三维散射声波远探测测井裂缝评价的物理模拟

赵腾 ,  车小花 ,  乔文孝 ,  程路 ,  卢俊强 ,  门百永

地球科学 ›› 2023, Vol. 48 ›› Issue (07) : 2703 -2717.

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地球科学 ›› 2023, Vol. 48 ›› Issue (07) : 2703 -2717. DOI: 10.3799/dqkx.2022.258

三维散射声波远探测测井裂缝评价的物理模拟

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Experimental Simulation of Fracture Evaluation Based on Borehole 3D Scanning Acoustic Imaging Using Scattered Waves

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摘要

现有的远探测声波测井主要利用了反射波信息,这不利于井旁地层中裂缝的高分辨率成像,而基于散射波的探测方法才有可能获得更高分辨率的测量结果.提出一种三维散射声波远探测扫描成像方法及结合平面扫描成像和球面扫描成像的技术实现方案,采用薄铝板来模拟井旁地层裂缝,在大水面湖中开展了方位远探测声波测井水下物理模拟实验,用本文提出的反演成像技术处理了实验数据.数据处理结果表明,三维散射声波远探测扫描成像方法能够提高成像信噪比、分辨率和探测范围,较准确地估计井旁裂缝的径向距离、方位、倾角、尺度和深度等参数;与3D-STC和Beamforming方法相比,基于散射波的扫描成像方法不必假设回波信号为平面波,提高了井旁裂缝方位定位准确性.本文方法有望突破目前远探测声波测井技术的局限性,具有良好的应用前景.

关键词

散射波 / 裂缝评价 / 物理模拟 / 空间扫描成像 / 远探测声波测井

Key words

scattered wave / fracture evaluation / experimental simulation / space scanning imaging / borehole acoustic imaging

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赵腾,车小花,乔文孝,程路,卢俊强,门百永. 三维散射声波远探测测井裂缝评价的物理模拟[J]. 地球科学, 2023, 48(07): 2703-2717 DOI:10.3799/dqkx.2022.258

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0 引言

裂缝网络在控制低渗透性地层流体的流动中起着主导作用,因此,获取碳酸盐岩、页岩和致密砂岩等地层中的裂缝密度、走向、间距和形态等信息对于优化开发和生产油气非常重要( 冯艳伟等,2021).裂缝一般包括小到厘米级的微裂纹,数米级的接缝和数十米至千米级的断层.同样,用于表征裂缝的评价技术也因所要观测的裂缝规模而异,在储层规模上使用地震技术( 于明羽等,2021),在中等规模上使用垂直地震剖面VSP(Vertical Seismic Profiling)和井间探测技术,对于井眼附近地层中的裂缝评价,则使用测井技术.声电井壁成像是用于识别和评价与井眼相交的裂缝的常用测井技术.但是,声电井壁成像测井技术探测深度只有毫米量级,不能提供离井眼较远地层中的裂缝信息,也不能可靠地估计裂缝的渗透性和有效性,在油基钻井液条件下还存在成像效果差的问题( 唐军等,2017).多极子阵列声波测井技术是识别和评价地层裂缝的有效手段,利用测量的纵波、横波、斯通利波等多种井孔模式波可以提供井眼周围地层丰富的信息,利用斯通利波还可以评价裂缝的渗透性,但难以对远离井眼范围的地层裂缝展布进行精准描述( 唐晓明等,2016欧伟明等,2019杨博等,2019蔡明等,2020a2020b车小花等,2020赵腾,2020李宁等,2021).远探测声波测井技术的分辨率(几十厘米)和测量范围(几米至几十米)介于常规地震勘探和常规测井方法之间,在识别井外裂缝、地层界面和溶蚀孔洞等方面独具优势,能为油气储层、地热储层的综合评价以及储层改造设计提供重要信息.

远探测声波测井技术中先后出现了单极纵波远探测技术、偶极横波远探测技术和方位远探测声波测井技术.单极纵波远探测技术仅能判断井旁裂缝到井孔的距离,无法说明其方位信息( Hornby, 1989).利用偶极横波远探测技术估算裂缝方位时存在180 o不确定性问题( Tang, 2004唐晓明等,2017Wang et al., 2019李盛清等,2020).方位远探测声波测井不但能够测量裂缝到井孔的距离,还可以进一步确定裂缝方位( 乔文孝等,2011Che et al., 2014蔡明,2016Yang et al., 2019Ben et al., 2020a, 2020b本建林等,2021).目前的远探测声波测井技术主要利用了井旁异常地质体的反射波信息,这对于评价井旁尺度较大的异常地质体无疑是有效的,但对于井旁较小尺度的异常地质体(即尺度与波长相当或更小的地质体)以及一些特殊而常见的井旁异常地质体的评价存在方法上的困难.譬如说,对于井旁相邻井探测( Ben et al., 2020b)、直井中过井轴的垂直面裂缝和水平井中垂直面裂缝( 王伟等,2021)等,在井眼中布置的声波测井仪器就接收不到满足反射定律的反射波,只能接收到散射波.在这些情况下基于反射波信息的远探测声波测井技术就难以奏效,而充分利用接收波形中的散射波信息才有可能取得成功.

针对目前远探测声波测井方法存在的不足,本文提出一种三维散射声波远探测扫描成像方法,以及结合平面扫描成像方法和球面扫描成像方法的技术实现方案,尤其是充分利用携带丰富信息的散射波进行反演和扫描成像的方法.为了校验方位远探测声波测井仪器BAR(Borehole azimuthal acoustic reflection imaging logging tool)对井旁异常体距离和方位的测量准确性,将方位远探测声波测井仪器BAR下放至大水面湖中,在仪器周围布置不同径向距离、不同数量、不同方位的薄铝板来模拟井旁地层裂缝,对来自模拟裂缝的回波信号进行波形特征分析,利用三维散射声波远探测扫描成像测井方法对实验数据进行处理和反演成像.

1 三维散射声波远探测扫描成像方法

散射波是一种更为广泛存在的回波模式波,任何由尺度较小的非均质异常地质体引起的回波都可以是散射波(背向散射波).因为点是物体组成的基本元素,点组成线或面,面组成体,井旁裂缝可被看作由无数个点组成,散射波的产生符合惠更斯‒菲涅尔原理.当井内声源激励声场,声波能量进入地层向井外传播与这些散射点相遇时,各个散射点便成为向四周辐射散射波的新声源,此时测井仪器接收到的回波是各散射点所散射的声波叠加后的结果,所以散射波携带的信息是非常丰富的.方位远探测测井仪器上的多个接收器接收到的来自同一个井内声源、经同一个散射点所散射的同一种模式波具有相似性,根据波形的相似性可以反演得到该散射点的空间位置坐标,得到的多个散射点便可以描述井旁裂缝的位置与形态.

三维散射声波远探测扫描成像方法的具体反演流程为:(1)将井旁地层划分为有限个小体元,假设井旁地层中任意一点(小体元)是裂缝的一个组成部分,即一个散射点;(2)对于某一种模式的散射回波,基于发收换能器的位置、地层中的纵横波波速数值和假设的井旁裂缝的位置就可以计算出对应的散射回波到达各个接收单元的走时,根据走时就可以确定接收信号波列中的开窗位置,在各道接收波形中开窗选取此种模式波部分的回波波形并进行相似性计算;(3)若计算得出的波形相似系数为一个极大值,则说明所假设的井旁裂缝的位置上的确存在裂缝;(4)对井旁地层空间中各点进行遍历计算,就可得到井旁裂缝的空间分布,可见这种方法亦可视为基于散射波的空间扫描方法.

回波波形相似系数的计算公式( Zhang et al., 2019)为:

S k x = m = 1 M i = 1 N W i τ i k + m - 1 Δ t 2 N m = 1 M i = 1 N W i τ i k + m - 1 Δ t 2

式中, k表示某一种模式波, k=1、2、3、4分别表示PP、SS、PS和SP模式波; S k 为第 k种模式波的波形相似系数, 0 S k 1,对于毫无关联的随机噪音其值接近0,而对于相关性极强的波形则接近1; x为井旁地层中某一点的空间坐标; W为接收信号波列数据; N为接收单元数量, M为所开时窗内的时间采样点数, Δ t为波形的时间采样间隔; τ i k为对应于第 i个接收单元的第 k种模式波的走时.

在使用单炮数据对井旁裂缝进行三维定位时,可以选择在三维空间中进行扫描成像,直接得到井旁裂缝的三维空间分布,但是这种方案耗时长、效率低.因此,本文提出平面扫描成像方案和球面扫描成像方案,结合这两种方案的扫描成像方法既能确定井旁裂缝的三维空间分布,又具有耗时短、效率高的优点.

图1a所示,建立 r θ z柱坐标系, z轴与井孔的中心轴重合,给定一个参考方位角度,可以确定一个过井轴剖面(竖直成像剖面),在该平面内进行扫描成像,可以确定该剖面上井旁裂缝的径向和轴向位置.此时过井轴成像剖面内某一点 P的空间坐标为:

            x = r , z , θ 0

式中, θ 0为上述过井轴成像剖面的参考方位角度, rz分别为过井轴成像剖面内某一点的径向和轴向坐标.

图1b所示,建立 R θ ϕ球坐标系,以接收换能器阵列中心 O点为球心,给定一个参考半径,可以确定一个球面(球形成像剖面),在该球面内进行扫描成像,可以确定井旁裂缝的方位角和竖直角.此时球面内某一点 P的空间坐标为:

            x = R 0 , θ , ϕ

式中, R 0为上述球面的参考半径; θ表示球面内某一散射点的方位角,取值范围 0 o θ < 360 o,一般将正北方位定义为0 o,按顺时针方向增大,则 θ = 90 o表示散射点在正东方位; ϕ为散射点的竖直角,取值范围 - 90 o ϕ 90 o ϕ = 0 o表示散射点与 O点处于同一水平面, 0 o < ϕ 90 o表示散射点位于 O点上方, - 90 o ϕ < 0 o表示散射点位于 O点下方.

与基于散射波的空间扫描方法不同,3D-STC(3D slowness time coherence)和井下三维声波定向扫描接收(Beamforming)方法均假设回波信号为平面波,分别基于波形相似原理( Bennett, 2019)和波束形成原理( Che et al., 2014Yang et al., 2019Ben et al., 2020a; 2020b本建林等,2021)来确定井旁裂缝的方位角和竖直角.

图2为三维散射声波远探测扫描成像测井进行裂缝评价的数据处理流程.首先对测井资料进行预处理,包括波形恢复与滤波、波场分离等;然后选择某一深度点处的单炮数据,进行三维空间扫描成像,分别包括平面扫描成像(Plane Scanning)和球面扫描成像(Spherical Scanning),确定裂缝的径向距离和方位;接着基于多炮数据进行叠加成像(测井一次可测井段较长,可达几百至几千米,由于单炮数据成像时的轴向长度有限,对各深度点的单炮数据进行平面扫描成像后,将其放置于真实的三维空间中,便可得到过井轴成像剖面上的多炮数据叠加成像图),确定裂缝的尺度、倾角和深度;最后,综合得到井旁裂缝的径向距离、方位、尺度、倾角、深度等参数.

2 物理模拟研究

水下物理模拟实验是在千岛湖水中开展的.千岛湖水深大约40 m,湖水密度为1 000 kg/m 3,纵波传播速度为1 500 m/s.如 图3所示,用于实验的方位远探测声波测井仪器BAR从下到上依次为发射短节、隔声体、柱面阵接收器和主控短节,其中发射短节包括相控线阵声源和正交偶极声源;柱面阵接收器包括10个声波接收站,间距为0.2 m,编号 R 1~ R 10,每个声波接收站包括8个方位接收单元,间隔45 o,编号 E 1~ E 8;柱面阵接收器总长为1.8 m,共计80个接收单元.

在进行模拟实验时,将测井仪器竖直放置在水中,将几块厚度为0.002 m的薄铝板浸没在水中模拟井旁地层裂缝,如 图4所示,采用相控线阵发射、方位接收工作模式,测井仪器以固定的速度缓慢上提来接收波形数据.实验中声波测井仪器接收的声波信号主频为12~13 kHz,对应的声波信号在水中波长约为0.125 m,在铝中波长约为0.525 m.

2.1 实验模型

为考察三维散射声波远探测扫描成像方法对井旁不同径向距离的单个裂缝的成像效果,设计了A、B、C三种实验模型. 图5为实验模型A示意图,模拟裂缝的轴向长度为2.0 m,位于仪器的西南方向,方位角为247 o,模拟裂缝的中心点与仪器中心轴线的径向距离为16.4 m. 图6为实验模型B示意图,模拟裂缝轴向长度为2.0 m,位于仪器的西南方向,方位角为250 o,模拟裂缝中心点与仪器中心轴线的径向距离为29.1 m.由仪器与模拟裂缝的相对位置可知,仪器接收到的回波信号与入射波并不满足反射定律,且模拟地质体厚度(0.002 m)明显小于声波在铝中的波长(0.525 m).因此,实验中测井仪器接收到的模拟裂缝回波实际是散射波信号.

为考察基于散射波的三维空间扫描成像方法对井旁不同方位的多个裂缝的成像效果,在仪器两侧各放置1块铝板,设计了实验模型C,如 图7所示.其中,1号模拟裂缝的轴向长度为2.0 m,位于仪器的东北方向,方位角为75 o,模拟裂缝中心点与仪器中心轴线的径向距离为5.7 m;2号模拟裂缝的轴向长度为0.5 m,位于仪器的西南方向,方位角为260 o,模拟裂缝中心点与仪器中心轴线的径向距离为5.1 m.同样地,仪器并未处于两侧任一模拟裂缝反射面的法线方向上,因此接收到的声波回波信号为散射波回波信号.

2.2 波形特征分析

图8为实验模型A的测量波形, 图8a中第2道为记录的仪器方位曲线(接收单元 E 1的方位).可以看出,等源距波形中直达波特征明显,22.0~32.0 ms时间段内存在倾斜的同相轴,应是来自水面障碍物的回波信号,由于这些回波信号不是本文的研究重点,下文未对其成像结果进行分析.22.0 ms附近出现明显的弯曲状波形同相轴,应为模拟裂缝回波,弯曲的波形同相轴可能由水流造成铝板来回抖动而引起.测量时,仪器方位曲线值约为250°,接收单元 R 1 E 8R 1 E 1R 1 E 2朝向模拟地质体,所以这3个接收单元的模拟裂缝回波幅度较强,到时较早.

模拟裂缝与测井仪器的径向距离增大为29.1 m时,实验测量波形如 图9所示,等源距波形中40 ms附近出现明显的垂直同相轴,应为模拟裂缝回波;可以看出,与实验模型A相比,模拟裂缝回波幅度明显减弱.来自水面障碍物的回波信号依旧存在.测量时,仪器方位曲线值约为160°,接收单元 R 1 E 2R 1 E 3R 1 E 4朝向模拟地质体,所以这3个接收单元的回波幅度较强,到时较早.

图10为实验模型C的测量波形,全波波形中直达波特征明显,8 ms附近出现明显的垂直同相轴,应为模拟裂缝回波.观察不同方位的模拟裂缝回波特征,接收单元 R 1 E 2R 1 E 3R 1 E 4的1号模拟裂缝回波幅度较强,到时较早;接收单元 R 1 E 6R 1 E 7R 1 E 8的2号模拟裂缝回波幅度较强,到时较早.观察1号和2号模拟裂缝的回波特征,1号模拟裂缝的回波幅度明显强于2号模拟裂缝的回波幅度,这是因为1号模拟裂缝的轴向长度是2号模拟裂缝的4倍;1号模拟裂缝的回波到时晚于2号模拟裂缝回波到时,这与两个模拟裂缝的位置分布特征一致.

从不同实验模型中单炮数据的模拟裂缝回波部分还可以看出,同一个声波接收站接收到的模拟裂缝回波到时与方位呈现出近似的正弦关系,模拟裂缝回波到时与源距呈现出近似的而非标准的线性关系;这说明各接收单元接收到的散射回波并不是真正的平面波,此时如果按照正弦关系和线性关系去提取散射回波波形中的信息,可能会引入误差.

2.3 单炮数据三维空间扫描成像

根据 图8~ 图10中特定深度点处的单炮数据,采用带通滤波和中值滤波相结合的波场分离技术来滤除直达波,在给定参考角度的过井轴成像剖面(竖直面)内进行扫描成像,可以确定模拟裂缝的径向距离. 图11为实验模型A、B、C的平面扫描成像图,其中红色五角星表示声源,灰色方形表示声波接收站,黑色星号为相似度极大值点,浅灰色虚线为模拟裂缝的真实径向位置;为了呈现出最明显的成像效果以便于研究,取过井轴成像剖面分别与各模拟裂缝散射波的弧矢面重合.平面扫描成像图中的模拟裂缝特征明显,提取图中的波形相似系数极大值点的径向坐标得到平面定位结果,如 表1所示,可以看出模拟裂缝径向距离的反演值与实际值非常接近,误差较小.

根据平面扫描成像可以确定模拟裂缝的径向和轴向位置,从而得到模拟裂缝与柱面阵接收器中心点的距离,将此距离作为参考半径,基于单炮数据进行球面扫描成像,可以确定模拟裂缝的方位.实验模型A、B、C的球面扫描(Spherical Scanning)、3D-STC、Beamforming成像图以及方位定位曲线分别如 图12~ 图14所示,白色星号为相似度极大值点. 表2列出了3组实验的相关信息和方位定位结果.可以看出,不同方法均能较准确地估计出模拟裂缝的方位,从整体上看,不同方法获得的方位定位曲线的3dB角宽满足Spherical Scanning<Beamforming<3D-STC,这是因为3D-STC方法假设散射回波为平面波,按照正弦关系和线性关系去提取散射回波波形中的信息( Bennett, 2019)时引入了误差,因而方位分辨率最低;Beamforming方法虽然同样假设散射回波为平面波,但是采用了三、四阵元接收子阵的处理方案( Che et al., 2014;蔡明,2016;Yang et al., 2019;Ben et al., 2020a,2020b;本建林等,2021),在一定程度上减小了误差,提高了方位分辨率;由 图8~ 图10可知,各接收单元接收到的散射回波并不是真正的平面波,基于单一模式散射回波的球面扫描成像方法充分真实地反映了这一事实,因而方位定位准确性高于前两种方法.

2.4 多炮数据叠加成像

将多个深度点处的单炮数据平面扫描成像图进行叠加,可以估计裂缝的尺度、倾角和深度等参数. 图15为实验模型A、B、C的多炮数据叠加成像图,为了呈现出最明显的成像效果以便于研究,取过井轴成像剖面分别与各模拟裂缝散射波的弧矢面重合.从 图15可以看出,模拟裂缝成像清晰,方位分布特征明显.提取模拟裂缝成像轨迹,结果如 图16所示,其中黑色虚线为模拟裂缝的真实径向位置,模拟裂缝的成像轨迹位于真实径向位置附近,倾角约为90 o;模拟裂缝轴向成像长度的计算结果如 表3所示,可以看出反演值与真实值比较接近,误差较小.

3 讨论

三维散射声波远探测扫描成像方法,是一种基于空间扫描思想的声源定位方法(将井旁散射点看作二次声源),与3D-STC和Beamforming方法相比,该方法不必假设回波信号为平面波.与常规2D偏移方法(如F-K偏移、逆时偏移等)相比,三维散射声波远探测扫描成像方法大大增加了单炮数据成像时的波形数据使用量,能减小噪声的影响,同时压制残余直达波,实现井旁裂缝的高分辨率成像.

常规的阵列声波测井主要利用井孔模式波来提取地层纵横波时差、衰减和各向异性等参数,这些模式波不是由远离井孔的地层裂缝引起的;远探测声波测井主要利用来自井外裂缝等异常地质体的回波信号,而不是井孔模式波,它们在远探测声波测井波场分离时会被滤除,因此在本文的物理模拟实验中暂未考虑井孔.由于该物理模拟实验是在湖水下进行的,测井仪器接收到的模拟裂缝回波均是PP波,因此本文在使用三维散射声波远探测扫描成像方法处理物理模拟数据时,仅使用了PP波信息.其实,在实际测井环境下,测井仪器接收的来自同一个井旁裂缝的回波包含PP、SS、PS、SP等多种模式波,在这种情况下,三维散射声波远探测扫描成像方法可以综合利用多模式波信息来反演井旁裂缝的径向距离、方位、尺度和倾角等参数;而PP、SS、PS、SP等多种模式波在时域上可能会出现重叠,这使得3D-STC和Beamforming方法不易利用多模式波的信息;此时,三维散射声波远探测扫描成像方法能够提高井旁裂缝的三维定位准确度.

在远探测声波测井中,由小尺度(尺度与声波波长相当或更小)井旁异常地质体引起的回波称为散射波,由大尺度(尺度远大于声波波长)井旁异常地质体引起的、且满足反射定律的回波称为反射波.在井旁均匀地层中存在单一散射点时,声源在充液井孔中激励声场,声波能量进入地层并向外传播,当遇到散射点(譬如井旁孔洞)时,散射点便成为新的声源,能量以球面形式向四周扩散.当井旁存在地层界面时,根据惠更斯‒菲涅尔原理,地层界面可看作是由密集排列的无数个散射点构成,此时测井仪器接收到的回波是各散射点所散射的声波叠加后的结果,一系列单点散射波经干涉叠加形成的波前面就是反射波,也就是说反射波是散射波的一个特例.本文将回波中的反射波视为一种特殊的散射波予以考虑和处理,如此便能同时利用远探测波场中的反射波信息和散射波信息.

远探测声波测井的径向探测深度是由地层中声波的传播速度、传播时间和仪器所采集回波的时间长度等参数决定的,因为原始数据时间序列的长度(时间采样点数)一般是固定的,井旁地层的声波速度越快则径向探测范围越大.一般情况下,地层中的纵波波速总是大于井孔中的流体波速.因此,物理模拟实验时BAR能够在水下探测30 m范围内的模拟裂缝,井下测量时仪器的探测深度将会更远,目前远探测声波测井能够探测距离井轴上百米的井旁地质构造( 董经利等,2020).本文的成像结果显示,远探测声波测井可以探测到轴向长度为 0.5 m的裂缝,该技术还可以对直径为0.2~0.3 m的井旁相邻井孔进行成像( Ben et al., 2020b),这说明该技术的探测分辨率约为几十厘米的量级.

远探测声波测井能够在砂岩、泥岩、碳酸盐岩和页岩等地层中进行裂缝探测( 燕菲,2014),在实际情况下,井旁地层中的裂缝可能被固体矿物充填,也可能被油、气、水等流体物质充填,裂缝及其充填物的性质与弹性波的反射和透射系数密切相关.无论裂缝的填充物是何物,裂缝的存在必然引起介质中声阻抗的变化,也就必然会引起反射波或散射波,因此就有可能被探测到( 古希浩等,2020).

4 结论

本文提出了一种井下三维散射声波远探测扫描成像方法及结合平面扫描和球面扫描的成像方法和实现方案,尤其强调充分利用携带丰富信息的散射波进行扫描反演和成像.利用薄铝板模拟井旁地层裂缝,开展了相关的水下测量物理模拟实验,设计了不同径向距离的单个模拟裂缝实验模型和不同方位的两个模拟裂缝实验模型,并采用新方法对物理模拟数据进行了处理和分析.模拟实验数据处理的结果表明,模拟裂缝径向距离、方位、轴向长度和倾角等参数的测量反演值与实际值基本一致,误差较小,与3D-STC和Beamforming方法相比,本文方法的方位定位曲线的3dB角宽明显减小,提高了裂缝方位定位的准确性.

三维散射声波远探测扫描成像测井方法能够对远离井眼几十米范围内的地层裂缝进行评价,识别井旁不同方位的多个地层裂缝,较准确地估计裂缝径向距离、方位、尺度、倾角和深度等参数.本文方法基于散射波进行裂缝评价,适用于反演不同形状、不同尺度尤其是小尺度的井旁裂缝;不必假设回波信号为平面波,同时适用于近场和远场情况;综合利用柱面阵接收器所接收回波的相似度、幅度和相位等特征信息,能够增加波形信息使用量、减小随机噪声和残余直达波的影响,有助于改善成像质量、提高反演的可靠性.可以预想,三维散射声波远探测扫描成像测井方法在对井旁小尺度裂缝的精细成像和压裂裂缝的空间展布评价等方面,相比较单纯利用携带有限信息的反射波进行成像具有不可比拟的优势,有望突破现有的井下反射声波测井成像技术的局限性,具有良好的应用前景.

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基金资助

国家自然科学基金项目(12274465;42174218)

中石油战略合作科技专项长庆专项(ZLZX2020-02)

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