潘億勇 顧啟林 孫玉豹 孟祥海 汪成 李大儉
摘要:海上熱采井多為水平井,采用注汽開(kāi)采面臨著水平段動(dòng)用程度不均勻、動(dòng)用程度未知,汽竄、水竄流道不明等問(wèn)題,影響了熱采開(kāi)發(fā)效果。海上稠油油田已進(jìn)入規(guī)?;療岵砷_(kāi)發(fā)階段,對(duì)水平井熱采測(cè)試技術(shù)的需求日益迫切。常規(guī)的油管攜帶式光纖測(cè)試技術(shù)測(cè)試作業(yè)時(shí)間長(zhǎng),作業(yè)過(guò)程中光纜易損壞而失去信號(hào),而且井下光纜及配套工具無(wú)法重復(fù)使用,測(cè)試成本高、適用性不足。為此,結(jié)合光纖與連續(xù)管的特點(diǎn),研發(fā)了一種耐高溫復(fù)合光纖連續(xù)管,研制了適用于注蒸汽井高溫高壓工況的關(guān)鍵配套設(shè)備工具,可實(shí)現(xiàn)高溫高壓工況下的溫度、壓力及聲波等數(shù)據(jù)測(cè)試,具有耐高溫(350℃)、作業(yè)時(shí)間短、測(cè)試靈活高效、測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)回收的特點(diǎn)。該項(xiàng)技術(shù)首次應(yīng)用于海上稠油油田蒸汽驅(qū)注汽井,成功獲取了該井全井段的溫度數(shù)據(jù),了解了水平段的吸汽(吸水)狀況,為該油田蒸汽驅(qū)效果評(píng)價(jià)、注汽管柱優(yōu)化提供了科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)。耐高溫光纖連續(xù)管測(cè)試技術(shù)解決了定向井、水平井測(cè)試光纜易損壞,測(cè)試成本高的問(wèn)題,為光纖測(cè)井提供了一個(gè)新方法,具有良好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:熱采井;光纖測(cè)試技術(shù);光纖連續(xù)管;高溫;注汽
中圖分類(lèi)號(hào): TE938 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A DOI: 10. 16082/j. enki. issn. 1001—4578.2022. 12.011
Research and Application of High-Temperature ResistantOptical Fiber CT Testing Technology
Pan Yiyong Gu Qilin Sun Yubao Meng Xianghai Wang Cheng Li Dajian
(1. Exploration and Development Department, CNOOC (China) Limited; 2. Production Optimization, China Oilfield Sernices Limited; 3. State Key Laboratory of Offshore Oil Exploitation; 4. Tianjin Branch of CNOoC (China) Limited)
Abstract: Offshore thermal recovery wells are mostly horizontal wells, and steam injection production is faced with some problems such as uneven and unknown producing degree in horizontal intervals, and unknown passages of steam channeling and water channeling, which affect the performance of thermal recovery. Offshore heavy oil fields have entered the stage of large-scale thermal recovery, and it is urgent to develop the thermal recovery testing technology for horizontal wells. Conventional coiled tubing (CT) conveyed optical fiber testing takes a long time; also, the optical cable is easy to be damaged during the operation, leading to signal loss, and the downhole opti- cal cable and supporting tools cannot be reused, resulting in high testing cost and inadequate applicability. There- fore, combining the features of optical fiber and CT, a high-temperature resistant composite optical fiber CT and the key supporting tools suitable for steam injection wells under high-temperature and high-pressure (HTHP) con- ditions were developed, which can test the temperature, pressure and acoustic wave under HTHP conditions. It is featured by high-temperature resistance (350 C), short operation time, flexibility, high efficiency and retriev-ability. This technology was applied in a steam injection well in offshore heavy oilfield for the first time and it suc-cessfully acquired the temperature data of the whole well section and made clear the steam absorption ( water ab-sorption ) status of horizontal intervals,which provides a scientific guidance for the assessment of steaming floodingeffect and the optimization of steam injection pipe strings in the oilfield. The high-temperature resistant optical fiberCT' testing technology solves the problems of easy damage of optical cable and high testing cost in directional wellsand horizontal wells. It provides a new method for fiber logging and has a good application prospect.
Keywords:thermal recovery well; optical fiber testing technology; optical fiber CT;high temperature;steam injection
0引言
我國(guó)海洋原油儲(chǔ)量豐富,已發(fā)現(xiàn)稠油地質(zhì)儲(chǔ)量3.29x10°m3,稠油熱采技術(shù)已成為開(kāi)發(fā)海上稠油油田的有效手段之一。稠油熱采技術(shù)自2008年以來(lái)在渤海油田推廣應(yīng)用,取得了較好的開(kāi)發(fā)效果(1—2]。隨著增儲(chǔ)上產(chǎn)需求以及技術(shù)的發(fā)展,海上油田已進(jìn)入規(guī)模化熱采開(kāi)發(fā)階段。但海上熱采井多為水平井,注汽開(kāi)采面臨著水平段動(dòng)用程度不均勻、動(dòng)用程度未知,汽竄、水竄流道不明等問(wèn)題[3—4],影響了熱采開(kāi)發(fā)效果。因此,海上稠油熱采對(duì)測(cè)試技術(shù)的需求日益迫切。
光纖測(cè)試技術(shù)是近些年興起的一種測(cè)試技術(shù),因其分布式監(jiān)測(cè)與高精度的特性,在遼河油田、新疆油田以及勝利油田等陸地油田均有應(yīng)用,可實(shí)現(xiàn)稠油熱采井的注入與產(chǎn)出剖面監(jiān)測(cè)、蒸汽驅(qū)或火驅(qū)波及情況監(jiān)測(cè),儲(chǔ)氣庫(kù)溫度及漏失監(jiān)測(cè),以及冷采井找水、壓裂監(jiān)測(cè)[5—6]。張義強(qiáng)等[7]針對(duì)稠油熱采井提出了一種分布式光纖測(cè)溫技術(shù),使用?6.35mm光纖管及分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)取井筒溫度。鄭金中等[8]基于光纖光柵傳感器,研究了一種井下永久式光纖溫度—壓力測(cè)試技術(shù),適應(yīng)井下200℃高溫測(cè)試需求。劉明堯等[9]基于光纖光柵壓力檢測(cè)原理,提出了一種套管井下壓力光纖光柵測(cè)量方法,并開(kāi)展了室內(nèi)試驗(yàn)研究。任利華等[10]創(chuàng)新性地將溫度監(jiān)測(cè)光纖與壓力監(jiān)測(cè)電纜一體化封裝、捆綁在油管柱下入,實(shí)現(xiàn)了全井筒溫度及部分井段壓力的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。鄒洪峰等[”論述了國(guó)外光纖測(cè)井技術(shù)的發(fā)展概況、耐高溫光纖技術(shù)方案及國(guó)外開(kāi)發(fā)耐高溫光纖的情況。
雖然國(guó)內(nèi)外關(guān)于光纖測(cè)井技術(shù)的研究較多,但主要以井下永久式、半永久式光纖測(cè)試技術(shù)為主,通過(guò)油管或者套管攜帶的方式下入測(cè)試光纜。該類(lèi)型測(cè)井技術(shù)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng),作業(yè)過(guò)程中光纜易損壞而失去信號(hào),而且井下光纜及配套工具無(wú)法重復(fù)使用,測(cè)試成本高、適用性不足。為此,筆者研發(fā)了一種耐高溫光纖連續(xù)管測(cè)試技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)為一種臨時(shí)光纖測(cè)井技術(shù),具有耐高溫、作業(yè)時(shí)間短、測(cè)試靈活高效,測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)回收的特點(diǎn)。2022年3月,該技術(shù)應(yīng)用于海上稠油油田蒸汽驅(qū)注汽井,成功獲取了該井全井段的溫度數(shù)據(jù),了解了水平段的吸汽(吸水)狀況,為該油田蒸汽驅(qū)效果評(píng)價(jià)、注采方案優(yōu)化及堵調(diào)工藝措施實(shí)施提供了科學(xué)指導(dǎo)和依據(jù)。
1 技術(shù)簡(jiǎn)介
1.1 測(cè)試工藝流程
通過(guò)將部署于連續(xù)管內(nèi)部的耐高溫光纖下入井底,以光纖本身作為傳感器,地面端連接連續(xù)管光纜密封器、分布式溫度傳感測(cè)量系統(tǒng)(DTS)以及分布式聲學(xué)傳感系統(tǒng)(DAS),從而實(shí)現(xiàn)全井段的溫度、聲波以及壓力等參數(shù)測(cè)試。通過(guò)DTS與DAS結(jié)合、相互驗(yàn)證,從而了解注汽井、生產(chǎn)井油層段的吸汽/產(chǎn)液狀況,識(shí)別出水層位,為注采方案優(yōu)化及工藝措施實(shí)施提供指導(dǎo)依據(jù)。水平井光纖連續(xù)管測(cè)試工藝流程見(jiàn)圖1。
1.2 技術(shù)原理
(1)分布式光纖溫度測(cè)量原理。主要依據(jù)光纖的時(shí)域反射原理以及光纖的背向拉曼散射溫度效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)光脈沖從光纖一端射入光纖時(shí),光脈沖會(huì)沿著光纖向前傳播。由于光脈沖與光纖內(nèi)部分子發(fā)生彈性碰撞和非彈性碰撞,故光脈沖在光纖中每一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生反射,其中有一部分反射光其方向與入射光的方向相反(亦可稱(chēng)為背向)[12—13]。這種背向反射光的強(qiáng)度與該反射點(diǎn)的溫度有一定的相關(guān)性。反射點(diǎn)的溫度越高,反射光的強(qiáng)度也越大。若能測(cè)出背向反射光強(qiáng)度,便可計(jì)算出反射點(diǎn)的溫度。通過(guò)對(duì)光纖系統(tǒng)進(jìn)行溫度標(biāo)定,即可計(jì)算出環(huán)境的實(shí)際溫度[7]:
式中:T為測(cè)量點(diǎn)環(huán)境溫度,K;T。為恒溫槽溫度,K;k為玻爾茲曼常數(shù),k=1.38x10—23J/K;h為普朗克常數(shù),h=6.63x1034J·s;c為真空中的光速,c=3x108m/s;Δy為偏移系數(shù),cm;R(T)為反 斯托克斯光強(qiáng)度與斯托克斯光強(qiáng)度比值。
(2)分布式光纖聲波傳感測(cè)試原理。與常規(guī)OTDR(光學(xué)時(shí)域反射技術(shù))相比,基于C—OTDR的分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于靈敏度高、定位精度高以及多點(diǎn)監(jiān)測(cè)。C—OTDR系統(tǒng)是基于光的干涉原理,對(duì)背向散射光的瑞利光信號(hào)以相干接收方法進(jìn)行接收,可有效消除系統(tǒng)中光放大器引入的自發(fā)輻射噪聲,增大了檢測(cè)信號(hào)的信噪比和動(dòng)態(tài)范圍[1+16]。在探測(cè)方面,C—OTDR引入外差探測(cè),進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的信噪比,從而減少了平均次數(shù),提高了系統(tǒng)的振動(dòng)頻響能力。分布式光纖聲波傳感測(cè)試原理如圖2所示。
(3)分布式光纖定位測(cè)量原理。光脈沖進(jìn)入光纖之后開(kāi)始計(jì)時(shí),發(fā)射端收到散射回波信號(hào)時(shí),說(shuō)明該處信號(hào)是由距發(fā)射端處的光纖所產(chǎn)生。只要接收端的頻率足夠高,且采樣時(shí)間間隔足夠小,就能夠得到整根光纖的實(shí)際信號(hào)值,實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。其測(cè)量計(jì)算式為:
式中:L為光纖產(chǎn)生散射的位置,m;c1為光脈沖在光纖中的傳播速度,m/s;t為光脈沖進(jìn)入光纖到接收到回波信號(hào)的時(shí)間差,s。
1.3 技術(shù)指標(biāo)
(1)測(cè)溫范圍0~400℃,測(cè)溫精度±0.2℃;
(2)測(cè)溫分辨率0.1℃,溫度漂移≤0.1℃/a;
(3)測(cè)壓精度為0.1%FS,測(cè)壓分辨率0.001MPa;
(4)定位精度±0.5m,空間分辨率≤0.5m;
(5)測(cè)量頻率范圍5~10kHz;
(6)最大測(cè)量距離>3km。
1.4 技術(shù)特點(diǎn)
(1)實(shí)時(shí)、快速實(shí)現(xiàn)井下多點(diǎn)測(cè)試;
(2)光纖傳感器體積小、質(zhì)量輕,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量;
(3)耐高溫、抗腐蝕、抗電磁干擾;
(4)通過(guò)光纖精確定位連續(xù)管下入深度;
(5)測(cè)試作業(yè)靈活、高效,系統(tǒng)可回收。
2 關(guān)鍵配套設(shè)備工具
2.1 耐高溫光纖連續(xù)管
海上熱采井多為水平井,井斜角及狗腿度大,且注蒸汽井溫度高、壓力高,井下工況極為苛刻。常規(guī)光纖光纜不耐高溫,在熱采水平井工況下易損壞,進(jìn)而氫離子滲入光纜侵蝕光纖,導(dǎo)致光纖失效[17—18]。為此,筆者研發(fā)了耐高溫光纖連續(xù)管,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該設(shè)備可在熱采水平井350℃高溫、21 MPa高壓工況下連續(xù)穩(wěn)定測(cè)試,獲取井下溫度、壓力以及聲波振動(dòng)等數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵技術(shù)參數(shù):連續(xù)管外徑38.1mm;外層不銹鋼毛細(xì)管外徑6.35mm、825材質(zhì);內(nèi)層不銹鋼毛細(xì)管外徑4mm、316L材質(zhì);耐高溫光纖采用改良聚酰亞胺光纖,耐溫350℃、耐壓21 MPa。
2.2 井口防噴裝置
為實(shí)現(xiàn)對(duì)注汽井高溫(≥300℃)、高壓工況下的光纖連續(xù)管測(cè)試[19],研發(fā)了耐高溫連續(xù)管井口防噴裝置,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。該裝置采用耐高溫密封組件,主要由耐高溫防噴盒、雙層防噴管、噴淋裝置等部分組成。測(cè)試作業(yè)期間持續(xù)向防噴管中循環(huán)注入冷卻水降溫,并通過(guò)噴淋裝置向防噴盒降溫,同時(shí)可注入氮?dú)庾韪舾邷亓黧w,從多個(gè)方面保障高溫下井口防噴裝置的可靠性,確保連續(xù)管測(cè)試作業(yè)安全。
關(guān)鍵技術(shù)參數(shù):通徑77.7mm;連接形式為法蘭連接;適用連續(xù)管規(guī)格?38.1mm;耐溫≥320℃,耐壓≥21 MPa。
2.3 密封裝置
耐高溫光纖連續(xù)管密封裝置是一種可實(shí)現(xiàn)連續(xù)管、光纜及光纖之間密封的地面密封保護(hù)裝置。該裝置能防止當(dāng)井下連續(xù)管、光纜出現(xiàn)刺漏時(shí),井下高溫流體上返至地面端造成安全風(fēng)險(xiǎn),結(jié)構(gòu)如圖5所示。當(dāng)壓力表有壓力顯示時(shí),可通過(guò)關(guān)閉光纖密封器球閥來(lái)關(guān)斷井下與地面的通道,確保測(cè)試安全。
關(guān)鍵技術(shù)參數(shù):適用連續(xù)管外徑38.1mm;適用光纜管直徑6.35mm;耐溫350℃、耐壓21MPa;關(guān)鍵部件材質(zhì)2Cr13。
3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
3.1 測(cè)試井概況
X1井為渤海某油田一口熱采水平井,完鉆井深1752m。該井自2011年以來(lái)開(kāi)展了3輪次注熱吞吐作業(yè)。為進(jìn)一步提高該油田熱采采收率,自2020年6月開(kāi)展水平井蒸汽驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn),注汽溫度330~340℃、注汽壓力9.5~110.0MPa、過(guò)熱度>20℃。該井采用了高效隔熱+水平段均勻注汽的組合管柱,水平段共布置了10個(gè)均衡配注閥,其結(jié)構(gòu)如圖6所示。截至2022年3月,井筒管柱及工具經(jīng)歷多次停注、高低溫交變工況考驗(yàn),達(dá)到了方案預(yù)期效果,計(jì)劃2022年4月進(jìn)行換管柱作業(yè)。為了解該井水平段的吸汽情況,識(shí)別高滲、汽竄通道,在更換注汽管柱前開(kāi)展光纖連續(xù)管測(cè)試作業(yè),為該井水平段注汽管柱優(yōu)化、后續(xù)注熱參數(shù)調(diào)整與調(diào)堵措施制定提供依據(jù)。
3.2 注汽井測(cè)試工藝
(1)測(cè)試前準(zhǔn)備。目標(biāo)井注入過(guò)熱蒸汽,溫度高達(dá)340℃,進(jìn)行光纖連續(xù)管測(cè)試作業(yè),最大的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)為連續(xù)管井口防噴裝置??紤]到光纖連續(xù)管首次應(yīng)用于注蒸汽井,風(fēng)較高,為確保安全作業(yè),待該井停注后下人光纖連續(xù)管。并通過(guò)氮?dú)庠O(shè)備向注汽管柱中注入一定量的氮?dú)?,抑制管柱?nèi)高溫流體上返至井口,確保井口防噴裝置安全。
(2)光纖連續(xù)管入井及測(cè)試工藝。①光纖連續(xù)管入井前連接光纖解調(diào)設(shè)備,確認(rèn)光纖信號(hào)正常。②光纖連續(xù)管入井過(guò)程中間歇檢測(cè)光纖信號(hào)。③光纖連續(xù)管下入注熱管柱底部后,釋放下壓力,保持靜止?fàn)顟B(tài)[15]。④持續(xù)對(duì)水平段及全井筒管柱進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè),水平段測(cè)試時(shí)間不少于12h,當(dāng)同一點(diǎn)溫度變化不超過(guò)0.5℃/h時(shí),達(dá)到測(cè)試目的。
3.3 測(cè)試結(jié)果解釋分析
2022年3月開(kāi)展光纖連續(xù)管測(cè)試作業(yè),順利下至目的深度1712m,其中水平段溫度測(cè)試時(shí)間12h,成功測(cè)取了全井筒的溫度數(shù)據(jù)。
(1)全井段光纖溫度測(cè)試解釋分析。X1全井段光纖溫度測(cè)試曲線如圖7所示,水平段注汽管柱內(nèi)溫度為290.5~293.5℃,檢驗(yàn)了光纖連續(xù)管的耐高溫性能。從圖7可以看出,注汽管柱存在多個(gè)溫度低點(diǎn),說(shuō)明隔熱油管接箍處的隔熱性能要低于隔熱油管本體,有必要進(jìn)一步增強(qiáng)接箍處的隔熱性能,降低熱損失。通過(guò)分析測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)變化規(guī)律認(rèn)為,該井動(dòng)液面約為188m,進(jìn)而計(jì)算目前該井地層壓力約為7.63 MPa(轉(zhuǎn)驅(qū)前地層壓力約為5MPa)。
(2)水平段溫度測(cè)試解釋分析。水平段溫度測(cè)試曲線如圖8和圖9所示。從圖8和圖9可以看出,該井水平段吸汽不均勻,整體下半段吸汽情況優(yōu)于上半段吸汽情況[20—21]
吸汽相對(duì)差層段:1530~1575m井段溫度相對(duì)偏低,平均溫度約為291.5℃,吸汽層段溫度1 530~1 550m>1 550~1 560m>1 560~1 575m。
吸汽相對(duì)好層段:1587~1705m井段溫度平穩(wěn)偏高,平均溫度約為293℃,吸汽層段溫度1 587~1 652m>1 661~1 690 m>1 652~1 661 m> 1 690~1 705m。
圖10為X1井測(cè)井地質(zhì)解釋圖。對(duì)比圖8和圖10可知,水平段光纖測(cè)溫相對(duì)偏低(286~288℃)的井段為泥巖層段(1453.4~1 456.2m、1 505.0~1520.3m)。由于泥巖較砂巖吸熱性差,導(dǎo)致該處注汽期間溫度偏低,同時(shí)也驗(yàn)證了光纖連續(xù)管測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
(3)水平段均勻注汽管柱優(yōu)化。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果,通過(guò)水平段均衡注汽設(shè)計(jì)軟件對(duì)該井水平段注汽管柱進(jìn)行優(yōu)化,調(diào)整均衡配注閥的位置及密度,改善水平段的吸汽情況,抑制汽竄情況,提高X1井蒸汽驅(qū)注汽效果。優(yōu)化后的均衡配注閥分布與首次注汽管柱均衡配注閥分布情況如表1所示。
水平段均勻注汽管柱結(jié)構(gòu)如下:變扣+?73.0mm(27/8 in)EU油管17根+均衡配注閥+5x(1根油管+均衡配注閥)+2根油管+均衡配注閥+4根油管+均衡配注閥+2根油管+均衡配注閥+3根油管+均衡配注閥+3根油管+開(kāi)孔圓堵。
4結(jié)論與建議
(1)通過(guò)耐高溫光纖連續(xù)管測(cè)試,可實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)取全井筒的溫度、壓力及振動(dòng)數(shù)據(jù),從而了解注汽井或者生產(chǎn)井的水平段吸汽(吸水)、產(chǎn)出狀況,為注采效果評(píng)價(jià)、注采方案優(yōu)化及工藝措施提供指導(dǎo)和依據(jù)。
(2)通過(guò)采用耐高溫光纖連續(xù)管、光纖連續(xù)管密封裝置以及向管柱內(nèi)注入氮?dú)庾韪舾邷亓黧w上返至井口的組合測(cè)試方案,實(shí)現(xiàn)了注汽井高溫下的光纖連續(xù)測(cè)試,獲取了全井筒的溫度數(shù)據(jù)。同時(shí)光纖連續(xù)管順利回收,達(dá)到了測(cè)試目的,為注汽井開(kāi)展光纖連續(xù)管測(cè)試積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。
(3)此次水平段溫度測(cè)試結(jié)果表明,該井水平段溫度及吸汽情況存在差異,整體趨勢(shì)下半段優(yōu)于上半段。建議對(duì)水平段均勻注汽管柱進(jìn)行優(yōu)化,調(diào)整不同層段均衡配注閥的位置及密度,以改善注汽效果;后續(xù)可對(duì)水平段下半段進(jìn)行堵調(diào),抑制汽竄、水竄情況,進(jìn)一步改善注汽效果。
(4)相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)井工藝,耐高溫光纖連續(xù)管測(cè)試具有耐高溫高壓、可實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)取數(shù)據(jù)、作業(yè)靈活高效、井下測(cè)試系統(tǒng)可回收等顯著的特點(diǎn),具有較好的應(yīng)用前景,建議繼續(xù)在海上稠油熱采井推廣應(yīng)用。
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第一作者簡(jiǎn)介:潘億勇,高級(jí)工程師,生于1973年,2004年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè),獲碩士學(xué)位,現(xiàn)從事海洋石油開(kāi)發(fā)生產(chǎn)管理工作。地址:(300459)天津市塘沽區(qū)。
通信作者:顧啟林,E-mail:guql2@cosl.com.cn。
收稿日期:2022—08—16
(本文編輯 劉鋒)