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本文由 中国海油 特约制作海洋,面积辽阔,物产丰富,蕴藏着这颗星球上超过34%的石油和天然气。
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然而这些油气资源却并非触手可及,其中更有44%深埋于水深超过300米的深海之下,在中国也同样如此,尤其是在我国南海,在这片平均水深超过1000米的海域,55%的油气资源都埋在深深的海底。
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国际上划分深水区的标准有>300米、>400米、>500米等不同方案,本文采用>300米的分级标准,其中水深在300米以内的海域为浅水,300-1500米为深水,大于1500米为超深水。图为中国海域地形图,制图@郑艺/星球研究所但是海洋环境却极其复杂、极其恶劣,水深每增加一米,资源开采难度将呈几何级数增长,以致于在过去的漫长岁月中,面对近在家门口的宝藏,我们始终举步维艰。
3 Q& y8 g; |* _8 Q1 x 直到近些年来,我们终于依靠自己的力量相继实现了第一次深海勘探、第一次深海钻井,更建成了第一座水深达1500米的大气田,正式开启了中国海上油气开采的超深水时代。
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2021年6月,中国首个自营的1500米水深的天然气田「深海一号」正式投产,画面中的庞然大物为中国最大生产储卸油平台,摄影师@韩庆而放眼全国,我们的渤海、东海、南海之上,145个油气田不分昼夜,将来自海洋深处的能源源源不断地送往全国,作业能力也从数十米飞跃至3000米之多。
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为什么走向深海的道路会如此艰难?我们又是如何做到的呢?
2 P2 J' Y: [# z/ M, Q; O3 A. Y 01 炼一双「火眼金睛」
7 I u, q, L5 v3 K 想要走向深海,我们首先必须知道海底的油气资源究竟在哪里。
5 I$ l, K7 o7 r. y% p8 K9 r: R' J 可是,深海之中如同一团迷雾,地层之下更是深不可测,除非拥有一双能够穿透海水、穿透地层的「火眼金睛」。
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涠洲岛镶嵌在一望无垠的大海中,摄影师@陈肖在陆地上,人们可以向地下发射人造声波,通过接收和分析不同地层的反射波,便能反推出地层的分布规律,从而推断出油气资源的分布。
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类似的探测方法同样适用于海上,只不过海上毫无立足之地,若要安放所有设备、人员,人们必须要有一艘特殊的能够进行物理勘探的大船,人称物探船。
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1 \3 |* l* j* r) H 这种利用声波等物理手段来研究地层信息的手段,称为地球物理勘探,简称物探。人造声波也称为人造地震波,其勘探方式则被业内称为地震勘探。海上地震勘探原理示意,制图@罗梓涵&郑伯容/星球研究所这种船最鲜明的特征,就是尾部拖行的超长电缆。它们用于接收海底反射的声波,相当于每一条电缆都扫描了地层的一个切面。
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单条电缆勘探示意,制图@罗梓涵&郑伯容/星球研究所但仅凭一个切面做出的判断显然不够准确,倘若能同时扫描更多地层切面,并将它们拼合起来,一个三维地层模型便跃然眼前,隐藏其中的油气线索也将一一显现。
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多条平行电缆勘探示意,制图@罗梓涵&郑伯容/星球研究所这也意味着,当一艘船拖带的电缆长度越长、数量越多,一次扫过的面积就越大,若再有更快的航速以及超长的续航,扫描效率自然就越高。
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地震船以及拖拽的长长的电缆,摄影师@赵仲兴但要拥有这样一艘物探船却并非易事,以致于在我国海上油气开采的初期,人们只能用塑料袋装满炸药来激发声波,只能用胶布包裹电缆,甚至用气球悬浮电缆,才好不容易将一艘旧船改造成了简陋的物探船。
2 A2 r" H5 |: c% f% k* C0 Y& l 但自此以后,一场长达50多年的升级之路拉开帷幕。从中外合建的装备4条6000米长电缆的「东方明珠号」物探船,再到自行改装的装备8条6000米长电缆的「海洋石油719」物探船,最终,装备12条8000米长电缆的「海洋石油720」深水物探船终于诞生。
5 h$ g( J1 M) t3 |, H5 N 当其尾部电缆展开后,覆盖的海域面积之大,甚至相当于1200多个标准足球场。
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; H- z; T2 @: g 左边小船正在为右边大船提供物资补给,其中大船为物探船海洋石油720,摄影师@陈志玮不仅如此,其航行速度、续航里程、抗风浪以及破冰等能力均大幅提升,不但可以抵抗南海的狂风巨浪,还可以驰骋于北极等极寒海域,因此它也一举成为亚洲最先进、作业能力最强的物探船。
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作业中的海洋石油720,注意图中的电缆长度与船本身大小的对比,摄影师@陈志玮至此,一艘艘物探船如同一双双「火眼金睛」,在中国各大海域往来穿行,由它们扫描收集的水下信息经地质学家分析后,从中发现了众多的油气分布区域。
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但仅到这里,我们依然无法走向深海,因为这些被探明的区域究竟是否具有开采价值,只有真正将钻井钻入地层才能一探究竟。
. I- w8 g4 m6 B0 C2 i# ] 然而,要从波涛滚滚的海面将钻井向下打入数千米深的海底,又谈何容易?
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02 造一座「海上堡垒」
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要在海上打井,前提是我们必须造一座「海上堡垒」。有了堡垒,装备和人员才有立足之地,而堡垒越坚固,钻井作业才能够应对海风、海浪、海流、海冰等各种恶劣的海洋环境。
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汹涌的海浪冲击海岸,摄影师@胡颖起初,人们利用钢管搭建从海上直插海底的导管架,其上再铺设甲板、放置设备,固定式钻井平台便诞生了。
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固定式钻井平台示意,制图@罗梓涵&郑伯容/星球研究所但这种「固定堡垒」一经安装便无法移动,对于需要重复使用的钻井平台而言实在没有太多优势,所以除了一些特定环境外,如今已几乎销声匿迹,取而代之的是一种「移动堡垒」。
# D; b! B, I# i7 w3 {8 y 它由一个平台、数条桩腿以及特殊的升降装置组合而成,在升降装置的作用下,平台和桩腿可以垂直升降,从而实现固定时钻井,浮动时转移,这便是自升式钻井平台。
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3 v( K; F8 H& x7 b: ~, R+ O 自升式钻井平台示意,制图@罗梓涵&郑伯容/星球研究所它凭借灵活移动、重复使用等优势,很快便成为钻井平台家族的主角之一。
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# b. @# \# ~7 P 在拖船的牵引下,自升式钻井平台正在转移位置,摄影师@王振宇不过,这种堡垒也并非十全十美,其最大的弱点便是高高竖立的桩腿。
& i W6 c+ F6 `- v I4 T z. v 因为要适应更大的水深,桩腿的长度、尺寸、重量必将不断增大,平台结构也因此变得越发复杂,使其难以应对恶劣的海洋环境。
9 M: D& h) }+ E }" h5 k! _ 所以,在目前中国建造的此类平台中,122米已经达到其工作水深的极限。
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「海洋石油944」自升式钻井平台,其桩腿底部装有特制的大「靴子」,能够在松软的海底区域「脚踏实地」,摄影师@王振宇于是,一种更加灵活的「海上堡垒」应运而生,它由上部平台、下部浮体以及中间连接的立柱三个部分组成,拖航时像一艘大船浮于海面,工作时由下部浮体充水下潜,故而得名半潜式钻井平台。
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2 d- C6 Y6 _1 ^+ @; B 稳立于海浪中的半潜式钻井平台,摄影师@郑建富这样的半潜状态,既可以让平台的重心下移,保持平台垂直方向的稳定,平台四个角上安装的锚链又能保持前后左右的稳定。
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半潜式钻井平台示意,制图@罗梓涵&郑伯容/星球研究所1978年,中国从挪威引进的第一座半潜式钻井平台「南海2号」,最大作业水深就达到200米。
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$ q% O$ U& L2 D' O7 p1 T9 f( ? 南海2号,摄影师@宫瑞卿而自2010年起,随着技术的不断突破,一众中国自行建造的深水钻井平台纷纷登上历史舞台,甚至一次又一次打破工作水深的世界纪录。
0 q0 Y, B& L' y0 k 从「创新号」半潜式钻井平台的750米,到「兴旺号」半潜式钻井平台的1500米,
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$ S+ w' {% O; O: q2 ?! F 「兴旺号」半潜式钻井平台,摄影师@李佑坤再到「海洋石油981」半潜式钻井平台的3000米,以及「蓝鲸1号」半潜式钻井平台的3658米。
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多艘半潜式钻井平台同框,摄影师@唐克/视觉中国为了更好地适应深水环境,有的半潜式钻井平台不仅拥有巨大的锚链,还在平台下部加装了可以360°旋转的大马力推进器,再辅以卫星定位、气象监测等,即使没有锚链,依然可以在惊涛骇浪中稳如泰山。
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待安装的推进器,图片来源@中国海油例如作业水深达3000米的「海洋石油981」,就可以在水深小于1500米时使用锚链来稳定平台,水深大于1500米时则启用推进器。
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) t1 v8 v& d' R# U3 M5 w+ e 拖航中的「海洋石油981」半潜式钻井平台,摄影师@茅亚林就这样,茫茫海面之上,中国人终于建成了一座座稳定而坚实的「海上堡垒」,巨型堡垒之上,井架竖立,钻机轰鸣,
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. f" ], ^. W6 o# Q5 P 工人们正在下钻作业,摄影师@王振宇堡垒之下,半米粗的隔水钢管直插海底,硕大的钻头则沿着钢管钻入地下,最大深度超过15000米。
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海洋石油981正在进行钻井作业,白色管道为隔水管,钻杆从隔水管中间直插海底,摄影师@赵亮于是,在被探明的油气区域内,经过一次次钻井的验证,包括中国最大的海上油田蓬莱19-3、中国最大的海上气田崖城13-1在内的数百个油气田终于显露真容。
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6 }" O& o! ~7 l, G1 `" R" |7 w/ p 中国海域主要油气田分布示意,制图@郑艺/星球研究所但是这些「海上堡垒」并无法实现持续不断的油气生产,完成钻井后,它们便将前往新的油气田继续自己的使命。
4 N# G0 g0 J4 n1 R) ]2 ~0 v- h% e 因此,若要真正实现深海采油,我们还需要建造一座昼夜不休的「海上工厂」。
# u6 h7 E% F/ ^ 03 建一座「海上工厂」
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这座「海上工厂」,是一个兼备油气生产和加工,而且使用寿命长达数十年的超级组合体。为此,无法重复使用但却能长期提供稳定支撑的导管架,重新进入人们的视线。
3 H8 T- S x+ t7 k6 O6 H* } 和固定式钻井平台类似,人们以导管架为基座,在上方安装生产设备,便得到了一个固定式生产平台,
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海上生产示意,制图@罗梓涵&郑伯容/星球研究所而结构复杂、功能多样、所需空间更大的加工环节,则被部署在陆地上。
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2 ~9 n8 k% j& l. i 海南南山陆地原油处理终端,摄影师@宫瑞卿于是,海上生产、陆地加工,一座半海半陆的工厂便诞生了。
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但这种「海上工厂」对油气田的要求相对较高,既要距离海岸不远,又要面积大、产量高,海底还要适合铺设管线。
$ T9 r* Y' Q1 _/ R+ V 所以,要想走向深海,建造一种海上生产、海上加工的全海式「海上工厂」势在必行,其中最关键的便是实现海上加工。
" Y4 k# e+ K9 J+ \1 z. ^0 ? 于是,人们将纷繁复杂的加工设备紧凑地布局在一艘大船上,再加上自动化控制系统以及船舱的储存功能,一座化工厂便被巧妙地塞进了一艘船里,这便是生产储油船(英文简称FPSO)。
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此设备全称为浮式生产储卸油装置,国内称之为生产储油船,图为工作中的生产储油船,摄影师@李雪松有了它,海上油气生产、汇集之后,便能直接在海上完成加工,而后再经由油轮送往陆地。
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海上生产+海上加工模式,其中系泊塔结构在不同水深固定方式不同,浅水区多用导管架固定,而在深水区则用锚链固定,制图@罗梓涵&郑伯容/星球研究所相比于半海半陆的工厂,这种海上生产、海上加工的全海式工厂,建造周期短、前期投资少,再加上它还可以重复使用,一经问世便风靡全球,也自1989年起便逐渐成为我国海洋油气开采中,应用最广泛的模式之一。
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" W' l# M( g, V h: l9 a& a/ Z6 c' Y 图中上方为生产储油船,下方为油轮,油轮正在从生产储油船中进行提油作业,摄影师@李雪松其中渤海上的渤中28-1油田,是我国最早采用这种模式的油田,而它配备的「渤海友谊号」,也是我国第一个自行建造的生产储油船。
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生产储油船上密集的管道系统,摄影师@秦宇可即便应用广泛,这种模式仍然无法实现深海开采,因为想要适应更大水深,支撑海上生产的导管架必然也要增加高度、延长建造周期,同时安装难度也会随之增加。
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海洋油气生产设备组成海面上的一道靓丽风景线,摄影师@宫瑞卿这意味着我们的生产方式也必须再次升级。
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2020年,南海的流花16-2油田投产,其平均水深达到410米,但在茫茫海面之上,只见一艘巨大的生产储油船,而固定的导管架不见了踪影。这是如何做到的呢?
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: ^) K5 _% s0 y" \( j% H: G* r 流花16-2油田的生产储油船,摄影师@林川当我们穿过水面,就能找到问题的答案。此时你将看到的,是一张由纵横交织的海底管网组成的水下生产系统,再配合生产储油船,一种水下生产、海上加工的开采模式「破水而出」。
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, @9 S7 L: }8 s7 t7 o6 S7 N 水下生产+海上加工模式,制图@罗梓涵&郑伯容/星球研究所而这样的水下生产系统,不仅受天气影响较小、可靠性强,若配合远程控制系统,还可以降低成本、精简人手,再加上可重复使用的生产储油船,整体投资也大大减少,因此自然而然地成为了水深超过300米时的「新宠」。
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可即便如此,生产储油船毕竟是一艘船,船体有限的稳定性,并不能从容应对恶劣的深海环境。若要拥有更强大的稳定性,同时还可以重复使用,就必须建造这样一个庞然大物。
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巨大无比的半潜式生产储卸油平台,摄影师@王继强没错,这就是和半潜式钻井平台一脉相承的半潜式生产储卸油平台,其生产时部分潜于水下有利于增强稳定性。
& m" n: `7 ^& p- n( \' \8 ~ 其最典型的代表便是中国首个自主建造、运营的全球首座10万吨级深水半潜式生产储卸油平台深海一号。
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" M$ e$ V1 ^- [8 g3 Q3 q+ n9 W+ B 伫立于海面上的「深海一号」,摄影师@李彦昭它的规模巨大,总高度达120米,相当于40层楼高,若从空中俯瞰,其面积相当于两个标准足球场,最大排水量达11万吨,相当于近2艘「山东舰」航母,而作业深度则达到1500米。
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" `% \- U, ^0 v9 k8 a/ A H/ ~& r 鸟瞰「深海一号」,摄影师@韩庆它「待机时间」超长,即便面对高温、高湿、高盐雾、超强台风的大南海,仍然可以连续工作30年而不回坞检修。
7 ?5 V7 V0 @4 p1 `% F/ B 最值得一提的是,它的立柱除了支撑平台外,还被开发成一个巨大油舱,其容量相当于10个标准游泳池,它也因此成为了世界首个使用立柱储油的半潜式平台。
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正在安装就位的深海一号,图片来源@中国海油2021年6月,这只钢铁巨兽在南海预定海域精准就位,再加上水下生产系统,以及往来穿梭的油轮和直通陆地的海底管线,一套极为高效的开采模式横空出世。
& S+ r! s5 _( z# n% a' G7 s3 t 其生产的天然气,从海底到千家万户只需耗时1天,每年可以向粤港澳大湾区供气30亿立方米,相当于大湾区1/4的民生用气需求。
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; y( X5 |7 |4 ?2 q* W 深海一号开采模式,其中锚链长度一般是水深的3-5倍,故锚链在水下会更分散,图中仅做示意,制图@罗梓涵&郑伯容/星球研究所至此,用「火眼金睛」探路、用「海上堡垒」钻井、用「海上工厂」生产,三大设施一一就位,终于让中国人靠着自己的力量一步步走向了深海。
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04 深海舰队的诞生
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当然,这还不是全部。
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除了物探船、钻井平台、生产平台这样的核心力量,一支具备战斗力的「深海舰队」,还必须包括铺设海底管道的铺管船,
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, n5 F5 W# T2 G6 \- \- Y4 c 并行的两艘海底铺管船,图片来源@中国海油搭建海上设备的起重船,
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" |7 C/ \8 e, l7 G+ S$ B% f 世界最大单臂起重船「蓝鲸号」正在吊装作业,图片来源@中国海油拖引和补给物资的工作船等拥有不同本领的各种成员,
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三艘工作船正在拖引「深海一号」前进,如同一支海洋舰队,摄影师@王继强以及在这背后数以万计默默奉献的深海探索者。
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远在数千公里之外的我们,远在陆地之上的我们,也许永远无法想象,他们是如何用微小的身躯驾驭一个个钢铁巨兽,
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导管架扶正作业现场,摄影师@张鹏是如何在惊涛骇浪中钻出数千米深的油井,
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钻井工人正在海上安装钻井用的管线,摄影师@林俊西又如何在一望无际的大海上日复一日地坚守。
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茫茫南海上屹立的生产平台,摄影师@姚术成但这就是这支深海舰队的日常。
# h) u+ @! q2 m7 _ 正因如此,在我国对进口石油和天然气的依赖依然高达73%和43%的今天,海洋油气的增产量占比已经连续三年达到全国增量的近80%,成为我国能源增长的新引擎。
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当然,未来的道路依然漫长,因为中国当前的海洋油气产量仅占全国油气总产量的18%,距离30%的世界平均水平仍有不小的差距。
1 f4 @% I; p0 I ^ 但也正因如此,我们才必须继续走向深海,走向更广阔的深海。
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中国海洋石油舰队,图中仅展示部分装备,制图@罗梓涵&郑伯容/星球研究所本文创作团队
撰文:艾蓝星设计:罗梓涵&郑伯容图片:感恩的心 地图:郑艺审校:李雪梨 张威封面摄影师:中国海油&王振宇特别鸣谢
中国海油海洋工程高级工程师 冯加果中海油服物探事业部装备研发制造中心总工程师 阮福明中国海油海洋石油981平台经理 王伟
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中国石油大学(华东)油气储运工程 蒋文明 副教授中国石油大学(北京)流动保障研究组 康琦 博士【说明】本文是基于中国海洋石油工业发展史,从海洋工程装备的视角来回答“中国如何走向深海?”这个问题。而成立于1982年的中国海洋石油集团有限公司,作为中国海洋石油工业的主力军,用40年时间走完了西方国家海洋石油工业100年的历程,未来也将继续参与世界海洋石油工业的角逐。
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【参考文献】
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