曾建邦 胡高偉 李隆鍵 陳 強(qiáng) 吳能友 王廣君
1. 載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·華東交通大學(xué) 2. 青島海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室3. 國(guó)土資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·青島海洋地質(zhì)研究所 4. 低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·重慶大學(xué)
含天然氣水合物沉積物三維孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)值重建
曾建邦1,2,3,4胡高偉2,3李隆鍵4陳強(qiáng)2,3吳能友2,3王廣君1
1. 載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·華東交通大學(xué) 2. 青島海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室3. 國(guó)土資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·青島海洋地質(zhì)研究所 4. 低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·重慶大學(xué)
曾建邦等.含天然氣水合物沉積物三維孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)值重建. 天然氣工業(yè),2016,36(5):128-133.
三維孔隙結(jié)構(gòu)重建是揭示沉積物內(nèi)天然氣水合物(以下簡(jiǎn)稱水合物)形成機(jī)理及分布規(guī)律的基礎(chǔ)和前提。在現(xiàn)有的數(shù)值重建方法中,模擬退火法被廣泛應(yīng)用。為使該方法的重建結(jié)構(gòu)更加接近于實(shí)際,對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn),所構(gòu)建的數(shù)值重建模型能夠納入沉積物顆粒形狀(包括圓球狀、橢球狀、扁球狀、長(zhǎng)扁球狀、片狀和針狀)、尺寸分布(如正態(tài)分布)以及水合物分布模式(如膠結(jié)狀、懸浮狀或顆粒狀)等重要結(jié)構(gòu)與統(tǒng)計(jì)信息,并利用改進(jìn)后的模型對(duì)含水合物沉積物的三維孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值重建。最后,對(duì)重建的沉積物(不含水合物)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征化分析,可獲得沉積物內(nèi)孔隙率和孔徑分布等信息;對(duì)重建的含水合物沉積物孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征化分析,可獲得各組分體積分布及其截面平均體積分?jǐn)?shù)沿x軸方向的分布曲線等信息。結(jié)論認(rèn)為:所開發(fā)的數(shù)值重建模型能夠重建出與實(shí)際情況較為接近的含水合物沉積物三維孔隙結(jié)構(gòu),且能揭示水合物分布模式對(duì)沉積物孔隙內(nèi)水(或冰)和天然氣空間分布的影響。
含天然氣水合物 沉積物 孔隙結(jié)構(gòu) 分布模式 模擬退火法 數(shù)值重建 特征化分析
沉積物孔隙結(jié)構(gòu)重建是天然氣水合物介觀孔(或顆粒)尺度模型的基礎(chǔ)和前提,其重建方法有實(shí)驗(yàn)和數(shù)值兩種:實(shí)驗(yàn)方法是借助X射線衍射、核磁共振或X-CT等高分辨率儀器對(duì)沉積物進(jìn)行二維或三維成像[1-3],該方法受實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格、樣本制備要求、實(shí)驗(yàn)操作人員技能與儀器分辨率等條件的限制。因此,借助計(jì)算機(jī)對(duì)沉積物孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行重建是一種行之有效的方法。在現(xiàn)有的數(shù)值重建方法中,模擬退火法除了可以考慮孔隙率、組元體積分?jǐn)?shù)以及兩點(diǎn)相關(guān)函數(shù)等基本信息之外,還可兼顧更多與沉積物孔隙結(jié)構(gòu)相關(guān)的重要信息,因而其重建結(jié)構(gòu)與實(shí)際更為接近[4]。目前,該方法已在砂巖[5]、鋰離子電池正[6]、負(fù)極[7]等復(fù)雜孔隙介質(zhì)的三維重建中得到廣泛地應(yīng)用。
海底沉積物主要有三大來(lái)源[8]:①風(fēng)化物從內(nèi)陸巖體被剝蝕后經(jīng)河水?dāng)y帶至出??冢徇\(yùn)到海中,慢慢沉淀下來(lái)的接近球狀的沉積物;②火山灰從火山口噴出后經(jīng)風(fēng)攜帶至海上,最后沉積到海底的碎屑巖大致有圓球、橢球、扁球和長(zhǎng)扁球狀等4種形狀;③海洋生物死后沉積到海底,被逐漸溶解、分解后剩下的片狀和針狀沉積物。水合物在沉積物內(nèi)的分布模式大多是根據(jù)聲學(xué)和熱學(xué)探測(cè)等手段推測(cè)而得[3],大致有以膠結(jié)物的形式存在于沉積物顆粒之間(膠結(jié)狀)[2]、游離于沉積物孔隙中(懸浮狀)[9]和與沉積物顆粒一樣成為骨架組成部分(顆粒狀)[1,10]等3種微觀分布狀態(tài)。為此,筆者將對(duì)模擬退火法實(shí)施改進(jìn),使其可以考慮沉積物顆粒形狀和尺寸分布以及水合物分布模式等重要信息,并用于重建含水合物沉積物的三維孔隙空間,再對(duì)重建孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征化分析,探討水合物分布模式對(duì)沉積物孔隙內(nèi)水(或冰)和天然氣空間分布的影響。
以Jin等[2]制備的甲烷水合物沉積物為例(圖1),由于受儀器分辨率的限制,圖中僅能分辨出沉積物顆粒、甲烷及水合物和水(或冰)的混合物(文中視為水合物)。在重建過(guò)程中,可用相函數(shù)I進(jìn)行描述:
其中r(x, y, z)表示三維空間中任意位置矢量,相i = 0、1、2、3分別代表甲烷、沉積物、水合物和水(或冰)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)平均可得到該結(jié)構(gòu)的基本統(tǒng)計(jì)信息,如相i的體積分?jǐn)?shù)εi= <Ii(r)>;兩點(diǎn)相關(guān)函數(shù)fij(r1, r2) = <Ii(r)Ij(r)>,表示在重構(gòu)區(qū)域內(nèi)距離為u的兩位置點(diǎn)r1、r2分別屬于i相和j相的概率,代表孔隙結(jié)構(gòu)中各相間的空間分布關(guān)系。若假定該孔隙結(jié)構(gòu)各向同性,則相關(guān)函數(shù)簡(jiǎn)化為:其中
基于圖像技術(shù)對(duì)圖1-a紅色方框內(nèi)的圖片進(jìn)行數(shù)字化處理得到圖1-b,通過(guò)統(tǒng)計(jì)平均可得到兩點(diǎn)相關(guān)函數(shù)(圖2)以及甲烷、沉積物顆粒、水合物和水(或冰)體積分?jǐn)?shù),分別為0.058 7、0.622 3、0.319 0和0。以10.8 μm作為基本節(jié)點(diǎn)尺寸,重建空間區(qū)域?yàn)镹x= Ny= Nz= 200(即重建區(qū)域物理尺寸為L(zhǎng)x= Ly= Lz= 2.16 mm)。重建時(shí),假定重構(gòu)區(qū)域各相同性;沉積物顆粒形狀包括圓球、橢球、扁球、長(zhǎng)扁球、片和針狀[8]。這些顆粒形狀均可通過(guò)調(diào)節(jié)橢球3個(gè)軸長(zhǎng)而得:①當(dāng)3個(gè)軸長(zhǎng)相等時(shí)為圓球狀;②當(dāng)3個(gè)軸長(zhǎng)相近時(shí)為橢球狀;③當(dāng)2個(gè)軸長(zhǎng)較大,而另一軸長(zhǎng)較小/特小時(shí)為扁球/片狀;④當(dāng)1個(gè)軸長(zhǎng)較長(zhǎng),而另外2個(gè)軸長(zhǎng)較小/特小時(shí)為長(zhǎng)扁球/針狀。要對(duì)空間橢球進(jìn)行描述,除了上述3個(gè)軸長(zhǎng)(各軸長(zhǎng)的取值范圍為[10.8 μm,691.2 μm]與圖1中的沉積物顆粒尺寸保持一致,并假定均滿足正態(tài)分布)外,還需要考慮3個(gè)軸的轉(zhuǎn)向角取值范圍均為[0°,360°]以及橢球中心坐標(biāo),故重建時(shí)共需考慮9個(gè)參數(shù)的變化。
圖1 沉積物內(nèi)膠結(jié)狀水合物分布圖
圖2 含甲烷水合物沉積物內(nèi)各相兩點(diǎn)相關(guān)函數(shù)圖
重建含水合物沉積物三維孔隙空間涉及沉積物骨架、水合物和水(或冰)的重建,具體步驟如下:
1)沉積物顆粒系統(tǒng)初始化。將預(yù)設(shè)尺寸和形狀的顆粒隨機(jī)放置在重建區(qū)域內(nèi),接收概率為:
式中v表示當(dāng)前放置顆粒與已有顆粒重疊部分體積的占比;εv表示調(diào)節(jié)重疊程度的常數(shù)。
該步驟直到重建區(qū)域內(nèi)沉積物顆粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)結(jié)束。
2)沉積物顆粒的移動(dòng)。隨機(jī)選擇一個(gè)顆粒,按隨機(jī)產(chǎn)生的距離dr (dx, dy, dz) 移動(dòng)該顆粒,dx、dy和dz均滿足相同的指數(shù)分布,以dx為例:
式中a表示一個(gè)控制移動(dòng)距離的常數(shù)。
3)判斷是否接收步驟2)的概率為:
式中T表示系統(tǒng)“退火溫度”;ΔE = Et+1-Et,Et和Et+1分別表示移動(dòng)前后系統(tǒng)的能量值。
Et可表示為:
式中N = Nx× Ny× Nz;U表示兩位置點(diǎn)r1、r2距離u的最大值;分別表示t時(shí)刻含水合物沉積物三維孔隙結(jié)構(gòu)和從圖1-b中提取的作為參照的兩點(diǎn)相關(guān)函數(shù)(圖2)。
4)重復(fù)步驟2)、3),當(dāng)T = λt+1T0(λ取0.01,為冷卻率;T0取1.0,為初始“退火溫度”)達(dá)到目標(biāo)溫度Tend,則終止計(jì)算,得到沉積物顆粒骨架。
5)重建水合物和水(或冰)在沉積物孔隙空間的微觀分布,包括如下3種情況:①對(duì)于膠結(jié)狀水合物(水合物和水/冰的混合物),只需采用文獻(xiàn)[11]中的模擬退火法對(duì)水合物在沉積物內(nèi)的分布進(jìn)行重建,但需增加的約束條件有:當(dāng)水合物移至沉積物顆粒表面時(shí),若不滿足式(5),也接受該次運(yùn)動(dòng);判斷計(jì)算是否終止時(shí),在沉積物顆粒表面不允許出現(xiàn)甲烷,除非除沉積物顆粒表面外,孔隙內(nèi)已沒有水合物。②對(duì)于懸浮狀水合物,重建時(shí)先后采用文獻(xiàn)[11]中的模擬退火法對(duì)水(或冰)和水合物在沉積物內(nèi)的分布進(jìn)行重建,但需增加的約束條件有:沉積物顆粒和甲烷的體積分?jǐn)?shù)與圖1-b一致,水合物和水(或冰)的體積分?jǐn)?shù)分別取0.214 5和0.104 5[9];當(dāng)水(或冰)移至沉積物顆粒表面時(shí),若不滿足式(5),也接受該次移動(dòng);判斷計(jì)算是否終止時(shí),在沉積物顆粒表面不允許出現(xiàn)甲烷和水合物,除非除沉積物顆粒表面外,孔隙內(nèi)已沒有水(或冰)。③對(duì)于顆粒狀水合物。先采用步驟1~4對(duì)水合物顆粒進(jìn)行數(shù)值重建,初始預(yù)設(shè)水合物顆粒形狀為球,球半徑的取值范圍為[10.8 μm,162.0 μm],與文獻(xiàn)[10]保持一致,并假定其滿足正態(tài)分布,水合物體積分?jǐn)?shù)仍然取0.214 5;然后采用文獻(xiàn)[11]中構(gòu)建的模擬退火法對(duì)水(或冰)在孔隙內(nèi)的分布進(jìn)行數(shù)值重建,其體積分?jǐn)?shù)預(yù)設(shè)值為0.104 5。
3.1重建結(jié)果
圖3 數(shù)值重建的含膠結(jié)狀水合物沉積物圖
基于上節(jié)算法分別對(duì)含膠結(jié)、懸浮和顆粒狀水合物沉積物進(jìn)行重建。重建過(guò)程中先對(duì)沉積物顆粒執(zhí)行退火過(guò)程,獲得其在重建區(qū)域的分布圖,見圖3-a(結(jié)構(gòu)Ⅰ),圖4-a(結(jié)構(gòu)Ⅱ)和圖5-a(結(jié)構(gòu)Ⅲ)??梢?,沉積物骨架均由具有不同大小且形狀各異(圓球、橢球、扁球、長(zhǎng)扁球、片和針狀)的沉積物顆粒組成,但三者間的差別較大,說(shuō)明模型重建結(jié)果具有隨機(jī)性。然后,對(duì)水合物和水(或冰)執(zhí)行退火過(guò)程(其先后順序見前述文字),獲得它們?cè)谥亟▍^(qū)域的分布(圖3-b、圖4-b和圖5-b),發(fā)現(xiàn)相比于含顆粒狀水合物沉積物,在含膠結(jié)狀和懸浮狀水合物沉積物內(nèi)天然氣更為集中;在含懸浮狀水合物沉積物內(nèi)水(或冰)分布在沉積物顆粒表面,而在含顆粒狀水合物沉積物內(nèi)其分布規(guī)律并不明顯。最后,得到含水合物沉積物孔隙結(jié)構(gòu),(圖3-c、圖4-c和圖5-c),可清楚地觀察出水合物在沉積物孔隙空間內(nèi)的分布規(guī)律。
為進(jìn)一步觀察出沉積物顆粒、水合物、天然氣和水(或冰)在含膠結(jié)狀、懸浮狀和顆粒狀水合物沉積物內(nèi)的分布形態(tài),可分別對(duì)其進(jìn)行二維切片(圖3-d、圖4-d和圖5-d),均可發(fā)現(xiàn)沉積物顆粒、水合物、天然氣和水(或冰)之間的分界面十分清晰,且分別與實(shí)驗(yàn)拍攝的含膠結(jié)狀[2]、懸浮狀[9]和顆粒狀[10]水合物沉積物孔隙結(jié)構(gòu)較為相似。可見,基于筆者所開發(fā)的數(shù)值重建模型能夠重建出與實(shí)際較為接近的含水合物沉積物三維孔隙結(jié)構(gòu)。
圖4 數(shù)值重建的含懸浮狀水合物沉積物圖
圖5 數(shù)值重建的含顆粒狀水合物沉積物圖
3.2特征化分析
分別對(duì)如圖3-a、圖4-a和圖5-a所示的沉積物孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征化分析:可得到其孔隙率(表1)。
表1 水合物賦存狀態(tài)對(duì)重建結(jié)果的影響表
從表1中可看出,它們與初始設(shè)定值均相差不大(最大相對(duì)誤差不超過(guò)0.32%)。對(duì)于沉積物孔徑分析,筆者以歐氏距離轉(zhuǎn)換法[12]分別計(jì)算結(jié)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ內(nèi)最大內(nèi)切球直徑[13],統(tǒng)計(jì)分析可得到具有不同尺寸孔的相對(duì)體積(具有相同半徑孔的體積之和與總的孔體積的比值)隨孔尺寸大小的分布關(guān)系(圖6)。從圖6中可看出:三者的孔徑分布基本一致。另外,筆者還分別計(jì)算了它們的平均孔徑(表1)。結(jié)合圖6和表1,可以看出不管是最大孔徑還是平均孔徑,三者之間的差別均不大。上述情況與實(shí)際相符,即海底沉積物的物理變化過(guò)程和現(xiàn)象具有隨機(jī)性,但當(dāng)統(tǒng)計(jì)區(qū)域達(dá)到一定程度時(shí),其內(nèi)部相關(guān)統(tǒng)計(jì)信息(如孔隙率、孔徑分布等)卻具有一定的規(guī)律性[14],進(jìn)一步說(shuō)明基于本文構(gòu)建的重建算法能夠較為真實(shí)地再現(xiàn)沉積物三維孔隙空間及其內(nèi)水合物的微觀分布規(guī)律。
圖6 沉積物孔隙空間內(nèi)孔徑分布圖
分別對(duì)圖3-c,圖4-c和圖5-c所示的含水合物沉積物微結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征化分析,可得到各組分的體積分?jǐn)?shù)(表1),均與初始預(yù)設(shè)值相差不大(最大相對(duì)誤差不超過(guò)1.0%);還可得到各組分截面平均體積分?jǐn)?shù)沿x軸方向的分布曲線(圖7),發(fā)現(xiàn)沉積物、水合物、水(或冰)和天然氣在各自初始額定份額(或平均體積分?jǐn)?shù))上下波動(dòng),其中波動(dòng)幅度最大的是沉積物顆粒,并按水合物、水(或冰)和天然氣的順序依次減小。然而,波動(dòng)幅度并不能描述各組分沿x軸方向分布的均勻程度,須引入各組分在截面n上的平均體積分?jǐn)?shù))與各自在含水合物沉積物內(nèi)的平均體積分?jǐn)?shù)()之間的最大相對(duì)誤差的絕對(duì)值(δ1)和平均相對(duì)誤差的絕對(duì)值(δ2),即
式中Nx表示重建區(qū)域在x軸方向上的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。
基于公式(7),分別對(duì)含膠結(jié)、懸浮和顆粒狀水合物沉積物中各組分的δ1和δ2進(jìn)行計(jì)算,(表2)??梢?,δ1和δ2最小的均為沉積物,且三者之間差別不大;水合物分布規(guī)律不同,對(duì)其自身、水(或冰)和天然氣的δ1和δ2的影響也不相同,主要體現(xiàn)在:
圖7 各組分體積分?jǐn)?shù)沿x軸方向的分布圖
表2 水合物賦存狀態(tài)對(duì)δ1和δ2的影響表
①對(duì)于含膠結(jié)(懸浮或顆粒)狀水合物沉積物,δ1和δ2均按水合物、水(或冰)(膠結(jié)狀不予考慮)和天然氣的順序依次增大,即其內(nèi)部天然氣截面平均體積分?jǐn)?shù)沿x軸方向的變化最為劇烈,并按天然氣、水(或冰)和水合物的順序依次減小;②相比含膠結(jié)狀水合物沉積物,在含懸浮狀水合物沉積物中δ1和δ2更大,即其內(nèi)部各組分截面平均體積分?jǐn)?shù)沿x軸方向的變化更為劇烈;③相比含膠結(jié)和懸浮狀水合物沉積物,含顆粒狀水合物沉積物中的水合物截面平均體積分?jǐn)?shù)沿x軸方向的變化最為劇烈,但水(或冰)和天然氣的變化則相對(duì)平緩??梢姦?和δ2能較好地衡量水合物分布模式對(duì)含水合物沉積物內(nèi)各組分分布規(guī)律的影響。
1)基于模擬退火法構(gòu)建含水合物沉積物孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)值重建模型,并以實(shí)際孔隙率、組元體積分?jǐn)?shù)、沉積物顆粒形狀(圓球、橢球、扁球、長(zhǎng)扁球、片狀和針狀)、尺寸(正態(tài)分布)分布、水合物分布模式(膠結(jié)、懸浮和顆粒狀)和從二維X-CT圖像中提取的兩點(diǎn)相關(guān)函數(shù)等重要信息作為模型輸入?yún)?shù),能夠重建出與實(shí)際較為相似的含水合物沉積物。
2)根據(jù)對(duì)重建的沉積物和含水合物沉積物孔隙結(jié)構(gòu)特征化分析,可獲得沉積物內(nèi)孔隙率、孔徑分布等信息和含水合物沉積物內(nèi)各組分體積分?jǐn)?shù)及其截面平均體積分?jǐn)?shù)沿x軸方向的分布曲線等信息,可在一定程度上揭示水合物分布模式對(duì)沉積物孔隙內(nèi)水(或冰)和天然氣空間分布的影響規(guī)律。
3)由于重建孔隙結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性及其相關(guān)統(tǒng)計(jì)信息的規(guī)律性,使得所開發(fā)的模型能夠重建出與實(shí)際更為接近的含水合物沉積物孔隙空間。
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(修改回稿日期 2016-03-08編 輯 羅冬梅)
Numerical reconstruction of 3D pore structure for gas hydrate bearing sediments
Zeng Jianbang1,2,3,4, Hu Gaowei2,3, Li Longjian4, Chen Qiang2,3, Wu Nengyou2,3, Wang Guangjun1
(1. MOE Key Laboratory of Conveyance and Equipment, East China Jiaotong University, Nanchang, Jiangxi 330013, China; 2. Qingdao Institute of Marine Geology, MLR Key Laboratory of Gas Hydrate,Qingdao, Shandong 266071, China; 3. Laboratory of Marine Mineral Resources and Detection Technologies, Qingdao National Laboratory of Marine Science and Technology, Qingdao, Shandong 266071, China; 4. MOE Key Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies and Systems, Chongqing University, Chongqing 400044, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 5, pp.-,5/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)
Reconstruction of 3D pore structures is the basis and prerequisite for revealing the formation mechanisms and distribution laws of gas hydrate in sediments (hereinafter referred to as gas hydrate). Among the existing numerical reconstruction methods, the simulated annealing method is widely used. In this paper, the simulated annealing method was improved so that the actual situations could be presented better by the reconstructed structures. Important structural and statistical information could be introduced into the improved numerical reconstruction model, including the shapes of sediment particles (e.g. spherical, ellipsoidal, oblate spheroid, prolate spheroid, flakey and acicular), size distribution of sediment particles (e.g. normal distribution), and morphology of gas hydrate (e.g. cementing, floating and particle). Then, the 3D pore structures of gas hydrate bearing sediments (hereinafter referred to as sediments) were numerically reconstructed by using the improved model. Conclusions in two aspects were obtained. First, through characterization analysis on the pore structures of sediments, certain key information can be revealed, including the porosity and pore size distribution in sediments, the volume fractions of specific components and the distribution of sectional average volume fraction along x axis. Second, with the proposed numerical reconstruction model, the 3D pore structures of sediments closer to the actual situations can be reconstructed, so that the effect of gas hydrate morphology on the spatial distribution of water (or ice) and gas in the pores of sediments can be revealed.
Gas hydrate; Pore structure of sediments; Hydrate occurrence; Simulated annealing method; Numerical reconstruction; Characterization analysis
10.3787/j.issn.1000-0976.2016.05.019
國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(編號(hào):51206171)、低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(編號(hào):LLEUTS-201608)。
曾建邦,1981年生,副研究員,博士;主要從事天然氣水合物成藏機(jī)理方面的研究工作。地址:(330013)江西省南昌市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)雙港東大街808號(hào)。ORCID:0000-000X-0579-5327。E-mail:jbzeng68@sina.com