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四川威遠震旦系與下古生界天然氣成藏特征

2010-07-31 01:09:16劉樹根王國芝徐國盛

孫 瑋 劉樹根 王國芝 徐國盛

羅志立2 韓克猷3 袁海鋒2 黃文明3

(1.成都理工大學地球科學學院,成都610059;2.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室,成都610059;3.中國石油西南分公司勘探開發研究院,成都610051)

威遠地區是四川盆地現今唯一在震旦系至寒武系均有氣藏存在、奧陶系有產氣井存在的地區。威遠氣田寒武系氣藏發現較晚,2004年威42井上寒武統洗象池組上返測試獲工業氣流才取得突破。2005年威97井中奧陶統寶塔組上返測試獲工業氣流后發現了寶塔組氣藏[1]。威遠氣田的這種從下至上(元古宇-下古生界)形成多套氣藏在四川盆地Z-S勘探中較為罕見。但由于先天儲集性能不好和加里東期隆升剝蝕形成“天窗”,制約了寒武和奧陶系的天然氣大規模成藏。除威遠氣田外,四川盆地其他地區Z-S(俗稱“下組合”)勘探效果很差。通過對四川盆地下組合的幾個重點勘探地區威遠-資陽-安平店、高石梯-丁山構造震旦系天然氣成藏條件的對比分析,在烴源、蓋層和儲集層條件相似的情況下對應的最終成藏結果卻不同,這與前期古油氣藏的分布有關,也與后期隆升構造調整有關。這些都是制約震旦系的成藏關鍵,也說明四川盆地下組合勘探的苛刻性和復雜性。本文試圖總結出威遠氣田震旦系-下古生界的天然氣分布規律,找出關鍵的控制因素,對于Z-S進一步勘探有著重要的意義。

1 成藏條件

四川盆地下古生界存在兩套烴源巖 下寒武統和下志留統黑色碳質泥頁巖。從成烴量來看,分別占四川盆地烴源巖生烴量的34.1%和25.08%,所成烴占整個四川盆地成烴量的59.18%(黃籍中等,1996)[2]。威遠地區及其南部地區這兩套烴源層均存在(圖1)。過去在研究烴源時只注意到了震旦系天然氣的氣體來源,認為主要來自下寒武統(黃籍中,1993;戴金星,2003)[3,4],對于寒武系的天然氣也認為來自下寒武統,但對于二疊系陽新統天然氣并未深入探討其來源(戴金星,2003,2006)[4,5]。奧陶系氣藏的研究極少,對于氣源問題籠統地劃為震旦系-志留系烴源(尹宏等,2006)[6]。但作者研究表明,奧陶系氣藏與下伏震旦系、寒武系氣藏存在差異,與二疊系氣藏氣體相似,暗示為兩種不同來源的氣體。

1.1 氣體成分特征

威遠大部分地區奧陶系直接與二疊系接觸。為了更好地分析氣體特征,把二疊系的氣體成分也列入表1中。

從威遠氣田震旦系-二疊系天然氣藏的氣體成分(表1)可知,震旦系與寒武系較為相近,可以劃為一個系統,奧陶系與二疊系為一個系統。它們的異同性如下:(1)均為干氣,含少量乙烷,極少含丙烷,無丁烷及以上重烴;但奧陶-二疊系甲烷含量較震旦-寒武系高。(2)氮氣含量隨著層位向上變低。(3)震旦-寒武系CO2氣含量較高,奧陶系含量較低,二疊系威7井的含量也較低,其質量分數僅1.8%。(4)氦氣含量也有明顯的分區,震旦-寒武系氦氣的質量分數1.8%左右,奧陶-二疊系為1%左右。

因此,從氣體成分來看,可以分為兩個系統,震旦-寒武系為一個系統,奧陶-二疊系為一個系統。陳宗清(2007)[7]認為四川盆地志留系烴源巖是上覆儲集層(石炭-二疊-三疊系)的良好烴源巖,威遠氣田南部此套烴源巖發育,同樣可為其下伏奧陶系提供烴源。曾慶輝(2006)[8]通過對四川盆地下志留統黑色頁巖生、排烴的研究表明,烴源層中含瀝青質,表明有排液態烴的過程,而且有機碳含量高,是生烴、含烴性能很好的烴源巖。

表1 威遠構造震旦系-奧陶系天然氣成分(w/%)對比Table 1 Comparison of gas ingredients from Sinian to Ordovician in the Weiyuan structure

圖1 二疊紀前威遠地區古地質圖和寒武-奧陶系產氣井分布圖Fig.1 Distribution graph of the productive gas wells and paleo-geology map before Permian in the Weiyuan area(據西南石油管理局資料修改補充)

這種特征與烴源有關。威遠震旦系氣田的烴源巖主要為下寒武統黑色泥巖,寒武系氣體成分與其相同,顯示烴來源一致,是以寒武系為氣源的油裂解氣(孫瑋等,2007)[9]。奧陶-二疊系的天然氣也是油裂解氣;但氣體成分有差異,應不是同源。下古生界存在兩套烴源巖,除了下寒武統外,上奧陶統五峰組頁巖至下志留統龍馬溪組頁巖也是很好的烴源巖(Ⅰ型干酪根,以生油為主)(劉若冰等,2006)[10]。因此,奧陶-二疊系天然氣來自下志留統。威遠地區寒武系與奧陶系整合接觸,下寒武統烴源生成的油氣較易向上和向下進入上寒武統和震旦系,但不易于進入奧陶系;志留系則夾持于奧陶系與二疊系之間,生成的油氣較易通過不整合面向上進入二疊系、向下進入奧陶系(圖1)。

由此,威遠地區天然氣可分為兩大類,一類以下寒武統為烴源的震旦-寒武系天然氣;一類是以下志留統為烴源的奧陶-二疊系天然氣。

1.2 震旦系-奧陶系分布特征

威遠氣田處于樂山-龍女寺加里東古隆起的南斜坡帶,受加里東運動的影響,加里東期隆升剝蝕了部分地層(宋文海,1996)[11]。威遠地區地層分布都是近北東向,與樂山-龍女寺古隆起的走向一致(圖1),未剝蝕至寒武系,出露的地層從西向東依次為奧陶系羅漢坡組+大乘寺組、寶塔組、五峰組和志留系的龍馬溪組。但斷層的分布與地層剝蝕分布正相反,主要是北西向,與構造并不一致,說明斷層形成時期與剝蝕期并不一致。

羅漢坡組和大乘寺組在威遠地區西邊的厚度僅100多米,向西被剝蝕殆盡,向東逐漸增厚,下部為砂巖與白云巖互層,向上逐漸過渡到頁巖夾砂巖;寶塔組為生屑灰巖;五峰組和龍馬溪組為黑灰色頁巖。

1.3 成藏條件

威遠氣田震旦系的成藏條件用一句話概括就是生儲蓋齊備。即上覆有下寒武統黑色頁巖作為蓋層,而且沒有缺失,蓋層條件好;儲層為燈影組白云巖;生油巖為下寒武統黑色頁巖。這些條件一直都未有大的變動,生儲蓋之間的匹配關系良好(表2,圖2)。

寒武系成藏條件與震旦系相比,具有烴源不缺、儲層復雜、較好蓋層的特點。寒武系烴源與震旦系烴源一致,儲層是中上寒武統洗象池組白云巖,具有西北薄東南厚的特點,說明沉積時樂山-龍女寺古隆起已有了隆起的形態,軸部在威遠地區的西北部。儲層為裂縫-孔洞型,非均質性較強。蓋層為下奧陶統砂泥巖,封蓋性能較好。與震旦系相比,儲層條件和蓋層條件都要差一些,但也算完備(表2,圖1,圖2)。

奧陶系成藏條件與震旦-寒武系相比要差得多,具有較好烴源條件、儲層復雜、局部封蓋的特點。奧陶系的烴源層為下志留統,但在這一地區多已被剝蝕,只在威遠地區的東南部還存在,西北部缺失,來自東南拗陷下志留統的烴源可通過不整合面運移,但要比震旦-寒武系直接與烴源接觸導致的成藏效應差一些。儲層為寶塔組灰巖,致密,儲集空間為裂縫-孔隙型。蓋層為上奧陶統五峰組頁巖和下志留統龍馬溪組,但在威遠地區僅局部存在,威遠中部和西北部直接與二疊系接觸,封蓋能力較差(表2,圖1,圖2)。

2 天然氣成藏系統

威遠氣田震旦系-下古生界有3套儲集層、2套烴源層和3套蓋層,由下至上組成了由烴源巖控制的2套成藏體系:C-1q/Z2dn/C-1q,C-1q/C-2x/O1d與S1l/O2b/O3w+S1l。

表2 四川盆地威遠氣田震旦系-下古生界成藏條件對比Table 2 The comparison of conditions for gas accumulation of Sinian to Lower Paleozoic in Weiyuan gas field

圖2 威遠氣田成藏演化圖Fig.2 The revolution map of gas accumulation in the Weiyuan gas field

2.1 下寒武統烴源體系生儲蓋特征

以下寒武統烴源巖組成的成藏體系儲集層有2套。燈影組的生儲蓋組合從位置上看屬于旁生側儲頂蓋型,從層位上看屬于上生下儲頂蓋型(圖2)。

上覆的下寒武統泥頁巖是一套富含三葉蟲和小殼動物化石的黑色碳質頁巖,有機質的豐度較高,平均質量分數為0.197%,以腐泥組為主(徐世琦,2006)[12]。烴源的烴潛量強度很高,平均可達1.331×1015m3,是四川盆地最好的烴源之一(表3)。

燈影組的蓋層仍是下寒武統。威遠氣田下寒武統九老洞組泥巖層的突破壓力:威28井為94.4 MPa,威106井為75MPa,具有良好的封蓋條件(孫瑋等,2007)。

儲層為燈影組隱藻白云巖,下部為灰-深灰色灰質、泥質云巖,中部為灰色葡萄狀結構云巖,上部為灰白色云巖含燧石條帶,為淺海碳酸鹽巖臺地相(王興志,2000)[13]。四川盆地燈影組儲集層屬低孔低滲型。

寒武系洗象池組的生儲蓋組合則是典型的下生上儲頂蓋型,頂部是奧陶系羅漢坡組和大乘寺組蓋層,以下部九老洞組為烴源,在生儲蓋組合關系上較燈影組有利(圖2)。

表3 威遠地區古生界烴源體系對比Table 3 The comparison of the source systems of Paleozoic in the Weiyuan area

威遠地區洗象池組厚150~240m,早期為局限臺地潮上灰云坪與潮下潟湖沉積,中后期為碳酸鹽潮坪沉積,巖性主要為淺灰色泥晶云巖。儲集體為透鏡狀,側向分布不穩定;儲集類型為裂縫-孔洞白云巖型,屬低孔型,局部層段見微裂縫及溶蝕孔洞層發育,如安平1井深4 520m以下孔洞發育段累計厚度37.86m。

洗象池組成藏系統上覆蓋層是羅漢坡組和大乘寺組。羅漢坡組主要是砂巖,封蓋性并不好;但大乘寺組主要是灰色頁巖,在威遠地區厚160~200m,可起到好的封蓋作用。

2.2 下志留統烴源體系生儲蓋特征

威遠氣田下志留統烴源體系儲集層下古生界為奧陶系寶塔組,與燈影組相似,都是上生下儲型。

下志留統龍馬溪組烴源巖在樂山-龍女寺古隆起部分剝蝕,主要為暗色頁巖層,有機碳的質量分數平均為1.1%(93個樣),屬I型干酪根,烴潛量值可達9.79×1014m3,生烴能力僅次于下寒武統(表3)。

南方寶塔組灰巖以“龜裂紋”著名,為淺海深水碳酸鹽巖沉積環境(許效松,2001)[14],含大量角石化石。但從物性來看,寶塔組灰巖巖性致密,孔隙度小于1%,與裂縫一起搭配形成產能(除威遠氣田外,與之相鄰的川南東深2井寶塔組產層與此相同),儲集層為裂縫-孔隙型。

五峰組和龍馬溪組頁巖共同構成了寶塔組的直接蓋層。這兩套地層在威遠地區有缺失,殘厚0~200m,主要分布在威遠的東南部(圖1)。奧陶系的產氣井威97井即分布在這一區域。

2.3 下寒武統烴源體系與下志留統烴源體系對比

綜上所述,威遠地區下古生界發育兩套好的烴源 下寒武統九老洞組和下志留統龍馬溪組暗色頁巖,均為I型干酪根,生烴能力強,烴源條件較佳。

從儲層方面來看,埋藏最深的燈影組儲集性能較洗象池組好,洗象池組較寶塔組好。燈影組屬于孔隙-裂縫型,洗象池組和寶塔組都是裂縫-孔洞型,后者如無裂縫發育,則不能形成產能。

燈影組的蓋層條件最好,下寒武統厚度一般在400m,封蓋能力強;其次是洗象池組,其上大乘寺組厚度也超過100m。封蓋能力最差的是寶塔組,其上覆五峰組和龍馬溪組頁巖大面積被剝蝕,僅在威遠地區東南部有分布。

因此,從生儲蓋條件上來看,燈影組最好,洗象池組其次,寶塔組最差,這與三套儲層的產出狀況也一致。

3 成藏過程

3.1 烴源演化過程

對威遠地區下寒武統烴源演化研究較多,一般認為其成烴的過程主要為:加里東運動前有機質即進入成熟,加里東運動后的隆升停止生烴,二疊紀-三疊紀烴源巖由成熟-過成熟,是油氣的主要生成期,經歷了排油和排氣的過程;早白堊世時Ro達3%,成熟度非常高,成烴結束 (黃籍中,1996)[2]。

志留系烴源巖埋藏較淺,二疊系沉積前還未成熟。三疊紀時進入成油高峰期,中晚侏羅世達到高成熟以排氣為主,晚白堊世達到過成熟,成烴結束(黃籍中,1996)[2]。

九老洞組生烴過程明顯早于龍馬溪組,二疊紀即進入了成熟期,龍馬溪組要到三疊紀才進入成熟期,但最終在晚白堊世前,兩套烴源巖都達到了過成熟(圖2)。

3.2 成藏過程

二疊系沉積之前威遠地區一直處于樂山-龍女寺加里東古隆起的南斜坡帶,此時即使川南下寒武統烴源成熟并向外排烴,古隆起雖然是好的聚集場所,但由于缺少蓋層條件,油氣不會大規模聚集。古隆起形成又抑制了本區的生烴,所以二疊系沉積前,威遠地區并不具備成藏的條件,成藏的主要期次應是在二疊系沉積后。

威遠地區震旦系-奧陶系的成藏過程如圖3所示。

a.無論是九老洞組還是龍馬溪組,在三疊紀時都達到了成熟并向外排烴。這時排出的油氣主要向當時的高點資陽地區運聚,自上而下形成三套古油藏(圖3、圖4)。

圖3 威遠-資陽下組合成藏模式圖Fig.3 The gas accumulation model map of Sinian to Silurian in the Weiyuan-Ziyang area

最下部的是震旦系燈影組古油藏,主要是構造圈閉的古油藏,高點位于資陽地區;中部是寒武系洗象池組古油藏,但這個古油藏屬于巖性-構造圈閉,油藏的主體分布在資陽與威遠之間洗象池組未剝蝕的地區,是一個由側向封堵形成的古油藏;最上部是奧陶系寶塔組古油藏,這個古油藏受蓋層的限制分布范圍更小,主要是在五峰-龍馬溪組頁巖封蓋的地區,也是側向封堵形成的古油藏。洗象池組和寶塔組也受上覆的梁山組的直接封蓋。這一階段形成的這三套古油藏以震旦系規模最大,寒武系次之,奧陶系最小;震旦系為最完整的構造油藏,寒武系和奧陶系都是側向封堵形成的古油藏。

b.燕山早中期,燈影組古油藏的石油最先開始熱裂解成天然氣,古油藏開始向古氣藏轉化,大量天然氣在裂解時形成的高壓下溶解于水中(孫瑋等,2007)[9]。隨后,洗象池組古油藏也步入這一階段(只比燈影組平均淺幾百米)。但由于洗象池組上覆梁山組僅厚10m,大量天然氣向上逸散入二疊系,一部分天然氣溶于水中,一部分形成氣頂。燕山中晚期時,寶塔組古油藏也進入了裂解階段,與洗象池組相似,形成巖性-構造古氣藏。

從構造形態和封堵性來看,此時燈影組仍是最有利的,形成的古氣藏也最有利,但是最遠離威遠地區,高點在資陽地區;奧陶系受封蓋的限制仍是最小,古氣藏卻是最靠近威遠地區;二者之間是寒武系古氣藏。

c.晚白堊世-喜馬拉雅期,威遠地區受構造抬升的影響,隆升幅度大于資陽地區,圈閉重新調整,地下的流體勢發生了變化。資陽-威遠自下向上的三個古氣藏全部被破壞且重新分配。震旦系燈影組天然氣脫溶后形成威遠氣田,洗象池組天然氣藏的形成與燈影組相似,也是天然氣脫溶后形成的氣藏。二者氣體成分相近,可能是形成氣藏的機理相近,烴源又相同,所以最終成藏后天然氣性質也相近。寶塔組天然氣則是由于調整前古氣藏離威遠最近,為就近調整成藏。

圖4 四川盆地構造沉降(隆升)史Fig.4 The structure sedimentation(lift)history of Sichuan Basin(圖中威117、女基、資1井曲線據四川石油管理局經校正后編繪)

制約威遠地區寒武系和奧陶系成藏的一個主要原因是儲集層。洗象池組和寶塔組比較致密,儲集性能較燈影組差,須與裂縫搭配才能形成產能。桐灣運動使燈影組大面積遭受剝蝕,改善了儲集性能。加里東運動抬升剝蝕僅使得隆起區頂部儲層性能變好,但威遠并不處于這一地區,先天儲集性能就不好。這可能也是造成威遠地區寒武系和奧陶系雖有氣藏,但分布不均的主要原因。另一個主要的原因是封蓋條件,由于加里東古隆起的長期隆升剝蝕,造成志留系、奧陶系和寒武系的剝蝕,寒武系和奧陶系的主要的直接蓋層被剝蝕掉,形成古隆起大型“古天窗”,威遠地區下志留統也僅在南部殘余部分下志留統,先天蓋層條件較差,限制了成藏。

4 天然氣成藏比較

四川盆地除了威遠-資陽震旦系成藏外,樂山-龍女寺古隆起帶的高石梯-安平店和女基井均見氣顯示,是除了威遠-資陽地區外較被看好的一個有利區帶。2005年在川東南以震旦系為目的層鉆的丁山1井和林1井是川東南惟一的2口深井,雖然未獲天然氣,但其地質意義重要,因此通過這三個地區的成藏比較可以對四川盆地下組合有更清晰的認識(圖4)。

4.1 高石梯-安平店構造帶天然氣成藏

有關高石梯-安平店的天然氣成藏方面已有論述(姚建軍等,2002)[15],但其主要是從含油氣系統的角度及成藏條件的匹配上來論述,未從演化和動態的角度來論述。本文利用近年來研究的成果,從演化和動態的角度論述其成藏的過程。

高石梯-安平店-女基井構造帶一直是樂山-龍女寺加里東古隆起的軸線位置,處于構造的高部位,頂部志留系被剝蝕,奧陶系殘留下統南津關組,寒武系可與威遠-資陽地區對比。現今測試高科1井燈四頂部測試產氣7 000m3/d,安平1井燈四段測試產氣1 248m3/d,相鄰的女基井燈四段測試產氣2 690m3/d,南津關組產氣3.6×104m3/d。

高石梯-安平店的成藏過程二疊紀后也可分成3個階段:

二疊紀末-三疊紀初,由于下寒武統烴源成熟并向外排烴,在這一地區形成古油藏。這一古油藏與資陽-威遠古油藏同時形成,東西相對,從安平1井包體均一溫度分布頻率來看,對應溫度主要是130~170℃。

持續埋深的過程中古油藏開始裂解,古油藏向古氣藏轉化,在侏羅紀-白堊紀形成古氣藏,對應包體溫度主要是210~250℃,這時構造未發生大的變化,與資陽-威遠古氣藏相對并存。

晚白堊世四川盆地的隆升作用對于高石梯-安平店地區垂直隆升作用較之資陽-威遠地區弱,以安平1井為例,現在燈四頂埋深5 037m。按燈四段包裹體測溫最后一期均一溫度為240℃,古油藏的埋深應在超過7.5km(地表溫度取15℃,古地溫梯度取30℃/km),因此隆升僅2 463m,較之威遠地區隆升4km幅度要小得多。晚白堊世-喜馬拉雅期的隆升使得高石梯-安平店構造圈閉變小,古氣藏重新調整,形成類似資陽含氣區的一個含氣帶。

4.2 丁山構造天然氣成藏(破壞)

丁山構造位于川東南地區,屬酒埡店背斜北西翼。丁山1井震旦系巖心見大量瀝青,說明曾有過油氣聚集形成古油藏。

丁山構造二疊紀成藏過程分為3個階段:二疊紀開始時寒武系烴源巖就已成熟并排烴,在丁山構造處形成古油藏。

晚白堊世前,古油藏由于埋深超過6km,古油藏裂解形成古氣藏。

喜馬拉雅期由于隆升作用,抬升超過3km,震旦系出露地表,丁山構造附近斷層發育且斷至地表,古氣藏的氣沿斷裂向上運移。由于頂部沒有蓋層覆蓋(寒武系出露地表),天然氣逸散,未能成藏。

4.3 威遠地區與高石梯構造帶和丁山構造帶震旦系天然氣成藏比較

表4為三個地區天然氣成藏對比表,可知烴源相同,儲集層一致,蓋層相同,古油藏到古氣藏的形成也具有一致性,導致成藏差異的主要原因是晚白堊世-喜馬拉雅期的隆升作用。在喜馬拉雅期運動之前,這些地區的保存條件都很好,都有古油氣藏的存在。喜馬拉雅期四川盆地總體隆升幅度大于3km,速率高,幅度大(劉樹根等,2008)[16]。在隆升作用下,一方面改變了古隆起區域震旦系構造格局,古構造被破壞(資陽、安平店-高石梯),新構造形成(威遠)使得氣藏也最終重新調整和破壞,形成現今的天然氣狀態;另一方面,隆升破壞了保存條件,丁山構造隆升過程中,齊岳山斷裂活動并斷至地表,破壞了保存條件,最終破壞了先前已存在的油氣藏。

表4 資陽-威遠、安平店-高石梯、丁山構造震旦系天然氣成藏對比Table 4 The comparison of gas accumulations in Sinian in the Ziyang-Weiyuan,Anpingdian-Gaoshiti and Dingshan structures

5 結論

威遠氣田存在3套氣藏:震旦系燈影組、寒武系洗象池組和奧陶系寶塔組。但從烴源角度劃分,燈影組和洗象池組都屬于下寒武統烴源體系;寶塔組的烴源則來自下志留統龍馬溪組。這兩套烴源演化的時間不同,但都是I型干酪根,在形成天然氣的過程中有相似性;然而在時間上有所差異,在形成油氣藏的過程上也有所不同。

下寒武統烴源成熟向上下排烴注入洗象池組和燈影組形成2套古油藏,2套古油藏先后裂解形成2套古氣藏,古氣藏的天然氣溶于水中,在晚白堊世-喜馬拉雅期隆升過程中脫溶并向威遠高點聚集形成了現今燈影組和洗象池組氣田。奧陶系氣藏也經歷了古油藏(古氣藏)隆升調整現今氣藏的過程。

制約洗象池組和寶塔組成藏的主要因素是儲集性能和封蓋條件。這兩套儲層都很致密,儲集油氣難度較大;同時,由于古隆起頂部這兩套地層都缺少有效的蓋層,因此尋找好的儲蓋組合發育區是關鍵。

通過威遠-資陽-高石梯-安平店-丁山構造震旦系的成藏對比,發現存在很大的差異,烴源、蓋層和儲集層條件相似,對應的最終成藏卻不同,與前期古油氣藏的分布有關,也與后期隆升調整構造有關,這些都制約了震旦系的成藏。

綜上所述,四川下古生界的天然氣成藏很復雜,震旦系和寒武系的烴源來自下寒武統,奧陶系烴源來自下志留統,兩套烴源層為下古生界的成藏提供了必要的物質基礎。震旦系燈影組的儲集條件受桐灣運動的影響,儲集條件優越,上覆蓋層未被剝蝕,是最有利的成藏組合,制約勘探主要因素是現今圈閉。寒武系洗象池組儲集條件并不太有利,蓋層下奧陶統在加里東古隆起處被剝蝕,成藏條件較差,制約條件有儲集層和蓋層。奧陶統上覆蓋層下志留統被剝蝕面積較奧陶系更廣,蓋層條件要更差。寶塔組致密灰巖儲集性能最差,制約勘探的條件是儲集層和蓋層。

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