐了頁(yè)巖氣試油層段及儲(chǔ)層改造措施優(yōu)選。

圖10　蜀南地區(qū)寧201井頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井綜合處理成果Fig.10Comprehensive logging processing of shale gas reservoir in Ning 201 well in Shunan area

4　結(jié)論及建議

（1）在區(qū)域地質(zhì)特征和實(shí)鉆井巖心資料分析的基礎(chǔ)上，建立了蜀南地區(qū)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)巖石物理模型。

（2）形成了針對(duì)四川盆地蜀南地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算方法，包括TOC含量、孔隙度、滲透率、含水飽和度、吸附氣含量、游離氣含量及總含氣量的計(jì)算模型。

（3）由于缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，此次研究主要參照的是國(guó)外文獻(xiàn)中的頁(yè)巖氣樣品和國(guó)內(nèi)煤層氣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所以含氣量計(jì)算模型的適應(yīng)性存在一定的局限。因此，建議開(kāi)展針對(duì)性的頁(yè)巖巖石物理實(shí)驗(yàn)，以提高關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算精度。

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（本文編輯：王會(huì)玲）

Well logging evaluation methods of shale gas reservoir：A case study from Shunan area，Sichuan Basin

Zhong Guanghai1，2，Xie Bing1，2，Zhou Xiao1，2
（1.Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Southwest Oil and Gas Field Company，Chengdu 610041，China；2.Key Laboratory of Shale Gas Evaluation and Exploitation of Sichuan Province，Chengdu 610041，China）

Shale gas is an important unconventional natural gas resource，and research on well logging evaluation methods of shale gas reservoir is still at the starting stage in China.Based on well logging evaluation methods of shale gas reservoir at home and abroad，a petrophysical model of shale gas reservoir was established by some core data.Meanwhile，methods to calculate total organic carbon content，adsorbed gas content and free gas content were studied，a method to calculate the main reservoir parameter for shale gas reservoir was initially formed，and the corresponding well logging interpretation module was also developed.So，a set of shale gas reservoir logging evaluation techniques was establishment，which can provideguidanceandtechnical support for theshalegasexplorationanddevelopment inSichuanBasin.

shale gas；petrophysical model；adsorbed gas；free gas；Shunan area；Sichuan Basin

TE132.2

A

1673-8926（2015）04-0096-07

2015-03-06；

2015-04-25

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)——南方海相頁(yè)巖氣開(kāi)采試驗(yàn)”（編號(hào)：2012ZX05018-006）資助

鐘光海（1982-），男，碩士，工程師，主要從事測(cè)井資料處理及綜合解釋方面的研究工作。地址：（610041）四川省成都市高新區(qū)天府大道北段12號(hào)。電話：（028）86015644。E-mail：Zgh＿kty@petrochina.com.cn。