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文档简介

1、欠平衡钻井第1页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四欠平衡钻井是指钻井过程中钻井液液柱压力低于地层孔隙压力,允许地层流体流入井眼、循环出井并在地面得到有效控制的一种钻井方式。第2页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四第3页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四欠平衡钻井技术经过几十年的发展,至目前,国外已经发展了空气钻井、氮气钻井、天然气钻井、雾化钻井、泡沫钻井、充气钻井液钻井、flowdrilling 等多种欠平衡钻井技术。 空气欠平衡钻井技术,是指空气作为循环介质进行欠平衡钻井,是最早发展的一种欠平衡钻井技术。由于该技术是直接

2、使用大气中的空气,所以可较大地节约钻井材料费用。 第4页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四天然气钻井技术,在天然气钻井中,使用天然气如同使用氮气或使用空气一样,可用作欠平衡钻井的循环介质。在钻含油气地层时,使用天气然钻井或防止井下气体混合物着火。然而,不同于氮气或空气,天然气当它排放到大气中时,一定会形成一种易燃的混合物。这种固有的较高的地面着火的潜在危险。使用天然气的钻井方法与使用空气或氮气钻井有一些不同。 氮气钻井技术,在欠平衡钻井中,氮气能用作钻井液,或作为钻井液的一种组成成分。主要的优点胜过空气钻井,因氮气和烃气的混合物不易燃烧,这样,可消除井下着火的可能性。

3、第5页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四雾化钻井技术,在空气钻井过程中,如出现少量的地层水流,通常作法是将空气钻井转变成雾化钻井。雾化钻井的具体作法是,在压缩的空气流未注入钻柱之前,向其注入少量的含有起泡剂的水。注入的这种液体与地层产出的水就会分散成不连续的(独立的)液滴的雾,这种雾流速度与气流速度相同。 泡沫钻井技术,泡沫可用作钻井的循环流体,泡沫流体为气液两相构成的乳化液,它具有静液柱压力低、漏失量小、携屑能力强、对油气层损害小等特点。适用于低压、易漏、水敏性地层、欠平衡泡沫钻井技术是目前国外应用较为广泛的一项钻井技术。 第6页,共128页,2022年,5月20日,

4、23点43分,星期四充气钻井液钻井技术,虽然充气钻井液很早就用于油气工业,但是,在50年代早期在美国犹他州的Emery县才第一次使用充气钻井液钻井。当时,是使用充气泥浆作为钻井液,主要用途是避免因使用泥浆钻井时的井漏,而不是特定用于欠平衡钻井,近年来,由于水平井钻井的迅速发展,为了避免水平钻井中的地层损害,在加拿大、美国及世界上其他地区,使用充气液体作为钻井液已被用于欠平衡钻井。充气钻井液的连续相通常为未稠化的液体,如水、盐水、柴油、或原油等,气相为氮气、空气或其它气体。充气钻井液一般不含有表面活性剂,在井下具有较高的液体体积分数。使用充气钻井液的井底压力通常高于用雾、泡沫等其它轻质钻井液的井

5、底压力。充气钻井液的有效密度通常为0.48g/cm30.48g/cm3。 第7页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Flow Drilling ,随着欠平衡钻井技术的进一步发展成熟及能承受高压的旋转也喷器引入油田后,发展了使用液体钻井液对高压地层进行欠平衡钻井技术,这种技术国外称为Flow Drilling(国内译为边喷边钻)。严格地讲,欠平衡钻井都是边喷边钻,这里边喷边钻系指涉及到用液体钻井液进行的欠平衡钻井作业,另外的含意是利用自然欠平衡状态进行的钻井作业。第8页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四欠平衡钻井现场设备NitrogenSeparat

6、orMud TreatmentRotating HeadUB operators第9页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四In 1866 a patent for air drilling was issuedFirst recorded use of a gasified fluid was in West Texas in 1932In 1938 mist was used by The Texas Company to drill in California. Natural gas was continuous phase and oil was the liqu

7、id phase第10页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Interest dropped off using gas as a drilling fluid until the 1950s in:CanadaWest and Central TexasUtahSan Juan Basin of New MexicoUntil the mid 1980s UBD was just a niche (not mass)industry, and only utilized in certain areas around the world.第11页,共128页,2022年

8、,5月20日,23点43分,星期四Growth in Horizontal Drilling spurred(刺激) the resurgence(复苏) in UBD (US operations)第12页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四UB DRILLING - JOBS1998 Spears & Assoc.第13页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Normally Pressured ReservoirsApplications for normal to above normal pressured reservoirs utiliz

9、ing fluid systems in a controlled flow drilling technique.Depleted(低压,衰弱的) ReservoirsWhere a multi-phase circulating fluid is necessary to achieve required Bottom Hole Circulating Pressure (BHCP) - underbalanced or with minimal overbalance. UBD - Types第14页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Barriers to UB

10、Drilling第15页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四欠平衡发展的阻碍缺乏标准了解较少统计数据不多涉及井控问题第16页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四钻工的问题对系统不熟悉risk of the new缺乏经验经济上 太昂贵责任大井孔稳定性问题第17页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四UB 增长的原因经济驱动第18页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四UB 增长的原因低压、衰竭油层循环漏失材料的限制压差卡钻成本水平钻进有可资利用的咨询公司第19页,共128页,2022年,5月20日,23点43分

11、,星期四技术发展空压机发展潜孔锤钻进氮气氮气供应增加成本降低在井场生成氮气第20页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四技术进展改进的 MWD钻机辅助减速单元盘管钻进设备不损害钻孔的泥浆顶驱第21页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四正在研究的问题井控的概念套管钻进膨胀套管膨胀砂滤层不提钻换钻头第22页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Reasons for UB drilling减少漏失第23页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Lost Circulation with FoamThe Foam bub

12、bles are lost zone plugging agents!第24页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Reasons for UB drillingLost circulationFaster Drilling提高钻井速度第25页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Reasons for UB drillingLost circulationFaster DrillingNo Differential Sticking无压差卡钻第26页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Differential Pressure S

13、tickingDRILL PIPEFILTER CAKEDRILL COLLAR, KPfPHPH Pf第27页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四No Differential Pressure StickingDRILL PIPE NoFILTER CAKEDRILL COLLAR, KPfPHPH Pf第28页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Reasons for UB drilling.Reduce Reservoir Damage第29页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Protect ReservoirFoam

14、 is Perfect UB FluidIn underbalance condition, flow is into the hole.Fluid does not ruin the foam.第30页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Protect ReservoirFoam is perfect UB FluidIn overbalance condition, foam bubbles block the matrix.Foam bubbles also block fractures.第31页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Reaso

15、ns for UB drilling.Reduce Reservoir DamageImprove Production Evaluation第32页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Effect of Skin on Production Rates02004006008001,000SKINBOPD510-2015-3-1barrels of oil per day第33页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Physical Limits to UB DrillingBorehole InstabilityPoor Casing Point第3

16、4页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四UBD is another tool in the toolbox,not a Panacea(万能药).Physical Limitation to UBDBorehole InstabilityUnconsolidated SandsWeak FormationsGeopressured ShalesSalt BedsInadequate Casing第35页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Production Limits to UBDPermeability is so low the zone

17、needs to be fractured.Zones must be isolated第36页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四MISTFOAMLIQUIDGASAERATEDLIQUIDTypes of Flow Regimes第37页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Foam Quality (In theory)0-55% Aerated Fluid55%-94%Foam94%-99.9%Mist100% Gas/Air第38页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Fluid Phase ContinuityMIST(

18、97-100% AIR)FOAM(0-97% AIR)AIR/GASWATER第39页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Generalized“Fluid” Systems第40页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Rotating Blow-Out Preventor 2,500 psi rotating - 5,000 psi staticEquipment - Rotating Head第41页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四闭路循环系统SEPARATOROIL TANKSWATER TANKSNITROGENPUM

19、PERSMUD TANKSRIG RIGPUMPSR-BOPTOP DRIVESYSTEMCATCHERSSAMPLECHOKEMANIFOLD阻流管汇FLARESTACK喇叭口N2 / FLUID MIXCUTTINGRETURN第42页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Choke Manifold(阻流管汇)第43页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四第44页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Equipment - Separators第45页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Stainless

20、SteelLiquid Nitrogen(-320OF)Carbon SteelGaseous nitrogen to well80OF, 0-10,000 psiPumpVaporizerEquipment - Gas Source第46页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Equipment - Lots MoreSamplecatchersWillis chokeManifoldFlareSeparator200 psi vesselOil storage/transportWater returned to tanksFlare pitChokeChokeRig

21、ManifoldESDTo shale shakerHCR第47页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四AIR DRILLINGA brief summary第48页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四空气天然气氮气钻进速度高循环漏失可控制在缺水地区经济一次性投资大护壁有难度第49页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Air DrillingAir/Gas drilling (“dust”) is a technique used in areas where the formations are “Dry” i.e., ther

22、e is no influx of water or liquid hydrocarbons.This medium requires significant compressed gas volumes to clean the well with average velocities of over 3,000 ft per minute.第50页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Air Drilling Dusting第51页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Air Drilling BenefitsIncreased Rate of Pe

23、netrationReduced Formation DamageImproves Bit PerformanceLost Circulation ControlContinuous Drill Stem Test第52页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Air/Dust Drilling Layout丙烷第53页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Air Drilling Waited upon Large Portable CompressionSimple and convenient to drill with air inexpensiv

24、ely and anywhere.第54页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四第55页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四空口密封第56页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四二、空气钻进工艺空气钻进参数包括钻压、转数、空气量等。 1、钻头压力 与常规钻进方法一样,钻速随钻压增加而增大。可是,与用冲洗液作循环介质的钻进方法相比,其钻压、转速都要小得多(2575)。2、转速转速不能选的太大。 第57页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四3、空气量(1)空气量 空气钻进效率高低,主要取决于空气量的大小。钻进中如果

25、空气量不足,不但效率低,而且容易发生事故。反之,如果单纯为了追求高的钻进效率,而对空压机风量提出过高的要求,势必使设备增大而不经济。因此,一般以携带岩粉从孔底返出地表的最小环空上返流速来考虑空压机的风量。(2)空气压力 空气钻进时,空压机的压力,主要取决于钻孔深度、钻孔直径、钻孔孔壁与钻杆的环状空间的大小、各种接头及钻头的局部阻力、钻进速度(岩粉量)、空气量及温度等。 重要的是要保证空压机的额定压力大于空气钻进时的工作压力。当钻进速过高或钻遇涌水地层时,往往会导致工作压力过高而使空气钻进失败。这时应采用其它钻进方法,如泡沫钻进或泡沫泥浆钻进。第58页,共128页,2022年,5月20日,23点

26、43分,星期四MistingAddition of 6 to 30 bbl/hr of fluid to the air stream.桶(液量单位, 英国为163.5升, 美国为119升)Clean and lubricates the bitCarries the cuttings to the surface as a mist or more normally in a modified two phase flow.第59页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四FOAM DRILLINGBasic Comments第60页,共128页,2022年,5月20日,23

27、点43分,星期四Foam DrillingThe most versatile of the gas-generated systems.Mixture of gas phase and foaming solution.Foam flow varies with depth in the hole.Adjustable effective BHP.Enhanced lifting and well bore cleaning.A “displacing medium”, not a propelling medium.第61页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Foam

28、 (Heading)第62页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Improved Hole Cleaning第63页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Foam Drilling Benefits Faster Penetration rate Low Air requirements Low fluid requirements Low Hydrostatic head No damage to formation Continuous Drill Stem test Best for large holes第64页,共128页,2022年,5月2

29、0日,23点43分,星期四第65页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Mist or Foam Drilling Layout第66页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四第67页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四泡沫钻进优点悬浮岩粉能力强在松散、裂隙地层护孔性能好保护地层不漏失钻进速度相对高压差卡钻危险小需要空气、液量少适于大口径第68页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四悬浮岩粉能力强PowderRegrindingAndMud RingFormationLargeCuttingsFoamAir/Mis

30、t第69页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四循环漏失减小第70页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四泡沫钻进设备图114泡沫钻进现场布置图1空压机;2泡沫发生器;3泡沫液灌注泵;4泡沫液槽;5水龙头;6钻机;7泡沫排出口;8钻具第71页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四第72页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四二、泡沫钻进工艺1、泡沫液的配制 泡沫液由发泡剂(表面活性剂)与清水配制而成。常用的发泡剂有十二烷基苯磺酸钠及一些专用的钻井泡沫剂。十二烷基苯磺酸钠为阴离子型发泡剂,它发泡能力强,但遇到地下水中

31、的钙离子时消泡严重。成品的泡沫剂浓度较大,需加大量的水稀释后才能使用。钻进中要求泡沫液有较强的发泡能力、泡沫稳定性、气液比、携带岩粉能力及润滑能力等。发泡能力是指在一定条件下,一定时间内,一定体积的发泡剂(表面活性物)溶液所产生的泡沫量(泡沫体积或高度)。它与泡沫剂的种类及浓度、风压、风量有关。 第73页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四General Foam TypesStable foamFoaming agentPolymerStiff foamFoaming agentPolymerBentonitepH sensitive foam (amphoteric)

32、Transfoam 第74页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Foam TestingIt is difficult to measure the viscosity of a foam.Instead a half-life test is used. 第75页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四二、泡沫钻进工艺在室内配制泡沫液时一般要进行试验。从一定高度滴下一定量的泡沫液,量取由滴下的泡沫液所形成的泡沫量,以衡量泡沫液的发泡能力。间隔30分钟后再测量剩余泡沫量,以确定泡沫的稳定性。由于起泡量与泡沫剂浓度呈近于指数曲线的关系,确定泡沫剂加量时一般

33、应从发泡量与经济性两个方面考虑。十二烷基苯磺酸钠的最佳浓度值为0.30.5。 常用的稳定剂有CMC、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等。添加稳定剂可延长泡沫的寿命,但有时会改变泡沫的流变性能。第76页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Foamer ConcentrationHalf life in seconds% Foamer concentration3002502001501005000 0.2 0.4 0.6 0.81 1.2第77页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Foam Testing Half Life ProcedureWaring Ble

34、nderStop Watch1000ml Cylinder第78页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四100mlwaterFoaming Agent0.5% (0.5ml)Waring BlenderStop Watch1000ml CylinderFoam Testing Half Life Procedure第79页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Mix on high for 30 secWaring BlenderStop Watch1000ml CylinderFoam Testing Half Life Procedure第80页,共

35、128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Pour into cylinderand measure time for 50ml of water to appearWaterFoamTime is half lifeWaring BlenderStop Watch1000ml CylinderFoam Testing Half Life Procedure第81页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四二、泡沫钻进工艺3、钻头泡沫的散热能力较差,泡沫钻进用的钻头应把水口开大些。4、转速泡沫钻进时,转速不宜过大。使用普通金刚石钻进设备进行泡沫钻进时,应设法改善泡沫

36、的润滑性能。 其他钻进参数可参照纯空气钻进。 第82页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四泡沫流变性研究第83页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四二、泡沫钻进工艺2、泡沫流变性控制控制泡沫的流变性能是一个既重要又复杂且容易被忽略的问题。泡沫是非牛顿流体,随气液比、泡沫剂与稳定剂的加量不同,泡沫的流型是变化的。这给测定与控制泡沫的流变性能带来了很大困难。钻进中采用经验加实验的方法控制泡沫的流变性能。第84页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四The Published Experts Dont Agree About Foam

37、Fluid BehaviorBingham PlasticMitchellKrugBeyerPower LawOkpobiriIkokuSanghani第85页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Actually Foam sometimes flows as a plug.And sometimes with a velocity profile across the hole cross section.Viscosity changes with pressure and temperature as well as chemical content.第86页,共1

38、28页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Foam FlowFoam sometimes flows as a plug.第87页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Foam FlowFoam sometimes flows high viscosity profile.第88页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四泡沫理论研究难第89页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四第90页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四第91页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四第92页,共128

39、页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Instrument Cart for Characterizing Fluids Online in the ACTFThis cart provides portability to sensitive bubble characterization equipment and transports it onto the flow loop. These instruments allow students to withdraw a sample of foam from the flow loop as experiments are

40、on-going with constant pressure maintained. As the sample flows through the cart micro photographs are taken, computerized bubble analysis is conducted, and flow rate, pressure and temperature are monitored. The cart is equipped with a wireless router to allow all of the computer functions to be mon

41、itored real-time in the lab or office.第93页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四 Foam Generator and Viscometer ApparatusThe Foam Generator and Viscometer Apparatus and Process (U.S. Patent No. 6,807,849) was invented to provide us with a research tool which would quantify the rheological properties of foam.

42、This equipment allows us to accurately adjust the amounts and types of liquids and gasses which go into making foam and allows us to regulate the amount of energy which is used to create the foam. We can quantify the resulting foam via microphotography and computer analysis for bubble size, distribu

43、tion, quantity and shape. A flow-through Couette-type viscometer allows us to quantify the foam while setting the desired rate of shear and measure viscosity and shear stress among other properties. The Apparatus can operate at pressures up to 1500 psi and temperatures to 300 degrees Fahrenheit.第94页

44、,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Rheology Characterization of Polymer Drilling Foams using a Novel ApparatusZhu Chen1, Ramadan M. Ahmed1, Stefan Z. Miska1, Nicholas E. Takach1, Mengjiao Yu1 and Mark B. Pickell1 Arild Saasen21 - Department of Petroleum Engineering, The University of Tulsa, 600 South Coll

45、ege Av., Tulsa, OK, USA2 - Statoil, N-4035, Stavanger, Norway第95页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四第96页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四第97页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四流型判定?第98页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四第99页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四第100页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四气液比是指泡沫中气体与液体的体积之比。根据实验,当气液比小于200:1

46、时,泡沫为幂律流体或赫巴流体;当气液比在300:1以上时泡沫表现为宾汉流体;大于350:1时会出现塞流现象。气液比低时,泡沫的流动性较好。气液比高时,泡沫的护孔能力较强,钻头磨损较快,有时会引起烧钻。第101页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四GASEATEDOR AERATEDDRILLING第102页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Aerated FluidGasification of Primary Drilling Fluid.Initially designed as a technique to lighten mud to re

47、duce lost circulation.MethodsStandpipe injectionJet SubParasite(寄生的) StringDual Casing StringAs an UB fluid, it is easiest to control in small holes. 第103页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四 Small injection string run simultaneously with intermediate casing. Injected gas does not affect bit hydraulics. In

48、jected gas does not effect MWD Parasite(寄生物) String第104页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Jet SubSimilar to Parasite StringGas induced thru drill pipeSelective jet sizing dictates(口授,规定) amount of air to be injectedJets are Similar to Bit Jets第105页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Aerated Fluid Layout第106页,共1

49、28页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Compressor/N2CostRotating BOPsSolid/Liquid/GasSeparationCorrosionVibrationHigh Torque/DragBorehole StabilityMWD TransmissionHydraulic CalculationsCuttings LiftingFluid InfluxFire/ExplosionsUnderbalancedCompletionAerated Drilling Problems第107页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四第10

50、8页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四第109页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四OtherFlow DrillingMudcap DrillingSnub DrillingClosed Systems第110页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Flow DrillingFlow drilling refers to drilling operations in which the well is allowed to flow to surface while drilling.All UBD operations ar

51、e really flow drilling operations, but the term is usually applied to drilling with a single phase mud, and no gas is injected except by the formation.第111页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四第112页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Drilling fluid selectionDensity is determined by:maximum pressure = to formation pressureminimum pressure dictated by wellbore stabilityPressure limitations of diverter(分流器) and BOP equipment第113页,共128页,2022年,5月20日,23点43分,星期四Surface Equipment第114页,共128页,2022年,5月20日,23点43分

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