CN112412337B - 一种滑动导向钻井工具面角变化实验系统及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种滑动导向钻井工具面角变化实验系统及其使用方法,其特征在于,包括支撑架、加载系统、工具面角测量系统、钻柱模拟系统、反扭矩模拟系统和计算机;支撑架的顶层设置有所述加载系统,加载系统用于模拟顶驱旋转;支撑架的底层设置有工具面角测量系统,加载系统的输出端通过第一联轴器连接钻柱模拟系统的一端,钻柱模拟系统内注有模拟钻井液,钻柱模拟系统的另一端穿过支撑架的各中间层通过第二联轴器连接工具面角测量系统,工具面角测量系统用于采集面角数据;第二联轴器上设置有反扭矩模拟系统,反扭矩模拟系统用于模拟钻头受到的反扭矩;计算机分别电连接加载系统和工具面角测量系统,本发明可广泛用于石油钻井室内实验设备领域中。
Description
技术领域
本发明是关于一种滑动导向钻井工具面角变化实验系统及其使用方法,属于石油钻井室内实验设备领域。
背景技术
滑动导向钻井有着钻具结构简单易实现、使用成本低廉等天然优势,但是,在实际钻井过程中,由于已钻井眼轨迹的复杂性、地层条件的不确定性、钻柱和井壁之间的静摩擦与滑动摩擦等因素的共同影响,对井下动力钻具工具面角的控制过程存在很强的非线性,同时表现出很强的迟滞特性。因此,目前滑动导向钻井的工具面角控制工作主要依靠司钻经验,缺乏有效的理论模型甚至经验模型。若通过多次实地钻井总结钻井数据,进行钻井工具面角模型研究或经验总结,将付出巨大的时间成本与经济成本。
作为实地钻井实验的实验室替代仿真,钻井过程实物仿真以其低成本、易操作和直观可重复受到科研人员的广泛重视。然而,目前已经开发的定向钻井实物仿真装置,仍存在以下不足:1)对钻柱和井壁的模拟不够细致,不考虑实验模型与实际钻井系统的相似性;只从几何相似的角度进行模拟,不考虑动力学相似,实际上,在钻井过程中,力的作用起到至关重要的作用,考虑动力学相似是十分必要的。2)对钻井过程的模拟不够全面,针对钻井过程中工具面角变化规律的研究尚属空白。3)缺少对反扭矩的模拟装置,而实际钻井过程中,岩石对钻头的反扭矩对工具面角的变化存在重要影响。
因此,从动力学相似的角度,建立一套可以对井下工具面角变化规律进行细致研究且能够全面反映钻井过程动力学特性的实验装置是很有必要的。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的是提供一种能够全面反映钻井过程动力学特性的滑动导向钻井工具面角变化实验系统及其使用方法。
为实现上述目的,本发明采取以下技术方案:一种滑动导向钻井工具面角变化实验系统,包括支撑架、加载系统、工具面角测量系统、钻柱模拟系统、反扭矩模拟系统和计算机;
所述支撑架的顶层设置有所述加载系统,所述加载系统用于模拟顶驱旋转;所述支撑架的底层设置有所述工具面角测量系统,所述加载系统的输出端通过第一联轴器连接所述钻柱模拟系统的一端,所述钻柱模拟系统内注有模拟钻井液,所述钻柱模拟系统的另一端穿过所述支撑架的各中间层通过第二联轴器连接所述工具面角测量系统,所述钻柱模拟系统用于模拟钻柱和已钻井眼井壁,所述工具面角测量系统用于采集所述钻柱模拟系统的面角数据;所述第二联轴器上设置有所述反扭矩模拟系统;所述反扭矩模拟系统用于模拟钻头受到的反扭矩;
所述计算机分别电连接所述加载系统和工具面角测量系统。
进一步地,所述支撑架是由若干横梁、横杆、立柱和角铁连接而成的矩形框架结构,所述支撑架的顶层设置有用于固定设置所述加载系统的第一支撑板,所述支撑架的底层设置有用于固定设置所述工具面角测量系统和钻柱模拟系统的两第一支撑板,所述支撑架的每一中间层均滑动连接用于固定设置所述钻柱模拟系统的第二支撑板。
进一步地,所述加载系统包括电机底座和伺服电机;
所述电机底座固定设置在位于所述支撑架顶层的所述第一支撑板上,所述电机底座上固定连接所述伺服电机,所述伺服电机的输出端通过所述第一联轴器连接所述钻柱模拟系统的一端;
所述伺服电机还电连接所述计算机,所述计算机用于控制所述伺服电机的开闭以及旋转角度。
进一步地,所述工具面角测量系统包括轴承座、传动轴和角度传感器;
所述轴承座固定设置在位于所述支撑架底层的一所述第一支撑板上,所述轴承座固定连接所述传动轴的一端,所述传动轴的另一端通过所述第二联轴器连接所述钻柱模拟系统的另一端;所述传动轴上设置有所述角度传感器,所述角度传感器用于实时采集所述钻柱模拟系统的面角数据;
所述角度传感器还电连接所述计算机,所述用于接收所述角度传感器实时采集的面角数据。
进一步地,所述反扭矩模拟系统包括悬线和负载;
位于所述支撑架底层的另一所述第一支撑板上开设有悬线孔,所述悬线的一端缠设在所述第二联轴器上,所述悬线的另一端穿过所述悬线孔连接所述负载。
进一步地,所述钻柱模拟系统包括丁腈橡胶棒和聚四氟乙烯管;
所述丁腈橡胶棒用于模拟钻柱,所述聚四氟乙烯管用于模拟已钻井眼井壁,所述丁腈橡胶棒与所述聚四氟乙烯管之间的环空内注有模拟钻井液;所述丁腈橡胶棒的一端通过所述第一联轴器连接所述伺服电机的输出端,所述丁腈橡胶棒的另一端穿过各所述第二支撑板通过所述第二联轴器连接所述传动轴。
进一步地,所述模拟钻柱通过若干第一3D打印卡箍与各所述第二支撑板固定连接,所述模拟钻柱通过若干第二3D打印卡箍与位于所述支撑架底层的两所述第一支撑板固定连接。
进一步地,所述丁腈橡胶棒、聚四氟乙烯管和模拟钻井液的材料选取需要满足下述动力学相似条件:
假设钻柱为均匀圆管,内径为d,外径为D,库伦摩擦系数和钻井液的粘滞系数均为常数,设定钻柱的截面积等效半径为R,内外径之比为γ=d/D,则需要满足:
对应的时间关系为:
其中,cv为钻柱与钻井液之间的粘滞阻尼系数;cr为钻柱与井壁之间的库伦摩擦系数;l为钻柱长度;ρ为钻柱密度;G为切变模量;下标m表示动力学模型;p表示实际钻井系统;ρ0为钻井液密度;t为钻井时间;λr为钻柱直径相似比;λI 为钻柱截面惯性矩相似比,且:
一种滑动导向钻井工具面角变化实验系统的使用方法,包括以下步骤:
1)根据已钻井眼规划,搭建支撑架;
2)根据动力学相似性条件,确定钻柱模拟系统的长度,并根据井眼轨迹,将钻柱模拟系统固定设置在支撑架上的对应位置;
3)将加载系统固定设置在支撑架的顶层,将工具面角测量系统固定设置在支撑架的底层,并将加载系统的输出端通过第一联轴器连接钻柱模拟系统的一端,将工具面角测量系统通过第二联轴器连接钻柱模拟系统的另一端,将反扭矩模拟系统设置在第二联轴器上,工具面角测量系统实时采集钻柱模拟系统的面角数据;
4)根据动力学相似条件,配置模拟钻井液,并注入钻柱模拟系统内;
5)计算机控制伺服电机加载系统启动,模拟顶驱转动,并接收工具面角测量系统实时采集的面角数据,完成一次实物仿真实验;
6)计算机控制加载系统反转,模拟顶驱回到初始原点,并根据实验需求,改变加载系统的控制参数进入所述步骤5),直至得到预先设定数量的面角数据。
进一步地,所述步骤3)的具体过程为:
3.1)将电机底座固定设置在位于支撑架顶层的第一支撑板上,将伺服电机固定设置在电机底座上,并通过第一联轴器将伺服电机的输出端连接模拟钻柱的一端;
3.2)将轴承座固定设置在位于支撑架底层的一第一支撑板上,将传动轴的一端连接轴承座,并将传动轴的另一端通过第二联轴器连接模拟钻柱的另一端;
3.3)在传动轴上安装角度传感器,角度传感器实时采集模拟钻柱的面角数据;
3.4)根据需要施加的扭矩大小,确定负载的质量;
3.5)将悬线的一端缠绕在第二联轴器上,并将悬线的另一端穿过位于支撑架底层的第一支撑板上的悬线孔连接负载。
本发明由于采取以上技术方案,其具有以下优点:
1、本发明采用动力学相似原理,对钻柱模拟系统进行确定,且能够对实际钻井过程的钻井液进行优选模拟,根据不同工况,模拟不同的钻井液效用,能够更加准确地模拟钻柱在井下钻进的动力学过程。
2、本发明由于设置有反扭矩模拟系统,采用定滑轮原理将负重转化为扭矩,从而可以根据不同地层特点优选载重质量模拟钻头受到的反扭矩。
3、本发明由于设置有工具面角采集系统,能够对模拟钻井过程中的工具面角变化进行实时监测。
4、本发明采用3D打印方法制作3D打印卡箍,通过各卡箍在平面内的自由滑动,能够方便地对井眼轨迹进行调整,可以广泛应用于石油钻井室内实验设备领域中。
附图说明
图1是本发明实验系统的立体图;
图2是是本发明实验系统的主视图;
图3是本发明实验系统中专用卡箍的结构示意图;
图4是图3的剖面示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解,附图的提供仅为了更好地理解本发明,它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中,需要理解的是,术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1、图2所示,本发明提供的滑动导向钻井工具面角变化实验系统包括支撑架1、加载系统2、工具面角测量系统3、钻柱模拟系统4、反扭矩模拟系统5和计算机,其中,支撑架1采用铝合金材料。
支撑架1是由若干横梁11、横杆12、立柱13和角铁14通过螺栓连接而成的矩形框架结构,支撑架1的顶层通过螺栓固定连接一第一支撑板15,支撑架1的底层通过螺栓固定连接两第一支撑板15,支撑架1的每一中间层均滑动连接第二支撑板16。
位于支撑架1顶层的第一支撑板15顶部固定设置加载系统2,加载系统2用于模拟顶驱旋转。位于支撑架1底层的两第一支撑板15顶部固定设置工具面角测量系统3 和钻柱模拟系统4,加载系统2的输出端通过第一联轴器6连接钻柱模拟系统4的一端,钻柱模拟系统4内注有模拟钻井液,钻柱模拟系统4的另一端依次穿过各第二支撑板16通过第二联轴器7连接工具面角测量系统3,钻柱模拟系统4用于模拟钻柱和已钻井眼井壁,工具面角测量系统3用于实时采集钻柱模拟系统4的面角数据。第二联轴器7还连接反扭矩模拟系统5,反扭矩模拟系统5用于模拟钻头切削岩石受到的反扭矩。
计算机分别电连接加载系统2和工具面角测量系统3。
在一个优选的实施例中,加载系统2包括电机底座21和伺服电机22。电机底座 21胶接在位于支撑架1顶层的第一支撑板15上,电机底座21上通过长螺栓固定连接伺服电机22,伺服电机22的输出端通过第一联轴器6连接钻柱模拟系统4的一端。伺服电机22还电连接计算机,计算机用于控制伺服电机22的开闭以及旋转角度。
在一个优选的实施例中,工具面角测量系统3包括轴承座31、传动轴32和角度传感器。轴承座31通过螺栓固定设置在位于支撑架1底层的一第一支撑板15上,轴承座31固定连接传动轴32的一端,传动轴32的另一端通过第二联轴器7连接钻柱模拟系统4的丁腈橡胶棒41,使得模拟钻柱的面角变化与传动轴32的转角等价。传动轴32上设置有角度传感器,角度传感器用于实时采集模拟钻柱的面角数据。角度传感器还电连接计算机,计算机用于接收角度传感器实时采集的面角数据。
在一个优选的实施例中,钻柱模拟系统4包括丁腈橡胶棒41和聚四氟乙烯管42,丁腈橡胶棒41的外侧套设有聚四氟乙烯管42,丁腈橡胶棒41用于模拟钻柱,聚四氟乙烯管42用于模拟已钻井眼井壁,丁腈橡胶棒41与聚四氟乙烯管42之间的环空内注有模拟钻井液。丁腈橡胶棒41的一端通过第一联轴器6连接伺服电机22的输出端,丁腈橡胶棒41的另一端穿过各第二支撑板16通过第二联轴器7连接传动轴32。模拟钻柱通过若干第一3D打印卡箍8与各第二支撑板16固定连接,模拟钻柱通过若干第二3D打印卡箍9与位于支撑架1底层的两第一支撑板15固定连接。
在一个优选的实施例中,用于模拟钻柱的丁腈橡胶棒41以及用于模拟已钻井眼井壁的聚四氟乙烯管42和模拟钻井液的材料选取需要满足下述动力学相似条件:
假设钻柱为均匀圆管,内径为d,外径为D,库伦摩擦系数和钻井液的粘滞系数均为常数,并设定钻柱的截面积等效半径为R,内外径之比为γ=d/D,则需要满足:
对应的时间关系为:
其中,cv为钻柱与钻井液之间的粘滞阻尼系数;cr为钻柱与井壁之间的库伦摩擦系数;l为钻柱长度;ρ为钻柱密度;G为切变模量;下标m表示动力学模型;p表示实际钻井系统;ρ0为钻井液密度;t为钻井时间;λr为钻柱直径相似比;λI为钻柱截面惯性矩相似比,且:
在一个优选的实施例中,反扭矩模拟系统5包括悬线51和负载52。位于支撑架1 底层的另一第一支撑板15上开设有悬线孔53,悬线51的一端缠设在第二联轴器7上,悬线51的另一端穿过悬线孔连接负载52。
在一个优选的实施例中,如图3、图4所示,每一第一3D打印卡箍8均包括3D 打印卡箍底座81和3D打印卡箍套筒82。每一3D打印卡箍底座81内均设置有用于套设聚四氟乙烯管42的3D打印卡箍套筒82,每一3D打印卡箍底座81的两侧均设置有螺栓和螺母,用于固定对应3D打印卡箍套筒82,且每一3D打印卡箍套筒82均能以对应螺栓为轴绕对应3D打印卡箍底座81自由转动。
在一个优选的实施例中,每一第二3D打印卡箍9均可以采用底部开口的矩形结构。
在一个优选的实施例中,根据不同的已钻井眼轨迹环境,移动第二支撑板16,可以形成不同的井眼轨迹,且各第一3D打印卡箍8能够随之调整自身形态。
下面通过具体实施例详细说明本发明滑动导向钻井工具面角变化实验系统的使用方法:
1)根据已钻井眼规划,通过横梁11、横杆12、立柱13、角铁14和螺栓搭建支撑架1。
2)根据动力学相似性条件,确定钻柱模拟系统4的长度,并根据井眼轨迹,将钻柱模拟系统4固定设置在支撑架1上的对应位置,具体为:
2.1)根据井眼轨迹,将各第一支撑板15和第二支撑板16通过螺栓固定设置在支撑架1上的对应位置。
2.2)将丁腈橡胶棒41穿过聚四氟乙烯管42内得到模拟钻柱,其中,橡胶棒和聚四氟乙烯管42的长度满足上述动力学相似性条件。
2.3)采用3D打印方法,制作第一3D打印卡箍8和第二3D打印卡箍9:
2.3.1)采用3D打印方法,制作3D打印卡箍底座81和3D打印卡箍套筒82。
2.3.2)通过螺栓和螺母将3D打印卡箍底座81与对应3D打印卡箍套筒82连接制成第一3D打印卡箍8。
2.3.3)采用3D打印方法,制作第二3D打印卡箍9。
2.4)通过第一3D打印卡箍8和第二3D打印卡箍9将模拟钻柱与各第二支撑板 16和位于支撑架1底层的各第一支撑板15固定连接,从而实现钻柱模拟系统4与支撑架1的固定。
3)将加载系统2固定设置在支撑架1的顶层,将工具面角测量系统3固定设置在支撑架1的底层,并将加载系统2的输出端通过第一联轴器6连接钻柱模拟系统4的一端,将工具面角测量系统3通过第二联轴器7连接钻柱模拟系统4的另一端,将反扭矩模拟系统5设置在第二联轴器7上,工具面角测量系统3实时采集钻柱模拟系统 4的面角数据,具体为:
3.1)将电机底座21胶接在位于支撑架1顶层的第一支撑板15上,将伺服电机 22通过长螺栓固定设置在电机底座21上,并通过第一联轴器6将伺服电机22的输出端连接模拟钻柱的一端。
3.2)将轴承座31通过螺栓固定设置在位于支撑架1底层的一第一支撑板15上,将传动轴32的一端连接轴承座31,并将传动轴32的另一端通过第二联轴器7连接模拟钻柱的另一端。
3.3)在传动轴32上安装角度传感器,角度传感器实时采集模拟钻柱的面角数据。
3.4)根据需要施加的扭矩大小,确定负载52的质量。
3.5)将悬线51的一端缠绕在第二联轴器7上,并将悬线51的另一端穿过位于支撑架1底层的第一支撑板15上的悬线孔连接负载52。
4)根据上述动力学相似条件,配置以黄油、凝胶和水为主要原料的模拟钻井液,并注入聚四氟乙烯管42内。
5)计算机控制伺服电机22旋转某一角度,模拟顶驱转动,并接收角速度传感器实时采集的面角数据,完成一次实物仿真实验,其中,由于非线性系统的强迟滞性,需要为工具面角的变化预留充足的响应时间。
6)一次实验完成后,计算机控制伺服电机22反转,模拟顶驱回到初始原点,并根据实验需求,改变伺服电机22的控制参数即旋转角度进入步骤5),直至得到预先设定数量的面角数据。
7)分析实验结果,总结工具面角响应规律。
上述各实施例仅用于说明本发明,其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的,凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进,均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (6)
1.一种滑动导向钻井工具面角变化实验系统,其特征在于,包括支撑架、加载系统、工具面角测量系统、钻柱模拟系统、反扭矩模拟系统和计算机,所述加载系统包括电机底座和伺服电机;
所述支撑架的顶层设置有所述加载系统,所述加载系统用于模拟顶驱旋转;所述支撑架的底层设置有所述工具面角测量系统,所述加载系统的输出端通过第一联轴器连接所述钻柱模拟系统的一端,所述钻柱模拟系统内注有模拟钻井液,所述钻柱模拟系统的另一端穿过所述支撑架的各中间层通过第二联轴器连接所述工具面角测量系统,所述钻柱模拟系统用于模拟钻柱和已钻井眼井壁,所述工具面角测量系统用于采集所述钻柱模拟系统的面角数据;所述第二联轴器上设置有所述反扭矩模拟系统;所述反扭矩模拟系统用于模拟钻头受到的反扭矩;
所述计算机分别电连接所述加载系统和工具面角测量系统;
所述支撑架是由若干横梁、横杆、立柱和角铁连接而成的矩形框架结构,所述支撑架的顶层设置有用于固定设置所述加载系统的第一支撑板,所述支撑架的底层设置有用于固定设置所述工具面角测量系统和钻柱模拟系统的两第一支撑板,所述支撑架的每一中间层均滑动连接用于固定设置所述钻柱模拟系统的第二支撑板;
所述工具面角测量系统包括轴承座、传动轴和角度传感器;
所述轴承座固定设置在位于所述支撑架底层的一所述第一支撑板上,所述轴承座固定连接所述传动轴的一端,所述传动轴的另一端通过所述第二联轴器连接所述钻柱模拟系统的另一端;所述传动轴上设置有所述角度传感器,所述角度传感器用于实时采集所述钻柱模拟系统的面角数据;
所述角度传感器还电连接所述计算机,所述计算机用于接收所述角度传感器实时采集的面角数据;
所述钻柱模拟系统包括丁腈橡胶棒和聚四氟乙烯管;
所述丁腈橡胶棒用于模拟钻柱,所述聚四氟乙烯管用于模拟已钻井眼井壁,所述丁腈橡胶棒与所述聚四氟乙烯管之间的环空内注有模拟钻井液;所述丁腈橡胶棒的一端通过所述第一联轴器连接所述伺服电机的输出端,所述丁腈橡胶棒的另一端穿过各所述第二支撑板通过所述第二联轴器连接所述传动轴;
所述丁腈橡胶棒、聚四氟乙烯管和模拟钻井液的材料选取需要满足下述动力学相似条件:
假设钻柱为均匀圆管,内径为d,外径为D,库伦摩擦系数和钻井液的粘滞系数均为常数,设定钻柱的截面积等效半径为R,内外径之比为γ=d/D,则需要满足:
对应的时间关系为:
其中,cv为钻柱与钻井液之间的粘滞阻尼系数;cr为钻柱与井壁之间的库伦摩擦系数;l为钻柱长度;ρ为钻柱密度;G为切变模量;下标m表示动力学模型;p表示实际钻井系统;ρ0为钻井液密度;t为钻井时间;λr为钻柱直径相似比;λI为钻柱截面惯性矩相似比,且:
2.如权利要求1所述的一种滑动导向钻井工具面角变化实验系统,其特征在于,所述电机底座固定设置在位于所述支撑架顶层的所述第一支撑板上,所述电机底座上固定连接所述伺服电机,所述伺服电机的输出端通过所述第一联轴器连接所述钻柱模拟系统的一端;
所述伺服电机还电连接所述计算机,所述计算机用于控制所述伺服电机的开闭以及旋转角度。
3.如权利要求1所述的一种滑动导向钻井工具面角变化实验系统,其特征在于,所述反扭矩模拟系统包括悬线和负载;
位于所述支撑架底层的另一所述第一支撑板上开设有悬线孔,所述悬线的一端缠设在所述第二联轴器上,所述悬线的另一端穿过所述悬线孔连接所述负载。
4.如权利要求1所述的一种滑动导向钻井工具面角变化实验系统,其特征在于,所述钻柱模拟系统通过若干第一3D打印卡箍与各所述第二支撑板固定连接,所述钻柱模拟系统通过若干第二3D打印卡箍与位于所述支撑架底层的两所述第一支撑板固定连接。
5.一种基于权利要求1至4任一项所述的滑动导向钻井工具面角变化实验系统的使用方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)根据已钻井眼规划,搭建支撑架;
2)根据动力学相似性条件,确定钻柱模拟系统的长度,并根据井眼轨迹,将钻柱模拟系统固定设置在支撑架上的对应位置;
3)将加载系统固定设置在支撑架的顶层,将工具面角测量系统固定设置在支撑架的底层,并将加载系统的输出端通过第一联轴器连接钻柱模拟系统的一端,将工具面角测量系统通过第二联轴器连接钻柱模拟系统的另一端,将反扭矩模拟系统设置在第二联轴器上,工具面角测量系统实时采集钻柱模拟系统的面角数据;
4)根据动力学相似条件,配置模拟钻井液,并注入钻柱模拟系统内;
5)计算机控制加载系统的伺服电机启动,模拟顶驱转动,并接收工具面角测量系统实时采集的面角数据,完成一次实物仿真实验;
6)计算机控制加载系统反转,模拟顶驱回到初始原点,并根据实验需求,改变加载系统的控制参数进入所述步骤5),直至得到预先设定数量的面角数据。
6.如权利要求5所述的一种滑动导向钻井工具面角变化实验系统的使用方法,其特征在于,所述步骤3)的具体过程为:
3.1)将电机底座固定设置在位于支撑架顶层的第一支撑板上,将伺服电机固定设置在电机底座上,并通过第一联轴器将伺服电机的输出端连接钻柱模拟系统的一端;
3.2)将轴承座固定设置在位于支撑架底层的一第一支撑板上,将传动轴的一端连接轴承座,并将传动轴的另一端通过第二联轴器连接钻柱模拟系统的另一端;
3.3)在传动轴上安装角度传感器,角度传感器实时采集钻柱模拟系统的面角数据;
3.4)根据需要施加的扭矩大小,确定负载的质量;
3.5)将悬线的一端缠绕在第二联轴器上,并将悬线的另一端穿过位于支撑架底层的第一支撑板上的悬线孔连接负载。
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