高压水力压裂增透技术在盐井二矿石门揭煤中的应用研究技术报告.docx
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高压水力压裂增透技术在盐井二矿石门揭煤中的应用研究技术报告
高压水力压裂增透技术在盐井二矿石门揭煤中的
应用研究
技
术
报
告
盐井二矿
2013年10月
1.绪论3
1.1课题研究的意义3
1.2高压水力压裂增透技术研究现状3
1.3高压水力压裂增透技术机理3
1.4盐井二矿课题的提出4
1.5主要研究内容4
1.6主要研究方法及目标4
2.井田地质概况5
2.1井田概况5
2.2煤层瓦斯5
3高压水力压裂增透技术实施6
3.1高压水力压裂增透技术装备及工艺6
3.1.1水力压裂技术装备6
3.1.2压裂设备连接6
3.1.3压裂泵参数7
3.1.4封孔工艺7
3.2水力压裂8
3.2.1水力压裂地点考察8
3.2.3压裂煤层原始瓦斯含量、压力8
3.2.4水力压裂实施情况9
4水力压裂方案实施效果12
4.1瓦斯抽采效果12
4.2石门揭煤掘进效果12
5研究成果及创新点13
5.1研究成果13
5.2创新点13
6效益分析13
6.1直接经济效益(以+10m南一石门为例)13
6.2间接经济效益14
6.3社会效益14
7存在问题及改进方向14
1.绪论
1.1课题研究的意义
盐井二矿属于煤与瓦斯突出矿井,矿区位于沥鼻峡背斜轴部,开采二叠系龙潭组煤层,可采煤层均为煤与瓦斯突出煤层。
矿井为建设矿井,目前主要采取“‘钻割一体化’+区域预抽”来达到石门揭煤消突的目的,但在实施过程中,由于钻孔数量较多,区域预抽钻孔、抽放时间较长,导致石门揭煤周期一般为4~6个月/组,严重制约矿井采掘部署。
同时本矿井设计采用走向条带跨石门连续开采,后期井巷开拓中石门揭煤会越来越频繁,当前揭煤进度已满足不了井巷工程建设的需要,成为了制约矿井按期投产的一大难题。
本项目任务是通过对煤层进行取样考察,收集其原始瓦斯含量,物理力学性质及工业指标,压裂孔施工工艺及机具、封孔工艺的选择,压裂方式的研究,压裂后的抽采效果以及对石门防突掘进的消突效果的考察,研究出一套对本矿井适用、成熟的高压水力压裂增透工艺,大幅度改善煤层透气性,优化钻孔布置,减少钻孔工程量,实现石门揭煤区域快速揭煤、安全揭煤,确保按期投产。
1.2高压水力压裂增透技术研究现状
水力压裂技术最早作为油、气井增产增注的主要措施,从1947年在美国堪萨斯州试验成功至今已有半个多世纪的发展。
20世纪60年代,前苏联将该技术作为一种煤层卸压增透手段引入煤矿,开始进行煤矿井下水力压裂试验研究。
1965年煤炭科学研究总院沈阳研究院(原煤炭科学研究总院抚顺分院)在全国首次将水力压裂技术应用在煤层强化抽放瓦斯领域,通过地面钻孔对煤层实施压裂,并进行了现场试验,取得了显著效果。
随后,我国先后在阳泉一矿、白沙红卫矿,抚顺北龙凤矿及焦作中马矿等进行了水力压裂试验,并取得了一些经验。
受技术及装备等条件的限制,该技术在随后若干年一直没有被大规模推广使用。
随着科技的不断发展,近几年水力压裂作为一种煤层卸压增透措施逐渐被许多矿井采用,并取得了较好的应用效果。
煤矿井下水力压裂技术的研究进展主要集中在压裂方法、压裂工艺以及压裂装备3个方面。
1.3高压水力压裂增透技术机理
井下高压水力压裂的基本原理即将水经高压注入煤体中原有的和压裂后出现的裂缝内,克服最小主应力和煤体的破裂压力,扩宽并伸展和沟通这些裂缝,进而在煤中产生更多的人造裂缝与裂隙,从而增加煤层的透气性。
通过进行高压水力压裂作业,可以使煤体中的应力重新分布,在一定范围内减小煤层应力,形成卸压区,同时部分区域会产生应力集中。
大量研究结果表明,应力的降低,可以产生较多的裂隙,大幅度提高煤体的透气性,从而提高煤层瓦斯抽放速率。
承压状态下的煤体经过高压水力压裂以后,随着压裂缝隙的产生,煤层的应力分布、裂隙发育以及相应的透气性系数等参数都要发生规律性的变化。
在一定范围内,应力会大幅度降低,引起受压煤体的裂隙张开,煤体的透气性提高。
同时由于压裂缝隙的存在,受压以后,煤体会因为受压而发生弹塑性变形,在由水力压裂形成瓦斯流动宏观通道的同时,缝隙的上下侧面会形成大量的次生裂隙。
由宏观的压裂缝隙和大量的次生裂隙共同构成了解析瓦斯的流动路径,从整体上看,煤体的整体透气性系数得以大幅度提高。
由于煤体的渗透性提高,矿井瓦斯的顺层或穿层抽采钻孔的单孔影响范围随之扩大,有利于矿井的瓦斯抽放工作的开展。
1.4盐井二矿课题的提出
盐井二矿井田位于重庆市合川沥鼻峡煤田盐井矿区南部,北与盐井一矿相邻,设计能力550kt/a,于2007年12月开始基建。
井田含煤地层为二叠系上统龙潭组,其含煤15层,一般11~13层;纯煤总厚8.48~20.27m,平均14.92m,含煤系数9%。
有可采、大部可采煤层K2、K3、K7、K9、K10、K12、K14煤层共7层,可采总厚11.15m,可采含煤系数8%。
根据《盐井二矿井田煤炭资源勘探地质报告》,井田K2、K7煤层为突出危险至严重突出危险煤层,其他煤层也均为突出危险煤层。
盐井二矿通过从技术层面研究以及现场试验后,从压裂方法、压裂工艺及压裂装备三个方面总结出了适用于本矿井的、成熟的水力压裂增透工艺,大幅度改善煤层透气性,减少钻孔工程量,实现石门揭煤区域消突,提高掘进速度。
1.5主要研究内容
本课题主要通过天弘矿业有限责任公司盐井二矿+10m北一石门、+10m南一石门、-70m北一石门对煤层进行取样考察,收集其原始瓦斯含量,物理力学性质及工业指标,通过对压裂孔施工工艺及机具、封孔工艺的选择,压裂方式的研究,压裂后的抽采效果以及对石门防突掘进的消突效果的考察,研究出一套对本矿井适用、成熟的高压水力压裂增透工艺。
经技术论证,现场按以下要求实施:
1)对各石门目标煤层进行取样考察,收集煤层参数、指标。
包括:
煤层原始瓦斯压力,煤体坚固性系数,煤层瓦斯吸附常数,煤层原始瓦斯含量等基本参数及煤层透气性系数等;
2)对压裂孔施工工艺及机具进行考察选择;
3)对封孔工艺进行比较选择;
4)对项目开展地点和压裂方式进行考察研究;
5)根据以上各项考察资料研究出适用于本矿石门消突工作中的高压水力压裂增透工艺;
6)对压裂后对抽采效果、石门防突掘进的消突效果进行考察,以期达到实现石门揭煤区域快速、安全揭煤的目的。
1.6主要研究方法及目标
本项目研究采用现场资料收集整理、现场试验相结合的方式进行。
通过对天弘矿业有限责任公司盐井二矿+10m北一石门、+10m南一石门、-70m北一石门对煤层进行取样考察,收集其原始瓦斯含量,物理力学性质及工业指标,通过对压裂孔施工工艺及机具、封孔工艺的选择,压裂方式的研究,压裂后的抽采效果以及对石门防突掘进的消突效果的考察,研究出一套对本矿井适用、成熟的高压水力压裂增透工艺。
现场实施以后,达到以下技术指标:
1)压裂区瓦斯抽采浓度不低于40%;
2)压裂抽采流量提高10倍;
3)掘进进度提高三分之一。
2.井田地质概况
2.1井田概况
重庆天弘矿业有限责任公司盐井二矿位于重庆市合川沥鼻峡煤田盐井矿区南部,北与盐井一矿相邻,行政区划隶属于重庆市合川区盐井镇。
井田中心与合川城区直线距离约13km,方位南东176°,井田南北走向长约5.1km,东西平均宽约0.791km,面积约3.9944km2。
井田含煤地层为二叠系上统龙潭组,其含煤15层,一般11~13层;纯煤总厚8.48~20.27m,平均14.92m,含煤系数9%。
有可采、大部可采煤层K2、K3、K7、K9、K10、K12、K14煤层共7层,可采总厚11.15m,可采含煤系数8%。
矿井采用斜井—立井—平硐综合开拓方式,主斜井落平至-70m阶段,在-70m阶段茅口灰岩中布置南北运输巷,已完成阶段变电所、水泵房、水仓工程施工,现正在进行-70m北一回风上山、-70m北一石门、-70m南运输巷、-70m北翼回风巷以及-70m~-150m人行下山施工。
-70m北一石门现已掘进至K2煤层区域防突措施位置。
回风斜井落平至+10m阶段,顺茅口灰岩布置+10m阶段南北运输巷,北运输巷连接-70m—+10m人行下山与-70m阶段连通形成负压通风系统,南运输巷连接-70m—+10m轨道下山。
+10m阶段现掘进头面有:
+10m轨道下山、+10m南一石门、+10m北一石门、+10m瓦斯抽放巷(N1-S1)。
+10m北一石门现已掘进K6、K7煤层组区域消突位置,+10m南一石门现完成K3、K4煤层区域消突工作,准备进行揭煤。
副立井采用立井开拓落平至-150m水平,已完成井底车场掘进工程施工进入-150m轨道石门作业,目前石门处于过西翼煤层群阶段,地质构造复杂,现已掘至K7煤层区域消突位置施工抽排钻孔。
排矸斜井于地面副立井所在场地的东南侧约1km的山脚处采用平硐开拓至山坡内分上山、下斜井施工,上山施工至山坡顶通地面,斜井落平至+133m阶段后,继续施工暗斜井至-150m水平与轨道石门贯通形成矸流系统。
2.2煤层瓦斯
根据重庆136地质队提供的《重庆市沥鼻峡背斜盐井矿区二矿井田煤炭资源勘探地质报告》,在井田内的ZK2、ZK22、ZK26、ZK25、ZKB5五个钻孔中采取K2、K7煤层煤芯样进行煤的坚固系数(f)、煤层瓦斯放散初速度(△P)及吸附瓦斯常数(a)、孔隙率等项测试试验(见表1),其中,K2煤层煤的坚固性系数(f)为0.28~0.29,平均0.29,瓦斯放散初速度(△P)为15~21,平均18,吸附瓦斯常数(a)23.9760~25.3478,平均24.4389。
本次在ZK25、ZK26号钻孔测试了K2、K7煤层瓦斯压力,K2煤层瓦斯压力平均3.1333P.Mpa,K7煤层瓦斯压力平均2.1417P.Mpa。
根据煤炭工业部《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》MT637-1996判定煤层突出危险性单项指标的临界值(见表2),依照指标说明,本井田K2、K7煤层均为有突出危险至严重突出危险,根据四个钻孔测得△P值,也说明其他煤层有突出危险的煤层。
表1煤与瓦斯突出鉴定成果表
指标
煤层
瓦斯放散初速度
(△P)
煤的坚固性系数(f)
吸附瓦斯常数(a)
孔隙率(F)%
真密度(TRD)
(kg/m3)
视密度(ARD)
(kg/m3)
瓦斯压力P.Mpa
ZK20-K7
18
0.20
23.9929
4.79
1.46
1.39
ZK22-K7
21
0.27
23.9760
4.29
1.40
1.34
ZK26-K7
16
0.30
25.3478
4.29
1.37
1.29
2.4189
ZK25-K2
15
0.28
22.4153
9.79
1.43
1.29
2.7098
ZK26-K2
21
0.29
22.4998
4.29
1.40
1.34
3.5568
ZK25-K7
1.8645
K7煤层平均值
18
0.26
24.4389
4.46
1.41
1.34
2.1417
K2煤层平均值
18
0.29
22.4576
7.04
1.42
1.32
3.1333
表2判定煤层危险性单项指标的临界值
突出煤层危险性
煤的破坏类型
瓦斯放散初速度(△P)
煤的坚固性系数(f)
煤层瓦斯压力P.Mpa
突出危险
Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ
≥10
≤0.5
≥0.74
3高压水力压裂增透技术实施
3.1高压水力压裂增透技术装备及工艺
3.1.1水力压裂技术装备
表3压裂技术实施所需装备清单
序号
用途
名称
规格
数量
备注
1
钻孔钻进
钻机
ZYG-750型
1台
2
钻头
PDC
3颗
3
钻杆
Φ50*800mm
80根
4
封孔设备
压裂管(无缝钢管)
Φ25mm
100米
5
筛管
Φ25mm
煤孔长度
6
注浆管
Φ19mm
2米
7
封孔泵
KZ100
1台
8
AB胶
孔口封1m
9
水泥
425#
0.5吨
10
白水泥
1袋
11
参数测定
瓦斯含量测定仪
DGC
2个
12
流量表
4个
13
普通水表
DN50mm
3个
14
压裂设备
乳化泵
BRW200/31.5Mpa
1台
15
BZW200/56Mpa
1台
3.1.2压裂设备连接
图1水力压裂设备连接示意图
3.1.3压裂泵参数
表4压裂泵基本参数表
型号
额定压力
最大压力
最大流量
额定功率
电压
备注
BRW200
31.5Mpa
35Mpa
200L/min
220KW
660/1140V
BZW200
56Mpa
61Mpa
200L/min
220KW
660/1140V
3.1.4封孔工艺
压裂孔封孔采用“AB胶+水泥砂浆”封孔工艺。
工艺流程:
①管件预埋前,先使用压风对其内进行清理,确保钻孔畅通。
②封孔前,必须准备好相应长度的筛管。
③压裂管出水端置于煤层顶(底)板处;压裂管使用Φ25mm(管壁厚5mm)铁管,使用压裂管兼做返浆管,自煤层底板处开始后方使用毛巾缠裹0.5m,在回浆时起过滤水泥浆液作用,避免堵塞压裂管;注浆管使用Φ19mm铁管,管长2m。
④将压裂管(兼做返浆管)、注浆管一起预埋,管子之间的接头必须拧紧。
⑤孔口段AB胶封孔长度1m,待AB胶凝固后,再使用水泥砂浆+白水泥封剩余段。
图2封孔示意图
3.2水力压裂
3.2.1水力压裂地点考察
经过实地考察,-150m轨道石门处于地质构造破碎带,煤岩层裂隙发育,在注入高压水时,因裂隙的导通泄压可能导致无法压裂煤层,同时还可能由于大量水注入破碎带,使保护岩柱应力分布发生变化,造成岩层垮塌,甚至导致突出事故发生。
因此,决定不将-150m轨道石门作为水力压裂实施地点。
盐井二矿实施水力压裂地点最终确定为3处,分别是:
+10m北一石门、+10m南一石门、-70m北一石门。
3.2.2压裂方式
受石门揭煤部署影响,且石门目标煤层在进行压裂时,出现压裂区域巷道周边出现淋水、浸湿,压穿其他临近钻孔现象,进行多次压裂在时间上不能允许,效果上不能进一步增强,因此,石门压裂均采取单次压裂方式实施煤层压裂。
3.2.3压裂煤层原始瓦斯含量、压力
盐井二矿2013年1月至今,共实施水力压裂4次,压裂煤层6层次,具体情况见表5。
表5水力压裂煤层统计表
压裂地点
压裂孔数
压裂煤层
压裂泵型号
备注
+10m北一石门
1
K3、K4煤层
BRW200/31.5Mpa
1
K7煤层
+10m南一石门
3
K3、K4煤层
-70m北一石门
1
K2煤层
BZW200/56Mpa
压裂煤层原始瓦斯含量、瓦斯压力见表6。
表6压裂煤层原始瓦斯含量、瓦斯压力
地点
煤层
原始瓦斯含量(m³/t)
原始瓦斯压力(Mpa)
备注
+10m北一石门
K3、K4煤层
14
4.02
煤层组联合压力
K7煤层
17.68
2.14
+10m南一石门
K3、K4煤层
14
4.02
煤层组联合压力
-70m北一石门
K2煤层
14.89
2.4
3.2.4水力压裂实施情况
3.2.4.1压裂钻孔布置
“AB胶+水泥砂浆”封孔工艺对上向孔效果最佳,下向孔与平孔封孔效果不理想,下向孔易堵塞压裂管,平孔顶部始终处于封堵薄弱带,在承受压力后,易形成泄压通道,造成压裂失败。
因此,石门压裂孔均施工为上向孔。
图3+10m北一石门K3、K4煤层水力压裂钻孔竣工图
图4+10m北一石门K7煤层水力压裂钻孔竣工图
图5+10m南一石门K3、K4煤层水力压裂钻孔竣工图
图6-70m北一石门K2煤层水力压裂钻孔竣工图
3.2.4.2水力压裂实施
各压裂地点水力压裂实施基本情况:
+10m阶段北一石门K3、K4煤层水力压裂情况:
3月5日至6日,压裂孔1个,注水8m3,最大压力30Mpa。
9日中班,施工压裂半径检验孔7#。
见K3时,瓦斯浓度0.08%,有水流出;见K4煤层时,瓦斯浓度为0.5%,有水流出。
9日夜班,施工压裂半径检验孔4#。
见K3煤层时,瓦斯浓度0.14%;见K4煤层时,瓦斯浓度为1.67%,无水流出,但喷孔。
10日早班,通过高压泵以5~10Mpa的压力向1#压裂孔注水,注水量0.4m3,4#、7#孔无水流出。
将压力增至15Mpa,注水0.8m3,4#孔有水流出,7#孔无水流出。
4#、7#检验孔在煤层层面上与压裂孔间距25m,初步确定本次压裂影响半径达25m。
+10m阶段南一石门K3、K4煤层水力压裂情况:
共压裂3个孔,两次注水28.7m3。
最大压力29Mpa。
8月6日注水2个孔,共注水13.1m3,碛头腰线下有水浸湿,观察孔孔内瓦斯浓度明显变大(右由15%变大为68%,左20%变大为90%),并有小股水流出;8月10日+10mS1石门K3、K4煤层水力压裂,补1个注水孔,注水15.6m3,巷道后顶板2米范围内有水浸湿。
从施工开始到施钻(抽放孔)结束期间,无明显的瓦斯动力现象。
+10m阶段北一石门K7煤层水力压裂情况:
9月26日,压裂孔1个,注水15.4m³,最大压力32Mpa.碛头后方10m处左帮拱肩位置钻孔压穿出水,碛头水箱减压阀因孔内压力过大,逆行出水,即停止注水。
-70mNC1K2煤层水力压裂情况:
9月16日,采用高压泵BZW-200/56,压裂孔1个,注水25m3,最大压力45Mpa,压裂时,巷道内的一地质孔喷出煤粉浆,停止压裂,两孔在煤层层面上间距18.5m,初步确定压裂半径达到18.5m。
表7水力压裂实施基本情况统计表
压裂地点
压裂煤层
累计压裂时间
(h)
压力(Mpa)
注水量
(m³)
流量
(m³/h)
备注
+10m北一石门
K3、K4煤层
2.5
5~30
8
0.3~7
碛头后方30m处巷道顶部出现淋水
K7煤层
3
5~32
15.4
0.7~10.3
碛头后方10m处左帮拱肩位置一地质钻孔压穿出水,碛头水箱减压阀因孔内压力过大,逆行出水,停止压裂。
+10m南一石门
K3、K4煤层
8
5~29
28.7
0.2~8.7
巷道后顶板2米范围内有水浸湿
-70m北一石门
K2煤层
3.5
5~45
25
1.4~14.3
南回风巷内的一K2煤层地质孔喷出煤粉浆
4水力压裂方案实施效果
4.1瓦斯抽采效果
在水力压裂完成后,打开压裂孔闸阀放水1~3天,待孔内无水流出,将压裂孔接入负压抽放系统抽采瓦斯。
对比压裂前后,瓦斯抽采流量提高了5.75~56.7倍,瓦斯抽采浓度均在40%以上。
压裂孔接抽情况见表8。
表8压裂孔瓦斯抽采情况统计表
地点
煤层
负压(Kpa)
浓度(%)
流量(m³/min)
备注
压裂前
压裂后
压裂前
压裂后
+10m北一石门
K3、K4煤层
9.4~16.6
25
60~87
0.0005
0.023
流量提高46倍
K7煤层
12.7~17
49
59~84
0.012
0.087
流量提高7.25倍
+10m南一石门
K3、K4煤层
10.17~17.07
15
35~90
0.0003
0.017
流量提高56.7倍
-70m北一石门
K2煤层
0.8~8.7
61
78~100
0.08
0.24~0.46
流量提高5.75倍
+10m北一石门K3、K4煤层目前已完成抽采揭煤工作,其流量数据为抽采期间的平均量,其他煤层目前均还处于抽采阶段,其流量数据为至目前为止的平均量。
从上表可以看出,K2、K7煤层的单孔流量增长不大,结合煤层的瓦斯地质情况及压裂钻孔施工时的瓦斯情况分析,认为压裂对于动力现象明显、瓦斯压力大的厚煤层作用效果比其他煤层小。
4.2石门揭煤掘进效果
表9石门揭煤消突时间表
煤层
水力压裂时间(d)
抽采钻孔数(个)
抽采钻孔施工
天数(d)
抽放时间(d)
合计消突时间(d)
消突时间缩小量(d)
不压裂
压裂
减少率
不压裂
压裂
不压裂
压裂
不压裂
压裂
K7煤层
4
170
110
35%
60
30
60
25
120
55
65
K3、K4煤层
10
220
116
47%
70
31
60
26
130
67
63
K2煤层
5
170
109
36%
60
30
60
20
120
50
70
实施水力压裂后,石门消突钻孔按照孔间距3m~4m进行布置,与未进行水力压裂时按照孔间距2.5m布置相比较,抽采钻孔工程量、施工时间均大大降低。
由于抽采效果的提高,石门区域预抽消突时间也明显缩短。
从表9可以看出,采用水力压裂技术后,石门消突时间比之前每组煤层提前了2个月以上,整个石门揭煤周期由原来的4~6个月每组缩短至2~4个月/组,即掘进进度提高1/3以上。
5研究成果及创新点
5.1研究成果
本课题在通过对煤层进行取样考察,收集其原始瓦斯含量,物理力学性质及工业指标,压裂孔施工工艺及机具、封孔工艺的选择,压裂方式的研究,压裂后的抽采效果以及对石门防突掘进的消突效果的考察,研究出一套对本矿井适用、成熟的高压水力压裂增透工艺,大幅度改善煤层透气性,优化钻孔布置,减少钻孔工程量,实现石门揭煤区域快速揭煤、安全揭煤。
主要研究成果如下:
5.1.1建立了水力压裂技术实践路径,探索了K3、K4、K7、K2四个煤层的压裂效果。
5.1.2通过水利压裂实践,+10m阶段K3、K4煤层压裂效果明显。
5.1.3通过水力压裂成功提高区域预抽效果,减少抽采钻孔工程量、区域消突时间,达到了提高石门揭煤掘进进度的目的。
5.1.4通过石门水力压裂技术的逐渐推广、成熟,为下一步的穿层条带、网格压裂积累了经验。
5.2创新点
5.2.1首次在盐井二矿应用推广水力压裂技术于石门揭煤防突工作中,并取得了良好的效果。
6效益分析
石门消突时间比之前提前了1~2个月/组,整个石门揭煤周期由原来的4~6个月每组缩短至2~4个月/组,即掘进进度提高1/3至1/2。
由此产生的直接经济效益和间接经济效益计算如下:
6.1直接经济效益(以K3、K4煤层为例)
(1)水力压裂后,K3、K4煤层实际施工钻孔116个,施工31天,钻尺4070.2m,平均为35m/孔。
抽采钻尺单价为9.13元/m,水力割缝单价为5元/层*孔,则施钻人工费用为:
9.13×4070.2+5×116×2=38321元
钻机功率18.5KW,乳化泵功率132KW,每班钻机折算平均运行5小时,乳化泵割缝1小时,耗电费用为:
26×3×0.85×0.768×(18.5×5+132×1)=11431元
设备折旧费:
1000元
发生材料费(包括设备配件、接抽材料等):
3000元
钻头、钻杆损耗费:
10000元
压裂费用:
5000元
合计费用:
68752元
(2)未压裂时,需施工钻孔数为220个,按照35m/孔计算,施工时间60~80
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