小型水力压裂模拟实验装置

A. 据图所示米勒实验的装置图，回答：（1）在实验前，需对装置进行反复消毒并用蒸馏水冲洗干净．这样做的目

米勒的实验装置如下图
米勒将水注入左下方的烧瓶内，先将玻璃仪器中的空气抽去．然后打开左方的活塞，泵入氨、氢、硫化氢、甲烷、二氧化碳等的混合气体（模拟原始大气）．再将烧瓶内的水煮沸，使水蒸汽和混合气体同在密闭的玻璃管道内不断循环，并在另一容量为5升的大烧瓶中，经受火花放电（模拟原始地球的闪电）一周，最后生成的有机物，经过冷却后，积聚在仪器底部的溶液（模拟原始大气中生成的有机物被雨水冲淋到原始海洋中）．此实验结果共生成20种有机物．其中11种氨基酸中有4种（即甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸）是生物的蛋白质所含有的．米勒的实验试图向人们证实，生命起源的第一步，即从无机小分子物质形成有机小分子物质，在原始地球的条件下是完全可能实现的．
（1）、在实验前，需对装置进行反复消毒并用蒸馏水冲洗干净．这样做的目的是除去装置中的有机成分．
（2）、由以上实验过程可知，A模拟原始地球的环境：高温等．由A泵入混合气体前，需将装置内的空气抽净，其目的是除去空气中的氧气．泵入气体的主要成分包括：氨、氢、硫化氢，这是模拟原始大气成分．
（3）、B装置模拟原始大气的环境，正负电极放电产生火花代表当时闪电，这主要是为该实验提供能量．
（4）、C装置模拟原始海洋，对此装置中的产物进行分析，发现里面存在的有机物是氨基酸．
（5）、A→C过程，实际上是模拟降雨过程．
（6）、米勒通过这个实验证实了生命起源的第一步，从无机小分子物质形成有机小分子物质，在原始地球的条件下是完全可能实现的．
故答案为：（1）除去装置中的有机成分
（2）原始地球的环境；除去空气中的氧气；氨、氢、硫化氢；原始大气
（3）原始大气的环境；闪电；能量
（4）原始海洋；氨基酸
（5）降雨
（6）从无机小分子物质形成有机小分子物质，在原始地球的条件下是完全可能实现的．

B. CT扫描火山岩水力裂缝扩展物理模拟研究

孙志宇 刘长印 李宗田

（中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083）

摘 要 采用大尺寸真三轴实验系统及CT扫描裂缝监测方法，直观有效地观察了微裂缝、孔洞发育的大尺寸火山岩露头岩样水力裂缝扩展规律，分析了不同主应力差、岩石孔隙、天然裂缝发育程度对火山岩压裂裂缝扩展的影响，该方法在国内外尚属首次。实验结果表明，火山岩质地坚硬，难以压开，压裂过程中具有明显的泵压波动；裂缝扩展总体上受水平主应力状态控制，但天然裂缝空间位置、长度、熔孔发育程度及岩石特性会影响裂缝起裂、延伸压力及裂缝形态，形成复杂的裂缝系统：井筒附近的天然裂缝、孔洞会改变水力裂缝起裂次序及扩展方向，而火山岩独有的岩石特性又会使裂缝的空间展布较为扭曲。

关键词 CT扫描 裂缝扩展 物理模拟 火山岩

Research of Physical Modelling on HydraulicFracture Propagation by CT Scan in Volcanic Rocks

SUN Zhiyu，LIU Changyin，LI Zongtian

（SINOPEC Exploration ＆ Proction Research Institute，Beijing 100083，China）

Abstract Applying triaxial experimental system and CT scan monitoring method，the propagation rule of hydraclic fracture in large-size volcanic outcrop rock sample with lots of micro-cracks and holes can be observed effectively，also the effects of stress difference，rock pores and nature fractures on hydraclic fracture propagation can be analyzed，which is first used all over the world.The results show that，the volcanic rock is very hard to crack，and the pump pressure fluctuates obviously in the treatment；the fracture propagation is mainly controlled by horizontal principle stress but nature fractures location and length，rock pores size and rock characteristics also have significant effects on fracture initiation，extension and fracture geometry to cause complex fracture system. Nature fractures and pores near wellbore may change the direction of fracture and the special rock characteristics of volcanic rock may cause the fracture tortuous.

Key words CT scan；fracture propagation；physical modelling；volcanic rock

针对大尺寸岩样水力压裂裂缝起裂和延伸的实验研究，前人做了大量的工作，取得了一定的成果^［1～9］，但是，这些实验都是针对均质的水泥块砂岩，不能用来反映火山岩压裂裂缝起裂、延伸规律，而且在对室内的水力压裂物理模拟实验压裂裂缝的监测方面，传统的方法虽然可行，但都具有一定的局限性。最常规的观测方法是在压裂后用钢锯、铁钎等工具将试样劈开，从而观测裂缝的形状^［5～9］。这种方法有两个缺点：一是在劈裂的过程中，原有的裂缝势必会遭到破坏，或者在原有的裂缝基础上产生新的裂缝，极大地影响了实验结果的准确性；二是在多裂缝的观测方面，常规压裂后的观测方法是沿着主裂缝劈开试样，其结果是只能对主裂缝面进行观测，而其他的裂缝均遭到破坏。利用CT扫描仪和红外线热成像等技术对裂缝进行监测能够克服以上实验方法的弊端，直观、有效地观测到裂缝的扩展形态，分析主应力差、岩石孔隙、天然裂缝发育程度对火山岩压裂裂缝的影响，探索与火山岩多裂缝、缝洞型油藏特点相适应的压裂裂缝起裂、延伸机理，指导火山岩现场压裂优化设计。

1 模拟试验

1.1 试验设备

试验采用中国石油大学（北京）设计组建的大尺寸真三轴模拟系统，该系统可以模拟真实地层条件下水力裂缝的起裂和扩展机理。模拟压裂试验系统由大尺寸真三轴试验架、MTS伺服增压泵、数据采集系统、稳压源、油水隔离器及其他辅助装置组成，如图1所示。

图1 试验设备及流程

1.2 岩样采集与制备

实验采用的火山岩样来自于采集的松南火山岩现场露头，考虑到CT扫描设备的穿透尺寸，共制备200mm×200mm×200mm大尺寸岩石样品10块，取喷溢相上部亚相流纹岩、喷溢相下部亚相凝灰岩各两块进行实验，图2、图3分别为制备的流纹岩及凝灰岩岩样。室内测定流纹岩的单轴抗压强度为265 MPa，杨氏模量为45.50GPa，泊松比为0.24，而凝灰岩的单轴抗压强度为172MPa，杨氏模量为35.25 GPa，泊松比为0.23，均高于常规砂岩，说明火山岩质地坚硬，脆性较强，延展性小。

图2 制备的流纹岩岩样

图3 制备的凝灰岩岩样

1.3 实验步骤

1）在实验岩样的正中钻出直径为14mm的井眼，井眼深度为140mm，然后把模拟井筒放入其中，用ETA公司生产的VMZ345型强力胶黏剂胶结，中间留出10mm的裸眼段便于水力裂缝的起裂。

采用水基胍胶溶液作为压裂液，压裂液中添加了红色示踪剂，压裂液的质量分数为1％，压裂液的黏度为135mPa·s（600转/min），压裂液排量为4.2×10^-9m³/s，4块岩样实验垂向压力都为20MPa，两个水平向围压根据实验岩样的不同而不同。

2）将岩样放置于真三轴模拟压裂试验架上，调整好位置，在岩样周围加上压力板，用起吊机将顶板放置于岩样顶部。

3）连接液压稳压源、压力板之间的管线；连接顶板（模拟井筒）、油水分离器、MTS液压源之间的管线；在三向模拟压裂装置的周围液压板上布置好声发射监测探头。

4）开启液压稳压源，选取其中的两个通道，根据不同的实验要求，手动将通道压力增至预定压力。

5）将制备好的压裂液放入油水分离器。

6）开启MTS伺服增压器，开启与MTS控制器连接的计算机端注入压力控制系统和数据采集系统。

7）缓慢增加注入压力，观察压力注入系统和数据采集系统。观察压力-时间曲线和排量-时间曲线，判断试样破裂后停泵，并关闭液压稳压源，卸掉围压。

2 结果与讨论

2.1 岩样1实验

岩样1使用的是火山流纹岩，试验过程中垂向与水平围压分别为20、15、10MPa。

图4为岩样1的泵注压力曲线，压力曲线呈现明显波动形式，且幅度很大，初始压裂峰值压力达到了60MPa，之后峰值压力不断下降，压力曲线的下降说明压裂液进入较大的孔洞或使天然裂缝张开，当孔洞或天然裂缝被充满后，压力回升，而后又沟通新的天然裂缝或进入新的孔洞，如此反复。峰值压力持续下降说明有新裂缝张开，但将岩样取出后观察未见明显的水力缝，说明在60MPa的峰值压力下并没有将岩样贯穿，只可能在岩样内部形成了较小的裂缝，而这些裂缝可通过CT扫描的方式识别。

图4 岩样1压力曲线

压前对200mm×200mm×200mm火山岩岩样从上往下应用CT扫描200个横截面，每个截面间距为1mm。压裂后采取同样的方法对岩样进行扫描，压前、压后火山岩样的CT扫描结果显示，只在其中很少的截面上（编号144-148）发现压裂后有新的水力缝产生。图5、图6分别为编号为144的截面在扫描前后的裂缝形态变化图，从图中可以看出，压裂前在此截面上存在有一条天然裂缝，压裂试验后对同一截面扫描图观察发现，水力裂缝在天然裂缝处起裂，并不断延伸，说明在井筒天然裂缝处存在薄弱面，水压会首先使得天然裂缝张开，而并非沿着最大主应力方向起裂与扩展。

图5 压前144截面扫描图片

图6 压后144截面扫描图片

图7 146截面压后裂缝形态扫描图

图7为146截面压裂后裂缝形态扫描图，从图中可以看出，水压裂缝在沿着天然裂缝的方向起裂与延伸一段距离后，逐渐转向与最大主应力平行的方向。在这个过程之中还可以看出，水力裂缝在进入孔洞发育区域时，并不继续沿着原方向向前延伸，而是在孔洞的某个弱面上产生新的裂缝，并向前扩展沟通其他孔洞。

从图7中还可以发现，在井筒另一侧还产生了一条平行于最大主应力的裂缝，长度大约有5cm，说明在一条裂缝延伸过程中，受裂缝近井筒扭曲效应的影响，井筒压力还是在不断增大，当井筒压力达到了地层的破裂压力时第二条裂缝起裂扩展，两条水力裂缝并非在井筒两翼同时产生并成相互对称的理想状态。

147、148截面压前、压后裂缝扫描显示，压前井筒附近截面上无裂缝显示区域压后出现水压裂缝，说明是144截面裂缝起裂后扩展到147、148截面的，但此两截面两翼裂缝长度逐渐减小，说明裂缝在144面起裂后，向下方呈近似楔形扩展，因扫描切面不同而观察到的裂缝长度不同。

2.2 岩样2实验

岩样2使用的是火山凝灰岩，实验过程与岩样1相同，垂向与水平围压分别为20、15、12MPa。在压前CT扫描截面图上，可明显观察到一条近似水平向天然裂缝，从第2面开始出现一直到106面消失，期间与井筒沟通，而在跨过井筒后，几乎横切整个岩样（图8）。

图9为岩样2的泵注压力曲线，从图中可以看出明显的破裂显示，但破裂压力只有22MPa，远低于前面流纹岩的60MPa，破裂后压力逐渐稳定，结合压前的CT扫描分析及压裂后压力曲线，认为压裂液只是使得井筒附近的那条天然裂缝开启，而没有产生新的水力缝，22MPa是天然裂缝开启的压力。

通过CT扫描观察，对于相同截面，天然裂缝均有不同程度的扩展（图10），压后的CT扫描图中裂缝明显比压前清晰，但实验后未发现新的其他裂缝产生。理论上，在试验2的围压情况下，应该有垂直的新缝产生，但由于这条天然裂缝的尺寸与岩样2相比已足够大，它对于水压裂缝的影响已超过了主应力对裂缝走向的影响，因此试验后只发现了天然裂缝的扩展。

2.3 岩样3实验

岩样3使用的样品岩性与岩样1相同，都是火山流纹岩，试验过程与岩样1相同，为了尽可能压开裂缝，垂向与水平围压分别为12、7、2MPa。实验进行过程中始终未见明显破裂显示，压力上升很快，几分钟内达到70MPa，被迫停泵，停泵后在岩样外侧未见压裂液滤失痕迹，说明岩样未压开（图11）。

图8 岩样2压前CT扫描图

图9 岩样2泵注压力与时间曲线

分析原因认为，所取火山岩岩样质地坚硬，破裂强度大，所用的试验设备难以达到压开此火山岩样需要的压力和排量，这与松南现场很多压裂井破裂压力高，甚至难以压开情况相吻合。

2.4 岩样4实验

对凝灰岩4^＃试样实验中所施加的模拟地应力分别为σ_v＝15MPa，σ_H＝3MPa，σ_h＝1.5MPa，从开启MTS增压泵注入压裂液开始，至压裂实验结束所维持的时间为8 min，得到的压力曲线见图12。

图10 岩样2压前压后CT扫描对比

图11 岩样3泵注压力与时间曲线

由图12可知，凝灰岩4试件的破裂压力为37.95MPa。实验初始阶段压力很平缓地上升，随着压裂液的不断泵入，压力急剧升高至峰值37.95 MPa，之后又快速地下降，反映了试件内水力裂缝开启的现象。之后压力曲线呈现波动变化，反映了水力裂缝向前扩展的过程中形成了新裂缝或者是与天然裂缝相遇。综合压力曲线的整体形态，说明凝灰岩4^＃试件内压开形成了水力裂缝（图13）。

实验后对试件进行CT成像扫描，结合CT图像对试件的水力裂缝形态进行观察，可以进一步认识和检验上述结果。

图12 岩样4（凝灰岩）试件的压力曲线

图13 岩样4（凝灰岩）试件施加的三向围压和实验后图片

通过对比岩样4^＃试件的压前和压后CT图像，可获得该试件的水力裂缝起裂和扩展情况，见图14。

图14 岩样4（凝灰岩）压前和压后CT图像对比

从图14中可以清晰地观察到，在岩样4^＃试件中主要形成了两条主要水力裂缝，图中用线段表示出。这两条裂缝的起裂位置在井筒部位是近似对称的，呈170°左右。而且这两条裂缝扩展的方向近乎与实验中所施加的水平最大地应力方向一致，与最小水平地应力的方向垂直。在垂直方向上，裂缝高度与试件的高度近似相等，即试件内的这两条裂缝为贯穿试件的垂直主裂缝。

图15是岩样4压裂后CT图像三维重建示意图，从图中可以看出试件内形成了两条压裂主裂缝，裂缝为垂直缝并贯穿整个试件，裂缝面空间展布较为扭曲。

图15 岩样4裂缝CT图像三维重建图

3 结论与建议

1）建立大尺寸火山岩岩样CT扫描及压裂模拟实验方法能直观、有效地分析岩样内部裂缝起裂、扩展规律，真实地反映裂缝形态和空间展布。

2）火山岩质地坚硬难以压开，压裂过程受微裂缝和熔孔发育程度及岩石特性影响，裂缝起裂压力和延伸压力差别比较大，压力曲线呈现明显波动形式。

3）火山岩压裂水力形成裂缝系统比较复杂，在井筒附近的天然裂缝会造成水压裂缝并非同时起裂，呈非对称状扩展并最终转向最大主应力方向；较大的天然裂缝在水压作用下会直接开启，并沿原方向扩展，从而使形成的水力裂缝不再沿最大主应力方向扩展；对于井筒附近天然裂缝及孔洞不发育的情况，水力裂缝会同时起裂，并沿最大主应力方向延伸，呈近似对称状，但空间展布较为扭曲。

4）对于火山岩储层现场压裂施工，射孔位置要集中在微裂缝和熔孔发育层段，选择支撑剂粒径相对小些，施工砂比不宜太高并考虑应用前置多级段塞技术。

参考文献

［1］Blair S C，Thorpe R K，Heuze F E，et al.Laboratorv observations of the effect of geological discontinuities of hvdrofracture propagation［R］UCRL-99662，1989：1～12.

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［7］赵益忠，曲连忠，王幸尊，等.不同岩性地层水力压裂裂缝扩展规律的模拟实验［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2007，31（3）：63～67.

［8］孟庆民，张士诚，郭先敏.砂砾岩水力裂缝扩展规律初探［J］.石油天然气学报（江汉石油学院学报），2010，32（4）：119～123.

［9］姚飞，陈勉，吴晓东，等.天然裂缝性地层水力裂缝延伸物理模拟研究［J］.石油钻采工艺，2008，30（3）：83～86.

C. 根据米勒的实验性装置图，回答下列问题：（1）实验装置中将水加热成沸水的目的是什么（2）用正负极的用

如图，在米勒的模拟实验，一个盛有水溶液的烧瓶代表原始的海洋，其上部球型空间里含有氢气、氨气、甲烷和水蒸汽等“还原性大气”．
（1）米勒实验的目的是验证无机物可以生成有机小分子物质，因此，在实验时，要模拟大气的环境，左下角的烧瓶中盛放的是蒸馏水，加热的目的是产生大量的水蒸气，使空气中有水蒸气这一成分，同时提高气体的温度，促进气体的流动．
（2）装置内电极的作用是火花放电，为原始大气相互反应合成有机物提供能量．模拟自然界里的闪电．
（3）图中右上角的烧瓶模拟的是模拟原始地球环境（原始大气环境），因为原始大气中没有氧气．
（4）C处为取样活塞，若取样鉴定，可检验到其中含有氨基酸等有机小分子物质，共生成20种有机物，其中11种氨基酸中有4种（即甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸）是生物的蛋白质所含有的．米勒的实验试图向人们证实，生命起源的第一步，即从无机小分子物质形成有机小分子物质，在原始地球的条件下是完全可能实现的．
（5）米勒的实验试图向人们证实，生命起源的第一步，从无机小分子物质形成有机小分子物质，在原始地球的条件下是完全可能实现的．
（6）原始地球的温度很高，地面环境与现在完全不同：天空中赤日炎炎、电闪雷鸣，地面上火山喷发、熔岩横流；从火山中喷出的气体，如水蒸气、氨、甲烷等构成了原始的大气层，与现在的大气成分明显不同的是原始大气中没有游离的氧；原始大气在高温、紫外线以及雷电等自然条件的长期作用下，形成了许多简单的有机物，随着地球温度的逐渐降低，原始大气中的水蒸气凝结成雨降落到地面上，这些有机物随着雨水进入湖泊和河流，最终汇集到原始的海洋中．原始的海洋就像一盆稀薄的热汤，其中所含的有机物，不断的相互作用，形成复杂的有机物，经过及其漫长的岁月，逐渐形成了原始生命．可见生命起源于原始海洋．
故答案为：（1）使空气中有水蒸气这一成分，同时提高气体的温度，促进气体的流动．
（2）自然界里的闪电；
（3）原始大气环境
（4）从无机小分子物质形成有机小分子物质，在原始地球的条件下是完全可能实现的．
（5）从无机小分子物质形成有机小分子物质，在原始地球的条件下是完全可能实现的；
（6）原始大气在高温、紫外线以及雷电等自然条件的长期作用下，形成了许多简单的有机物．

D. 把鸡蛋从10米高空扔下，如何使他不碎，做一个小型的防撞装置

看见别人的了，转给你看看：
1.用纸做个降落伞，以降低下落的速度；
2.用多个塑料袋（不能用保鲜袋，太薄），充气后封闭起来，包裹在鸡蛋的周围（注意六个面都要照顾到），然后用玻璃胶固定呈球体，确保鸡蛋在中心位置。
用保鲜纸当降落伞方上头，用绳子系住下面的东西
下面：首先用保鲜膜做个25*25的底，再用木条铺上，再在保鲜膜底下铺一层棉花，有助于防撞击。
然后再把几个木条插在刚才的上面，再用橡皮筋一圈圈绕着，把鸡蛋放那里面。
绝对不会碎，我以前做过。从20米高的地方摔下去。。碎的原因内是超过了物体本身的最大形变量
要使鸡蛋不碎，就是设法不要让鸡蛋超过自己的最大形变量的过程，方法有很多
准备材料：生鸡蛋 碎纸屑 小纸盒 （体积大于鸡蛋的体积）
帆布（尽量不太透气就可以，形状方，稍大些） 线绳
纸筒（可以自己用纸卷，粗细约和铅笔相仿）
实验原理： 一：缓冲装置
二：减速装置
实验过程： 一：缓冲装置： 1）将碎纸屑放入纸盒，约放纸盒体积的1/3
2）将鸡蛋放进去，并再放入纸屑，纸屑放的不要太少，要稍紧些，就是在将纸盒封上时，摇晃纸盒感觉不到鸡蛋动了为最宜。至此纸盒包装完毕；
3）将纸筒用透明胶固定在纸盒的棱上，使纸盒在落地前，纸筒先与地面接触，以起到缓冲作用
二：减速装置：1）将线绳系在帆布的四个角上
2）另一端都固定在纸盒的一个顶角上（注意，是同一个顶角）
装置完成，可以操作着试一下的！！！科学让鸡蛋坚如磐石

E. 小型提升管催化裂化实验装置主要包括哪些部件

小型提升管催化裂化试验装置采用单段提升管反应器，共包括四部分：专
1）迸料进气系属统；
2）反应一再生系统；
3）产品收集系统；
4）自动化控 制系统。
进料进气系统由雾化水泵、汽提水泵、进料高压 泵、空气阀、氮气阀和各种转子流量计组成。
反 应——再生系统包括提升管反应器、分离沉降器、汽 提器、待输线、再生沉降器、再生器、再生剂输送线、 进料喷嘴、汽提器底塞阀及再生器底塞阀组成。
产 品收集系统包括回炼塔、气液分离塔（含冷却系 统）、裂化气和烟气计量系统及CO2分析仪。装置 采用DCS控制系统。

F. 如图是著名学者米勒的实验装置，请据图回答下列问题．（1）这一装有水溶液的烧瓶代表的是什么（2）球形

如图，在米勒的模拟实验，一个盛有水溶液的烧瓶代表原始的海洋，其上部球型空间里含有氢气、氨气、甲烷和中高水蒸汽等“还原性大气”．米勒先给烧瓶加热，使水蒸汽在管中循环，接着他通过两个电极放电产生电火花，模拟原始天空的闪电，以激发密封装置中的不同气体发生化学反应，而球型空间下部连通的卖逗尺冷凝管让反应后的产物和水蒸汽冷却形成液体，又流回底部的烧瓶，即模拟降雨的过程．经过一周持续不断的实验和循环之后．米勒分析其化学成分时发现，其中含有包括5种氨基酸和不同有机酸在内的各种新的有机化合物，同时还形成了氰氢酸，而氰氢酸可以合成腺嘌呤，腺嘌呤是组成核苷酸的基本单位．米勒的实验试图向人们证实，生命起源的第一步，从无机小分指胡子物质形成有机小分子物质，在原始地球的条件下是完全可能实现的．
故答案为：（1）原始海洋
（2）原始大气；
（3）闪电
（4）降雨的过程 从无机小分子生成有机小分子的阶段

G. 装置中用气球皮这种材料来模拟鼓膜理由是什么

用气球皮模拟鼓膜，
通过模拟实验发现，
鼓膜、听小骨都会在声波的作用下产生振动
原实验设计是将一个烧杯（或杯子）的杯口用气球包紧，
再在气球皮上撒上小纸屑，
用敲击后的音叉靠近气球皮，
目的是想通过气球皮的振动带动纸屑的跳动，
证明声音能使鼓膜产生振动

H. 如图所示，是模拟大自然中雨的形成的实验装置图．（1）组装实验装置时，要根据______（酒精灯/酒精灯及其

（1）组装实验装置时，要根据酒精灯及其火焰高度，先固定好铁圈，然后再依次专固定好其他器材．
（2）点燃属酒精灯给烧杯中的水加热，当水沸腾时，往瓶口的上方倾斜放置一金属盘，一段时间后，观察到金属盘的底部出现小水珠，这是因为水蒸气由于降温而发生了液化．
（3）要使金属盘的温度变低，可加入冰块．冰块熔化吸热，使金属盘变冷，可使实验效果更加明显．
（4）实验时，握金属盘的手明显感觉到金属盘的温度升高，说明水蒸气液化要放热，蒸馒头时就是利用水蒸气液化放热使馒头成熟的．
故答案为：（1）酒精灯及其火焰；铁圈；（2）小水珠；降温；液化；（3）冰块；（4）升高；③．