CN106460483B - 井下的井系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于从井下储层生产含烃流体的井下的井系统，包括：具有内侧的井管结构；用于在井管结构的外侧隔离出环空的第一环状屏障和第二环状屏障，每个环状屏障包括：适于安装为井管结构的一部分的具有外表面的管状部件；围绕管状部件并具有面向管状部件的套筒内表面和面向井孔壁部的套筒外表面的可膨胀金属套筒，可膨胀的套筒的每个端部与管状部件连接；和在可膨胀金属套筒的套筒内表面与管状部件之间的环形空间，第一环状屏障和第二环状屏障适于在膨胀时隔离出生产区域；和入流阀组件，该入流阀组件对着生产区域布置在第一环状屏障和第二环状屏障之间，用于通过调节与入流阀组件中的通道相关的关闭件而经由通道提供生产区域与井管结构的内侧之间的流体连通，其中，入流阀组件包括传感器单元，传感器单元包括适于测量流体的至少一种性质的传感器、用于至少为传感器供电的供电装置以及用于基于传感器的测量值而致动关闭件的调节的控制单元。本发明还涉及用于调节根据本发明的井下的井系统中的流体的入流的入流调节方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于从井下储层生产含烃流体的井下的井系统。进一步地，本发明涉及一种用于调节根据本发明的井下的井系统中流体的入流的调节方法。
背景技术
当从储层的不同生产区域生产含烃流体时，例如在生产区域生产过多的水的情况下或者在一个区域中的压力远低于另一区域中的压力的情况下，对流体的入流进行调节。这样的调节主要通过将工具浸入井中来执行，并且当该工具对着待被调节的入流阀时，该工具接合该阀并且打开或关闭该阀。调节入流的另一种方式是使金属套管的外侧上具有控制管线，从而可从地面调节所述阀。
通过将工具浸入井中对阀进行调节耗费时间，而通过控制管线或流动管线调节所述阀会危害井的安全，因为所述管线将延伸经过井口处的主要屏障，从而导致泄漏和因此井喷的潜在风险。因此，已试图设计例如具有对水起反应的可胀大的元件的自动阀，或者在流体的含水量过高时利用涡流原理降低流体的压力的阀。然而，这些自动阀中没有一个是充分可靠的，因为它们不总能按预期地起作用，并且一些阀的调节是不可逆的。
发明内容
本发明的一个目的是完全或部分地克服现有技术中的上述缺点和不足。更特别地，一个目的是提供一种能够在不使用控制管线或单独工具的情况下被可逆地调节的改进的入流阀组件。
从下面的描述中将变得显而易见的上述目的以及众多的其它目的、优点和特征由根据本发明的方案来实现，即通过用于从井下储层生产含烃流体的井下的井系统来实现，该井下的井系统包括：
-具有内侧的井管结构；
-用于在所述井管结构的外侧隔离出环空的第一环状屏障和第二环状屏障，每个环状屏障包括：
-适于安装为所述井管结构的一部分的管状部件，所述管状部件具有外表面；
-可膨胀金属套筒，该可膨胀金属套筒围绕该管状部件并具有面向该管状部件的套筒内表面和面向井孔的壁部的套筒外表面，所述可膨胀的套筒的每个端部均与该管状部件连接；以及
-在该可膨胀金属套筒的套筒内表面与该管状部件之间的环形空间，
该第一环状屏障和第二环状屏障适于在膨胀时隔离出生产区域；以及
-入流阀组件，该入流阀组件对着该生产区域布置在该第一环状屏障和第二环状屏障之间，用于通过调节与该入流阀组件中的通道相关的关闭件而经由该通道提供所述生产区域与所述井管结构的所述内侧之间的流体连通，
其中，所述入流阀组件包括传感器单元，该传感器单元包括：
-适于测量流体的至少一种性质的传感器；
-用于至少为所述传感器供电的供电装置；以及
-用于基于所述传感器的测量值而致动所述关闭件的调节的控制单元。
该管状部件可以是管状金属部件。
此外，该井管结构可以是井管金属结构。
并且，该井管金属结构可以布置在该井孔中，该井管金属结构具有面向所述井孔的壁部的外表面。
此外，该井下的井系统可以是包括一个井管金属结构的单套管式完井。
此外，该井管金属结构可具有基本上不受限制的内径。所述内径可以受限少于10％。
该井管金属结构可包括对着所述生产区域的至少一个生产开口，以提供在该环空与该井管金属结构的该内侧之间的流体连通，并且该入流阀组件可流体地控制流体经由该生产开口的流动。
进一步地，所述第一环状屏障和所述第二环状屏障可构造成能膨胀以流体地隔离出所述生产区域。
通过提供具有传感器、供电装置以及控制单元的传感器单元，无需从地面接线或者无需用于向传感器供电的其它机构。还试图在一些已知系统中使用套管来传导电力，但测试显示，所述传感器之后会发生故障并且从该传感器单元通信数据是不可能的。
并且，该传感器可布置在该井管结构的外侧或者布置在井管结构中。
该传感器可以是流量传感器、压力传感器、电容传感器、电阻率传感器、声传感器、温度传感器或应变仪。
此外，所述性质可以是压力、密度、电容、电阻率、流量、含水量或温度。
此外，所述传感器可适于测量井管结构外侧的流体的性质。
该井管金属结构的外侧可以在该井管金属结构与在其中布置该井管金属结构的井孔之间。
此外，该传感器可面向该井孔。
并且，该传感器可适于测量该井管结构的内侧的流体的性质。
所述传感器可适于测量内侧的压力或环空中的压力。进一步地，所述传感器单元可包括三通阀，该三通阀具有与所述环空流体连通的第一端口、与所述井管结构的所述内侧流体连通的第二端口，和与所述传感器流体连接的第三端口，从而使所述传感器与所述环空或所述内侧流体连通，以分别测量所述环空中的流体的性质和所述内侧中的流体的性质。
此外，该三通阀可适于在将所述第一端口与所述第三端口流体连接的第一位置和将所述第二端口与所述第三端口流体连接的第二位置之间转换。
所述传感器单元可以是插设在所述井管结构的邻接所述入流阀组件的开口中的插入装置。
并且，所述传感器可适于测量所述井管结构的内侧的压力，并且所述系统还可包括适于测量所述环空中的压力的第二传感器。
此外，所述第二传感器可适于测量位于所述井管结构的外侧并通过所述第一环状屏障和第二环状屏障隔离出的所述环空中的压力。
此外，所述传感器可适于测量所述井管结构的内侧的温度，并且所述系统还可包括适于测量所述井管结构的外侧的温度的第二传感器。
此外，所述关闭件可以是滑动套筒。
进一步地，所述入流阀组件可包括具有关闭件的阀。
此外，所述阀可以是节流阀、电磁阀、螺线管阀或止回阀如球形止回阀、盘式止回阀、摆动式止回阀等。
此外，所述传感器可布置用于测量所述通道的上游、测量所述通道中或测量所述通道的下游。
此外，所述入流阀组件可包括多个传感器。
所述入流阀组件可具有一个布置用于测量所述通道的上游的传感器和一个布置用于测量所述通道的下游的传感器。
此外，所述控制单元可包括用于将所述测量值与预选定性质范围进行比较的处理器。
并且，所述入流阀组件可包括多个通道。
上述井下的井系统还可包括多个入流阀组件。
进一步地，可在所述环形空间中布置用于测量所述环形空间中的流体的压力的第二传感器，所述控制单元适于在测得的环形空间中的压力低于所述生产区域中的流体的压力时打开所述通道。
所述传感器单元可包括通信模块。
此外，所述传感器单元可包括无线射频识别(RFID)标签。
此外，所述系统还可包括用于从所述传感器单元加载数据的井下工具。
该井下工具的通信模块和该传感器单元可通过天线、感应、电磁辐射或遥测技术通信。
并且，所述传感器单元可包括天线。
此外，所述传感器单元可包括适用于为所述传感器单元的供电装置再充电的换能器。
进一步地，所述再充电可借助无线电射频、声和/或电磁辐射实现。
该系统还可包括数据库，从而所述数据可存储在该数据库中，借此所述数据可被访问并用于跟踪不同环空和区域中的井/储层的发展，并且所述数据可与自井中的含烃流体的实际生产相比较，从而所述数据可用于优化该井或其它井的生产。
此外，该井下工具可包括地面读出模块。
所述井下工具可包括适于远程致动所述传感器单元的致动机构。
并且，所述井下工具可包括驱动单元，如井下牵引器。
此外，所述入流阀组件可包括存储模块，如CPU、存储器或记录单元。
此外，所述供电装置可以是能再充电的。
此外，所述入流阀组件可包括用于提供动力的涡轮机或推进器。
并且，所述入流阀组件可包括由涡轮机或推进器驱动的发电机。
进一步地，所述传感器可适于以预定间隔测量所述性质或者连续地测量所述性质。
上述井下的井系统还可包括用于隔离出多个生产区域的多个第一环状屏障和第二环状屏障。
此外，入流阀组件可对着每个生产区域布置，用于调节来自所述生产区域的流体的流动。
本发明还涉及用于调节上述井下的井系统中的流体的入流的入流调节方法，包括以下步骤：
-通过所述传感器测量所述流体的性质；
-确定测量值是在预选定性质范围之内还是之外；以及
-在所述测量值在所述范围之外时致动对所述关闭件的调节。
附图说明
下面将参考后附的示意图更详细地描述本发明及其许多优点，所述示意图出于示例目的仅示出了一些非限制性的实施例，其中：
图1示出了井下的井系统的截面图；
图2示出了入流阀组件的截面图；
图3示出了另一入流阀组件的截面图；
图4示出了又一入流阀组件的截面图；
图5示出了另一井下的井系统的截面图；
图6示出了又一入流阀组件的截面图；
图7示出了具有一个对井管结构的内侧和外侧进行测量的传感器的另一入流阀组件的截面图；
图8示出了具有呈插入装置形式的传感器单元的又一入流阀组件的截面图；
图9示出了具有两个传感器的又一入流阀组件的截面图；以及
图10示出了另一井下的井系统的截面图。
所有的附图是高度示意性的，未必按比例绘制，并且它们仅示出了阐明本发明所必需的那些部件，省略或仅暗示了其它部件。
具体实施方式
图1示出了用于从井下储层2中生产含烃流体的井下的井系统1。该井下的井系统1包括具有用于将井筒流体引导至地面的具有内侧30的井管结构3。该井下的井系统1包括第一环状屏障4、4A和第二环状屏障4、4B，以在所述环状屏障膨胀时在井管结构外侧隔离出环空41以形成生产区域101。每个环状屏障包括适于借助螺纹51(在图2中示出)安装为井管结构的一部分的管状部件5、围绕该管状部件的可膨胀金属套筒7和在该可膨胀金属套筒的套筒内表面与所述管状部件之间的环形空间12。该可膨胀金属套筒7具有面向所述管状部件的套筒内表面8和面向井孔11的壁部10的套筒外表面9，该可膨胀金属套筒的每个端部均与该管状部件连接，这在该可膨胀金属套筒膨胀时提供隔离屏障。井下的井系统1还包括入流阀组件14，该入流阀组件安装为该井管结构的一部分并对着生产区域布置在该第一环状屏障和第二环状屏障之间，用于通过调节与入流阀组件中的通道15相关的关闭件16(在图2中示出)来经由该通道15提供该生产区域与该井管结构的内侧之间的流体连通。
图2中示出的入流阀组件14包括传感器单元40，该传感器单元40具有适于测量流体的至少一种性质的传感器17。该传感器由供电装置18供电，并且该入流阀还包括控制单元19，该控制单元用于基于该传感器的测量值致动对关闭件16的调节，从而打开、阻塞或关闭通道15并借此控制流体从生产区域101至井管结构3的内侧30的通路。
该传感器17是用于测量流体性质如压力、密度、电容、电阻率、流量、含水量或温度的流量传感器、压力传感器、电容传感器、电阻率传感器、声传感器或温度传感器。通过在入流阀组件中设置传感器，在例如该生产区域生产太多水的情况下，该入流阀组件可自身关闭或阻塞，而无需来自地面的控制信号。该供电装置可以是可通过向井中插入工具而再充电的小型电池。
在图2中，关闭件16是通过控制单元19滑动和控制的阀滑杆16A。在图3中，关闭件16是能在入流阀组件14的管状部件25的凹槽24中滑动的滑动套筒16B。因此，该入流阀组件可包括阀20，该阀具有呈紧靠着阀座26闭合的锥体16C(如在图4中所示)形式的关闭件16。在多个其它实施例中，该阀可以是节流阀、电磁阀、螺线管阀或止回阀如球形止回阀、盘式止回阀、摆动式止回阀等。
传感器17可布置用于测量通道15的上游(如图2中所示)，或者布置用于测量通道内部(如在图3中所示)或者布置用于测量通道的下游(如在图4中所示)。通过测量关闭件16的上游和下游(如在图4中所示)，阻塞的结果可快速地被确定并且因此在需要时进一步调节该入流阀组件。为此目的以及为了将测量值与预选定性质范围相比较，该控制单元包括处理器21，从而在测得的性质在该范围之外的情况下，调节该入流阀组件。该入流阀组件可包括测量流体的不同性质的多个传感器，从而一个测得的性质可通过另一个测量值证实。因此，例如在含水量增大的情况下，生产能力(capacity)测量能够探测这样的变化，并且如果还测到温度下降，则因此可证实含水量增大。同样，如果气体含量增大(这可通过电容测量测得)，这可通过压力测量证实。
为了跟随储层的发展，由入流阀组件执行的测量和调节可存储在存储模块和用于将这些数据通信至例如浸在井中的工具的通信模块23(如在图7中所示)中，该存储模块例如为CPU、存储器或记录单元。
如在图3中所示，该入流阀组件14包括多个通道，一些通道打开且其它的通道关闭。以这种方式，流体的体积流量可通过打开或关闭通道来调节。
在图5中，井下的井系统1包括多个入流阀组件，并且在环状屏障的环形空间12中布置有第二传感器22，以便测量该环形空间中的流体的压力。该入流阀组件中的最接近第二传感器的控制单元适于在测得的环形空间中的压力低于生产区域中的流体的压力时打开该通道。这避免了生产区域中的压力引起环状屏障的可膨胀金属套筒塌缩，并且通过使更多的流体进入井管结构3的内侧30，流体可经环状屏障的管状部件上的膨胀开口28进入该环状屏障的环形空间12中，因此平衡跨所述可膨胀金属套筒的压力。当膨胀环状屏障时，井管结构的内侧被加压，并且使这种加压流体经膨胀开口28进入环形空间以使可膨胀金属套筒7膨胀。如果该入流阀组件没有用于该通道的开口，则当该可膨胀金属套筒外侧的压力增大时，该可膨胀金属套筒的内侧的压力不会自动跟随。
如在图6中所示，该入流阀组件14包括在通道中的用于提供动力的推进器。以这种方式，延长了电池使用时间，因为涡轮机在通道打开时发电。该推进器使驱动传动机构35的轴杆34旋转，该传动机构35又驱动发电机36，从而将旋转动力转化成为传感器17和控制单元19供电的电力。
该传感器适于连续地测量该性质或者以预定间隔测量该性质，例如一周一次。因此，入流阀组件14可包括如在图6中所示的计时器37。
在图7中，传感器17适于测量井管结构内侧和环空41中的流体性质，如压力。传感器单元40包括三通阀60，该三通阀具有与环空流体连通的第一端口61、与井管结构的内侧流体连通的第二端口62，和与传感器17流体连接的第三端口63，从而使传感器与环空41或所述内侧30流体连通，以便分别测量环空中的流体的性质和井管结构的内侧的流体的性质。该三通阀适于在将第一端口与第三端口流体连接的第一位置和将第二端口与第三端口流体连接的第二位置之间转换。
在图8中，该传感器单元是可插设在井管结构的邻接入流阀组件14的开口64中的插入装置。传感器单元40包括三通阀60和流体通道，该流体通道根据阀的位置而在井管结构的内侧与三通阀60之间提供流体连通或者在环空与三通阀60之间提供流体连通。控制单元19通过第二控制单元19A控制该关闭件16。
图7和8的传感器单元适于测量井管结构的内侧或外侧的压力。在图9中示出的另一实施例中，该系统还包括适于测量环空中的压力或井管结构的内侧的压力的第二传感器17B，从而该传感器能够通过一个传感器测量内侧的压力并通过另一传感器测量环空/生产区域中的压力。
该传感器单元还可适于测量井管结构内侧的温度，并且该系统还包括适于测量井管结构的外侧的温度的第二传感器。
在图7中，该传感器单元包括无线射频识别(RFID)标签68。在图8中，该传感器单元包括用于与用以从传感器单元加载数据的井下工具71的天线通信的天线66。因此，该井下工具的通信模块和该传感器单元通过天线、感应、电磁辐射或遥测技术通信。该传感器单元40包括适于为传感器单元的供电装置再充电的换能器65。所述再充电可借助无线电射频、声和/或电磁辐射实现。
该系统还包括数据库(未示出)，从而该数据可存储在该数据库中，借此该数据可被访问并用于跟踪不同环空和区域中的井/储层的发展，并且该数据可与自井中的含烃流体的实际生产相比较，从而该数据可用于优化该井或其它井的生产。该入流阀组件的传感器可测量环空和因此生产区域的不同的流体性质，并且如果这些数据存入数据库，则这些数据连同从该井或其它井得到的其它数据可用于更精确地预测未来储层发展。
为了能够向地面发送数据，该井下工具包括发送第一井口数据组的地面读出模块，但仅是在测量变化的情况下。该井下工具可包括适于通过通信模块或换能器远程致动传感器单元的致动机构。
该井下的井系统中的流体的入流的调节通过由传感器测量流体的性质执行，以确定该测量值是在预选定性质范围之内还是之外，并且，如果该测量值在范围之外，则致动对该关闭件的调节。如果测量值在该范围之内，则例如在通过计时器或控制单元控制的一定时间后进行新的测量。
该管状部件可以是管状金属部件，并且该井管结构可以是井管金属结构。如可在图1、5和10中所示，该井管金属结构布置在井孔中，并且该井管金属结构具有面向井孔41的壁部10的外表面6。
此外，该井下的井系统是单套管式完井，这意味着该井管金属结构仅包括一个井管金属结构并因此没有内生产套管。所述井管金属结构具有基本上不受限制的内径，这意味着该井管金属结构的内径受限少于10％并且因此该内径的变化少于10％。
如图所示，该井管金属结构包括对着生产区域101的、为通道15的至少一个生产开口，以提供环空或井孔41与井管金属结构的内侧30之间的流体连通。该入流阀组件流体地控制流体经由生产开口15的流动。
该第一环状屏障和该第二环状屏障被构造成能膨胀以流体隔离出该生产区域。
通过具有带传感器、供电装置以及控制单元的传感器单元，无需从地面接线或者无需用于向传感器供电的其它机构。还试图在一些已知系统中向下走线至所述传感器，但这样所述阀不能特别地布置在井中的深处。其它方案使用套管来传导电力，但测试显示所述传感器之后会故障并且从该传感器单元通信数据是不可能的。
在根据本发明的井下的井系统中，该传感器可布置在井管结构的外侧或者布置在井管结构中。并且，该传感器可适于测量井管结构的外侧的流体的性质。
井管金属结构的外侧应当理解为在井管金属结构与在其中布置该井管金属结构的井孔之间。进一步地，所述传感器可面向井孔的壁部并且可适于测量井管结构的内侧的流体的性质。
在图10中，入流阀组件14布置在井管金属结构的外表面6上并且对着生产区域布置在第一环状屏障与第二环状屏障之间，以通过关于井管金属结构中的通道15调节该关闭件而经由通道15提供生产区域与井管结构的内侧之间的流体连通。
流体或井筒流体是指存在于油井或气井井下的任何类型的流体，如天然气、石油、油基泥浆、原油、水等。气体是指存在于井、完井、或裸井中的任何类型的气体组分，并且油是指任何类型的油组分，例如原油，含油流体等。气体、油和水流体可因此均分别包括除气体、油和/或水之外的其它元素或物质。
套管、生产套管或井管结构是指井下使用的与石油或天然气生产有关的任何类型的管、管道、管结构、衬管、管柱等。
在该工具不是完全浸没入套管中的情况下，井下牵引器可用来推动所述工具完全进入井中的位置。井下牵引器可具有带轮子的可突伸的臂部，其中，轮子接触套管的内表面，用于在套管内推进该牵引器和该工具前进。井下牵引器是能够在井下推动或拉动工具的任何类型的驱动工具，例如Well
尽管上面已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了描述，但在不背离如下面的权利要求所限定的本发明的情况下可想到的若干变型对本领域技术人员来说是显而易见的。
Claims (17)
1.一种用于从井下储层(2)生产含烃流体的井下的井系统(1)，包括：
-具有内侧(30)的井管结构(3)；
-用于在所述井管结构的外侧隔离出环空(41)的第一环状屏障和第二环状屏障(4,4A,4B)，每个环状屏障包括：
-适于安装为所述井管结构的一部分的管状部件(5)，所述管状部件具有外表面(6)；
-可膨胀金属套筒(7)，该可膨胀金属套筒围绕该管状部件并具有面向该管状部件的套筒内表面(8)和面向井孔(11)的壁部(10)的套筒外表面(9)，所述可膨胀金属套筒的每个端部均与该管状部件连接；以及
-在该可膨胀金属套筒的套筒内表面和该管状部件之间的环形空间(12)，
该第一环状屏障和第二环状屏障适于在膨胀时隔离出生产区域(101)；以及
-入流阀组件(14)，该入流阀组件安装为该井管结构的一部分，并且该入流阀组件对着该生产区域布置在该第一环状屏障和第二环状屏障之间，用于通过调节与该入流阀组件中的通道(15)相关的关闭件(16)而经由该通道提供所述生产区域与所述井管结构的所述内侧之间的流体连通，所述关闭件安装在所述井管结构的构成该入流阀组件的该部分上，
其中，所述入流阀组件包括传感器单元(40)，该传感器单元包括：
-适于测量流体的至少一种性质的传感器(17)；
-用于至少为所述传感器供电的供电装置(18)；以及
-用于基于所述传感器的测量值而致动所述关闭件的调节的控制单元(19)。
2.根据权利要求1所述的井下的井系统，其中，该传感器布置在该井管结构的外侧或者布置在井管结构中。
3.根据权利要求2所述的井下的井系统，其中，该传感器为流量传感器、压力传感器、电容传感器、电阻率传感器、声传感器、温度传感器或应变仪。
4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的井下的井系统，其中，所述性质为压力、密度、电容、电阻率、流量、含水量或温度。
5.根据前述权利要求1至3中任一项所述的井下的井系统，其中，该传感器适于测量该井管结构的外侧的流体的性质。
6.根据前述权利要求1至3中任一项所述的井下的井系统，其中，所述传感器适于测量所述井管结构的内侧的压力，并且所述系统还包括适于测量所述环空中的压力的第二传感器。
7.根据前述权利要求1至3中任一项所述的井下的井系统，其中，所述入流阀组件包括具有关闭件的阀(20)。
8.根据前述权利要求1至3中任一项所述的井下的井系统，其中，所述入流阀组件包括多个传感器。
9.根据前述权利要求1至3中任一项所述的井下的井系统，其中，所述控制单元包括用于将测量值与预选定性质范围进行比较的处理器(21)。
10.根据前述权利要求1至3中任一项所述的井下的井系统，其中，所述入流阀组件包括多个通道。
11.根据前述权利要求1至3中任一项所述的井下的井系统，其中，在所述环形空间中布置有用于测量所述环形空间中的流体的压力的第二传感器(22)，所述控制单元适于在环形空间中的测得的压力低于所述生产区域中的流体的压力时打开所述通道。
12.根据前述权利要求中1至3任一项所述的井下的井系统，其中，所述传感器单元包括通信模块(23)。
13.根据前述权利要求中1至3任一项所述的井下的井系统，其中，所述供电装置是能再充电的。
14.根据前述权利要求1至3中任一项所述的井下的井系统，其中，所述传感器适于以预定间隔测量所述性质或者连续地测量所述性质。
15.根据前述权利要求1至3中任一项所述的井下的井系统，还包括用于隔离出多个生产区域的多个第一环状屏障和第二环状屏障。
16.根据权利要求15所述的井下的井系统，其中，对着每个生产区域布置入流阀组件，用于调节来自所述生产区域的流体的流动。
17.一种用于调节根据前述权利要求中任一项所述的井下的井系统中的流体的入流的入流调节方法，包括以下步骤：
-通过所述传感器测量所述流体的性质；
-确定测量值是在预选定性质范围之内还是之外；以及
-在所述测量值在所述范围之外时致动对所述关闭件的调节。
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