CN112127844B - 一种空气驱动采卤系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及地下卤水开采技术领域,是利用集卤井、注气孔和水平导卤孔相结合的一种空气驱动采卤系统。本发明首先采用大口径钻机施工形成大口径集卤井;然后通过水平定向孔技术,将多个集卤井从含水层底部穿过,其次是在水平定向孔两侧一定距离布置多个注气孔,通过注气孔用于向地层注入压缩空气,驱动卤水向集卤井及水平导卤管流动,然后经水平导卤孔排出到输卤渠。本发明对于低孔隙度、低给水度、低渗透率的细碎屑含水层卤水的开采,能够降低采卤成本,大大提高采卤量、提升采矿效率和提高采收率。

Description

一种空气驱动采卤系统
技术领域
本申请涉及一种空气驱动采卤系统,具体地说,涉及一种低孔隙度、低给水度、低渗透率条件下,利用集卤井、注气孔和水平导卤孔相结合的卤水矿的采矿方法。
背景技术
我国是全球最大的钾肥消费国,钾盐是我国七种大宗紧缺矿产之一,已成为保障国家粮食安全的重要战略资源。中国KCl地质储量约9.9亿吨,并以液体卤水矿为主,钾盐的生产,主要通过采集盐湖地下卤水生产钾肥,随着盐湖开发年限的延续、开发强度的增加、和生产量的加大,目前绝大部分盐湖地表盐岩层卤水开采量严重不足,盐湖表层盐岩层卤水已不能维持正常的生产,使盐湖资源的服务年限在不断缩短,我国盐湖资源服务年限不足30年。
我国的钾盐资源量仅占全球已探明储量的2%,但生产量占到了全球产量的15%,我国钾肥消费量占到了全球消费量的25%;而且,我国钾盐资源量的97%为青海和新疆的卤水型盐湖矿床资源,通过近几十年的高强度开采,一部分盐湖已经无卤水可采,绝大部分盐湖盐岩层地表潜卤水矿已经枯竭,特别是柴达木盆地盐湖早已在开采盐岩层下部的地下卤水,除了少数盐湖通过补水和固液转化暂时缓解了采卤的困境,绝大部分盐湖采卤量已无法满足生产需求。柴达木盆地盐湖区在表层盐岩层以下赋存有大量深层卤水,深层卤水由于受地层埋深大、形成时间比较早、低孔隙度等条件的限制,其储卤层主要为一些含盐细砂层、粉砂层为主的松散沉积和低孔隙率的岩盐层,渗透率低、给水度小,采卤工程施工难度大、卤渠开挖成本高,但采卤量仍无法满足生产需求,随着时间的推移,矛盾将会更加突出,所以寻求简单快速、高效的科学采卤技术迫在眉睫。
随着盐湖地下卤水的不断开采,盐湖地表卤水矿已开采殆尽,常用的渠采方法已不能满足深部卤水层的开采,虽然井采能够解决深部卤水层的开采,但对于低孔隙度、低给水度、低孔隙率的细碎屑层的深部孔隙卤水来说,采卤成本高,采矿效率低,难以实现规模化、工程化、可持续性采卤。
发明内容
本发明提供了一种低孔隙度、低给水度、低渗透率条件下,将采用集卤井、注气孔和水平定向孔相结合的一种空气驱动采卤系统。
本发明的一种空气驱动采卤系统,包括输卤渠(1)、水平导卤孔(2)、多个集卤井(3)、多个注气孔(4)、输气管(5)、空压机组(6)、上隔水层(7)、细碎屑含水层(8)、下隔水层(9),其特征在于,
所述集卤井(3)为利用钻机形成的大口径深井,其底部延伸至下隔水层(9),集卤井(3)内填砾石至上隔水层(7)的底部,顶部用镁基胶凝材料与盐砂土混合后填筑形成人工隔水层;
所述注气孔(4)下部延伸至下隔水层(9)的顶部,上隔水层(7)段设置有套管(41),所述套管(41)内设置有注气管(42),所述注气管(42)下端设置有出气孔,并缠有丝网形成注气筛管(43);
所述注气孔(4)通过输气管(5)与空压机组(6)相连;
所述水平导卤孔(2)是通过水平定向钻机施工形成的,所述水平导卤孔(2)内放置含有筛孔的导卤管(22),所述水平导卤孔(2)将所述多个集卤井(3)从细碎屑含水层(8)底部贯穿连接,集卤井(3)及细碎屑含水层(8)的卤水可通过所述筛孔(23)进入导卤管(22),所述导卤管(22)的一侧通过注气管(21)注气或设置抽卤泵(24)后,将卤水输送至输卤渠(1)。
所述筛孔(23)是首先在水平导卤管(2)上用电钻打孔,然后再孔内焊接与孔径相同的垫片网,形成所述水平导卤管(2)的筛孔(23),垫片网由包边(231)和丝网(232)组成。
在采卤过程中向所述注气孔(4)通过空压机组(6)注入压缩空气,压缩空气驱动卤水流向集卤井(3)和导卤管(22),实现细碎屑含水层(8)卤水的开采。
常用的渠采方法已不能满足深部卤水层的开采,虽然井采能够解决大部分深部卤水层的开采,但对于低孔隙度、低给水度、低孔隙率的细碎屑含水层(8)的深部孔隙卤水来说,采卤成本高,采矿效率低,难以实现规模化、工程化、可持续性采卤,本发明能够降低采卤成本,大大提高采卤量、提升采矿效率和提高采收率。
可选的,所述集卤井(3)为利用钻机用泥浆钻探技术形成的大口径(Φ≥500mm)深井,其底部延伸至下隔水层(9)至少3m以上,然后在井内填Φ2-7mm砾石(33)至上隔水层(7)底部,使其在细碎屑含水层(8)和底部段形成滤水砾石层(33),填砾过程中井的中心部位设置观测管(31),观测管(31)为Φ≥50mm的钢管或PVC管,放置观测管(31)时下端应高于下隔水层(9)3m以上,顶部用镁基胶凝材料与盐砂土混合后填筑固定形成封闭层(32)。
可选的,所述注气孔(4)是利用钻机施工形成的钻孔;
用口径Φ150mm的钻头钻穿上隔水层(7),然后放置口径Φ150mm的套管(41);
再在套管内用较小口径Φ110mm的钻头泥浆法钻穿细碎屑含水层(8),在孔内放置注气管(42);
注气管下部1/5~1/3段设置出气孔,然后缠丝网形成注气筛管(43);
最后将所述注气管(42)和套管(41)固定连接,并将套管(41)封闭,在注气管(42)设置接口,通过输气管(5)与空压机组(6)连接。
可选的,水平导卤孔(2)是通过水平定向钻机施工形成的;
所述水平导卤孔将多个集卤井(3)从细碎屑含水层(8)底部贯穿连接;
通过多次扩孔,将水平导卤孔孔径扩大至Φ≥500mm以上;
然后将所述含有筛孔(23)的导卤管(22)拖至水平导卤孔(2)内;
所述集卤井(3)及细碎屑含水层(8)中的卤水可通过所述导卤管(22)的筛孔(23)进入导卤管(22),所述水平导卤孔(2)一侧设置注气管(21),通过向注气管(21)注气或在水平导卤孔(2)另一侧设置抽卤泵(24)后,将所述导卤管(22)的卤水输送至输卤渠(1)。
本发明还提供了用于所述集卤井(3)的施工方法,具体是:
采用大口径钻机施工形成的大口径深井,井深到达下隔水层(9);
在集卤井(3)内填入砾石至上隔水层(7),在填砾的同时在集卤井(3)内放置观测管(31);
在上部填筑用镁基胶凝材料拌和的盐砂土。
可选的,所述注气孔(4)设置有套管(41),所述套管(41)须用镁基胶凝材料通过外井壁注浆的方式固结所述套管(41);
所述注气孔(4)的施工工艺是利用钻机泥浆钻进形成的钻孔,在孔内放入注气管(42)并与所述注气管(42)和套管(41)固定连接,将套管(41)封闭,并在注气管(42)设置接口,通过这个接口首先向所述注气孔(4)内注入卤水的方法进行注气孔清洗,清除井壁泥浆,打开注气通道,然后进行注气。
可选的,所述水平导卤孔(2)是通过水平定向钻机施工形成的,施工工艺是:
所述水平导卤孔(2)将多个集卤井(3)从细碎屑含水层(8)底部贯穿通过;
所述水平导卤孔(2)是通过多次泥浆钻进扩孔,将所述水平导卤孔(2)的孔径扩大,然后将所述含有筛孔(23)的导卤管(22)拖至水平导卤孔(2)内;
所述导卤管(22)上设置有进卤水的筛孔(23),筛孔(23)孔径为Φ10~100mm;
所述筛孔(23)是在水平导卤管(2)上打孔,然后再孔内焊接与孔径相同的垫片网,形成所述水平导卤管(2)的筛孔(23),所述筛孔上设置有垫片网,垫片网由包边(231)和丝网(232)组成。
所述垫片网Φ10~100mm,有包边(231)和丝网组成(232),丝网目数为10~100目。
所述水平导卤孔(2)的一侧位于地面,并设置注气管(21),注气管(21)通过输气管(5)与空压机组(6)相连;
所述水平导卤孔(2)通过一侧的注气管(21)注入压缩空气的方式,可驱动导卤管(22)内卤水,从水平导卤孔(2)另一侧排出到输卤渠(1);
所述水平导卤孔(2)卤水出口的输卤渠(1)一侧,可设置抽卤泵(24),通过所述抽卤泵(24),可将所述导卤管(22)的卤水从导卤管(22)输送至输卤渠(1)。
可选的,上述采卤方法具体是:
通过启动空压机组(6),将压缩空气通过输气管(5)输送至注气孔(4);
压缩空气通过注气管(42)将所述压缩空气注入细碎屑含水层(9)的孔隙中;
通过空气驱动孔隙卤水向集卤井(3)和水平导卤孔(2)流动;
通过所述筛孔(23)进入所述导卤管(22);
经过水平导卤孔(2)一侧的注气管(21)经输气管(5)注入空气;或
利用水平导卤孔(2)另一侧的抽卤泵(24)将卤水排出到输卤渠(1)。
本发明对于低孔隙度、低给水度、低渗透率的细碎屑含水层卤水矿开采,能够降低采卤成本,大大提高采卤量、提升采矿效率和提高采收率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它附图。
图1示出了本发明的一种空气驱动采卤系统平面布置示意图;
图2示出了本发明的水平导卤孔剖面结构示意图;
图3示出了本发明的集卤井详细结构剖面示意图;
图4示出了本发明的集卤井和注气孔在同一剖面时的结构示意图;
图5示出了本发明的注气孔详细剖面结构示意图;
图6示出了本发明的成排注气孔剖面结构示意图;
图7示出了本发明的水平导卤管筛孔垫片网结构示意图。
附图标记表示为:
1-输卤渠,2-水平导卤孔,21-注气管,22-导卤管,23-筛孔,231-包边,232-丝网,24-抽卤泵,3-集卤井,31-观测管、32-封闭层、33-砾石层,4-注气孔,41-套管、42-注气管,43-注气筛管,5-输气管,6-空压机组,7-上隔水层,8-细碎屑含水层,9-下隔水层。
具体实施方式
为了让本领域技术人员对本次发明的技术特征、目的和效果有更加清晰的理解,以下对照附图详细说明本发明。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明的是,本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤的过程、方法不必限于清楚地列出的那些步骤,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法固有的其它步骤。
图1本发明的一种空气驱动采卤系统平面布置示意图。
参照图1所示,本发明的一种空气驱动采卤系统包括:输卤渠1、水平导卤孔2、集卤井3、注气孔4、输气管5、空压机组6、上隔水层7、细碎屑含水层8、下隔水层9。
所述集卤井3为利用钻机形成的大口径深井,其底部延伸至下隔水层9,然后在集卤井3内填砾石至上隔水层7的底部,顶部用镁基胶凝材料与盐砂土混合后填筑,形成人工隔水层;
所述注气孔4为利用钻机形成的钻孔,钻孔的下部延伸至下隔水层9的顶部,上隔水层7段设置有套管41,套管41内设置有注气管42,注气管42下端设置有出气孔,并缠有丝网形成注气筛管43;所述注气孔4通过输气管5与空压机组6相连;
所述水平导卤孔2是通过水平定向钻机施工形成的,所述水平导卤孔2将多个集卤井3从细碎屑含水层8底部贯穿连接后,经二三次扩孔后,将水平导卤孔2的孔径扩大至Φ500mm(m:单位米,mm:单位毫米,下同)以上。然后,将所述含有筛孔23的导卤管22拖至水平导卤孔2内,所述集卤井3及细碎屑含水层8中的卤水可通过所述导卤管22的筛孔23进入导卤管22,所述水平导卤孔2一侧设置注气管21,通过向注气管21注气或在水平导卤孔2另一侧设置抽卤泵24后,将所述导卤管22的卤水输送至输卤渠1。
在采卤过程中向所述注气孔4的注气管42通过空压机组6注入压缩空气,压缩空气驱动卤水流向集卤井3和导卤管22,实现细碎屑层孔隙卤水的开采。
参照图1所示,本发明在盐湖区域内,以适当间距(如,横向和纵向均为400m)均匀设置多个集卤井3。在这些集卤井3的周围,以适当间距(如,排距为200m,孔距200m)均匀设置多个注气孔4。注气孔4的间距取决于注气孔注气影响半径,具体地说,例如与注气层本身孔隙度等参数有关。操作中,上述横纵间距可根据集卤井的间距与集卤井的影响半径,以及增加注气孔后的影响半径适当调整。
图2示出了本发明的水平导卤孔剖面结构示意图;
水平导卤孔2将多个集卤井3从细碎屑含水层8底部贯穿连接后,然后将所述含有筛孔23的导卤管22拖至水平导卤孔2内,所述集卤井3及细碎屑含水层8中的卤水可通过所述导卤管22的筛孔23进入导卤管22,所述水平导卤孔2一侧设置注气管21,通过向注气管21注气或在水平导卤孔2另一侧设置抽卤泵24后,将所述导卤管22的卤水输送至输卤渠1。
图3是集卤井详细剖面结构示意图。
集卤井3为利用钻机形成的大口径(Φ≥500mm)的深井,其底部延伸至下隔水层9至少3m以上。然后,在集卤井3内填Φ2~7mm的砾石,至上隔水层7的底部,使其在所述细碎屑含水层8段形成滤水砾石层33,填滤水砾石的过程中,在所述集卤井3的中心部位设置观测管31。观测管31下端高于下隔水层(如,≥3m左右),并将所述观测管31通过砾石层33固定。在所述集卤井3上隔水层7用镁基胶凝材料与盐砂土混合后填筑,形成人工隔水层32。
图4是本发明开采方法中所采用的集卤井和注气孔在同一剖面时的结构示意图。
参考图1和图4,将所有注气孔4通过输气管5与压气机组6相连成排。然后,纵向沿着集卤井3的分布线设置多个水平导卤孔2。利用水平导卤孔2将纵列的多个集卤井3从集卤井3的底部贯通连接在一起,以便将集卤井3中的卤水通过水平导卤孔2集中输出,水平导卤孔2的出口为输卤渠1。
图5示出了本发明所采用的注气孔4的详细剖面结构示意图。
注气孔4是利用钻机施工形成的钻孔,其下部延伸至下隔水层9的顶部,
首先用较大口径(如,Φ150mm)的钻头钻穿上隔水层7,并在钻孔内设置(如,Φ150mm)套管41,套管41外侧用镁基胶凝材料注浆固结。接着,再在套管41内用较小口径(Φ110mm)的钻头用例如泥浆法垂直钻穿细碎屑含水层8。然后,在注气孔内放置注气管42。并在注气管42的下部1/5~1/3段位置设置出气孔,然后缠丝网形成注气筛管43。最后,将所述注气管42和套管41固定连接,并将套管41顶端封闭,在注气管42端口设置接口,通过输气管5与空压机组6连接。
图6示出了本发明的成排注气孔剖面结构示意图。
以适当间距(如,排距为200m,孔距200m)均匀设置在集卤井3外围的多个注气孔4,由于集卤井间距(如,排距为400m,孔距400m)是注气孔4的间距2倍,就会形成一定间距(如,200m)的成排注气孔4,成排注气孔4注气时,将促使含水层8卤水向成排注气孔4两侧移动,最终使卤水流向水平导卤孔2和集卤井3,可提高空气驱动效率,提高卤水给水度。
图7示出了本发明的水平导卤管设置筛孔的垫片网结构示意图。
首先在水平导卤管2上用电钻打孔(Φ30~50mm),然后再孔内焊接垫片网(Φ30~50mm),形成水平导卤管2的筛孔23,垫片网由包边231和丝网232组成,所述丝网为不锈钢细丝编制的网,所述包边为不锈钢薄钢压制的用于固定丝网的外缘。
以下结合图2和图7,完整描述利用集卤井、注气孔和水平导卤孔相结合的方式,进行低孔隙度、低给水度、低渗透率卤水矿的采矿方法:
1)在采卤过程中,首先启动空压机组6,并向所述注气孔4通过与空压机组6连接的输气管5注入压缩空气,使压缩空气通过注气管41进入地层,驱动细碎屑含水层卤水流向集卤井3和导卤管22。
2)使卤水通过导卤管22上的筛孔23进入水平导卤孔中的导卤管22。
3)通过设置在水平导卤孔2一侧的注气管21,经输气管5注气的方式或通过设置在水平导卤孔2另一侧的抽卤泵24进行抽卤的方式,将导卤管22的卤水排出到输卤渠1,从而实现对细碎屑层孔隙卤水的驱动开采过程。
本发明对于低孔隙度、低给水度、低渗透率的细碎屑含水层卤水的开采,能够降低采卤成本,大大提高采卤量、提升采矿效率和提高采收率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种空气驱动采卤系统,包括输卤渠(1)、水平导卤孔(2)、多个集卤井(3)、多个注气孔(4)、输气管(5)、空压机组(6)、上隔水层(7)、细碎屑含水层(8)、下隔水层(9),其特征在于,
所述集卤井(3)为利用钻机形成的大口径深井,其底部延伸至下隔水层(9),集卤井(3)内填砾石至上隔水层(7)的底部,顶部用镁基胶凝材料与盐砂土混合后填筑形成人工隔水层;
所述注气孔(4)下部延伸至下隔水层(9)的顶部,上隔水层(7)段设置有套管(41),所述套管(41)内设置有注气管(42),所述注气管(42)下端设置有出气孔,并缠有丝网,形成注气筛管(43);
所述注气孔(4)通过输气管(5)与空压机组(6)相连;
所述水平导卤孔(2)是通过水平定向钻机施工形成的,所述水平导卤孔(2)内放置含有筛孔的导卤管(22),所述导卤管(22)将所述多个集卤井(3)从细碎屑含水层(8)底部贯穿连接,集卤井(3)及含水层的卤水可通过所述筛孔(23)进入导卤管(22),所述导卤管(22)的一侧通过注气管(21)注气或出口处设置抽卤泵(24)后,将卤水输送至输卤渠(1);
所述筛孔(23)是首先在导卤管(22)上用电钻打孔,然后在孔内焊接与孔径相同的垫片网,形成所述导卤管(22)的筛孔(23),垫片网由包边(231)和丝网(232)组成。
2.如权利要求1所述一种空气驱动采卤系统,所述集卤井(3)为利用钻机形成的大口径深井,其底部延伸至下隔水层(9),在所述细碎屑含水层(8)段形成滤水砾石层(33),在所述集卤井(3)上隔水层(7)段用镁基胶凝材料与盐砂土混合后填筑,形成人工隔水层(32)。
3.如权利要求1所述一种空气驱动采卤系统,所述注气孔(4)是利用钻机施工形成的钻孔;
用口径Φ150mm的钻头钻穿上隔水层(7),然后放置口径Φ150mm的套管(41);
再在套管内用较小口径Φ110mm的钻头采用泥浆法钻穿细碎屑含水层(8),在孔内放置注气管(42);
注气管下部1/5~1/3段设置出气孔,然后缠丝网形成注气筛管(43);
最后将位于注气孔内的注气管(42)和套管(41)固定连接,并将套管(41)封闭,在注气管(42)设置接口,通过输气管(5)与空压机组(6)连接。
4.如权利要求1所述一种空气驱动采卤系统,所述水平导卤孔(2)是通过水平定向钻机施工形成的;
所述水平导卤孔(2)将多个集卤井(3)从细碎屑含水层(8)底部贯穿连接;并通过多次扩孔,将水平导卤孔孔径扩大至Φ≥500mm以上;然后将所述含有筛孔(23)的导卤管(22)拖至水平导卤孔(2)内;
所述集卤井(3)及细碎屑含水层(8)中的卤水可通过所述导卤管(22)的筛孔(23)进入导卤管(22),所述水平导卤孔(2)一侧设置注气管(21),通过向注气管(21)注气或在水平导卤孔(2)另一侧设置抽卤泵(24)后,将所述导卤管(22)的卤水输送至输卤渠(1)。
5.如权利要求1所述一种空气驱动采卤系统,其中,所述集卤井(3)的施工方法为:
采用大口径钻机施工形成的大口径深井,井深到达下隔水层(9);
在集卤井(3)内填入砾石至上隔水层(7),在填砾的同时在集卤井(3)内放置观测管(31);
在上部填筑用镁基胶凝材料拌和的盐砂土。
6.根据权利要求5所述一种空气驱动采卤系统,其特征在于,
所述注气孔(4)设置有套管(41),所述套管(41)须用镁基胶凝材料通过外井壁注浆的方式固结所述套管(41);
所述注气孔(4)的施工工艺是利用钻机形成的钻孔,在钻孔内设置有注气管(42)并与所述套管(41)固定连接,将套管(41)封闭,并在注气管(42)设置接口,通过这个接口可向所述注气孔(4)内注入卤水的方法进行注气孔清洗,清除井壁泥浆,打开注气通道,然后进行注气。
7.根据权利要求6所述一种空气驱动采卤系统,其特征在于,
所述水平导卤孔(2)是通过水平定向钻机施工形成的,施工工艺是:
所述水平导卤孔(2)将多个集卤井(3)从细碎屑含水层(8)底部贯穿通过;
所述水平导卤孔(2)是通过多次泥浆钻进扩孔,将所述水平导卤孔(2)的孔径扩大,然后将所述含有筛孔(23)的导卤管(22)拖至水平导卤孔(2)内;
所述导卤管(22)上设置有进卤水的筛孔(23),所述筛孔上设置有垫片网,所述垫片网由包边(231)和丝网(232)组成;
所述水平导卤孔(2)的一侧位于地面,并设置注气管(21),注气管(21)通过输气管(5)与空压机组(6)相连;
所述水平导卤孔(2)通过一侧的注气管(21)注入压缩空气的方式,驱动导卤管(22)内卤水,从水平导卤孔(2)另一侧排出到输卤渠(1);
所述水平导卤孔(2)卤水出口在输卤渠(1)一侧,可设置抽卤泵(24),通过所述抽卤泵(24),可将所述导卤管(22)的卤水从导卤管(22)输送至输卤渠(1)。
8.根据权利要求5所述一种空气驱动采卤系统,其特征在于,
通过启动空压机组(6),将压缩空气通过输气管(5)输送至注气孔(4);
压缩空气通过注气管(42)将所述压缩空气注入细碎屑层的孔隙中;
通过空气驱动孔隙卤水向集卤井(3)和水平导卤孔(2)流动;
通过所述筛孔(23)进入所述导卤管(22);
经过水平导卤孔一侧的注气管(21)经输气管(5)注入空气;或
利用水平导卤孔(2)另一侧的抽卤泵(24)将卤水排出到输卤渠(1)。
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