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沉积与成岩作用对姬塬油田超低渗透油层构造裂缝发育的控制作用

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沉积 作用 油田 渗透 油层 构造 裂缝 发育 控制
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 [ 收稿日期 ]2012-02-11[ 基金项目 ] 中国石油科技风险创新基金项目 (07-06D-01-04-01-08) 。[ 作者简介 ] 唐小梅 (1979-), 女 ,2002年大学毕业, 讲师 , 博士生 , 现主要从事致密储层油气勘探开发方面的研究工作 。沉积与成岩作用对姬塬油田超低渗透油层构造裂缝发育的控制作用唐小梅 , 曾联波( 中国石油大学 ( 北京 ) 地球科学学院 , 北京102249)何永宏 , 樊建明( 中石油长庆油田分公司超低渗透油藏研究中心 , 陕西 西安710021)许文国( 中石化胜利油田分公司西部新区研究中心 , 山东 东营257061)巩磊 , 李晓英( 中国石油大学 ( 北京 ) 地球科学学院 , 北京102249)[摘要 ]鄂尔多斯盆地姬塬油田长4+5油层组为典型的超低渗透砂岩油层,天然构造裂缝发育 ,构造裂缝是流体渗流的主要通道和开发方案部署的重要地质依据 。利用岩心 、薄片和测井等资料 ,在分析构造裂缝分布特征的基础上 ,研究了沉积作用和成岩作用对构造裂缝发育的控制作用 。沉积作用造成的岩石力学平面非均质性控制了不同方向裂缝的发育程度 ,并使不同沉积微相裂缝的发育程度存在明显差异 。成岩作用的差异性造成的储层非均质性 ,使不同成岩相裂缝的发育程度不同 。该区在 2期构造应力作用下形成了 4组构造剪切裂缝 ,由于沉积作用影响 ,南北向和北西向 2支剪切裂缝被抑制 ,主要发育东西向和北东东向 2支剪切裂缝 ,且在水下分流河道和河口坝微相中的发育程度明显高于水下天然堤和分流间湾微相 ;由于成岩作用的影响 ,构造裂缝在强压实高岭石胶结相裂缝发育程度最高 ,而弱压实长石溶蚀相裂缝发育程度最低 。[关键词 ]沉积作用 ;成岩作用 ;构造裂缝 ;超低渗透砂岩油层 ;姬塬油田[中图分类号 ]TE122.2[文献标识码 ]A  [文章编号 ]1000-9752(2012)04-0021-05超低渗透油层通常是指基质的空气渗透率小于1×10-3μm2的含油储层[1]。随着越来越多的以中 、高渗透储层为主的老油田逐渐进入高含水期开采 ,以及探明的超低渗透储层数量和储量越来越多 ,对超低渗透油田开发显得越来越重要 。鄂尔多斯盆地是我国超低渗透砂岩储层的主要分布区 ,其超低渗透油藏的有效合理开发对我国石油工业发展具有十分重要意义[2~4]。超低渗透储层的成岩作用强烈 ,孔隙结构复杂 ,储层物性差 ,天然裂缝发育 ,开发难度大 。天然裂缝控制了超低渗透储层的渗流系统 ,影响超低渗透油田开发方案的部署及其开发效果[5~9]。因此 ,深入研究超低渗透储层裂缝的发育规律及其控制因素 ,对鄂尔多斯盆地超低渗透油藏开发具有重要的指导作用 。许多学者对鄂尔多斯盆地上三叠统延长组超低渗透砂岩油层裂缝进行了研究[3,8,10~12],认为该超低渗透砂岩油层中一般发育高角度构造裂缝和水平层理缝2种天然裂缝类型 ,其中高角度构造裂缝发育密度和规模更大 ,对超低渗透油藏的注水开发影响也更明显 。延长组超低渗透砂岩油层分布有4组高角度构造裂缝 ,但在某些部位主要表现为2组裂缝发育 、而另外2组裂缝不发育的分布型式 。构造裂缝的形成和发育程度除了受裂缝形成时期的古构造应力场控制以外 ,还受沉积作用和成岩作用的影响 。目前对于构造运动对构造裂缝的控制作用研究较多[10,12,13],而对沉积和成岩作用对构造裂缝的控制作用关注较少 。鄂尔多斯盆地是构造相对稳定的弱变形构造区 ,和其他盆地相比 ,其沉积和成岩作用对构造裂缝发育的控制更明显 ,因此 ,阐明沉积作用和成岩作用对构造裂缝发育的控制作用更加重要 。笔者以46口井岩心和5口井成像测井资料为基础 ,在分析姬塬油田长4+5油层组超低渗透砂岩油层天然裂缝分布特征的基础上 ,探讨了砂体展布 、沉积微相和成岩相组合与构造裂缝发育之间的相互关·12·石油天然气学报2012年 4月第 34卷第 4期Journal of Oil and Gas Technology Apr.2012 Vol.34 No.4系 ,对深入认识鄂尔多斯盆地超低渗透砂岩油层裂缝的分布规律具有重要的指导意义 。图 1研究区构造位置简图1 地质概况鄂尔多斯盆地是中新生代盆地在古生代盆地上叠加形成的大型多旋回含油气叠合盆地 ,面积约37×104km2。姬塬油田位于鄂尔多斯盆地的西部 ,为一平缓的单斜 ,地层倾角小于1°,构造简单 ,褶皱 、断层不发育(图1)。研究区上三叠统延长组是一套在湖盆发展全盛期形成的以河流和湖泊相为主的陆源碎屑岩沉积 ,发育了盆地主要的含油层系 ,从上到下可以划分为10个油层组 (即长1~长10)[14],其中长4+5油层组是主要的开发层系之一 ,主要为三角洲前缘相沉积 ,其水下分流河道微相为主要的储集砂体 ,砂体的分布范围大 、连续性好 。长4+5油层组储层岩性主要为细粒长石砂岩和岩屑长石砂岩 ,其次为粉砂岩和中砂岩 ;碎屑颗粒成分成熟度普遍较低 ,结构成熟度中等-较好 ;填隙物主要由粘土矿物 、碳酸盐矿物和杂基等组成 。储层的成岩作用较强烈 ,处于中成岩A期阶段 ,主要经历了压实作用 、绿泥石粘土膜形成 、石英次生加大 、长石及火成岩屑溶蚀和晚期含铁碳酸盐岩胶结 、交代作用的叠加改造等[15,16]。储层的孔隙类型以粒间孔和次生溶孔为主 ,平均图 2姬塬油田长 4+5油层组储层高角度构造裂缝孔隙度为10%,平均渗透率 小 于1×10-3μm2,属于典型的中低孔超低渗透砂岩储层[17]。储层天然裂缝发育 ,天然裂缝提供了储层的主要渗流通道 。2 裂缝分布特征根据对46口井638.5m岩心的观察 、描述与统计分析和5口成像测井资料的裂缝分析 ,姬塬油田长4+5油层组发育有高角度构造裂缝和水平层理缝2种天然裂缝类型 ,其中以高角度构造剪切裂缝为主 ,裂缝倾角大于70°者占90%以上 (图2(a))。平均裂缝线密度为0.7条 /m,但不同取心井的裂缝密度差异很大 ,反映不同部位裂缝发育程度存在较大差异性 。利用Monte Carlo多次逼近的方法[18]来计算裂缝的平均孔隙度小于0.2%,宏观裂缝平均渗透率为 (10~100)×10-3μm2,微观裂缝渗透率主要小于1.0×10-3μm2,表明裂缝的储集作用相对较小 ,主要是起渗流通道作用 。高角度构造裂缝分布在·22·石油天然气学报石油天然气地质 2012年 4月各种岩性中 ,受岩层控制 ,与岩层面垂直 ,其方向性明显 ,分布规则 ,切穿深度较大 ,并常有矿物充填 。根据露头 、定向岩心和成像测井解释 ,裂缝走向方位有东西向 、北东-南西向 、南北向和北西-南东向4组 ,其中东西向和北东-南西向构造裂缝分别占33%和40%,而南北向和北西-南东向构造裂缝只占少数 (图2(b))。根据岩心和薄片上的裂缝切割关系 、裂缝充填物的包裹体分析和岩石声发射试验 ,该区构造裂缝主要在2期构造运动作用下形成 ,其中东西向和北西向裂缝在燕山期北西西-南东东向水平挤压应力场作用下形成 ,南北向和北东向裂缝在喜马拉雅期北北东-南南西向水平挤压应力场作用下形成 。3 构造裂缝方位与砂体展布的关系裂缝统计结果表明 ,姬塬油田长4+5油层组超低渗透油层4组裂缝的发育程度差异明显 ,主要与沉积作用造成的岩石力学性质的平面非均质性有关 。沉积作用造成的岩石力学平面非均质性是使该区不同方向裂缝发育程度不同的主要因素 。砂体展布是沉积作用的结果 。由于矿物颗粒在沉积过程中 ,受水流方向的控制 ,排列具有取向性差异 。因此在三角洲前缘水下分流河道的条带状砂体展布中 ,矿物颗粒排列的方向性明显 ,造成储层平面上的岩石力学性质的各向异性与砂体展布特征相关性很好 。图 3姬塬油田 X井长 4+5油层组不同方位岩石的单轴抗压强度 (取样深度 2376.8~2379.8m)姬塬油田延长组共发育了3支三角洲前缘水下分流河道砂体 ,3支砂体呈近南北向和北北东方向条带状展布 。为了研究岩石力学的平面非均质性与裂缝发育的关系[19],在平面上沿着砂体展布方向 、垂直砂体展布方向和与砂体展布方向呈一定夹角的方向分别取样进行了单轴抗压强度试验 。试验结果显示 ,与砂体展布方向呈一定夹角的东西方向(90°)和北东东方向 (60°)的岩石抗压强度最弱 ,而与砂体展布方向一致的北北东方向(30°)的岩石抗压强度最强 (图3)。因此 ,燕山期在北西西-南东东向水平挤压应力作用下 ,理论上可以形成东西向和北西-南东向2组同等发育的共轭剪切裂缝 ,但由于东西向岩石的抗压强度小 ,而北西-南东向的岩石抗压强度大 ,使得东西方向裂缝发育 ,而北西-南东向裂缝发育强度弱 。喜马拉雅期在北北东-南南西向水平挤压应力场作用下 ,理论上可以形成南北向和北东东-南西西向2组同等发育的共轭剪切裂缝 ,但由于北东东-南西西向岩石的抗压强度小于南北向岩石 ,使得北东东-南西西方向裂缝更发育 ,而南北向裂缝发育强度弱 。从而形成了与砂体展布方向呈一定夹角的东西方向 (90°)和北东东方向 (60°)的天然高角度构造裂缝最发育 ,而与砂体展布方向一致的北北东方向 (30°)的天然高角度构造裂缝最不发育的格局 。4 沉积微相对构造裂缝的控制作用岩性 、岩层厚度以及岩石物性是影响裂缝发育的基本因素 。由于不同沉积微相的岩性 、岩层厚度和岩石物性及其组合不同 ,造成不同沉积微相的岩石力学性质的不均一性 ,从而导致其应力分布及裂缝发育程度存在明显的差异 。一般在相同的构造应力场作用下 ,岩石脆性组分含量越高 ,颗粒越细 ,裂缝的发育程度越高 。在一定岩层厚度范围内 ,裂缝的平均间距随着岩层厚度增大呈线性增大 ,与单层厚度呈·32·第 34卷第 4期 唐小梅等 : 沉积与成岩作用对姬塬油田超低渗透油层构造裂缝发育的控制作用较好的线性关系[20]。姬塬油田长4+5油层组为三角洲前缘亚相 ,储集体主要分布在水下分流河道 、分支河口砂坝 、分流间湾 、水下天然堤等微相 ,其中水下分流河道沉积作为其骨架相十分发育 。结合区域沉积相 ,依据46口井单井沉积微相划分 ,对比相应深度的岩心观察裂缝 ,统计结果表明姬塬油田长4+5油层组不同沉积微相裂缝发育程度差异较大 。沉积微相对构造裂缝发育程度的控制作用主要表现为 :三角洲前缘水下分流河道侧向迁移和纵向叠置形成的砂岩复合体厚度大 ,但单砂体薄 ,以砂质较纯的细粒长石砂岩为主 ,故天然高角度构造裂缝最发育 ,构造裂缝密度为0.97条 /m,且规模大 ;分支河口坝主要由分选好 、质纯的中细砂和粉砂组成 ,但砂体厚度为中 、厚层 ,故构造裂缝发育程度低于水下分流河道微相 ,构造裂缝密度为0.87条 /m,规模中等 ;水下分流间湾为水下分支河道之间相对低洼的海湾地区 ,主要由泥岩 、粉砂质泥岩及泥质粉砂岩组成 ,泥岩一般呈块状 ,砂体物性差 ,厚度薄 ,构造裂缝虽然比较发育 ,构造裂缝密度为0.78条 /m,但规模很小 ;水下天然堤是分布在水下分流河道两侧的砂脊 ,主要为极细的砂和粉砂 ,常具有少量粘土夹层 ,故构造裂缝不发育 ,构造裂缝密度为0.22条 /m。5 成岩作用对构造裂缝的控制强烈的成岩作用是形成超低渗透砂岩储层的重要因素 。由于成岩作用的差异 ,使得不同成岩相岩石的致密程度 、孔隙结构 、粘土矿物分布 、物性及其流体分布不同 ,从而导致岩石力学性质 、应力分布和裂缝发育程度的不同[21]。姬塬油田长4+5油层组砂岩储层主要处于中成岩A期阶段 ,主要经历了压实作用 、绿泥石粘土膜形成 、石英次生加大 、长石及火成岩屑溶蚀和晚期含铁碳酸盐岩胶结 、交代作用的叠加改造等[15,16]。通过96块显微薄片 、115张扫描电镜照片和113张阴极发光照片的观察和分析 ,姬塬油田延长组长4+5油层组成岩相组合可划分为 :强压实高岭石胶结相 、高岭石-铁方解石胶结相 、中等压实高岭石胶结相 、中等压实长石溶蚀相及弱压实长石溶蚀相等5种成岩相组合 (图4)。根据显微薄片中54条微裂缝与成岩相的相互关系 ,统计不同成岩相组合对应的微裂缝密度 ,结果显示 :强压实高岭石胶结相裂缝发育程度最高 ,构造裂缝密度为1.7条 /m,高岭石-铁方解石胶结相次之 ,构造裂缝密度为1.25条 /m;而弱压实长石溶蚀相裂缝发育程度最低 ,构造裂缝密度为0.15条 /m。成岩作用对裂缝发育的控制作用主要是由于压实作用和胶结作用使岩石颗粒和孔隙体积减小变得致密 ,岩石强度变大 ,经过弹性变形后 ,在较小的应变时就表现出脆性破裂变形而形成裂缝 ;长石溶蚀作用可形成一定数量的粒内溶孔 ,甚至是沿解理方向的溶蚀缝 ,增加致密砂岩的储集空间 ,减小岩石强度 ,经过弹性变形后 ,在较大的应变时才表现出剪切破裂变形 。6 结论1)姬塬油田超低渗透砂岩储层主要发育高角度构造剪切裂缝 ,有东西向 、北东东向 、南北向和北西向4组 ,但东西向和北东东向裂缝发育程度明显高于北西向和南北向裂缝 。2)沉积作用造成的岩石力学平面非均质性是使该区不同方向裂缝发育程度不同的主要因素 。因此受近南北向和北东向的三角洲前缘水下分流河道的条带状砂体展布的影响 ,姬塬油田延长组长4+5油层组超低渗透砂岩储层主要发育东西向和北东东向2支剪切裂缝 ,而南北向和北西向2支剪切裂缝被抑制 。3)沉积作用通过控制砂体成分 、粒度 、分选性 、杂基含量及单层及累积层厚度等方面 ,使得不同沉积微相的砂体中岩石力学性质存在差异 。故姬塬油田长4+5油层组储层的水下分流河道 、河口砂坝和分流间湾微相的构造裂缝发育 ;水下天然堤微相中构造裂缝不发育 。4)强烈成岩作用产生的次生孔隙和粘土矿物 ,使岩石的孔隙结构及其流体分布复杂 ,且不均一 ,进一步造成岩石在不同方向的结构和构造存在差异性 。因此受成岩相组合影响 ,姬塬油田长4+5油层·42·石油天然气学报石油天然气地质 2012年 4月图 4阴极发光照片显示的姬塬油田长 4+5油层组成岩相组合组储层强压实高岭石胶结相构造裂缝发育程度最高 ,高岭石-铁方解石胶结相次之 ,而弱压实长石溶蚀相构造裂缝发育程度最低 。[参考文献 ][1]李道品.低渗透砂岩油田开发[M].北京:石油工业出版社 ,1997.354.[2]胡文瑞.姬塬:迅速崛起的新油区 [J].中国石油石化,2010,(15):30.[3]范泓澈 ,黄志龙 ,高岗 ,等.鄂尔多斯盆地胡尖山地区长 4+5~ 长 6油层组裂缝发育特征及对原油运聚的控制作用[J].石油天然气学报 ,2011,33(1):11~16.[4]李德生.重新认识鄂尔多斯盆地油气地质学[J].石油勘探与开发,2004,31(6):1~7.[5]蒋凌志 ,顾家裕 ,郭彬程.中国含油气盆地碎屑岩低渗透储层的特征及形成机理[J].沉积学报,2004,22(1):13~18.[6]Shedid A S.Influences of fracture orientation on oil recovery by water and polymer flooding processes:An experimental approach[J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2006,50(3-4):285~292.[7]曾联波.低渗透砂岩油气储层裂缝及其渗流特征[J].地质科学,2004,39(1):11~17.[8]Zeng L B,Liu H.Influence of fractures on the development of low-permeability sandstone reservoirs:a case study from the Taizhao dis-trict,Daqing Oilfield,China[J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2010,72(1-2):120~127.[9]王万彬 ,郭肖 ,李星涛 ,等.裂缝性低渗透砂岩油藏井网与裂缝方位的匹配研究[J].石油天然气学报,2009,31(4):315~318.[10]曾联波 ,李忠兴 ,史成恩 ,等.鄂尔多斯盆地上三叠统延长组特低渗透砂岩储层裂缝特征及成因[J].地质学报,2007,81(2):174~180.[11]曾联波 ,高春宇 ,漆家福 ,等.鄂尔多斯盆地陇东地区特低渗透砂岩储层裂缝分布规律及其渗流作用[J].中国科学 D辑:地球科学 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,等.岩层非均质性对裂缝发育的影响研究[J].自然科学进展,2008,18(2):216~220.[20]曾联波.低渗透砂岩储层裂缝的形成与分布[M].北京:科学出版社 ,2008.169.[21]Renee J,Perezt J R B.Interpreting fracture development from diagenetic mineralogy and thermoelastic contraction modeling[J].Tectonophysics,2005,400(7-8):179~207.[ 编辑 ]宋换新·53·第 34卷第 4期 周卓明等 : 长岭断陷无机成因天然气的判别与分布特征书书书【Sponsored by Yangtze University】JOURNALOFOILANDGASTECHNOLOGYVol.34 No.4 Apr.2012ABSTRACTS01 Gravitational Decolement Structural Development Characteristics and Its EvolutionaryHistoryof RioMuni BasinLI Tao,HU Wang-shui,HU Fang,WU Chan,ZHANG Ying-de (First Authors Address:College of Geosciences,Yangtze Univer-sity;Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources(Yangtze University),Ministry of Education,Jingzhou434023,Hubei,China)Abstract:The gravitational decolement structural development characteristics and its evolutional rules of Rio Muni Basinof the West African passive continental margin were described.From Late Cretaceous to present days,the gravitationaldecolement structures were mainly developed in passive continental-margin structural cycle,the gravitational decolementstructures could be divided into the gravitational decolement extensional structures on upper continental slope,the gravi-tational decolement diapir structures on the middle and the gravitational decolement thrust structures on lower continen-tal slope-deep sea plain.A complete tectonic evolution pattern of the gravitational decolement structures was a forwarddevelopmental pattern where the gravitional structures were developed from land to sea from early to late period.Thatwas to say,the gravitational decolement extensional structures were first developed,then the gravitational decolementdiapir structures were developed,finaly the lower gravitational decolement thrust structures were developed.The RioMuni Basin totaly develops two-stage gravitational decolement structures:the first phase(early)gravitational decole-ment structure is developed from the Early Cretaceous Albian to Oligocene;the second phase(late)gravitational decole-ment structure is developed from Miocene up to now.Both gravitational decolement structures present a forward devel-opmental structure is developed from land to sea from early to late period.That is,later gravitational decolement struc-tures are developed on the seaward side of the early gravitational decolement structures.Keywords:Rio Muni Basin;gravitational decolement structure;tectonic development;tectonic evolution07 Provenance Analysis of Upper Triassic Chang9Reservoir in Ordos BasinZHAO Yun-xiang,WANG Jian-feng,DING Xiong,LIU Yi-shan,YAO Jin-li,LI Shi-xiang (First Authors Address:College ofResources and Environment,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,Sichuan,China)Abstract:By comprehensive study of outcrop profile,wel driling,rock core,wel logging and analysis data and accordingto the detection of paleo-flow direction and features of depositional microfacies and sand body distribution environment incombination with the analysis of heavy minerals,detritus components,quartz cathode luminescence and trace elements,itwas believed that the Chang 9provenance of Ordos Basin was divided into five major provenance systems and it was char-acterized by the development of sedimentary pattern of“multi-delta lake”.By carrying out the comprehensive study inheavy minerals,detritus components,quartz cathode luminescence and trace elements in sandstone,it is denoted that theprovenance is mainly from the old land and ancient mountains surrounding the basin(i.e.the eastern section of ancientYinshan Mountain and Wulanger Uplift in the northeast;ancient Yinshan Mountain in the north;Alxa Old Land in thenorthwest;Longxi Old Land and Qinqi Fold Zone in the southwest;ancient Qinling Mountains in the south),where theirparent rocks are composed of a variety of rocks(mainly metamorphic rocks).Keywords:provenance system;heavy mineral;rock fragment;trace element;Chang 9Reservoir;Ordos Basin14 Simulation Experiment of Open and Closed System of Permian Source Rocks in the Southern JunggarBasinLIU Hong-jun,ZHANG Zhi-huan,QING Li-ming,ZHU Lei (First Authors Address:State Key Laboratory for Petroleum Resourceand Prospecting,China Univesity of Petroleum,Beijing102249,China;College of Oil and Gas Resources,Xian Shiyou University,Xian710065,Shannxi,China)Abstract:In the south of Junggar Basin,the generation potential of the Permian source rocks were good,part of it reachedthe assessment standard of high quality with wide exploration prospects.According to the simulation experiment of theopen system and closed system,the simulation of the Permian source rock samples of different kinds of kerogen was ana-lyzed from Yaomoshan and Hongyanchi Areas in the east of southern Junggar Basin.The results show that the oil andgas generation quantity of the KerogenⅠis larger than that of KerogenⅡ.Additionaly,the generation hydrocarbon e-volution of both two kerogens is different.When the Ro ratio is 1.0%,the adsorption oil of KerogenⅠis at the peak,and when the Roratio is 1.3%,the expulsive oil of KerogenⅡis at the peak.The simulation experiment of the open sys-tem shows that active energy of different kerogens is different in virtue of their macerals.Alternatively,from the genera-tion hydrocarbon evolution,the generation hydrocarbon transformation of the KerogenⅠis faster and earlier,it is at thepeak when Rois about 0.90%,the generation of KerogenⅡandⅢslows down orderly.Keywords:open and closed system;hydrocarbon generation simulation;middle Permian source rock;Southern Junggarbasin21 Effect of Deposition and Diagenesis on Tectonic Fractures of Sandstone Reservoirs with Ultra-low Perme-abilityin Jiyuan OilfieldTANG Xiao-mei,ZENG Lian-bo,HE Yong-hong,FAN Jian-ming,XU Wen-guo,GONG Lei,LI Xiao-ying  (First AuthorsAddress:Faculty of Geosciences,China University of Petroleum,Beijing102249,China)Abstract:The Chang 4+5members of the Triassic Yanchang Formation in Jiyuan Oilfield of Ordos Basin were typicalsandstone oil reservoirs with ultra-low permeability.Natural tectonic fractures were developed widely,the tectonic frac-tures were the main pathes of peculation and crucial geological ba
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本文标题:沉积与成岩作用对姬塬油田超低渗透油层构造裂缝发育的控制作用
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