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文檔簡(jiǎn)介

采油工程基本理論員工培訓(xùn)課題:采油工程基本理論

授課對(duì)象:兼職教師

課時(shí):4學(xué)時(shí)

授課目的:1、了解油井完成及井身結(jié)構(gòu)知識(shí);

2、掌握抽油機(jī)、深井泵結(jié)構(gòu)組成和工作原理;

3、會(huì)解釋理論示功圖、分析典型示功圖。重點(diǎn):抽油機(jī)、深井泵組成及工作原理難點(diǎn):理論示功圖和典型示功圖分析主要內(nèi)容油井完成與井身結(jié)構(gòu)

引言

理論示功圖與典型示功圖抽油機(jī)與抽油泵結(jié)構(gòu)原理小結(jié)

引言

采油工程是油田開發(fā)的重要環(huán)節(jié),是從油田人工補(bǔ)充地下能量到人工舉升(或自噴)的采油過程。目前大部分油田采用機(jī)械采油方式。因此,了解油水井井身結(jié)構(gòu),掌握機(jī)械采油知識(shí)是管好油水井,保障油田高效合理開發(fā)的基礎(chǔ)。

第一部分油井完成與井身結(jié)構(gòu)一.油井完成油井:是由鉆機(jī)鉆開的、用來采出原油的生產(chǎn)井。油井完成是鉆井的最后一道工序,是銜接鉆井和采油工程而又相對(duì)獨(dú)立的工程。

1.完井的概念是從鉆開油層開始,到下套管注水泥固井、射孔、下生產(chǎn)管柱、排液,直至投產(chǎn)的一項(xiàng)系統(tǒng)工程。2.完井方式:油層與井筒的連通方式。裸眼完井套管或尾管射孔完井襯管完井礫石充填完井(1).裸眼完井:指在鉆開的生產(chǎn)層位不下入套管的完井方式。裸眼完井有兩種:先期裸眼完井及后期裸眼完井。裸眼完井法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):裸眼完井法的井底結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單,油層全部裸露,滲濾面積最大,完井液對(duì)產(chǎn)層的損害較小。缺點(diǎn):不能進(jìn)行分層開采,不能采取防止油層出砂措施。因此,裸眼完井法只適用于油層巖石堅(jiān)硬的單一產(chǎn)層,以及裂縫性和稠油油層等產(chǎn)層。(2).射孔完井:指鉆開生產(chǎn)層位后下入套管或尾管,再通過射孔建立油流通道。是國內(nèi)外最為廣泛和最主要使用的一種完井方式,包括套管射孔完井和尾管射孔完井。射孔完井法的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):可以對(duì)產(chǎn)層進(jìn)行選擇和調(diào)整,實(shí)現(xiàn)分層開采,因而適用于多產(chǎn)層油井。缺點(diǎn):完井過程中,會(huì)對(duì)油氣層造成較大損害,滲濾面積小,油流入井阻力大,降低了油井原始生產(chǎn)能力。(3).襯管完井是鉆頭鉆至油層頂界后,先下套管注入水泥固井,再從套管中下入直徑小一級(jí)的鉆頭鉆穿油層至設(shè)計(jì)井深。最后在油層部位下入預(yù)選割縫的襯管,依靠襯管頂部的襯管懸掛器(卡瓦封隔器),將襯管掛在套管上,并密封襯管和套管之間的環(huán)形空間,使油氣通過襯管的割縫流入井筒。(4).礫石充填完井①直接充填先將繞絲篩管或襯管下入油層部位,然后用充填液將在地面上預(yù)先選好的礫石泵送至繞絲篩管與井眼或繞絲篩管與套管之間的環(huán)形空間內(nèi),形成礫石充填層,阻擋油層砂流入井筒,達(dá)到保護(hù)井壁、防砂入井的目的。②預(yù)制充填在地面預(yù)先將符合油層特性要求的礫石填入具有內(nèi)外雙層繞絲篩管的環(huán)形空間而制成的防砂管,將篩管下入井內(nèi),對(duì)準(zhǔn)出砂層位進(jìn)行防砂。

二、油水井井身結(jié)構(gòu)1.概念

井身結(jié)構(gòu):指完鉆井深和相應(yīng)井段的鉆頭直徑、下入的套管層數(shù)、直徑和深度、各層套管外的水泥返高和人工井底等。導(dǎo)管:鉆井開始用于建立泥漿循環(huán),保護(hù)井口附近地層,引導(dǎo)鉆頭正常鉆進(jìn)的鋼管。下入深度2—40M。套管:就是下到井內(nèi)防止井內(nèi)坍塌,保證油流暢通的鋼管。可分為表層套管、技術(shù)套管、油層套管。

表層套管:用來封隔水層;加固上部疏松易塌的不穩(wěn)定巖層;安裝防噴器等井口設(shè)備。下入深度30—150M。

技術(shù)套管:封隔油層上部難以控制的復(fù)雜地層,以便能順利地鉆達(dá)預(yù)定的生產(chǎn)目的層。

油層套管:亦稱生產(chǎn)套管,封隔油、氣、水層,保證油井的正常生產(chǎn)。2.相關(guān)技術(shù)參數(shù)1)套補(bǔ)距:鉆井時(shí)的方補(bǔ)心與套管頭的距離。2)套管深度:下入油層套管的深度。3)套管直徑:下入油層套管的公稱直徑。4)人工井底深度:完井時(shí)套管內(nèi)最下部水泥頂界面至方補(bǔ)心的距離。5)射開油層頂部深度:射孔井段最上部至方補(bǔ)心的距離。6)射開油層底部深度:射孔井段最下部至方補(bǔ)心的距離。3.注水井結(jié)構(gòu)是指在完鉆井基礎(chǔ)上,在井筒套管內(nèi)下入油管、配水管柱,再配以井口裝置。4.自噴井結(jié)構(gòu)是指在完鉆井基礎(chǔ)上,在井筒套管內(nèi)下入油管及喇叭口,再配以井口裝置。油管柱喇叭口5.抽油機(jī)井結(jié)構(gòu)包括井口裝置(采油樹)、地面抽油機(jī)設(shè)備、井下抽油泵設(shè)備、抽油桿、油管、套管等組成。

第二部分抽油機(jī)與抽油泵結(jié)構(gòu)原理

機(jī)械采油分類

有桿泵采油是通過地面動(dòng)力設(shè)備帶動(dòng),并借助抽油桿帶動(dòng)深井泵采油的一種方法。其中抽油機(jī)----深井泵采油是各油田普遍采用的采油方法。按照抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理不同,可分為游梁式抽油機(jī)和無游梁式抽油機(jī)。游梁式抽油機(jī)按結(jié)構(gòu)不同可分為前置式和普通式,普通式又分為常規(guī)型和異相型。普通式的支架在驢頭和曲柄連桿機(jī)構(gòu)之間.前置式支架位于游梁的一端,驢頭和曲柄連桿同位于另一端。a.常規(guī)型c.前置型b.異相型一.抽油機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

抽油機(jī)是抽油井地面機(jī)械傳動(dòng)裝置,目前國內(nèi)各油田普遍采用的是游梁式抽油機(jī)。它和抽油桿、抽油泵配合使用,能將井下原油抽到地面。由于其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械性能穩(wěn)定,并與井下深井泵是通過高強(qiáng)度的抽油桿連接,故承載能力大,且操作簡(jiǎn)單。

抽油機(jī)抽油桿抽油泵

抽油機(jī)、抽油桿、抽油泵被統(tǒng)稱為油田的“三抽”設(shè)備。抽油泵有桿泵抽油裝置

抽油機(jī)抽油桿1.抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)組成動(dòng)力設(shè)備:主要是電動(dòng)機(jī),為抽油機(jī)提供動(dòng)力。減速裝置:將電動(dòng)機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲚S的低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。主要包括減速箱減速和皮帶傳動(dòng)減速。游梁—連桿---曲柄機(jī)構(gòu):主要包括曲柄、連桿、橫梁、游梁、驢頭等。其作用是把曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)轶H頭的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。輔助裝置:基礎(chǔ)、底座、支架、固定螺絲等。主要作用是連接和固定抽油機(jī)各部件。主要部件的作用(1)驢頭它的作用是保證抽油時(shí)光桿始終對(duì)準(zhǔn)井口中心位置。驢頭的弧線是以支架軸承為圓心,游梁前臂長(zhǎng)為半徑畫弧而得到。修井時(shí)可將驢頭從井口移開,方便作業(yè).移開的方式有三種,即:側(cè)轉(zhuǎn)式、上翻式,可卸式。

(2)游梁游梁固定在支架上,前端安裝驢頭承受井下負(fù)荷,后端連接橫梁、連桿、曲柄、減速箱,傳遞電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力.(3)曲柄連桿機(jī)構(gòu)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用是將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成驢頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。曲柄上的孔是調(diào)節(jié)沖程時(shí)用的。(4)減速箱是將電動(dòng)機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng),通過三軸二級(jí)減速變成曲柄軸(輸出軸)的低速轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)支撐平衡塊。(5)平衡塊平衡塊裝在抽油機(jī)游梁尾部或曲柄軸上。它的作用是:當(dāng)抽油機(jī)上沖程時(shí),平衡塊向下運(yùn)動(dòng),幫助克服驢頭上的負(fù)荷;在下沖程時(shí),電機(jī)使平衡塊向上運(yùn)動(dòng),儲(chǔ)存能量,在平衡塊的作用下,可以減小抽油機(jī)上下沖程的負(fù)荷差別。

(6)懸繩器它是連接光桿和驢頭的柔性連接件,還可以供動(dòng)力儀測(cè)示功圖用。2.抽油機(jī)工作原理

電動(dòng)機(jī)(或其它動(dòng)力機(jī))通過傳動(dòng)皮帶將高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給減速箱的輸入軸,經(jīng)減速箱的三軸二級(jí)減速變?yōu)榍牡退傩D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)游梁作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。游梁前端圓弧狀的驢頭經(jīng)懸繩器帶動(dòng)抽油桿柱使深井泵活塞作上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),將井下液體抽出井筒。動(dòng)力設(shè)備減速機(jī)構(gòu)

經(jīng)皮帶產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榍S的低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)抽油桿柱變?yōu)轶H頭的上下擺動(dòng)經(jīng)懸繩器上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)3.游梁式抽油機(jī)型號(hào)CYJY8----3---37HB4.平衡方式特點(diǎn)(1)游梁平衡游梁的尾部裝設(shè)一定重量的平衡塊,平衡方式簡(jiǎn)單,適用3噸以下的輕型抽油機(jī)。(2)曲柄平衡將平衡塊加在曲柄上,適用于10噸(也叫10型)以上重型抽油機(jī)。這種平衡方式減小了游梁平衡引起的抽油機(jī)擺動(dòng),調(diào)整比較方便。但是,曲柄上有很大的負(fù)荷和離心力。(3)復(fù)合平衡在一臺(tái)抽油機(jī)上同時(shí)使用游梁平衡和曲柄平衡。特點(diǎn):小范圍調(diào)整時(shí),可調(diào)整游梁平衡,大范圍調(diào)整時(shí),則調(diào)整曲柄平衡塊.這種平衡方式適用于中深井。(4)氣動(dòng)平衡利用氣體的可壓縮性來儲(chǔ)存和釋放能量達(dá)到平衡的目的,可用于10噸以上重型抽油機(jī),這種平衡方式減少了抽油機(jī)的動(dòng)負(fù)荷及震動(dòng),但其裝置精度要求高,加工麻煩。數(shù)字化彎梁變矩抽油機(jī)的機(jī)型型號(hào)CYJW10-3-37HY(S2K)表示額定懸點(diǎn)載荷為100kN,光桿最大沖程3m,減速器齒輪為雙圓弧齒形,額定扭矩37kN·m,第二代數(shù)字化智能控制寬底座無基礎(chǔ)彎梁變矩抽油機(jī)。二.抽油泵的結(jié)構(gòu)及原理1.抽油泵分類及結(jié)構(gòu)抽油泵也稱深井泵,是有桿泵采油的專用設(shè)備。是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為流體壓能的設(shè)備。下在油井井筒動(dòng)液面以下一定深度,依靠抽油桿傳遞動(dòng)力,將原油抽出地面。1).抽油泵的分類按抽油泵在井內(nèi)安裝的方式不同分為管式泵桿式泵管式泵泵筒、固定閥和襯套在地面組裝好接在油管下部先下入井內(nèi),最后再把活塞接在抽油桿柱下端下入泵內(nèi)。管式泵特點(diǎn)泵徑較大,排量大,適用于產(chǎn)量高、含砂多、氣量小的淺井;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,加工方便,價(jià)格低;不適用于深井,檢泵和下泵時(shí)須起出油管。桿式泵桿式泵有內(nèi)外兩個(gè)工作筒,外工作筒上端裝有錐體座及卡簧,下泵時(shí)把外工作筒隨油管先下入井中,然后把裝有襯套、活塞的內(nèi)工作筒接在抽油桿的下端下入到外工作筒中并由卡簧固定。桿式泵特點(diǎn)檢泵方便,起出抽油桿就可以起出泵來檢泵;泵徑小,排量低,用于產(chǎn)量低的深井。泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工難度大,成本高。不能用于出砂井。2).管式泵結(jié)構(gòu)管式泵主要由泵筒、固定閥、活塞、游動(dòng)閥四大部分組成。1工作筒2活塞3上凡爾4下凡爾5固定凡爾6母堵7接箍32mm,38mm,44mm,56mm,28、25mm8防沙槽9凡爾罩(1)工作筒它是由外管、襯套和壓緊接箍組成,外管內(nèi)裝有多節(jié)同心圓柱管的襯套,上、下兩端靠壓緊接箍壓緊,上接箍上連油管;下接箍下連進(jìn)油設(shè)備。(2)活塞是由無縫鋼管制成的空心圓柱體,兩頭有螺紋,活塞外表面鍍鉻并有環(huán)狀防砂槽。(3)游動(dòng)閥也叫排出閥.由閥球、閥座、開口閥罩組成。單閥泵有一個(gè)游動(dòng)閥,裝在活塞上端,雙閥泵有兩個(gè)游動(dòng)閥,分別裝在活塞的上下端。閥球座在閥座上,上有開口閥罩。(4)固定閥也叫吸入閥,由閥座、閥球和開口閥罩組成。2.抽油泵工作原理如圖(a)所示,當(dāng)活塞上行時(shí),游動(dòng)閥受油管內(nèi)活塞以上液柱的壓力作用而關(guān)閉,并排出活塞沖程一段液體,固定閥由于泵筒內(nèi)壓力下降,被油套環(huán)形空間液柱壓力頂開,井內(nèi)液體進(jìn)入泵筒內(nèi),充滿活塞上行所讓出的空間。

如圖(b)所示,當(dāng)活塞下行時(shí),由于泵筒內(nèi)液柱受壓,壓力增高,而使固定閥關(guān)閉。在活塞繼續(xù)下行中,泵內(nèi)壓力繼續(xù)升高,當(dāng)泵筒內(nèi)壓力超過油管內(nèi)液柱壓力時(shí),游動(dòng)閥被頂開,液體從泵筒內(nèi)經(jīng)過空心活塞上行進(jìn)入油管。

深井泵工作原理示意圖

在一個(gè)沖程中,深井泵應(yīng)完成一次進(jìn)油和—次排油.活塞不斷運(yùn)動(dòng),游動(dòng)閥與固定閥不斷交替關(guān)閉和頂開,井內(nèi)液體不斷進(jìn)入工作筒,從而上行進(jìn)入油管,最后達(dá)到地面。3.理論排量和泵效

深井泵在理想情況下,活塞一個(gè)沖程可以排出的液量,在數(shù)值上等于活塞上移一個(gè)沖程時(shí)所讓出的體積。其計(jì)算公式如下:

Q理=K×S×N=1440×(πD2/4)×S×N

Q理——深井泵理論排量

K——排量系數(shù);K=1440×F=1440×(πD2/4)

S———沖程,米;

N——沖次,次/分.

實(shí)際產(chǎn)量往往小于理論產(chǎn)量,因此泵效就是來衡量泵工作情況好壞的一個(gè)指標(biāo)。各種直徑泵排量系數(shù)是一定的,抽油井的實(shí)際產(chǎn)量與泵的理論排量的百分比叫做泵效。

η=(Q實(shí)/Q理)×100%4.影響泵效的因素泵效的高低反映了泵性能的好壞及抽油參數(shù)的選擇是否合適等。影響泵效的因素有:(1)地質(zhì)因素

1)油井出砂:砂子磨損閥球、閥座、活塞及襯套等部件,導(dǎo)致泵效降低。固定閥和游動(dòng)閥砂卡或砂埋也影響泵效。

2)氣體的影響:油層能量低、供液不足或氣體過多的井,當(dāng)泵入口處的壓力低于飽和壓力時(shí),進(jìn)入泵內(nèi)的將是油氣混合物,進(jìn)入泵內(nèi)油的體積減少,使泵效降低.另外,活塞在下死點(diǎn)時(shí)固定閥和游動(dòng)閥之間的余隙中存在著高壓油氣混合物,在活塞上行時(shí),油氣混合物膨脹,固定閥不能立即打開,使泵效降低。3)油井結(jié)蠟:由于活塞上行時(shí),泵內(nèi)壓力下降,在泵的入口處及泵內(nèi)極易結(jié)蠟,使油流阻力增大.影響泵效.

4)原油粘度高:由于油稠,油流阻力大,固定閥和游動(dòng)閥不易打開和關(guān)閉,抽油桿不易下行,影響泵的沖程,降低泵的充滿系數(shù).使泵效降低.

5)原油中含腐蝕性的水和硫化氫氣體,腐蝕泵的部件,使之漏失,影響泵效。(2)設(shè)備因素泵的制造與安裝質(zhì)量,襯套與活塞配合不當(dāng),閥球與閥座不嚴(yán)使泵效降低。(3)工作方式影響油井工作制度不合理使泵效降低。

第三部分理論示功圖與典型示功圖一、理論示功圖示功圖概念:是由動(dòng)力儀測(cè)繪出的一條表示懸點(diǎn)載荷與懸點(diǎn)位移之間的關(guān)系曲線圖,曲線所圍成的面積表示抽油泵在一個(gè)沖程中所做的功。理論示功圖:是認(rèn)為抽油泵不受任何外界因素影響,泵能夠完全充滿,光桿僅承受靜載荷不考慮慣性力時(shí)所繪制的示功圖。

理論示功圖是在理想條件下繪制出來的:假定油管無漏失.泵工作正常。油層供液能力充足,泵能夠完全充滿。光桿只承受抽油桿柱與活塞以上液柱重量的靜載荷,不考慮慣性力。不考慮砂、蠟、稠油的影響。不考慮油井連噴帶抽。認(rèn)為進(jìn)入泵內(nèi)的流體是不可壓縮的,凡爾是瞬時(shí)開閉的。在這種條件下繪制出的示功圖是一個(gè)平行四邊形。

彈性抽油桿靜載時(shí)的示功圖AB線段為增載線:即驢頭從下死點(diǎn)A開始上行,游動(dòng)閥關(guān)閉,固定閥關(guān)閉,活塞以上油管內(nèi)液柱重P液和桿重P小都作用在驢頭懸點(diǎn)上,并使桿(伸長(zhǎng))管(縮短)發(fā)生彈性變形,直到B點(diǎn)極限,活塞并沒有跟著光桿發(fā)生位移,而這一段變形量就稱為沖程損失,包括桿損和管損,此過程中固定閥并沒有打開。BC線段為上載荷線:即桿管彈性變形結(jié)束,載荷增至最大(P大=P液+P小),活塞跟著光桿同步上升至上死點(diǎn)C,此過程中固定閥打開,泵筒進(jìn)液,井口排液,這樣上沖程完畢,開始下沖程。CD線段為卸載線:即驢頭開始下行,游動(dòng)閥開始打開,固定閥開始關(guān)閉,此時(shí)懸點(diǎn)載荷在變小,桿管與前一過程發(fā)生相反的彈性變形,(即桿縮短、管伸長(zhǎng)),直至D點(diǎn)活塞并沒有跟著桿一起下行,其沖程損失為D′C′。DA線為下載荷線:即桿管彈性變形結(jié)束,載荷降至最小(P小),活塞開始跟著光桿同步下行至下死點(diǎn)A,此過程中固定閥關(guān)閉,游動(dòng)閥打開,油管進(jìn)液。圖中AD、BC均為活塞實(shí)際沖程長(zhǎng)度,B′C、OC′為光桿實(shí)際沖程長(zhǎng)度。二、典型示功圖

典型示功圖是指某一因素十分明顯,其示功圖形狀代表了該因素影響下的基本特征,因此典型示功圖分析是示功圖分析的基礎(chǔ)。1.泵工作正常圖形特征∶左右、上下曲線平行,接近理論示功圖。成因分析∶供液充足,沉沒度大。泵閥不漏,泵效高,出油好。

泵工作正常時(shí)的示功圖2.供液不足圖型特征∶卸載線和加載線平行,越左移說明充滿越不好,也就是供液能力越差,形成的圖形為“刀把”形。成因分析:(1)深井泵的工作制度或抽汲參數(shù)組合不合理,(2)當(dāng)砂、蠟同時(shí)堵塞了部分進(jìn)油孔道。3.氣體影響圖形特點(diǎn)∶卸載線成一圓弧狀。成因分析∶在抽汲過程中氣體進(jìn)入泵內(nèi)。氣鎖現(xiàn)象:如果氣體大量進(jìn)入泵筒,上沖程時(shí)氣體膨脹,全部占滿柱塞讓出的容積,固定凡爾打不開。下沖程時(shí),氣體壓縮,但壓力仍低于游動(dòng)凡爾上部壓力,游動(dòng)凡爾也打不開,所以這種情況下雙凡爾均打不開,柱塞運(yùn)動(dòng)對(duì)氣體壓縮和膨脹,泵不排油,這種現(xiàn)象稱為“氣鎖”。4.凡爾漏失(1)固定閥(吸入部分)漏失圖形特征∶圖形的左下角變圓,右上角變尖,而且漏失越嚴(yán)重,圖形的左下角變得愈圓,右上角變得愈尖。成因分析∶固定凡爾與凡爾座配合不嚴(yán)、凡爾球被砂子刺壞或凡罩內(nèi)積有砂、蠟等臟物,使凡爾球的起落失靈等原因造成的漏失。

固定凡爾漏失的示功圖(2)游動(dòng)閥(排出部分)漏失圖形特征∶卸載線與增載線陡,圖形的左下角變尖,右上角變圓。當(dāng)漏失特別嚴(yán)重時(shí),增載線、卸載線和最大載荷線便構(gòu)成了一條向下方彎曲的圓滑弧線。成因分析∶排出閥球與閥座配合不嚴(yán);活塞與泵的襯套配合不當(dāng);或長(zhǎng)期磨損使間隙變大;閥爾罩內(nèi)積有臟物、砂、蠟,使閥球起落失靈等原因造成的漏失。(3)排出閥和吸入閥同時(shí)漏失圖形特征∶在上沖程過程中,排出部分漏失起主導(dǎo)作用,使圖形左上角和右上角變圓。在下沖程過程中,吸入部分漏失起

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