楊韻桐+姜兆宇+牟海維+劉興斌+李英偉

文章編號(hào)： 10055630(2014)03019805

收稿日期： 20140119

作者簡介： 楊韻桐(1987),女,碩士,主要從事MATLAB教學(xué)及油氣井測試方面的研究。

通訊作者： 牟海維(1963),男，教授，主要從事傳感測試技術(shù)和信息處理等方面的研究。

摘要： 為進(jìn)一步研究油氣水三相流產(chǎn)出剖面測井中光纖持氣率計(jì)在高含水情況下的響應(yīng)規(guī)律,在大慶油田多相流實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)油的流量一定,高含水的情況下,氣量在5～10 m3/d變化時(shí)測量持氣率值與實(shí)際持氣率值之間誤差變化較大。氣量大于10 m3/d時(shí)誤差變化較小,說明該儀器適合測量氣量在10 m3/d以上的混合流體。此結(jié)果對(duì)光纖持氣率計(jì)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 油氣水三相流; 光纖持氣率計(jì); 誤差分析

中圖分類號(hào)： TH 814文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.03.003

Experimental research on response of profile logging optical

fiber gas holdup sensor in oil/gas/water threephase flow

YANG Yuntong1, JIANG Zhaoyu2, MU Haiwei1, LIU Xingbin2, LI Yingwei3

(1.College of Electronic Science, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;

2.Logging & Testing Services Company of Daging Oilfield Limited Company, Daqing 163513, China;

3.College of Information Science and Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

Abstract： In order to investigate the response of the optical fiber gas holdup sensor when measuring output profile logging with oil/gas/water threephase flow under high water content, the dynamic experiments with multiphase flow in Daqing Oilfield are performed. The results indicate that the error of the optical fiber gas holdup sensor is large when the gas flow content changes from 5～10 m3/d under high water content with the oil fixed. But the error is small when the gas flow content over 10 m3/d, which indicates that this instrument is suitable for measuring gas mixed fluid when the gas flow content is over 10 m3/d. The experimental results have provided more powerful basis to optimize the optical fiber gas holdup sensor.

Key words： oil/gas/water threephase flow; optical fiber gas holdup sensor; error analysis

引言在油田的開發(fā)過程中,技術(shù)人員需要知道在產(chǎn)液或注水過程中有關(guān)井內(nèi)流體的持性與狀態(tài)的詳細(xì)資料,這就要用到石油測井傳感器,其可靠性和準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的,而傳統(tǒng)的電子傳感器無法在井下惡劣的環(huán)境諸如高溫、高壓、腐蝕、地磁地電干擾下進(jìn)行工作［13］。光纖傳感器可以克服這些困難,其對(duì)電磁干擾不敏感而且能承受極端條件,包括高溫、高壓以及強(qiáng)烈的沖擊與振動(dòng),可以高精度地測量井筒和井場環(huán)境參數(shù)。同時(shí),光纖傳感器具有分布式測量能力,可以測量被測量的空間分布,給出剖面信息。本文所研究的產(chǎn)出剖面光纖持氣率計(jì)就是基于以上光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)研制而成。通過集流的方式,實(shí)現(xiàn)井下多相流中持氣率的準(zhǔn)確測量,為存在脫氣、產(chǎn)氣的低產(chǎn)井產(chǎn)出剖面持氣率的測量提供了一種有效的方法。圖1光纖探針測量原理

Fig.1Optical fiber probe measurement principle1測量原理光纖持氣率計(jì)是基于光在折射率不同的物質(zhì)中(液體、氣體)是否發(fā)生全反射的原理研制而成的［4］,光纖探針測量原理如圖1所示。油的折射率為1.5,水的折射率為1.35,氣的折射率為1［5］,當(dāng)光纖探針處于油水介質(zhì)中時(shí),在光纖探頭處的光不能發(fā)生全反射,檢測裝置檢測到低電平;當(dāng)光纖探針處于氣體中時(shí),在光纖探頭處的光發(fā)生全反射,檢測裝置便可檢測到高電平。因此,隨著油氣水三相流體交替流過光纖探頭,光電轉(zhuǎn)換器就會(huì)輸出隨時(shí)間不斷變化的電壓信號(hào),此信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理后,便可得知光纖探頭處的持氣率。2儀器結(jié)構(gòu)光纖持氣率計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,該裝置自左向右依次由電路筒、出液孔、光纖探針和集流傘等組成［68］。流體的流動(dòng)方向?yàn)樽杂蚁蜃?電路筒內(nèi)放置持氣率計(jì)的硬件電路部分,出液孔可以排出由集流傘集流的流體,光纖探針傳感器由四探針組成,集流傘可將測量儀器和套管之間的環(huán)形空間封死,迫使大部分流體流經(jīng)光纖傳感器的測量通道后經(jīng)出液口流入套管內(nèi)。光學(xué)儀器第36卷

第3期楊韻桐，等：油氣水三相流產(chǎn)出剖面光纖持氣率計(jì)響應(yīng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究

圖2光纖持氣率計(jì)結(jié)構(gòu)圖

Fig.2Structural diagram of fiber gas hold

光纖探針位于測量通道內(nèi)部,集流后的流體會(huì)第一時(shí)間接觸到。在設(shè)計(jì)的過程中注意信號(hào)線的走位,以防過多的信號(hào)線影響流體的流形流態(tài),降低實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。3油氣水三相流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析在產(chǎn)出剖面測井工藝中,由于油氣水三相流分相含量的不同,會(huì)導(dǎo)致光纖持氣率計(jì)在對(duì)氣相測量時(shí)出現(xiàn)一定程度的誤差。在氣、油含量相對(duì)較少的情況下,為了觀察光纖持氣率計(jì)的響應(yīng)規(guī)律，本實(shí)驗(yàn)通過油量固定,在高含水的情況下,將氣體的含量逐漸增大,觀察光纖持氣率計(jì)的測量值與實(shí)際數(shù)值之間的響應(yīng)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)在大慶油田多相流實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)所用采樣點(diǎn)為:油量固定水量分別在30～50 m3/d取了等間距的5個(gè)流量點(diǎn);氣量在5～35 m3/d等間距取7個(gè)流量點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中水氣的流量配比如表1所示,再將表1分別與油的流量為5 m3/d、10 m3/d、20 m3/d進(jìn)行配比,測取油氣水三相流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1油量固定,水/氣實(shí)驗(yàn)流量配比

Tab.1Fix of the oil,scaled flow

test of watergasm3?d-1

配料流量配比量水/氣30/535/540/545/550/5水/氣30/1035/1040/1045/1050/10水/氣30/1535/1540/1545/1550/15水/氣30/2035/2040/2045/2050/20水/氣30/2535/2540/2545/2550/25水/氣30/3035/3040/3045/3050/30水/氣30/3535/3540/3545/3550/35

3.1油量為5 m3/d時(shí),不同含水情況下持氣率計(jì)的誤差響應(yīng)規(guī)律圖3(a)為持氣率計(jì)在油量固定為5 m3/d時(shí)的理論持氣率曲線圖,圖3(b)為持氣率計(jì)在多相流實(shí)驗(yàn)裝置上所測得的實(shí)際測得持氣率曲線圖。兩幅圖中橫坐標(biāo)均為通入氣量，縱坐標(biāo)為持氣率值。由圖可知,無論是理論持氣率值還是實(shí)驗(yàn)測得的持氣率值均隨氣量的增大而增大,并且呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系,誤差相對(duì)較小。圖3(c)為繪制出的誤差分析曲線圖。從圖中可以看出,水流量為30 m3/d時(shí)的誤差小于其他流量時(shí)的誤差;當(dāng)氣量小于10 m3/d時(shí),隨著氣量的逐漸增加,誤差值逐漸減少。當(dāng)氣量大于10 m3/d時(shí),誤差值基本不變,從圖中可以看出,曲線基本重合在一起。

圖3油量5 m3/d時(shí)持氣率隨含水量變化響應(yīng)曲線

Fig.3Curve for gas holdup versus water content under the oil content of 5 m3/d

3.2油量為10 m3/d時(shí),不同含水情況下持氣率計(jì)的誤差響應(yīng)規(guī)律圖4(a)為持氣率計(jì)在油量固定為10 m3/d時(shí)的理論持氣率曲線圖,圖4(b)為持氣率計(jì)在多相流實(shí)驗(yàn)裝置上所測得的實(shí)際測得持氣率曲線圖。從圖中可以看出,持氣率的曲線走勢同5 m3/d時(shí)曲線走勢基本一致。圖4(c)為油量為10 m3/d時(shí)繪制出的誤差分析曲線圖。從圖中可以看出,當(dāng)水流量為30 m3/d時(shí)的誤差小于其他流量時(shí)的誤差;當(dāng)氣量小于10 m3/d時(shí),隨著氣量的逐漸增加,誤差值逐漸減少到基線。當(dāng)氣量大于10 m3/d時(shí),誤差值基本不變,從圖中可以看出,誤差在基線附近一定范圍內(nèi)波動(dòng),可以說明儀器測量的準(zhǔn)確性。

圖4油量10 m3/d時(shí)持氣率隨含水量變化響應(yīng)曲線

Fig.4Curve for gas holdup versus water content under the oil content of 10 m3/d

3.3油量為20 m3/d時(shí),不同含水情況下持氣率計(jì)的誤差響應(yīng)規(guī)律圖5為油量為20 m3/d時(shí)持氣率隨含水量變化響應(yīng)曲線圖,從圖中可以看出,測得的持氣率同理論的持氣率誤差曲線比流量為5 m3/d、10 m3/d時(shí)(在低氣量時(shí))的誤差小,氣量大于10 m3/d后的曲線趨勢基本一致。綜上所述,油氣水三相流環(huán)境下,集流型光纖探針持氣率測井儀測得的實(shí)測持氣率會(huì)隨著含氣率的增大而增大,并且呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。氣量從5～10 m3/d變化時(shí)誤差較大,氣量大于10 m3/d時(shí)誤差較小,誤差在10%以下,在可接受的誤差范圍內(nèi)。4結(jié)論通過對(duì)油氣水三相流產(chǎn)出剖面測井中光纖持氣率計(jì)響應(yīng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以得出如下幾點(diǎn)結(jié)論:(1)隨著氣量的逐漸增加,各個(gè)流量點(diǎn)所測得持氣率值與實(shí)際持氣率值基本一致,誤差值在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖5油量20 m3/d時(shí)持氣率隨含水量變化響應(yīng)曲線

Fig.5Curve for gas holdup versus water content under the oil content of 20 m3/d

(2)實(shí)驗(yàn)中氣量從5～10 m3/d變化時(shí)測量持氣率值與理論持氣率值之間誤差變化較大,氣量大于10 m3/d時(shí)誤差變化較小,說明該儀器適合測量氣量在10 m3/d以上的混合流體。(3)個(gè)別點(diǎn)局部曲線出現(xiàn)偏差主要受三相流實(shí)驗(yàn)室氣量波動(dòng)和集流傘漏失的影響。(4)此光纖持氣率計(jì)要達(dá)到大面積的推廣應(yīng)用,還需要進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)：

［1］俞世鋼.用光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)液體表面張力系數(shù)非接觸測量［J］.光學(xué)儀器,2003,25(5):36.

［2］牟海維,段玉波,張坤,等.光纖表面等離子體共振傳感器理論仿真研究［J］.光學(xué)儀器,2011,33(6):5861.

［3］牟海維,劉文嘉,孔令富,等.光纖持氣率計(jì)在氣／水兩相流中響應(yīng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究［J］.光學(xué)儀器,2012,34(5):6669.

［4］郭學(xué)濤,孔令富,張?jiān)粕?等.基于光纖傳感器的油氣水三相流持氣率測井儀［J］.電子技術(shù),2010(2):6870.

［5］牟海維,王愛雙,張坤,等.油氣水三相流產(chǎn)出剖面光纖持氣率計(jì)的設(shè)計(jì)與理論研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程,2012,12(14):33633364.

［6］李莉,劉興斌,房乾,等.光纖探針持氣率計(jì)模擬井實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析［J］.石油儀器,2012,26(2)4:2223.

［7］惠戰(zhàn)強(qiáng).分布式光纖傳感器的原理及發(fā)展［J］.榆林學(xué)院學(xué)報(bào),2008,18(2):4648.

［8］郭鳳珍，于長泰.光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社,1992:13.

表1油量固定,水/氣實(shí)驗(yàn)流量配比

Tab.1Fix of the oil,scaled flow

test of watergasm3?d-1

配料流量配比量水/氣30/535/540/545/550/5水/氣30/1035/1040/1045/1050/10水/氣30/1535/1540/1545/1550/15水/氣30/2035/2040/2045/2050/20水/氣30/2535/2540/2545/2550/25水/氣30/3035/3040/3045/3050/30水/氣30/3535/3540/3545/3550/35

3.1油量為5 m3/d時(shí),不同含水情況下持氣率計(jì)的誤差響應(yīng)規(guī)律圖3(a)為持氣率計(jì)在油量固定為5 m3/d時(shí)的理論持氣率曲線圖,圖3(b)為持氣率計(jì)在多相流實(shí)驗(yàn)裝置上所測得的實(shí)際測得持氣率曲線圖。兩幅圖中橫坐標(biāo)均為通入氣量，縱坐標(biāo)為持氣率值。由圖可知,無論是理論持氣率值還是實(shí)驗(yàn)測得的持氣率值均隨氣量的增大而增大,并且呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系,誤差相對(duì)較小。圖3(c)為繪制出的誤差分析曲線圖。從圖中可以看出,水流量為30 m3/d時(shí)的誤差小于其他流量時(shí)的誤差;當(dāng)氣量小于10 m3/d時(shí),隨著氣量的逐漸增加,誤差值逐漸減少。當(dāng)氣量大于10 m3/d時(shí),誤差值基本不變,從圖中可以看出,曲線基本重合在一起。

圖3油量5 m3/d時(shí)持氣率隨含水量變化響應(yīng)曲線

Fig.3Curve for gas holdup versus water content under the oil content of 5 m3/d

3.2油量為10 m3/d時(shí),不同含水情況下持氣率計(jì)的誤差響應(yīng)規(guī)律圖4(a)為持氣率計(jì)在油量固定為10 m3/d時(shí)的理論持氣率曲線圖,圖4(b)為持氣率計(jì)在多相流實(shí)驗(yàn)裝置上所測得的實(shí)際測得持氣率曲線圖。從圖中可以看出,持氣率的曲線走勢同5 m3/d時(shí)曲線走勢基本一致。圖4(c)為油量為10 m3/d時(shí)繪制出的誤差分析曲線圖。從圖中可以看出,當(dāng)水流量為30 m3/d時(shí)的誤差小于其他流量時(shí)的誤差;當(dāng)氣量小于10 m3/d時(shí),隨著氣量的逐漸增加,誤差值逐漸減少到基線。當(dāng)氣量大于10 m3/d時(shí),誤差值基本不變,從圖中可以看出,誤差在基線附近一定范圍內(nèi)波動(dòng),可以說明儀器測量的準(zhǔn)確性。

圖4油量10 m3/d時(shí)持氣率隨含水量變化響應(yīng)曲線

Fig.4Curve for gas holdup versus water content under the oil content of 10 m3/d

3.3油量為20 m3/d時(shí),不同含水情況下持氣率計(jì)的誤差響應(yīng)規(guī)律圖5為油量為20 m3/d時(shí)持氣率隨含水量變化響應(yīng)曲線圖,從圖中可以看出,測得的持氣率同理論的持氣率誤差曲線比流量為5 m3/d、10 m3/d時(shí)(在低氣量時(shí))的誤差小,氣量大于10 m3/d后的曲線趨勢基本一致。綜上所述,油氣水三相流環(huán)境下,集流型光纖探針持氣率測井儀測得的實(shí)測持氣率會(huì)隨著含氣率的增大而增大,并且呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。氣量從5～10 m3/d變化時(shí)誤差較大,氣量大于10 m3/d時(shí)誤差較小,誤差在10%以下,在可接受的誤差范圍內(nèi)。4結(jié)論通過對(duì)油氣水三相流產(chǎn)出剖面測井中光纖持氣率計(jì)響應(yīng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以得出如下幾點(diǎn)結(jié)論:(1)隨著氣量的逐漸增加,各個(gè)流量點(diǎn)所測得持氣率值與實(shí)際持氣率值基本一致,誤差值在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖5油量20 m3/d時(shí)持氣率隨含水量變化響應(yīng)曲線

Fig.5Curve for gas holdup versus water content under the oil content of 20 m3/d

(2)實(shí)驗(yàn)中氣量從5～10 m3/d變化時(shí)測量持氣率值與理論持氣率值之間誤差變化較大,氣量大于10 m3/d時(shí)誤差變化較小,說明該儀器適合測量氣量在10 m3/d以上的混合流體。(3)個(gè)別點(diǎn)局部曲線出現(xiàn)偏差主要受三相流實(shí)驗(yàn)室氣量波動(dòng)和集流傘漏失的影響。(4)此光纖持氣率計(jì)要達(dá)到大面積的推廣應(yīng)用,還需要進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)：

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［4］郭學(xué)濤,孔令富,張?jiān)粕?等.基于光纖傳感器的油氣水三相流持氣率測井儀［J］.電子技術(shù),2010(2):6870.

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［6］李莉,劉興斌,房乾,等.光纖探針持氣率計(jì)模擬井實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析［J］.石油儀器,2012,26(2)4:2223.

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［8］郭鳳珍，于長泰.光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社,1992:13.

表1油量固定,水/氣實(shí)驗(yàn)流量配比

Tab.1Fix of the oil,scaled flow

test of watergasm3?d-1

配料流量配比量水/氣30/535/540/545/550/5水/氣30/1035/1040/1045/1050/10水/氣30/1535/1540/1545/1550/15水/氣30/2035/2040/2045/2050/20水/氣30/2535/2540/2545/2550/25水/氣30/3035/3040/3045/3050/30水/氣30/3535/3540/3545/3550/35

3.1油量為5 m3/d時(shí),不同含水情況下持氣率計(jì)的誤差響應(yīng)規(guī)律圖3(a)為持氣率計(jì)在油量固定為5 m3/d時(shí)的理論持氣率曲線圖,圖3(b)為持氣率計(jì)在多相流實(shí)驗(yàn)裝置上所測得的實(shí)際測得持氣率曲線圖。兩幅圖中橫坐標(biāo)均為通入氣量，縱坐標(biāo)為持氣率值。由圖可知,無論是理論持氣率值還是實(shí)驗(yàn)測得的持氣率值均隨氣量的增大而增大,并且呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系,誤差相對(duì)較小。圖3(c)為繪制出的誤差分析曲線圖。從圖中可以看出,水流量為30 m3/d時(shí)的誤差小于其他流量時(shí)的誤差;當(dāng)氣量小于10 m3/d時(shí),隨著氣量的逐漸增加,誤差值逐漸減少。當(dāng)氣量大于10 m3/d時(shí),誤差值基本不變,從圖中可以看出,曲線基本重合在一起。

圖3油量5 m3/d時(shí)持氣率隨含水量變化響應(yīng)曲線

Fig.3Curve for gas holdup versus water content under the oil content of 5 m3/d

3.2油量為10 m3/d時(shí),不同含水情況下持氣率計(jì)的誤差響應(yīng)規(guī)律圖4(a)為持氣率計(jì)在油量固定為10 m3/d時(shí)的理論持氣率曲線圖,圖4(b)為持氣率計(jì)在多相流實(shí)驗(yàn)裝置上所測得的實(shí)際測得持氣率曲線圖。從圖中可以看出,持氣率的曲線走勢同5 m3/d時(shí)曲線走勢基本一致。圖4(c)為油量為10 m3/d時(shí)繪制出的誤差分析曲線圖。從圖中可以看出,當(dāng)水流量為30 m3/d時(shí)的誤差小于其他流量時(shí)的誤差;當(dāng)氣量小于10 m3/d時(shí),隨著氣量的逐漸增加,誤差值逐漸減少到基線。當(dāng)氣量大于10 m3/d時(shí),誤差值基本不變,從圖中可以看出,誤差在基線附近一定范圍內(nèi)波動(dòng),可以說明儀器測量的準(zhǔn)確性。

圖4油量10 m3/d時(shí)持氣率隨含水量變化響應(yīng)曲線

Fig.4Curve for gas holdup versus water content under the oil content of 10 m3/d

3.3油量為20 m3/d時(shí),不同含水情況下持氣率計(jì)的誤差響應(yīng)規(guī)律圖5為油量為20 m3/d時(shí)持氣率隨含水量變化響應(yīng)曲線圖,從圖中可以看出,測得的持氣率同理論的持氣率誤差曲線比流量為5 m3/d、10 m3/d時(shí)(在低氣量時(shí))的誤差小,氣量大于10 m3/d后的曲線趨勢基本一致。綜上所述,油氣水三相流環(huán)境下,集流型光纖探針持氣率測井儀測得的實(shí)測持氣率會(huì)隨著含氣率的增大而增大,并且呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。氣量從5～10 m3/d變化時(shí)誤差較大,氣量大于10 m3/d時(shí)誤差較小,誤差在10%以下,在可接受的誤差范圍內(nèi)。4結(jié)論通過對(duì)油氣水三相流產(chǎn)出剖面測井中光纖持氣率計(jì)響應(yīng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以得出如下幾點(diǎn)結(jié)論:(1)隨著氣量的逐漸增加,各個(gè)流量點(diǎn)所測得持氣率值與實(shí)際持氣率值基本一致,誤差值在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖5油量20 m3/d時(shí)持氣率隨含水量變化響應(yīng)曲線

Fig.5Curve for gas holdup versus water content under the oil content of 20 m3/d

(2)實(shí)驗(yàn)中氣量從5～10 m3/d變化時(shí)測量持氣率值與理論持氣率值之間誤差變化較大,氣量大于10 m3/d時(shí)誤差變化較小,說明該儀器適合測量氣量在10 m3/d以上的混合流體。(3)個(gè)別點(diǎn)局部曲線出現(xiàn)偏差主要受三相流實(shí)驗(yàn)室氣量波動(dòng)和集流傘漏失的影響。(4)此光纖持氣率計(jì)要達(dá)到大面積的推廣應(yīng)用,還需要進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)：

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