CN113431559A - 一种有缆轻型随钻原位测试系统及原位测试施工方法 - Google Patents

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CN113431559A CN202110858093.1A CN202110858093A CN113431559A CN 113431559 A CN113431559 A CN 113431559A CN 202110858093 A CN202110858093 A CN 202110858093A CN 113431559 A CN113431559 A CN 113431559A
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金宗川
梁振宁
曹兴国
沈蒙
孙莉
吴来杰
张静
陈琛
邓海荣
李晓飞
张晗
蔡永生
谢飞
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    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
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Abstract

本发明涉及一种有缆轻型随钻原位测试系统，包括：具有主动钻杆的钻进设备；用于将主动钻杆与钻管连接的可拆卸更换的接头；原位测试总成；与变径接头连接的内部可容纳并支撑所述原位测试总成的钻管；其中，所述钻进设备的主动钻杆为所述原位测试总成提供测试压力。本发明通过可容纳原位测试总成的钻管，为原位测试总成提供支撑，并通过钻机的动力为原位测试总成提供压力，实现了不提钻的原位测试。

Description

一种有缆轻型随钻原位测试系统及原位测试施工方法
技术领域
本发明涉及一种有缆轻型随钻原位测试系统及原位测试施工方法，属于原位测试技术领域。
背景技术
岩土勘察原位测试技术能为地下空间工程设计提供可靠的岩土物理力学性质参数，随着深层地下空间开发项目进行，需要通过原位测试手段获取更深的岩土物理力学性质参数。传统的原位测试设备测试深度有限，难以满足深层地下空间开发利用的需求，亟待开发和研究适用于地下深层空间成套原位测试设备装置和施工方法。
发明内容
本发明旨在提出一种有缆轻型随钻原位测试系统及施工方法，扩大钻管直径使之容纳原位测试总成，在不提钻的情况下，实现钻探旋转钻进与原位测试交替进行，通过钻探辅助原位测试增大应用深度；通过设置变径连接装置连接扩大钻管与钻机主动钻杆，由钻机为钻管提供静压或扭压作用力，实现地面提供测试动力，减轻测试系统总重。
本发明采取以下技术方案：
一种有缆轻型随钻原位测试系统，包括：具有主动钻杆21的钻进设备2；用于将主动钻杆21与钻管22连接的可拆卸更换的变径接头；原位测试总成1；与变径接头连接的内部可容纳并支撑所述原位测试总成1的钻管；其中，所述钻进设备2的主动钻杆21为所述原位测试总成提供测试压力。
优选的，所述钻管22内部通过定位台阶2212支撑所述原位测试总成1；还包括：与所述原位测试总成1连接并可自所述接头处穿入所述钻管22内部的电缆14；与原位测试总成1同轴，并可相对原位测试总成1轴向运动的爪心向上可张开/收缩的卡爪132；将卡爪132收缩复位的卡爪收拢装置134；设于所述卡爪132上方，与原位测试总成1同轴，且可相对原位测试总成1轴向运动的滑块136；设于钻管22内壁，下端用于抵住所述撑开后的卡爪132的定位槽2211；当原位测试总成下放到位受到所述定位台阶2212支撑，电缆14松弛，滑块136在重力作用下向下滑移并撑开所述卡爪132并使所述卡爪132上方抵住所述定位槽2211。
优选的，所述接头24包括适用于钻孔时将钻管22与主动钻杆21连接的闭口变径接头241，以及适用于投放原位测试总成1时将钻管22与主动钻杆21连接的开口变径接头242。
进一步的，所述开口变径接头242与闭口变径接头241均采用旋接方式与所述主动钻杆21连接。
更进一步的，所述开口变径接头242内部具有轴向通孔，侧壁设有一开口，轴线通孔与所述开口通过一狭缝连通；当开口变径接头242与主动钻杆21旋接时，所述电缆14自所述狭缝处脱离所述开口并置于所述轴向通孔中；当开口变径接头242与主动钻杆21旋接完成后，所述电缆14自所述狭缝处穿出所述开口。
优选的，还包括用于收纳电缆的电缆收纳装置3和用于接收原位测试总成1信号的信号接收装置4。
进一步的，所述测试装置11上端与密封装置12的下端盖121固定连接。
更进一步的，所述密封装置12上端与悬挂定位装置13的悬挂器支架131下端固定连接，悬挂定位装置13的芯轴135上端与电缆承重接头138固定连接；所述电缆承重接头138直接与所述电缆14中部固定连接。
再进一步的，所述密封装置12的下端盖121与电缆接头密封筒122固定连接，电缆接头密封筒一侧开口，提供电缆接头操作空间。
再进一步的，所述悬挂定位装置13的悬挂器支架131与上端盖133固定连接，卡爪132通过卡爪销轴1321固定于悬挂器支架131下部铰耳位置，卡爪收拢装置134使得卡爪无外力作用时保持收拢状态，芯轴135内插通过上端盖133悬挂器支架131可上下自由滑动，滑块136固定于芯轴135外侧，且位于上端盖133下方，弹簧137置于滑块136和上端盖133之间，电缆承重接头138外套固定于芯轴135上端；当原位测试总成1受电缆14提拉时，弹簧137处于压缩状态，当原位测试总成1下放至定位台阶2212时，自重及弹簧137回弹作用使滑块136、芯轴135和电缆承重接头138整体向下移动，其中滑块136下落推动卡爪132张开，张开的卡爪132可抵在定位槽2211下方；当测试完成提拉电缆时，滑块136、芯轴135和电缆承重接头138相对于悬挂器支架131整体向上移动，弹簧137压缩，滑块136与卡爪132脱离，卡爪132因卡爪收拢装置134作用收回，脱离定位槽2211。
再进一步的，所述电缆14下端与测试装置11连接，自下而上穿过密封装置12、悬挂定位装置13，由电缆承重接头138上部穿出，通过开口变径接头242连接至电缆收纳装置3、信号接收装置4。
进一步的，所述钻进设备2包括主动钻杆21、钻管22、钻机23、接头24，所述钻管22内部空间能容纳原位测试总成1，钻管22包括定位钻管221与常规钻管222，定位钻管221位于最下方，常规钻管222用于接长钻管，定位钻管221内壁设置定位槽2211，底部内侧壁设置定位台阶2212，底部外侧壁安装扩孔装置2213。
进一步的，闭口变径接头241用于旋挖钻进，开口变径接头242用于原位测试时电缆穿越连接至电缆收纳装置；闭口变径接头、开口变径接头均在侧向开设卡钳槽便于旋接转动；在开口变径接头的一侧开设槽口2421，可以将孔内所述电缆14从变径接头槽口2421处引出至地面处，便于原位测试总成1的牵引或原位测试数据的采集。
一种有缆轻型随钻原位测试施工方法，包括以下步骤：
S1.钻孔施工：闭口变径接头241连接钻机23的主动钻杆21底部和钻管22顶部，旋转钻进至原位测试设计标高；
S2.下放原位测试总成：提升钻管22一定距离，卡钳固定钻管22；拆卸变径接头241，移开钻机23，将原位测试总成1置于钻管22内部；打开电缆收纳装置3下放原位测试总成1至定位台阶2212；松开电缆14，芯轴滑块136在自重作用下向下滑动，滑块136推动卡爪132撑开抵在定位钻管221内壁定位槽2211处；
S3.安装开口变径接头：原位测试总成下放完毕后，将电缆14从开口变径接头242侧壁槽口2421处穿入从接头上端开口引出；旋接开口变径接头242与钻管22；再将电缆14从上端开口移动至侧壁槽口2421；旋接开口变径接头242与主动钻杆21；松开卡钳；
S4.原位测试：由钻机为钻管提供静压或扭压作用力，实现地面提供测试动力，进行原位测试试验；
S5.拆解开口变径接头：原位测试完毕后，卡钳固定钻管22；反转钻机主动钻杆21，拆解主动钻杆21与开口变径接头242连接；将电缆14引至开口变径接头242上端开口，反转开口变径接头242，拆解开口变径接头242与钻管22连接；将电缆14从接头侧面槽口2421取出；
S6.接长钻管钻进：提取原位测试总成1，接长常规钻管222，变径接头241连接钻机主动钻杆21与常规钻管222顶部，松开卡钳；继续旋转钻进；
S7.重复步骤2～6，直至完成所有深度处随钻原位测试。
本发明的有益效果在于：
1)通过可容纳原位测试总成的钻管，为原位测试总成提供支撑，并通过钻机的动力为原位测试总成提供压力，实现了不提钻的原位测试；
2)通过内置原位测试总成于钻管中，钻管内壁设置定位槽，原位测试总成设置卡锁结构，实现原位测试总成下放至测试深度时锁紧，钻管为原位测试总成提供动力支撑；该原位测试系统实现不提钻管下原位测试与钻机钻进交替进行，通过钻探辅助钻进增大原位测试手段的应用深度。
附图说明
图1是本发明实施例中，有缆轻型随钻原位测试系统示意图。
图1-1是图1的局部放大图。
图2是本发明实施例中，有缆轻型随钻原位测试总成示意图。
图2-1是下放或提拉原位测试总成(卡爪闭合)的示意图。
图2-2是图2-1的局部放大图。
图3是原位测试总成锁紧的示意图。
图3-1是图3的局部放大图。
图4是定位钻管结构示意图。
图5是本发明实施例中，有缆轻型随钻原位测试系统闭口变径接头结构示意图。
图6是本发明实施例中，有缆轻型随钻原位测试系统开口变径接头结构示意图。
图7是实施例步骤一：钻孔施工的示意图。
图8是实施例步骤二：下放原位测试总成的示意图。
图9是实施例步骤三：安装开口变径接头的示意图。
图10是实施例步骤四：进行原位测试(静力触探)的示意图。
图11是实施例步骤五：拆解开口变径接头的示意图。
图12是实施例步骤六：接长钻管钻进的示意图。
图13是实施例步骤七：重复步骤二至步骤六完成所有深度原位测试的示意图。
图13-1是图13的局部放大图。
图中：1-原位测试总成；2-钻进设备；3-电缆收纳装置；4-信号接收装置；11-测试装置；12-密封装置；13-悬挂定位装置；14-电缆；21-主动钻杆；22-钻管；23-钻机；24-接头；
111-测试探头；112-探头接杆；121-下端盖；122-电缆接头密封筒；131-悬挂器支架；132-卡爪；133-上端盖；134-卡爪收拢装置；135-芯轴；136-滑块；137-弹簧；138-电缆承重接头；221—定位钻管；222—常规钻管；241—闭口变径接头；242—开口变径接头。
1321—卡爪销轴；1322—卡爪上部槽口；2211—定位槽；2212—定位台阶；2213—扩孔装置；2411—闭口变径接头卡钳槽；2421-开口变径接头槽口；2422—开口变径接头卡钳槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
本案例具体实施提出一种有缆轻型随钻原位测试系统，如图1，该装置具体包括：原位测试总成1、钻进设备2、电缆收纳装置3、信号接收装置4；
如图2，所述原位测试总成1包括静力触探测试装置(测试装置)11、密封装置12、悬挂定位装置13、电缆14(铠装电缆)，所述测试装置11包括静力触探探头111和探头接杆112，所述密封装置12包括下端盖121和电缆接头密封筒122，所述悬挂定位装置13包括悬挂器支架131、卡爪132、上端盖133、卡爪收拢装置(周簧)134、芯轴135、滑块136、弹簧137、电缆承重接头138；
所述测试装置11的静力触探探头111用探头接杆112与密封装置12的下端盖121固定连接，密封装置12上端与悬挂定位装置13的悬挂器支架131下端固定连接，悬挂定位装置13的芯轴135上端与电缆承重接头138固定连接；
所述密封装置12的下端盖121与电缆接头密封筒122固定连接，电缆接头密封筒一侧开口，提供电缆接头操作空间；
如图3，所述悬挂定位装置13的悬挂器支架131与上端盖133固定连接，卡爪132固定于悬挂器支架131下部铰耳位置，周簧134置于卡爪132上部槽口1322中，芯轴135内插通过上端盖133和悬挂器支架131，可上下自由滑动，滑块136固定于芯轴135外侧，且位于上端盖133下方，弹簧137置于滑块136和上端盖133之间，电缆承重接头138外套固定于芯轴135上端。当原位测试总成1受电缆14提拉时，弹簧137处于压缩状态，当原位测试总成1下放至定位台阶2212时，自重及弹簧137回弹作用使滑块136、芯轴135和电缆承重接头138整体向下移动，其中滑块136下落推动卡爪132张开，张开的卡爪132可抵在定位槽2211下方；当测试完成提拉电缆时，滑块136、芯轴135和电缆承重接头138相对于悬挂器支架131整体向上移动，弹簧137压缩，滑块136与卡爪132脱离，卡爪132因周簧134回弹作用收回，脱离定位槽2211。
所述电缆14下端与测试装置11连接，自下而上穿过密封装置12、悬挂定位装置13，由电缆承重接头138上部穿出，通过开口变径接头242连接至电缆收纳装置3、信号接收装置4。
所述钻进设备2包括主动钻杆21、钻管22、钻机23、接头24，所述钻管22内部空间能容纳原位测试总成1，钻管22包括定位钻管221与常规钻管222。定位钻管221位于最下方，常规钻管222用于接长钻管。如图4，定位钻管221内壁设置定位槽2211，底部内侧壁设置定位台阶2212，底部外侧壁安装扩孔装置2213。
所述接头24包括闭口变径接头241和开口变径接头242，用于连接钻杆和钻管，闭口变径接头241用于旋挖钻进，开口变径接头242用于静压或扭压钻管，为测试提供动力。如图5，闭口变径接头241所述特征为，闭口变径接头结构为空心管，接头一端与钻机主动钻杆21相连，接头另一端与钻管22相连。闭口变径接头在侧向开设卡钳槽2411便于旋接转动。如图6，所述开口变径接头242所述特征为，变径接头结构为空心管，变径接头一端与钻机主动钻杆21相连。变径接头另一端与钻管22相连。开口变径接头在侧向开设卡钳槽2422便于旋接转动。在变径接头的一侧开设槽口2421，可以将孔内原位测试总成的电缆14从变径接头槽口2421处引出至地面处，便于原位测试总成的牵引或原位测试数据的采集。
实施提出一种有缆轻型随钻原位测试施工方法包括：
如图7，步骤一：钻孔施工。将钻机主动钻杆21底部和钻管22顶部用变径接头241连接，启动钻机23旋转钻管22钻进至原位测试设计标高。
如图8，步骤二：下放原位测试总成。提升钻管22一定距离，卡钳固定钻管22。拆卸变径接头241，移开钻机主动钻杆21，将原位测试总成1置于钻管22内部。打开电缆收纳装置3放出电缆14，下放静力触探测试总成1至定位台阶2212时。松开电缆14，芯轴滑块136在自重作用下向下滑动，滑块136推动卡爪132撑开抵在定位钻管221内壁定位槽2211处。
如图9，步骤三：安装开口变径接头。原位测试总成1下放完毕后，将电缆14从开口变径接头242侧壁槽口2421处穿入从接头上端开口引出(如图9①)。对接开口变径接头242和钻管22，转动开口变径接头242使其与钻管22旋接。再将电缆14从上端开口移动至侧壁槽口2421。对接开口变径接头242和钻机主动钻杆21，转动钻机主动钻杆21使其与开口变径接头242旋接(如图9②)。松开卡钳。
如图10，步骤四：进行原位测试(静力触探)。钻机23下压钻管22，由于原位测试(静力触探)总成1上卡爪132抵在定位钻管221内壁的定位槽2211上，因此钻管22下压带动静力触探测试总成1下压，静力触探探头111贯入土层中进行测试。比贯入阻力转化为电信号，通过电缆14传输至信号接收装置4。
如图11，步骤五：拆解开口变径接头。原位测试完毕后，卡钳固定钻管22。反转钻机主动钻杆21，拆解主动钻杆21与开口变径接头242连接(如图11①)。将电缆14引至开口变径接头242上端开口，反转接头242，拆解接头242与钻管22连接(如图11②)。将电缆从接头侧面槽口2421取出。
如图12，步骤六：接长钻管钻进。提取原位测试总成，接长常规钻管222，变径接头241连接钻机主动钻杆21与常规钻管222顶部，松开卡钳。继续旋转钻进至下一测试深度。
如图13，步骤七：重复步骤二至步骤六完成所有深度原位测试。
以上为本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (14)

1.一种有缆轻型随钻原位测试系统，其特征在于：包括：
具有主动钻杆(21)的钻进设备(2)；
用于将主动钻杆(21)与钻管(22)连接的可拆卸更换的变径接头；
原位测试总成(1)；
与变径接头连接的内部可容纳并支撑所述原位测试总成(1)的钻管(22)；
其中，所述钻进设备(2)的主动钻杆(21)为所述原位测试总成(1)提供测试压力。
2.如权利要求1所述的有缆轻型随钻原位测试系统，其特征在于：
所述钻管(22)内部通过定位台阶(2212)支撑所述原位测试总成(1)；
还包括：
与所述原位测试总成(1)连接并可自所述接头处穿入所述钻管(22)内部的电缆(14)；
与原位测试总成(1)同轴，并可相对原位测试总成(1)轴向运动的爪心向上可张开/收缩的卡爪(132)；
将卡爪(132)收缩复位的卡爪收拢装置(134)；
设于所述卡爪(132)上方，与原位测试总成同轴，且可相对原位测试总成轴向运动的滑块(136)；
设于钻管(22)内壁，下端用于抵住所述撑开后的卡爪(132)的定位槽(2211)；
当原位测试总成下放到位受到所述定位台阶(2212)支撑，电缆(14)松弛，滑块(136)在重力作用下向下滑移并撑开所述卡爪(132)并使所述卡爪(132)上方抵住所述定位槽(2211)。
3.如权利要求2所述的有缆轻型随钻原位测试系统，其特征在于：所述变径接头(24)包括适用于钻孔时将钻管(22)与主动钻杆(21)连接的闭口变径接头(241)，以及适用于投放原位测试总成(1)时将钻管(22)与主动钻杆(21)连接的开口变径接头(242)。
4.如权利要求3所述的有缆轻型随钻原位测试系统，其特征在于：所述开口变径接头(242)与闭口变径接头(241)均采用旋接方式与所述主动钻杆(21)连接。
5.如权利要求4所述的有缆轻型随钻原位测试系统，其特征在于：所述开口变径接头(242)内部具有轴向通孔，侧壁设有一开口，轴线通孔与所述开口通过一狭缝连通；当开口变径接头(242)与主动钻杆(21)旋接时，所述电缆(14)自所述狭缝处脱离所述开口并置于所述轴向通孔中；当开口变径接头(242)与主动钻杆(21)旋接完成后，所述电缆(14)自所述狭缝处穿出所述开口。
6.如权利要求2所述的有缆轻型随钻原位测试系统，其特征在于：还包括用于收纳电缆的电缆收纳装置(3)和用于接收原位测试总成(1)信号的信号接收装置(4)。
7.如权利要求6所述的有缆轻型随钻原位测试系统，其特征在于：所述测试装置(11)上端与密封装置(12)的下端盖(121)固定连接。
8.如权利要求7所述的有缆轻型随钻原位测试系统，其特征在于：
所述密封装置(12)上端与悬挂定位装置(13)的悬挂器支架(131)下端固定连接，悬挂定位装置(13)的芯轴(135)上端与电缆承重接头(138)固定连接；所述电缆承重接头(138)直接与所述电缆(14)中部固定连接。
9.如权利要求8所述的有缆轻型随钻原位测试系统，其特征在于：所述密封装置(12)的下端盖(121)与电缆接头密封筒(122)固定连接，电缆接头密封筒一侧开口，提供电缆接头操作空间。
10.如权利要求8所述的有缆轻型随钻原位测试系统，其特征在于：
所述悬挂定位装置(13)的悬挂器支架(131)与上端盖(133)固定连接，卡爪(132)通过卡爪销轴(1321)固定于悬挂器支架(131)下部铰耳位置，卡爪收拢装置(134)使得卡爪无外力作用时保持收拢状态，芯轴(135)内插通过上端盖(133)悬挂器支架(131)可上下自由滑动，滑块(136)固定于芯轴(135)外侧，且位于上端盖(133)下方，弹簧(137)置于滑块(136)和上端盖(133)之间，电缆承重接头(138)外套固定于芯轴(135)上端；
当原位测试总成(1)受电缆(14)提拉时，弹簧(137)处于压缩状态，当原位测试总成(1)下放至定位台阶(2212)时，自重及弹簧(137)回弹作用使滑块(136)、芯轴(135)和电缆承重接头(138)整体向下移动，其中滑块(136)下落推动卡爪(132)张开，张开的卡爪(132)可抵在定位槽(2211)下方；
当测试完成提拉电缆时，滑块(136)、芯轴(135)和电缆承重接头(138)相对于悬挂器支架(131)整体向上移动，弹簧(137)压缩，滑块(136)与卡爪(132)脱离，卡爪(132)因卡爪收拢装置(134)作用收回，脱离定位槽(2211)。
11.如权利要求10所述的有缆轻型随钻原位测试系统，其特征在于：所述电缆(14)下端与测试装置(11)连接，自下而上穿过密封装置(12)、悬挂定位装置(13)，由电缆承重接头(138)上部穿出，通过开口变径接头(242)连接至电缆收纳装置(3)、信号接收装置(4)。
12.如权利要求6所述的有缆轻型随钻原位测试系统，其特征在于：所述钻进设备(2)包括主动钻杆(21)、钻管(22)、钻机(23)、接头(24)，所述钻管(22)内部空间能容纳原位测试总成(1)，钻管(22)包括定位钻管(221)与常规钻管(222)，定位钻管(221)位于最下方，常规钻管(222)用于接长钻管，定位钻管(221)内壁设置定位槽(2211)，底部内侧壁设置定位台阶(2212)，底部外侧壁安装扩孔装置(2213)。
13.如权利要求3所述的有缆轻型随钻原位测试系统，其特征在于：
闭口变径接头(241)用于旋挖钻进，开口变径接头(242)用于原位测试时电缆穿越连接至电缆收纳装置；
闭口变径接头、开口变径接头均在侧向开设卡钳槽便于旋接转动；
在开口变径接头的一侧开设槽口(2421)，可以将孔内所述电缆(14)从变径接头槽口(2421)处引出至地面处，便于原位测试总成(1)的牵引或原位测试数据的采集。
14.一种有缆轻型随钻原位测试施工方法，其特征在于，采用权利要求1-13中任意一项所述的有缆轻型随钻原位测试系统，包括以下步骤：
S1.钻孔施工：闭口变径接头(241)连接钻机(23)的主动钻杆(21)底部和钻管(22)顶部，旋转钻进至原位测试设计标高；
S2.下放原位测试总成：提升钻管(22)一定距离，卡钳固定钻管(22)；拆卸变径接头(241)，移开钻机(23)，将原位测试总成(1)置于钻管(22)内部；打开电缆收纳装置(3)下放原位测试总成(1)至定位台阶(2212)；松开电缆(14)，芯轴滑块(136)在自重作用下向下滑动，滑块(136)推动卡爪(132)撑开抵在定位钻管(221)内壁定位槽(2211)处；
S3.安装开口变径接头：原位测试总成下放完毕后，将电缆(14)从开口变径接头(242)侧壁槽口(2421)处穿入从接头上端开口引出；旋接开口变径接头(242)与钻管(22)；再将电缆(14)从上端开口移动至侧壁槽口(2421)；旋接开口变径接头(242)与主动钻杆(21)；松开卡钳；
S4.原位测试：由钻机为钻管提供静压或扭压作用力，实现地面提供测试动力，进行原位测试试验；
S5.拆解开口变径接头：原位测试完毕后，卡钳固定钻管(22)；反转钻机主动钻杆(21)，拆解主动钻杆(21)与开口变径接头(242连接；将电缆(14)引至开口变径接头(242)上端开口，反转开口变径接头(242)，拆解开口变径接头(242)与钻管(22)连接；将电缆(14)从接头侧面槽口(2421)取出；
S6.接长钻管钻进：提取原位测试总成(1)，接长常规钻管(222)，变径接头(241)连接钻机主动钻杆(21)与常规钻管(222)顶部，松开卡钳；继续旋转钻进；
S7.重复步骤2～6，直至完成所有深度处随钻原位测试。
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