CN109025945B - 一种致密油气储层二次压裂的方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种致密油气储层二次压裂的方法和应用,重点应用于页岩气、页岩油储层二次压裂领域。方法包括:在初次水力压裂的基础上分级注入微纳米尺寸的含能爆破材料颗粒,将其输送至初级裂缝壁面上,利用脉冲电流引爆的方式,实现二次压裂。该方法能够形成沟通基质孔隙的密集缝网,缝网将大大增加基质孔隙孔壁暴露面积,增大油气脱附、运移通道总体排出面积,进一步提高采收率;可选用的含能材料种类丰富,通过物理、化学的手段进行材料调控与材料复合,根据不同的储层岩性、物性等特征设计二次压裂方案;采用的含能爆破材料可与高强度的微小尺寸支撑剂复合,一次性实现压裂剂与支撑剂的注入,为进一步提高页岩气、页岩油产量提供一种新的思路。
Description
技术领域
本发明属于致密油气、页岩油气储层压裂工程技术领域,涉及一种致密油气储层二次压裂的方法和应用。
背景技术
我国页岩气探明地质储量高达5441.29亿立方米,按可采储量计算目前可达世界第一。我国的页岩油资源丰富,技术可采资源量43.52亿吨(EIA.Sep 24,2015),居世界第三位。由于页岩储层具有低孔低渗的特征,目前,水平井加多级压裂是目前美国页岩气开发应用最广泛的方式。北美页岩气主要采用水平井套管完井、分簇射孔、快速可钻式桥塞封隔、大规模滑溜水或“滑溜水加线性胶”分段压裂、同步压裂为主,以实现“体积改造”为目的的页岩气压裂主体技术。水平井分段压裂技术同样也成为我国页岩气的开发中最关键的技术,除在页岩气储层中的应用外,在致密砂岩气、深层油气等勘探开发领域同样具有非常广阔的发展前景。
近年来,为了扩大体积改造的影响体积,压裂技术在不断地优化:压裂液从原油和清水发展到低、中、高温系列齐全的优质、低伤害、具有延迟交联作用的胍胶有机硼和清洁压裂液体系;支撑剂从天然石英砂发展到中、高强度人造陶粒,并且加砂方式从人工加砂发展到混砂车连续加砂;压裂设备从小功率水泥车发展到大功率压裂车;单井压裂施工从小规模、低砂液比发展到超大型、高砂液比压裂作业,等。另外,当初始压裂处理已经无效或现有的支撑剂因时间关系损坏或质量下降导致气体产量大幅下降时,进行重复压裂。
由于上述的水力压裂的提供的能量有限,每次形成的裂缝多为沿着岩层力学薄弱区域产生与延伸,且更多是平行于页岩沉积层理的水平裂缝,无法形成沟通大量基质孔隙的网状裂缝。而页岩油、页岩气等储层中大量油气均赋存于基质微纳米孔隙中,良好的孔隙沟通是保证压裂效果,实现页岩油气井高产的关键。
发明内容
基于现有技术中水力压裂能量供应不足,无法形成沟通大量基质孔隙的网状裂缝;本发明的目的在于提供一种致密油气储层二次压裂的方法。该方法在常规水力压裂初次压裂的基础上,分级注入微纳米尺寸的含能材料颗粒,将其输送至初级裂缝壁面上,利用脉冲电流引爆的方式,实现二次压裂,从而形成沟通基质孔隙的密集缝网。本发明的目的还在于提供该方法在页岩气、页岩油储层二次压裂领域中的应用。
本发明的目的通过以下技术方案得以实现:
一方面,本发明提供一种致密油气储层二次压裂的方法,其包括以下步骤:
步骤一,选取致密油气储层的目的层,根据目的层的地质条件、岩石岩性和物质特性,选取含能爆破材料的种类并进行微纳米复合或表面修饰设计其颗粒结构,获得含能爆破材料颗粒;将含能爆破材料颗粒配制成高盐高含能爆破材料压裂液和高盐低含能爆破材料压裂液;根据爆破强度选取水力压裂支撑剂和二次压裂支撑剂;
步骤二,钻水平井固完井,在拟分级压裂位置处进行射孔,对水平井进行初次水力压裂;
步骤三,从初次水力压裂的最后一级开始采取三段式注入方法,先注入高盐高含能爆破材料压裂液,然后高盐低含能爆破材料压裂液,最后注入清水,注入后对该级进行电脉冲引爆,完成该级的二次压裂,并对该级进行下桥塞封堵;
步骤四,接着对倒数第二级重复初次水力压裂和二次压裂,依次类推至各级完成二次压裂;最后将桥塞钻穿,排出剩余压裂液,开始油气采集。
上述的方法中,“高盐”是指盐度处于10‰-200‰;同时要保证在室温下高含盐盐水无晶体析出。盐水主要用于导电,用电引爆。“盐度”指1kg水中溶解的盐类物质,例如海水的盐度是35‰。“含能爆破材料”是指能量密度比常规含能材料(103J/g)高一个数量级以上的含能材料(104J/g);“高含能”是指含能爆破材料在高盐高含能爆破材料压裂液中所占的质量分数大于等于5%;“低含能”是指含能爆破材料在高盐低含能爆破材料压裂液中所占的质量分数小于等于2%。
上述的方法中,优选地,所述含能爆破材料包括三氨基三硝基苯(TATB)、环三亚甲基三硝胺(RDX)、环四亚甲基四硝胺(HMX)、六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20、HNIW)、1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)、高氯酸铵、叠氮化合物和纳米铝热剂颗粒中的一种或多种的组合。
上述的方法中,优选地,含能爆破材料颗粒具体方法为:将含能爆破材料进行细化成微纳米尺寸,然后与金属颗粒、金属氧化物颗粒、SiO2和碳材料颗粒中的一种或多种复合制备成含能爆破材料颗粒。
上述的方法中,优选地,细化的方法包括静电喷雾法、溶胶凝胶法、等离子体法和超临界流体技术中的一种或多种的组合。
上述的方法中,优选地,采用静电喷雾法结合溶胶凝胶法制备得到Al/CuO/NH4ClO4/SiO2含能爆破材料颗粒;其中,SiO2中作为基底,尺寸为10-500μm,优选为200μm;Al/CuO/NH4ClO4作为含能爆破复合材料,尺寸为20-100μm,优选为20μm,形成SiO2包覆的核壳颗粒结构,颗粒密度为1-10g/cm3,优选为2.14g/cm3。
上述的方法中,采用的含能材料的材料类型可选,爆破强度可控,又可以通过物理或化学的方法对含能材料颗粒表面进行修饰,为在水力压裂基础上进行深度含能材料二次压裂提供了可能。利用材料复合与结构设计,实现含能材料的常温常压下的惰性以及电致引爆特性。根据岩层的物理性质,包括强度、弹性模量等,选择不同的复合含能材料,设计其爆破强度。同时,需要设计材料的抗盐能力,有一定的盐水耐受能力。
上述的方法中,优选地,高盐高含能爆破材料压裂液是通过强电解质盐复配含能爆破材料颗粒制备获得的。
上述的方法中,优选地,所述强电解质盐包括氯化钠、硫酸镁和海水中的一种或多种的组合。该强电解质盐导电性能好,能够较好的用于传导强脉冲电流,同时还可以起到杀死井筒内微生物等的作用,但浓度不宜过高,防止盐溶液中析出晶体,堵塞孔道。
上述的方法中,优选地,以所述高盐高含能爆破材料压裂液质量为100%计,该高盐高含能爆破材料压裂液包括5%-20%的含能爆破材料颗粒、0.15%的氯化钠、0.3%的HPG增稠剂、0.2%的胍胶、2%的pH调节剂、0.2%的温度稳定剂和余量的水。
上述的方法中,优选地,以所述高盐低含能爆破材料压裂液质量为100%计,该高盐低含能爆破材料压裂液包括0.1%-2%的含能爆破材料颗粒、0.15%的氯化钠、0.3%的HPG增稠剂、0.2%的胍胶、2%的pH调节剂、0.2%的温度稳定剂和余量的水。
上述的方法中,优选地,所述pH调节剂包括碳酸钠、弱酸和氨水中的一种或多种的组合。
上述的方法中,优选地,所述温度稳定剂包括磺化酚醛树脂及其改性物、铬酸盐类、磺化褐煤改性物、有机磺化聚合物类和含巯基的杂环化合物类中的一种或多种的组合。
上述的方法中,所述高盐高含能爆破材料压裂液中采用具有高盐度的盐水作为载液,将含能爆破材料颗粒进行分散。
上述的方法中,优选地,所述致密油气储层包括致密砂岩油储层、致密砂岩气储层、页岩油储层、页岩气储层、成熟的常规油气藏储层或老油气藏储层(用于为地层补充能量)。
上述的方法中,优选地,所述目的层的地质条件、岩石岩性和物质特性包括泥页岩层厚度、临近岩层的岩性、泥页岩层与临近岩层的位置关系、岩石岩性、孔隙度、渗透率、主要矿物组成、黏土矿物含量、脆性矿物含量、岩心样品硬度和弹性模量。根据二次压裂生成的微裂缝会很快闭合;据岩石的力学性能判断爆破材料的选择种类,而岩石的力学特征与岩石内部矿物种类、孔隙度等都有关系,如含黏土矿物量多的话,岩石整体硬度低。
上述的方法中,优选地,对水平井进行初次水力压裂的步骤为:
从远离垂井端开始压裂,先进行前置酸处理,然后注入压裂支撑剂进行常规水力压裂。
上述的方法中,优选地,前酸处理为注入10%的盐酸溶液。
上述的方法中,优选地,所述压裂支撑剂为莫来石基支撑剂。
上述的方法中,优选地,进行水力压裂的压力为20-70MPa。
上述的方法中,根据爆破强度选择水力压裂过程中的对应耐受强度的支撑剂;优选地,所述水力压裂支撑剂包括陶瓷球、天然石英砂、莫来石、玻璃球和金属球中的一种或多种的组合;更加优选地,所述水力压裂支撑剂为陶瓷球;因为对强度要求较高,要显著大于页岩岩层的耐压强度,并且能耐受含能爆破材料的爆破冲击,陶瓷球具有耐压强度高,密度低,圆球度好,光洁度高,导流能力强等优点。
上述的方法中,优选地,所述二次压裂支撑剂包括金属颗粒、金属氧化物颗粒、SiO2和碳颗粒中的一种或多种的组合。
上述的方法中,优选地,进行电脉冲引爆的具体方法为:利用井下分级电脉冲装置,在该级射孔处堵住孔洞,并在孔洞处释放强脉冲电流,引爆大裂缝内富集的含能爆破材料颗粒,形成微裂缝。
上述的方法中,优选地,脉冲电流峰值为10-50kA,持续时间为1-40μs,脉冲间隔为0.1-30s,脉冲电流发射次数大于等于2次。
上述的方法中,井下分级电脉冲装置可以通过在地面控制电压电流的输出,脉冲波形、幅值、脉冲宽度、脉冲间歇等均可调;可以固定于指定的压裂射孔位置;可以在井筒内移动;输出电极可从绝缘管中伸出,伸入射孔内。
上述的方法中,优选地,还包括采用20-70MPa压力的清水清洗井筒和二次压裂支撑剂的孔隙,将含能爆破材料颗粒残渣作为二次压裂支撑剂冲入微裂缝中。其微纳复合结构中高强度的部分可以作为二次支撑剂,依靠本身多孔的结构或爆破后的变形结构形成网状高强支撑剂,撑开二次压裂微孔隙,并形成多孔渗流通道。
上述的方法中,优选地,采取三段式注入方法具体为:
先注入高盐高含能爆破材料压裂液,当注入压力达到所述高盐高含能爆破材料压裂液前缘抵达初次水力压裂形成的裂缝前缘时,停止注入,待注入压力下降后,接着注入高盐低含能爆破材料压裂液,起到过渡缓冲使注入压力再次上升;最后当注入压力再次下降后,再注入清水清洗井壁,避免含能爆破材料颗粒在井筒内聚集,避免破坏井壁与射孔结构。
上述的方法中,优选地,进行桥塞封堵时,选用的桥塞可以是定时可溶的,也可以是可钻穿可破坏的非永久桥塞;其主要作用为在流体或支撑剂注入过程中转移流体压力,使流体流向下一级压裂射孔。
本发明提供的一种致密油气储层二次压裂的方法还包括以下优点:
(1)该方法用含能爆破材料对致密油气储层进行二次压裂,在初次水力压裂的基础上形成上大量二次压裂微裂缝,更为有效地沟通致密储层;
(2)在常规水力压裂初次压裂的基础上,分级注入微纳米尺寸的含能爆破材料颗粒,将其输送至初级裂缝壁面上,利用脉冲电流引爆的方式,实现二次压裂,从而形成沟通基质孔隙的密集缝网,该缝网将大大增加基质孔隙孔壁暴露面积,增大油气脱附、运移通道总体排出面积;
(3)该方法与初次水力压裂完美匹配,可适用于在同一级先进行水力压裂再继续含能爆破材料二次压裂;也可适用于初次水力压裂完成一段时间后,再进行二次压裂改造;也可适用于老油气藏的二次压裂改造,再次提高油气产量;
(4)该方法可选用的含能爆破材料种类丰富,可通过物理、化学的手段进行材料调控与材料复合,可根据不同的储层岩性、物性等特征设计二次压裂方案;
(5)该方法采用的含能爆破材料可与高强度的微小支撑剂复合,一次性实现压裂剂与支撑剂的注入;
(6)该方法采用的分级电脉冲装置可以定点定向地进行压裂引爆,可控性较好。
附图说明
图1为本发明实施例中初次水力压裂效果图;
图2为本发明实施例中二次压裂过程中含能爆破材料颗粒填充裂缝效果图;
图3为本发明实施例中二次压裂效果图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解,现对本发明的技术方案进行以下详细说明,但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例
本实施例提供一种致密油气储层二次压裂的方法,具体对渝东南龙马溪组页岩气储层进行二次压裂的方法,包括以下步骤:
步骤一,选取致密油气储层的目的层,根据目的层的地质条件、岩石岩性和物质特性,选取含能爆破材料的种类并进行微纳米复合或表面修饰设计其颗粒结构,获得含能爆破材料颗粒;将含能爆破材料颗粒配制成高盐高含能爆破材料压裂液和高盐低含能爆破材料压裂液;根据爆破强度选取水力压裂支撑剂和二次压裂支撑剂;具体为:
(1)选取目标层位:渝东南下志留统龙马溪组富有机质页岩储层,埋深约1500米,该泥页岩地层龙马溪组共约120米厚,TOC约2.5%,氦气孔隙度约3.1%。
(2)该地层页岩矿物组成为石英约36%,黏土矿物约41%,碳酸盐岩矿物9%,其他14%。孔隙方面为粒内孔、矿物粒间孔和有机质孔隙均较为发育,其中有机质孔隙呈蜂窝状均匀发育,孔隙半径集中在100nm以下。
(3)根据该岩石富黏土矿物的特征,利用静电喷雾法结合溶胶凝胶法的方式制备Al/CuO/NH4ClO4/SiO2复合含能爆破材料颗粒(制备过程中额外添加有高氯酸铵),Al/CuO为纳米铝热剂,SiO2颗粒作为基底(用作支撑剂),颗粒尺寸约200微米,Al/CuO/NH4ClO4作为含能爆破复合材料,尺寸约20微米,形成包覆核壳颗粒结构,形成的颗粒密度约2.14g/cm3。
(4)采用氯化钠溶液作为含能爆破材料的分散剂,制备得到高盐高含能爆破材料压裂液,其中,每吨水中各物质质量百分数如下:含能材料颗粒约5%,氯化钠约0.15%,HPG增稠剂约0.3%,胍胶约0.2%,pH调节剂(氨水)约2%,温度稳定剂(磺化酚醛树脂)约0.2%。
(5)采用氯化钠溶液作为含能爆破材料的分散剂,制备得到高盐低含能爆破材料压裂液,其中,每吨水中各物质质量百分数如下:含能材料颗粒约2%,氯化钠约0.15%,HPG增稠剂约0.3%,胍胶约0.2%,pH调节剂(氨水)约2%,温度稳定剂(磺化酚醛树脂)约0.2%。
步骤二,钻水平井固完井,在拟分级压裂位置处进行射孔,对水平井进行初次水力压裂,初次水力压裂效果图如图1所示;具体为:
(1)目地层中间段钻水平井,垂深约1500米,水平段长约1000米,分段工艺采用电缆泵送桥塞射孔的方工,射孔数15级,拟压裂级数15级。
(2)从远离垂井端开始压裂,首先进行前置酸处理,注入10%盐酸水溶液,然后进行常规水力压裂,压裂支撑剂选用莫来石基支撑剂,满足52MPa闭合压力下的破碎率小于9%的行业要求。首先进行初次水力压裂,压裂压力约55MPa,注入支撑剂。
步骤三,从初次水力压裂的最后一级开始采取三段式注入方法,先注入高盐高含能爆破材料压裂液,然后高盐低含能爆破材料压裂液,最后注入清水,注入后对该级进行电脉冲引爆,完成该级的二次压裂,并对该级进行下桥塞封堵;具体为:
(1)完成该级初次水力压裂后,将步骤一(4)中制备的高盐高含能爆破材料压裂液注入该级压裂过的地层中,含能爆破材料颗粒填充裂缝效果图如图2所示,分三个阶段:首先注入高盐高含能爆破材料压裂液约600立方米,此时注入压力达到高盐高含能爆破材料压裂液前缘抵达初次水力压裂形成的裂缝前缘,停止注入,待注入压力下降后,接着再注入高盐低含能爆破材料压裂液约600立方米,起到过渡缓冲使注入压力再次上升;最后当注入压力再次下降后,再注入清水月600立方米清洗井壁,避免含能爆破材料颗粒在井筒内聚集。
(2)用井下分级电脉冲装置,在该级射孔处堵住孔洞,并在孔洞处释放强脉冲电池,脉冲电流峰值约30kA,持续时间约20微秒,脉冲间隔约2秒,共发射3次脉冲电流,用于引爆含能爆破剂颗粒。
(3)用约55MPa压力注清水约500立方米、清理井筒并清理压裂支撑剂孔隙,将爆破剂残渣作为二次支撑剂冲入微裂缝。
(4)完成二次压裂后,将该级用桥塞封堵。
步骤四,接着对倒数第二级重复初次水力压裂和二次压裂,依次类推至各级完成二次压裂;二次压裂效果图如图3所示,完成所有15级初次压裂及二次压裂后,将桥塞钻穿,排除剩余的压裂液等流体,开始采气。
综上所述,本发明的方法能够形成沟通基质孔隙的密集缝网,缝网将大大增加基质孔隙孔壁暴露面积,增大油气脱附、运移通道总体排出面积,进一步提高采收率;可选用的含能材料种类丰富,通过物理、化学的手段进行材料调控与材料复合,根据不同的储层岩性、物性等特征设计二次压裂方案;采用的含能爆破材料可与高强度的微小尺寸支撑剂复合,一次性实现压裂剂与支撑剂的注入,为进一步提高页岩气、页岩油产量提供一种新的思路。
Claims (15)
1.一种致密油气储层二次压裂的方法,其包括以下步骤:
步骤一,选取致密油气储层的目的层,根据目的层的地质条件、岩石岩性和物质特性,选取含能爆破材料的种类并进行微纳米复合或表面修饰设计其颗粒结构,获得含能爆破材料颗粒;将含能爆破材料颗粒配制成高盐高含能爆破材料压裂液和高盐低含能爆破材料压裂液;根据爆破强度选取水力压裂支撑剂和二次压裂支撑剂;
步骤二,钻水平井固完井,在拟分级压裂位置处进行射孔,对水平井进行初次水力压裂;
步骤三,从初次水力压裂的最后一级开始采取三段式注入方法,先注入高盐高含能爆破材料压裂液,然后高盐低含能爆破材料压裂液,最后注入清水,注入后对该级进行电脉冲引爆,完成该级的二次压裂,并对该级进行下桥塞封堵;
步骤四,接着对倒数第二级重复初次水力压裂和二次压裂,依次类推至各级完成二次压裂;最后将桥塞钻穿,排出剩余压裂液,开始油气采集;
所述含能爆破材料包括三氨基三硝基苯、环三亚甲基三硝胺、环四亚甲基四硝胺、六硝基六氮杂异伍兹烷、1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯、叠氮化合物和纳米铝热剂颗粒中的一种或多种的组合;
含能爆破材料颗粒具体方法为:将含能爆破材料进行细化成微纳米尺寸,然后与金属颗粒、金属氧化物颗粒、SiO2和碳材料颗粒中的一种或多种复合制备成含能爆破材料颗粒;
以所述高盐高含能爆破材料压裂液质量为100%计,所述高盐高含能爆破材料压裂液包括5%-20%的含能爆破材料颗粒、0.15%的氯化钠、0.3%的HPG增稠剂、0.2%的胍胶、2%的pH调节剂、0.2%的温度稳定剂和余量的水;
以所述高盐低含能爆破材料压裂液质量为100%计,所述高盐低含能爆破材料压裂液包括0.1%-2%的含能爆破材料颗粒、0.15%的氯化钠、0.3%的HPG增稠剂、0.2%的胍胶、2%的pH调节剂、0.2%的温度稳定剂和余量的水;
进行电脉冲引爆的具体方法为:利用井下分级电脉冲装置,在该级射孔处堵住孔洞,并在孔洞处释放强脉冲电流,引爆大裂缝内富集的含能爆破材料颗粒,形成微裂缝;采用20-70MPa压力的清水清洗井筒和二次压裂支撑剂的孔隙,将含能爆破材料颗粒残渣作为二次压裂支撑剂冲入微裂缝中。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,将含能爆破材料进行细化成微纳米尺寸的细化方法包括静电喷雾法、溶胶凝胶法、等离子体法和超临界流体技术中的一种或多种的组合。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,采用静电喷雾法结合溶胶凝胶法制备得到Al/CuO/NH4ClO4/SiO2含能爆破材料颗粒;其中,SiO2中作为基底,尺寸为10-500μm;Al/CuO/NH4ClO4作为含能爆破复合材料,尺寸为20-100μm,形成SiO2包覆的核壳颗粒结构,颗粒密度为1-10g/cm3。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述pH调节剂包括碳酸钠、弱酸和氨水中的一种或多种的组合。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述温度稳定剂包括磺化酚醛树脂及其改性物、铬酸盐类、磺化褐煤改性物、有机磺化聚合物类和含巯基的杂环化合物类中的一种或多种的组合。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述致密油气储层包括致密砂岩油储层、致密砂岩气储层、页岩油储层、页岩气储层、成熟的常规油气藏储层或老油气藏储层。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,对水平井进行初次水力压裂的步骤为:
从远离垂井端开始压裂,先进行前置酸处理,然后注入压裂支撑剂进行常规水力压裂。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,前酸处理为注入10%的盐酸溶液。
9.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述压裂支撑剂为莫来石基支撑剂。
10.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,进行水力压裂的压力为20-70MPa。
11.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述水力压裂支撑剂包括陶瓷球、天然石英砂、莫来石、玻璃球和金属球中的一种或多种的组合。
12.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述二次压裂支撑剂包括金属颗粒、金属氧化物颗粒、SiO2和碳颗粒中的一种或多种的组合。
13.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,脉冲电流峰值为10-50kA,持续时间为1-40μs,脉冲间隔为0.1-30s,脉冲电流发射次数大于等于2次。
14.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:采取三段式注入方法具体为:
先注入高盐高含能爆破材料压裂液,当注入压力达到所述高盐高含能爆破材料压裂液前缘抵达初次水力压裂形成的裂缝前缘时,停止注入,待注入压力下降后,接着注入高盐低含能爆破材料压裂液,起到过渡缓冲使注入压力再次上升;最后当注入压力再次下降后,再注入清水清洗井壁。
15.权利要求1-14任一项所述方法在页岩气、页岩油储层二次压裂领域中的应用。
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