摘 要:探討了煤層氣的開(kāi)采方式,煤層氣田地面集輸流程,我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及前景;頁(yè)巖氣的鉆井技術(shù)、水力壓裂技術(shù),我國(guó)頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)利用情況;天然氣水合物的形成條件、開(kāi)采方法、開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn),國(guó)內(nèi)外天然氣水合物的勘探開(kāi)發(fā)和利用情況。
關(guān)鍵詞:非常規(guī)天然氣; 煤層氣; 頁(yè)巖氣; 天然氣水合物; 開(kāi)發(fā)
Development and Utilization of Unconventional Natural Gas
Abstract:The following three types of unconventional gases are discussed:①the exploitation ways of coal-bed methane,surface gathering process in coal-bed methane field and development and utilization status and prospects of coal-bed methane in China;②the shale gas drilling technology,hydraulic fracturing technology and development and utilization of shale gas in China;and③the natural gas hydrate formation conditions,exploitation methods,exploitation risk and exploration,development and utilization of natural gas hydrate at home and abroad.
Keywords:unconventional natural gas;coal-bed methane;shale gas;natural gas hydrate;development
1 概述
天然氣是清潔能源和重要的化工原料,在人們的生活和工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛地應(yīng)用,是目前我國(guó)供給城鄉(xiāng)居民生活的主要清潔燃料。
但地球上氣田產(chǎn)的常規(guī)天然氣資源被大量消耗,預(yù)計(jì)在幾十年后將逐漸枯竭。地球上藏儲(chǔ)于其他構(gòu)造的煤層氣、頁(yè)巖氣、天然氣水合物等非常規(guī)天然氣早在上世紀(jì)已引起人們的注意,開(kāi)始調(diào)查、勘察、開(kāi)發(fā),至今已取得了階段性成果。
2 煤層氣
煤層氣是以甲烷為主要成分的烴類(lèi)氣體,藏儲(chǔ)在煤層中,以吸附在煤體表面為主,部分游離于煤層孔隙中或溶解于煤層水中。煤層氣是煤的伴生礦產(chǎn)資源,屬非常規(guī)天然氣,是近20年崛起的潔凈優(yōu)質(zhì)能源和化工原料。
根據(jù)開(kāi)采方式的不同,可將煤層氣分為煤礦采煤過(guò)程中抽采的煤層氣和地面鉆井開(kāi)采的煤層氣兩種。
2.1 煤礦采煤過(guò)程中抽采的煤層氣
煤礦采煤過(guò)程中抽采的煤層氣主要是為了保證煤礦安全生產(chǎn)而抽出的,是在煤炭開(kāi)采中和開(kāi)采后從煤體及圍巖中抽取的煤層氣,這種煤層氣由于混入大量空氣致使煤層氣稀釋?zhuān)卜Q(chēng)含氧煤層氣或礦井氣,其甲烷含量較低,甲烷體積分?jǐn)?shù)一般在30%以下,其他成分主要為烴類(lèi)氣體和N2,O2,CO2等。
煤礦井下煤層氣抽采鉆孔分為頂板高位鉆孔、沿煤層(順層)鉆孔和穿層鉆孔3類(lèi)。實(shí)際施工過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)礦井地質(zhì)條件、煤層氣含量、抽采方式、井下工作條件、設(shè)備能力等因素,綜合考慮確定合理的煤層氣抽采鉆孔形式。
作為燃料或化工原料利用均要求提高甲烷含量,一般要求甲烷體積分?jǐn)?shù)在90%以上。因此,對(duì)于井下抽采的低濃度煤層氣,還需要進(jìn)行脫氧和甲烷濃縮處理。
目前甲烷濃縮技術(shù)主要有低溫精餾技術(shù)、變壓吸附技術(shù)、水合物法等,這些技術(shù)均不同程度存在一些缺點(diǎn),有待進(jìn)一步深入研究。
2.2 地面鉆井開(kāi)采的煤層氣
地面鉆井開(kāi)采的煤層氣是在采煤之前利用地面井開(kāi)采出的煤層氣,其特點(diǎn)是甲烷含量高,一般體積分?jǐn)?shù)不小于90%,并且開(kāi)采規(guī)模大,產(chǎn)量穩(wěn)定,煤層氣采出后經(jīng)脫水等處理后達(dá)到民用氣標(biāo)準(zhǔn)后即可直接通過(guò)煤層氣管道輸往用戶(hù)。
地面鉆井開(kāi)采的煤層氣具有低壓(0.2~0.5MPa)、低產(chǎn)量(2500~5000m3/d)的特點(diǎn),致使煤層氣田采氣井?dāng)?shù)量多,管網(wǎng)密集。經(jīng)過(guò)多年的生產(chǎn)實(shí)踐,我國(guó)已經(jīng)形成分片集輸、低壓集輸、單井計(jì)量、多井串接、集中增壓、集中凈化處理的煤層氣田集輸工藝技術(shù)。
地面鉆井開(kāi)采的煤層氣若直接排放到大氣中,因甲烷產(chǎn)生的溫室效應(yīng)約為二氧化碳的20倍以上,對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞性極強(qiáng)。如果煤礦在采煤之前先開(kāi)采煤層氣,煤礦開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生爆炸概率將降低70%~85%。
2.2.1地面鉆井開(kāi)采的煤層氣集輸技術(shù)[1]
煤層氣相對(duì)天然氣,氣體組成較簡(jiǎn)單,井口壓力較低,因此地面集輸工藝較簡(jiǎn)單,一般為“井場(chǎng)~采氣管道一集氣站一集氣管道一處理廠(chǎng)一輸氣管網(wǎng)”的工藝流程。
①井場(chǎng)流程
井口采用抽油機(jī)將儲(chǔ)層的水采出,氣水分離器將水中帶出的氣體分離后,污水排至井場(chǎng)水池中。煤層氣解吸后由套管采出,0.2~0.5MPa煤層氣經(jīng)采氣井口采出后,與氣水分離器分離出的氣體混合,通過(guò)氣液分離和計(jì)量,經(jīng)采氣管道輸至集氣站。
②集氣站流程
各井口來(lái)的煤層氣進(jìn)入集氣站,經(jīng)氣液分離后,氣體進(jìn)入壓縮機(jī)組增壓,經(jīng)冷卻、氣液分離、計(jì)量后,進(jìn)入集氣管道輸往處理廠(chǎng)。分離出的污水進(jìn)入排污池,排污池設(shè)有放空管,污水中殘留的氣體經(jīng)放空管引至安全處放空。一般煤層氣進(jìn)入集氣站的壓力很低,常常低于0.1MPa,在集氣站需進(jìn)行兩到三級(jí)壓縮,出口壓力需根據(jù)最終的外輸壓力綜合考慮而定,一般為4.0~6.3MPa。
③處理廠(chǎng)流程
煤層氣從各集氣站經(jīng)集氣管道進(jìn)入處理廠(chǎng),經(jīng)過(guò)濾、氣液分離、增壓和深度脫水處理后,氣質(zhì)符合GB 17820—2012《天然氣》Ⅱ級(jí)氣要求后進(jìn)入外輸管道。
④壓縮機(jī)選型
壓縮機(jī)是煤層氣地面生產(chǎn)系統(tǒng)的主要設(shè)備之一,由于煤層氣氣量較小,流量波動(dòng)較大,且壓縮比較高,因此選用往復(fù)式壓縮機(jī)比較合適。
壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式可以采用電動(dòng)機(jī)或燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),兩者在技術(shù)上都可以滿(mǎn)足輸送工況的要求。驅(qū)動(dòng)方式的選擇應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)后確定。
2.2.2煤層氣集輸管網(wǎng)
煤層氣田的低產(chǎn)量、低壓特點(diǎn)導(dǎo)致煤層氣田單位產(chǎn)能需要建設(shè)的采氣井?dāng)?shù)量多,井網(wǎng)密集,整個(gè)氣田處于低壓生產(chǎn)狀態(tài)。其管網(wǎng)形式主要與氣田地形地貌、井位布置、集輸半徑、集氣站規(guī)模以及所在地區(qū)的交通、環(huán)境等因素有關(guān)。煤層氣地面集輸管網(wǎng)的形式主要可分為枝狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)。實(shí)際工程中,煤層氣集輸管網(wǎng)類(lèi)型并不是單一類(lèi)型,而常常是兩種管網(wǎng)形式的組合。
2.3 我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及前景
我國(guó)煤層氣氣源分散、產(chǎn)量低,未進(jìn)行煤層氣利用的礦井氣以前主要采用點(diǎn)火放空。煤層氣的開(kāi)發(fā)利用可減少煤礦生產(chǎn)過(guò)程中瓦斯事故,可有效減排溫室氣體,產(chǎn)生良好的環(huán)保效益。煤層氣作為一種高效、潔凈能源和重要的化工原料,具有巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
我國(guó)利用采煤過(guò)程中抽采的低濃度煤層氣發(fā)電技術(shù)研究取得很好成果,某煤業(yè)集團(tuán)總裝機(jī)容量為12×104kW的瓦斯發(fā)電廠(chǎng),年利用低濃度煤層氣1.8×108m3/a。
我國(guó)煤層氣的勘探、開(kāi)發(fā)近幾年取得了實(shí)質(zhì)性成果,估計(jì)埋深小于2000m的煤層氣資源量約為34.5×1012m3,這部分資源可通過(guò)現(xiàn)有的勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)加以利用;埋深在2000—4000m范圍的煤層氣資源量約為50×1012m3,這部分資源開(kāi)發(fā)技術(shù)有待進(jìn)一步研究提高。
3 頁(yè)巖氣
頁(yè)巖氣主要成分是甲烷。頁(yè)巖層中的頁(yè)巖氣,主要以吸附或游離狀態(tài)存在于泥巖、高碳泥巖、頁(yè)巖及粉砂質(zhì)巖類(lèi)夾層中。頁(yè)巖氣藏的儲(chǔ)層一般呈低孔隙度、低滲透率的物性特征,氣流的阻力比氣田天然氣大,所有的井都需要實(shí)施儲(chǔ)層壓裂改造才能開(kāi)采出來(lái)。
頁(yè)巖氣開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)包括:水平鉆井、水力壓裂、隨鉆測(cè)井、地質(zhì)導(dǎo)向鉆井、微地震檢測(cè)等,其中水平鉆井和水力壓裂技術(shù)是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)[2]。
3.1 頁(yè)巖氣井鉆井技術(shù)
頁(yè)巖是由粒徑小于0.39mm的細(xì)粒碎屑、黏土、有機(jī)質(zhì)等組成。頁(yè)巖氣的頁(yè)巖層通過(guò)壓裂,讓儲(chǔ)存其中的頁(yè)巖氣流通,最終匯集并輸送到地面。
頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)由直井和水平井組成,直井打到含氣層,水平井用作采氣,水平井可以獲得更大的儲(chǔ)層泄流面積,提高頁(yè)巖氣的產(chǎn)量。
頁(yè)巖氣在頁(yè)巖中并不能遠(yuǎn)距離大規(guī)模地流動(dòng),如果只垂直打一口井到地下,將只有該井附近少量的氣體采出,開(kāi)采出來(lái)的頁(yè)巖氣將非常有限。要大規(guī)模開(kāi)采,需要打很多井,同時(shí)還需要打水平井,垂直井打到含氣層后,再沿含氣層水平方向掘進(jìn),保證更多的氣體匯集。開(kāi)采頁(yè)巖氣所需建設(shè)的采氣井,大約是常規(guī)天然氣開(kāi)采密度的10倍以上,才能滿(mǎn)足正常開(kāi)發(fā)需求。頁(yè)巖氣開(kāi)采還需要將頁(yè)巖氣層壓裂,釋放出氣體實(shí)現(xiàn)開(kāi)采,其鉆井的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通天然氣井。要在3000m以下的地下壓裂頁(yè)巖層,最少需要100MPa的壓力,有時(shí)達(dá)到l00~300MPa才能壓裂。對(duì)巖層的壓裂,是采用以泥漿為主的液體即壓裂液注入井下,再采用專(zhuān)業(yè)技術(shù)將巖層壓裂。
埋深小于3000m的頁(yè)巖氣藏相對(duì)較少,部分頁(yè)巖氣藏埋深超過(guò)5000m;如果頁(yè)巖氣埋深達(dá)到5000~6000m,鉆井會(huì)存在困難。
3.2 水力壓裂技術(shù)
頁(yè)巖氣井鉆井完成后,90%以上的井需要經(jīng)過(guò)水力壓裂等儲(chǔ)層改造措施后才能獲得比較理想的產(chǎn)量。水力壓裂是目前用于頁(yè)巖儲(chǔ)層改造的主要技術(shù),它需要100~300MPa的壓力。
水力壓裂會(huì)消耗大量的水資源。每口頁(yè)巖氣井需耗費(fèi)約10000~15000m3的水才能使頁(yè)巖斷裂。
頁(yè)巖氣井一般初期產(chǎn)量較高,但遞減速度快,可能在低產(chǎn)量階段維持很長(zhǎng)時(shí)間。頁(yè)巖氣田開(kāi)采壽命一般可達(dá)30~50a。
3.3 我國(guó)的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)利用情況
我國(guó)頁(yè)巖氣井較深,單井產(chǎn)量低;氣藏分布區(qū)域廣,前期投資大,成本高。我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)還有很多工作要做:資源進(jìn)一步探明;采用新技術(shù)降低鉆井成本;解決水力壓裂的壓力高、用水量大的問(wèn)題。
我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)呈現(xiàn)積極發(fā)展的態(tài)勢(shì),開(kāi)展了頁(yè)巖氣先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)建設(shè)。設(shè)置以海相地層為主的頁(yè)巖氣資源調(diào)查先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)。在陸相和海陸交互地層為主的北方重點(diǎn)區(qū)開(kāi)展頁(yè)巖氣資源前期調(diào)查研究。開(kāi)展了大量頁(yè)巖氣老井試氣和鉆探評(píng)價(jià)工作,加快了四川、山西沁陽(yáng)、鄂爾多斯等地頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)。
近幾年,國(guó)內(nèi)開(kāi)展的系列勘探調(diào)研,查明頁(yè)巖氣資源分布及頁(yè)巖氣富集區(qū),制定頁(yè)巖氣十二五發(fā)展規(guī)劃,引進(jìn)國(guó)外頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù),建造頁(yè)巖氣裝備開(kāi)發(fā)制造服務(wù)基地,加強(qiáng)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境影響的評(píng)估。
4 天然氣水合物
天然氣水合物俗稱(chēng)可燃冰,是天然氣與水在高壓低溫條件下形成的冰狀結(jié)晶物。分布于深海沉積物或陸域的永久凍土中,因其外觀(guān)像冰而且遇火即可燃燒,所以被稱(chēng)作“可燃冰”、“固體瓦斯”、“氣冰”等。天然氣水合物里甲烷摩爾分?jǐn)?shù)為80%~99.9%,可直接點(diǎn)燃,燃燒后幾乎不產(chǎn)生任何殘?jiān)廴颈让?、石油都小得多?span lang="EN-US">1m3天然氣水合物可轉(zhuǎn)化為164m3的天然氣和0.8m3的水。
4.1 天然氣水合物的形成條件
①低溫。天然氣水合物在0~10℃時(shí)生成,超過(guò)20℃會(huì)分解。海底溫度一般保持在2~4℃左右。
②高壓。天然氣水合物在0℃時(shí),只需3MPa即可生成。以海洋的深度,3MPa很容易保證,并且氣壓越大,水合物就越不容易分解。
③充足的氣源。海底的有機(jī)物沉淀,其中豐富的碳經(jīng)過(guò)生物轉(zhuǎn)化,可產(chǎn)生充足的以甲烷為主的天然氣源。海底的地層是多孔介質(zhì),在溫度、壓力、氣源三者都具備的條件下,天然氣水合物晶體就會(huì)在介質(zhì)的空隙間生成。
天然氣水合物是天然氣分子(烷類(lèi))被包進(jìn)水分子中,在海底低溫與壓力下結(jié)晶形成的。它可用mCH4·nH2O來(lái)表示,m代表水合物中的甲烷氣體分子數(shù),n為水分子數(shù)(也就是水合指數(shù))。組成天然氣的組分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成單種或多種天然氣水合物。形成天然氣水合物的主要?dú)怏w為甲烷,對(duì)甲烷摩爾分?jǐn)?shù)超過(guò)99%的天然氣水合物通常稱(chēng)為甲烷水合物(Methane Hydrate)。
4.2 天然氣水合物的開(kāi)采方法
①熱激開(kāi)采法
直接對(duì)天然氣水合物儲(chǔ)層進(jìn)行加熱,可以利用直接注入熱流體、井下電磁加熱以及微波加熱等方法,使天然氣水合物儲(chǔ)層的溫度超過(guò)其平衡溫度,從而促使天然氣水合物分解為水與天然氣。這種方法尚不成熟,有待進(jìn)一步研究。
②減壓開(kāi)采法
減壓開(kāi)采法是通過(guò)降低天然氣水合物儲(chǔ)層的壓力,破壞天然氣水合物儲(chǔ)層的構(gòu)成條件促使其分解的方法,即先在冰層中打許多很深的孔,然后借助大量抽取冰層中孔洞的水來(lái)降低重壓,從而讓甲烷氣體分離出來(lái),慢慢浮至便于提取的深度。這種方法開(kāi)采的難點(diǎn)是保證井底穩(wěn)定,使甲烷氣體不泄漏,也有待進(jìn)一步研究。
③注入天然氣水合物抑制劑開(kāi)采法
通過(guò)向天然氣水合物儲(chǔ)層中注入某些抑制劑,如鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等,破壞天然氣水合物的相平衡條件,促使天然氣水合物分解。這種方法所需的化學(xué)試劑費(fèi)用昂貴,對(duì)天然氣水合物儲(chǔ)層的作用緩慢,而且還會(huì)帶來(lái)一些環(huán)境問(wèn)題。因此,對(duì)這種方法投入的研究相對(duì)較少。
④CO2置換開(kāi)采法
在一定的溫度條件下和某一特定的壓力范圍內(nèi),如果向天然氣水合物內(nèi)注入CO2氣體,因天然氣水合物保持穩(wěn)定需要的壓力比CO2水合物更高,所以天然氣水合物就會(huì)分解。CO2氣體與天然氣水合物分解出的水生成CO2水合物。這種作用釋放出的熱量可使天然氣水合物的分解反應(yīng)得以持續(xù)地進(jìn)行下去。這種方法有可能在2018年實(shí)現(xiàn)工業(yè)性開(kāi)采試驗(yàn)。
⑤混合開(kāi)采法
首先將天然氣水合物以固體狀態(tài)從天然氣水合物儲(chǔ)層中輸送到海床上,減壓后分解,將這種混有氣、液、固體水合物的混合泥漿送到海面作業(yè)船或生產(chǎn)平臺(tái),利用海面海水熱量使天然氣水合物徹底分解,從而獲取天然氣。
4.3 天然氣水合物的開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)
甲烷是強(qiáng)溫室效應(yīng)氣體,天然氣水合物開(kāi)采過(guò)程中如果不能很好地對(duì)甲烷氣體進(jìn)行控制,就必然會(huì)加劇全球溫室效應(yīng)。
天然氣水合物分解后,進(jìn)入海水中會(huì)影響海洋生態(tài)。甲烷進(jìn)入海水后發(fā)生較快的微生物氧化作用,消耗海水中大量的氧氣,使海洋形成缺氧環(huán)境,從而對(duì)海洋微生物的生長(zhǎng)發(fā)育帶來(lái)危害。
進(jìn)入海水中的甲烷量如果特別大,還可能造成海水氣化和海嘯,甚至?xí)a(chǎn)生海水動(dòng)蕩和氣流負(fù)壓卷吸作用,嚴(yán)重危害海面作業(yè)甚至海域航空作業(yè)。
開(kāi)采過(guò)程中天然氣水合物的分解,使固結(jié)在海底沉積物中的甲烷氣體從水合物中釋放出,會(huì)改變沉積物的物理性質(zhì),極大地降低海底沉積物的力學(xué)特性,使海底軟化,出現(xiàn)大規(guī)模的海底滑坡,毀壞海底工程設(shè)施,如海底電纜、海洋石油鉆井平臺(tái)等。
開(kāi)采天然氣水合物時(shí)最大的難點(diǎn)是保持井底穩(wěn)定,使甲烷氣體不泄漏。為了采集天然氣水合物,很多國(guó)家都在勘探和研究開(kāi)采方式,科學(xué)家認(rèn)為,一旦天然氣水合物開(kāi)采技術(shù)成熟,它將成為下一世紀(jì)的主要能源。
4.4 天然氣水合物的勘探開(kāi)發(fā)和利用情況
天然氣水合物在自然界分布非常廣泛,海底的大陸架和北極等地的永久凍土帶都有可能存在天然氣水合物。
固體狀的天然氣水合物往往分布于水深大于300m的海底沉積物或寒冷的永久凍土中。海底天然氣水合物依賴(lài)深水層的壓力來(lái)維持其固體狀態(tài),其分布可以從海底到海底之下1000m的范圍以?xún)?nèi),再往深處則由于地溫升高其固體狀態(tài)遭到破壞而難以存在。
天然氣水合物的密度接近并稍低于冰的密度,在大陸巖石內(nèi)的甲烷水合物會(huì)受限在深度大于800m的砂巖或粉砂巖巖床中。
天然氣水合物主要儲(chǔ)存于海底或寒冷地區(qū)的永久凍土帶,比較難以尋找和勘探。新研制的靈敏度極高的儀器,可以實(shí)地即時(shí)測(cè)出海底土壤、巖石中各種超微量甲烷、乙烷、丙烷及氫氣的精確含量,由此判斷出天然氣水合物資源存在與否和資源量等各種指標(biāo)。
從20世紀(jì)80年代開(kāi)始,美、英、德、加、日等發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛投入巨資,相繼開(kāi)展了本土和國(guó)際海底天然氣水合物的調(diào)查研究和評(píng)價(jià)工作,并在勘查和開(kāi)發(fā)天然氣水合物技術(shù)方面取得一定成果。
我國(guó)天然氣水合物主要分布在南海海域、東海海域、青藏高原凍土帶以及東北凍土帶。2002年,我國(guó)同時(shí)啟動(dòng)海域和陸域天然氣水合物的勘探和研究工作。2005年我國(guó)宣布,在南海北部發(fā)現(xiàn)了大量的自生碳酸鹽巖,該巖層的形成與海底天然氣水合物有關(guān)。2009年,我國(guó)在青海省祁連山南緣永凍土層下泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖、泥巖的裂隙和夾層中首次鉆獲天然氣水合物實(shí)物樣品,遠(yuǎn)景資源量估計(jì)至少有350×108t油當(dāng)量。天然氣水合物在青海的發(fā)現(xiàn)會(huì)給大興安嶺、青藏高原凍土帶的天然氣水合物勘探帶來(lái)示范意義。天然氣水合物的開(kāi)發(fā)和利用將為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展提供更多的清潔能源。
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本文作者:楊朔 章磊
作者單位:中國(guó)石油天然氣設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司
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