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      頁(yè)巖油資源潛力預(yù)測(cè)方法探討:以三塘湖盆地馬朗凹陷蘆草溝組頁(yè)巖油為例

      2013-01-13 07:14:28柳波郭小波黃志龍涂小仙申英王瑞
      關(guān)鍵詞:含油率資源量含油

      柳波 ,郭小波,黃志龍,涂小仙,申英,王瑞

      (1.東北石油大學(xué) 非常規(guī)油氣成藏與開(kāi)發(fā)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,黑龍江 大慶,163318;2.中國(guó)石油大學(xué) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,102249;3.中國(guó)石油公司 吐哈油田分公司,新疆 哈密,839009)

      近年來(lái),世界常規(guī)油氣資源產(chǎn)量呈持續(xù)降低的趨勢(shì),而全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)原油需求又不斷增加,使非常規(guī)油氣資源的勘探和開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到各國(guó)關(guān)注[1]。國(guó)外最早認(rèn)知的非常規(guī)油氣為致密砂巖氣、深盆氣等“近源”致密儲(chǔ)層天然氣,以及煤層氣、頁(yè)巖氣等致密“源內(nèi)”天然氣,目前均已成為非常規(guī)天然氣勘探的重點(diǎn)領(lǐng)域[2?5]。近幾年,致密儲(chǔ)層油也獲得了規(guī)模開(kāi)采,例如,我國(guó)的深盆油、向斜油。北美頁(yè)巖油是目前又一熱點(diǎn)勘探領(lǐng)域,其中美國(guó)巴肯盆地頁(yè)巖油的勘探號(hào)稱“巨型油田革命”。由于烴源巖類型與熱演化程度等的不同,頁(yè)巖層系烴類產(chǎn)物為液態(tài),原油未經(jīng)過(guò)運(yùn)移或經(jīng)歷短距離初次運(yùn)移而滯留于泥頁(yè)巖層系中,經(jīng)壓裂改造后可直接獲得工業(yè)油流。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局按照油氣聚集規(guī)律分出常規(guī)油氣藏和連續(xù)油氣藏2個(gè)主要端元型油氣藏,有部分油氣藏可能同時(shí)兼具2種類型油氣藏的特征,屬于過(guò)渡型油氣藏[6]。我國(guó)也具有形成大規(guī)模頁(yè)巖油的地質(zhì)條件,本文作者研究靶區(qū)三塘湖盆地馬朗凹陷二疊系已完成頁(yè)巖油先導(dǎo)性水平井鉆探,壓裂試采段紋層泥頁(yè)巖油氣顯示級(jí)別高,獲得每日穩(wěn)產(chǎn)油4 m3、水20 m3左右的效果,勘探潛力巨大,然而頁(yè)巖油資源潛力預(yù)測(cè)方法尚不成熟,成為今后勘探急需解決的問(wèn)題。

      1 頁(yè)巖油資源潛力預(yù)測(cè)方法

      1.1 全石油系統(tǒng)評(píng)估單元

      目前,美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局“連續(xù)型”油氣資源評(píng)價(jià)采用全石油系統(tǒng)評(píng)估單元(TPS-AU)方法,取代了 1995年之前的成藏組合概念方法來(lái)估算尚未發(fā)現(xiàn)的油氣資源量[7],并使用FORSPAN模型進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]。TPS-AU的優(yōu)勢(shì)在于它主要針對(duì)“連續(xù)型”烴類流體系統(tǒng),將含氣范圍劃分成若干個(gè)評(píng)價(jià)單元,評(píng)估單元的劃分是建立在相似地質(zhì)單元和烴類聚集類型的基礎(chǔ)上[8?9]。頁(yè)巖油作為典型的“連續(xù)型”非常規(guī)油氣資源,采用全石油系統(tǒng)資源評(píng)價(jià)的地質(zhì)要素或評(píng)價(jià)圖件包括烴源巖性質(zhì)及空間展布,烴源巖生成油氣的賦存層位和分布,處在生油窗和生氣窗內(nèi)的源巖分布,具有生油氣潛力的烴源巖分布范圍,生烴能力最佳的烴源巖分布范圍等。在以此劃分的評(píng)價(jià)單元中,采用合適的方法進(jìn)行資源量預(yù)測(cè)。這些資源潛力預(yù)測(cè)的方法主要包括如下介紹的體積法、類比法及成因法。

      1.2 頁(yè)巖油資源潛力預(yù)測(cè)方法

      直接針對(duì)頁(yè)巖油的資源評(píng)價(jià)方法很少提出,雖然頁(yè)巖油與頁(yè)巖氣在形成與富集中具有一定的差異,但二者都屬典型的自生自儲(chǔ)式“連續(xù)型”油氣藏,因此可借鑒頁(yè)巖氣的資源評(píng)價(jià)方法。根據(jù)頁(yè)巖油形成與富集機(jī)理,調(diào)研國(guó)內(nèi)外常規(guī)油氣資源評(píng)價(jià)和頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)原理,認(rèn)為頁(yè)巖油資源潛力預(yù)測(cè)方法主要包括3大類:體積法,類比法和成因法[10?13]。

      (1) 體積法。由于體積法不依賴頁(yè)巖油井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)變化和原始生烴量,是勘探開(kāi)發(fā)前期或初期資源潛力預(yù)測(cè)的最好方法,也是頁(yè)巖氣資源量計(jì)算中最常用的方法。頁(yè)巖油在泥頁(yè)巖儲(chǔ)層中主要以游離態(tài)和吸附態(tài)賦存,由于油的性質(zhì)與天然氣不同的,吸附態(tài)的液態(tài)烴很難解吸,因此,頁(yè)巖油的含油性主要體現(xiàn)在游離烴的含量。由于頁(yè)巖油對(duì)溫度和壓力的敏感度比頁(yè)巖氣的要低,體積法計(jì)算資源量的參數(shù)選取和影響因素分析要相對(duì)簡(jiǎn)單。一般通過(guò)密閉取心,求得含油飽和度和孔隙度,根據(jù)有利區(qū)面積、厚度等參數(shù)即可求得頁(yè)巖油資源量。

      (2) 類比法。類比法資源量預(yù)測(cè)主要應(yīng)用在勘探開(kāi)發(fā)程度較低的盆地,通過(guò)與已成功開(kāi)發(fā)的地區(qū)對(duì)比,得出目的區(qū)頁(yè)巖油資源豐度,乘以對(duì)應(yīng)的有效面積,便可獲得目的區(qū)油氣資源量,是一種簡(jiǎn)單快速的資源評(píng)價(jià)方法。首先,通過(guò)盆地的大地構(gòu)造背景、盆地類型與規(guī)模、沉積層序特征等宏觀地質(zhì)條件,初選出相似的、已成功開(kāi)發(fā)的頁(yè)巖油盆地;然后根據(jù)目的區(qū)頁(yè)巖有機(jī)地球化學(xué)特征,如有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)質(zhì)成熟度、生烴演化史等,以及頁(yè)巖儲(chǔ)層物性、礦物組成、裂縫發(fā)育情況等源儲(chǔ)性能等特征,優(yōu)選出與目的區(qū)最相似的區(qū)域,進(jìn)而估算研究區(qū)頁(yè)巖油資源豐度情況,便可求得總的資源量。

      (3) 成因法。頁(yè)巖油是泥頁(yè)巖生成的、未排運(yùn)出烴源巖的滯留油,在常規(guī)油資源評(píng)價(jià)中作為損失量考慮。成因法適用于常規(guī)油勘探開(kāi)發(fā)較成熟的盆地,當(dāng)常規(guī)油資源量或地質(zhì)儲(chǔ)量已知時(shí),通過(guò)盆地模擬法可獲得盆地內(nèi)泥頁(yè)巖總的生油量,假定其他非常規(guī)油資源量和其他因素造成的液態(tài)烴損失可以忽略時(shí),盆地內(nèi)頁(yè)巖油資源量約為總的生油量與常規(guī)油資源量之差[14]。

      在我國(guó)乃至全球范圍內(nèi)頁(yè)巖油勘探開(kāi)發(fā)剛起步的實(shí)際情況下,認(rèn)為以全石油系統(tǒng)評(píng)估單元(TPS-AU)為基礎(chǔ),體積法是最佳的頁(yè)巖油資源量計(jì)算方法。下面以新疆三塘湖盆地二疊系蘆草溝組為例,進(jìn)行頁(yè)巖油資源評(píng)價(jià)和區(qū)帶優(yōu)選分析。

      2 研究區(qū)頁(yè)巖油勘探概況

      三塘湖盆地位于新疆維吾爾自治區(qū)東北部,行政屬于巴里坤哈薩克自治縣和伊吾縣境內(nèi),北與蒙古國(guó)接壤,向北東方向延伸出境。盆地北西-南東向呈帶狀展布,長(zhǎng)約 500 km,寬 40~70 km[15],面積約為2.3×104km2,地理上為山間盆地,位于阿爾泰褶皺系與北天山褶皺系之間,盆地走向與現(xiàn)今構(gòu)造走向基本一致。在區(qū)域大地構(gòu)造位置上,三塘湖盆地位于西伯利亞板塊南緣,南鄰?fù)鹿璧?,西鄰?zhǔn)噶爾盆地,在地史時(shí)期整體屬于大陸邊緣活動(dòng)帶,是在早古生代基底上發(fā)展起來(lái)的疊合盆地[16]。

      露頭及鉆井揭示,三塘湖盆地馬朗凹陷蓋層最大厚度6 500 m。現(xiàn)今殘留的二疊系蘆草溝組分布于馬朗-條湖凹陷的西南部,東北部地層在印支運(yùn)動(dòng)時(shí)遭受剝蝕,其原始沉積范圍比現(xiàn)在大。原始陸源輸入較少,地層巖性主要由形成于沉積水體能量較低的碳酸鹽巖和暗色泥巖組成,基質(zhì)孔隙發(fā)育程度較差,有機(jī)質(zhì)含量高,是盆地中淺層成藏體系的主力烴源巖層。馬朗凹陷二疊系蘆草溝組泥頁(yè)巖為優(yōu)質(zhì)烴源巖,有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wOC)分布于 0~18%,絕大多數(shù)樣品wOC介于1%~8%,多數(shù)樣品生烴潛量(S1+S2)大于4 mg/g,氯仿瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wA)大于 0.1%。鏡質(zhì)體反射率(Ro)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分布在0.5%~0.9%范圍內(nèi),少部分樣品的Ro實(shí)測(cè)值超過(guò)0.9%,總體成熟度較低;處于低熟-成熟階段早期;其孔隙度普遍小于 8%,滲透率低于0.05×10?3μm2,屬于致密儲(chǔ)層。圖1所示為馬朗凹陷二疊系試油段泥頁(yè)巖含油特征。表1所示為蘆草溝組產(chǎn)油層烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度參數(shù)。泥頁(yè)巖頁(yè)理不發(fā)育,多見(jiàn)水平紋層,基質(zhì)孔隙雖小,但仍然是油氣儲(chǔ)集的主要空間(見(jiàn)圖1),油氣自生自儲(chǔ),烴源巖層即是極好的產(chǎn)油層(見(jiàn) 表1)。

      圖1 馬朗凹陷二疊系試油段泥頁(yè)巖含油特征Fig.1 Oiliness characteristic of P2l test formation in Malang sag

      表1 蘆草溝組產(chǎn)油層烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度參數(shù)Table 1 Source rock evaluation of Lucaogou oil producing formation

      3 頁(yè)巖油資源潛力預(yù)測(cè)與區(qū)帶評(píng)價(jià)

      3.1 全石油系統(tǒng)評(píng)估單元?jiǎng)澐?/h3>

      根據(jù)已有烴源巖綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,首先根據(jù)烴源巖總有機(jī)碳含量(以 4%為界)將烴源巖分為高豐度烴源巖和低豐度烴源巖;其次利用現(xiàn)有烴源巖熱解數(shù)據(jù)、可溶有機(jī)質(zhì)地球化學(xué)參數(shù)隨深度的演化規(guī)律,將烴源巖劃分為未成熟、低成熟、成熟早期及成熟4個(gè)熱演化階段。其中,未成熟段(Ro<0.5%);低成熟段(Ro為0.5%~0.7%),烴源巖生成少量油氣;成熟段早期(Ro為0.7%~0.8%),對(duì)應(yīng)生烴高峰;成熟段(Ro>0.8%),烴源巖生成的油氣量開(kāi)始降低;低成熟和成熟早期階段在升藿烷 22S/(22S+22R)成熟演化參數(shù)隨深度變化關(guān)系中,存在明顯變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)。平面上,馬朗凹陷二疊系蘆草溝組烴源巖有利相帶劃分為5個(gè)等級(jí),分別對(duì)應(yīng)高豐度成熟早期源巖區(qū)、高豐度低熟源巖區(qū)、高豐度成熟源巖區(qū)、低豐度成熟早期源巖區(qū)及低豐度未成熟源巖區(qū)。由于低豐度未熟源巖區(qū)不具備生烴能力,故不作考慮,可將烴源巖綜合評(píng)價(jià)的優(yōu)劣進(jìn)行排序:高豐度成熟早期,高豐度低成熟,高豐度成熟,低豐度成熟早期。

      根據(jù)儲(chǔ)層物性結(jié)果建立了 4級(jí)儲(chǔ)集物性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)?;屹|(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)泥巖和泥質(zhì)白云巖等過(guò)渡類型的巖性,不但物性最好(孔隙度為6%~8%),裂縫最為發(fā)育,也是較好的烴源巖,為本區(qū)最為有利巖性,為Ⅰ類儲(chǔ)層;泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)泥巖雖然生烴能力較強(qiáng),但是物性不如Ⅰ類儲(chǔ)層好,孔隙度為4%~7%,為Ⅱ類儲(chǔ)層;較純的碳酸鹽巖為非烴源巖,受酸性流體改造程度小,物性差,孔隙度為1%~6%,為Ⅲ類儲(chǔ)層;凝灰?guī)r物性最差,平面上距烴源巖較遠(yuǎn),孔隙度為 1%~4%,裂縫不發(fā)育,為Ⅳ類儲(chǔ)層。

      根據(jù)源儲(chǔ)條件綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,由于低豐度未熟源巖區(qū)不具備生烴能力,故不作考慮,可以將預(yù)測(cè)單元?jiǎng)澐譃?大類,見(jiàn)圖2。每一類預(yù)測(cè)單元具有相似的地質(zhì)條件,無(wú)井區(qū)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)選取同一單元內(nèi)的鉆井?dāng)?shù)據(jù)。頁(yè)巖油的富集需要同時(shí)具備較好的源儲(chǔ)條件,在不考慮同生斷裂的影響下,對(duì)馬朗凹陷進(jìn)行預(yù)測(cè)單元?jiǎng)澐?,?jiàn)圖3。

      圖2 預(yù)測(cè)單元?jiǎng)澐謽?biāo)準(zhǔn)Fig.2 Graduation criterion of forecasting units

      圖3 馬朗凹陷頁(yè)巖油預(yù)測(cè)單元?jiǎng)澐謭DFig.3 Graduation of forecasting units of source oil in Malang sag

      3.2 資源預(yù)測(cè)參數(shù)的選取

      含油飽和度是體積法計(jì)算油氣資源量的主要參數(shù)之一,也是評(píng)價(jià)儲(chǔ)層含油性的傳統(tǒng)指標(biāo),含油飽和度越高油層質(zhì)量也就越好。圖4所示為對(duì)馬朗凹陷同一口井、不同儲(chǔ)層物性與含油飽和度關(guān)系。儲(chǔ)層密閉取資料分析顯示,常規(guī)砂巖儲(chǔ)層含油飽和度與孔隙度呈正比(圖4(a)),而頁(yè)巖油儲(chǔ)層二者關(guān)系較復(fù)雜,整體呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖 4(b))。這是由于頁(yè)巖油與常規(guī)油成藏機(jī)理的差異造成的,傳統(tǒng)的含油飽和度評(píng)價(jià)頁(yè)巖油儲(chǔ)層含油性已不再適用,因此提出新評(píng)價(jià)指標(biāo)“含油率(Po)”,即巖石中所含油的體積分?jǐn)?shù);此時(shí),孔隙度與含油率成正比,圖5所示為孔隙度與含油率的關(guān)系。需要說(shuō)明的是,目前現(xiàn)場(chǎng)解析與密閉取心數(shù)據(jù)較少,本次資源量預(yù)測(cè)所用含油率為巖心密閉取心實(shí)驗(yàn)分析孔隙度與含油飽和度相乘所得。

      根據(jù)目前的開(kāi)采技術(shù),從泥頁(yè)巖試油結(jié)果與含油率的相關(guān)關(guān)系可以看出:含油率大于1.5%時(shí),試油結(jié)果為油層、差油層;含油率小于1.5%時(shí),試油結(jié)果為干層(圖5)。含油率、含油飽和度和孔隙度三者的關(guān)系見(jiàn)圖 6??芍焊吆吐蕯?shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)著每級(jí)孔隙度最高的含油飽和度。因此以含油率為 1.5%作為劃分油氣以現(xiàn)今技術(shù)水平是否可采出的標(biāo)準(zhǔn)。

      圖4 儲(chǔ)層物性與含油飽和度的關(guān)系Fig.4 Relationships between reservoir properties and oil saturation

      圖5 孔隙度與含油率的關(guān)系Fig.5 Relationships between porosity and oil ratio

      圖6 含油率與孔隙度、含油飽和度的關(guān)系Fig.6 Relationships between porosity, oil saturation and oil ratio

      圖7 各評(píng)價(jià)單元平均含油率與深度的關(guān)系Fig.7 Relationships between oil ratio and depth of each forecasting area

      含油率是與源儲(chǔ)條件具有相關(guān)關(guān)系的參數(shù)。在實(shí)際鉆井中,巖性以毫米級(jí)頻互層,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在同一深度段變化較大,但數(shù)值仍相對(duì)集中。將各區(qū)帶鉆井含油率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別在同一深度范圍內(nèi)求取統(tǒng)計(jì)平均值,并作出與深度的擬合關(guān)系,見(jiàn)圖 7。分別計(jì)算出含油率大于1.5%的A類、B類、C類的潛在資源量。

      D類評(píng)價(jià)單元的兩口探井僅在鉆井過(guò)程中有熒光級(jí)別的油氣顯示,含油率低于1.5%,目前的技術(shù)水平尚無(wú)法開(kāi)采,賦予其Po值為實(shí)測(cè)點(diǎn)算術(shù)統(tǒng)計(jì)平均值1.12%。由于頁(yè)巖油儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間形成影響因素的復(fù)雜性和泥頁(yè)巖生烴能力的差異性等,研究區(qū)含油率與深度之間呈現(xiàn)上述3種不同的相關(guān)關(guān)系。表2所示為馬朗凹陷源巖油預(yù)測(cè)資源量。通過(guò)體積法計(jì)算結(jié)果表明,馬朗凹陷蘆草溝組源內(nèi)資源量為2.74×108t,目前開(kāi)采工藝下(含油率大于 1.5%)儲(chǔ)量規(guī)模為1.76×108t(表 2)。

      表2 馬朗凹陷源巖油預(yù)測(cè)資源量Table 2 Forecasting resource of source rock oil in Malang sag

      3.3 區(qū)帶評(píng)價(jià)

      “連續(xù)型”非常規(guī)油氣資源有利區(qū)帶的優(yōu)選方法與常規(guī)油氣資源不同。常規(guī)油氣資源是在綜合評(píng)價(jià)生、儲(chǔ)、蓋的基礎(chǔ)上,研究油氣運(yùn)聚規(guī)律,尋找有利圈閉。而“連續(xù)型”勘探區(qū)帶預(yù)測(cè)是在多因素綜合分析的基礎(chǔ)上,將各因素平面評(píng)價(jià)圖件進(jìn)行疊合,這些因素評(píng)價(jià)圖包括沉積相圖、厚度等值線圖、成熟度圖、TOC等值線圖、埋深圖、地溫圖及物性評(píng)價(jià)圖。從疊合圖得到的具備最多富集地質(zhì)條件的部位就是有利的勘探目標(biāo)區(qū)。

      結(jié)合本區(qū)頁(yè)巖油形成機(jī)制與富集機(jī)理,提出頁(yè)巖油富集需要具備5個(gè)條件:(1) 源巖總有機(jī)碳(wOC)含量大于4%,累計(jì)厚度大于40 m;(2) 埋深為1 800~2 900 m,成熟度(Ro)在0.55%~0.75%之間;(3) 巖石脆性高,而且脆性巖石與泥巖互層;(4) 有利的巖相古地理?xiàng)l件,半深湖-深湖環(huán)境下的泥巖、灰質(zhì)(云質(zhì))泥巖較多;(5) 強(qiáng)輸導(dǎo)油源斷裂較少。將上述各條件進(jìn)行綜合考慮,提出3個(gè)有利的勘探區(qū)帶,見(jiàn)圖8。

      這3個(gè)勘探區(qū)帶均處在源巖厚度較大、wOC較高的區(qū)域,烴源巖演化處于主生烴帶,能夠生成大量的液態(tài)烴。沉積相帶有利,主要為半深湖相,沉積了灰質(zhì)泥巖、云質(zhì)泥巖等碳酸鹽巖和泥巖的過(guò)渡巖性,源儲(chǔ)條件優(yōu)越。此外,處于相同地質(zhì)條件的牛圈湖地區(qū)和馬中地區(qū)均已提交儲(chǔ)量,更加說(shuō)明了該區(qū)具有極大的勘探潛力。表3所示為馬朗凹陷蘆草溝組二段區(qū)帶預(yù)測(cè)基本特征。根據(jù)頁(yè)巖油資源預(yù)測(cè)結(jié)果,牛圈湖東面積為32.47 km2,區(qū)帶資源量為1 400.05×104t;馬中南面積為61.18 km2,區(qū)帶資源量為1 625.71×104t;牛圈湖北面積為 25.73 km2,區(qū)帶資源量為1 505.03×104t。合計(jì)區(qū)帶面積為119.38 km2,資源量為4 530.79×104t,見(jiàn)表3。

      圖8 馬朗凹陷蘆草溝組二段源巖油有利區(qū)帶分布預(yù)測(cè)Fig.8 Optimise of profitable range of P2l2 source rock oil in Malang sag

      表3 馬朗凹陷蘆草溝組二段區(qū)帶預(yù)測(cè)基本特征Table 3 Essential characteristic of forecasting areas of P2l2 in Malang sag

      4 結(jié)論

      (1) 含油率(Po)即巖石中所含油的體積分?jǐn)?shù),用以評(píng)價(jià)頁(yè)巖油的資源潛力比含油飽和度更符合頁(yè)巖油的地質(zhì)條件。

      (2) 根據(jù)富油層位的生烴潛力和儲(chǔ)集性能評(píng)價(jià)劃分預(yù)測(cè)單元,通過(guò)已有鉆井?dāng)?shù)據(jù)建立各評(píng)價(jià)單元含油率的相關(guān)關(guān)系,以此預(yù)測(cè)全區(qū)“連續(xù)型”頁(yè)巖油資源潛力的方法具有較好的可行性。

      (3) 目前非常規(guī)油氣資源評(píng)價(jià),在國(guó)內(nèi)還處于起步階段,在井?dāng)?shù)量足夠多的前提下,通過(guò)計(jì)算機(jī)將研究區(qū)劃分成更為細(xì)致的評(píng)價(jià)單元,可以大大提高資源潛力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

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