楊偉偉,馮 淵,楊 勇,付曉燕,馮永玖(中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院,西安710021)
頁巖油藏的成藏條件及中國頁巖油藏有利區(qū)展布
楊偉偉,馮 淵,楊 勇,付曉燕,馮永玖
(中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院,西安710021)
中國頁巖油資源量十分豐富,闡明中國含油氣盆地石油地質(zhì)特征及頁巖油藏的成藏條件,對(duì)于查明中國頁巖油藏的有利分布區(qū)具有重要意義。頁巖油藏成藏地質(zhì)條件包括兩大方面:大規(guī)模分布的成熟度適中的腐泥型、富有機(jī)質(zhì)泥頁巖提供了頁巖油成藏的物質(zhì)基礎(chǔ);滲透性相對(duì)較好的夾層或裂縫發(fā)育的頁巖層為有利頁巖油儲(chǔ)集層。中國各盆地石油地質(zhì)特征分析表明,古生界、中生界和新生界湖相中厚層富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層系的頁巖油成藏條件較好,為中國頁巖油藏的主要有利區(qū),包括準(zhǔn)噶爾盆地二疊系、三塘湖盆地二疊系、鄂爾多斯盆地三疊系、四川盆地侏羅系、松遼盆地白堊系、渤海灣盆地古近系、蘇北盆地古近系、江漢盆地古近系、南襄盆地古近系。其中鄂爾多斯盆地三疊系延長組與松遼盆地白堊系青山口組頁巖油地質(zhì)條件最佳。
中國;含頁巖油盆地;頁巖油藏;成藏條件;有利區(qū)分布
傳統(tǒng)石油地質(zhì)學(xué)理論認(rèn)為,富有機(jī)質(zhì)暗色泥頁巖往往是烴源巖或封蓋層,而非油氣儲(chǔ)集層。隨著油氣勘探開發(fā)的深入,逐漸在泥頁巖層系中發(fā)現(xiàn)大量的油氣,頁巖油和頁巖氣成為全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的熱點(diǎn)。在美國,頁巖氣的勘探開發(fā)取得成功以后,頁巖油也得到了高度重視,其產(chǎn)量從2005年起開始迅速增加,目前已在多個(gè)海相頁巖層系中產(chǎn)出頁巖油,并已成為美國非常規(guī)油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域中的重點(diǎn)[1-5]。此外,在加拿大、澳大利亞等國家也得到了商業(yè)性的開發(fā)[6]。在中國陸相湖盆,富有機(jī)質(zhì)泥頁巖十分發(fā)育,非常規(guī)泥頁巖油氣也顯示出良好的勘探開發(fā)前景,目前已在渤海灣盆地(遼河、濟(jì)陽、濮陽等坳陷)、鄂爾多斯盆地、松遼盆地等湖相盆地中,不同程度地獲得了頁巖油流[7]。據(jù)美國能源信息署在2013年 6月17日發(fā)表的研究報(bào)告,中國頁巖油儲(chǔ)量位居世界第三,僅次于俄羅斯和美國[8]。但由于中國頁巖油的勘探開發(fā)還處于探索與起步階段,對(duì)于頁巖油的研究相對(duì)薄弱。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,闡明了頁巖油藏的成藏條件,明確了中國頁巖油有利分布區(qū),以期為頁巖油藏的勘探開發(fā)提供理論依據(jù)。
目前,頁巖油的定義尚未統(tǒng)一。廣義的頁巖油指蘊(yùn)藏在具有低的孔隙度和滲透率的致密層系中的石油資源;狹義頁巖油是指作為烴源巖的泥頁巖層系中的石油資源,其特點(diǎn)是烴源巖與儲(chǔ)集層同層[9]。中國學(xué)者對(duì)于頁巖油的定義,多屬于狹義頁巖油,并且側(cè)重于對(duì)賦存方式與儲(chǔ)存空間的描述[1,10-11]??傊?,頁巖油的典型特征為“自生自儲(chǔ)”,油氣成藏未經(jīng)歷運(yùn)移或運(yùn)移距離極短。與之相對(duì)應(yīng),致密油是指儲(chǔ)集在致密砂巖或灰?guī)r等儲(chǔ)集層中的石油,該類儲(chǔ)集層往往緊鄰生油層,石油經(jīng)歷了短距離的運(yùn)移之后成藏,多屬于近源油氣(圖1)。
圖1 致密油、頁巖油示意
頁巖油屬于自生自儲(chǔ)的含油氣系統(tǒng),油氣賦存在保存條件良好的泥頁巖層系中。其成藏地質(zhì)條件主要包括生油條件與儲(chǔ)集條件。
2.1 生油條件
烴源巖是頁巖油的物質(zhì)基礎(chǔ),只有大規(guī)模展布的沉積于深水、半深水的富有機(jī)質(zhì)泥頁巖才能保證其生烴能力,熱演化程度適中的腐泥型干酪根確保烴源巖以產(chǎn)出液態(tài)烴為主。總結(jié)國內(nèi)外頁巖油藏的石油地質(zhì)條件,其生油條件主要包括以下3點(diǎn)。
(1)烴源巖面積廣,厚度大,有機(jī)質(zhì)豐度高富有機(jī)質(zhì)泥頁巖是頁巖油生成和儲(chǔ)集的主要載體,所以泥頁巖規(guī)模是決定頁巖油是否具備商業(yè)開采價(jià)值的關(guān)鍵因素。廣泛分布且具有一定厚度的泥頁巖奠定了頁巖油形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。美國在海相頁巖油勘探中的顯著成果,首先取決于其海相泥頁巖分布穩(wěn)定、面積較廣且厚度較大(表1)。
表1 美國頁巖油地質(zhì)參數(shù)對(duì)比(援引自文獻(xiàn)[1])
有機(jī)質(zhì)豐度決定了泥頁巖的生烴能力,進(jìn)而影響了頁巖的滯留烴量。對(duì)美國已成功勘探開發(fā)區(qū)塊的頁巖油地質(zhì)條件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn),頁巖的平均有機(jī)碳含量均在2%以上[8]。
(2)有機(jī)質(zhì)類型好在有機(jī)質(zhì)豐度和熱演化程度相似的情況下,Ⅰ型和Ⅱ型干酪根以產(chǎn)液態(tài)烴為主,Ⅲ型干酪根以產(chǎn)氣態(tài)烴為主。因此,腐泥型干酪根的富集更有利于頁巖油的生成,在美國已產(chǎn)出頁巖油的富有機(jī)質(zhì)泥頁巖中,有機(jī)質(zhì)類型多屬于偏生油的Ⅰ型和Ⅱ型(表1)。
(3)有機(jī)質(zhì)熱演化程度適中有機(jī)質(zhì)的熱演化程度反映了烴源巖生油氣窗演化階段(圖2),在不同的熱演化階段,有機(jī)質(zhì)所生成的油氣的性質(zhì)差異十分明顯。在一般情況下,隨有機(jī)質(zhì)熱演化程度的提高,烴源巖的生烴量逐漸增加,同時(shí)泥頁巖自身滯留油氣的性質(zhì)也會(huì)發(fā)生明顯變化。因此,有機(jī)質(zhì)熱演化程度適中是頁巖油成藏的另一重要條件,只有處于生油及生濕氣演化階段的泥頁巖,才能使所生成的液態(tài)烴類形成聚集。由圖2可知,鏡質(zhì)體反射率(Ro)為0.5%時(shí),有機(jī)質(zhì)進(jìn)入生油門限;Ro為0.7%~1.3%時(shí),烴源巖以生成液態(tài)烴類及濕氣為主;Ro大于1.3%時(shí),烴源巖生成烴類以干氣為主。因此,適中的熱演化程度(Ro為0.7%~1.3%)有利于頁巖油的生成,美國已開發(fā)的頁巖油層系的鏡質(zhì)體反射率也基本在這一范圍內(nèi)(表1)。
圖2 有機(jī)質(zhì)熱演化程度及產(chǎn)烴特征(援引自文獻(xiàn)[8])
2.2 儲(chǔ)集條件
由于泥頁巖本身的基質(zhì)孔隙度低、喉道半徑小、孔隙連通性差、滲透率低,其賦存油氣的能力較差,因此,泥頁巖基質(zhì)含油性較差。目前全世界已成功勘探的實(shí)例較少,以福特沃斯盆地下石炭統(tǒng)Barrnett頁巖油最為典型,儲(chǔ)集空間類型以納米級(jí)孔隙為主[12]。
泥頁巖中夾層或裂縫發(fā)育可以提高其油氣儲(chǔ)集能力,是頁巖油具有工業(yè)產(chǎn)能的重要條件,夾層或裂縫往往可以成為頁巖油勘探開發(fā)的甜點(diǎn)。其中,夾層是指富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層段中發(fā)育的粉砂巖、細(xì)砂巖、碳酸鹽巖或火山巖等薄夾層,相對(duì)于泥頁巖層段而言,其孔隙度和滲透率較高,鄰近泥頁巖所生成的油氣只需經(jīng)過極短距離的運(yùn)移即可進(jìn)入夾層成藏。以夾層為主要儲(chǔ)集層的頁巖油被稱為夾層型頁巖油[13],國外已成功勘探開發(fā)的實(shí)例較多,有落基山盆地群上白堊統(tǒng)Niobrara頁巖、圣胡安盆地白堊系Mancos頁巖、墨西哥灣盆地上白堊統(tǒng)Eagle Ford頁巖等。
裂縫發(fā)育區(qū)是頁巖油勘探的另一甜點(diǎn)類型,裂縫的發(fā)育可以明顯提高泥頁巖儲(chǔ)集層的滲透能力,裂縫的發(fā)育可以使泥頁巖儲(chǔ)集層滲透率提高4~5個(gè)數(shù)量級(jí)[1],油氣可以游離相賦存于泥頁巖的裂縫體系中。因此,該類頁巖油采出條件好、可采程度較高。以裂縫為主要儲(chǔ)集層的頁巖油被稱為裂縫型頁巖油[13],已成功勘探開發(fā)的實(shí)例也較多,如圣華金盆地中新統(tǒng)Monterey頁巖、South Park盆地白堊系Pierre頁巖、西西伯利亞盆地侏羅系Bazhenov頁巖、Bighore盆地白堊系Cody頁巖、Paradox盆地二疊系Cane Creek頁巖等。
此外,儲(chǔ)集層脆性礦物含量是影響頁巖油開采的重要因素,泥頁巖中石英、長石、方解石等脆性礦物含量越高,黏土礦物含量越低,巖石脆性越強(qiáng),在外力作用下越易形成裂縫,越有利于頁巖油的開采。
中國沉積盆地發(fā)育了多套含油氣泥頁巖層系,分布時(shí)代多、面積廣,震旦系—新近系均有分布。中國發(fā)育的富有機(jī)質(zhì)頁巖類型有海相厚層泥頁巖、海陸交互相中薄層泥頁巖、湖相中厚層泥頁巖與湖沼相中薄層泥頁巖[10]。其中海相富有機(jī)質(zhì)泥頁巖埋藏較深,熱演化程度較高(Ro主要為2.0%~4.0%),為頁巖氣(裂解氣)的勘探有利區(qū);海陸交互相與湖沼相中薄層富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的有機(jī)質(zhì)類型較差,主要產(chǎn)出煤型氣。唯有湖相中厚層富有機(jī)質(zhì)泥頁巖具備頁巖油成藏的地質(zhì)條件,該類泥頁巖分布規(guī)模大,大部分處于生油窗內(nèi),部分處于濕氣階段,頁巖油勘探前景較好,有油氣同出的潛力。因此,中國頁巖油有利區(qū)主要為湖相中厚層富有機(jī)質(zhì)泥頁巖分布區(qū),包括準(zhǔn)噶爾盆地二疊系、三塘湖盆地二疊系、鄂爾多斯盆地三疊系、四川盆地侏羅系、松遼盆地白堊系、渤海灣盆地古近系、蘇北盆地古近系、江漢盆地古近系、南襄盆地古近系。
3.1 古生界含頁巖油盆地
中國古生界頁巖油主要分布于準(zhǔn)噶爾盆地、三塘湖盆地的二疊系泥頁巖層系內(nèi)(表2)。其中,準(zhǔn)噶爾盆地二疊系(蘆草溝組為主)優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育,為灰黑色泥巖、白云質(zhì)泥巖,累計(jì)厚度可達(dá)200 m以上,分布面積在7×104km2左右,有機(jī)碳含量高達(dá)9%,有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型和Ⅱ1型為主,熱演化程度適中,Ro為0.5%~ 1.3%;儲(chǔ)集層以白云質(zhì)巖夾層為主,可見晶間溶孔,且裂縫比較發(fā)育,構(gòu)成裂縫-孔隙型儲(chǔ)集空間。滿足了頁巖油的成藏條件,為中國頁巖油的有利勘探目標(biāo)區(qū)之一。
表2 中國含頁巖油盆地主要地質(zhì)參數(shù)
三塘湖盆地面積較小,與準(zhǔn)噶爾盆地相似,優(yōu)質(zhì)烴源巖層以二疊系蘆草溝組為主,其干酪根顯微組分富含腐泥無定形富氫組分(Ⅰ型為主),是該套烴源巖大量生烴的主要原因。此外,烴源巖的有機(jī)碳含量較高,并處于生油窗內(nèi),Ro為0.5%~0.9%[14-15]。從儲(chǔ)集性能上來看,該套泥頁巖層系內(nèi),灰質(zhì)泥巖、白云質(zhì)泥巖物性較好,基質(zhì)孔隙、順層裂縫相對(duì)發(fā)育,為頁巖油的主要儲(chǔ)集空間[14]。
3.2 中生界含頁巖油盆地
中國中生界含油氣盆地多屬于克拉通盆地,包括鄂爾多斯盆地三疊系、四川盆地侏羅系、松遼盆地白堊系等。其共同特征表現(xiàn)為富有機(jī)質(zhì)泥頁巖橫向分布穩(wěn)定,面積廣、厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度高,與相鄰致密砂巖呈廣覆式展布,致密油藏與頁巖油藏共存。
鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7段優(yōu)質(zhì)烴源巖內(nèi)(厚層狀泥頁巖層及薄砂巖夾層)已獲得高產(chǎn)頁巖油流,顯示出良好的勘探前景。長7段優(yōu)質(zhì)烴源巖分布面積可達(dá)6×104km2,厚度較大,油頁巖厚度為5~40 m;黑色泥頁巖厚度可達(dá)110 m;有機(jī)碳含量主體分布于2%~28%,黑色泥頁巖平均有機(jī)碳含量為3.75%,油頁巖平均有機(jī)碳含量為13.81%;有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型和Ⅱ1型為主,埋深為1 200~2 600 m,目前正處于生油高峰階段,Ro為0.7%~1.3%(表2)。同時(shí),盆地中部長7段泥頁巖內(nèi)薄砂巖夾層十分發(fā)育,儲(chǔ)集層物性較好,為頁巖油甜點(diǎn)區(qū)。
松遼盆地最早在大安構(gòu)造大4井白堊系青山口組泥巖內(nèi)獲得工業(yè)油流,并發(fā)現(xiàn)了新北地區(qū)泥巖裂縫型油藏[16],顯示出松遼盆地白堊系泥頁巖層系具有良好的頁巖油勘探前景。從烴源巖條件來看,松遼盆地上白堊統(tǒng)青山口組青一段暗色泥頁巖發(fā)育,縱向上厚度大,平面上分布廣,為最主要的富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層系。該套烴源巖主體埋深為1 500~2 500 m,厚度為60~80 m,有機(jī)碳含量最高可達(dá)9.0%,平均有機(jī)碳含量為2.2%,有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型和Ⅱ1型為主,有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率多在1.1%~1.3%,個(gè)別地區(qū)可高達(dá)2.0%,為頁巖油氣的生成奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)(表2)。從儲(chǔ)集層條件來看,裂縫發(fā)育區(qū)為頁巖油分布的有利部位,泥頁巖儲(chǔ)集層脆性礦物含量高,約50%,易產(chǎn)生裂縫,已見油氣顯示井主要分布在裂縫發(fā)育的構(gòu)造轉(zhuǎn)折部位,巖心觀察也表明該盆地泥頁巖層系內(nèi)裂縫發(fā)育,且大多含油。
此外,四川盆地侏羅系頁巖油也具有一定的勘探潛力,富有機(jī)質(zhì)泥頁巖集中分布于下侏羅統(tǒng),分布面積約為8×104km2,累計(jì)厚度在30~220 m,有機(jī)碳含量較高,為0.6%~3.0%,有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ型為主,烴源巖熱演化程度適中,Ro為0.6%~1.5%,滿足了頁巖油成藏的生烴條件(表2)。目前對(duì)于該地區(qū)儲(chǔ)集層研究較少,文獻(xiàn)[17]認(rèn)為四川盆地侏羅系泥頁巖層系內(nèi)發(fā)育晶間孔、粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔等多種孔隙空間,且天然裂縫發(fā)育,前者為主要的儲(chǔ)油空間,后者為滲濾通道。
3.3 新生界含頁巖油盆地
中國新生界含頁巖油盆地主要分布于東部地區(qū),包括渤海灣、蘇北、江漢、南襄等盆地,以古近系富有機(jī)質(zhì)泥頁巖為主。早在20世紀(jì)60年代,就在渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷沙三段泥頁巖中見油氣顯示。近年來,在南襄盆地泌陽凹陷核桃園組頁巖段、濟(jì)陽坳陷沾化凹陷渤頁1井沙三段、遼河坳陷西部凹陷曙古165井沙三段泥巖均獲得了工業(yè)油流[18-19],老井復(fù)查也在多口探井泥頁巖中見油氣顯示并試油獲得工業(yè)油流[7]。
中國東部湖相盆地富有機(jī)質(zhì)泥頁巖主要發(fā)育于古近系,受沉積相控制,發(fā)育了多套陸相泥頁巖,具有單層厚度薄、累計(jì)厚度大、垂向上砂泥巖互層變化頻率快的特征。渤海灣、蘇北、江漢、南襄等盆地古近系泥頁巖累計(jì)厚度可達(dá)200 m以上,平均有機(jī)碳含量在2%左右,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型和Ⅱ型,成熟度不高,主體處于生油階段,凹陷中心部位處于濕氣—凝析油階段[7](表2)。總之,東部斷陷盆地古近系泥頁巖厚度大、有機(jī)質(zhì)類型較好、有機(jī)質(zhì)豐度中等—高,為頁巖油的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。受構(gòu)造、沉積背景的控制,東部斷陷湖盆古近系富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層系發(fā)育了多種類型的頁巖油藏。文獻(xiàn)[7]將其劃分為純泥頁巖型、鹽間型、泥頁巖夾脆性層型等3大類。純泥頁巖型頁巖油藏儲(chǔ)集空間以泥頁巖裂縫為主;鹽間型頁巖油藏儲(chǔ)集空間以泥巖、白云巖裂縫為主,賦存于鹽間泥頁巖系統(tǒng),發(fā)育于鹽湖盆地;泥頁巖夾脆性層型頁巖油藏往往發(fā)育于湖盆高頻振蕩期,前三角洲相—半深湖相之間過渡區(qū),儲(chǔ)集空間以薄砂巖、灰?guī)r、白云巖等薄夾層的基質(zhì)孔隙為主[7]。
中國古生界、中生界、新生界等盆地湖相中厚層富有機(jī)質(zhì)泥頁巖具備頁巖油藏成藏的地質(zhì)條件,為頁巖油勘探開發(fā)的有利區(qū)。目前在中生界、新生界盆地中均鉆獲工業(yè)油流,證明其頁巖油資源前景十分廣闊。與國外工業(yè)性頁巖油產(chǎn)區(qū)相對(duì)比,鄂爾多斯盆地三疊系延長組與松遼盆地白堊系青山口組頁巖油在生油條件與儲(chǔ)集層特征方面最為相似,表現(xiàn)在泥頁巖穩(wěn)定發(fā)育、有機(jī)質(zhì)豐度高,油質(zhì)較輕,且儲(chǔ)集層發(fā)育薄砂巖夾層或裂縫,為中國最為有利的頁巖油勘探區(qū)。東部湖相斷陷盆地的古近系泥頁巖層系厚度雖大,但相變快,發(fā)育多個(gè)小凹陷,非均質(zhì)性強(qiáng),原油品質(zhì)較差,且儲(chǔ)集層類型復(fù)雜多變,頁巖油勘探相對(duì)困難,應(yīng)優(yōu)選含砂巖層或碳酸鹽巖層較多的烴源巖區(qū)或裂縫發(fā)育區(qū)展開勘探。準(zhǔn)噶爾盆地、三塘湖盆地古生界泥頁巖層系錄井見油氣顯示,但尚未獲得工業(yè)油流,需進(jìn)一步分析其成藏條件尤其是儲(chǔ)集空間特征,以確立勘探目標(biāo)。
(1)明確了頁巖油與致密油的區(qū)別與聯(lián)系,本文所述頁巖油專指作為烴源巖的泥頁巖層系中的石油資源,其特點(diǎn)是烴源巖與儲(chǔ)集層同層,致密油是指儲(chǔ)集在致密砂巖或灰?guī)r等儲(chǔ)集層中的石油,該類儲(chǔ)集層往往緊鄰生油層,石油經(jīng)歷了短距離的運(yùn)移成藏,多屬于近源油氣。
(2)頁巖油的成藏條件主要包含2個(gè)方面:大規(guī)模分布的成熟度適中的腐泥型、富有機(jī)質(zhì)泥頁巖;泥頁巖內(nèi)物性相對(duì)較好的夾層或裂縫發(fā)育區(qū)為主要甜點(diǎn)區(qū)。
(3)成藏條件評(píng)價(jià)與勘探實(shí)踐表明,中國頁巖油資源前景廣闊,有利區(qū)主要分布在湖相中厚層富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層系內(nèi),包括古生界、中生界與新生界含頁巖油盆地,以鄂爾多斯盆地三疊系延長組、松遼盆地白堊系青山口組最為有利。
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Conditions of Shale Oil Accumulation and Distribution of Favorable Areas in China
YANG Weiwei,FENG Yuan,YANG Yong,FU Xiaoyan,FENG Yongjiu
(Research Institute of Exploration and Development,ChangqingOilfield Company,PetroChina,Xi’an,Shaanxi 710021,China)
Shale oil resources are rich in China.To clarify the petroleum geologic characteristics the shale oil accumulation conditions of China’s petroliferous basins is of great significance for finding out the favorable distribution areas of shale oil reservoirs.The conditions of shale oil reservoirs include the large?scale organic?rich mudstone/shale layers with moderate thermal maturity and sapropelic kerogen that provide material for shale oil accumulation;the interlayers with relatively good permeability or shale with fractures that are favorable shale oil reservoirs.In China,the Paleozoic,Mesozoic and Cenozoic lacustrine middle?thick organic?rich mudstone/shale intervals are of better conditions for shale oil accumulation,which are the major domains of shale oil reservoirs,including Permian strata in Junggar and Santang?hu basins,Triassic stratum in Ordos basin,Jurassic stratum in Sichuan basin,Cretaceous stratum in Songliao basin,and Paleogene strata in Bohai Bay,North Jiangsu,Jianghan and Nanxiang basins.Among them,the Triassic Yanchang formation in Ordos basin and the Cretaceous Qingshankou formation in Songliao basin are the best in shale oil geologic conditions.
China;shale?oil basin;shale oil reservoir;hydrocarbon accumulation condition;favorable areadistribution
TE122.8
A
1001-3873(2015)03-0253-05
10.7657/XJPG20150301
2014-07-01
2015-02-02
國家973項(xiàng)目(2014CB239003)
楊偉偉(1985-),女,山東菏澤人,博士,地球化學(xué)與油氣成藏,(Tel)029-86590643(E-mail)yww_0101@sina.com.