油气人工智能

• 数字孪生驱动的深地钻井顶驱智能运维关键技术

  王博;李显义;米凯夫;刘增;谭帅;李想;张行;

  针对万米深地油气资源开发和深地钻井顶驱智能运维关键需求，总结了顶驱PHM运维的关键问题，并提出了深地钻井顶驱数字孪生PHM运维框架。顶驱PHM运维框架主要包括顶驱物理空间、智能场景感知模块、多层次多领域DT模型，以及模型和数据融合的风险评价、预测性维护方法等。运维框架可模拟顶驱减速箱工作状态，显示齿轮转速、润滑油温度、轴承振动和冲击；模拟背钳及其液压控制系统工作状态，显示内部夹持力、力矩、管路压力；模拟吊环倾斜系统及其液压系统工作状态，显示吊环倾角等，具备良好的工业可应用性与顶驱普适性，可充分利用现役顶驱的配套系统进行拓展，适应顶驱钻井流程中的关键运维需求。研究结果可为顶驱数字孪生系统的实际应用部署提供概念指导与技术借鉴。

  2025年06期 v.53;No.556 1-11+21页 [查看摘要][在线阅读][下载 2691K]
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• 管道智能封堵机器人减速运动控制响应分析

  王珊珊;江政国;

  管道智能封堵机器人（Pipeline Intelligent Plugging Robot, PIPR）是管道12小时快速维抢作业不可或缺的高端装备，实现高效、稳定减速是其封堵作业成功的关键。针对依靠节流调速实现减速和定位的RIPR减速距离控制不够理想的问题，设计了其液压控制系统，并建立基于模糊PID控制的伺服PIRP恒定减速非线性动力学模型。采用数值模拟方法对该液压控制系统进行机-液联合仿真，研究了控制系统重要参数对PIRP减速过程中动态控制稳定性的影响规律。研究结果表明：随着初始速度增加，PIRP的质心加速度呈逐渐增大的趋势，最大超调量为-3.4 m/s2，减速过程控制时间多在30 s内，定位精度多在5%以内；增加期望减速距离可有效降低定位误差；蓄能器容积应至少大于0.25 L；蓄能器个数对于系统影响较小。研究结果可为PIRP的研制提供参考。

  2025年06期 v.53;No.556 12-21页 [查看摘要][在线阅读][下载 2520K]
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• 井下测量工具云端协同平台开发与实践

  车阳;袁光杰;钱鸿宇;杜卫强;王辰龙;丁吉平;

  井下工具数字化升级难度高，测量端以单机版为主，难以满足当前钻井提质增效的要求。为此，基于无源磁导向工具远程作业需求，详细设计了仿真预演、智能决策、远程作业、智慧工具、虚拟培训5大模块的平台架构，实现了从钻前风险评估、钻中采集处理到钻后反馈优化等全流程的数字化，并开发了可视化界面。针对远场测距精度较低的问题，搭建并对比支持向量机、决策树、多层感知机、卷积神经网络等多种磁导向数据挖掘算法，其中多层感知机算法的鲁棒性和泛化性最佳。现场应用5井次，表明效率提升30%，远距离测量精度提升20%。研究结果可为同类工具云端协同数字化平台开发提供参考依据。

  2025年06期 v.53;No.556 22-29页 [查看摘要][在线阅读][下载 2124K]
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钻井技术与装备

• 随钻前探技术现状及其发展趋势

  闫森;高文凯;张孝辉;王家进;张春华;贾衡天;曹冲;

  随钻前探技术作为随钻测井领域关键新兴技术之一，可以对钻头前方未钻地层进行实时探测，从而有效降低钻井事故风险，提高钻井效率。为了促进我国随钻前探技术发展，对随钻前探技术进行了分类，介绍了随钻电磁波前探、随钻声波前探和随钻地震前探的工作原理，并比较了各自的优缺点；简述了随钻前探工具和仪器的发展进程，并对其应用情况进行了分析；指出多方法融合是未来随钻前探技术发展的重要趋势。建议随钻电磁波前探技术应朝向多频率、多间距测量模式发展；应加强相控阵随钻声波前探理论和技术研究，或探寻将超声换能器前置等方式来增强前探声波能量的技术方法，为后续随钻声波前探仪器的开发奠定技术基础；我国应加大随钻VSP技术攻关研究，可进行高精度传感器研发、井下可控震源取代钻头震源方向的探索，以克服PDC钻头震源问题。研究成果可为我国油气资源的高效安全开发提供技术支撑。

  2025年06期 v.53;No.556 30-37页 [查看摘要][在线阅读][下载 1885K]
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• 自适应钻井黏滑振动井下控制工具设计方法

  周波;李冰;王林聪;张富成;于璟;佀博宇;

  目前针对井下自适应预防与控制黏滑振动工具设计方法鲜有报道，关键参数设计模型与方法尚不完善。为此，基于钻柱系统轴向和周向振动动力学耦合方程，模拟表征了钻井黏滑振动过程钻头扭矩、钻压动态时域特征，提出主动调节钻头切削深度、释放钻柱系统扭矩原理方法，创新形成了井下自适应控制黏滑振动工具方案，建立了自适应控制黏滑振动工具复合碟簧系统、有效行程和极限载荷设计方法，并开展了测试验证。研究结果表明：实时调节钻头钻压、扭矩的井下控制工具方案，避免了地面调节钻井参数控制黏滑振动方法的缺点；该工具复合碟簧系统、有效行程与极限载荷设计方法准确度达到92.1%以上。研究结果可为钻井黏滑振动井下控制工具研制提供理论参考。

  2025年06期 v.53;No.556 38-43页 [查看摘要][在线阅读][下载 1380K]
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• 异形PDC齿切削破碎非均质砾岩数值模拟

  石建刚;李根生;刘伟吉;吴德胜;张楠;邓开创;

  PDC钻头在钻进砾岩地层时，频繁的冲击载荷会缩短PDC齿预期寿命，导致钻头频繁换钻，进而影响钻井效率。异形齿可以改变齿面受到的冲击情况，选择耐冲击的齿面是应对这类地层的有效方法之一。为了研究不同结构PDC齿在切削砾岩时的表现特性，选取了准噶尔盆地深部取心砾岩作为研究对象，基于非均质砾岩有限元模型，通过单轴压缩试验进行了砾岩模型参数标定，并开展了异形齿切削破岩仿真，讨论了12种齿形在相同前倾角和切削深度情况下的切削效果。研究结果表明：斧形齿和三平面齿的平均切削力虽然较大，但是整体波动更稳定；平面齿、凹面齿、凸面齿和双曲面齿的切削力波动都较大，齿面会受到较大的冲击；双曲面齿的破岩比功最小，楔形齿的最大；在不考虑PDC齿刚度的情况下，通过切削力波动和破岩比功2个指标，斧形齿、三平面齿是所有齿形中的较优选择。该研究可为钻进砾岩地层时PDC钻头的齿形选择提供一定参考。

  2025年06期 v.53;No.556 44-51页 [查看摘要][在线阅读][下载 2837K]
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• 井下管串压差卡钻黏附阻力计算模型

  周玉婷;张辉;杨博远;王鹏;余庆;刘科柔;吕坤鸿;

  压差卡钻是显著延长非生产时间、增加成本的主要原因之一。现有的压差卡钻研究多采用对现场数据的经验总结或室内试验方法，目前的理论模型研究缺少对管柱受力、井眼条件和泥饼强度的考虑。为此，通过考虑管柱与井壁接触长度、接触力及接触面积，建立了井下管串压差卡钻黏附阻力计算模型，分别对管柱轴向力、井眼参数（井径、井斜角、狗腿度）及泥饼参数（泥饼厚度、弹性模量、泊松比、渗透率）进行了敏感性分析，得到了上述因素对黏附阻力影响规律，并进行了实例验证。研究结果表明：对于管柱轴向力，黏附阻力随拉力增大而减小，随压力增大而增大；对于主要井眼参数，黏附阻力随井径增大而减小，随井斜角及狗腿度增大而增大；对于主要泥饼参数，黏附阻力随泥饼弹性模量增大而减小，随泥饼泊松比增大而小幅减小，随泥饼渗透率增大先增大后趋于平稳，黏附阻力最大值随泥饼厚度增大而增大。研究结果可为压差卡钻的进一步研究提供理论基础，能够为现场预防卡钻事故提供理论指导。

  2025年06期 v.53;No.556 52-59页 [查看摘要][在线阅读][下载 1792K]
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• 基于ABAQUS显示动力学的柔性钻具水平钻进动力学特性分析

  刘鑫;黄中伟;武晓光;李根生;史怀忠;王佳睿;王铭颖;

  在柔性钻具超短半径径向水平井钻进过程中，井眼轨迹的垂直偏移影响靶点钻遇率。为了揭示柔性钻具水平钻进动力学特性，减少轨迹垂直偏移，基于ABAQUS显式动力学建立了柔性钻具水平段的钻进模型并展开计算。研究重点包括柔性钻具管柱运动、钻头姿态、岩石破碎特性、轨迹偏移特性、地层适应性以及轨迹和井径扩大量对钻压的敏感性。研究结果表明：柔性钻具钻进过程呈螺旋形运动姿态，在绕井眼轴线旋转的同时也绕自身轴线旋转；钻头以近似圆锥形扫描姿态破岩，破碎岩石过程具有不对称性。通过现场试验验证了模型准确性，柔性钻具轨迹偏移主要产生在重力方向上，解释了现场试验中垂直轨迹偏移的原因；软、中和硬岩石对应轨迹偏移率分别为4.44%、3.71%和3.52%，在软岩中轨迹偏移率更显著，大钻压条件下轨迹偏移率更高；钻压增大会减小钻头侧向切削及井径扩大量，优选适用于水平钻进的钻压为（30±5） kN。所得结果可为柔性钻具的运动研究提供一种可行方案。

  2025年06期 v.53;No.556 60-68页 [查看摘要][在线阅读][下载 3094K]
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• 连续管防喷器控制系统的压力控制策略研究

  胡亚轩;吴文秀;

  连续管的管壁较薄，承压能力有限，为避免防喷器动作时伤害连续管或不能快速剪断连续管，开展了连续管防喷器控制系统出口压力的控制策略研究。针对常规PID控制响应偏慢、控制精度欠佳等问题，将模糊理论与PID控制技术相结合，引入模糊PID控制以提高控制系统的压力控制精度及响应的快速性。通过建立控制系统中主要执行元件电磁减压阀的数学模型，采用MATLAB/Simulink仿真分别得到模糊PID控制和常规PID控制的阶跃响应，并对此结果进行了对比分析。研究结果表明：模糊PID控制比常规PID控制的响应速度快21.44%，精度提高1.33%，而超调量降低13%，控制品质得到较大提升。研究结论可为连续管控制系统压力控制提供新的解决方案，可使防喷器动作更可靠、更快捷。

  2025年06期 v.53;No.556 69-74页 [查看摘要][在线阅读][下载 1381K]
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• 高速钻头金属密封结构优化设计与试验研究

  刘洋;黎文奇;佘扬周;

  目前关于钻头密封保护垫对密封结构影响的研究较少，缺乏密封垫的结构优化和试验研究成果。为此，结合测试试验和有限元法，研究压装力、端面比压等参数对金属密封系统力学行为和密封性能的影响规律，分析现有密封垫结构密封性能的缺陷，并设计新型密封垫以及对原结构进行改进研究。研究结果表明：与原密封垫结构相比，新型密封垫与供能圈、金属密封环端面的有效接触面积增大，应力分布较均匀，应力集中较小，变形更平稳，在最大窜动量时接触压力满足密封功能要求，还能够有效减轻磨损；力学性能测试和单元密封试验结果表明，新型密封垫结构满足高速牙轮钻头密封要求。研究结果可为增强高速钻头的密封性能和延长使用寿命提供理论和试验依据。

  2025年06期 v.53;No.556 75-83+116页 [查看摘要][在线阅读][下载 3828K]
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• 围压条件下PDC异形齿切削硅质白云岩研究

  田万顷;刘伟吉;秦德宏;刘成龙;王海涛;胡海;

  白云岩地层是未来油气勘探的重要领域。然而，由于井下的高围压环境及白云岩的难钻特性，传统的平面齿PDC钻头在钻进白云岩地层时易发生崩齿和掉齿等问题，难以满足高效钻进的需求。为了给在围压条件下能高效钻进白云岩地层的PDC钻头的布齿设计提供新思路，基于自主研制的真三轴PDC单齿切削破岩装置，以塔里木盆地采集的硅质白云岩为试验对象，选取4种PDC齿开展围压条件下的室内切削试验，研究了单次切削后得到的岩屑的质量分数、表面粗糙度、分形维数和切削力等指标，并比较了不同PDC齿的破岩比功。研究结果表明：斧形齿与多棱齿的切削力曲线较为平稳、波动小，并且切削力的峰值也更小；在切削深度为1.0 mm的情况下，综合岩屑粗糙度指数与岩屑分形维数来看，斧形齿造成大体积破碎的能力最强，且其破岩能力受围压的影响最小，多棱齿的破岩性能次之；锥形齿的破岩能力受围压的影响最大；当围压不小于15 MPa时，按破岩比功从大到小的齿形排序为：锥形齿、平面齿、多棱齿、斧形齿。研究结果能为兼备攻击性、抗冲击、抗研磨的适用于白云岩地层的PDC钻头布齿设计提供理论基础。

  2025年06期 v.53;No.556 84-90页 [查看摘要][在线阅读][下载 2282K]
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海洋石油装备

• 海洋双胎体软管在扭转载荷下力学行为研究

  高松林;安晨;魏代锋;杨昊岳;李有安;

  扭转荷载是海洋双胎体软管在服役期间的主要荷载之一，扭转刚度是双胎体软管的关键力学性能参数。现有海洋双胎体软管的设计、制造主要参考OCIMF 2009规范和API 17K标准，关于双胎体软管的扭转力学性能指标以及关键结构参数均缺乏详细说明。基于Rebar单元和Embedded嵌入技术建立扭转载荷下双胎体软管非线性力学模型，利用全尺寸扭转试验验证有限元模型的准确性，分析了双胎体软管在轴向自由度固定/不固定情况下的顺/逆时针的扭转力学性能，对软管内外胎体间的摩擦因数、软管内径、内胎体帘线层数、帘线缠绕角度以及螺旋钢筋螺距进行敏感性分析。结果表明：软管扭转方向与螺旋钢筋缠绕方向相反时，扭转刚度更大，软管径向位移变化受到螺旋钢筋变形方向的影响较小；软管端部未固定情况下，其轴向位移随着扭转角度的增大呈现出向内收缩趋势；受到几何非线性因素的影响，软管的扭转刚度随着扭转角度的增大而增大；软管内径、内胎体帘线层数、帘线缠绕角度以及螺旋钢筋螺距对软管的扭转力学性能影响较大。研究结果可为软管的结构设计与应用提供参考。

  2025年06期 v.53;No.556 91-98页 [查看摘要][在线阅读][下载 2595K]
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• 基于固定式钻井平台的新型双作业面井架及配套系统

  杨向前;郭华;张甫;杜文杰;

  传统海洋钻井平台的常规井架由于内部空间受限，接卸套管和立根在同一个二层台操作，存在交叉作业，因而整体效率较低。且目前的钻机提升装置仅配备1台绞车，导致大绳在作业中单侧磨损严重；当绞车发生故障时，需要等待维修，进一步降低了作业效率。为此，提出了一种新型双作业面井架及其配套系统。新型井架采用门形结构，显著增大了井架的内部空间，满足了管柱处理设备的安装需求，同时实现了高效的立根操作；双二层台布局结合可伸缩顶驱设计，在钻井作业进行的同时，另一个二层台可提前预接套管和准备工作，从而提高作业效率；双绞车冗余设计不仅提高了设备的可靠性，还显著提升了钻井效率；通过缩比模型测试，验证了新型井架系统在功能和性能上的优越性。测试结果表明，自动化猫道、提管机械手、铁钻工等设备在新型井架上运行平稳，能够高效完成各项操作，显著提高了钻井平台的作业效率和安全性。研究成果对于推动海洋钻井装备的智能化和高效化发展具有重要意义。

  2025年06期 v.53;No.556 99-106页 [查看摘要][在线阅读][下载 1836K]
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油气田开发工程

• 基于响应面法的三锥旋流器结构优化

  钱伟峰;周思柱;庄号;黄天成;姚周坤;

  目前关于非连续多锥段旋流器的分离性能的研究鲜有报道。为此，设计了组合式三锥旋流器结构，通过数值模拟方法，对其主要结构进行了单因素分析，以研究各个因素对分离效率的影响规律。基于Plackett-Burmann试验确定了各因素的影响权重，并筛选出了3个重要影响因素，结合最陡爬坡试验和响应面设计，对3个因素进行优化，进而得到不同因素和综合分离效率之间的拟合方程。对两两影响因素交互作用进行了分析，以研究其对综合分离效率的影响规律。研究结果表明：最佳参数组合为主直径76.354 mm，上锥段长度80 mm，底流口直径18.495 mm，对应的气体分离效率96.697%，固体分离效率86.983%，综合分离效率94.258%。所得结论可为多锥段旋流器的分离性能研究提供理论参考。

  2025年06期 v.53;No.556 107-116页 [查看摘要][在线阅读][下载 3093K]
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• 混砂泵固液两相流流致振动仿真分析

  戴启平;孙天惠;彭俊威;董富强;李森;周青;唐霄;

  针对压裂用混砂泵装备所面临的工作环境恶劣导致的振动失效问题，采用CFD-DEM耦合计算方法，建立了固液两相流仿真模型，在不同叶轮转速、流量、粒径和混砂体积分数条件下，对固液两相流工况下离心泵外特性的影响进行分析。同时，监测并分析了离心泵蜗壳和叶轮在x、y、z这3个方向上的流体作用力，通过周期图法获得了蜗壳和叶轮在x、y、z这3个方向上的功率谱密度曲线。研究结果表明：颗粒相的加入导致了离心泵扬程和效率的降低，叶轮和蜗壳的主要振动方向分别为叶轮轴向和蜗壳出口方向，主要振动频率为叶频；叶轮转速和流量是影响离心泵振动功率的主要因素，叶轮转速每上升100 r/min，叶轮和蜗壳的主要振动功率平均上升36.15%和37.71%；流量每增加3.78 m~3/min，叶轮主振动功率平均上升28.45%，蜗壳主要振动功率平均下降11.27%；混砂体积分数和颗粒粒径对振动的影响相对较小。研究结果可为混砂泵的安装及作业参数设置提供参考。

  2025年06期 v.53;No.556 117-124页 [查看摘要][在线阅读][下载 2830K]
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• 基于新型围压控制系统的射流动压影响试验研究

  周士杰;吕维平;刘家炜;张正;祝叶;罗彬;

  针对深井、超深井射流解堵作业存在施工效率低、除垢效果差等难题，国内外已经开展了井底环境压力（围压）对射流动压影响的研究。前期研究中加载的围压主要为20 MPa以下，且使用节流方式调压，控制不便、精度不高。为此，提出了使用自主研发的高围压控制系统实现更高围压的工况模拟，可以实现0～100 MPa无级调压，实时监测射流动压与围压数值。通过对系统中可能存在的试验误差进行评估，开展了≤55 MPa围压的初步试验，验证了新型围压加载系统的可行性。同时，对高围压区间下的射流动压特性形成初步认识：当围压≤10 MPa时，射流动压衰减明显；随着围压增加，射流动压衰减幅度逐渐减小。研究结果可指导超深井射流作业，可进一步夯实围压下的射流衰减特性，完善高围压射流衰减理论。

  2025年06期 v.53;No.556 125-129+140页 [查看摘要][在线阅读][下载 1576K]
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• 超临界CO₂对页岩断裂裂缝形态的影响

  吴华;王小琼;葛洪魁;汪海阁;何吉祥;张彦龙;王建勇;

  超临界二氧化碳（SC-CO_2）前置压裂过程中，前置注入的CO_2容易进入页岩多孔介质中，并与地层水或者水基压裂液结合形成弱酸性流体，激发页岩微裂缝萌生扩展。为了明确CO_2对页岩微裂缝萌生扩展的影响，开展了加压浸泡-单轴压缩联合试验，研究了流体类型、浸泡时间、浸泡顺序对页岩微裂缝萌生扩展的影响。研究结果表明：CO_2前置注入能促进层理缝开启，CO_2作用时间越长，层理缝开启数量越多。压力降低时，SC-CO_2开启的层理裂缝容易闭合，但“SC-CO_2→水”复合作用时，水易进入CO_2开启的层理缝中形成有效支撑，与CO_2反应生成碳酸溶蚀碳酸盐岩矿物，弱化页岩的力学强度，促进微裂纹扩展，形成复杂且稳定的缝网。而“水→SC-CO_2”复合作用时，水在压差和毛细管力的作用下渗吸进入页岩微小孔隙中，在孔隙壁面形成大量水膜，严重阻碍了CO_2向页岩内部扩散，使其难以有效开启层理缝。垂直层理样品裂缝扩展主要受加载应力控制，流体的影响较弱，破裂后普遍形成一个倾斜贯穿层理的破裂面。研究结果可为优化页岩CO_2前置压裂工艺参数设计提供理论依据，对于提升页岩油的开发效率及促进CO_2地质封存具有重要意义。

  2025年06期 v.53;No.556 130-140页 [查看摘要][在线阅读][下载 2608K]
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• 全金属锥形螺杆泵试验分析与应用

  陈晓春;

  全金属螺杆泵定子和转子采取间隙配合，不同黏度的流体需要不同的间隙才能达到最优的生产状态。研发了一种新型全金属锥形螺杆泵采油系统。螺杆泵定转子采用锥形结构，通过地面旋转升降组件实现定转子间隙双向调节。井上保护组件可以补偿油管伸缩，防止油管脱扣。均衡组件可使定转子间隙在生产过程中保持稳定。转子位置减小至6 mm时，5和10 MPa工作压差对应的容积效率分别是98.2%和75.4%，同时泵效达到最高（分别是49.6%和38.9%）。随着转子位置进一步减小，容积效率增加缓慢，定转子摩擦加剧，机械效率急剧减小。转子位置大于10 mm时，随着转子位置增大，工作压差为5 MPa对应的机械效率为50%～55%，且有下降趋势。综合考虑，工作时转子位置应大于10 mm。在新春油田稠油热采井实践表明：相对于邻井抽油机采油，采用全金属锥形螺杆泵注采周期生产时间延长52.1%，产液量增加15.2%，日均耗电量减少64.3%，吨液耗电量减少52.7%；相对于同井抽油机采油，日均产液量增加39.4%，日均耗电量减少66.6%，吨液耗电量减少76.1%。研究结果表明，该采油系统能满足现场高效举升的需要，尤其对稠油热采井有很好的适应性。

  2025年06期 v.53;No.556 141-148页 [查看摘要][在线阅读][下载 1761K]
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• 《石油机械》投稿须知

  <正>《石油机械》主要报道油气装备与工程技术最新科技成果和进展，设有钻井技术与装备、海洋石油装备、油气田开发工程、石油管工程、新能源技术与装备和油气人工智能等栏目，欢迎作者就油气钻探与开发、新能源领域的新技术、新装备、新工艺、新材料、新方法等撰写论文，并注意下述写作要点。正文内容：1.文章必须是从未在正式刊物上发表过的，不得一稿多投，也不允许对旧作稍加改动重新投稿。2.文章必须有新意，有独到的见地，有较强的创新性、实用性或导向性。引言中应简要说明文章写作的目的、意义及与他人研究成果的不同点、创新点。3.正文要突出作者自己的研究成果及论点，论述应精炼、准确、严谨，语言要流畅，不要大段引用他人研究成果中的内容。

  2025年06期 v.53;No.556 149页 [查看摘要][在线阅读][下载 1905K]
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