CN1570602A - 评价采自地下库藏的岩石切割物的物理参数的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
用单一设备同时评价取自人造或天然多孔介质碎片的多个物理学参数如绝对渗透率及孔隙度的方法及装置。根据本领域公知的方法,通过采用氦气或其它气体进行压力测试从而测量碎片的孔隙度。容纳碎片的室(1)与一体积已知的罐(11)相连通,所述罐中含有位于已知压力下的氦气。当达到压强平衡时,可推算出固体体积。同样测定岩石碎片的包络体积及质量。结合上述测量,确定样品的孔隙度及岩石的密度。然后,将它们浸入液体中,将所述室与容纳在收集器(9)中、开始时位于预定压力下的液体相连通,从而将气体压缩进岩石的孔中,以测定其渗透性。模拟注入上述室中的液体体积的变化,以及通过反复校准来测定这些物理参数的值。应用:例如对钻探切割物或粉碎的岩心进行石油物理测定。
Description
发明领域
本发明涉及用单一设备同时评价任一天然或人造介质碎片的孔隙度及绝对渗透性的方法及实验装置,所述介质取自岩石样品,或多或少地带有孔隙。例如,样品可以是取自地下液体库藏(碳氢化合物库,含水层等)区域的岩石,也可以是具有较低渗透性的岩石,如粘土或页岩。所述碎片可由例如钻井操作等得到:钻探切割物,或者是对较大样品进行粉碎后得到的碎片:取自井中的岩心或侧面岩心。
当前的石油状况使得经营者对新的地带(深海岸)及新的库藏类型(与现有表面设施相邻的边缘结构)产生了兴趣。考虑到与这些新发现的恶劣环境或者与某些结构的有限大小相关的钻探费用,经营者们不愿再负担钻探用于补充评价的矿井的费用,以免承担使工程的经济可行性受损的风险。因而,在开始生产之前所制订的开发策略并不是非常严格,从而可以根据在钻探生产矿井过程中所收集的信息的性质,进行实时调整。这就是评估开发。
石油物理测定在库藏质量评价中起关键作用。然而,这种测定需要的时间通常非常长,因此与成功进行评估开发所需要的反应性相矛盾。因而,需要有新的、更加快速低廉的评价方法以利于决策的制定。
在本领域,对钻探泥浆所带出的切割物进行测定已经有很长时间了。负责泥浆录井作业的工作人员完成这些操作,他们实质上是通过测井纪录来帮助完成对所钻探的地质层的描绘。
发明背景
人们早就尝试着对钻探切割物的石油物理特性进行评价。例如,测定S及P波(剪切波和压缩波)的有关声学特点。同时,还研究了各种参数,如岩石碎片的硬度及变形,或者它们的孔隙度及渗透性。
根据第一种已知的测定渗透性的方法,首先用树脂包裹岩石碎片。然后,从所包裹的岩石上切下一薄片并将其置于测定室中。这种方法包括以可控制的流速注射位于一定压力下的液体的装置,以及测定由样品所产生的压力下降的装置。由于树脂是不能渗透的,考虑岩石碎片所占有的实际表面积,用Darcy’s方程计算出绝对渗透性,。
例如,下列文献中描述了该方法:
-Santerelli F.J.,et al.;《通过切割物测井评价岩层》(Formation evaluationfrom logging on cuttings),SPERE,1998年6月,或者
-Marsala A.F.,et al.;《在非稳态条件下对切割物的低或极低渗透性进行测定的暂定方法》(Transient method implemented under unsteady state conditions forlow and very low permeability measurements on cuttings),SPE/ISRM No.47202,Trondheim,8-10,1998年7月。
这种类型的测定只能在实验室中通过长时间的碎片检验操作才能得到。
另一已知的方法是基于NMR(核磁共振)的测定,对切割物进行预先清洗,然后用盐水浸透,从而直接对切割物进行测定。这种测定给出了可直接使用的孔隙度值。通过采用与NMR测井作业中具有相同性质的相关性测定渗透性K。
可在下列文献中找到对于该方法的描述:
-Nigh E.,et al.;P-kTM:采用钻探切割物确定钙交沸石(wellsite)的孔隙度和渗透性(Wellsite determination of porosity and permeability using drilling cuttings)CWLS杂志(CWLS Journal),Vol.13,No.1,1984年11月。
专利申请EP-1167948、FR-02-02242以及03/00429描述了几个评价从地下库藏区域开采的多孔岩石碎片的物理参数的***,例如绝对渗透性,所述岩石碎片例如是钻探泥浆所携带的岩石碎片。它包括将容纳在密闭室内的碎片浸入黏性液体中,按照多种实施方式,将含有碎片的密闭室置于压力下从而将气体压缩至岩石的孔中的步骤。
根据其中一种实施方式,在一定压强下注射液体,所述压强随时间而增加,直至达到预定的阈值,以将气体压缩进岩石的孔中。在该注入阶段之后是一个停止注入的松弛阶段。记录下在这两个连续阶段中所发生的压强变化。
根据另一种实施方式,将装有碎片的室与含有位于预定压强下的黏性液体的容器相连通。连通的过程很短,室中压力快速增加,将气体压缩进入岩石的孔中;当所述室被隔离后接着一个松弛阶段,测定在这两个阶段中所发生的压强变化。
根据另一种实施方式,将装有碎片的室与含有位于预定恒压下的黏性液体、的容器相连通,使室中压力快速持续增加,从而使气体被压缩进岩石的孔中,测定所注入的作为时间函数的液体体积变化。
无论哪一种操作方式,从所选定的碎片物理参数的初始值开始,模拟压强变化或所注入的液体体积的变化,通过计算机反复对它们进行校准,以使所模拟的压强或体积曲线与实际测定的压强或体积曲线尽可能一致。
发明概述
根据本发明的方法,用单一设备评价取自岩石碎片的断裂的天然或人工多孔介质的物理参数,如绝对渗透性以及孔隙度。该方法包括一个将容纳在密闭室中的碎片浸入一液体(多少有些黏性)中,并在压力下间歇地将所述装有碎片的室与一位于压力下的液体源相连通,所述液体源包括一含有弹性液体体积的收集器,以将气体压缩进岩石的孔中的步骤;一个测定所注入的液体的体积的步骤;一个通过先验选定的初始值模拟所注入的液体体积变化的步骤,所述初始值至少为渗透性和残余气体饱和度的初始值;以及一个反复校准岩石碎片的物理参数值,以尽可能使模拟的注射体积变化与所测得的注射入所述室内的体积变化相一致。
该方法的特点在于,在将容纳于密封室的碎片浸入液体的过程中,通过测定在所述收集器中主要的压强变化来测定所注入的液体体积。
模拟步骤还可通过先验选定的初始孔隙度值来实现。该步骤还可包括一个预先步骤,将洗净并干燥的岩石碎片加进密封室中,所述密封室首先与具有预定压力的气罐相连通,从而测定所述碎片的固体体积,同时测定碎片的包络体积及质量,从而推算出岩石碎片的孔隙度和密度。在这种情况下,模拟步骤包括从先验选定的初始渗透性值及残余气体饱和度值以及先前测定的孔隙度值来模拟所注入的液体体积变化的步骤。
按照本发明的一种实施方式,执行将所述室与收集器相连通的步骤,从而使室中压强迅速增加并将气体压缩进岩石的孔中,在将室分离之后接着一个松弛阶段的步骤,其包括测定在这两个相继阶段中室中压强的变化。
例如,密封室中可充满钻探切割物,对取自钻井的岩心进行粉碎而得到的碎片,特别是通过在井的侧壁取岩心作业而得到的岩心,带有钻探泥浆的岩石碎片,以及事先洗净的岩石碎片等等。
根据本发明的装置,对人造或天然的多孔介质,如地下库藏区域的介质,取自这些介质的碎片的物理参数,例如绝对渗透性及孔隙度进行评价,所述装置包括一个处理***;一个容纳碎片的密封室;一个将液体注入该密封室的注入装置,以使容纳有岩石碎片的室充满液体,并实现将液体注入室的循环步骤;该注入装置包括一个具有弹性液体体积的收集器;以及由处理***控制的设备,所述设备控制收集器与容纳岩石碎片的室之间的连通。该设备用于测定密封室中的压强。所述处理***适于通过所选定的岩石碎片的物理参数的初始值来模拟所注入的液体体积的变化,以及反复校准这些物理参数值,以使模拟的物理量的变化与测得的密封室中的物理量的变化尽可能地一致。
该装置的特点在于,它包括测定收集器中压强变化的设备,其中处理***适于通过所述压强测定设备所测定的压强变化,计算从所述收集器注入密封室中的液体体积。
例如,该装置包括一个可通过阀与密封室相连通的气罐,一个测定包络体积的设备(例如一个粉末比重计)来确定碎片的孔隙度,以及一个测定碎片质量的设备。
例如,液体的弹性体积既可通过气体体积在收集器中被界定,在这种情况下得出的关系式遵从气体定律;也可通过弹性膜或其他任何移动元件来界定,在这种情况下可通过对变形及位移进行预先校准而得出关系式。
事实证明,该方法对渗透性和孔隙度范围较宽的各种岩石都非常适用。该方法较为精确,其原因在于,所测得的注入液体体积并不是象前面所提到的专利申请一样直接获得的,而是通过测定收集器中的压强变化间接得到的,因而可以较为容易地被高度准确地实施。
考虑到该装置所占据的狭小空间,以及由于可进行理论数据与试验数据的测定和校准,该装置使用起来非常容易、迅速,该方法尤其适用于野外条件。因此,其可以在短时间内直接在野外进行测定和解释,从而与通过实验室方法得到相同结果在时间要求上是不同的。由于该方法可以利用这种新的信息来源为解释电测记录提供支持,同时可以以潜在产量对井进行详细评估,从而为石油及水文领域的石油物理学特点开创了非常有意义的前景:渗透性变化,孔隙度,岩石密度等等。同时,它还为任何天然或人工多孔介质碎片的石油物理学特点开创了重要的前景。
附图简述
参照下列附图阅读下文给出的实施例,但不限于这些实施例的描述,可更清楚地理解根据本发明的方法及装置的其他特点及优点:
-图1概括性地显示本发明的装置,
-图2概括性地显示多孔岩石碎片或微粒的结构,其中对注入石油等高黏度液体的效果进行了模拟,
-图3A及3B显示的是,在测试过程中根据用气体定律所计算出的作为时间函数的注入液体体积的变化,从而测定出的压强变化,
-图4A到4C图示的是,针对三种不同岩石,通过图1装置中的密封室的压强变化所得到的作为时间函数的注入液体体积的曲线,
-图5显示了采用传统岩心测定方法与按照本发明方法测得的某些岩石种类在渗透性上具有良好的匹配,
-图6A到6C显示的是,对于前述三种岩石,根据实验曲线对模拟的注射体积曲线进行校准而得出的准确性,
-图7显示了测得的岩石碎片的孔隙度值(φ或Phic)与对样品或岩心的先验预定的孔隙度与渗透性值进行反复调整的情况下所得出的值(Phis)之间具有良好的匹配,以及,
-图8显示的是,当首先通过实验测定碎片的孔隙度(Phic),所得到的岩石碎片的孔隙度测定结果。
发明详述
图1显示的装置包括一个密封室1,钻探切割物最初放置在该室内。一个注入***2,通过管3与装有适于渗透性测定、多少有些黏性的液体如石油的缓冲罐4底部相连。缓冲罐4的另一端通过一个阀V6与管L1相连。密封室的第一末端通过两个阀V1、V2与管1相连通。密封室的另一端通过一个孤立的阀V5与一个分离器6相连通。一个压力计7连接于密封室1的出口。压力计7测得的变化被处理器8例如微机获取。阀V2直接由处理器8控制。管L1还通过阀V7与一个收集器9相连通,所述收集器中含有具有或多或少黏性的液体,所述液体通过位于压力下的气盖、一个弹性膜或一个可移动元件放置在一预定压力下。一个压力计10连接于收集器9的出口,其所测得的压强变化同样被处理器8获取。
同样可以采用经洗净后的碎片,事先将所有液体从碎片上除去。当密封室1中填满了洗净的碎片,通过打开阀V4,来自瓶5中的气体例如氦气可注入室中,以排出室中的空气。
密封室1也通过阀V1和V3与充满氦气、体积已知的罐11相连通。通过打开阀V1和V3,关闭阀V2和V4,密封室1可与初始位于已知压力下的罐11相连通。
该装置还包括一个天平12以及粉末比重计型仪器13,以测量所引入碎片的包络体积。
I)孔隙度测定
孔隙度测定包括一个对所引入碎片的包络体积Ve,所引入岩石的固体体积Vs及岩石质量me进行实验测定的步骤,以及一个计算岩石的孔隙度与密度的步骤。
a)测量的获得
事先用天平12对洗净并干燥的碎片进行称重,并用仪器13测定其包络体积。接着,将碎片放入位于气压下(例如氦气)的密封室1中,所述室与罐5相连通以排出空气。接着打开阀V1和V3,关闭阀V2和V4,使密封室1与充满氦气的、体积已知的罐11相连通。当达到压强平衡时,根据密封室1与罐11的初始压强及它们的体积,司推算出岩石的固体体积。所有这些测定用于确定样品的孔隙度。通过测定所引入碎片的质量,得到岩石的密度。
根据本领域公知的技术,通过粉末比重计测定包络体积Ve。
将密封室1中的初始压强设为P1,将罐11中的初始压强设为Ph,将连通后的平衡压强设为Pe,密封室体积为U1,罐11的体积为Vh以及所采用的碎片质量为mc。
Vs,φ及d分别表示岩石的固体体积、孔隙度和密度,我们得出:
图11显示了对待测岩石的孔隙度获得了较好的评估。
II)渗透性评估
绝对渗透性的估算必须包括三个步骤:
1)对钻探碎片的压强变化(或所注入的体积变化)进行实验测定的步骤,从该步骤得出实验曲线,
2)在同一操作循环过程中模拟钻探碎片所发生的物理现象,求出模型中所涉及的物理参数(渗透性K及孔隙度φ)的任意值,以建立类似理论曲线的步骤,以及
3)调整或校准步骤,在该步骤中确定在模型中所涉及的物理参数值,以使实验曲线与理论曲线尽可能一致。
1)测定的获得
将密封室1中充满具有黏性的液体(所述液体的黏度适于渗透性的测定:例如石油,甘油,水,任何水性和黏性溶液等)或者通过注入***注入液体。所述液体占据了钻探碎片之间的自由空间,并通过自发吸收进岩石中。然后,发生气体释放,其强度及持续时间依赖于岩石的性质(主要是孔隙度)。气体释放仅仅涉及部分气体。一定量的残余体积以不连续的气室形式存在于钻探碎片中。
该过程基本上包括,通过打开由处理器8控制的阀V2,将装有岩石碎片C的密封室1与装有位于一定压强(Pini)下的液体的收集器9相连通。
开始,阀是关闭的。在收集器9一侧,压强为Pini,而在密封室1一侧,压强与外界相等。接着,被处理器8控制的阀V2打开十分之几秒,以使密封室1中的压强迅速达到Pmax。通过气盖、压强改变时发生变形的弹性膜、或可移动元件所得到的收集器9的弹性体积被预先校准,以测量在测定过程中收集器9所发生的压强下降,其降幅为几巴。根据压强的变化,可以非常容易地根据气体定律(在使用气盖的情况下)或通过标准曲线(在使用弹性膜或移动元件的情况下)计算出从收集器9注入密封室1中的液体体积的变化。
与前面提及的专利申请中描述的过程相比,该方法简化了实验过程(与先前相比,不需要将流量计或差动检测器(differential detector)***到连接收集器与密封室的管L1中以测定注入的体积),同时还对注射体积具有良好的控制,有利于得到测定值并解释模拟器的结果。此外,在测定注射体积时,不使用流量计或差动检测器还有如下的优点:
-极大地缩小了测定装置的尺寸,因而可用于测量不到1cm3的碎片;
-缩短了收集器9与密封室1之间的连接管线,从而缩短了将装有碎片的密封室置于压力下的过程,并提高了仪器的灵敏性。因此可使平均直径为1mm的岩石的渗透性测定精确到数百毫达西;
-能测出注射体积的微小变化(累计注射体积少于0.03cm3),而这对使用流量计或差动检测器来说是十分困难的。
-所述仪器可以测定具有不同黏度的液体,而不用对测定注射体积的***进行调整,极大地提高了***的灵活性。
图3A到3C显示了三种不同岩石的注射体积的时间函数曲线。根据所检测的岩石的性质,观察到填充曲线之间的显著变化。岩石的渗透性越低,填充动力学越慢(图4A中显示渗透性最低的岩石超过80秒,图4C中显示渗透性最大的岩石不到2秒)。
以下两个步骤的目的是,通过压强或注射体积的测定,单独估计渗透性K(如果孔隙度已按前述方法测定),或者对渗透性K和孔隙度(φ)同时进行估算。
2)模拟
将钻探切割物看作是大小均一的球形,气体假定是纯净的。考虑到二者之间黏性的差异,与液体相比,由气体的黏性所产生的压强下降可忽略不计。液体自发吸收后,进入岩石碎片中的残余气体呈不连续的、均一分布的气室。毛细压强同样被忽略。
考虑到碎片的球形形状,我们假定盖的厚度dr(图2),并计算当液体以流速q注入时岩石微粒边界的压强变化。
我们假定,液体注入的总流速Q被均匀分布于N个岩石微粒上,而且认为每个颗粒上的液体流速为q=Q/N。根据气体定律,通过瞬时压强P推算出局部的气体饱和度,Sg=Sg0P0/P(P0为液体的压强)是已知的。在盖中完成液体的物质平衡。累积的量与进入和流出的差相等。因此我们可得到:
由
,我们可得出:
此外,由于
(K为渗透性,μ0为液体粘度),而且由于毛细压强可被忽略,于是我们得出P0=Pgas=P,前面的方程可写成下面的形式:
由此可以得出:
因而我们得出一个扩散型方程的常用形式,其中由于气体的可压缩性质,累积量中有一个项因数为1/P2。
对于球形等同物,拉普拉斯算子为
最后,方程可解为如下形式:
及
当注入液体时,液体将位于钻探碎片间的自由空间的气体排出,同时液体通过自发吸收进入岩石中。尽管采取了一定的预防措施,由于钻探切割物的不规则形状,仍然有一定量的气体保留在外。该捕获体积(Vgp)在压强响应的一般形式中起到直接的作用,因此,在求解时必须考虑该因素。
同时还应考虑实验装置的可压缩性。这种可压缩性来自密封室,管线以及液体的特性。所观察到的等效压缩性为0.0005bar-1(50Pa)。
由于在大气压下所使用的液体中气体已经饱和,在测定过程中当压强增大时会发生溶解现象。在引入表示气/液界面所发生的分子交换的扩散参数时应考虑到这些方面。
用显式图解(explicit scheme)的有限差分(finite-difference)方法,及应用边界条件,时刻P(r,0)=Patm及空间P(R,t)=Pext,和БP/Бr(0.t)=0,求解扩散方程。
根据上面描述的实验过程,直接测量装有碎片的密封室中的压强变化,即Pext。因而,可直接明确地解出关于岩石中压强变化的方程。接着,可通过岩石中初始存在的气体体积(Patm)与测试过程中(在压缩步骤中)在t时刻气体所占据的体积之差,来计算出模拟的作为时间函数的注射液体体积变化。
3)模拟实验结果的校准
在计算器中以软件形式进行模拟,例如计算机8(见图1),将该模型***至一个反复最优化循环中。首先先验选定渗透性K及残余气体饱和度,施加实验得到的孔隙度值(Φ),并将作为结果的模拟注射体积曲线与实验曲线相比较,通过改变模型中的K值和残余气体饱和度,连续反复进行该模拟过程。通过传统Newtonian或梯度型优化方法得到对理论曲线与实验曲线进行尽可能最佳校准的值。
在孔隙度没有事先进行实验测定的情况下,该模型首先先验选定渗透性K、残余气体饱和度以及孔隙度值,将作为结果的模拟注射体积曲线与实验曲线相比较,通过改变模型中的K值、孔隙度值Φ以及残余气体饱和度,连续反复进行模拟。图11显示对待测岩石的孔隙度值进行了较为满意的评估。
当事先测定的孔隙度值已知时,在模拟步骤中仅需要调整渗透性值K。因而,模拟过程进行地更快。模拟也更为准确,这一点可在图12中清楚地看到。
图6A到6C显示了对三种类型待测岩石的理论与实验曲线进行连续反复地比较。在上述任意一种情况下,都能观察到模拟结果与实验结果有很好的一致性。如图5所示,运用本方法得到的结果与在实验室中对多种具有不同渗透性的岩石采用常规方法经过长时间调整所得到的结果具有良好的可比性。
用一种代码对该模拟过程进行编程有利于通过优化循环的方法对实验进行校正,从而可以快速地推算出相应的K值。
Claims (13)
1.用单一设备同时评价取自人造或天然多孔介质碎片的多个物理学参数,如绝对渗透率及孔隙度的方法,所述介质例如地下库藏区域,该方法包括一个将容纳在密封室(1)中的碎片浸入液体中,并间歇地使将所述装有碎片的室与一个位于压力下的液体源相通,所述液体源包括一个含有弹性液体体积的收集器,从而将气体压缩进岩石的孔中的步骤;一个测定所注入的液体体积的步骤;一个通过先验选定至少包括渗透性(K)和残余气体饱和度的初始值来模拟所注入的液体体积变化的步骤;以及一个反复调整岩石碎片的物理参数值的步骤,以尽可能地使模拟的注射体积变化与测得的注入密封室中的液体体积变化相一致,其特征在于:
-在将容纳于密封室(1)中的碎片浸入液体的过程中,通过测定在所述收集器(9)中相应的压强变化来测定所注入的液体体积。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,模拟步骤还可通过先验选定的孔隙度的初始值(φ)来进行。
3.根据权利要求1所述的方法,包括一个将洗净并干燥的岩石碎片加入与位于预定压力下的气罐相连通的密封室的预先步骤,以确定所述碎片的固体体积,并测量碎片的包络体积及质量,从而推算出岩石碎片的孔隙度和密度,模拟步骤包括从先验选定的初始渗透性值(K)及残余气体饱和度值以及测得的孔隙度值(φ),来模拟注入的液体体积变化的步骤。
4.根据前述任一权利要求所述的方法,其特征在于:进行将室与收集器相连通的步骤,从而在第一阶段使室中压力迅速增加并将气体压缩进岩石的孔中,在将室分离之后接着一个松弛阶段,以及包括测定在这两个阶段中室中的压力变化。
5.根据前述任一权利要求所述的方法,其特征在于:密封室中充满钻探切割物。
6.根据前述任一权利要求所述的方法,其特征在于:密封室中充满了将取自钻井中的岩心粉碎所得到的岩石碎片,特别是对钻井进行侧壁取芯作业而得到的岩心。
7.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的方法,其特征在于:密封室中充满了带有钻探泥浆的岩石碎片。
8.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的方法,其特征在于:密封室中充满了预先洗净的岩石碎片。
9.一种评估人造或天然多孔介质碎片、取自这些介质的碎片(F)的物理参数如绝对渗透性及孔隙度的装置,所述多孔介质例如地下库藏区域,所述装置包括一个处理***(8),一个容纳碎片的密封室(1),一个将液体注入该密封室的注入设备,以使填充有岩石碎片的室充满液体,并执行将液体注入所述室中的循环步骤,该设备包括一个含有弹性液体体积的收集器(9),以及通过处理***控制收集器与填充有岩石碎片的室相连通的控制设备(V2),用于测定密封室中压强的设备(7),处理***(8)适于通过选定的岩石碎片的物理参数的初始值来模拟所注入的液体体积的变化,并反复校准这些物理参数值,以使模拟的物理量的变化与测得的密封室中的物理量的变化尽可能地一致,其特征在于,该装置包括测定收集器(9)中压强变化的设备(10),且处理***(8)适于通过由压强测定设备(10)所测得的压强变化来计算由收集器注入密封室的液体体积。
10.根据权利要求9的装置,包括一个可通过阀(V3)与密封室连通的气罐(11),一个测定包络体积以确定碎片孔隙度的设备(13),以及一个测定碎片质量的设备(12)。
11.根据权利要求10的装置,其特征在于,测定待测碎片包络体积的设备包括一个粉末比重计。
12.根据权利要求10或11的装置,其特征在于,所述弹性液体体积通过气体体积由所述收集器(9)界定,所述关系是根据气体定律得出的。
13.根据权利要求10或11的装置,其特征在于,所述弹性液体体积通过一弹性膜或一可移动元件由所述收集器(9)界定,所述关系是通过对变形及位移进行预先校准而得出的。
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