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页岩气成藏动力特点及其平衡方程_边瑞康

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页岩 气成藏 动力 特点 及其 平衡 方程 边瑞康
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第 20卷 第 3期2013年 5月地学前缘 (中国地质大学 (北京 );北京大学 )Earth Science Frontiers(China University of Geosciences(Beijing);Peking University)Vol.20No.3May 2013http://www.earthsciencefrontiers.net.cn 地学前缘,2013,20(3)收稿日期 :2012-06-04;修回日期 :2013-01-07基金项目 :国家科技重大专项 “全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选 ”项 目 (2009QYXQ15-07);中国博士后科学基金项目(2012M510714)作者简介 :边瑞康 (1982—),男 ,博士 ,主要从事非常规油气地质研究工作 。E-mail:bianruikang@163.com页岩气成藏动力特点及其平衡方程边瑞康1,2,张金川31.中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院,北京1000832.中国石油大学(北京 )地球科学学院 ,北京1022493.中国地质大学(北京 )能源学院 ,北京100083BIAN Ruikang1,2,ZHANG Jinchuan31.Petroleum Exploration and Development Research Institute,Sinopec,Beijing100083,China2.College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing102249,China3.School of Energy Resources,China University of Geosciences(Beijing),Beijing100083,ChinaBIAN Ruikang,ZHANG Jinchuan.Accumulation dynamic characteristics and the dynamic equations of shale gas.Earth ScienceFrontiers,2013,20(3):254-259Abstract:The accumulation dynamic characteristics of shale gas are systemicaly analyzed according to the spe-cial accumulation pattern of both absorbed and free gases.The free gas of shale gas accumulation has similardynamic types compared with source-contacting gas and conventional reservoir gas with expansive pressure ofgas generation,hydrostatic pressure at the top of gas column,hydrostatic pressure at the bottom of gas col-umn,gravity of gas column,capilary pressure,dynamic water-head pressure,etc.;while adsorption forceand desorption force are the cause of gas phase state changing between absorbed gas and free gas at the surfaceof organic grains and rock minerals.There are two types of gas dynamics:migration dynamics and accumula-tion dynamics.As a gas whose source rock and reservoir are the same body,the migration dynamic and accu-mulation dynamic directions of the shale gas are reversed.The accumulation of shale gas is divided into fourstages,and the accumulation dynamic characteristics of each stage are systemicaly analyzed.Accumulation(migration)dynamic equations are established according to the dynamic characteristics,and a general equationof shale gas accumulation(migration)dynamics is established using the method of coefficient assignment.Keywords:shale gas;accumulation dynamic;migration dynamic;dynamic equation;accumulation stages摘要 :针对页岩气吸附加游离的成藏方式对其成藏动力特点进行了系统分析。与特定的储集物性条件与相应的气源压力相匹配时,页岩气藏中游离气具有与根缘气或常规储层气相似的作用力类型,包括生烃膨胀力、连续气柱顶界静水柱压力、连续气柱底界静水柱压力、连续气柱重力、毛细管压力和动水头压力等,而造成气体分子在有机质颗粒及岩石矿物表面进行吸附与游离相态转换的作用力类型则为吸附作用力和解吸作用力。天然气动力类型存在运移动力与成藏动力的区别,页岩气作为源储一体的聚集模式,其运移动力和成藏动力具有方向相反特点。根据页岩热演化程度、生气强度、构造条件、物性条件等,将页岩气成藏划分为4个阶段,对每一阶段的成藏动力特点进行了系统分析,据此建立了成藏(运移)动力平衡方程,并采用权重系数赋值方法建立了页岩气成藏(运移)动力平衡方程通式。关键词 :页岩气;成藏动力;运移动力;动力平衡方程;成藏阶段中图分类号 :P618.13文献标志码 :A文章编号 :1005-2321(2013)03-0254-06边瑞康 ,张金川 /地学前缘 (EarthScience Frontiers)2013,20(3)255 http://www.earthsciencefrontiers.net.cn 地学前缘,2013,20(3)从运动过程看 ,天然气的形成和存在都必须满足物理学上的动力平衡原理 ,即天然气的运移状态是动力作用大于阻力作用的结果 ,而天然气的成藏和保存状态则是成藏动力与成藏阻力相互平衡的结果[1-2]。天然气由有机质转化生成之后 ,在不同背景压力 、介质类型和气体总量条件下 ,将会产生不同的运移方式 、赋存状态和动力平衡过程 ,从而形成不同运聚机理控制下的天然气类型 。因此 ,天然气成藏动力平衡过程与运移方式 、赋存状态一起 ,成为天然气成藏机理的重要研究内容 。1 成藏动力特点1.1 作用力类型页岩中含有大量有机物质 ,而有机质颗粒对天然气具有很强的吸附能力 ,成岩演化过程中 ,页岩将产生一定数量的孔隙与裂缝 。此外 ,页岩中常发育致密砂岩夹层 ,因此 ,页岩层系可提供的天然气储集空间主要包括有机质颗粒及岩石矿物表面 、岩石颗粒间孔隙与裂缝等[3-4],从而形成吸附态和游离态天然气同时存在的赋存特点 (极少量溶解态忽略不计 )。吸附态天然气的含量一般占总量的20%~85%[5],与有机质含量密切相关[6-8]。因此 ,吸附加游离的成藏方式导致页岩气在作用力类型方面比单一的游离气藏更为复杂 ,既包括可能的游离态天然气作用力类型 ,也包括吸附态天然气的作用力类型 。1.1.1 游离态天然气作用力类型常规储层气和根缘气 (致密砂岩气 )均是典型的游离态天然气类型 ,但由于储集介质类型 、源储关系 、气源压力等成藏条件不同 ,两类天然气具有不同的作用力类型 。常规砂岩储集介质的储集空间以岩石颗粒间孔隙和裂缝为主 ,具有相对较好的孔渗物性 。天然气的聚集赋存与源岩相隔一定的运移距离 ,运移过程中能够与地层孔隙水发生自由交换 ,行置换式运移 。所受的作用力类型主要有连续气柱顶界静水柱压力(ρwgh1)、连续气柱底界静水柱压力 (ρwgh2)、连续气柱重力 (ρg(h2-h1))、毛细管压力 (pc)和区域地层流体运动产生的水头影响 (伯格修正项 ,ρwgΔh,相当于Δh水柱高度产生的压力 ),其中ρw为地层水密度 ,ρg为天然气地下密度 ,g为重力加速度 ,h1和h2分别为连续气柱顶和底界距上覆连续水柱顶界的高度 。连续气柱底界和顶界的静水柱压力差即为浮力 (F浮)。当天然气遇到盖层无法突破毛细管压力时 ,浮力与毛细管压力 、连续气柱重力 、动水头压力达到平衡 ,天然气聚集成藏 ,其动力平衡方程[9-13]为ρwg(h2-h1)=pc+ρg(h2-h1)±ρwgΔh(1)致密砂岩储集介质具有低孔低渗特点 ,且与气源岩紧密接触 。天然气在其中运移时 ,狭小的孔隙半径使天然气与孔隙壁之间形成了足够薄的束缚水膜 ,阻断了地层水在介质中的回流 ,从而形成活塞式运移的根缘气[14]。所受的作用力类型主要有生烃膨胀力 (pe)、连续气柱顶界静水柱压力 (ρwgh1)、连续气柱重力 (ρg(h2-h1))、毛细管压力 (pc)和区域地层流体运动产生的水头影响 (ρwgΔh)。当生烃膨胀力与其他各力的合力达到平衡时 ,天然气聚集成藏 ,其动力平衡方程[15]为pe=pc+ρwgh1+ρg(h2-h1)±ρwgΔh(2)页岩层系在不同成岩演化阶段和构造条件下可形成不同的储集物性和气源压力条件 ,如在有机质热演化成熟阶段一般形成致密页岩储层 ,该阶段生气强度较大 ,气源压力较高 ,生烃膨胀力等根缘气成藏过程中的一系列作用力发挥主要作用 。后期构造抬升条件下可形成常规裂缝页岩储层 ,此时生气终止或暂停 ,气源压力降低 ,生烃膨胀力消失 ,浮力等常规储层气成藏过程中的一系列作用力发挥主要作用 。特定的储集物性条件与相应的气源压力相匹配时 ,页岩气藏中游离气便具有了与根缘气或常规储层气相似的作用力类型 。1.1.2 吸附态天然气作用力类型页岩吸附包括物理吸附和化学吸附两种 ,通常所指的吸附是一种可逆的物理吸附过程 ,即有机质颗粒及岩石矿物表面分子通过范德华力 (分子间作用力 )吸引周围的气体分子[16]。分子间同时存在着引力和斥力 ,所表现的总的作用力是这两个力的合力 (图1)。引力和斥力都随分子间距离的增大而减小 ,随分子间距离的减小而增大 ,且斥力比引力变化更快 。当r=r0时 ,f引 =f斥,分子力F=0;当r<r0时 ,f引 <f斥,分子力F为斥力 ;当r>r0时 ,f引 >f斥,分子力F为引力 ;当r>10r0时 ,f引、f斥迅速减小为0,范德华力可以忽略不计 。实际情况下 ,单个气体分子在岩石表面受到多个固体分子的作用力影响 ,其中把引力的合力抽象定义为吸附作用力 (F吸附),而把斥力的合力抽象定256     边瑞康,张金川 /地学前缘 (Earth Science Frontiers)2013,20(3)http://www.earthsciencefrontiers.net.cn 地学前缘,2013,20(3)图1 分子间作用力示意图Fig.1 Sketch map of intermolecular forces义为解吸作用力 (F解吸),其动力平衡方程为F吸附 =F解吸(3)当游离态气体分子在岩石表面附近所受吸附作用力大于解吸作用力时 ,气体分子被吸附到岩石表面 ,同时伴有吸附热的释放 。而当被吸附的气体分子所受的解吸作用力大于吸附作用力时 ,气体分子克服吸附应力场 ,吸收解吸热而解吸为游离气 。1.2 运移动力与成藏动力页岩气具有自生自储特点 ,与需要二次运移的天然气聚集不同 ,页岩气成藏不需要二次运移 ,天然气的运移和聚集均发生在页岩 (源岩 )层系内部 ,二次运移将对页岩气成藏起到不利作用 。因此 ,在研究页岩气动力特点时 ,需要界定两个概念 ,一个为运移动力 ,一个为成藏动力 。本文中 ,界定运移动力为使天然气脱离源岩和远离源岩的作用力 ,其参照对象为源岩 ,而成藏动力则为使天然气运移并保存在“圈闭 ”内从而形成天然气富集的作用力 ,其参照对象为 “圈闭 ”或 “气藏 ”(图2)。图2 运移动力 (a)与成藏动力 (b)示意图Fig.2 Sketch map of migration force(a)and accumulation force(b)主要类型天然气按运聚特点大致可以划分为两种聚集模式 :一种为源储独立的聚集模式 ,如常规储层气和根缘气 ;另一种为源储一体的聚集模式 ,如页岩气和煤层气 。在源储独立的聚集模式下 ,天然气成藏需要二次运移 ,气体脱离源岩向圈闭运移[17],因此运移动力和成藏动力方向一致 。而在源储一体的聚集模式下 ,天然气成藏不需要远距离的运移 ,只需要在源岩内部富集即可[18-19],气体脱离源岩则造成气藏气体的散失 ,因此其运移动力和成藏动力方向相反 。2 成藏动力平衡方程当一套页岩层系处于不同热演化阶段和构造条件时 ,由于生气强度不同 ,天然气的作用力不尽相同 ,而即便是同一类作用力 ,当源岩内物性条件发生变化时 ,其对页岩气成藏所起的作用效果也有不同 。因此 ,在研究页岩气成藏动力平衡时 ,有必要对页岩气成藏进行阶段划分 ,从而对不同成藏阶段页岩气的成藏动力特点和天然气的运移动力特点进行具体描述 。根据页岩热演化程度 、生气强度 、构造条件和物性条件等 ,将页岩气成藏划分为4个阶段 (表1),并且假设每个阶段页岩的生气强度保持不变 ,物性条件分布均匀 ,在此假设前提下 ,天然气在某一阶段所受作用力类型和运移方式将保持一致 。而在实际地质条件下 ,一套页岩层系的成藏动力特点要复杂得多 ,可能跨越多个成藏阶段 。(1)第一阶段 。该阶段是天然气生成的最初阶段 ,页岩处于低成熟阶段 ,生气量规模较小 ,主要由生物作用所产生的天然气首先满足有机质和岩石颗粒表面吸附的需要 。裂缝在该阶段极少发育 ,当吸附气量达到饱和时 ,剩余的天然气将主要以游离相填充在页岩孔隙之中 ,由于没有切穿页岩层系的大型断裂产生 ,游离气极少运移至页岩之外 。此时所形成的页岩气分布限于页岩内部且以吸附状态为主要赋存方式 ,总体含气量有限 。该阶段 ,天然气受力平衡主要集中在吸附作用与解吸作用之间 。但由于游离气极少运移至页岩之外 ,而是全部赋存在页岩之内构成页岩气的一部分 ,因此 ,该阶段内 ,吸附作用力与解吸作用力并不能被赋予页岩气形成动力与阻力的角色 ,而只能充当页岩气赋存状态转换的一组平衡作用力 。但对于天然气运移过程而言 ,天然气只有从页岩表面解吸出来才能进入下一阶段的运移过程 ,因此 ,吸附作用力成为天然气运移的阻力 ,而解吸作用力成为天然气运移的动力 ,天然气运移方式主要为扩散式 ,运移动力平衡方程为-F吸附 +F解吸 =0(4)(2)第二阶段 。页岩进入成熟阶段 ,天然气大量生成 ,生烃膨胀力开始发挥作用 ,导致地层压力进一步升高 ,高异常地层压力促使页岩中产生一系列裂缝 ,这些裂缝沟通微孔隙 ,形成裂缝型运移通道 。裂缝发育初期 ,相对较小的地层压力只能使源岩内部形成微裂缝 ,这些裂缝规模较小 ,仅在页岩内部发育 ,边瑞康 ,张金川 /地学前缘 (EarthScience Frontiers)2013,20(3)257 http://www.earthsciencefrontiers.net.cn 地学前缘,2013,20(3)表 1页岩气成藏阶段划分Table 1 Shale gas accumulation stages成藏阶段热演化程度生气强度断裂发育程度物性条件主要赋存状态储集空间 作用力类型运移方式一 低成熟 弱 不发育 好 吸附 、游离有机 质 和 矿 物 表面 、微孔吸附作用力 、解吸作用力 扩散二 成熟 强 层内微裂缝 差 游离 、吸附微裂 缝 、微 孔 、有机质和矿物表面生烃膨胀力 、毛细管压力 、上覆连 续 水 柱 重 力 、吸 附 作 用力 、解吸作用力活塞 、扩散三 高成熟 高峰 层间断裂 好 游离 、吸附裂缝 、微 孔 、有 机质和矿物表面生烃膨胀力 、毛细管压力 、吸附作用力 、解吸作用力置换 、扩散四生气终止或暂停弱 层间断裂 好 吸附 、游离有机 质 和 矿 物 表面 、裂缝 、微孔吸附作用力 、解吸作用力 、浮力 、连续气柱重力 、毛细管压力 、动水头压力扩散 、置换没有切穿页岩层系 。此时 ,吸附作用与解吸作用在一定地层压力下达到平衡 ,游离气含量逐渐增加并超越吸附气含量 ,在生烃膨胀力作用下克服微孔隙 、微裂缝的毛细管压力和上覆静水柱压力而进行运移 。一般情况下 ,页岩与砂岩经常互层出现 ,且多为粉-细砂岩类 ,具有低孔低渗特点 ,它限定了天然气的运移方式主要为活塞式特点 。这种气水排驱方式从页岩开始并向致密砂岩中推进 ,整套页岩层系表现为普遍的饱含气性 。若地层中的砂岩含量逐渐增多并逐步转变为以致密砂岩为主 ,则页岩气聚集逐渐改变为根缘气聚集[20]。该阶段 ,天然气存在两种受力平衡 ,一种为吸附作用力与解吸作用力之间的平衡 ,另一种为生烃膨胀力与毛细管压力加上覆静水柱压力之间的平衡 。但由于天然气仍然没有脱离页岩层系 ,因此对于页岩气形成而言 ,两种平衡力中的分力没有动力和阻力之分 ,而是赋存状态 (吸附作用力-解吸作用力导致 )和赋存位置 (生烃膨胀力-毛细管压力导致 )转换的平衡作用力 。对于天然气运移过程而言 ,解吸作用力和生烃膨胀力成为天然气运移的动力 ,而吸附作用力 、毛细管压力和静水柱压力成为天然气运移的阻力 ,运移方式主要为扩散式和活塞式 ,运移动力平衡方程为-F吸附 +pe+F解吸 -pc-ρwgh1=0(5)(3)第三阶段 。页岩进入高成熟阶段 ,天然气生成进入高峰期 ,地层压力进一步升高 ,断裂发育程度加深 ,大型断裂开始发育并切穿页岩层系 ,游离气含量持续增加并开始 “逃逸 ”。“逃逸 ”初期 ,天然气在生烃膨胀力作用下向页岩外运移 ,此时 ,对于页岩气形成而言 ,吸附作用力和毛细管压力成为成藏动力 ,而解吸作用力和生烃膨胀力成为成藏阻力 ,成藏动力平衡方程为F吸附 -pe-F解吸 +pc=0(6)对于天然气运移过程而言 ,解吸作用力和生烃膨胀力成为天然气运移的动力 ,吸附作用力和毛细管压力成为天然气运移的阻力 ,运移方式主要为扩散式和置换式 ,运移动力平衡方程为-F吸附 +pe+F解吸 -pc=0(7)(4)第四阶段 。页岩进入生气末期 ,生气量急剧下降或生气停止 ,生烃膨胀力基本消失 ,地层压力开始下降 。游离气含量大幅减少 ,与吸附气含量大致相当 。此时 ,游离气在浮力作用下克服重力和毛细管压力沿断裂向页岩层外行置换式运移 。由于游离气量大幅减少 ,吸附气开始解吸而向游离气转变 。此时 ,吸附作用力 、重力和毛细管压力成为页岩气形成的动力 ,而解吸作用力和浮力成为成藏阻力 ,成藏动力平衡方程为F吸附 +ρg(h2-h1)-F解吸 +pc-ρwg(h2-h1)±ρwgΔh=0(8)对于天然气运移过程而言 ,解吸作用力和浮力成为天然气运移的动力 ,吸附作用力 、重力和毛细管压力成为天然气运移的阻力 ,运移方式主要为扩散式和置换式 ,运移动力平衡方程为-F吸附 -ρg(h2-h1)+F解吸 -pc+ρwg(h2-h1)±ρwgΔh=0(9)综上所述 ,在不同成藏阶段 ,各类型作用力对页岩气的形成具有不同的贡献作用 ,将各类型作用力进行综合 ,并对不同类型作用力赋予权重系数 ,通过权重系数的变化来表示某类作用力对页岩气成藏的258     边瑞康,张金川 /地学前缘 (Earth Science Frontiers)2013,20(3)http://www.earthsciencefrontiers.net.cn 地学前缘,2013,20(3)表 2页岩气各成藏阶段成藏动力平衡方程汇总表Table 2 Shale gas accumulation dynamic equations in each accumulation stage成藏阶段权重系数a  b  c  d  e  f  i成藏动力平衡方程一 0000000二 0000000三 0 -10  0  1  0  0 F吸附 -pe-F解吸 +pc=0四 10  1 -1  1 -1  1 F吸附 +ρgg(h2-h1)-F解吸 +pc-ρwg(h2-h1)±ρwgΔh=0注 :a、b、c、d、e、f、i分别为吸附作用力、生烃膨胀力 、连续气柱重力 、解吸作用力 、毛细管压力和气柱底界静水柱压力和气柱顶界静水柱压力的权重系数 ,可取 -1、0和 1。表 3天然气在页岩气各成藏阶段的运移动力平衡方程汇总表Table 3 Natural gas migration dynamic equations in each accumulation stage of shale gas成藏阶段权重系数a  b  c  d  e  f  i运移动力平衡方程一 -10  0  1  0  0  0 -F吸附 +F解吸 =0二 -11  0  1 -1  0 -1 -F吸附 +pe+F解吸 -pc-ρwgh1=0三 -11  0  1 -1  0  0 -F吸附 +pe+F解吸 -pc=0四 -10 -1  1 -1  1 -1 -F吸附 -ρgg(h2-h1)+F解吸 -pc+ρwg(h2-h1)±ρwgΔh=0注 :a、b、c、d、e、f、i分别为吸附作用力、生烃膨胀力 、连续气柱重力 、解吸作用力 、毛细管压力 、气柱底界静水柱压力和气柱顶界静水柱压力的权重系数 ,可取 -1、0和 1。作用效果 ,即有公式 :aF吸附 +bpe+cρg(h2-h1)+dF解吸 +epc+fρwgh2+iρwgh1±ρwgΔh=0(10)式中a、b、c、d、e、f、i分别为各类作用力的权重系数 。式 (10)即为页岩气成藏动力平衡方程通式 ,各类作用力在页岩气不同成藏阶段的作用可以用权重系数的取值来体现 。权重系数可取-1、0和1,-1代表该作用力在特定成藏阶段为成藏阻力 ,0代表该作用力在特定成藏阶段不起任何作用 ,1代表该作用力在特定成藏阶段为成藏动力 。页岩气在各成藏阶段的权重系数取值及成藏动力平衡方程见表2。此外 ,该通式也可以表示天然气在页岩气各成藏阶段的运移动力平衡关系 (表3)。3 结论吸附加游离的成藏方式导致页岩气在作用力类型方面比单一的游离气藏更为复杂 ,既包括可能的游离态天然气作用力类型 ,也包括吸附态天然气的作用力类型 。特定的储集物性条件与相应的气源压力相匹配时 ,页岩气藏中游离气便具有了与根缘气或常规储层气相似的作用力类型 ,包括生烃膨胀力 、连续气柱顶界静水柱压力 、连续气柱底界静水柱压力 、连续气柱重力和毛细管压力和动水头压力等 。而造成气体分子在有机质颗粒及岩石矿物表面进行吸附与游离相态转换的作用力类型则为吸附作用力和解吸作用力 。天然气动力类型存在运移动力与成藏动力的区别 。在源储独立的聚集模式下 ,天然气成藏需要二次运移 ,气体脱离 、远离源岩向圈闭运移 ,因此运移动力和成藏动力方向一致 ;而在源储一体的聚集模式下 ,天然气成藏不需要远距离的运移 ,只需要在源岩内部富集即可 ,气体脱离源岩则造成气藏气体的散失 ,因此其运移动力和成藏动力方向相反 。根据页岩热演化程度 、生气强度 、构造条件和物性条件等 ,将页岩气成藏划分为4个阶段 ,对每个阶段页岩气的成藏 (运移 )动力特点进行了分析 ,并依据各阶段成藏 (运移 )动力特点建立了相应的成藏(运移 )动力平衡方程 。综合各类型作用力在不同成藏阶段对页岩气形成的贡献作用 ,通过权重系数的赋值来表示不同作用力对页岩气成藏的作用效果 ,从而得到页岩气成藏动力平衡方程通式 。此外 ,该通式也可以表达页岩气不同成藏阶段天然气运移的动力平衡方程 。边瑞康 ,张金川 /地学前缘 (EarthScience Frontiers)2013,20(3)259 http://www.earthsciencefrontiers.net.cn 地学前缘,2013,20(3)参考文献[1]张金川 ,唐玄 ,边瑞康 ,等 .游离相天然气成藏动力连续方程 [J].石油勘探与开发 ,2008,35(1):73-79.[2]金之钧 ,张金川 ,王志欣 .深盆气成藏关键地质问题 [J].地质论评 ,2003,49(4):400-407.[3]张金川 ,林腊梅 ,李玉喜 ,等 .页岩气资源评价方法与技术 :概率体积法 [J].地学前缘 ,2012,19(2):184-191.[4]丁文龙 ,李超 ,李春燕 ,等 .页岩裂缝发育主控因素及其对含气性的影响 [J].地学前缘 ,2012,19(2):212-220.[5]Curtis J B.Fractured shale gas systems[J].AAPG Buletin,2002,86(11):1921-1938.[6]Bowker K A.Barnett shale gas production,Fort Worth Basin:Is-sues and discussion[J].AAPG Buletin,2007,91(4):523-533.[7]聂海宽 ,唐玄 ,边瑞康 .页岩气成藏控制因素及中国南方页岩气发育有利区预测 [J].石油学报 ,2009,30(4):484-491.[8]聂海宽 ,包书景 ,高波 ,等 .四川盆地及其周缘下古生界页岩气保存条件研究 [J].地学前缘 ,2012,19(3):280-294.[9]Berg R 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