CN115434678A - 稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验装置，包括，模型***，用于模拟稠油油藏注气吞吐生产结构，包括模型本体，模型本体为耐高温高压的三维物理模型本体，模型***还包括温控单元，温控单元包括第一加热瓦、第二加热瓦、温度监测***和温度监测调整装置；注入***，用于向模型***注入实验用气体或液体；压力保持***，用于对模型***施压以模拟稠油油藏压力衰竭过程，包括中间容器，中间容器上连接压力监控***；产出控制***，用于模拟稠油油藏产出控制结构，包括背压控制单元和油气分离单元；数据采集及控制***。本发明可以提高吞吐过程热损失与室内物模实验热损失的相似程度，提高吞吐过程流体运移描述可靠程度。
Description
技术领域
本发明涉及油田开发技术领域，尤其涉及一种稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验装置。
背景技术
蒸汽吞吐开发技术(Cyclic Steam Stimulation，CSS)是目前国内稠油开发的主体技术。其内涵在于短期内向地层中注入大量蒸汽，从而加热地层中的原油，并提高地层压力；待地层内的蒸汽热量全部释放到油藏中，开井生产，利用降压开采的方式采出地层流体。该方式简单可靠，适用范围广。
由于蒸汽吞吐要求短时间内压力快速上升和快速卸压，较大范围内的油藏都会受到压力扰动。衰竭生产阶段，生产井采出井筒附近的原油同时大范围的原油均向生产井附近流动，作为下一轮次吞吐生产的物质基础。正是因为吞吐过程中压力影响范围大，流体流动范围大，室内实验的小型模型难以模拟蒸汽吞吐生产的过程和特征，长期以来实验室缺乏吞吐过程的物理模拟方法和技术。
近年来开发的火烧吞吐技术，多介质吞吐技术，均是以吞吐技术作为载体。在吞吐的基础上，注入各种助剂，改善吞吐的生产效果。其过程和蒸汽吞吐类似，生产特征与吞吐完全一致。因而室内实验技术不能完全描述各吞吐技术的特征。
现有技术中存在一种稠油油藏注气吞吐采油物理模拟实验装置和方法，其模型本体的长度为1.5m，模型本体由内径分别为2.54cm、9cm、16cm、9cm、2.54cm的五根等长的岩心管通过密封法兰依次串接而成，该发明能够在一定程度上体现地层弹性能量的作用特征。但是地层流体在吞吐过程中的径向流动特征和一维管实验的流动特征差异巨大。该实验设备没有考虑到在流体扩展运移和压力传导方面的特征，因而只能开展定性的一维的吞吐实验，不能对地层进行定量描述。
因此，为了解决现阶段蒸汽吞吐物理模拟过程面临的问题，需要研发一种与蒸汽吞吐特征相适应的，适应室内物理模拟实验要求的实验装置工艺，为各种吞吐方式的准确描述和模拟提供技术支撑。
由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验装置，以解决现阶段蒸汽吞吐物理模拟过程面临的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验装置，该装置可以提高吞吐过程热损失与室内物模实验热损失的相似程度，提高吞吐过程流体运移描述可靠程度。
本发明的目的是这样实现的，一种稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验装置，包括，
模型***，用于模拟稠油油藏注气吞吐生产结构，包括模型本体，所述模型本体为耐高温高压的三维物理模型本体，所述模型本体上设有角井，所述模型***还包括温控单元，所述温控单元包括所述模型本体的上壁呈同心环形设置的第一加热瓦和侧壁上呈板状设置的第二加热瓦，所述温控单元还包括温度监测***和温度监测调整装置，所述温度监测***设置于模型本体内部，温度监测调整装置与第一加热瓦和第二加热瓦电连接；
注入***，用于向模型***注入实验用气体或液体；
压力保持***，用于对模型***施压以模拟稠油油藏压力，包括与角井相连的中间容器，中间容器内充满气体，所述中间容器上连接压力监控***；
产出控制***，用于模拟稠油油藏产出控制结构，包括背压控制单元和油气分离单元，所述背压控制单元与所述模型本体连通，所述油气分离单元与所述背压控制单元连通；
数据采集及控制***，用于采集稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验的数据信息且能控制所述模型***、所述注入***、所述压力保持***和所述产出控制***。
在本发明的一较佳实施方式中，所述第一加热瓦的功率计算方法如下：设定Ts为模型本体内部监测到设定位置的温度，单位为℃；Tr为油藏温度，单位为℃；α为盖层热扩散系数，单位为cm2/min；t为温度前缘与盖层接触的时间，单位为min；
为单位时间内热量损失量，即需要设定的加热瓦功率，单位为W；ql0为温度前缘扩展至监测位置的热损失速度，单位为W；t0为实验开始至温度前缘扩展至监测位置的时间，单位为min；λc为模型本体的壁面视导热系数，W/m℃；则：
在本发明的一较佳实施方式中，中间容器控制角井的压力，压力计算方法如下：
其中，P为角井处测量的压力，单位为MPa；Pwf为井底的回压，单位为MPa；Qf为周期结束时现场的产液量，单位为m3/min；Kf为实际地层渗透率，单位为D；hf为实际地层厚度，单位为m；Qm为周期结束时模型的产液量，单位为ml；Km为模型渗透率，单位为D；hm为模型厚度，单位为cm。
在本发明的一较佳实施方式中，所述注入***包括并联设置的气体注入单元、蒸汽注入单元和注剂注入单元，所述气体注入单元、所述蒸汽注入单元和所述注剂注入单元上连接有驱动单元，所述注剂注入单元与模型本体的进口端连通，所述气体注入单元和所述蒸汽注入单元均与模型本体的出口端连通。
在本发明的一较佳实施方式中，所述注剂注入单元包括注剂活塞容器，所述注剂活塞容器的两侧设置第一控制阀组；所述蒸汽注入单元包括蒸汽发生器，所述蒸汽发生器上连接第二控制阀组；所述气体注入单元包括注入气活塞容器，所述注入气活塞容器的两侧设置第三控制阀组。
在本发明的一较佳实施方式中，所述驱动单元包括计量泵和真空泵，所述计量泵分别通过第一控制阀组、第二控制阀组和第三控制阀组与注剂活塞容器、蒸汽发生器、注入气活塞容器连通；所述真空泵设置于模型本体的进口端。
在本发明的一较佳实施方式中，所述注剂注入单元包括地层水注入单元和原油注入单元，所述地层水注入单元和所述原油注入单元分别通过输液管路与模型本体的进口端连通；所述真空泵设置于模型本体的进口端的输液管路上；所述气体注入单元和所述蒸汽注入单元均通过输气管路与模型本体的出口端连通。
在本发明的一较佳实施方式中，所述背压控制单元包括背压活塞容器和回压阀，回压阀的输入端经由回压阀控制阀门与模型本体的出口端连通；所述油气分离单元包括串接的分离器和气体流量计，所述分离器通过管路与回压阀的输出端相连接。
在本发明的一较佳实施方式中，所述数据采集及控制***包括数据采集单元和数据处理单元，所述数据采集单元与所述模型本体相接，用于采集所述模型本体内的压力、温度及吞吐气体流量数据；所述数据采集单元通过数据线与所述数据处理单元相连接，所述数据处理单元用于实时监视和处理数据。
在本发明的一较佳实施方式中，所述数据采集单元包括压力传感器、温度传感器和气体质量流量计，所述压力传感器采集所述模型本体内的压力，所述压力传感器通过数据采集板与所述数据处理单元电连接；所述温度传感器采集所述模型本体内的温度，所述温度传感器通过温度显示与控制模块与所述数据处理单元电连接，所述气体质量流量计通过数据线与所述数据处理单元电连接，所述气体质量流量计经由阀门与模型本体的出口端相连接。
由上所述，本发明提供的稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验装置具有如下有益效果：
本发明通过注入***、模型***和产出控制***的相互配合，能够较为真实地在室内模拟向地层注气、焖井、回采过程，并且通过压力保持***和数据采集及控制***能够监测模拟注气和回采过程中从注气井(生产井)井底到地层远端不同位置的压力及压力梯度分布规律，从而找到吞吐过程中的最优动态工作制度，为稠油油藏注气吞吐开发的机理及应用研究提供了可靠的数据和研究平台；本发明在三维模型的外侧采取程序设定的电加热补偿模拟地层热损失的方式，能够更好地描述吞吐过程地层热损失的过程，精确体现蒸汽吞吐过程的温度作用特征；本发明采用模型本体外侧连接中间容器的方式模拟吞吐过程，可以较好体现注汽过程流体溢出区块和油藏压力增加的过程，也能在生产过程较好体现流体从中间容器回流模型并通过中间容器内的高压气体保持实际油藏吞吐作用范围外侧拟稳态边界的特征；本发明采用精密的注入***和产出控制***，自动化程度高；本发明可以提高吞吐过程热损失与室内物模实验热损失的相似程度，提高吞吐过程流体运移描述可靠程度。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1：为本发明的稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验装置的示意图。
图2：为本发明的模型***的示意图。
图中：
100、稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验装置；
1、模型***；
11、模型本体；111、角井；12、温控单元；
2、注入***；
21、蒸汽注入单元；211、注水单元；212、蒸汽发生器；22、气体注入单元；23、注剂注入单元；24、输液管路；25、输气管路；
3、压力保持***；
41、压力传感器。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1、图2所示，本发明提供一种稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验装置100，包括，
模型***1，用于模拟稠油油藏注气吞吐生产结构，包括模型本体11，模型本体为耐高温高压的三维物理模型本体，模型本体11上设有角井111，模型***还包括温控单元12，温控单元12包括模型本体的上壁呈同心环形设置的第一加热瓦和侧壁上呈板状设置的第二加热瓦，温控单元还包括温度监测***和温度监测调整装置，温度监测***设置于模型本体内部，温度监测调整装置与第一加热瓦和第二加热瓦电连接；第一加热瓦按照吞吐生产特征设置，随模型本体内高温区域扩展范围增加而按照设定程序加热，准确追踪实际地层热损失特征；
注入***2，用于向模型***1注入实验用气体或液体；
压力保持***3，用于对模型***施压以模拟稠油油藏压力，包括与角井相连的中间容器，中间容器内充满气体，中间容器上连接压力监控***；压力监测***用于监测模型本体内部压力变化情况，适时结束吞吐周期，压力保持***用于对模型***施压以模拟实际稠油油藏压力衰竭过程；
产出控制***，用于模拟稠油油藏产出控制结构，包括背压控制单元和油气分离单元，背压控制单元与模型本体连通，油气分离单元与背压控制单元连通；
数据采集及控制***，用于采集稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验的数据信息且能控制模型***、注入***、压力保持***和产出控制***。
本发明通过注入***、模型***和产出控制***的相互配合，能够较为真实地在室内模拟向地层注气、焖井、回采过程，并且通过压力保持***和数据采集及控制***能够监测模拟注气和回采过程中从注气井(生产井)井底到地层远端不同位置的压力及压力梯度分布规律，从而找到吞吐过程中的最优动态工作制度，为稠油油藏注气吞吐开发的机理及应用研究提供了可靠的数据和研究平台；本发明在三维模型的外侧采取程序设定的电加热补偿模拟地层热损失的方式，能够更好地描述吞吐过程地层热损失的过程，精确体现蒸汽吞吐过程的温度作用特征；本发明采用模型本体外侧连接中间容器的方式模拟吞吐过程，可以较好体现注汽过程流体溢出区块和油藏压力增加的过程，也能在生产过程较好体现流体从中间容器回流模型并通过中间容器内的高压气体保持实际油藏吞吐作用范围外侧拟稳态边界的特征；本发明采用精密的注入***和产出控制***，自动化程度高；本发明可以提高吞吐过程热损失与室内物模实验热损失的相似程度，提高吞吐过程流体运移描述可靠程度。
进一步，第一加热瓦(即顶部的加热瓦)的功率计算方法如下：设定Ts为模型本体内部监测到设定位置的温度，单位为℃；Tr为油藏温度，单位为℃；α为盖层热扩散系数，单位为cm2/min；t为温度前缘与盖层接触的时间，单位为min；ql *为单位时间内热量损失量，即需要设定的加热瓦功率，单位为W；ql0为温度前缘扩展至监测位置的热损失速度，单位为W；t0为实验开始至温度前缘扩展至监测位置的时间，单位为min；λc为模型本体的壁面视导热系数，W/m℃；
则
实际应用过程中最大热损失速度可以通过加热板维持蒸汽温度的功率值代替。
进一步，压力保持***3，包括模型本体外侧连接的中间容器，中间容器上连接驱动装置。中间容器为底部锥形、上部圆筒形的容器，上部充满高压气体，下部为部分原油。中间容器和模型本体的连接管线需要加热带保持温度，保证管线畅通。采用模型本体外侧连接中间容器(缓冲罐)的方式模拟吞吐过程，可以较好体现注汽过程流体溢出模型和模型压力增加的过程，也能在生产过程较好体现流体从中间容器(缓冲罐)回流模型并通过中间容器(缓冲罐)内的高压气体保持实际油藏吞吐作用范围外侧拟稳态边界的特征。
进一步，本发明的一具体实施例中，角井111的数量为4个，分别设置于模型本体11的四个角上，各角井上分别连通一中间容器，4个中间容器分别控制4个角井压力，以模型中压力监测数据确定吞吐周期的结束。
中间容器控制角井的压力，压力计算方法如下：
其中，P为角井处测量的压力，单位为MPa；Pwf为井底的回压，单位为MPa；Qf为周期结束时现场的产液量，单位为m3/min；Kf为实际地层渗透率，单位为D；hf为实际地层厚度，单位为m；Qm为周期结束时模型的产液量，单位为ml；Km为模型渗透率，单位为D；hm为模型厚度，单位为cm。
进一步，如图1、图2所示，注入***2包括并联设置的气体注入单元22、蒸汽注入单元21和注剂注入单元23，气体注入单元22、蒸汽注入单元21(包括注水单元211和蒸汽发生器212)和注剂注入单元23上连接有驱动单元，注剂注入单元23与模型本体的进口端连通，气体注入单元22和蒸汽注入单元21均与模型本体的出口端连通。
进一步，注剂注入单元包括注剂活塞容器，注剂活塞容器的两侧设置第一控制阀组；蒸汽注入单元包括蒸汽发生器212，蒸汽发生器上连接第二控制阀组；气体注入单元包括注入气活塞容器，注入气活塞容器的两侧设置第三控制阀组。
进一步，驱动单元包括计量泵和真空泵，计量泵分别通过第一控制阀组、第二控制阀组和第三控制阀组与注剂活塞容器、蒸汽发生器、注入气活塞容器连通；真空泵设置于模型本体的进口端。
在本实施方式中，注剂注入单元23包括地层水注入单元和原油注入单元，地层水注入单元和原油注入单元分别通过输液管路24与模型本体的进口端连通；真空泵设置于模型本体的进口端的输液管路上；气体注入单元和蒸汽注入单元均通过输气管路25与模型本体的出口端连通。
进一步，背压控制单元包括背压活塞容器和回压阀，回压阀的输入端经由回压阀控制阀门与模型本体的出口端连通，油气分离单元包括串接的分离器和气体流量计，分离器通过管路与回压阀的输出端相连接。
进一步，数据采集及控制***包括数据采集单元和数据处理单元，数据采集单元与模型本体相接，用于采集模型本体内的压力、温度及吞吐气体流量数据；数据采集单元通过数据线与数据处理单元相连接，数据处理单元用于实时监视和处理数据。
进一步，数据采集单元包括压力传感器41、温度传感器和气体质量流量计，压力传感器设置在模型本体内，压力传感器通过数据采集板与数据处理单元电连接，压力传感器采集模型本体内的压力数据；温度传感器通过温度显示与控制模块与数据处理单元电连接，温度传感器采集模型本体内的温度数据；气体质量流量计通过数据线与数据处理单元电连接，气体质量流量计经由阀门与模型本体的出口端相连接，气体质量流量计采集模型本体的吞吐气体流量数据。本发明模拟最高油藏压力45MPa，模拟最高油藏温度280℃，符合实际工况环境要求。
由上所述，本发明提供的稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验装置具有如下有益效果：
本发明通过注入***、模型***和产出控制***的相互配合，能够较为真实地在室内模拟向地层注气、焖井、回采过程，并且通过压力保持***和数据采集及控制***能够监测模拟注气和回采过程中从注气井(生产井)井底到地层远端不同位置的压力及压力梯度分布规律，从而找到吞吐过程中的最优动态工作制度，为稠油油藏注气吞吐开发的机理及应用研究提供了可靠的数据和研究平台；本发明在三维模型的外侧采取程序设定的电加热补偿模拟地层热损失的方式，能够更好地描述吞吐过程地层热损失的过程，精确体现蒸汽吞吐过程的温度作用特征；本发明采用模型本体外侧连接中间容器的方式模拟吞吐过程，可以较好体现注汽过程流体溢出区块和油藏压力增加的过程，也能在生产过程较好体现流体从中间容器回流模型并通过中间容器内的高压气体保持实际油藏吞吐作用范围外侧拟稳态边界的特征；本发明采用精密的注入***和产出控制***，自动化程度高；本发明可以提高吞吐过程热损失与室内物模实验热损失的相似程度，提高吞吐过程流体运移描述可靠程度。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验装置，其特征在于，包括，
模型***，用于模拟稠油油藏注气吞吐生产结构，包括模型本体，所述模型本体为耐高温高压的三维物理模型本体，所述模型本体上设有角井，所述模型***还包括温控单元，所述温控单元包括所述模型本体的上壁呈同心环形设置的第一加热瓦和侧壁上呈板状设置的第二加热瓦，所述温控单元还包括温度监测***和温度监测调整装置，所述温度监测***设置于模型本体内部，温度监测调整装置与第一加热瓦和第二加热瓦电连接；
注入***，用于向模型***注入实验用气体或液体；
压力保持***，用于对模型***施压以模拟稠油油藏压力，包括与角井相连的中间容器，中间容器内充满气体，所述中间容器上连接压力监控***；
产出控制***，用于模拟稠油油藏产出控制结构，包括背压控制单元和油气分离单元，所述背压控制单元与所述模型本体连通，所述油气分离单元与所述背压控制单元连通；
数据采集及控制***，用于采集稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验的数据信息且能控制所述模型***、所述注入***、所述压力保持***和所述产出控制***。
2.如权利要求1所述的稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验装置，其特征在于，所述第一加热瓦的功率计算方法如下：设定Ts为模型本体内部监测到设定位置的温度，单位为℃；Tr为油藏温度，单位为℃；α为盖层热扩散系数，单位为cm2/min；t为温度前缘与盖层接触的时间，单位为min；
为单位时间内热量损失量，即需要设定的加热瓦功率，单位为W；ql0为温度前缘扩展至监测位置的热损失速度，单位为W；t0为实验开始至温度前缘扩展至监测位置的时间，单位为min；λc为模型本体的壁面视导热系数，W/m℃；则：
3.如权利要求1所述的稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验装置，其特征在于，中间容器控制角井的压力，压力计算方法如下：
其中，P为角井处测量的压力，单位为MPa；Pwf为井底的回压，单位为MPa；Qf为周期结束时现场的产液量，单位为m3/min；Kf为实际地层渗透率，单位为D；hf为实际地层厚度，单位为m；Qm为周期结束时模型的产液量，单位为ml；Km为模型渗透率，单位为D；hm为模型厚度，单位为cm。
4.如权利要求1所述的稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验装置，其特征在于，所述注入***包括并联设置的气体注入单元、蒸汽注入单元和注剂注入单元，所述气体注入单元、所述蒸汽注入单元和所述注剂注入单元上连接有驱动单元，所述注剂注入单元与模型本体的进口端连通，所述气体注入单元和所述蒸汽注入单元均与模型本体的出口端连通。
5.如权利要求4所述的稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验装置，其特征在于，所述注剂注入单元包括注剂活塞容器，所述注剂活塞容器的两侧设置第一控制阀组；所述蒸汽注入单元包括蒸汽发生器，所述蒸汽发生器上连接第二控制阀组；所述气体注入单元包括注入气活塞容器，所述注入气活塞容器的两侧设置第三控制阀组。
6.如权利要求5所述的稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验装置，其特征在于，所述驱动单元包括计量泵和真空泵，所述计量泵分别通过第一控制阀组、第二控制阀组和第三控制阀组与注剂活塞容器、蒸汽发生器、注入气活塞容器连通；所述真空泵设置于模型本体的进口端。
7.如权利要求6所述的稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验装置，其特征在于，所述注剂注入单元包括地层水注入单元和原油注入单元，所述地层水注入单元和所述原油注入单元分别通过输液管路与模型本体的进口端连通；所述真空泵设置于模型本体的进口端的输液管路上；所述气体注入单元和所述蒸汽注入单元均通过输气管路与模型本体的出口端连通。
8.如权利要求1所述的稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验装置，其特征在于，所述背压控制单元包括背压活塞容器和回压阀，回压阀的输入端经由回压阀控制阀门与模型本体的出口端连通；所述油气分离单元包括串接的分离器和气体流量计，所述分离器通过管路与回压阀的输出端相连接。
9.如权利要求4所述的稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验装置，其特征在于，所述数据采集及控制***包括数据采集单元和数据处理单元，所述数据采集单元与所述模型本体相接，用于采集所述模型本体内的压力、温度及吞吐气体流量数据；所述数据采集单元通过数据线与所述数据处理单元相连接，所述数据处理单元用于实时监视和处理数据。
10.如权利要求9所述的稠油油藏注空气吞吐采油物理模拟实验装置，其特征在于，所述数据采集单元包括压力传感器、温度传感器和气体质量流量计，所述压力传感器采集所述模型本体内的压力，所述压力传感器通过数据采集板与所述数据处理单元电连接；所述温度传感器采集所述模型本体内的温度，所述温度传感器通过温度显示与控制模块与所述数据处理单元电连接，所述气体质量流量计通过数据线与所述数据处理单元电连接，所述气体质量流量计经由阀门与模型本体的出口端相连接。
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