煤層氣成藏機理概論

侯宛宜，張　吉，馬志欣

(1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2.中國石油長慶油田分公司蘇里格氣田研究中心，陜西 西安 710018；3.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西 西安 710018)

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煤層氣成藏機理概論

侯宛宜1，張吉2,3，馬志欣2,3

(1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2.中國石油長慶油田分公司蘇里格氣田研究中心，陜西 西安 710018；3.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西 西安 710018)

[摘要]煤層氣是一種天然的可燃氣體，在全世界范圍內(nèi)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。它吸附在煤層中，具有潔凈、方便、高效等特點。煤層氣作為一種非常規(guī)天然氣與常規(guī)天然氣有巨大的差別，主要體現(xiàn)在在成藏機理和開采方式上。研究調(diào)查表明，煤層氣的成因機制主要有兩種類型，分別為生物成因和熱成因，其中以熱成因為主要因素。而煤層氣的賦存機制，則為吸附、游離和溶解三種，其中吸附方式占到了很大的比例。它主要賦存在煤基質(zhì)孔隙中。煤層氣僅僅依靠吸附作用就可以運聚成藏，它不需要天然的圈閉存在。煤層氣的含量主要由煤層厚度、煤變質(zhì)程度、地質(zhì)構(gòu)造條件、頂?shù)追忾]條件以及水文地質(zhì)條件等因素決定。

[關(guān)鍵詞]煤層氣；生物成因；熱成因；成藏機理；賦存機制

煤層氣是指儲存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體，是煤的伴生礦產(chǎn)資源，屬非常規(guī)天然氣，是近一二十年在國際上崛起的潔凈、優(yōu)質(zhì)能源和化工原料。俗稱“瓦斯”，熱值是通用煤的2～5倍，1 m3純煤層氣的熱值相當于1.13 kg汽油、1.21 kg標準煤，其熱值與天然氣相當，可以與天然氣混輸混用，而且燃燒后很潔凈，幾乎不產(chǎn)生任何廢氣，是上好的工業(yè)、化工、發(fā)電和居民生活燃料。

1國外煤層氣成藏理論研究進展

全世界最先取得煤層氣勘探開發(fā)成功的國家是美國。在當前，世界的煤層氣勘探技術(shù)先進水平主要以美國為代表。

在美國，煤層氣的年產(chǎn)量所占比在世界范圍內(nèi)均屬較高水平。 1989 年為 26×108m3,2005年為 491×108m3,2006 年達到 540 ×108m3,達到了美國年天然氣總產(chǎn)量的 10 % ,成為美國重要的能源資源。從煤層氣開采的20世紀 80 年代初到今日 ,美國先后投入 60 余億美元，用以進行煤層氣的勘探和開發(fā),其中煤層氣的基礎(chǔ)研究工作占約4億美元。

經(jīng)探究可知，美國的煤炭研究是在本地中部的幾個含有煤礦資源較多的盆地中開展的，根據(jù)研究形成了美國著名的分餾煤氣產(chǎn)出理論。這一過程分為 “排水 — 降壓 — 解吸 — 擴散 —滲流” 五個部分。經(jīng)過大量數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)整合探究，美國研究學(xué)者根據(jù)美國煤炭產(chǎn)煤所在山脈地勢分析煤藏的分布，這對其他地點的煤炭勘測也有著積極的意義。通過勘測發(fā)現(xiàn)，處于美國落基山脈的煤炭分布極為特殊是以山脈中心煤炭為主體向四周發(fā)散形成的多孔導(dǎo)流。此外該處煤層所處地段緯度較高缺乏氧氣，且地形復(fù)雜十分不利于勘測。20 世紀 90 年代 ,美國又后續(xù)提出 “自然形態(tài)以及煤炭礦藏”理論以及“復(fù)雜地段的煤炭研究”等命題。而后，在一些比較偏僻的地點進行了白堊式的開發(fā)，許多試點證明這種方法在一定程度上取得了成功。

與此同時 ,加拿大的煤層氣開發(fā)也在飛速發(fā)展。加拿大根據(jù)本國煤巖儲層的實際地質(zhì)條件，從美國引用相關(guān)理論和技術(shù),在連續(xù)油管壓裂、 二氧化碳注入、 水平羽狀井等增產(chǎn)技術(shù)中重點發(fā)展,由此，開始了加拿大煤層氣產(chǎn)的高速發(fā)展。這一事實進一步證實了美國學(xué)者研究煤層氣理論的廣泛適用性。

澳大利亞近年來在煤層氣方面也有著新發(fā)現(xiàn)。 澳大利亞的學(xué)者針對本國煤巖儲層地質(zhì)條件,以煤儲層的滲透率為重點 ,以原地應(yīng)力為突破口 ,發(fā)展了針對低滲透特點的地應(yīng)力評價理論 ,并通過水平井高壓水射流改造技術(shù)獲得產(chǎn)氣突破。

2我國煤層氣開發(fā)研究進展

我國的煤層氣資源具有滲透率低、地應(yīng)力分布不均、普遍欠壓實的特點。相較美國而言，我國含煤盆地的地質(zhì)構(gòu)造背景有著自身的特點，要復(fù)雜的多，且大多數(shù)的煤田都經(jīng)歷了煤層的改造。這些改造來源于不同期次、不同性質(zhì)構(gòu)造及其組合、應(yīng)力-應(yīng)變，這是我國煤層氣復(fù)雜的主要原因。

在漫長的地質(zhì)發(fā)展史上，我國形成了以六大聚煤區(qū)為主的豐富的煤炭資源。這些煤炭資源為煤層氣的形成和儲集創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)條件。在這樣的背景下，我國煤炭資源種類較多，其資源總量即將達到32萬億 m3。我國有關(guān)資料顯示我國的煤含量資源資料表明：我國的煤礦產(chǎn)生的氣體在地下兩千米深處，共開發(fā)出將近15億 m3。

從區(qū)域上看，含量較多的煤炭資源的分布制約著我國煤炭分餾氣體資源的分布。因而我國的煤炭煤氣有著富集高產(chǎn)的特征。在我國六大聚煤區(qū)中，煤層氣資源量主要分布于華北、西北和華南區(qū)。我國大部分的煤層氣資源分布在西氣東輸管運沿線，有很大的開發(fā)利用前景。

圖1　煤層氣的成因與煤級的關(guān)系 (據(jù)Clayton， 1998等)

3煤層氣成藏機理

與常規(guī)天然氣藏相比，煤層氣作為非常規(guī)氣藏的主要類型之一，成藏特征上與其有一定的相似性，同時還存在著明顯的區(qū)別。形成煤層氣的氣體主要是生物氣與熱成熟氣，而存在于常規(guī)天然氣中的原油裂解氣則不是煤層氣的成因氣。在煤層及其鄰近圍巖之中賦存的一種自生自儲式非常規(guī)天然氣是為煤層氣，它的儲集層有著低孔低滲的特征。這些氣體主要以吸附、游離、以及溶解三種狀態(tài)賦存在煤層中，其中以吸附狀態(tài)為主。因為吸附狀態(tài)的煤層氣可以使煤層中的烴類氣體較長時間的以得以保存，減少其的散失。煤層氣的分布也有著其獨特的特點，一般情況下，只要煤層存在，就會有煤層氣的分布。

成藏機理則主要包含煤層氣的生儲、賦存以及成藏三個過程。

3.1煤層氣的生成

就生氣而言，傳統(tǒng)意義上的煤層氣，其成因主要為熱成因以及生物成因二種類型(見圖1)。表1詳細說明了生物成因和熱成因的主要階段。而煤層氣的干酪根類型則主要表現(xiàn)為 III 型干酪根。其含量多為低氫高氧，官能團則以含多環(huán)芳烴及含氧為主，飽和烴較少。這種類型的干酪根不利于生油，但能夠成為有力的生氣來源。在生烴過程中主要生成 CH4。

煤層氣生成階段鏡質(zhì)體反射率(%)原生生物成因甲烷<0.30早期熱成因0.50～0.80最大量濕氣生成0.60～0.80強熱成因甲烷開始產(chǎn)生0.80～1.00凝析油開始裂解成甲烷1.00～1.35最大量的熱成因甲烷生成1.20～2.00大量濕氣生成的最后階段1.80大量熱成因甲烷生成的最后階段3.00次生生物成因甲烷0.30～1.50

3.1.1生物成因煤層氣的生成

生物成因的煤層氣，則是在較低的溫度條件(一般低于50 ℃)下 ,有機質(zhì)通過細菌的參與或作用 ,在煤層中生成的以甲烷為主的氣體。 具體的途徑或方式有兩種:一是由 CO2還原而成;另一種則是由甲基類發(fā)酵(一般為醋酸發(fā)酵)而成，即：

CO2+4H2→CH4+2H2O

CH3COOH→CH4+CO2

CO2還原以及甲基類發(fā)酵這兩種途徑一般在近地表環(huán)境的淺層煤層中進行。研究表明,大量生物成因氣在煤層中生成需要以下有利條件:大量有機質(zhì)的快速沉積、充裕的孔隙空間、低溫 ,以及高pH值的缺氧環(huán)境。通過對煤巖的生物氣進行模擬實驗，35℃～55℃時的生氣作用占主導(dǎo)地位 ,為生氣高峰階段 ,55℃～75℃ 時雖也有生物甲烷產(chǎn)生 ,但產(chǎn)氣量相對很少(見圖2) 。

眾所周知，煤礦是由于多年前動物的遺體埋在地下幾百年形成的礦產(chǎn)資源。由于生物資源形成在煤炭形成最早期動物的遺體在低溫、缺氧、高鹽酸、土地有機成分較多，這些條件都可以在氧氣的作用下逐漸氧化形成煤礦。另外生物成因煤層氣一般可分為原生和次生生物成因 ,它們在生成機理上有許多相似之處 ,但也有所不同 ,導(dǎo)致后期保存和同位素組成上的差異。

原生生物成因煤炭的形成過程：這是由于早期的生物遺體所處環(huán)境處于溫度較低且空氣比較稀薄的地點即埋藏程度比較深。和原生生物接觸較多，通過原生生物的無氧呼吸在類似于沼泥的環(huán)境中形成了一些較為特殊的炭。早期形成的煤層或者泥炭中有著較多的水資源,這些水分填充了多數(shù)煤炭中的空隙，因此，這個階段除水資源以外的其他資源均無法過多吸附于煤炭石層中，形成的甲烷和二化碳也只能在水中中和，繼而在空氣中散失。所以一般提及的氣田中的生物成因氣，多認為其為次生生物成因氣。

圖2　煤巖在不同溫階下的生物降解產(chǎn)甲烷量

次生生物煤層氣是在成煤作用后，構(gòu)造運動將煤層抬升并剝蝕到近地表,同時，含菌地表水向下滲透灌入煤層 ,在相對低的溫度條件下,煤化過程中產(chǎn)生的有機物，例如濕氣、正烷烴等，經(jīng)細菌降解和代謝作用生成次生生物氣。這些氣體的地球化學(xué)組成與原生生物成因氣類似 ,主要的差別在于煤(源)巖的熱演化成熟度超過原生生物氣的生成階段 ,其Ro值范圍很寬 ,一般為 0.30 %～1.50 % ,并且煤層一般被抬升至近地表 ,煤層地溫一般不超過75℃，尤其當本地的氣溫在38℃左右即最適合甲烷的菌種生存的溫度時，煤才能最為有效地被分解成各類有機物，繼而經(jīng)過進行無氧呼吸的原生生物轉(zhuǎn)化成二氧化碳，經(jīng)過還原性氫的作用產(chǎn)生 含有12C的甲烷,這些參與反應(yīng)的微生物是經(jīng)過雨水沖刷從巖石縫等處進入的。

圖3　澳大利亞悉尼和博文(Bowen)盆地煤層甲烷生成的

M．Ahmed等人根據(jù)有機化學(xué)和材料化學(xué)的相關(guān)原理從科學(xué)的角度論證了煤氣層在次生生物方面的成因，并從煤的衍生產(chǎn)物中提取出芳香烴和脂肪烴，并結(jié)合生物化學(xué)對生物降解和生物吸收進行了探討。以水為能量的微生物、植物等主要在含水層內(nèi)，通過水分的吸收、轉(zhuǎn)化和分解完成地表輸送活動，并發(fā)生相應(yīng)的氧化反應(yīng)或還原反應(yīng)，生成二氧化碳，對人體以及環(huán)境無污染。隨著輸送活動的進行，氧氣不斷進入環(huán)境中，并產(chǎn)生還原環(huán)境，生成甲烷，具體的反應(yīng)流程如圖3所示。

通過對焦煤樣品進行氣體環(huán)境輸送模擬實驗，我們可以了解到，盡管煤能源的來源歷史悠久，且演化程度較高，但在地表中通過長期的風(fēng)化、侵蝕、堆積、搬運等物理變化以及相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，通過100℃以上的地溫作用不斷產(chǎn)生生物氣(如圖2所示)。眾所周知，煤層適應(yīng)生產(chǎn)和利用的生存環(huán)境主要位于淺地質(zhì)層，這一地殼的環(huán)境適合微生物、厭氧菌的活動，可以避免氧氣和相關(guān)活性氣體的干擾而長期儲存，生物氣才得以滯留。因此，煤層的埋藏要防止強烈的氧化還原反應(yīng)或復(fù)雜的化學(xué)分解，保證次生生物向甲烷等氣體作用并長期存在的前提是：土壤中有適合煤層存在的厭氧環(huán)境，煤層由褐色向高煤級轉(zhuǎn)化；邊緣的水滲透到煤層中不至因為活性氣體的存在而引發(fā)干擾性反應(yīng)；細菌類物質(zhì)的運動要以益生菌、活性菌為主，高蛋白、高脂肪、高氧化能力的菌類因生存環(huán)境的需要而自動被阻擋到煤層的外側(cè)邊緣。

3.1.2熱成因煤層氣的生成

在目前已開采和發(fā)現(xiàn)并儲存的煤層中已發(fā)現(xiàn)熱成因比例極高的天然煤層氣體，這標志著熱煤層氣由理論轉(zhuǎn)化為化學(xué)變化中，通過生物成因的制約，演變產(chǎn)生高低不一的煤層。由于不同煤層氣體壓強不同、溫度不同、菌類存在的種類也不盡相同，因此煤在地質(zhì)層逐漸加深的過程中逐漸釋放出揮發(fā)性的物質(zhì)，如氫和氧含量較高的碳，在熱煤層氣形成的過程中主要揮發(fā)出以甲烷為主的熱解烴類，隨著溫度和成熟度的不斷增加，前期形成的長鏈烴類和液態(tài)烴類發(fā)生熱裂解，形成CH4，從而使得CH4的總量增加。根據(jù)煤的主要元素組成(C-H-O)的變化,可估算出主要熱成因氣的產(chǎn)率(圖4)。

圖4　不同溫度下煤成氣的產(chǎn)出率(據(jù) Hunt，1979)

熱成因的煤層氣會在煤埋藏過程中持續(xù)形成，直到盆地抬升導(dǎo)致煤層出露地表，地層溫度下降到一定程度時停止。

3.2煤層氣的儲集

煤巖是由植物一體轉(zhuǎn)變成的有機巖石，由于植物原始細胞結(jié)構(gòu)的差異及保存完整程度的差異，使得煤基巖塊中孔隙類型、大小和結(jié)構(gòu)也不盡相同。

通常認為煤層中孔隙包含基質(zhì)孔隙和裂縫孔隙兩種結(jié)構(gòu)。前者以物理性結(jié)構(gòu)為主，如原生孔隙中的顯微組、植物結(jié)構(gòu)、菌類孔隙、熱分子孔隙等；后者以次生孔隙為主，分化在不同孔隙內(nèi)，形成一個穩(wěn)定的裂縫，不同煤層分子裂縫的粒徑不同，分子量也不同，但都是分布于大分子孔隙內(nèi)部的。由于裂縫通常較小，常小于煤層總孔隙體積的 5%，因而總孔隙度主要由基質(zhì)孔隙提供。隨著煤化作用和熱分解作用程度的增加，原生孔隙和此生孔隙都發(fā)生較大變化，孔隙的粒徑整體呈現(xiàn)變小，并出現(xiàn)大量的微型孔隙，造成中—孔隙的表面積與容積呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系(對外經(jīng)濟貿(mào)易大學(xué)張新民等，1991)。低級煤層的壓實作用降低，孔隙變化較大，穩(wěn)定性受到影響。

對于儲存層和運輸層來說，首先是吸收游離氣，然后再是儲存，并正向運輸，這也是由于液態(tài)水質(zhì)的物理屬性決定的。如壓容量保持不變，穩(wěn)壓恒定，游離氣儲存量大大增加，煤儲層對熱媒氣體的儲存潛能與原始氣(水)飽和度或水質(zhì)層空間的儲水能力有關(guān)。

由于煤層氣主要以吸附狀態(tài)儲存于煤的孔隙中 ,其孔比表面和孔體積的數(shù)據(jù)可以大體反映煤的吸附性能及煤儲集層的儲集性能。但煤儲集層儲存能力還與煤層氣的保存條件有很大關(guān)系 ,即吸附能力很強的煤含氣量不一定很高。盡管煤層的基質(zhì)孔隙直徑較小，但連通性較好，且煤的比表面積較大，對氣體具有較強的吸附能力。

煤吸附能力的大小 ,取決于孔比表面積和吸附熱的高低 ,比表面積越大 ,吸附熱越高,煤的吸附能力就越強 ?？妆缺砻娣e的大小 ,又與孔徑結(jié)構(gòu)密切相關(guān) ,在總孔容相同的條件下 ,較小孔徑孔隙的孔容比越大 ,孔比表面積就會越大(秦勇，1994)。

3.3煤層氣的賦存與運聚成藏

通常煤層氣主要以吸附、游離和溶解三種形式賦存在煤層的雙孔隙系統(tǒng)中：割理系統(tǒng)和孔隙系統(tǒng)。割理孔隙度較小，且被水充滿，溶解態(tài)和游離態(tài)的氣體較少，主要以吸附態(tài)存在與煤煤的基質(zhì)中，所以煤層的吸附性決定了煤層的富集煤層氣的能力。

在地層條件下，吸附、游離和溶解的氣體處于動態(tài)平衡過程中，其中以吸附方式為主，大量的氣體被吸附在煤層的孔隙中，而吸附的氣體量要遠遠大于煤層本身的孔隙體積。根據(jù)氣體的分子直徑，低于2 nm 的微孔和亞微孔對氣體的吸附能力最強，超過 50 nm 的大孔中主要賦存著游離氣。但煤對氣體的解吸和吸附屬于相反的熱力性吸收，雖然煤層吸附氣體過程為等溫過程，但是由于受到吸附環(huán)境變動的影響，煤層氣的儲存空間和儲存含量都有著諸多的不確定性，尤其是煤層氣的保存方面，很容易受到水質(zhì)溶解的關(guān)系而改變煤層氣的儲存情況。

不同類型的地質(zhì)構(gòu)造，在其產(chǎn)生、演變、發(fā)展、形成的過程中都是構(gòu)造應(yīng)力場和力學(xué)影響的一個綜合過程，由于內(nèi)外應(yīng)力的差及應(yīng)力分布區(qū)域的不同，導(dǎo)致了儲煤層和封煤層在地表儲存和裂隙發(fā)育過程中出現(xiàn)差異并長期穩(wěn)定形成，影響到深層地下水、地?zé)釋?、地下裂隙的含氣量?/p>

煤層氣在長期儲存的過程中是否能穩(wěn)定存在，還要依賴于地殼相同深度的內(nèi)部應(yīng)力強度，這主要與煤層埋藏的深度有關(guān)，覆地性越強，應(yīng)力作用越明顯，化學(xué)性質(zhì)越穩(wěn)定，不會隨地表運動和溫度的變化而分解，也不會出現(xiàn)孔隙的明顯變化。一般情況下，煤層氣的熱量在運送過程中會逐步分解，并出現(xiàn)更小孔隙的巖層，根據(jù)不同的透氣性、喉道性和延伸性，可以分析不同深度不同煤層的壓力，以便于合理采取措施進行煤層氣的長期儲存，如降低溫度、提高外部應(yīng)力等。

斷層是地殼運動過程中的正常表現(xiàn)，由于地層斷裂帶的出現(xiàn)，煤層不斷被破壞，連續(xù)性和完整性都受到不同程度的影響，無論你是內(nèi)部環(huán)境還是外力基礎(chǔ)都受到很大的環(huán)境因素作用。然而斷層的出現(xiàn)也是必然的，不同的斷層帶由于性質(zhì)不同，擠壓程度也不同，因此煤層氣的保存釋放程度也截然不同，導(dǎo)致不同煤層氣種類的產(chǎn)生，可以更好地適應(yīng)環(huán)境的變化而儲存，如高原地帶、丘陵地帶、山區(qū)等適合哪種煤層氣的燃燒，可以據(jù)此運送高質(zhì)量的煤層氣。斷層包括正斷層和逆斷層，一般來說，正斷層比較普遍，屬于開放型，封閉性較差，有利于氣體的逸散，而逆斷層屬于壓性或壓扭性，具有良好的封閉性。

由于褶皺運動，煤層隨著周圍應(yīng)力和壓強的變化形成直層或彎曲層，通過相關(guān)的外力作用形成褶皺或變形，對于褶皺，主要是在板塊交界地帶或地殼比較活躍的地帶比較明顯，這些地方的煤層氣含量較高，儲存容易。

總的來說，煤層氣主要通過吸附作用將氣體釋放并儲存起來，用于工業(yè)生產(chǎn)或生活需要。將天然氣聚合到一起，作用往往是很大的，可以形成溶解氣、裂變物質(zhì)等，以吸附作用為主，以聚合為輔助功能，在煤層氣密度較高的地帶形成一定濃度的游離氣，有助于煤層氣圈的開闊和增強?？偟膩碚f，煤層氣可以受地勢和環(huán)境的作用而出現(xiàn)不同的聚集反應(yīng)。聚集不同，形成的蓋層條件也不同，無論是高部位還是低部位，都可以形成氣藏。

4結(jié)語

通過本文對煤層氣成藏機理分析可知，煤層氣的形成和儲存及運送主要包括三個固定的流程，就煤層氣的生成機理而言，傳統(tǒng)的煤層氣成因主要包含熱成因、生物成因二種類型。對于煤層氣儲集而言，其孔比表面和孔體積的數(shù)據(jù)可以大體反映煤的吸附性能及煤儲集層的儲集性能。而煤層氣的賦存則主要以吸附方式為主，在地層條件下，吸附、游離和溶解的氣體處于動態(tài)平衡過程。

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The Occurrence and Accumulation of the Coal-bed Methane

HOU Wan-yi1，ZHANGJi2，3，MA Zhi-xin2，3

(1.Xi’an Shiyou University, Xi′an 710018, Shaanxi , China；2. Research Center of Sulige Gasfield , PetroChina Changqing Oilfield Company , Xi′an 710018, Shaanxi ,China；3.National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low Permeability Oil & Gas Fields, Xi′an710018, Shaanxi)

Abstract:Coal bed methane is a combustible nature gas, which has great potential in development all over the world. It is a clean, convenient and effective gas which absorb in coal bed. And as a unconventional gas, it has great difference with conventional gas, mainly in the occurrence and accumulation and of cause the way to develop it. The research shows that the main occurrence of the coal bed methane is biogenetic and thermogenic, the thermogenic takes the most important place. As for accumulation, it has adsorption, ionization and dissolution, and the most important part is adsorption. The coal bed methane is mainly store in coal matrix pore. And it could have entire migration and accumulation system just by adsorption, an entrapment may not be needed in this progress. The content of coal bed methane is basically decided by a series of factors such as the thickness of coal seam, the degree of coal metamorphism, the geological structure condition, the closed condition and the hydrogeological condition.

Key words:Coal-bed methane；bio-genesis；thermo-genesis；occurrence mechanism；accumulation mechanism

[中圖分類號]P618.11

[文獻標識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)02-0231-04

[作者簡介]侯宛宜(1991-)，女，山東壽光人，在讀碩士研究生，主攻方向：石油地質(zhì)。

[收稿日期]2016-01-08