保靖地區(qū)龍馬溪組高成熟海相頁巖吸附氣量及其影響因素

周正武劉新凱王延忠林中月馬俯波于 鵬姜振學(xué)

（1神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司；2中國石油大學(xué)（北京）非常規(guī)天然氣研究院）

保靖地區(qū)龍馬溪組高成熟海相頁巖吸附氣量及其影響因素

周正武1劉新凱2王延忠1林中月1馬俯波1于 鵬1姜振學(xué)2

（1神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司；2中國石油大學(xué)（北京）非常規(guī)天然氣研究院）

頁巖吸附氣量是含氣性評價和資源潛力預(yù)測的關(guān)鍵參數(shù)，保靖地區(qū)志留系龍馬溪組海相頁巖熱演化程度高，頁巖吸附氣量尚未查明，成為亟待研究的關(guān)鍵問題。采集研究區(qū)BY-1井龍馬溪組頁巖巖心樣品12個，開展了頁巖TOC、熱成熟度（Ro）、X射線衍射、場發(fā)射掃描電鏡、低壓液氮吸附和高壓甲烷等溫吸附等分析測試。結(jié)果表明，研究區(qū)海相頁巖有機質(zhì)豐度高，TOC范圍是0.57%～2.16%；熱演化程度高，Ro的范圍為2.86%～3.76%；礦物組分中石英含量為33.7%～73.9%，斜長石含量為0.7%～16.9%，黏土礦物含量為15.8%～54.4%；頁巖中納米級孔隙發(fā)育，以粒間孔和有機質(zhì)孔為主；低壓液氮吸附實驗結(jié)果展示頁巖孔徑分布范圍寬，以2～50nm的中孔為主；高壓等溫吸附實驗揭示保靖地區(qū)龍馬溪組頁巖的吸附氣量較高，為0.82～3.56m3/t，平均為1.93m3/t。保靖地區(qū)頁巖吸附氣量主要受到有機質(zhì)豐度和中孔、微孔比表面積的控制，龍馬溪組頁巖有機質(zhì)處于高成熟階段，有機質(zhì)熱演化產(chǎn)生大量的微孔和中孔，二者比表面積較大，為頁巖氣吸附提供了較大的空間，頁巖的吸附氣量大。

保靖地區(qū)；海相頁巖；高成熟度；吸附氣量；影響因素

海相富有機質(zhì)頁巖在中國南方下古生界廣泛分布，其中，四川盆地及周緣地區(qū)的頁巖氣勘探工作已經(jīng)取得了重大突破[1-3]?；A(chǔ)理論研究和勘探實踐都已證實，吸附態(tài)頁巖氣含量對頁巖層系的含氣量有重要影響[4-5]。據(jù)Curtis統(tǒng)計，在頁巖氣含氣量中，吸附氣量約占20%～85%[6]；北美地區(qū)頁巖吸附氣量顯示：福特沃斯盆地Barnett組頁巖吸附氣量占40%～60%，阿巴拉契亞盆地Ohio 組占50%，密執(zhí)安盆地Antrim組占70%～75% ，伊利諾斯盆地New Albany組占 40%～60%，圣胡安盆地Lewis組占60%～85%。李新景等通過研究大量Barnett組頁巖的資料，認為吸附態(tài)的頁巖氣至少占總含氣量的40%[7]。李一凡等認為吸附態(tài)的頁巖氣是頁巖氣資源的初始狀態(tài)，所以研究頁巖吸附氣量及其影響因素是研究頁巖氣富集的重要內(nèi)容[8]。

中國南方海相頁巖氣的勘探開發(fā)工作自2009年以來取得了很大進展，發(fā)現(xiàn)了重慶涪陵焦石壩[9-10]和四川長寧[11]、威遠[12]等大型頁巖氣田，主要在上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組、下寒武統(tǒng)牛蹄塘組取得重大突破[13]。同時在川渝、湘鄂地區(qū)部署并實施了一批頁巖探井，取得了大量南方海相頁巖的寶貴資料，并對部分頁巖層系進行了頁巖氣評價，取得了部分地區(qū)的頁巖氣突破，但除四川盆地上述幾個頁巖氣田外，其他地區(qū)并沒有取得商業(yè)性的頁巖氣發(fā)現(xiàn)[14-16]。

保靖地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色海相頁巖發(fā)育，鉆井已揭示了良好的頁巖氣顯示。但是，研究區(qū)龍馬溪組頁巖的基礎(chǔ)地質(zhì)評價研究還比較薄弱，頁巖的吸附氣量尚未查明，給研究區(qū)的潛力目標預(yù)測和頁巖氣資源潛力評價造成了困難。因此，查明保靖地區(qū)海相頁巖的吸附氣量，揭示頁巖中吸附氣量的影響因素，對評價保靖地區(qū)頁巖的含氣量、揭示頁巖氣富集成藏規(guī)律、優(yōu)選有利勘探區(qū)和資源評價有重要指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)概況

保靖地區(qū)區(qū)域上位于江南隆起北緣，揚子臺地內(nèi)的湘鄂西斷褶帶東南部邊緣[17-18]。保靖地區(qū)由西向東主要分布的褶皺構(gòu)造有八面山向斜、紅巖溪—比耳背斜、蠻子要—水井灣向斜、馬蹄寨—拔茅寨向斜，主要斷裂呈南東向傾向，走向與褶皺軸線基本一致，為北北東—北東向，其次還有北西走向壓扭性斷裂切割主要斷裂（圖1）。研究區(qū)東南部發(fā)育以北東走向的老寨—保靖壓扭性斷裂為主的同走向平行斷裂帶，該斷裂帶錯綜復(fù)雜，由多條北東走向壓扭性斷裂組成，同時被北西向壓扭性斷裂切割，形成復(fù)雜斷塊。早志留世沉積了一套厚度大、范圍廣、裂縫發(fā)育的海相暗色頁巖，頁巖氣勘探開發(fā)潛力較大，是該區(qū)頁巖氣的主要勘探目標[19-21]。保靖地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組處于淺水陸棚相與深水陸棚相沉積邊緣，經(jīng)歷復(fù)雜構(gòu)造運動，熱演化程度相對較高，目的層埋深為0～3500m，在區(qū)內(nèi)分布廣泛，發(fā)育較全，厚度大，暗色頁巖厚度為40～84m，平均約60m。頁巖具有自上而下顏色逐漸加深、砂質(zhì)減少、有機質(zhì)含量增高的特征，頁巖中筆石富集，局部見放射蟲、骨針等硅質(zhì)生物碎屑。

圖1 保靖地區(qū)構(gòu)造位置圖

保靖地區(qū)出露地層以古生界為主，其次為中生界三疊系及少量的侏羅系，缺失白堊系、古近系和新近系。兩翼背斜呈寬闊的箱狀，核部出露寒武系—奧陶系，向斜多呈線狀，主要出露上古生界及中、下三疊統(tǒng)。保靖地區(qū)地層屬揚子地層區(qū)上揚子地層分區(qū)，由老到新有震旦紀、寒武紀、奧陶紀、志留紀、泥盆紀、二疊紀、三疊紀和第四紀地層（表1）。

表1 保靖地區(qū)地層發(fā)育表

2 樣品的采集與測試

為了討論保靖地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組高成熟海相頁巖吸附氣量及其影響因素，對該地區(qū)龍馬溪組頁巖氣的勘探井BY-1井進行了系統(tǒng)采樣（圖1）。BY-1井鉆井深度為2813m，從2699m開始取心，從泥質(zhì)淺水陸棚相到泥質(zhì)深水陸棚相都有取樣，沒有固定的取樣間隔，取樣范圍較廣，總共12個樣品（圖2）。

針對12個樣品，分別開展了X射線衍射、場發(fā)射掃描電鏡、低壓液氮吸附和高壓甲烷等溫吸附等分析測試，得到了TOC、Ro、礦物組分和孔隙結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)分析頁巖吸附氣量及其影響因素。

圖2 BY-1井單井柱狀圖及取樣位置

3 頁巖有機地球化學(xué)特征

3.1 有機質(zhì)豐度及類型

保靖地區(qū)龍馬溪組高成熟海相頁巖的有機質(zhì)豐度高，實測數(shù)據(jù)表明12個樣品的總有機碳含量（TOC）是0.57%～2.16%，平均為1.15%（表2）；干酪根類型屬I型干酪根，主要生物來源為海洋菌藻類，其原始組分屬富氫、富脂類[22]。其殘余有機碳含量S4為5.65～21.56mg/g，平均為11.51mg/g。根據(jù)海相不同類型烴源巖有機質(zhì)豐度熱演化規(guī)律，將該區(qū)高成熟海相頁巖恢復(fù)到未成熟—低成熟階段，其總有機碳含量很高，具有很好的生烴潛力[23]。

3.2 熱演化程度

保靖地區(qū)龍馬溪組海相頁巖的有機質(zhì)處于過成熟階段，區(qū)塊南部靠近慈利—保靖斷裂帶，龍馬溪組頁巖的等效Ro普遍大于3%，平均為3.06%，最高可達3.76%（表2）。干酪根的熱解過程與鏡質(zhì)組的演化過程相符合，鏡質(zhì)組反射率又與成巖作用存在密切的關(guān)系，熱變質(zhì)作用越深，鏡質(zhì)組反射率越大[24]。處于過成熟階段的海相頁巖，以生氣為主。

4 礦物組分特征

通過X射線衍射實驗分析，明確了保靖地區(qū)龍馬溪組海相頁巖樣品礦物組分特征。研究區(qū)頁巖樣品礦物成分主要為黏土礦物和石英，其次為斜長石，少見碎屑礦物和自生礦物，其中以黃鐵礦和鉀長石為主。黏土礦物含量為15.8%～54.4%，平均為32.55%；石英在脆性礦物中含量最高，為33.7%～73.9%，平均為46.91%；斜長石含量為0.7%～16.9%，平均為10.31%；方解石和黃鐵礦含量較少，平均值分別為4.19%和2.18%（表2）。

表2 保靖地區(qū)龍馬溪組海相頁巖有機地球化學(xué)和礦物組分特征參數(shù)表

5 孔隙結(jié)構(gòu)特征

5.1 孔隙類型

利用場發(fā)射掃描電鏡獲得了保靖地區(qū)龍馬溪組海相頁巖樣品的高分辨率圖像，觀察到頁巖中發(fā)育的孔隙類型、裂縫及充填程度和礦物組分分布特征。頁巖樣品中發(fā)育大量與有機質(zhì)共生的黃鐵礦，呈帶狀分布（圖3a），黃鐵礦晶粒間充填有機質(zhì)，有機質(zhì)中微米—納米級孔隙發(fā)育（圖3b）；同時觀測到有機質(zhì)與大量片狀（伊利石）及纖維狀（伊/蒙混層）黏土礦物共生，有的共生于粒間，有的局部受擠壓發(fā)生彎曲變形，導(dǎo)致孔隙不發(fā)育（圖3c、d）；黏土礦物收縮縫發(fā)育，有機質(zhì)均勻分布于粒間，并可見少量晶間孔（圖3e）；有機質(zhì)孔發(fā)育，孔隙直徑為數(shù)十納米，分布較均勻（圖3f）。

因此，研究區(qū)頁巖主要發(fā)育粒間孔和有機質(zhì)孔，并發(fā)育少量的晶間孔和收縮縫。

5.2 孔徑分布

目前以國際理論（化學(xué)）和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）的孔隙分類為標準，將孔徑小于2nm的孔隙定義為微孔，孔徑為2～50nm的為中孔，孔徑大于50nm的為宏孔[25]。頁巖中的孔隙從微孔到宏孔均有分布。利用美國麥克儀器公司生產(chǎn)的ASAP2460吸附儀，開展了低壓液氮吸附實驗，實驗壓力為0.1MPa，實驗溫度為-273℃，利用BJH模型分析實驗數(shù)據(jù)，明確了頁巖的微孔和中孔的發(fā)育特征。利用美國麥克儀器公司生產(chǎn)的Autopore 9500壓汞儀，開展了高壓壓汞實驗，實驗壓力為1～1×104MPa，實驗溫度為20℃，明確了頁巖的中孔和宏孔的發(fā)育特征。

實驗結(jié)果揭示出研究區(qū)12個頁巖樣品主要發(fā)育中孔，平均占總孔隙體積的56.9%；其次發(fā)育微孔，平均占總孔隙體積的24.3%；宏孔所占比例最小，平均占總孔隙體積的18.8%（圖4）。

圖3 保靖地區(qū)龍馬溪組海相頁巖場掃描電鏡圖像

圖4 保靖地區(qū)龍馬溪組海相頁巖樣品孔徑分布直方圖

6 頁巖吸附氣量特征

1918年，Langmuir（蘭格繆爾）提出了等溫吸附方程[26-27]，該方程揭示了頁巖吸附氣量與壓力之間的關(guān)系：

式中Vg——吸附氣量，m3/t；

VL——蘭氏體積，m3/t；

pL——蘭氏壓力，MPa；

p——地層壓力，MPa。

為了研究保靖地區(qū)龍馬溪組高成熟海相頁巖的吸附能力及其影響因素，利用Langmuir等溫吸附模型對頁巖樣品進行甲烷單組分等溫吸附實驗，測試溫度為30℃。實驗結(jié)果表明，研究區(qū)的頁巖吸附性具有以下特征：

（1）頁巖的吸附氣量與壓力呈一定的函數(shù)關(guān)系。在壓力較小的時候，吸附氣量隨著壓力增大而以較大的增長率增加，在到達一定程度時，隨著壓力的增大，頁巖吸附氣量的增長率逐漸減小，曲線趨于平穩(wěn)的時候增長率減小為零，此時頁巖吸附達到飽和狀態(tài)（圖5）。

（2）根據(jù)圖5的實驗數(shù)據(jù)和等溫吸附方程對研究區(qū)頁巖吸附氣量進行計算，研究區(qū)海相頁巖的吸附氣量為0.82～3.56m3/t，平均為1.93m3/t（表3）。該平均值與北美頁巖區(qū)塊的平均吸附氣量（1.463m3/t）相比還要大一些，說明研究區(qū)高成熟海相頁巖的吸附能力很強，進一步說明該區(qū)頁巖氣富集程度較高，有很好的勘探開發(fā)前景。

（3）分析數(shù)據(jù)，判斷BY1-7-3樣品的蘭式壓力為誤差點，不予考慮，研究區(qū)高成熟海相頁巖的蘭氏壓力較大，為1.64～7.42MPa，平均為4.21MPa（表3）。等溫吸附曲線的曲率較平穩(wěn)，說明在低壓區(qū)時，研究區(qū)頁巖吸附氣量相對較大[28]。研究區(qū)蘭氏體積較大，具有高產(chǎn)條件[29]。

圖5 保靖地區(qū)龍馬溪組海相頁巖高壓甲烷等溫吸附曲線

表3 保靖地區(qū)龍馬溪組海相頁巖樣品30℃時的吸附常數(shù)表

7 頁巖吸附氣量的影響因素

7.1 有機質(zhì)豐度

分析研究前人成果發(fā)現(xiàn)：有機質(zhì)豐度是影響頁巖吸附氣體能力的主要因素之一，北美地區(qū)頁巖（如Poker Chip頁巖、Mississippian頁巖等）的有機碳含量與飽和吸附量之間有很好的正相關(guān)性[30-32]。頁巖的有機碳含量與微孔體積呈正相關(guān)關(guān)系，有機質(zhì)中含有大量的有機質(zhì)孔，有機碳含量增多，有機質(zhì)孔就增多，所提供的孔體積和比表面積也增大，所以在相同壓力條件下，高有機碳含量可以增加頁巖的吸附氣量[33]。

研究區(qū)龍馬溪組高成熟海相頁巖的有機碳含量為0.57%～2.16%，平均為1.15%，有機碳含量較高。有機碳含量與吸附氣量呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性，頁巖的吸附氣量隨著有機碳含量的增加而增加（圖6a）；有機碳含量與宏孔體積呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系（圖6b）；而與中孔體積和微孔體積呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系（圖6c、d）。實驗結(jié)果揭示了保靖地區(qū)龍馬溪組頁巖的有機質(zhì)孔以中孔和微孔為主，與有機質(zhì)伴生的黏土礦物和石英粒間孔也較發(fā)育，與觀察結(jié)果相吻合。保靖地區(qū)龍馬溪組頁巖中微孔和中孔更加發(fā)育，有利于頁巖氣的吸附，對吸附氣量具有重要影響。

7.2 礦物組分

圖6 保靖地區(qū)龍馬溪組頁巖有機碳含量相關(guān)關(guān)系圖

表4 保靖地區(qū)龍馬溪組海相頁巖吸附氣量與頁巖特征參數(shù)表

分析計算保靖地區(qū)龍馬溪組各頁巖樣品礦物含量與吸附氣量（表4），頁巖樣品的吸附氣量與黏土礦物含量之間呈弱負相關(guān)性（圖7a），原因是因為數(shù)據(jù)點較少，而且BY1-6-4和BY1-3-1兩個樣品存在數(shù)據(jù)誤差，除去這兩個誤差點的影響，并綜合分析前人研究成果[28]，實際吸附氣量與黏土礦物呈正相關(guān)關(guān)系。保靖地區(qū)龍馬溪組頁巖樣品的吸附氣量與石英含量之間呈弱正相關(guān)性（圖7b）。造成該現(xiàn)象的原因是石英含量較多的樣品里黃鐵礦含量也較高，黃鐵礦的比表面積比碎屑礦物的比表面積大得多[34-35]，黃鐵礦為其提供了一部分比表面積，比表面積為頁巖氣的吸附提供了場所，所以吸附氣量與石英含量呈弱正相關(guān)性。

通過分析保靖地區(qū)龍馬溪組頁巖樣品發(fā)現(xiàn)，黏土礦物含量與比表面積呈正相關(guān)關(guān)系（圖7c）。由于無機礦物成分特有的結(jié)構(gòu)特征，層狀黏土礦物有很大的比表面積，石英、長石和方解石等碎屑礦物的比表面積比黏土礦物的小很多[36]，如伊利石的比表面積為30m2/g，蒙皂石的比表面積更是高達800m2/g，而碎屑礦物如石英、長石等的比表面積僅為5m2/g左右。

同時，石英含量與有機碳含量也呈現(xiàn)出很好的正相關(guān)關(guān)系（圖7d）。有機碳含量之所以受到石英含量的影響，是因為龍馬溪組海相頁巖的石英為生物成因，生物來源是較為豐富的硅質(zhì)生物殘體，硅質(zhì)生物殘體中的硅質(zhì)即為石英，生物殘體中含有大量的有機碳[37]，所以石英含量影響有機碳含量，而有機質(zhì)又提供了大量的有機質(zhì)孔，為頁巖氣的賦存提供了場所，所以石英含量與吸附氣量呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。

圖7 保靖地區(qū)龍馬溪組海相頁巖礦物含量相關(guān)關(guān)系圖

7.3 比表面積

頁巖的比表面積是影響頁巖含氣性的關(guān)鍵因素，頁巖的比表面積越大，吸附態(tài)頁巖氣的賦存場所就越大[28]。

研究區(qū)頁巖樣品主要發(fā)育中孔，平均占總孔隙體積的56.9%；其次發(fā)育微孔，平均占總孔隙體積的24.3%；宏孔發(fā)育最少，平均占總孔隙體積的18.8%。研究區(qū)頁巖樣品的總孔隙比表面積為2.74～18.9m2/g，平均為7.88m2/g。分析比表面積和吸附氣量之間的關(guān)系（圖8），從總體趨勢上來看，比表面積越大，頁巖吸附氣量越大，頁巖氣主要以吸附態(tài)存在于中孔—微孔中，中孔和微孔為頁巖氣吸附提供了比表面積，微孔和中孔所占比例越大，吸附氣量越大。

圖8 保靖地區(qū)龍馬溪組海相頁巖吸附氣量與比表面積關(guān)系圖

8 結(jié)論

(1）保靖地區(qū)龍馬溪組高成熟海相頁巖的吸附氣量平均為1.93m3/t，反映了保靖地區(qū)頁巖有較強的吸附能力，具有較高的含氣性，頁巖氣勘探潛力大。

(2）保靖地區(qū)龍馬溪組頁巖的吸附氣量主要受到有機質(zhì)豐度和微孔、中孔比表面積的影響。隨著有機碳含量的增加，中孔、微孔體積所占比例也隨之增加。微孔和中孔更加發(fā)育，有利于頁巖氣的吸附，頁巖吸附氣量隨著有機碳含量的增加而增加。保靖地區(qū)龍馬溪組頁巖有機質(zhì)處于高成熟階段，有機質(zhì)熱演化產(chǎn)生大量的微孔和中孔，二者較大的比表面積為頁巖氣吸附提供了空間，頁巖的吸附氣量大。

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Gas adsorption capacity of Longmaxi Formation high-maturity marine shale in Baojing area and its inf uential factors

Zhou Zhengwu1, Liu Xinkai2, Wang Yanzhong1, Lin Zhongyue1, Ma Fubo1, Yu Peng1, Jiang Zhenxue2
( 1 Shenhua Geologic Exploration Company Limited; 2 Unconventional Natural Gas Institute, China University of Petroleum (Benjing ) )

Gas adsorption capacity of shale is a key parameter of gas potential evaluation and resource potential prediction. The marine shale of Silurian Longmaxi Formation in the Baojing area is high in thermal evolution degree, and its gas adsorption capacity is unclear and will be a focus to be fi gured out. In this paper, 12 core samples of Longmaxi Formation shale in Well BY-1 in the study area were collected and tested in terms of total organic carbon (TOC), thermal maturity (Ro), X-ray diffraction, fi eld emission scanning electron microscopy (FESEM), low-pressure liquid nitrogen adsorption and high-pressure isothermal methane adsorption. The results show that the marine shale in the study area is high in organic abundance and thermal maturity with TOC and Ro in the range of 0.57%–2.16% and 2.86%–3.76%, respectively. The mineral composition includes quartz (33.7%–73.9%), plagioclase (0.7%–16.9%), and clay mineral (15.8%–54.4%). Nano-scale pores are developed in shale dominantly in the forms of intergranular pore and organic pore. According to the low-pressure liquid nitrogen adsorption test, the pore diameter of shale is in a large range and mesopores (2-50 nm) are dominant. The high-pressure isothermal methane adsorption test revels that the gas adsorption capacity of Longmaxi Formation shale in the Baojing area is high – 0.82-3.56 m3/t, averaging 1.93 m3/t. The gas adsorption capacity is mainly controlled by the organic abundance and the specif i c areas of mesopores and micropores. The organic matter in the Longmaxi Formation shale is of high maturity. With the thermal evolution of organic matter, abundant micropores and mesopores are generated and their specif i c area is large, providing large space for shale gas adsorption, resulting in high gas adsorption capacity of shale.

Baojing area, marine shale, high maturity, gas adsorption capacity, inf l uential factor

TE112.116

：A

10.3969/j.issn.1672-7703.2017.04.007

國家自然科學(xué)基金項目“頁巖非均質(zhì)性和微—納米孔喉結(jié)構(gòu)對含氣性的控制機理編號”（41472112）。

周正武（1967-），男，湖南湘潭人，博士，2001年畢業(yè)于北京大學(xué)，教授級高級工程師，現(xiàn)主要從事油氣、金屬礦、煤炭資源地質(zhì)與勘探、礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查、遙感技術(shù)與地理信息系統(tǒng)技術(shù)研究應(yīng)用工作。地址：北京市昌平區(qū)北七家未來科技城神華園區(qū)202號樓，郵政編碼：102209。E-mail：1152386756@qq.com

姜振學(xué)（1963-），男，吉林梨樹人，博士，1998年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（北京），教授，博士生導(dǎo)師，主要從事含油氣盆地分析、常規(guī)和非常規(guī)油氣形成與分布研究、常規(guī)和非常規(guī)油氣資源評價科研和教學(xué)工作。地址：北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號中國石油大學(xué)（北京）非常規(guī)天然氣研究院，郵政編碼：102249。E-mail：jiangzx@cup.edu.cn

2016-05-06；修改日期：2017-05-11