天然气地质学

柴达木盆地北缘腹部侏罗系烃源岩热演化特征及其对油气成藏影响

  • 韩杨 , 1, 2 ,
  • 高先志 , 1, 2 ,
  • 周飞 3 ,
  • 王波 3 ,
  • 朱军 3 ,
  • 段立锋 3
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  • 1. 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249
  • 2. 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
  • 3. 中国石油青海油田分公司勘探开发研究院,甘肃 敦煌 736202
高先志(1963-),男,山东荣城人,教授,博士生导师,主要从事石油地质与勘探等研究与教学工作.E-mail:.

韩杨(1994-),男,新疆克拉玛依人,硕士研究生,主要从事油气地质研究.E-mail:.

收稿日期: 2019-11-05

  修回日期: 2019-12-10

  网络出版日期: 2020-03-26

Thermal evolution of Jurassic source rocks and their impact on hydrocarbon accumulation in the northern margin of Qaidam Basin, NW China

  • Yang HAN , 1, 2 ,
  • Xian-zhi GAO , 1, 2 ,
  • Fei ZHOU 3 ,
  • Bo WANG 3 ,
  • Jun ZHU 3 ,
  • Li-feng DUAN 3
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  • 1. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China
  • 2. College of Geosciences, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China
  • 3. Research Institute of Exploration & Development of Qinghai Oilfield Company, PetroChina, Donghuang 736202, China

Received date: 2019-11-05

  Revised date: 2019-12-10

  Online published: 2020-03-26

Supported by

The Major Science and Technology Projects of China National Petroleum Corporation(2016E-0102)

本文亮点

侏罗系烃源岩为柴达木盆地北缘(下文简称柴北缘)腹部重要的烃源岩层系,但对其复杂的生烃演化尚未有系统的认识。在钻井、地震及分析测试等资料的基础上,应用PetroMod盆地模拟软件,根据EASY%R O模型,恢复了研究区内不同构造单元侏罗系烃源岩热演化史,分析不同生烃凹陷的差异热演化特征,为柴北缘腹部地区下一步油气勘探提供重要依据。研究表明:侏罗系烃源岩热演化程度自西向东逐渐降低,西南部昆特依凹陷、伊北凹陷的下侏罗统烃源岩在古近纪初期进入成熟阶段,古近纪末期达到生烃高峰;东北部赛什腾凹陷的中侏罗统烃源岩在上新世晚期进入生烃门限,现今仍处于生烃高峰末期。柴北缘腹部构造带总体经历了燕山运动末期和喜马拉雅运动末期2个关键成藏期,根据历史生烃时期与构造样式的匹配关系,认为冷湖七号地区为下一步勘探有利区带。

本文引用格式

韩杨 , 高先志 , 周飞 , 王波 , 朱军 , 段立锋 . 柴达木盆地北缘腹部侏罗系烃源岩热演化特征及其对油气成藏影响[J]. 天然气地球科学, 2020 , 31(3) : 358 -369 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2019.12.013

Highlights

Jurassic strata is the most important source rock in the center of north margin of Qaidam Basin, which was still lack of systematic research in their complex hydrocarbon evolution process. On the basis of drilling data, seismic data and testing data, the model of EASY% R O was used to recover the thermal evolution history of Jurassic source rocks in different structural units of the study area and analyze the thermal evolution difference of source rock in different hydrocarbon sag, in order to provide important evidences for the next hydrocarbon exploration in the center of northern margin of Qaidam Basin. Research shows that the thermal evolution degree of Jurassic source rock decreased gradually from west to east. The Lower Jurassic source rock of Kunteyi and Yibei sags in the southwest entered the hydrocarbon generation threshold in the Early Paleogene and reached the peak in the Late Paleogene. The Middle Jurassic source rock of Saishiteng in northeast entered the hydrocarbon generation threshold in the Late Pliocene and is still at the peak now. The center of north margin of Qaidam Basin underwent the two key accumulation periods including Late Yanshanian and Late Himalayan. According to the matching relationship between the historical hydrocarbon generation time and tectonic style, it is clear that the Lenghu No.7 area is the next favorable exploration area.

0 引言

柴达木盆地历经数十年勘探,在北缘腹部地区相继发现冷湖三号—冷湖五号油气田,表明了该区良好的油气勘探前景[1,2]。由于区内主力生烃凹陷昆特伊凹陷、伊北凹陷和赛什腾凹陷至今仍处于低勘探程度阶段,对该区烃源岩的研究多集中在西北缘牛东、冷湖等构造高部位地区[3,4,5,6],缺乏整体认识。随着勘探程度的不断深入,不同构造带内烃源岩生排烃史与构造演化史的匹配关系成为目前亟待解决的问题。本文研究采用盆地模拟技术,对该区烃源岩进行不同时期的差异热演化特征研究,相较于传统勘探手段,该技术能够更为直观地反映全区不同构造单元内烃源岩热演化阶段与构造形成在时空上的匹配关系,为腹部构造带勘探目标选择及资源量预测提供重要依据。

1 区域地质概况

柴达木盆地位于青藏高原北部,是以前侏罗纪地层为基底形成的中、新生代陆内沉积盆地,其四周被祁连山脉、阿尔金山脉和昆仑山脉包围[7]。腹部构造带位于盆地北部,以阿尔金山斜坡带及赛什腾山前带为界(图1),南接一里坪凹陷,东邻南八仙断裂带。次级构造单元整体上呈北西—南东向展布的“三排”构造格局,隆起、凹陷带相间发育,主要包括潜伏构造带、冷湖构造带、鄂博梁构造带及昆特伊凹陷、伊北凹陷和赛什腾凹陷[8]。区内侏罗系、古近系以及新近系均有发育,未见白垩系。侏罗系以冷湖构造带为界,西部发育下侏罗统,在昆特依凹陷—伊北凹陷沉积最厚,厚度可达2 400 m;东部发育中侏罗统,在赛什腾凹陷沉积最厚,厚度可达1 000 m,层内的暗色泥岩主要是来源于侏罗纪的湖相和湖沼相沉积[9],发育下侏罗统(J1)和中侏罗统(J2)2套湖相煤系烃源岩[10]
图1 柴北缘研究区范围构造单元划分和地层综合柱状图[11]

Fig.1 The study area and tectonic unit distribution and synthetical stratum histogram of the northern margin of Qaidam Basin[11]

2 烃源岩地球化学特征

有机质类型、有机质丰度和成熟度等特征是烃源岩研究的重要地球化学指标[12,13]。研究区下侏罗统的109个烃源岩样品的TOC值主要分布在0.4%~59.5%之间,镜质体反射率(R O)值主要分布在1.1%~3.0%之间,生烃潜量(S 1+S 2)值主要分布在0.5~32.3 mg/g之间,最高峰温(T max)值主要分布在421~450 ℃之间,氢指数(I H)主要分布在20~996 mg/g之间,降解潜率(D)主要分布在1.8%~85%之间,产油潜率(PG)主要分布在0.1~174.6 mg/g之间,有机质类型以II2型和III型为主。中侏罗统的58个烃源岩样品的TOC值主要分布在0.5%~70.4%之间,镜质体反射率(R O)值主要分布在0.7%~2.0%之间,生烃潜量(S1+S2)值主要分布在0.5~42.7 mg/g之间,最高峰温(T max)值主要分布在414~448 ℃之间,氢指数(I H)主要分布在16~806 mg/g之间,降解潜率(D)主要分布在1.4%~69%之间,产油潜率(PG)主要分布在0.4~183.1 mg/g之间,有机质类型主要为II1型和II2型(图2)。总体来说,柴北缘腹部地区侏罗系烃源岩整体为中等—好的烃源岩,具备良好的生烃潜力。
图2 研究区烃源岩地球化学特征

(a) T max—D(降解潜率)烃源岩类型分类图版;(b) T maxI H烃源岩类型分类图版;(c) 生烃潜量(S1+S2)烃源岩评价图版;(d) 总有机碳频率直方图

Fig.2 Lithofacies and geochemical characteristics of the Jurassic strata

3 模拟原理及参数优选

研究区主力生烃凹陷为昆特伊凹陷、伊北凹陷及赛什腾凹陷,皆处于低勘探程度阶段,缺乏钻井资料。本文研究主要应用PetroMod盆地模拟软件对烃源岩热演化史进行模拟,所需参数主要为地层格架、岩石热导率、大地热流、古水深及古—今地表温度。其中,采用地震层位解释,克里金插值等地球物理方法建立研究区地层格架[14,15,16,17],结合录井地质资料及前人研究成果[18,19]使用软件内置岩性模块对各层混合岩性进行定义。

3.1 基本原理

目前国内外研究热史的方法主要为地球动力学模型法、古温标法及两者不同程度上结合的综合方法。结合上述2种方法,采用目前最为普及的EASY%R O模型[20,21],根据相关化学反应动力学参数,结合沉积埋藏史和不同时期大地热流值计算R O值,并与实测值进行对比,通过调整参数使之与实测值基本一致,具体表达式为:
R O = exp (-1.6+3.7Fk ) (k = 1,2,3…)
式中:R O(%)为拟合计算值;Fk为地层底界面第k个埋藏点的化学反应程度,取值为0~0.85[21]
根据中下侏罗统分布范围及单井实测数据,拟合计算出2套较为合理的R O—深度曲线[图3(a), 图3(b)]。现今地温特征分布曲线则由实测地热数据确定[图3(c)—图3(f)],不同构造带稍有差异,总体地温梯度为28~31 ℃/km。
图3 研究区实测R O、温度与模拟值拟合曲线

(a)昆特依—伊北凹陷及其周缘地区R O—深度曲线;(b)赛什腾凹陷及其周缘地区R O—深度曲线;(c)冷湖七号温度—深度曲线;(d)冷湖四号、冷湖五号温度—深度曲线;(e)鄂博梁I号—牛东地区温度—深度曲线;(f)鄂博梁III号温度—深度曲线

Fig.3 Fitting of the measured and the simulated values of R O, temperature

3.2 断层分布与抬升剥蚀

腹部构造带历史上经历多期构造抬升剥蚀,其中,晚期燕山运动对该区油气资源影响最大 [22],该时期的构造抬升造成了现今侏罗系整体构造分布格局。黄捍东等[23]和牟中海等[24]应用地震剖面法和镜质体反射率(R O)法作为剥蚀厚度的主要恢复方法,同时结合地层对比法、声波时差法等,对该区中生界进行了剥蚀厚度定量恢复。其中,镜质体反射率R O法作为剥蚀厚度恢复的主要研究方法,从典型单井能够估算出中生界与新生界之间的剥蚀厚度大小(图4)。
图4 镜质体反射率法恢复柴北缘腹部剥蚀厚度(以冷科1井为例)

Fig.4 Denuded strata thickness restoration of the Jurassic by vitrinite reflectance (R O) method in the northern margin of Qaidam Basin (such as Well LK1)

根据地震剖面特征也可观察到,中生界与新生界之间存在广泛的角度不整合和平行不整合,表现为凹陷由内向外剥蚀程度不断增强,背斜部位顶部表现有不同程度削蚀。应用地震剖面法能够较好地对区内中生界剥蚀厚度进行恢复(图5)。
图5 柴北缘腹部典型不整合特征及剥蚀厚度恢复方法(据黄捍东等[23]修改)

Fig.5 Typical unconformity of Jurassic strata in the northern margin of Qaidam Basin and methods for restoration of erosion thickness (modified by HUANG et al.[23]

根据上述方法,本文选取区内不同构造单元的4口重点探井,根据前人研究成果,对地层剥蚀厚度进行统计,并结合钻井、测井资料进行校正(表1)。
表1 重点单井主要地层剥蚀厚度恢复

Table 1 Estimation of erosion thickness of the main formations in 4 key wells in Qaidam Basin

井号 横坐标 纵坐标 J剥蚀厚度/m N剥蚀厚度/m
N105 16 482 858 4 297 387 600 1 450
LK1 16 529 947 4 270 686 660 1 600
LL1 16 546 454 4 245 698 350 650
XX1 16 577 007 4 221 864 300 300
断层则为另一项较为重要的模拟参数,研究区断层识别主要根据地震构造解释,通过评价断层侧向封闭性可知,现今断层多处于封闭状态[25],且能够明显观察到浅层断层及深层逆断层的双层分布样式。

3.3 边界条件

烃源岩演化所需的边界条件主要包括沉积水界面温度、大地热流及古水深。沉积时水界面温度(SWIT)可根据全球平均地表温度模板在PetroMod软件内进行标定。研究区大地热流主要结合前人研究成果,邱楠生[26]和张旺[27]分别对柴达木盆地西部和东部地区古地温及大地热流特征进行研究,李宗星等[28]根据岩石热导率,结合实测地温场资料综合分析了研究区现今大地热流。本文根据全国大地热流汇编(第四版)[29]及前人研究成果,确定盆地现今大地热流主要为55.1±7.9 mW/n2,在区内总体呈现出“西高东低”的分布格局。
古水深主要依据地层沉积历史和海平面升降历史进行估计。早侏罗世,研究区生烃凹陷为一里坪地区,沉积环境以滨浅湖为主,古水深为0~40 m。至中侏罗世,沉积中心向东迁移,沉积相以滨浅湖—半深湖—深湖为主,古水深为0~80 m。古近系与新近系岩性变化较大,区内主要可分为西北部鄂博梁—冷湖—潜西地区及东南部冷湖七号—南八仙构造带,新生代沉积期间主力生烃凹陷各地层的古水深多在0~20 m。

4 模拟结果分析

4.1 单井热演化史

为进一步对研究区内不同构造带烃源岩差异热演化特征进行研究,选取研究区重点单井冷科1井、仙西1井,以及分别位于3大凹陷深部的虚拟单井(表2)进行热演化史恢复研究。
表2 模拟井坐标及研究区内构造位置

Table 2 Virtual wells’ coordinates and structural locations in the work area

井位 横坐标 纵坐标 构造带
模拟1井 16 505 392.2 4 262 036 昆特依凹陷
模拟2井 16 549 611.7 4 218 055 伊北凹陷
模拟3井 16 572 974.5 4 234 521 赛什腾凹陷
热演化模拟结果表明,冷科1井[图6(a)]所在的冷湖构造带西北部,烃源岩在渐新世末进入生烃门限(R O=0.5%),中新世末演化至成熟阶段(R O=1.0%),现今处于生油高峰末期。仙西1井[图6(b)]所在的冷湖构造带东南部,烃源岩在中新世末期进入生烃门限(R O=0.5%),现今处于生油高峰期(R O=1.0%),但受制于厚度和分布特征,不利于持续生排烃。
图6 柴北缘腹部构造带侏罗系烃源岩单井热演化史

Fig.6 Thermal history of the source rock in the Jurassic Formation in the center of northern of Qaidam Basin

典型模拟井建立在昆特依凹陷、伊北凹陷及赛什腾凹陷南缘的深部[图6(c)—图6(e)],结合研究区构造背景,明确了侏罗系烃源岩热演化的4个关键时期:早始新世末期,主力生烃凹陷内的烃源岩普遍进入生烃门限;中新世早期,下侏罗统烃源岩进入生烃高峰;中新世末期,中侏罗统烃源岩进入生烃高峰;演化至今,昆特伊—伊北凹陷的下侏罗统烃源岩已经进入生烃枯竭期,赛什腾凹陷内中侏罗统烃源岩处于生烃高峰末期。单井模拟结果展示了不同构造带历史上的烃源岩差异热演化特征,即根据生烃高峰时期由早到晚依次为:伊北凹陷、昆特伊凹陷、赛什腾凹陷、各背斜构造带。

4.2 烃源岩平面热演化特征

本文研究对研究区内48口探井及模拟井的烃源岩热演化结果进行统计和计算,应用PetroMod盆地模拟软件建立关键时期烃源岩热演化模型(图7),进一步对腹部构造带各主力生烃凹陷在时空上的演化特征的差异性进行比较。模拟结果表明:历史上各时期区内烃源岩热演化程度皆呈“西高东低”的趋势,与盆地内大地热流、侏罗系地层埋藏厚度分布趋势十分符合。
图7 柴达木盆地腹部构造带侏罗系烃源岩4个关键时期热演化史

(a) 45 MA; (b) 22 MA; (c) 8.1 MA; (d) 现今

Fig.7 Thermal evolution of four key periods of the source rock in the Jurassic Formation in the center of

northern margin of Qaidam Basin

柴北缘腹部地区油气皆来源于三大主力生烃凹陷,对单井及三维模型的烃源岩热演化史模拟结果统计发现,各构造单元侏罗系烃源岩进入各演化阶段的时期存在差异(表3)。
表3 三大生烃凹陷进入各生烃演化阶段的时期

Table 3 The period of the three hydrocarbon-generating depressions entering the evolution stage of each hydrocarbon generation

构造单元 生烃门限 生油门限 湿气门限 干气门限
R O>0.5% R O=0.5%~1.2% R O=1.2%~2.0% R O>2.0%
伊北凹陷 K E1+2 E3 2 N2 1
昆特伊凹陷 E1+2 E3 2 N1 N2 1
赛什腾凹陷 N1 N2 2 N2 3 Q

4.2.1 昆特依凹陷—伊北凹陷

昆特依凹陷和伊北凹陷主要发育下侏罗统烃源岩,其中,埋深、厚度等生烃配置更好的伊北凹陷,相较昆特伊凹陷更早进入生烃门限。烃源岩模拟结果表明,下侏罗统烃源岩总体在白垩纪末期进入低成熟阶段(R O>0.5%);始新世末期进入成熟生油阶段(R O=0.5%~1.2%);渐新世末期进入高成熟生湿气阶段(R O=1.2%~2.0%);烃源岩在中新世普遍处于过成熟生干气阶段(R O>2.0%);现阶段昆特依—伊北凹陷大部分区域已进入生烃枯竭期(R O>3.0%),仅可生成部分裂解气。

4.2.2 赛什腾凹陷

中侏罗统烃源岩主要分布于赛什腾凹陷,相比于下侏罗统烃源岩,中侏罗统烃源岩具有类型好、丰度高,以及成熟阶段与现今构造更匹配的特点。烃源岩热演化模拟结果表明,赛什腾凹陷烃源岩在古近纪末期进入低成熟阶段(R O=0.5%);中新世末期进入成熟生油阶段(R O=0.5%~1.2%);新近纪末期进入高成熟生湿气阶段(R O>1.2%);现阶段凹陷内烃源岩仍处于生烃高峰末期(R O=1.7%~2.0%),具有一定生烃潜力。

5 烃源岩热演化对不同构造带油气成藏的影响

腹部构造带历史上受多期区域性构造活动影响,成藏因素十分复杂,不同地区储盖分布特征存在差异。控制区内油气运聚的因素主要包括油源断层分布、储盖组合配置条件以及压力分布情况[30,31]。研究区内主要发育路乐河组(E1+2)和下干柴沟组上段(E3 2)2套优质砂体,分别与下干柴沟组下段(E3 1)及上干柴沟组(N1)区域性盖层形成良好储盖组合[32,33]。油源断层多为深部断层,可作为良好的油气垂向运移通道,侧向输导以层内砂体为主 [34]。同时,断层遮挡也在成藏过程中起到重要作用。烃源岩成熟时期与构造演化匹配结果表明:古近纪末期(22 Ma)和新近纪末期(2.5 Ma)为区内成藏关键时期。
为了进一步研究烃源岩热演化阶段对不同构造带油气成藏的影响,本文选取过鄂博梁I号—昆特伊凹陷—冷湖五号剖面(A—A′)和过鄂博梁III号—伊北凹陷—冷湖七号2条剖面(B—B′),进行油气运聚模拟分析。
数值模拟是油气运聚分析的重要手段,根据模拟方法的侧重点不同主要分为流体势数值模拟、渗流力学数值模拟和逾渗数值模拟[35]。由于渗流力学数值模拟方法在实际应用中对数据依赖性较强,在低勘探程度地区受限于资料匮乏而缺乏指导意义,因此本文研究中选用PetroMod中最新的流体势—逾渗模型综合模拟方法。该方法以流体势理论[36]为基础,即油气在运移过程中总是从高势区向低势区寻找最优路径,结合逾渗理论中的“驱替逾渗”原则[37],油气驱替在较大孔喉中优先发生,计算油气最优运移路径。
根据二维地震测线解释结果建立地层格架,综合地层压力变化和区内断裂活动特征,模拟出油气从烃源岩起,经历深层侧向运移和断裂垂向运移,运移至浅层圈闭的整个过程。模拟结果表明(图6),研究区内昆特伊凹陷、伊北凹陷、赛什腾凹陷内烃源岩热演化阶段的差异性对各构造单元的成藏作用有着不同程度的影响。
图8 柴北缘西段侏罗系烃源岩压力史及油气运移模拟剖面

Fig.8 Profiles of hydrocarbon migration modeling and pressure history for the source rock in the Jurassic Formation in northern margin of Qaidam Basin

潜伏构造带位于赛什腾山前带,形成于中生代末期,燕山运动晚期构造抬升致使该区侏罗系完全被剥蚀,不具备生烃能力。潜伏构造带主要成藏时期为始新世,该时期冷湖构造带尚未形成,昆特依凹陷侏罗系烃源岩已进入生烃门限,液态烃由凹陷内运移至潜伏地区。古近纪末期,受到冷湖构造带遮挡的影响,该地区油气源变为东南部的赛什腾凹陷,油气通过断层遮挡作用在古近系聚集成藏。喜马拉雅运动对潜伏构造带影响最大,构造活动致使先存油气藏遭受严重破坏,同时浅部地层受到强烈抬升剥蚀,油气成藏配套条件较差,基本不具备勘探潜力。
鄂博梁构造带在古近纪尚未形成,区内油气运移过程中被遮挡并且部分聚集于先存正断层,通过断层和层内输导作用向阿尔金山前带的牛东地区聚集成藏。新近纪以来,鄂博梁构造带开始形成。此时,伊北凹陷烃源岩正处于热裂解生干气阶段,天然气受断层和区域盖层遮挡作用,在古近系聚集成藏。新近纪末,喜马拉雅运动晚期的构造抬升作用致使深部气藏发生二次运移至浅部地层,但由于未形成良好的储盖组合,致使油气漏失。因此,鄂博梁构造带仅在深部古近系具有成藏潜力。
冷湖构造带油气主要来源于昆特伊凹陷、伊北凹陷和赛什腾凹陷。古近纪末期,冷湖三号—冷湖五号构造带基本成型,冷湖七号构造带先存的正断层发生反转,发育宽缓背斜。此时,昆特依凹陷和伊北凹陷烃源岩处于高成熟阶段,油气在侏罗系内侧向运移,由断层垂向输导至凹陷斜坡带,最终在古近系背斜圈闭内聚集成藏。此后,油气持续由凹陷向山前带运聚。新近纪以来,昆特依凹陷和伊北凹陷烃源岩进入生烃枯竭期,仅生成少量原油裂解气,无法为冷湖三号—冷湖五号构造带持续供烃。而冷湖七号构造带北部的赛什腾凹陷正处于生烃高峰期,油气通过断层运移至浅层新近系背斜圈闭内聚集成藏。新近纪末期,喜马拉雅运动构造抬升致使冷湖构造带先存的油气藏遭受破坏,油气大量散失,同时,构造活动也使区内断层具有典型的双层分布样式。赛什腾凹陷此时依旧处于生烃高峰期,断层的输导作用使油气在冷湖七号深、浅层皆有不同程度的聚集成藏。由此可见,冷湖七号构造带各时期构造样式与不同凹陷生烃演化阶段最为匹配,油气持续供给充足,且具有良好的储盖组合和成藏条件,可作为下一步有利勘探目标。

6 结论

(1) 下侏罗统烃源岩多为II2型—III型,有机质丰度高,分布在昆特依凹陷—伊北凹陷,现今处于生烃衰竭期;中侏罗统烃源岩为II1型—II2型,生烃条件优于下侏罗统烃源岩,主力生烃凹陷为赛什腾凹陷,演化至今仍处于生烃高峰末期,具有一定生烃能力。
(2) 燕山运动末期和喜马拉雅运动末期的2次构造抬升剥蚀,造成盆地内侏罗系烃源岩东薄西厚的分布特征。构造形成时期与烃源岩的差异热演化模式表明,腹部构造带历史上存在古近纪末期和新近纪末期2个成藏关键时期。
(3) 鄂博梁地区构造形成时期较晚,浅部地层储盖组合较差,深部古近系具有一定成藏潜力;冷湖七号地区构造演化与历史生烃时期最为匹配,可作为下一步有利勘探区带。
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