減氧空氣驅適用范圍及氧含量界限

減氧空氣驅適用范圍及氧含量界限廖廣志;楊懷軍;蔣有偉;任韶然李黨國;王連剛;王正茂;王伯軍瀏衛(wèi)東【摘要】Themechanismsofoxygen-reducedairflooding(ORAF)andtheexplosionlimitandthecorrosioncontrolapproacheswerestudiedbasedonthepilotsofoxygen-reducedairflooding(ORAF)inDagang,ChangqingandDaqingoilfieldsinChina.Onthefoundationofindoorinvestigationsandpilots,theexplosionlimits,oxygenreductionlimitsandcorrosioncontrolapproacheswereclarified.Whenthetemperatureofreservoirisequaltoandhigherthan120°C,thereisaviolentreactionbetweenoxygenandcrudeoil,thatmeanstheeffectoflowtemperatureoxidationwouldbefullytakenuseoftoenhanceoilrecoverybyairfloodingdirectly;nitrogendominatedimmisciblefloodingwithoxygen-reducedairshouldbeappliedincaseswherereservoirtemperatureisbelow120Cwithlittleoxygenconsumptionandlittleheatgenerated.Theoxygen-reducedairfloodingissuitablefor3typesofreservoirs:lowpermeabilityreservoir,waterfloodingdevelopmentreservoirofhighwater-cutandhightemperatureandhighsalinityreservoir.Intheprocessofdevelopment,inordertoensuresafety,theoxygenreductionlimitsshouldbecontrolledfewerthan10%,whileoxygen-reducedaircanobviouslyreducethecorrosionrateofpipes;Thesurfacepipelinesandinjectionwellsdon'tneedtoconsideraboutoxygencorrosionwithnowater,specialmaterialsandstructureofpipeorcorrosioninhibitorcanbeappliedtothesurfacepipelinesandinjectionwellboreswithwater.Air/oxygen-reducedairisalow-costdisplacementmediumanditcouldbeappliedinmanyspecialconditionsoflowpermeabilityreservoirforenergysupplement,huffandpuffanddisplacement,thatmeansoxygen-reducedairfloodinghasbecomethemostpotentialstrategictechnologyin20years.%依托長慶、大慶和大港等油田進行的減氧空氣驅試驗，開展了減氧空氣驅機理、爆炸極限、腐蝕防控等實驗，明確了減氧空氣驅爆炸極限、減氧界限、腐蝕防控條件等技術問題.研究表明:油藏溫度大于等于120°C時,氧氣與原油反應劇烈，可充分利用氧氣的低溫氧化作用，直接進行空氣驅提高采收率;油藏溫度小于120C時,氧氣消耗極少，放熱量少,難以產生熱效應,適合進行減氧空氣驅，充分利用N2為主的空氣非混相驅提高采收率.減氧空氣驅適用于低滲透、注水開發(fā)〃雙高”、高溫高鹽3類油藏，為防止爆炸，確保減氧空氣驅技術安全可控,臨界氧含量可控制在10%以內;空氣減氧后，管柱氧腐蝕有所減緩；無水條件下地面管線和注入井無需考慮氧腐蝕問題，有水時可采用特殊管材、特殊管柱結構或加入緩蝕劑等方法來降低腐蝕速度.空氣/減氧空氣是低成本的驅替介質,可用于對低滲透等特殊條件油藏實施能量補充及吞吐、驅替等方式開發(fā)，是未來20年具有發(fā)展?jié)摿Φ膽?zhàn)略性技術.【期刊名稱】《石油勘探與開發(fā)》【年(卷)，期】2018(045)001【總頁數(shù)】6頁(P105-110)【關鍵詞】減氧空氣驅;爆炸極限;減氧界限;低溫氧化;氧腐蝕防控【作者】廖廣志;楊懷軍;蔣有偉;任韶然李黨國;王連剛;王正茂;王伯軍瀏衛(wèi)東【作者單位】中國石油勘探與生產分公司，北京100120;中國石油大港油田公司沃津300000;中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083;中國石油大學(華東)石油工程學院山東青島266000;清華大學機械學院，北京100083；中國石油勘探與生產分公司,北京100120;中國石油勘探與生產分公司，北京100120;中國石油勘探開發(fā)研究院,北京100083;中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083【正文語種】中文【中圖分類】TE3570引言國內已開發(fā)低、特低滲透油藏儲集層孔喉細小［1-2］，注水開發(fā)存在注不進、采不出等突出問題，而氣體比較容易注入該類儲集層，是驅油和補充地層能量的良好驅替介質。以空氣為介質的空氣驅技術具有易注入、氣源充足、低成本、環(huán)保等明顯優(yōu)勢，國外空氣驅技術現(xiàn)場應用取得了較大成功，且經(jīng)濟效益較高［3-5］。國外油藏儲集層物性相對均質，氣竄風險很低，因而采取直接注空氣的方式［6］。國內陸相沉積油藏非均質性嚴重，氣竄風險較大，采用直接注入方式，空氣與天然氣在井筒和地面管線中混合，容易引起爆炸［7］；目前解決該問題的主要方法是注入起泡劑進行封堵，但該方法存在氧氣與水接觸后對管柱腐蝕作用強烈的問題［8］。為了降低爆炸風險和管柱腐蝕，可以實施減氧空氣驅，但該方法適用于何種地質條件的油藏及注入空氣中氧含量界限仍未得到很好解決，是目前阻礙減氧空氣驅推廣應用的技術難點，急需深化研究。1減氧空氣驅適用范圍1.1減氧空氣驅提高采收率機理空氣驅采油綜合了多種驅油機理，每種機理的作用也各不相同，包括：①保持或提高油藏壓力；②原油低溫氧化生成CO2，產生煙道氣驅效應、原油溶脹效應、降黏度效應；③原油低溫氧化生熱，產生熱膨脹、熱降黏效應及輕質組分的抽提作用［9］。各種機理作用的大小取決于油藏的具體情況，在高溫高壓條件下各種機理的作用都會有所增強。氧化反應的強弱與氧氣含量關系不大，而主要與溫度和氧氣分壓的高低相關?？諝怛尣捎停邏禾岣吡嘶煜嗄芰?，高溫提高了氧的利用率，因而高溫、高壓油藏中的驅油效果較好；低溫低壓油藏中，溫度不能有效累積而且壓力低于最小混相壓力，此時空氣驅就是典型的非混相氣驅，相當于煙道氣驅，驅油效率偏低;直接點火形成火驅時，空氣驅又表現(xiàn)為火驅的生產動態(tài)。因此，不同的地層條件下空氣驅可以具有不同的機理且表現(xiàn)為不同的生產動態(tài)，驅替效果差異較大。1.2減氧空氣驅油藏溫度適用條件為明確減氧空氣驅低溫氧化作用機理，采用高壓近絕熱量熱法開展減氧空氣低溫氧化動力學實驗研究，裝置和方法參照文獻［10］，實驗按〃加熱一等待一搜尋”模式運行。1.2.1實驗設計實驗材料與參數(shù)：①大慶海塔原油；②空氣和減氧空氣（氧含量10%）；③實驗壓力5MPa。實驗步驟：①〃加熱”階段，溫度按設定的2l/min加熱幅度升高；②〃等待”階段，通過控制器保持絕熱爐內的溫度處于均勻平衡狀態(tài)；③〃搜尋”階段，比較試樣升溫速率與設定敏感度（一般為0.01°C/min），前者小于等于后者，自動進入下一個〃加熱一等待一搜尋”循環(huán)，前者大于后者，量熱儀自動轉為〃放熱”方式，控制器根據(jù)絕熱爐各個區(qū)域溫度與樣品測試系統(tǒng)的溫度差異進行調節(jié)，維持絕熱爐溫度與樣品測試系統(tǒng)溫度的一致。1.2.2實驗結果對于空氣，實驗中溫度低于120C、時間小于900min時，未觀測到氧氣消耗及CO2產生，同時未監(jiān)測到溫度累積，表現(xiàn)為加氧反應。溫度繼續(xù)上升，大于等于120°C時監(jiān)測到放熱現(xiàn)象，溫度隨時間緩慢上升，至150°C前，觀測到氧氣有極緩慢的消耗，并伴隨微量的CO與CO2產生（見圖1）。圖1實驗溫度及氣體組分含量監(jiān)測曲線溫度繼續(xù)上升，逐漸累積到150°C以上，實驗時間大于1750min時，溫度上升較快，氧化反應較劇烈，氧氣消耗加快，產出部分CO和CO2;實驗溫度進一步提高，上升到180°C以上，放熱加速特征更明顯，溫度急劇上升，此時產生大量的CO和CO2，原油氧化反應逐漸由放熱較少的加氧反應向大量放熱的裂鍵反應轉變。由此可見，實驗溫度在120°C以下時，氧化反應以加氧反應為主，裂鍵反應為輔;當實驗溫度在180°C以上時，氧化反應以裂鍵反應為主，加氧反應為輔；當實驗溫度在120~180°C時，加氧反應和裂鍵反應并存，加氧反應和裂鍵反應的拐點溫度在150^左右。而減氧空氣在相同實驗條件下氧化，當溫度累積到170C,才觀察到氧氣消耗，高溫階段的氧化也不如空氣和原油劇烈。因此，油藏溫度小于120°C,氧氣消耗極少，放熱量少，難以產生熱效應，適合開展減氧空氣驅；油藏溫度大于等于120°C,原油氧化劇烈，氧氣消耗量大，熱交攵應明顯，適合開展空氣驅；除此之外在選擇空氣泡沫驅或者氣水交替驅時，由于液體的注入，降低了油藏溫度，此時更適于減氧空氣驅，避免因氧氣無法有效消耗導致安全風險。2減氧空氣驅氧含量界限2.1氧含量爆炸界限國內外現(xiàn)場經(jīng)驗表明，雖然空氣驅未發(fā)生過因氧含量超標引起的安全事故，但其安全風險確實存在，也一直是人們關注的焦點，氧含量的爆炸邊界條件是采取相應安全控制措施的重要依據(jù)，是空氣驅提高采收率技術必須要解決的技術難點。2.1.1臨界氧含量的理論計算可燃性氣體（液體蒸汽）與氧氣發(fā)生完全燃燒時，化學反應式［11］如下:式中m——氫原子數(shù)，個；n原子數(shù)，個；入——氧原子數(shù)，個。當可燃性氣體（液體蒸汽）體積分數(shù)為爆炸下限時，此時反應為富氧狀態(tài)，理論臨界氧含量（也叫理論最小氧體積分數(shù)）可表達為：其中式中CO——可燃性氣體的理論臨界氧含量，%;L——可燃性氣體的爆炸下限，%;N——每摩爾可燃氣體完全燃燒時所需要的氧分子數(shù)，個?？扇細怏w在爆炸上限時，其臨界氧含量等于混合氣中的實際氧含量，如無具體實驗作依據(jù)，可采用可燃性氣體的爆炸下限達到完全燃燒時所需要的氧分子個數(shù)（即最小氧體積分數(shù)）來估算臨界氧含量。表1為采用（2）式計算烷烴爆炸下限對應的理論臨界氧含量，可以看出在同類烷烴物質中甲烷的理論臨界氧含量低于其他烷烴類化合物；對多數(shù)石油類烷烴而言，常溫常壓下，理論臨界氧含量為12%，低于這個值，即使遇明火也不會發(fā)生爆炸。表1烷烴爆炸下限時的理論氧含量注：L25表示25°C時可燃性氣體的爆炸下限成分L25/%N/個CO/%成分L25/%N/個CO/%甲烷5.02.010.0己烷1.29.511.4乙烷3.03.510.5庚烷1.111.011.6丙烷2.15.010.5辛烷1.012.511.9丁烷1.86.511.7壬烷0.914.011.9戊烷1.48.011.2癸烷0.815.511.9實際油藏中，儲集層具有高溫、高壓特征。氧含量界限受壓力、溫度、惰性氣體等因素影響，與常溫、常壓下臨界氧含量有較大差異，因此，必須開展實驗研究確定。2.1.2臨界氧含量物理模擬產出氣組分對爆炸臨界氧含量的影響國內部分適合空氣驅常規(guī)油井產出氣組分分析結果［5］顯示，產出氣中甲烷含量均小于96%（見表2）。據(jù)此配制了4個有代表性的不同組分的模擬可燃氣體，在溫度20°C、壓力0.4MPa條件下開展4個組分可燃氣體及純甲烷氣的臨界氧含量爆炸對比實驗。表2實驗用可燃氣體及油井產出氣組分模擬實驗氣體組分體積分數(shù)/%大港油田長慶安塞油田華北油田江漢油田氣體實驗1實驗2實驗3實驗4港2-54-1井港2-57-3井高52井任北壓氣站王場氣站CO20.184.612.00N20.2951.1026.162.485.8422089.01373.0466.2837.95C25151053.8128.05311.247.3110.85C3550.4511.4246.619.2521.19iC4150.1210.0390.762.396.70nC40.0540.2371.292.537.84iC50.0320.1100.240.803.00nC50.0070.271.961.49C6+0.0150.0150.14實驗結果表明（見圖2）,純甲烷的爆炸上下限含量為4.13%、13.5%，可燃氣體中含有C2、C3時，甲烷含量相應降低，爆炸臨界氧含量上升；而隨著C2、C3含量的降低，甲烷含量上升，爆炸臨界氧含量下降；純甲烷的爆炸臨界氧含量最低，為10%。由此說明，該氧含量臨界值為常規(guī)油井產出氣發(fā)生爆炸的最低界限。適合空氣驅的中國陸上油田，油井產出氣甲烷含量均小于96%，其爆炸臨界氧含量不會低于純甲烷的界限，只要空氣驅中氧含量低于10%,就不可能發(fā)生爆炸。CO2、N2含量對爆炸臨界氧含量影響圖2不同組分實驗氣體爆炸臨界氧含量關系圖3N2、CO2氣體含量對爆炸臨界氧含量的影響實施空氣驅、空氣泡沫驅提高采收率過程中，注入空氣中的氧氣與儲集層中的原油發(fā)生氧化反應產生CO2，隨N2共同完成驅替過程?；旌蠚怏w中存在的CO2、N2對爆炸臨界氧含量同樣會產生一定的影響，對此開展的實驗結果表明（見圖3）,隨著N2含量的增加，爆炸臨界氧含量緩慢上升，實驗中最高達13.0%;而隨著CO2含量增加，在低于10%時，爆炸臨界氧含量同樣表現(xiàn)為緩慢上升，但超過10%時，爆炸臨界氧含量表現(xiàn)為快速上升，當CO2含量為20%時，爆炸臨界氧含量上升至15.7%。由此可見，N2含量增加對爆炸臨界氧含量的影響較小，而CO2的影響較大，但隨著兩種氣體含量增加，爆炸臨界氧含量呈上升趨勢，且大于純甲烷的臨界值?？諝怛尲夹g中空氣減氧的主要目的是在確?，F(xiàn)場安全可靠的條件下盡可能降低成本，減氧空氣中氧含量是現(xiàn)場安全和成本的決定性參數(shù)。產出氣組分、N2和CO2等對爆炸臨界氧含量影響的實驗結果證實，合理的爆炸臨界氧含量為10%，將空氣氧含量減至10%后注入油藏，產出氣中氧含量基本上在5%以下，達不到爆炸臨界值，可以確?？諝怛岉椖康陌踩\行。2.2氧含量腐蝕界限注空氣驅油的過程中，注氣井中氧的分壓較高，在潮濕高溫的環(huán)境中，主要發(fā)生氧的去極化反應，會對注入井管壁造成嚴重的腐蝕［12-13］。國外油田空氣驅過程中，曾出現(xiàn)腐蝕垢脫落堵塞地層現(xiàn)象，國內也發(fā)現(xiàn)空氣泡沫驅或空氣火驅注入井發(fā)生嚴重氧腐蝕。國內一些油田往往通過注入空氣泡沫或者采用氣水交替來抑制氣竄，在此過程中由于水的存在加速了油管的腐蝕，使油管更容易被腐蝕穿孔。2.2.1管柱氧腐蝕實驗不同氧含量空氣介質電化學腐蝕采用大港油田空氣泡沫驅現(xiàn)場用注入水與現(xiàn)場用油管掛片，設置模擬實驗溫度為100°C,實驗壓力20MPa,進行96h的腐蝕實驗。圖4為不同氧含量條件下測得電流與電位關系曲線（Tafel曲線），可以看出，自腐蝕電位隨著混合氣體中氧含量的增加而負向移動，同時陰陽極腐蝕電流顯著增加;氧氣含量升高，油管的腐蝕速率與氧含量之間呈現(xiàn)指數(shù)性增加趨勢（見圖5）。圖4腐蝕Tafel曲線圖5腐蝕速率與氧含量關系不同工況下空氣腐蝕實驗模擬大港油田空氣泡沫驅條件下，研究注空氣驅油過程中生產井的腐蝕工況，進行失重法腐蝕分組實驗（見表3）。其中，20#鋼為地面管線材質，N80和P110為油田用油套管標準材質。實驗表明在純空氣條件下，20#、N80、P110掛片幾乎無腐蝕現(xiàn)象。在水與空氣共存的條件下，隨著井深度的增加（或者溫度和壓力增大），N80、P110掛片的腐蝕速率明顯增大；在相同的溫度和壓力下，泡沫+空氣對N80材質掛片的腐蝕遠遠小于水+空氣；相同工況條件下，P110掛片的腐蝕程度小于N80掛片。綜合以上結果，含水、高溫、高壓是腐蝕發(fā)生的重要條件。表3不同溫度壓力條件下不同管材腐蝕速率實驗數(shù)據(jù)序號材質溫度/1壓力/MPa模擬井深度/m工況腐蝕速率/（mm-a-1）120#4020.0空氣0.0042220#6020.0空氣0.0052320#8020.0空氣0.00744N803521.4500空氣0.00035N803521.4500水+空氣2.54006N806523.31500水+空氣3.86007N809525.52500水+空氣5.78008N809525.52500泡沫+空氣2.96009P1103521.4500空氣0.000110P1103521.4500水+空氣2.170011P1106523.31500水+空氣3.360012P1109525.52500水+空氣5.6900同樣，模擬了減氧空氣泡沫驅條件下的腐蝕情況，腐蝕材料為N80掛片（見表4）。溶液中泡沫劑濃度為0.2%、緩蝕劑濃度為0.4%，分別以氧濃度10.0%、5.0%、2.5%進行實驗，結果表明即使將空氣氧含量降至安全值10.0%以下，兩種緩蝕劑雖表現(xiàn)出較好的緩蝕效果，但不能從根本上解決腐蝕問題，基本沒有達到行業(yè)標準水平的指標［14］要求。表4減氧對緩蝕劑緩蝕作用的影響編號氧含量/%腐蝕速率/（mm-a-1）評價結果是否達標空白樣10.04.0366否10.01.9761否5.01.0257否緩蝕劑1#2.50.3419否10.00.3009否5.00.1094否緩蝕劑2#2.50.0684達標行業(yè)標準0.0760注入井管柱腐蝕關系到注入井的使用周期與安全，套管一旦受到腐蝕，會產生變形、錯斷等情況，嚴重時會使注入井報廢。腐蝕實驗中氧含量減到2.5%時，仍然具有很強的腐蝕，減氧至2.5%與10.0%相比，運行成本將大大提高。因此，腐蝕防控無需制定減氧指標，而需要研制氧腐蝕預防方法。2.2.2管柱腐蝕防控空氣驅油目前一般采用4種方法或綜合措施進行管柱防腐：①采用13Cr、316、11Cr、18Ni、9Ti等特殊材質管柱，并鈍化處理表面；②應用緩蝕劑，緩蝕效果與使用濃度及介質的pH值、溫度、流速等密切相關，可根據(jù)防腐的對象、環(huán)境條件選擇；③對空氣進行脫水凈化處理，干燥空氣能大大降低油管腐蝕速率；④采用注干空氣和注泡沫液管柱分開的特殊管柱結構，或采用雙連續(xù)油管并聯(lián)或者同心雙連續(xù)油管模式氣液分注（見圖6）。圖6空氣泡沫驅氣液分注管柱示意圖綜上所述，臨界氧含量主要與產出氣組分、N2和CO2含量等有關，減氧對管柱防腐效果不理想，只能采用相應的措施進行預防。因此，綜合理論計算氧含量爆炸極限和模擬爆炸實驗結果，減氧空氣取氧含量10%，能夠保證現(xiàn)場試驗中不會發(fā)生氧與天然氣混合氣體的爆炸。3應用前景及存在問題3.1應用前景三次采油技術的發(fā)展方向應是高效、低成本、綠色，空氣/減氧空氣是氣介質中（二氧化碳、天然氣、煙道氣、氮氣）低成本的驅替介質，非常符合這一要求。減氧空氣驅技術可用于對低滲透等特殊條件油藏實施規(guī)模補充能量及吞吐、驅替等方式開發(fā)，應用前景廣闊。在合適的油藏條件下，空氣驅/減氧空氣驅技術在未來20年將是具有發(fā)展?jié)摿Φ膽?zhàn)略性技術，可適用于3類油藏。3.1.1低滲透油藏對于該類油藏，采用注水方式開發(fā)，原油采收率只能達到10%~20%。經(jīng)過長期的注水開發(fā)后，注入井的注入壓力持續(xù)升高，可注入性變差，繼續(xù)注水開發(fā)效果難以保證，轉換為空氣驅或泡沫輔助空氣驅進行開發(fā)可大大提高采收率；對于注水比較困難的特低滲或水敏性低滲透油藏，油田開發(fā)的初期就應采取注氣方式，減氧空氣驅是目前較好的選擇。3.1.2注水開發(fā)“雙高”油藏（含普通稠油油藏）該類油藏儲集層非均質嚴重，經(jīng)歷了長期的注水開發(fā)后，目前處于中高含水開發(fā)后期，采出程度在30%以上，常規(guī)的三次采油技術面臨著成本和效果的挑戰(zhàn)，采用有效提高注水利用率與采收率的低成本三次采油技術，是這類油藏開發(fā)后期進一步提高采收率的迫切需求，開展泡沫輔助空氣驅符合這一要求。3.1.3高溫高鹽油藏該類油藏大部分具有埋藏深、儲集層溫度高、注入水（地層水）礦化度高的特征，不適合開展化學驅。從技術上講，空氣對溫度沒有上限要求，以空氣驅或空氣泡沫驅為主體的三次采油技術，將是這類油藏提高采收率的主要技術發(fā)展方向。因此，對高含水、高采出程度、非均質嚴重的中高滲及低滲透油藏而言，空氣驅/減氧空氣驅提高采收率技術將具有巨大的推廣應用潛力。3.2存在問題盡管空氣驅/減氧空氣驅應用前景廣闊，但大規(guī)模應用仍面臨許多技術難題需要解決：①空氣驅驅油機理及生產過程中動態(tài)特征需要深入研究；②對生產井產氣動態(tài)及采油、地面工藝配套技術需加深認識，將目前適應含水采油的工藝技術轉變?yōu)檫m合含氣采油的工藝技術；③注氣技術大規(guī)模應用后的產出氣利用及處理問題，中國陸相油藏條件下實現(xiàn)注氣技術大幅度提高采收率，需要大孔隙體積倍數(shù)的氣儺區(qū)替，必然帶來大量產氣的問題，目前產出氣的處理、回注等技術研究滯后。4結論油藏溫度大于等于120°C時，氧氣與原油反應劇烈，可充分利用氧氣的低溫氧化作用，直接進行空氣驅提高采收率；油藏溫度小于120C時，氧氣消耗極少，放熱量少，難以產生熱效應，適合進行減氧空氣驅，可充分利用N2為主的空氣非混相驅提高采收率。減氧空氣驅適用于低滲透、注水開發(fā)〃雙高”、高溫高鹽3類油藏，為防止爆炸，確保減氧空氣驅技術安全可控，極限氧含量應控制在10%以內；空氣減氧后，管柱氧腐蝕有所減緩；無水條件下地面管線和注入井管柱無需考慮氧腐蝕問題，有水時可采用特殊管材、特殊管柱結構或加入緩蝕劑等方法來降低腐蝕速度。空氣/減氧空氣是低成本的驅替介質，可用于對低滲透等特殊條件油藏實施能量補充及吞吐、驅替等方式開發(fā)，是未來20年具有發(fā)展?jié)摿Φ膽?zhàn)略性技術。參考文獻：谷瀟雨，蒲春生,黃海，等.滲透率對致密砂巖儲集層滲吸采油的微觀影響機制[J].石油勘探與開發(fā),2017,44(6):948-954.GUXiaoyu,PUChunsheng,HUANGHai,etal.Microcosmicinfluenceofpermeabilityonspontaneousimbibitionrecoveryfortightsandstonereservoirs[J].PetroleumExplorationandDevelopment,2017,44(6):948-954.肖佃師,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