于 水,李 濤,胡望水,成 瀚,趙紅巖
尼日爾三角洲盆地泥收縮構(gòu)造發(fā)育特征及對(duì)沉積的控制
于 水1,李 濤2,胡望水2,成 瀚2,趙紅巖1
(1中海油研究總院;2長(zhǎng)江大學(xué))
泥收縮構(gòu)造是發(fā)育在尼日爾三角洲盆地深水區(qū)的典型構(gòu)造樣式,屬重力滑脫沖斷構(gòu)造,主要構(gòu)造類型有沖斷裂、塑性泥構(gòu)造及相關(guān)褶皺和正斷裂?;诘卣鸬刭|(zhì)解釋,結(jié)合構(gòu)造發(fā)育史分析,認(rèn)為泥收縮構(gòu)造主要受塑性泥構(gòu)造控制,在中新世托爾托納(Tortonian)晚期開(kāi)始活動(dòng),中新世墨西拿期(Messinian)—上新世贊克勒期(Zanclean)達(dá)到最強(qiáng),之后構(gòu)造活動(dòng)逐漸減弱,但至今仍在活動(dòng)。通過(guò)古構(gòu)造恢復(fù),結(jié)合沉積展布分析,認(rèn)為中新世托爾托納晚期沉積開(kāi)始受構(gòu)造活動(dòng)控制,托爾托納階上部及以上地層具有明顯的同沉積特征,泥收縮構(gòu)造相關(guān)的沖斷裂上升盤(pán)厚度明顯小于下降盤(pán)厚度,褶皺兩翼的地層厚度明顯厚于中間背斜頂部的地層厚度。
尼日爾三角洲盆地;泥收縮構(gòu)造;構(gòu)造特征;構(gòu)造演化
大西洋兩岸屬于典型的被動(dòng)大陸邊緣,是全球主要的油氣分布區(qū)之一[1]。重力滑脫構(gòu)造是西非被動(dòng)陸緣普遍發(fā)育的一種構(gòu)造樣式。西非被動(dòng)大陸邊緣重力滑脫構(gòu)造體系由陸向??蓜澐譃?大構(gòu)造區(qū):重力滑脫伸展構(gòu)造區(qū)、重力滑脫底辟構(gòu)造區(qū)和重力滑脫沖斷構(gòu)造區(qū)[2](圖1,圖2)。 根據(jù)塑性變形層的巖性差異,重力滑脫構(gòu)造可分為與鹽相關(guān)的和與泥相關(guān)的兩類,大多數(shù)盆地(如加蓬、下剛果、安哥拉、里奧穆尼等盆地)的重力滑脫構(gòu)造中的塑性變形層為鹽巖層,僅在尼日爾三角洲盆地中的塑性變形層為泥巖層,所以研究尼日爾三角洲盆地的重力滑脫構(gòu)造具有特殊意義。
尼日爾三角洲盆地主要受阿爾卑斯晚期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響而形成[3],發(fā)育白堊紀(jì)陸內(nèi)裂陷構(gòu)造旋回,以及白堊紀(jì)末期至今的過(guò)渡期構(gòu)造旋回和被動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造旋回(圖3),重力滑脫構(gòu)造體系主要發(fā)育于被動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造旋回[4-7]。盆地的油氣主要分布在重力滑脫構(gòu)造體系內(nèi)的古近系和新近系,油藏發(fā)育的層位由陸向海逐漸變新[8-13]。
圖1 尼日爾三角洲盆地重力滑脫構(gòu)造體系平面分區(qū)
本文采用“泥收縮構(gòu)造”來(lái)特指尼日爾三角洲盆地的重力滑脫沖斷構(gòu)造,以突出其在西非被動(dòng)陸緣的獨(dú)特性。以3D工區(qū)(位置見(jiàn)圖1)為研究區(qū),在地震地質(zhì)解釋基礎(chǔ)上明確了構(gòu)造發(fā)育特征,利用平衡剖面技術(shù)分析了構(gòu)造演化過(guò)程,闡述了構(gòu)造演化對(duì)沉積展布特征的影響。
圖2 尼日爾三角洲盆地重力滑脫構(gòu)造體系橫剖面圖剖面位置見(jiàn)圖1
圖3 尼日爾三角洲盆地新生代綜合柱狀圖
重力滑脫沖斷構(gòu)造是指地質(zhì)體在重力作用下形成的沖斷裂及不對(duì)稱褶皺的組合,一般發(fā)育在地質(zhì)體動(dòng)能向重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換的區(qū)域[14]。在西非被動(dòng)陸緣,重力滑脫沖斷構(gòu)造主要發(fā)育在下陸坡至深海平原的轉(zhuǎn)換區(qū)。
2.1 沖斷裂的提出
對(duì)重力滑脫沖斷構(gòu)造的成因,前人多局限于構(gòu)造發(fā)育區(qū)開(kāi)展研究,并未從整個(gè)重力滑脫構(gòu)造體系進(jìn)行詳細(xì)分析,故認(rèn)為研究區(qū)的構(gòu)造是擠壓逆沖收縮成因[11-12,15]。筆者從重力滑脫構(gòu)造體系發(fā)育的大背景出發(fā),認(rèn)為重力滑脫沖斷構(gòu)造區(qū)發(fā)育的逆斷裂(剖面樣式上),實(shí)際上是被動(dòng)重力滑脫背景下由地質(zhì)體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能向重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換而形成(圖4a),屬?zèng)_斷裂,它與一般理解的因區(qū)域主動(dòng)擠壓力而使斷裂上盤(pán)地質(zhì)體上升所形成的逆斷裂(圖4b)存在差異,兩者形成機(jī)制背景不同。
圖4 沖斷裂與一般逆斷裂形成機(jī)制示意圖展示斷裂初始活動(dòng)狀態(tài)
2.2 構(gòu)造類型
受古近系巨厚塑性泥巖層(4 000~7 000m)的分隔作用,尼日爾三角洲盆地重力滑脫構(gòu)造區(qū)形成了由塑性泥巖層及其上覆地層變形所構(gòu)成的泥收縮構(gòu)造,主要發(fā)育塑性泥構(gòu)造、沖斷裂,以及與它們相關(guān)的褶皺和正斷裂等構(gòu)造類型[15](圖5,圖6)。泥收縮構(gòu)造主要受控于塑性泥構(gòu)造的發(fā)育,即沖斷裂和褶皺的發(fā)育與塑性泥構(gòu)造發(fā)育具有很好的一致性(圖6)。這里選擇中新統(tǒng)托爾托納階底界編制構(gòu)造圖(圖5),既能反映上新統(tǒng)褶皺的構(gòu)造形態(tài),也可代表始新統(tǒng)—漸新統(tǒng)塑性泥構(gòu)造的大致形態(tài)。不同構(gòu)造類型的平面分布具有明顯的分區(qū)特點(diǎn)(圖5):研究區(qū)南部主要發(fā)育塑性泥構(gòu)造及上覆層系的沖斷裂相關(guān)褶皺,中部—東北部主要發(fā)育塑性泥構(gòu)造及上覆層系的不對(duì)稱褶皺與伴生的正斷裂。
圖5 典型泥收縮構(gòu)造區(qū)中新統(tǒng)托爾托納階底界構(gòu)造圖3D工區(qū)位置見(jiàn)圖1
塑性泥構(gòu)造 發(fā)育在古近系塑性泥巖層內(nèi),主要為塑性泥巖上拱所形成,它對(duì)上覆構(gòu)造的發(fā)育起到一定的控制作用(圖6)。古近系塑性泥巖層現(xiàn)今的厚度在4000~7000m之間,其中塑性泥構(gòu)造的上拱幅度最大達(dá)到3 000 m,為原始泥巖厚度(按5 000 m計(jì))的60%,可以看出,塑性泥巖活動(dòng)強(qiáng)烈。研究區(qū)南部發(fā)育北西西—南東東向的塑性泥構(gòu)造,中部—東北部主要發(fā)育北東—南西向的塑性泥構(gòu)造。
沖斷裂 發(fā)育在研究區(qū)的南部,呈北西西—南東東向延伸(最大延伸長(zhǎng)度達(dá)30km),傾向北北東(圖5,圖6)。沖斷裂斷開(kāi)了古新統(tǒng)—上新統(tǒng),斷面上陡下緩(圖6),斷裂上部(上新統(tǒng)贊克勒階(Zanclean,圖中的N2z)—中新統(tǒng)部分)的傾角在25°~42°之間,向下傾角逐漸減小,最終滑脫在下伏始新統(tǒng)塑性泥巖層內(nèi),垂直斷距在400~1000m之間。沖斷裂控制著泥收縮構(gòu)造的結(jié)構(gòu)。
褶皺 發(fā)育于中新統(tǒng)—上新統(tǒng),與塑性泥構(gòu)造的分布具有明顯的一致性(圖6),這很好地說(shuō)明了褶皺的發(fā)育受到塑性泥構(gòu)造的控制。研究區(qū)南部沖斷裂上盤(pán)發(fā)育北西西—南東東走向的牽引背斜(圖5),中部—東北部發(fā)育受塑性泥構(gòu)造控制的北東—南西走向的背斜。
沖斷裂及其相關(guān)的褶皺集中發(fā)育在中部構(gòu)造帶(圖6a),該類構(gòu)造變形強(qiáng)烈,造成塑性泥巖疊置增厚,在沖斷裂上盤(pán)形成不對(duì)稱牽引背斜,靠近沖斷裂上部為背斜核部,其下部為背斜延伸較長(zhǎng)的緩翼。褶皺使得上覆沉積層較薄,并形成一些次級(jí)正斷裂。
圖6 泥收縮構(gòu)造典型地震地質(zhì)剖面圖剖面位置見(jiàn)圖5。塑性泥構(gòu)造發(fā)育于古近系泥巖層
在后緣構(gòu)造帶,受塑性泥構(gòu)造控制,發(fā)育不對(duì)稱背斜、不對(duì)稱向斜及伴生的正斷裂,越靠近中部構(gòu)造帶的沖斷裂,褶皺幅度越大。
正斷裂 主要分布在研究區(qū)中部—東北部的中新統(tǒng)及以上地層中(圖5,圖6b),走向?yàn)楸睎|—南西向,傾向以北西向?yàn)橹鳎由扉L(zhǎng)度在3~10km之間,垂直斷距較小,在30~60 m之間,主要斷開(kāi)中新統(tǒng)—上新統(tǒng),傾角較大,在65°~75°之間。正斷裂是構(gòu)造發(fā)育過(guò)程中伴生的次級(jí)斷裂,受下伏塑性泥構(gòu)造上拱影響,上覆地層因橫彎褶皺作用,外側(cè)地層發(fā)生拉張。正斷裂的發(fā)育演化特征受到下伏塑性泥構(gòu)造的控制,斷裂走向與該位置的褶皺及下伏塑性泥構(gòu)造走向一致。
橫向上,根據(jù)不同構(gòu)造類型的發(fā)育位置和特征,一般將重力滑脫沖斷構(gòu)造區(qū)劃分為后緣構(gòu)造帶、中部構(gòu)造帶和前緣構(gòu)造帶。后緣構(gòu)造帶(圖6a),以向陸傾斜的不對(duì)稱褶皺為主,下伏層發(fā)育中—低幅的塑性泥構(gòu)造。中部構(gòu)造帶(圖6a),以向陸傾斜的沖斷裂及相關(guān)褶皺為主,還發(fā)育有中—高幅的塑性泥構(gòu)造及其上部的正斷裂等;該帶斷裂活動(dòng)強(qiáng)烈,發(fā)育規(guī)模大,斷裂底部消失于塑性泥巖層內(nèi);受拖曳作用的控制,在沖斷裂上盤(pán)發(fā)育牽引背斜,它們可成為重要的圈閉。前緣構(gòu)造帶,以向陸傾斜的低幅不對(duì)稱褶皺為主,構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度明顯減弱、構(gòu)造規(guī)模較小。
泥收縮構(gòu)造在中新世托爾托納(Tortonian)中期才開(kāi)始發(fā)育(圖7)。下面結(jié)合沖斷裂、塑性泥構(gòu)造、褶皺等不同類型構(gòu)造的相關(guān)參數(shù)來(lái)論述泥收縮構(gòu)造的發(fā)育演化規(guī)律。
古新世—漸新世 該時(shí)期構(gòu)造基本不活動(dòng),古近紀(jì)沉積了巨厚的塑性泥巖層,這為后期泥收縮構(gòu)造的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。
圖7 泥收縮構(gòu)造發(fā)育史剖面圖D—D′剖面位置見(jiàn)圖5 S1-2、S3為塑性泥構(gòu)造及上覆褶皺編號(hào)
中新世早期 該時(shí)期仍處于穩(wěn)定沉積階段,通過(guò)對(duì)中新統(tǒng)下部的阿基坦階 (Aquitanian)—托爾托納階下部的厚度分析,該套地層呈現(xiàn)近似等厚的特征,這說(shuō)明中新世早期構(gòu)造基本不活動(dòng)。根據(jù)圖7的構(gòu)造演化剖面,對(duì)不同類型構(gòu)造的生長(zhǎng)指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),從沖斷裂的生長(zhǎng)指數(shù)(同一地層上盤(pán)厚度/下盤(pán)厚度)(圖8a)、塑性泥構(gòu)造的生長(zhǎng)指數(shù)(各時(shí)期塑性泥構(gòu)造厚度/上一時(shí)期塑性泥構(gòu)造厚度)(圖8b)、沖斷裂上盤(pán)褶皺生長(zhǎng)指數(shù)(同一地層褶皺兩翼厚度/頂部厚度)(圖8c)可以看出,中新世阿基坦期—托爾托納早期沖斷裂、塑性泥構(gòu)造、沖斷裂上盤(pán)褶皺的生長(zhǎng)指數(shù)均在1左右,說(shuō)明該時(shí)期沖斷裂、塑性泥構(gòu)造和褶皺均未發(fā)育。
圖8 泥收縮構(gòu)造生長(zhǎng)指數(shù)直方圖沖斷裂F1、F2、F3參見(jiàn)圖7。 泥收縮構(gòu)造S1-2、S3、S4參見(jiàn)圖7、圖10 Q第四系;N2 p皮亞琴察階;N2 z贊克勒階;N1m墨西拿階;N1 t上托爾托納階上部;N1 t下托爾托納階下部;N1 s塞拉瓦萊階;N1a—N1l阿基坦階—蘭蓋階;E古近系
中新世晚期 托爾托納晚期—墨西拿期(Messinian)構(gòu)造開(kāi)始強(qiáng)烈活動(dòng),古近系塑性泥巖開(kāi)始發(fā)生強(qiáng)烈的塑性流動(dòng),中新統(tǒng)開(kāi)始發(fā)育沖斷裂、褶皺等。托爾托納晚期沖斷裂生長(zhǎng)指數(shù)開(kāi)始減小至1以下(圖8a),塑性泥構(gòu)造生長(zhǎng)指數(shù)開(kāi)始增大至1.3左右(圖8b),褶皺生長(zhǎng)指數(shù)達(dá)到1.2左右(圖8c),這說(shuō)明沖斷裂、塑性泥構(gòu)造及褶皺均在此時(shí)期開(kāi)始活動(dòng)。墨西拿期沖斷裂生長(zhǎng)指數(shù)達(dá)到最?。?.6),塑性泥構(gòu)造生長(zhǎng)指數(shù)達(dá)到最大(1.37左右),褶皺生長(zhǎng)指數(shù)也達(dá)到最大(1.27左右),這表明墨西拿期沖斷裂、塑性泥構(gòu)造及其相關(guān)褶皺活動(dòng)達(dá)到最強(qiáng)。
上新世至今 自上新世贊克勒期開(kāi)始,盆地構(gòu)造活動(dòng)整體減弱,具體表現(xiàn)在:泥收縮構(gòu)造中的沖斷裂僅斷至贊克勒階,并沒(méi)斷開(kāi)贊克勒階以上地層,這說(shuō)明沖斷裂在贊克勒期之后停止了活動(dòng);與此相關(guān),贊克勒期沖斷裂生長(zhǎng)指數(shù)為0.7~0.8(圖8),塑性泥構(gòu)造生長(zhǎng)指數(shù)減小至1.07~1.25,這說(shuō)明沖斷裂和塑性泥構(gòu)造活動(dòng)開(kāi)始減弱。贊克勒期之后,構(gòu)造活動(dòng)進(jìn)一步減弱,表現(xiàn)在上覆的褶皺兩翼地層與頂部地層厚度差開(kāi)始減小,塑性泥構(gòu)造和褶皺的生長(zhǎng)指數(shù)逐漸減小并趨近于1。從圖7g的第四系分布來(lái)看,構(gòu)造高部位地層仍薄于構(gòu)造低部位地層,并且上超現(xiàn)象不明顯,說(shuō)明泥收縮構(gòu)造現(xiàn)今仍在活動(dòng),只是活動(dòng)較弱而已。
整體來(lái)看,泥收縮構(gòu)造中的沖斷裂、塑性泥構(gòu)造、褶皺自中新世托爾托納中期開(kāi)始活動(dòng),墨西拿期活動(dòng)達(dá)到最強(qiáng),上新世贊克勒期之后沖斷裂停止活動(dòng),塑性泥構(gòu)造和褶皺活動(dòng)逐漸減弱。泥收縮構(gòu)造中的沖斷裂、塑性泥構(gòu)造及沖斷裂上盤(pán)褶皺等不同構(gòu)造之間具有良好的耦合性。至于泥收縮構(gòu)造中的正斷裂,系受下伏塑性泥構(gòu)造上拱而形成:正斷裂在托爾托納早期之前不發(fā)育,直到上新世,當(dāng)下伏塑性泥構(gòu)造上拱到一定程度,上覆地層褶皺達(dá)到破裂極限發(fā)生垮塌而形成。
通過(guò)印模法對(duì)不同時(shí)期的古構(gòu)造進(jìn)行了恢復(fù)(圖9,圖10),結(jié)合沉積展布的預(yù)測(cè),可以較好地反映構(gòu)造演化對(duì)沉積的控制作用。
圖9 典型泥收縮構(gòu)造區(qū)中新統(tǒng)塞拉瓦萊階古地貌及沉積體地震預(yù)測(cè)白色、藍(lán)色虛線范圍,分別表示古、今下切水道位置
4.1 古近紀(jì)—中新世托爾托納早期
托爾托納早期研究區(qū)整體呈平緩地形(圖9),沒(méi)有明顯的斷裂、褶皺發(fā)育(圖7),在研究區(qū)中部—東北部(圖9A井區(qū))較低部位發(fā)育一條北東—南西走向的下切水道,沉積主要受海底水道控制。在塞拉瓦萊階(Serravallian)沿層均方根振幅屬性上(圖9b),現(xiàn)今下切水道的位置,較之圖9a托爾托納階沉積前的位置靠南,說(shuō)明下切水道向南發(fā)生遷移。結(jié)合研究區(qū)由東北向西南發(fā)生沖斷的特點(diǎn),可知下切水道的遷移是受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所致。
4.2 中新世托爾托納晚期至今
圖10 典型泥收縮構(gòu)造區(qū)上新統(tǒng)贊克勒階古地貌及沉積體地震預(yù)測(cè)白色、藍(lán)色虛線范圍,分別表示古、今朵葉體位置
中新世托爾托納晚期構(gòu)造開(kāi)始強(qiáng)烈活動(dòng),在研究區(qū)南部及中部—東北部,下伏的塑性泥巖開(kāi)始發(fā)生塑性流動(dòng)和上拱,使得中新統(tǒng)下部地層開(kāi)始彎曲,形成褶皺(圖10a,圖7),并且南部的沖斷裂開(kāi)始發(fā)育。與圖9a對(duì)比分析,中新世早期研究區(qū)南部和中部—東北部的低洼區(qū),托爾托納晚期開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)轳薨櫟母卟课?。受古地貌的控制,自托爾托納晚期開(kāi)始,在研究區(qū)南部和中部—東北部海底高部位,開(kāi)始發(fā)育砂巖朵葉體(圖10b),在其他低部位則發(fā)育半深?!詈D鄮r沉積。在贊克勒階沿層均方根振幅屬性圖上(圖10b),現(xiàn)今朵葉體位置,較之圖10a皮亞琴察階(Piacenzian)沉積前的位置靠南??v向上比較,該朵葉體向南移動(dòng)的距離較之塞拉瓦萊階下切水道移動(dòng)的距離明顯減小,這反映了老地層 (塞拉瓦萊階)的構(gòu)造位移量大于新地層(托爾托納階)的構(gòu)造位移量,也說(shuō)明泥收縮構(gòu)造具有同生性,古構(gòu)造對(duì)沉積的控制具有一定繼承性。
結(jié)合研究區(qū)水深演化特點(diǎn)[16](古近紀(jì)時(shí)水體較深,中新世早期水體較淺,中新世晚期水體又變深)來(lái)分析,中新世早期水體較淺時(shí)(強(qiáng)水動(dòng)力條件下),在研究區(qū)南部和中部—東北部低洼區(qū)以水道砂巖沉積為主,中新世晚期水體變深時(shí)(海底漫流弱水動(dòng)力條件下),在研究區(qū)南部和中部—東北部褶皺頂部則以砂巖朵葉體沉積為主。整體上看,研究區(qū)南部和中部—東北部褶皺的頂部,圈閉條件好,儲(chǔ)層發(fā)育,是有利的油氣儲(chǔ)集部位。
(1)尼日爾三角洲盆地的泥收縮構(gòu)造,由塑性泥構(gòu)造、沖斷裂及相關(guān)褶皺和正斷裂組成,主要受控于塑性泥構(gòu)造的發(fā)育。
(2)泥收縮構(gòu)造活動(dòng)自中新世托爾托納晚期開(kāi)始,墨西拿期達(dá)到最強(qiáng),上新世開(kāi)始減弱,但至今仍在微弱活動(dòng)。其中,沖斷裂主要在中新世托爾托納晚期—上新世贊克勒期活動(dòng),塑性泥構(gòu)造及相關(guān)褶皺自中新世托爾托納晚期開(kāi)始活動(dòng)至今,正斷裂主要在上新世活動(dòng)。
(3)中新世托爾托納晚期構(gòu)造活動(dòng)逐漸對(duì)沉積起控制作用,托爾托納階上部及以上地層具有明顯的同沉積特征。
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編輯:董 庸
Yu Shui: PhD,Professorate Senior Engineer.Add: CNOOC Research Institute,6 Taiyanggong Nan Jie,Beijing,100028,China
Contractional Structure in Muds:Pattern,Evolution,and the Control on the Deposition of Niger Delta Basin
Yu Shui,Li Tao,Hu Wangshui,Cheng Han,Zhao Hongyan
The contractional structure in muds,which is a typical tectonic pattern of the gravitational decollment thrust structure in the deepwater area of Niger Delta Basin,is mainly composed of thrust faults,plastic mud structures and associated folds and normal faults.Based on the interpretation of seismic data,it is considered that the contractional structure is mainly controlled by plastic mud structure.On the tectonic history,the contractional structure began to form in the late Tortonian of the Miocene,and in the Messianian-Zanclean reached the strongest,then the tectonic activity gradually weakened,but still active.Based on the analysis of paleo-structure restoration and sedimentary system,it is believed that the late Tertonian tectonic activity begin to control the sediments.The upper part of the Tertonian and its overlying strata are of obvious syn-deposition.As to the thrust fault,the thickness of hanging wall is clearly smaller than that of footwall,and as to the associated fold,the thickness of the strata of wings is larger than that of the top of anticline.
Contractional structure in muds; Structural feature; Structural evolution; Niger Delta Basin
TE121.2
A
10.3969/j.issn.1672-9854.2017.04.007
1672-9854(2017)-04-0053-08
2015-06-16;改回日期:2017-01-18
本文受?chē)?guó)家科技重大專項(xiàng)“非洲、中東重點(diǎn)勘探區(qū)油氣地質(zhì)評(píng)價(jià)及關(guān)鍵技術(shù)研究”(2011ZX05030-003)資助
于水:1963年生,教授級(jí)高級(jí)工程師,1989年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢),獲碩士學(xué)位,現(xiàn)主要從事海洋與海外石油地質(zhì)研究工作。通訊地址:100028北京市朝陽(yáng)區(qū)太陽(yáng)宮南街6號(hào)院中海油大廈A座中海油研究總院;E-mail:yushui@cnooc.com.cn