趙仁保，嚴(yán) 偉，孔垂顯，秦 軍，史艷玲，魏易光，楊嬌龍

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中石油新疆油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

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稠油油藏注空氣燃燒管實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究

趙仁保1，嚴(yán) 偉1，孔垂顯2，秦 軍2，史艷玲2，魏易光1，楊嬌龍1

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中石油新疆油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

針對(duì)新疆某油田J7井區(qū)稠油油藏條件，利用燃燒管實(shí)驗(yàn)裝置研究了火驅(qū)過(guò)程中溫度場(chǎng)及壓力場(chǎng)的分布規(guī)律，并結(jié)合數(shù)值模擬研究了影響火驅(qū)的重要因素。重點(diǎn)分析了火驅(qū)過(guò)程中油墻形成對(duì)高溫燃燒前緣傳播穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，J7井區(qū)稠油油藏原油在350 ℃且黏土存在條件下可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火及火線的推進(jìn)；火線推進(jìn)到燃燒管3/4處的采收率為60%；油墻的形成使得驅(qū)替壓差增大，壓降主要消耗在該段內(nèi)，油墻的封堵效應(yīng)，使得空氣注入困難，燃燒變得不穩(wěn)定。低滲稠油油藏火驅(qū)開(kāi)發(fā)將面臨2個(gè)難題：空氣注入困難、火驅(qū)見(jiàn)效時(shí)間晚。

稠油開(kāi)發(fā)；就地燃燒；燃燒管；溫度場(chǎng)；油墻；含油飽和度場(chǎng)

趙仁保，嚴(yán) 偉，孔垂顯，等.稠油油藏注空氣燃燒管實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，31(3):68-73.

ZHAO Renbao,YAN Wei,KONG Chuixian,et al.Study on combustion tube experiment and numerical simulation of air injection in heavy oil reservoir[J].Journal of Xi'an Shiyou University(Natural Science Edition),2016,31(3):68-73.

引　言

火燒油層是通過(guò)不斷向油層中(通過(guò)1口或幾口井)注入氧化劑(空氣或富氧)點(diǎn)燃油層后，形成徑向移動(dòng)的燃燒前緣[1-3]。最早的油田礦場(chǎng)火驅(qū)項(xiàng)目于1934年在前蘇聯(lián)進(jìn)行第一次點(diǎn)火[4]，到目前為止，全球已經(jīng)開(kāi)展了上百個(gè)商業(yè)化的火驅(qū)項(xiàng)目[5-7]。

稠油油藏火驅(qū)必須考慮2個(gè)方面：第一，促使原油流動(dòng)；第二，使流動(dòng)的原油成功運(yùn)移到生產(chǎn)井。通過(guò)燃燒管實(shí)驗(yàn)可以分析油藏火驅(qū)機(jī)理，關(guān)文龍等[8]通過(guò)燃燒管實(shí)驗(yàn)分析了燃燒區(qū)帶分布情況。目前普遍認(rèn)為燃燒過(guò)程中存在不同的區(qū)域[9-11]，分別為已燃區(qū)、燃燒前緣、裂解區(qū)、蒸汽平臺(tái)、油墻區(qū)、冷油區(qū)。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者[12-19]通過(guò)燃燒管實(shí)驗(yàn)，研究了火驅(qū)過(guò)程中空氣需要量、燃料含量、高溫燃燒前緣推進(jìn)速度等對(duì)火驅(qū)效果的影響，來(lái)評(píng)價(jià)目標(biāo)油藏火驅(qū)開(kāi)發(fā)的可行性。影響稠油油藏火驅(qū)開(kāi)發(fā)效果的因素很多，通過(guò)室內(nèi)物模實(shí)驗(yàn)難以給出所有變量對(duì)火驅(qū)效果的影響。針對(duì)這一問(wèn)題，有學(xué)者提出了火驅(qū)數(shù)值模擬研究[17-18]?；痱?qū)數(shù)值模擬研究中對(duì)于反應(yīng)控制方程有著較大的爭(zhēng)議，目前數(shù)值模擬普遍采用的是4步反應(yīng)控制方程[18]，即重油裂解反應(yīng)、重油燃燒反應(yīng)、輕油燃燒反應(yīng)及焦炭燃燒反應(yīng)。

研究發(fā)現(xiàn)，稠油油藏火驅(qū)開(kāi)發(fā)存在著嚴(yán)重的油墻封堵效應(yīng)，造成大量的壓降消耗在油墻區(qū)，導(dǎo)致有效空氣注入量在油藏深部高溫區(qū)逐漸降低，燃燒穩(wěn)定性變差。因此，不少學(xué)者在超稠油開(kāi)發(fā)中提出了小注采井距的井網(wǎng)組合，如THAI，VAPEX等[19]。同樣，低滲稠油油藏火驅(qū)過(guò)程中也會(huì)存在同樣的問(wèn)題。本文將燃燒管室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合研究火驅(qū)過(guò)程中油墻形成及其驅(qū)替過(guò)程中的壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)，為實(shí)際油藏的火驅(qū)開(kāi)發(fā)提供理論參考。

1　實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料及方法

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用燃燒管為長(zhǎng)度0.6 m、內(nèi)徑3.8 cm的鈦合金填砂管(內(nèi)壁處理成粗糙的表面)。燃燒管沿程裝有5個(gè)熱電偶，其間距均為10 cm，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃燒前緣的溫度。燃燒過(guò)程中空氣注入壓力、產(chǎn)出氣體組分通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄。圖1為燃燒管實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖，主要由燃燒管、氣體分析儀、液體計(jì)量?jī)x、點(diǎn)火控制系統(tǒng)組成。

圖1　燃燒管火驅(qū)流程示意圖Fig.1　Combustion tube experiment procedure

本文還用到以下設(shè)備：RS6000高溫流變儀(德國(guó)Haake)，Mettler電子天平(精度0.000 1 g)。

1.2實(shí)驗(yàn)材料

所用原油為新疆某油田J7井區(qū)J103井脫水原油。設(shè)計(jì)了2種條件下的燃燒管實(shí)驗(yàn)，一種為不加黏土，其目的是研究原油本身的燃燒性能；另一種加入4.5%的高嶺土，用來(lái)模擬實(shí)際儲(chǔ)層。砂子取自河北的水洗河砂，所加水為蒸餾水。

方案1：稱取1 100 g河砂、135 g J103井脫水原油和65 g水，充分?jǐn)嚢韬笱b入燃燒管中。

方案2：稱取1 050 g河砂、50 g高嶺土、135 g J103井脫水原油和65 g水，充分?jǐn)嚢韬笱b入燃燒管中。

通過(guò)計(jì)算，2組燃燒管的含油飽和度均為53.0%，含水飽和度均為24.6%。填砂完成后，用皂膜流量計(jì)測(cè)定填砂管的氮?dú)鉂B透率，實(shí)驗(yàn)中使用的河砂、原油等物性參數(shù)見(jiàn)表1。點(diǎn)火溫度為350 ℃，持續(xù)加熱時(shí)間為30 min。

表1　油砂裝填燃燒管基本參數(shù)

1.3實(shí)驗(yàn)方法

具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

(1)油砂混拌、裝填。油砂必須經(jīng)過(guò)充分混合后才能填入管中，為了確保油砂裝填均勻，每6 cm燃燒管填入130 g混拌均勻的油砂。再依次裝好帶點(diǎn)火器的法蘭及熱電偶，并在燃燒管外包裹保溫棉(厚約10 cm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.03 W/(m·K))，以減少火驅(qū)過(guò)程中的熱量損失。

(2)密閉性檢測(cè)。檢測(cè)方法為向燃燒管中注入氮?dú)?，升壓? MPa，2 h后燃燒管中壓力基本保持穩(wěn)定即可。

(3)仔細(xì)檢查點(diǎn)火控制系統(tǒng)、氣體分析系統(tǒng)、溫度及壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，確保各系統(tǒng)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

(4)升溫程序設(shè)定，點(diǎn)火器在0～25 min內(nèi)以15 ℃/min的速率升溫，在25～55 min內(nèi)維持溫度350 ℃，55 min后開(kāi)始注入空氣進(jìn)行點(diǎn)火。選擇這個(gè)溫度下進(jìn)行點(diǎn)火是綜合了活化能測(cè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)文獻(xiàn)[8]?？諝庾⑷胨俾蕿?.5 L/min。

當(dāng)高溫燃燒前緣傳播到燃燒管3/4位置時(shí)，注入氮?dú)鉁缁鸾Y(jié)束實(shí)驗(yàn)。將產(chǎn)出的氣體濃度數(shù)據(jù)、溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1原油流變性

原油經(jīng)過(guò)脫水后在50 ℃下取出50 mL，將其小心轉(zhuǎn)入到流變儀的密閉測(cè)量系統(tǒng)中進(jìn)行黏溫性測(cè)試，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，原油黏度在70 ℃時(shí)達(dá)到1 650 mPa·s,溫度上升到141 ℃時(shí)急劇降低到36 mPa·s。表明該原油中蠟質(zhì)含量較高。

圖2　稠油黏溫曲線Fig.2　Viscosity-temperature curve of heavy oil

2.2溫度分布特征

通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)變化可以初步判斷火驅(qū)效果，圖3為2組熱電偶的溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)1(未加入高嶺土)中除了1號(hào)熱電偶溫度達(dá)到350 ℃，其余熱電偶溫度都在200 ℃以下。實(shí)驗(yàn)2(加入高嶺土)中1號(hào)熱電偶的溫度接近400 ℃，2、3、4號(hào)熱電偶溫度超過(guò)530 ℃，5號(hào)熱電偶溫度在200 ℃以下。

對(duì)比2組燃燒管實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)1的燃燒管中5個(gè)熱電偶都沒(méi)有監(jiān)測(cè)到高溫區(qū)，表明點(diǎn)火失敗。實(shí)驗(yàn)2的燃燒管中監(jiān)測(cè)到了高溫區(qū)，最高溫度達(dá)到590 ℃，且2、3、4號(hào)熱電偶的溫度曲線表明燃燒前緣能夠穩(wěn)定推進(jìn)。高溫前緣傳播到4號(hào)熱電偶處停止實(shí)驗(yàn)，此時(shí)5號(hào)熱電偶溫度在110 ℃左右。

上述2組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，油砂中含有一定量的高嶺土有助于點(diǎn)火，并促進(jìn)火線的穩(wěn)定推進(jìn)，計(jì)算得到的高溫燃燒前緣推進(jìn)速度為0.12 m/h。

圖3　燃燒管實(shí)驗(yàn)溫度場(chǎng)圖Fig.3　Temperature profile of combustion tube experiment

2.3燃燒過(guò)程中氣體濃度的變化

通過(guò)燃燒管實(shí)驗(yàn)可以確定油藏的燃料消耗量、燃料的視氫碳原子比、氧氣利用率等參數(shù)[20]。根據(jù)組分濃度的變化可以判斷火驅(qū)是處于低溫氧化反應(yīng)階段還是處于高溫氧化反應(yīng)階段?；痱?qū)過(guò)程中氧氣、二氧化碳、甲烷、一氧化碳?xì)怏w的濃度變化如圖4所示。

圖4　燃燒管產(chǎn)出氣體體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化Fig.4　Volume fraction varying of gases produced by combustion tube with time

在燃燒管火驅(qū)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)出CO2體積分?jǐn)?shù)超過(guò)10%的階段可以認(rèn)為在多孔介質(zhì)中發(fā)生著高溫氧化。分析高溫氧化階段注入、產(chǎn)出氣體的平均含量如表2所示。

表2　注入、產(chǎn)出氣體的平均含量

視氫碳原子比是判斷燃燒階段、燃燒穩(wěn)定性的重要依據(jù)。實(shí)驗(yàn)中計(jì)算得到J103井原油燃燒過(guò)程中燃料的視氫碳原子比值為1.25，明顯低于臨界值2.0，表明發(fā)生了高溫燃燒反應(yīng)。

氧氣利用率也是判斷燃燒穩(wěn)定性的一個(gè)重要參數(shù)，可通過(guò)以下公式計(jì)算[2-3]：

式中：Y為氧氣利用率，%；φ(O2)為產(chǎn)出氣體中氧氣體積分?jǐn)?shù)，%；φ(N2) 為產(chǎn)出氣體中氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù),%。

氧氣利用率反映了燃燒效果，Y值越大燃燒效果越好，Y大于85%時(shí)認(rèn)為燃燒效果較好。本次實(shí)驗(yàn)Y=91%。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)火驅(qū)過(guò)程空氣注入壓力最高達(dá)到3.2 MPa，表明油藏火驅(qū)過(guò)程中可能面臨著注入壓力較高進(jìn)而導(dǎo)致空氣通量不足的問(wèn)題。對(duì)于低滲透稠油油藏火驅(qū)，該問(wèn)題將尤為嚴(yán)重。

3　數(shù)值模擬

影響火驅(qū)開(kāi)發(fā)效果的因素眾多，單純依靠室內(nèi)實(shí)驗(yàn)不僅周期長(zhǎng)、成本昂貴，而且其結(jié)果存在一定的局限性。本文利用數(shù)值模擬將燃燒管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了擬合。考慮4步化學(xué)反應(yīng)：重油裂解反應(yīng)、重油燃燒反應(yīng)、輕油燃燒反應(yīng)及焦炭燃燒反應(yīng)。通過(guò)燃燒池實(shí)驗(yàn)確定了裂解區(qū)、燃燒區(qū)的平均活化能和指前因子(見(jiàn)表3)。

參照前面燃燒管實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)2的結(jié)果進(jìn)行了擬合，并得到了累產(chǎn)油量、累產(chǎn)水量、產(chǎn)出氣體濃度、注入壓力的變化，如圖5—圖8所示。

圖5為燃燒管沿程5個(gè)熱電偶的溫度場(chǎng)擬合圖，可以看出，1號(hào)熱電偶溫度T1的實(shí)驗(yàn)和擬合的結(jié)果差異較大，數(shù)值模擬的最高溫度高于物模實(shí)驗(yàn)結(jié)果，原因是該位置處在氮?dú)夥諊?，裂解產(chǎn)生的氮化焦炭在高溫下與氧氣不再發(fā)生燃燒反應(yīng)，因此沒(méi)有明顯的高溫燃燒前緣。其余4個(gè)熱電偶的溫度場(chǎng)擬合精度達(dá)90%以上。

表3　數(shù)值模擬中反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)擬合結(jié)果

圖5　實(shí)驗(yàn)和模擬溫度場(chǎng)Fig.5　Experiment and simulation results of temperature profiles

圖6為燃燒管累產(chǎn)油量和累產(chǎn)水量隨時(shí)間變化圖，產(chǎn)油量的模擬效果比產(chǎn)水量的要好，物理模擬實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)水時(shí)間比數(shù)值模擬產(chǎn)水時(shí)間要晚，并且累產(chǎn)水量比數(shù)值模擬小，最終模擬累產(chǎn)油量比實(shí)驗(yàn)累產(chǎn)油量多10 mL。其原因之一可能是數(shù)值模擬中沒(méi)有考慮毛管力的影響。實(shí)驗(yàn)最終采收率達(dá)到60%，模擬最終采收率達(dá)到70%。

圖6　實(shí)驗(yàn)和模擬累產(chǎn)量Fig.6　Experiment and simulation results of cumulative oil and water production

圖7為產(chǎn)出CO和CO2的濃度擬合結(jié)果，表明實(shí)驗(yàn)的氣體濃度曲線波動(dòng)遠(yuǎn)大于數(shù)值模擬的曲線，初步分析可能是填砂管非均質(zhì)性的影響，另外，在實(shí)驗(yàn)中燃燒條件不穩(wěn)定，而數(shù)值模擬中所有條件相對(duì)穩(wěn)定。

氣體濃度的模擬精度達(dá)到90%，分析結(jié)果表明高溫燃燒前緣在4 000～13 000 s的時(shí)間段內(nèi)穩(wěn)定傳播，其CO體積分?jǐn)?shù)超過(guò)3%，CO2體積分?jǐn)?shù)超過(guò)10%，且實(shí)驗(yàn)中CO和CO2見(jiàn)氣時(shí)間較早。

圖7　實(shí)驗(yàn)和模擬氣體組分Fig.7　Experimental and simulated gas composition

圖8為燃燒管注入壓力的圖，注入壓力的變化趨勢(shì)在物理模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬中有著較好的一致性。注入壓力在3 000 s處突然增大，在8 000 s處達(dá)到最大值3.2 MPa。與圖5對(duì)比可知，在3 000 s處，火線還未達(dá)到T1(離注入端10 cm處)，但蒸汽平臺(tái)(溫度200～300 ℃)在該處形成。因此，可以推測(cè)，油墻在T1位置前后約10 cm的空間里，造成驅(qū)替壓差迅速增加。結(jié)合產(chǎn)出氣體的濃度分析，在3 000 s處CO和CO2氣體含量迅速增大。因此，可以認(rèn)為注入壓力在3 000 s處迅速增大是因?yàn)橛蛪υ诟邷厝紵熬壍恼羝脚_(tái)處開(kāi)始聚集，造成空氣注入性急劇變差。另外，從蒸汽平臺(tái)到達(dá)T2的時(shí)間(約4 800 s)看，T1處的火線前緣已經(jīng)離開(kāi)了(約在4 200 s處燃燒完成)600 s，而火線從T1到達(dá)T2的時(shí)間約為3 000 s，因此，火線前緣和蒸汽平臺(tái)之間的距離5～8 cm。

圖8　注入壓力實(shí)驗(yàn)及模擬圖Fig.8　Experiment and simulation results of air injection pressure

圖9為燃燒管數(shù)值模擬油墻形成時(shí)各區(qū)帶分布圖，表明6個(gè)區(qū)域的溫度場(chǎng)、含油飽和度場(chǎng)、壓力梯度場(chǎng)有著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

通過(guò)觀察各區(qū)帶之間的數(shù)值模擬結(jié)果，已燃區(qū)儲(chǔ)層含油飽和度幾乎為零，巖心中為空氣的單相流動(dòng)，該區(qū)域壓力梯度很低，低于0.5 MPa/m。燃燒前緣的溫度超過(guò)450 ℃，結(jié)焦帶發(fā)生裂解反應(yīng)，產(chǎn)生大量的焦炭，為燃燒前緣的傳播提供燃料。油墻帶的含油飽和度較高，原油在該區(qū)域流動(dòng)將產(chǎn)生較大的阻力，是導(dǎo)致壓力梯度迅速增加到3 MPa/m的直接原因。冷油區(qū)的壓力梯度較小，主要受煙道氣及水蒸氣的影響。

圖9　燃燒管各區(qū)帶分布模擬結(jié)果Fig.9　Simulated temperature,oil saturation and pressure gradient distributions along combustion tube

因此，低滲稠油油藏火驅(qū)將面臨2個(gè)主要問(wèn)題：①油墻封堵造成空氣注入能力差；②火驅(qū)見(jiàn)效時(shí)間較晚。嚴(yán)重的油墻封堵效應(yīng)將導(dǎo)致儲(chǔ)層中的原油無(wú)法有效運(yùn)移到生產(chǎn)井。

4　結(jié)　論

(1)高嶺土的加入有助于點(diǎn)火，在350 ℃下能夠成功點(diǎn)火，且火線能夠穩(wěn)定傳播。

(2)壓力的波動(dòng)反映了燃燒管內(nèi)部發(fā)生的劇烈物理化學(xué)反應(yīng)及流動(dòng)狀態(tài)的變化，注入壓力的增加反映了油墻開(kāi)始形成，產(chǎn)生了明顯的封堵效應(yīng)?；鹁€推進(jìn)到管長(zhǎng)3/4處的原油采收率為60%。

(3)數(shù)值模擬在溫度場(chǎng)、氣體濃度、壓力場(chǎng)等方面和物模實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合程度高，兩者結(jié)合有助于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的方案設(shè)計(jì)。

(4)對(duì)于J7井區(qū)稠油油藏，其原油黏度高、儲(chǔ)層滲透率低、地層破裂壓力低(21 MPa)，在空氣注入壓力低于地層破裂壓力條件下油墻難以推動(dòng)。因此，如何解決油墻的封堵效應(yīng)，使原油能夠運(yùn)移到生產(chǎn)井是低滲稠油油藏火驅(qū)開(kāi)發(fā)需要迫切解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

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責(zé)任編輯： 董瑾

Study on Combustion Tube Experiment and Numerical Simulation of Air Injection in Heavy Oil Reservoir

ZHAO Renbao1,YAN Wei1,KONG Chuixian2,QIN Jun2,SHI Yanling2,WEI Yiguang1,YANG Jiaolong1

(1.MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China；2.Research Institute of Exploration & Development,Xinjiang Oilfield Company of PetroChina,Karamay 834000,Xinjiang,China)

Based on the crude oil reservoir conditions in block J7 of Xinjiang Oilfield,the temperature field and the pressure field in in-situ combustion process are studied using combustion tube experiment,and the main influence factors of in-situ combustion process are discussed by combining numerical simulation with combustion tube experiment.The influence of oil bank formation in in-situ combustion on the stability of combustion front propagation is emphatically analyzed.It is shown that the heavy oil in the block J7 can realize ignition and combustion front propagation under the conditions of 350℃ and clay existing;the oil recovery factor reaches to 60% when the combustion front propagates to 3/4 position of combustion tube length,the formation of oil bank makes the displacement pressure increase,and the pressure drop is consumed mainly in this segment of the combustion tube.Plugging effect of the oil bank makes air injection difficult,which leads to unstable combustion.The research results in this paper show that the in-situ combustion development of low permeability heavy oil reservoirs will face two difficulties:difficult air injection,late effect time.

heavy oil development;in-situ combustion;combustion tube;temperature field;oil bank;oil saturation field

2015-07-25

國(guó)家重大專項(xiàng)“稠油/超稠油經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”(編號(hào)：2016ZX05012)

趙仁保(1971-)，男，副教授，碩導(dǎo)，主要從事稠油火驅(qū)機(jī)理研究。E-mail:zhaorenbao@vip.sina.com

10.3969/j.issn.1673-064X.2016.03.011

TE357.44

1673-064X(2016)03-0068-06

A