摘" "要：針對現(xiàn)有落魚打撈工具，打撈范圍小、更換頻繁及現(xiàn)場打撈效率低的問題，設(shè)計了一種大范圍打撈筒工具，提高打撈效率，降低使用成本。采用拓?fù)鋬?yōu)化理論對常規(guī)籃瓦式打撈筒進(jìn)行受力分析，以？準(zhǔn)206 mm打撈筒和？準(zhǔn)139.7 mm落魚為研究對象，優(yōu)化設(shè)計新型大范圍打撈筒工具，并開展室內(nèi)和現(xiàn)場試驗進(jìn)行驗證。工具室內(nèi)試驗在特定試驗臺架上進(jìn)行抗拉、抗扭、極限性能及打撈范圍適用性測試；現(xiàn)場試驗在中海油服新疆作業(yè)支持基地進(jìn)行，驗證工具打撈作業(yè)應(yīng)用效果。結(jié)果表明，優(yōu)化后的大范圍打撈工具在拉力800 kN和轉(zhuǎn)矩15 kN·m試驗參數(shù)下，籃瓦和落魚咬合穩(wěn)定；在拉力1 500 kN極限工況測試中，籃瓦內(nèi)齒出現(xiàn)崩齒與明顯磨損；該工具能滿足±3 mm打撈范圍要求，籃瓦咬合落魚牢固，接觸表面無滑移和明顯損傷。大范圍打撈筒工具結(jié)構(gòu)合理，作業(yè)效率是常規(guī)打撈筒工具的3倍，為現(xiàn)場打撈作業(yè)提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：打撈筒；拓?fù)鋬?yōu)化；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；落魚；試驗

中圖分類號：TE921.9" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.02.005

Research and Experiment of Downhole Large-Range Overshot Tools

Based on Topological Optimization

GAO Pengyang， LI Yong

（China Oilfield Services Limited，Tianjin 300459，China）

Abstract： Research was conducted to solve the problems of the existing fishing tools for lost fish， such as small fishing range， frequent tool replacement， and low fishing efficiency on site. To improve the fishing efficiency and reduce the tool usage cost， a long-range overshot tool was designed. The method involved using the topological optimization theory to perform a force analysis on the conventional basket-type overshot. Taking the ？準(zhǔn)206 mm overshot and the ？準(zhǔn)139.7 mm lost fish as the research objects， a new large-range overshot tool was optimally designed， and indoor tests and field tests were conducted for verification. The indoor tests were conducted on a special test bench to test the tensile and torsional strength， the ultimate performance of the tool， and the applicability of the fishing range. The field tests were conducted for fishing operations at the Xinjiang Operation Support Base of COSL to verify the application effect of the tool. The results show that under the test parameters of a pulling force of 800 kN and a torque of 15 kN·m， the bite between the basket slip and the lost fish of the optimized long-range fishing tool is stable. In the ultimate working condition test with a pulling force of 1，500 kN， tooth breakage and obvious wear occurred on the innlarge-rangeer teeth of the basket slips. This tool can meet the requirement of a fishing range of ±3 mm， the basket slips firmly bite the lost fish， and there is no slippage and obvious damage on the contact surface. The structure of the large range overshot tool is reliable， and its operating efficiency is three times that of the conventional overshot tool， providing a technical reference for on-site fishing operations.

Key words： overshot; topological optimization; structural optimization; fish; test

隨著油氣開采技術(shù)向超深井、水平井和上翹井發(fā)展，油氣鉆采井況越來越復(fù)雜，鉆井事故頻發(fā)，對落魚打撈作業(yè)的效率和質(zhì)量要求日益提高［1-2］。其中打撈筒是不可或缺的一種工具，主要用于打撈油管、鉆桿、軸筒類等魚頂為圓柱形的落魚工具。打撈筒的結(jié)構(gòu)簡單應(yīng)用廣泛，但是目前常規(guī)打撈筒只能用于打撈直徑偏差范圍在±1 mm以內(nèi)的落魚［3］，超出范圍時需要更換不同尺寸的卡瓦，導(dǎo)致現(xiàn)場作業(yè)周期和作業(yè)成本增加，需要研制出大范圍打撈筒以提高生產(chǎn)效率，降低工具使用成本。

經(jīng)過對相關(guān)技術(shù)及文獻(xiàn)分析，針對油氣開采井下打撈工具的研究主要集中于打撈方法和打撈工藝的優(yōu)化，針對工具本身的優(yōu)化設(shè)計較少。張杰等［4］通過增加轉(zhuǎn)換接頭和引導(dǎo)塊設(shè)計了引導(dǎo)式卡瓦打撈筒。劉文鵬［5］采用套銑管雙級扣連接設(shè)計了可以連接不同工具的彈性打撈筒。趙宏亮等［6］針對井下傾斜鉆頭，改良了現(xiàn)有打撈筒，設(shè)計了傘狀母錐接頭、螺旋切割片和弧形扶正器。趙瑞元等［7］針對水平井設(shè)計了專用的水平井偏磨油管防縮徑偏心卡瓦打撈筒，提高了水平井管類落物的打撈效率。王一全［8］針對大變徑井筒，通過將工具高度模塊化設(shè)計，研發(fā)了適用于打撈工具尺寸受限的作業(yè)井，并進(jìn)行了理論計算和現(xiàn)場試驗驗證。平恩順等［9］設(shè)計了組合式整形打撈筒，通過加長引鞋和筒體設(shè)計提高打撈準(zhǔn)確率，主要用于井筒強度差、易變形等特殊井況。劉朕等［10］根據(jù)對工具、魚頭和井眼尺寸三者關(guān)系的受力狀態(tài)建立模型，設(shè)計了一體化集成打撈工具以解決井眼尺寸大、落魚斜靠不居中等問題。上述研究多是針對特定井況的打撈筒設(shè)計，無法大范圍應(yīng)用于常規(guī)使用工況。

本文結(jié)合籃瓦式打撈筒工具結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化理論，以？準(zhǔn)206 mm打撈筒和？準(zhǔn)139.7 mm落魚為研究對象，通過對常規(guī)打撈筒工具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提出了新型大范圍打撈筒工具（打撈尺寸±3 mm），并針對大范圍打撈筒工具開展室內(nèi)試驗，從工具抗拉、抗扭、極限性能以及打撈范圍適用性等方面初步驗證打撈筒打撈落魚的結(jié)構(gòu)可靠性，通過現(xiàn)場試驗進(jìn)一步驗證了大范圍打撈筒工具的應(yīng)用效果。

1 技術(shù)分析

1.1 工具結(jié)構(gòu)及功能

井下打撈筒工具由上接頭、外筒體、A型盤根、籃瓦、銑鞋、緊定螺釘和引鞋等組成，如圖1所示。該工具是打撈井內(nèi)光滑外徑落魚最有效的工具，可打撈如鉆鋌、鉆桿、油管和隨鉆工具等；能承受大載荷。設(shè)計有落魚密封結(jié)構(gòu)，能高泵壓循環(huán)，也可以在井內(nèi)釋放落魚；帶有銑鞋，用于修整落魚的飛邊破口，使落魚順利進(jìn)入撈筒。工具可連接加長節(jié)和加大引鞋等，適用于打撈距魚頂較遠(yuǎn)的管段，增大網(wǎng)撈面積，把偏倚井壁的落魚引入至打撈筒內(nèi)，實現(xiàn)倒扣打撈。

1.2 工作原理

打撈筒工具籃瓦表面為完整的鋸齒形螺紋，外筒體內(nèi)表面同為鋸齒形螺紋，內(nèi)外螺紋相互配合并約束籃瓦的膨脹收縮，并且外筒體和籃瓦之間的鋸齒形螺紋配合間隙就是籃瓦的打撈尺寸范圍?；@瓦內(nèi)孔是多頭鋸齒形螺紋撈牙，周向開有膨脹槽，籃瓦受軸向壓力后直徑增大，受拉力時直徑減小，利用籃瓦的膨脹和收縮使落魚順利進(jìn)入打撈筒并抱緊。每種規(guī)格打撈筒工具的外筒體，都能換裝多種打撈尺寸的籃瓦進(jìn)行打撈作業(yè)。打撈筒工具的內(nèi)外鋸齒形螺紋均為左旋，順時針旋轉(zhuǎn)時為卸扣，更便于釋放落魚。釋放落魚時，先對鉆具施加一定的軸向壓力，再對打撈筒施加一定的扭矩，同時銑鞋會限制籃瓦在外筒體內(nèi)的周向運動，所以籃瓦會隨外筒體一起旋轉(zhuǎn)卸扣，然后釋放落魚。

2 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

2.1 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化分析

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是一種尋找最優(yōu)材料分布的計算過程，滿足一系列預(yù)設(shè)條件的同時，達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。在很多情況下，拓?fù)鋬?yōu)化的過程會直接考慮應(yīng)力或應(yīng)變限制條件，以確保結(jié)構(gòu)在最惡劣的工作條件下不會發(fā)生破壞［11-12］。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化中的水平集法［13］，可以在三維空間中追蹤物體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，并且無需對曲面進(jìn)行參數(shù)化。

對水平集函數(shù)的參數(shù)大規(guī)模散亂數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，采用徑向基函數(shù)和Ｂ樣條曲線來擬合水平集函數(shù)，形成可視化的三維曲面，用簡單的一元函數(shù)描述多元函數(shù)，對水平集函數(shù)進(jìn)行插值，改變插值系數(shù)間接更新水平集函數(shù)［14-15］。其中B樣條曲線表達(dá)式為：

水平集函數(shù)及材料邊界描述如圖2所示，通過平面邊界Φ2切割出兩個區(qū)域，對應(yīng)Φ1為籃瓦區(qū)域，Φ3為打撈筒的外筒體，籃瓦區(qū)域的中心為孔洞，孔洞中為落魚（套管）。

打撈筒主要受到落魚對籃瓦的擠壓力p1、籃瓦齒對落魚的抓緊力F、環(huán)空壓力p3和軸向載荷F1，打撈筒的受力分析如圖3所示。分析時一般只考慮軸向載荷與徑向載荷［17］。打撈筒開始旋轉(zhuǎn)時，外筒體通過螺紋結(jié)構(gòu)帶動籃瓦膨脹與收縮，籃瓦、外筒體、落魚三者之間形成多因素的徑向應(yīng)力，對打撈筒施加一定的拉力，形成軸向載荷。

2.2 拓?fù)鋬?yōu)化模型

籃瓦的外螺紋與外筒體的內(nèi)螺紋配合，隨著打撈筒逆時針旋轉(zhuǎn)，籃瓦直徑逐漸減小，對落魚的抓緊力逐漸增強；當(dāng)籃瓦順時針旋轉(zhuǎn)，籃瓦直徑變大，所以通過外力作用可以輕松卸扣打撈筒。當(dāng)逆時針旋轉(zhuǎn)到一定極限時，會造成籃瓦與落魚咬合程度過大，籃瓦內(nèi)齒會產(chǎn)生屈服變形，而籃瓦受力也會直接影響工具使用壽命以及打撈的可靠性，籃瓦力學(xué)模型使用參數(shù)方程如式（3）～（5）所示。

籃瓦受力應(yīng)力示意如圖4a所示，可以看出籃瓦打撈落魚下端受到應(yīng)力的較集中［18］，所以需要調(diào)整籃瓦下端結(jié)構(gòu)，減小應(yīng)力集中，保證增大籃瓦膨脹范圍后籃瓦受到的應(yīng)力不會達(dá)到材料屈服強度。優(yōu)化后籃瓦結(jié)構(gòu)如圖4b所示，在籃瓦下端增加應(yīng)力釋放槽結(jié)構(gòu)，同時增加籃瓦下端咬合落魚的長度，使得籃瓦咬合落魚過程中應(yīng)力變化更小。

3 室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗

3.1 室內(nèi)試驗

3.1.1 試驗方案

為測試優(yōu)化后大范圍打撈筒的打撈范圍和結(jié)構(gòu)可靠性，2024-06，采用某公司 360° 液壓全旋系統(tǒng)作為試驗臺架開展試驗。該試驗臺架主要由液壓驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、移動支架和滑軌組成。采用液壓驅(qū)動系統(tǒng)夾持打撈筒外筒體，模擬井下打撈筒打撈落魚的過程，如圖5所示。根據(jù)現(xiàn)場要求設(shè)置試驗參數(shù)如表1所示，？準(zhǔn)206 mm大范圍打撈筒工具主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

試驗步驟：

1） 打撈筒與？準(zhǔn)136.7 mm落魚安裝后，先施加100 kN的拉力，持續(xù)10 s，確定籃瓦與落魚咬合穩(wěn)定，無明顯位移。

２） 將拉力緩慢均勻增大到200 kN，保持30 s，確定籃瓦與落魚咬合穩(wěn)定，無明顯位移。

３） 重復(fù)上述步驟，每次增加100 kN直至拉力增大到800 kN，且每次保持30 s，觀察籃瓦與落魚

狀態(tài)。

４） 進(jìn)行扭轉(zhuǎn)測試，先施加3 kN·m的力，保持10 s，確定籃瓦與落魚咬合穩(wěn)定。

5） 重復(fù)上述步驟，每次增加3 kN·m直至轉(zhuǎn)矩增大到15 kN·m，每次保持10 s，觀察籃瓦和落魚狀態(tài)。

6） 開展破壞性測試，先施加300 kN的拉力，保持10 s，確定籃瓦與落魚咬合穩(wěn)定，無明顯位移。

7） 重復(fù)上述步驟，每次增加300 kN直至拉力增大到1 500 kN（現(xiàn)場最大拉力），每次保持30 s，觀察籃瓦和落魚狀態(tài)。

8） 采用同一籃瓦依次分別對？準(zhǔn)136.7、？準(zhǔn)139.7、？準(zhǔn)142.7 mm，（±3 mm范圍內(nèi)）三種落魚進(jìn)行打撈模擬，將打撈筒和落魚安裝至打撈預(yù)定位置，增大拉力到800 kN進(jìn)行拉伸，維持60 s后退出落魚，觀察籃瓦與落魚狀態(tài)。

3.1.2 試驗結(jié)果

拉伸測試后籃瓦和落魚表面狀態(tài)如圖6所示，可以看出落魚與籃瓦的磨損痕跡?；@瓦內(nèi)齒有輕微的磨損，落魚上出現(xiàn)較明顯的徑向紋路，沒有出現(xiàn)軸向劃痕，說明在最大拉力作用下，打撈筒中的籃瓦能夠牢固的抓緊落魚，不會發(fā)生破壞。當(dāng)試驗臺架對打撈筒施加拉力時，籃瓦依靠斜面向上運動產(chǎn)生徑向分力，迫使籃瓦咬住落魚，籃瓦在拉力作用下直徑縮小，從而更牢固的抓住落魚［19］。

扭矩的大小和方向也會導(dǎo)致籃瓦內(nèi)齒與落魚接觸面的磨損，影響打撈筒的打撈效率，因此開展扭轉(zhuǎn)測試。扭轉(zhuǎn)測試后籃瓦和落魚表面狀態(tài)如圖7所示，可以看，出籃瓦內(nèi)齒上殘留落魚碎屑，并帶有一定的毛邊，被施加載荷的落魚表面出現(xiàn)較深的劃痕。這是剪切應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切變形，在微觀層面轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟袘?yīng)力，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)沿特定滑移面發(fā)生錯位運動，從而改變了材料的形狀［20］。說明指定范圍內(nèi)的扭矩值不會損傷籃瓦結(jié)構(gòu)，但是過大的扭轉(zhuǎn)力會導(dǎo)致籃瓦出現(xiàn)損傷，在實際作業(yè)中需要注意施加的扭矩大小。

拉力過大可能導(dǎo)致籃瓦崩裂或落魚斷裂，需要進(jìn)一步探究籃瓦在極限工況拉力下與落魚的咬合狀態(tài)，因此開展破壞性測試。破壞性測試后籃瓦和落魚表面狀態(tài)如圖8所示。試驗中，打撈筒咬住落魚后開始逐漸增加拉力，拉力從300 kN增加到1 200 kN期間，觀測到落魚與籃瓦無明顯相對位移，當(dāng)拉力從1 200 kN增加到1 500 kN的時候，落魚與打撈筒發(fā)生異響。根據(jù)圖8a可以看出，此時籃瓦內(nèi)齒出現(xiàn)崩齒與磨損，表明施加的拉力超過了籃瓦材料的屈服強度?；@瓦的內(nèi)齒發(fā)生屈服變形，內(nèi)齒與落魚咬合磨損并產(chǎn)生較多的碎屑，在高載荷作用下，兩者之間的接觸應(yīng)力超過了材料的疲勞極限，同時由于局部應(yīng)力集中和材料的相互作用導(dǎo)致的摩擦和磨損，落魚表面與籃瓦咬合處出現(xiàn)了較為明顯的痕跡，極限拉力的持續(xù)導(dǎo)致籃瓦內(nèi)齒材料的疲勞累積，從而加速材料磨損和損傷［21］。

試驗打撈？準(zhǔn)136.7、？準(zhǔn)139.7、？準(zhǔn)142.7 mm三種規(guī)格落魚后的落魚和籃瓦狀態(tài)如圖9所示。從落魚和籃瓦狀態(tài)可以看出，圖9a落魚表面為清晰、較淺的咬合痕跡，圖9b落魚表面大部分為較淺的咬合痕跡，存在少數(shù)幾條較深咬合痕跡，圖9c落魚表面大部分咬合痕跡均較深，但是無滑移齒痕。結(jié)果表明，隨著打撈落魚尺寸增加，籃瓦和落魚咬合力增大，但是整體仍在籃瓦咬合范圍內(nèi)，三種規(guī)格對應(yīng)的籃瓦內(nèi)齒均無無明顯崩齒、塑性形變和嚴(yán)重磨損等缺陷存在。說明該打撈筒結(jié)構(gòu)可以滿足±3 mm的打撈范圍，且籃瓦和落魚咬合穩(wěn)定可靠。

3.2 現(xiàn)場試驗

3.2.1 試驗方案

在室內(nèi)試驗基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步驗證大范圍打撈工具現(xiàn)場實際應(yīng)用效果，2024-08，在中海油服新疆作業(yè)支持基地開展大范圍打撈筒打撈作業(yè)，打撈工具串組合及現(xiàn)場安裝如圖10所示。

試驗步驟：

1） 將落魚安裝至鉆臺上，限制其周向與下降方向的運動，保證僅可被提起。

2） 連接管柱串。

3） 下入管柱串到指定位置，測上提/下放懸重。

4） 下放打撈筒工具，從魚頂撈入落魚，持續(xù)下探至與銑鞋接觸，繼續(xù)下探至與籃瓦接觸，直到下探至預(yù)定距離。

5） 上提，觀察懸重是否增加，判斷是否成功撈住落魚。

6） 向下施加一定壓力，右旋將落魚解卡，向上運行撈筒，退出落魚。

7） 更換落魚規(guī)格，采用同一打撈筒工具重復(fù)上述操作，直至？準(zhǔn)136.7、？準(zhǔn)139.7、？準(zhǔn)142.7 mm三種規(guī)格落魚打撈完成。

3.2.2 試驗結(jié)果

現(xiàn)場打撈試驗后？準(zhǔn)136.7、？準(zhǔn)139.7、？準(zhǔn)142.7 mm三種規(guī)格落魚狀態(tài)及打撈三種落魚后的籃瓦狀態(tài)如圖11所示。從打撈試驗的落魚可以看出，圖11a落魚表面清晰、較淺的咬合痕跡，齒痕無滑移；圖11b落魚表面大部分清晰、較深的咬合痕跡，齒痕無明顯滑移現(xiàn)象，說明落魚和籃瓦咬合較緊，但是仍在籃瓦變形范圍內(nèi)；圖11c落魚表面咬合痕跡較深，齒痕之間交錯明顯，但是單一齒痕無明顯滑移；圖11d籃瓦內(nèi)齒面無崩齒、塑性變形和明顯磨損現(xiàn)象。因為工具打撈？準(zhǔn)136.7、？準(zhǔn)139.7、？準(zhǔn)142.7 mm三種規(guī)格落魚的籃瓦受力逐漸加大，所以落魚表面齒痕深度增加。在打撈？準(zhǔn)142.7 mm落魚后右旋解卡退出失敗，經(jīng)過2次加大扭矩旋動、上提下放操作后才將落魚退出，所以導(dǎo)致？準(zhǔn)142.7 mm落魚表面出現(xiàn)大量交錯齒痕。

同室內(nèi)試驗相比，現(xiàn)場試驗采用完整的工具串連接，并且為軸向作業(yè)，所以打撈筒工具在打撈中受整體工具串晃動和重力的影響，同時鉆機的轉(zhuǎn)矩?zé)o法直接傳遞給打撈工具，導(dǎo)致？準(zhǔn)142.7 mm落魚需要加大轉(zhuǎn)矩才能退出籃瓦?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明，大范圍打撈筒結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)±3 mm的打撈范圍，且籃瓦和落魚咬合可靠。

4 結(jié)論

1） 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有效。經(jīng)過結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化理論分析，確定在籃瓦下端與落魚接觸位置增加應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)，可減小籃瓦咬合落魚時的應(yīng)力集中，從而增加籃瓦膨脹范圍。這一設(shè)計思路為大范圍打撈筒的成功研發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

2） 室內(nèi)試驗驗證可靠性。①在拉力800 kN和轉(zhuǎn)矩15 kN·m試驗參數(shù)下，籃瓦和落魚咬合穩(wěn)定，咬合過程中未發(fā)生滑移，且籃瓦和落魚表面無明顯磨損，表明工具在正常工作條件下性能可靠。②拉力1 500 kN 破壞性測試中，籃瓦咬合落魚無滑移，但籃瓦內(nèi)齒出現(xiàn)部分崩齒與明顯磨損，說明在極限工況下籃瓦受到多重應(yīng)力作用會超過設(shè)計極限，這也明確了工具的使用極限。③大范圍打撈工具打撈？準(zhǔn)136.7、？準(zhǔn)139.7、？準(zhǔn)142.7 mm三種規(guī)格落魚符合結(jié)構(gòu)設(shè)計中±3 mm打撈范圍要求，落魚表面無滑移，籃瓦內(nèi)齒無崩齒和明顯磨損等重大缺陷，驗證了工具結(jié)構(gòu)設(shè)計功能的可靠性。

3） 現(xiàn)場試驗效果良好。現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，大范圍打撈工具可以順利完成±3 mm打撈范圍的要求，籃瓦與落魚咬合可靠，試驗后籃瓦和落魚表面無崩齒、塑性形變、嚴(yán)重磨損和齒痕滑移等缺陷。盡管現(xiàn)場試驗增加了工具串，且受整體工具串晃動和重力影響以及鉆機轉(zhuǎn)矩?zé)o法直接傳遞給打撈工具等不利因素，但該大范圍打撈工具仍能夠滿足現(xiàn)場使用要求。

4） 工具打撈效率高。該大范圍打撈筒工具的作業(yè)效率是常規(guī)打撈筒工具的3倍，能有效提升油田修井現(xiàn)場工具打撈效率，為油氣開采作業(yè)節(jié)省了時間和成本。

5） 為行業(yè)提供借鑒。大范圍打撈筒工具的成功研發(fā)和試驗，為油氣開采行業(yè)的落魚打撈作業(yè)提供了一種新的技術(shù)借鑒，尤其是在復(fù)雜井況下，對于提高打撈效率、降低作業(yè)成本具有重要意義。

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（編輯：馬永剛）