易 浩, 杜 歡, 賈曉斌, 羅發(fā)強
(1.中國石化西北油田分公司石油工程技術研究院,新疆烏魯木齊 830011;2.中國石化西北油田分公司鉆井完井工程管理處,新疆烏魯木齊 830011)
塔河油田及周緣超深井井身結構優(yōu)化設計
易 浩1, 杜 歡2, 賈曉斌1, 羅發(fā)強1
(1.中國石化西北油田分公司石油工程技術研究院,新疆烏魯木齊 830011;2.中國石化西北油田分公司鉆井完井工程管理處,新疆烏魯木齊 830011)
隨著塔河油田及周緣勘探開發(fā)的深入及勘探領域的外擴,油藏埋深不斷增加,原有井身結構開始顯現(xiàn)出其局限性,并影響鉆井提速和鉆井安全。為解決這一問題,根據(jù)具體地層情況,結合“自下而上”和“自上而下”井身結構設計方法,根據(jù)地層壓力分布情況和必封點確定表層套管、技術套管和油層套管的直徑和下深,將四開井身結構簡化為三開井身結構,將φ177.8 mm套管優(yōu)化為φ193.7 mm套管,形成了適合塔河油田主體非鹽區(qū)等地質條件相對簡單區(qū)塊超深井高效鉆井的φ193.7 mm套管直下三開井身結構;采用φ265.1 mm或φ206.4 mm套管封隔鹽膏層,形成了適合塔河油田主體鹽體分布區(qū)超深鹽層井優(yōu)快鉆井的“長裸眼穿鹽”和“專封鹽膏層”井身結構;采用φ273.1 mm(φ311.1 mm)、φ206.4 mm(φ241.3 mm或φ215.9 mm)等非常規(guī)套管-井眼尺寸,形成了適合地質條件復雜區(qū)塊超深井安全鉆井的井身結構。通過簡化井身結構、優(yōu)化套管直徑及下深,實現(xiàn)了地質條件相對簡單區(qū)塊的鉆井提速、提效目的;通過優(yōu)化非常規(guī)井身結構,確保了在地質條件復雜區(qū)塊的安全鉆進。
超深井 鹽膏層 火成巖 井身結構 優(yōu)化設計
塔河油田及其周緣儲層埋藏深,鉆遇層位多,區(qū)塊間地層差異大,地質特征多樣化,具有構造復雜、特殊地層發(fā)育、地層壓力系統(tǒng)復雜等特點,鉆井過程中普遍存在鉆井周期長、鉆井效率低、井下故障多等問題。針對上述復雜的地質環(huán)境和諸多的工程技術難點,通過多年的探索、研究和實踐,不斷優(yōu)化井身結構,形成了塔河油田及周緣超深井井身結構系列,為該區(qū)域增儲上產(chǎn)、降本增效及加快勘探開發(fā)進程做出了重要貢獻。但井身結構需要根據(jù)油田開發(fā)需求不斷地、持續(xù)地優(yōu)化,因此,為了解決原有井身結構開始顯現(xiàn)的局限性,筆者系統(tǒng)論述了塔河油田及周緣超深井井身結構優(yōu)化設計的持續(xù)研究及演變過程,并重點闡述了鉆井、完井、開發(fā)挖潛的一體化設計理念,以期對其他地區(qū)的井身結構優(yōu)化設計有一定借鑒作用。
1.1 地質特征
1) 儲層埋藏深,鉆遇層位多。塔河油田及其周緣超深井的目的層以奧陶系碳酸鹽巖油藏為主,自下而上主要鉆遇奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系及第四系等地層。
2) 鹽膏層發(fā)育[1]。庫車坳陷山前構造帶古近系巨厚復合膏鹽層(含膏巖、鹽巖與軟泥巖)發(fā)育,跨度可達3 000.00 m;塔北沙雅隆起石炭系巴楚組鹽膏層(以純鹽巖為主,有不等厚的泥巖及膏巖夾層)發(fā)育,厚度30.00~300.00 m,埋深5 100.00~5 600.00 m。
3) 高壓鹽水層、高壓氣層發(fā)育。庫車坳陷山前構造帶新近系、古近系高壓鹽水層地層孔隙壓力當量密度2.35~2.47 g/cm3;巴麥地區(qū)麥蓋提斜坡西南古近系高壓鹽水層地層孔隙壓力當量密度達2.35 g/cm3;庫車坳陷山前構造帶白堊系舒善河組高壓氣層壓力當量密度2.20 g/cm3。
4) 二疊系和奧陶系地層的壓力窗口窄。二疊系火成巖硬脆性低壓地層微裂縫發(fā)育,易塌、易漏;奧陶系灰?guī)r地層裂縫、孔洞發(fā)育,易漏、易涌。
1.2 超深井鉆井技術難點
長期以來,塔河油田及周緣深井、超深井普遍采用的井身結構為φ660.4 mm鉆頭×φ508.0 mm套管+φ444.5 mm鉆頭×φ339.7 mm套管+φ311.1 mm鉆頭×φ244.5 mm套管+φ215.9 mm鉆頭×φ177.8 mm套管+φ149.2 mm鉆頭。該井身結構在地質條件相對簡單的區(qū)域比較適用,對于規(guī)范鉆井工具、工藝及滿足地質、鉆井及采油等方面的要求起到了積極作用[2],但隨著塔河油田開發(fā)的深入、勘探領域的擴大,開始顯現(xiàn)出一些局限性。具體而言,塔河油田及周緣超深井鉆井技術難點主要表現(xiàn)在以下3方面:
1) 地質條件相對簡單的區(qū)塊,如塔河油田主體非鹽區(qū),采用上述井身結構井的鉆井周期普遍較長,建井成本高,難以同時滿足安全、經(jīng)濟的要求。
2) 地質條件相對復雜的區(qū)塊,如塔河油田主體鹽下區(qū),采用上述井身結構,常規(guī)API套管抗擠強度難以承受石炭系巴楚組鹽膏層蠕變,易出現(xiàn)套管變形和損壞。如躍參區(qū)塊目的層埋深超過7 000.00 m,采用上述井身結構,因技術套管下深不合理,同一開次揭示二疊系易塌易漏的火成巖地層、志留系易塌泥巖地層等多個復雜地層,卡鉆、井漏等井下故障頻發(fā),導致鉆井周期較長。
3) 地質條件復雜的區(qū)塊,如塔河油田超深層、天山南山前構造,由于對地層了解不充分,上述井身結構難以滿足超深井的要求。要提高深井鉆井的成功率,就必須有足夠的套管層次儲備,以便鉆遇未預料到的復雜層位時,能夠及時封隔并繼續(xù)鉆進[3]。
基于勘探開發(fā)需求,隨著對地質特征的深入認識、鉆井裝備的日益改善、鉆井工藝技術的不斷發(fā)展以及國產(chǎn)套管在質量方面的逐年提高,塔河油田及周緣超深井井身結構設計得以不斷優(yōu)化,主要體現(xiàn)在以下3方面:一是井身結構簡化,二是套管直徑及下深優(yōu)化,三是非常規(guī)井身結構優(yōu)化。
2.1 井身結構簡化
地質條件相對簡單的區(qū)塊,如塔河油田主體非鹽區(qū)和塔中卡塔克1區(qū)塊等,非儲層地層孔隙壓力當量密度為1.08~1.24 g/cm3,屬正常壓力系統(tǒng),地層壓力變化不大。地層巖性以砂巖、泥巖為主,部分區(qū)域二疊系火成巖地層裂縫發(fā)育。
以塔河油田主體非鹽區(qū)為例,井身結構優(yōu)化的歷程可劃分為3個階段:第一階段為安全成井階段(1998—2001年),該階段為了安全成井,采用常規(guī)四開井身結構;第二階段為優(yōu)快鉆井階段(2002—2011年),為加快油田開發(fā)速度,降低鉆井投資,根據(jù)地質特征,部分井采用φ177.8 mm套管直下的三開井身結構[4-9];第三階段為高效鉆井階段(2012年至今),為滿足后期老井側鉆下套管封隔易塌泥巖地層的需求,采用φ193.7 mm套管直下的三開井身結構。
2.1.1 安全成井階段
塔河油田勘探開發(fā)初期采用四開井身結構(見表1),其中,φ177.8 mm尾管下至目的層奧陶系頂部,單獨揭示目的層?;诋敃r的技術水平和鉆井周期長的情況,為降低施工風險下入φ244.5 mm技術套管。
表1所示井身結構考慮了塔河油田鉆井中存在的復雜情況、完井作業(yè)及后期井下作業(yè)的要求,是常用的、成熟的井身結構,在塔河油田碳酸鹽巖油藏應用較廣,保證了超深井的安全鉆井、完井及后期井下作業(yè)的順利進行。
2.1.2 優(yōu)快鉆井階段
隨著塔河油田開發(fā)規(guī)模的擴大,為提高鉆井效率、降低開發(fā)成本、完成產(chǎn)能目標,在對地質特征、壓力系統(tǒng)深入認識和鉆井、完井工藝及配套技術發(fā)展的基礎上,開展了井身結構優(yōu)化設計研究,將井身結構由原來的四開井身結構簡化為三開井身結構(見表2)。為了更有效地發(fā)揮三開井身結構的優(yōu)勢,結合現(xiàn)場經(jīng)驗,應用了螺桿鉆具配合高效PDC鉆頭及聚磺防塌鉆井液進行鉆進。
φ177.8 mm套管直下的三開井身結構較四開結構減少一開次,少下一級技術套管,不僅節(jié)約了管材,而且由于開孔直徑縮小和采用了“PDC鉆頭+螺桿鉆具”復合鉆井技術,機械鉆速提高,單井鉆井周期縮短,鉆井成本降低。
簡化的三開井身結構在塔中地區(qū)卡塔克1區(qū)開發(fā)井進行了應用,相比四開井身結構平均機械鉆速提高45.7%,平均鉆井周期縮短20.5%。
2.1.3 高效開發(fā)階段
針對φ177.8 mm套管開窗側鉆難題,通過研究井眼直徑與套管間隙的配套關系,將二開井眼直徑放大至φ250.8 mm,下入φ193.7 mm油層套管,三開使用φ165.1 mm鉆頭鉆進(記為新三開井身結構,設計結果見表3),后期側鉆可不擴孔下入φ139.7 mm套管,封隔復雜泥巖地層或水層,下一開次采用φ120.6 mm鉆頭鉆進。
截至2013年底,φ193.7 mm套管直下的新三開結構井已在塔河油田及周緣推廣應用206井次,與φ177.8 mm套管直下的三開井身結構相比,平均機械鉆速和鉆井周期相當(見表4)。
表4 四開、三開和新三開井身結構鉆井指標對比
Table 4 Comparison of four-stage,three-stage and new three-stage casing programs
2.2 套管直徑及下深優(yōu)化
地質條件相對復雜的區(qū)塊,如塔河油田主體鹽體分布區(qū)巴楚組及巴麥玉北區(qū)塊古近系鹽膏層發(fā)育,躍參區(qū)塊目的層埋深超過7 000.00 m,通過優(yōu)化套管直徑及下深,實現(xiàn)了安全優(yōu)快鉆井。
2.2.1 超深鹽層井
塔河油田南緣鹽體分布區(qū)面積達2 000 km2,鹽膏層埋深一般超過5 100.00 m,個別區(qū)域埋深達到5 600.00 m,具有埋藏深、厚度大、鹽純、塑性蠕動強的特點。
為實現(xiàn)鹽膏層以下奧陶系油氣的勘探開發(fā),深入研究鹽膏層的蠕變特性、鹽體分布區(qū)地層的三壓力剖面和鹽膏層鉆井技術,形成了“長裸眼”鹽膏層
鉆井技術和“專打專封”鹽膏層鉆井技術,實現(xiàn)了塔河油田南緣鹽體分布區(qū)鹽下奧陶系油藏的有效勘探與開發(fā)[10-12]。
1) “長裸眼穿鹽”井身結構優(yōu)化設計
基于對鹽膏層蠕變特性的深入分析[13],為安全順利鉆達目的層奧陶系,對常規(guī)的五開井身結構進行了優(yōu)化,確定了“長裸眼”揭示鹽膏層的五開井身結構,其中三開采用φ244.5 mm+φ265.1 mm復合套管封隔鹽膏層(見表5)。
如何有效封隔鹽膏層和增大鹽下井眼直徑是井身結構設計的重點,對于封隔鹽膏層的套管,經(jīng)歷了管徑、壁厚、鋼級、扣型等的選擇過程??紤]抗外擠強度、大直徑套管安全下入等因素,由早期的φ250.8 mm×15.88 mmKO140T套管改為φ273.1 mm×26.24 mmVM140HC套管或φ273.1 mm×26.24 mmTP140V厚壁高抗擠套管,目前采用既滿足強度要求又可降低下入風險的φ265.1 mm×22.00 mmTP155V高抗擠套管。各高抗擠套管的參數(shù)見表6。
2) “專封鹽膏層”井身結構優(yōu)化設計
為能夠抑制鹽膏層蠕變,鉆井液密度必須提高至1.65~1.70 g/cm3。長裸眼穿鹽井鹽膏層以上裸眼井段的承壓能力低,必須對其進行承壓堵漏。部分區(qū)域鹽膏層埋藏深(達5 600.00 m)、鹽上地層承壓堵漏難度大(鉆井液密度達1.70~1.80 g/cm3)、周期長,且三開井段開孔直徑大、大尺寸裸眼段長、鉆井問題相對集中,致使鉆井周期長、風險大、成本高。
為了縮短鹽層井的鉆井周期,進一步優(yōu)化鹽層井的井身結構,提出了φ206.4 mm厚壁套管專封鹽膏層的井身結構和工藝方案,即“專打專封”鹽膏層鉆井技術。該技術概括為“縮小開孔直徑,使用φ206.4 mm厚壁套管封隔鹽膏層,鹽下井段采用φ165.1 mm鉆頭鉆進”(見表7),以有效提高鉆井效率,縮短鉆井周期,降低鉆井成本。采用該井身結構,不但能降低封鹽套管下入的風險,而且鉆井周期能縮短近40 d。但由于封鹽套管的直徑縮小,限制了下部鉆進的井眼直徑,該井身結構僅應用于缺失志留系、泥盆系地層的井。
目前已在塔河油田南緣鹽體分布區(qū)鉆“專打專封”鹽層井54口,平均完鉆井深6 091.00 m,平均鉆井周期140.3 d,平均機械鉆速5.81 m/h。
表7 “專封鹽膏層”井身結構設計結果
Table 7 Design of a casing program of special casing for sealing the salt-gypsum layer
2.2.2 玉北區(qū)塊
玉北區(qū)塊位于塔里木盆地麥蓋提斜坡構造帶,目的層為奧陶系,早期設計一開井段采用φ339.7 mm表層套管封隔第四系與新近系上部淺表欠壓實地層;二開井段鉆穿二疊系沙井子組第一套砂巖地層,確認進入泥巖地層中完,采用φ250.8 mm厚壁套管封隔古近系地層;奧陶系頂部是該區(qū)塊的鉆井必封點,三開井段φ177.8 mm尾管下至石炭系底部,單獨揭示目的層奧陶系,采取裸眼完井方式。
為進一步降低施工風險,實現(xiàn)安全快速鉆井,對玉北區(qū)塊井身結構進行了優(yōu)化[14],優(yōu)化設計結果見表8。針對古近系地應力差異大、鹽膏層蠕變縮徑易引起套管變形(YB5井、YB6井、YB3井-1等3口井在該層段發(fā)生了φ250.8 mm套管擠毀變形)的問題,設計擴孔后下入φ265.1 mm×22.00 mmTP155V厚壁套管封隔鹽膏層;針對沙井子組地層承壓能力低,易發(fā)生漏失的情況,二開中完后原則上由初期“鉆穿二疊系沙井子組頂部第一套砂巖地層,確認進入泥巖地層中完”優(yōu)化為“鉆穿古近系鹽膏層進入下部泥巖地層10.00~15.00 m中完”。
優(yōu)化后的井身結構目前已在玉北區(qū)塊推廣應用,后續(xù)部署井無套管變形,麥蓋提1區(qū)平均完鉆井深6 116.00 m,平均機械鉆速3.09 m/h,平均鉆井周期189.82 d。
2.2.3 躍參區(qū)塊
為有效降低三開井段鉆井作業(yè)難度,在三開井段應用“螺桿鉆具+PDC鉆頭”、扭力沖擊器等鉆井提速技術及工具,達到縮短鉆井周期的目的,對該區(qū)塊的井身結構進行了優(yōu)化,將φ244.5 mm套管下至石炭系頂部,以封隔二疊系及上部裸眼井段(見表9)。
通過優(yōu)化井身結構,減少了鉆井復雜情況,提高了鉆井時效,提速提效顯著,優(yōu)化后躍參區(qū)塊平均機械鉆速提高了39.3%,平均鉆井周期縮短了35.2%。
2.3 非常規(guī)井身結構優(yōu)化設計
隨著鉆井裝備的日益改善及鉆井技術的不斷發(fā)展和提高,針對天山南山前構造、塔河深層等地質復雜地層開展了超深井鉆井實踐,對非常規(guī)井身結構進行了優(yōu)化設計[15]。
2.3.1 天山南山前構造
以QN1井為例進行說明。該井設計井深6 548.00 m(后加深至7 650.00 m),位于塔里木盆地庫車坳陷東秋里塔格構造帶西端的QN1號構造,自上而下主要鉆遇新近系、古近系和白堊系地層。
針對QN1井面臨的山地高陡、巨厚復合鹽膏層(含膏巖、鹽巖與軟泥巖)發(fā)育(預測跨度達2 877.00 m)、高壓鹽水層發(fā)育、高壓氣層發(fā)育等鉆井難點,采取兩層系復合鹽膏層集中段與非集中段“分別鉆進,分別封隔”的方案,φ250.8 mm厚壁套管主要封隔吉迪克組復合鹽膏層與蘇維依組上部膏、鹽相對集中的井段。出于套管層次與尺寸空間的考慮,采用φ206.4 mm直連扣厚壁套管封隔蘇維依組中下部鹽膏層及下部鉆井液密度相近的井段;使用φ165.1 mm鉆頭鉆至完鉆井深,懸掛φ139.7 mm尾管完井,將φ158.8 mm直連扣套管作為發(fā)生異常情況(如不同壓力系統(tǒng)等)的備用層次。如果五開φ165.1 mm井段鉆遇2套以上相差較大的壓力系統(tǒng),難以安全持續(xù)鉆進,則采用液力擴孔器將已鉆井眼擴孔至190.5 mm,懸掛φ158.8 mm直連、氣密扣套管,下開次使用φ127.0 mm鉆頭繼續(xù)鉆至完鉆井深,鉆后采用液力擴孔器將已鉆井眼擴孔至φ139.7 mm,懸掛φ114.3 mm直連、氣密扣套管。
QN1井設計與實鉆的井身結構見表10。實際鉆井過程中,蘇維依組及其以下地層埋深與地質設計的預測深度相差較大,三開井段實際中完井深由設計由的4 749.00 m增至5 202.00 m;四開井段實際中完井深由設計的5 948.00 m增至6 476.00 m;設計完鉆井深由6 548.00 m調整為7 650.00 m,實際完鉆井深7 003.00 m。
2.3.2 塔河深層
以TS1井為例進行說明。該井設計井深8 000.00 m(后加深至8 400.00 m),以阿克庫勒凸起東緣寒武系建隆巖性圈閉為勘探目標,探索寒武系地層的含油氣性。該井自上而下主要鉆遇第四系、新近系、古近系、白堊系、侏羅系、三疊系、石炭系、奧陶系和寒武系地層。鄰井未揭示寒武系地層,因此對蓬萊壩組白云巖地層及以下寒武系地層缺乏了解,超深層地層情況、油氣性質、壓力系數(shù)未知,存在較大的鉆井風險。
相對完鉆目標,塔河深層奧陶系至寒武系2 500.00 m跨度上灰?guī)r、白云巖地層的不確定因素是鉆井工程最大的困難。該跨度上是否存在大的溶洞、漏失段,是否存在2套以上的壓力體系,直接關系到能否繼續(xù)鉆進、能否鉆達完鉆目的層位,甚至關系到能否安全鉆井與完井。為此,上層套管層序盡可能多爭取空間,以奧陶系風化殼作為一個必封點,選擇φ273.1 mm直連扣套管作為承上啟下的一個重要的工藝配合過程與環(huán)節(jié);將寒武系頂面作為必封點,使用φ241.3 mm鉆頭鉆至奧陶系底部,懸掛φ206.4 mm直連扣套管;寒武系地層使用φ165.1 mm鉆頭鉆進,如井眼狀態(tài)、壓力情況具備連續(xù)鉆進的條件,則持續(xù)鉆至完鉆井深,下入φ139.7 mm尾管完井。如鉆遇易漏失或不穩(wěn)定層段,井眼狀態(tài)、壓力情況復雜,難以繼續(xù)鉆進,則擴孔至φ190.5 mm,下入φ158.8 mm尾管(直連扣)封隔;使用φ127.0 mm鉆頭繼續(xù)鉆至完鉆井深,裸眼完井。
TS1井設計與實鉆的井身結構見表11,采用φ273.1 mm(φ311.1 mm)及φ206.4 mm(φ241.3 mm)非常規(guī)套管-井眼尺寸、間隙配合的井身結構設計和超深井配套措施,成功鉆至深部寒武系建隆體,將當時的亞洲直井井深紀錄提高了1 150.00 m,為塔河油田及周緣超深井鉆井積累了經(jīng)驗,提供了相關資料和技術儲備。
1) 通過深入認識地質特征,不斷優(yōu)化和完善地質條件相對簡單區(qū)塊的井身結構設計,形成了系列超深井井身結構,實現(xiàn)了鉆井安全、提速、提效的目的,滿足了塔河油田及周緣經(jīng)濟、高效開發(fā)的需求。
2) 充分考慮鉆井地質條件復雜區(qū)塊、深部地層可能出現(xiàn)的風險和復雜情況,通過合理設計井身結構,確保了安全鉆達地質目標。
3) 塔河油田及周緣鉆井實踐表明,合理的井身結構是深井和超深井安全、經(jīng)濟、高效鉆井的基礎和保證。
4) 地層壓力預測不夠準確是困擾井身結構優(yōu)化設計的難題,建議進一步加強對塔河油田及周緣新區(qū)地質構造、地層壓力預測和檢測技術研究,以便為后續(xù)設計合理的井身結構提供依據(jù)。
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[編輯 令文學]
The Optimal Design of a Casing Program for Ultra-Deep Wells in the Tahe Oilfield and Its Periphery
Yi Hao1, Du Huan2, Jia Xiaobin1, Luo Faqiang1
(1.ResearchInstituteofPetroleumEngineering,SinopecNorthwestOilfieldCompany,Urumqi,Xinjiang,830011,China;2.DrillingandCompletionEngineeringDepartment,SinopecNorthwestOilfieldCompany,Urumqi,Xinjiang,830011,China)
With the expansion and extension of exploration and development in the Tahe Oilfield and its periphery,the original casing program revealed it had limitations in the deeper reservoir,affecting drilling speed and safety. For specific formations,based on the bottom-up and top-down casing program design methods,and considering the formation pressure distribution and setting position,the size and running depth of surface,intermediate and production casings were determined.The original four-stage casing program was simplified to a three-stage one. Specifically,by optimizingφ177.8 mm casing toφ193.7 mm,a new three-stage casing program was designed for high-efficient drilling of ultra-deep wells in areas in simple geological conditions,such as the non-salt area in the Tahe Oilfield. Usingφ265.1 mm orφ206.4 mm casing to isolate salt-gypsum layer,a casing program of long open hole through salt-gypsum layer and special casing sealing salt-gypsum layer was designed for fast drilling of ultra-deep wells in salt areas in the Tahe Oilfield. With unconventional casings ofφ273.1 mm(forφ311.1 mm hole)andφ206.4 mm (forφ241.3 mm orφ215.9 mm hole), a casing program was designed for the safe drilling of ultra-deep wells in areas under complex conditions.By simplifying casing program and optimizing the size and running depth of casing,the drilling speed and efficiency could be improved in areas with relatively simple geological conditions.By optimizing the unconventional casing program,safe drilling could be conducted in areas with complex geological conditions.
ultra-deep well;evaporite bed;igneous rock;casing program;optimal design
2014-08-28;改回日期:2014-12-09。
易浩(1980—),男,湖南岳陽人,2002年畢業(yè)于西南石油學院石油工程專業(yè),2005年獲西南石油學院油氣井工程專業(yè)碩士學位,高級工程師,主要從事鉆井工程設計及相關研究工作。
?鉆井完井?
10.11911/syztjs.201501013
TE22
A
1001-0890(2015)01-0075-07
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