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钻井液技术培训材料
钻井液培训材料
邱佩瑜编写
2007.10
目录
—、泥浆和钻井液的定义
二、钻井液的功用
三、钻井液的性能
四、钻井液原材料和处理剂
五、钻井液体系
㈠不分散聚合物钻井液体系
㈡正电胶钻井液体系
㈢聚合物磺化钻井液体系
㈣钾基钻井液体系
㈤饱和盐水钻井液体系
㈥油基钻井液体系
㈦水包油钻井液体系
㈧油包水钻井液体系
㈨无固相有机盐水钻井完井液体系(+)气体类钻井液
六钻井液设计
㈠设计前期调研
㈡选择钻井液体系的原则
㈢钻井液设计内容
㈣钻井液专家系统设计软件
㈤钻井液设计格式
一、泥浆和钻井液的定义
泥浆是钻井工作的洗井液,凡是在旋转钻进中用作洗井的液体叫做钻井液。
人们常用“泥浆是钻井的血液”形象地比喻其在钻井中的重要地位。
钻井流体很多,如水基钻井液、油基钻井液、雾化钻井、气体钻井、泡沫钻井等等,后四种钻井液远远超出了粘土和水形成的“泥浆”范围,因此人们用“钻井液”来代替“泥浆”这一名称。
但目前,水基钻井液用得最多、最广泛。
水基钻井液是由粘土、水及各种处理剂和加重剂组成的溶胶和悬浮体的混合体系,是钻井液的主要类型。
钻井液的性质主要受粘土、水和处理剂三方面的影响,各种粘土具有不同的带电性,吸附不同离子,具有不同程度的水化膨胀和分散、絮凝等性能,其颗粒大小不一,一般在悬浮体范围内(0.1微米以上)少数在溶胶范围内(1—100毫微米),属多级分散体系。
二、钻井液的功用
在钻井过程中,钻井液的功用概括起来有两个方面。
其一是防止在钻井过程中发生各种复杂情况和事故,有利于快速优质钻进;其二是发现和保护油气层,防止或者减少钻井液或滤液对油气层的堵塞和损害,以提高油气产量,增加生产能力。
其功用具体有以下几点:
㈠悬浮和携带岩屑
钻井液的基本功用之一,就是把钻头破碎的岩屑从井底带出井筒,保持井眼净化。
当接单根或停止循环时,钻井液又能把井筒内的钻屑悬浮在其中,不致很快下沉,从而防止沉砂卡钻的危险。
㈡冷却并润滑钻头、钻具
在钻进过程中,钻头一直在高温下与新地层接触、摩擦、碾磨、产生大量的热量,同时钻具也不断与地层摩擦产生热量,这些热量很难被地层散发掉。
因此,钻井液通过钻头、钻具的循环,把摩擦部位的热量吸收进来,又带到地面大气中散发掉,这就起到了冷却钻头、钻具的作用。
钻井液因其中加有各种润滑剂和乳化剂,均能对钻头、钻具起到一定程度的润滑作用,从而降低钻柱扭矩,延长钻头寿命。
㈢形成泥饼,稳定井壁
井壁稳定是优质快速钻井的重要基础条件,也是钻井液措施的基本立足点。
良好的钻井液应能借助于滤失性能在井壁上形成一层很好的泥饼,以巩固井壁并阻止液体流入地层,防止泥页岩的水化膨胀和分散,近十年来,防塌技术取得了重大进展,大大减少了泥页岩问题和井下复杂情况,对于提高钻井速度、降低钻井成本做出贡献,显示了钻井液在稳定井壁方面的重要作用。
㈣平衡地层压力,防止漏、塌、卡、喷
在钻进中遇到复杂情况时,可在较大范围内调节钻井液的密度,以建立合适的液柱压力来平衡地层压力,防止漏、塌、卡、喷等复杂情况的发生。
㈤发挥水力效能,提高钻井速度
钻井液高速射流冲击井底,邦助钻头破碎岩石,提高钻井速度,用高泵压钻进,使钻井液在钻头水眼出口形成一个高速射流,对井底产生一个强大的冲击力,减轻了钻头破碎岩石的负担,从而提高了钻速。
㈥传递动力
使用涡轮钻具钻进时,钻井液由钻杆内以较高流动速度经过涡轮叶片,使涡轮旋转并带动钻头旋转破碎岩石。
㈦帮助录取地质资料
钻井液将钻头破碎的岩屑从井底携带至地面,地质人员录取后就可了解地层地质情况,此外,地层中的油气显示也是通过钻井液循环显示出来,帮助人们发现油气层。
㈧减少储层损害、发现和保护油气层
钻开油层,钻井液会给储层造成-定程度的损害。
因此必须选用适当类型及性能的优质钻井液钻开油层,使其对储层的损害降至最低程度,以利于发现油气层并对其进行有效的保护。
㈨控制腐蚀
钻进过程中所使用的钻柱,套管和其他金属配件受到腐蚀而损害。
可溶性气体,如氧气、二氧化碳和硫化氢无论在井下或地面都能引起严重的腐蚀问题。
因此,必须对钻井液进行化学处理或机械处理以控制和预防钻柱、套管和循环设备的腐蚀。
三、钻井液性能
钻井液的功用是通过它的物理化学性质来实现的,怎样认识和了解钻井液的物理化学性质呢?
这就需要了解钻井液的各项性能。
㈠钻井液密度
钻井液单位体积的质量称为钻井液的密度,常以克/厘米3或公斤/米3表示。
符号用D表示。
钻井液的密度是钻井液诸性能中最重要的一个性能指标,它主要用来调节钻井液静液柱压力,以平衡地层孔隙压力,防止发生井喷和井漏,有时亦用来平衡地层构造应力,控制和减轻井塌。
钻井液的密度必须符合地层和工程的要求,密度过大有以下害处:
1.损害油气层;
2.降低钻井速度;
3.过大压差易造成压差卡钻;
4.易蹩漏地层;
5.易引起提高的粘度、切力;
6.多消耗钻井液材料;
7.抗污染能力下降;
8.环空循环阻力增加,多消耗动力。
密度过低的危害:
1.易发生井喷;
2.易发生井塌;
3.易发生缩径(对塑性地层,如岩盐层、泥岩等)
4.钻井液携岩能力下降;
5.易发生水浸。
㈡漏斗粘度:
漏斗粘度的定义是:
用一定体积的钻井液,流过规定尺寸的小孔所需要的时间来表示,单位是“秒”,符号用FV来表示。
现场上用漏斗粘度计测量粘度,它是钻井液直观流动性的表现。
粘度过高的危害:
1.在钻进过程中,粘度升高,则钻速降低;
2.粘度过高,钻头易混包,起钻易拔活塞。
3.粘度过高,下钻后开泵困难,压力激动大,泵压易升高,引起蹩泵或蹩漏地层。
4.粘度过高,环空循环阻力增高,环空当量循环密度增高,对保护油层不利。
5.粘度过高,流动阻力大,消耗的功率大,浪费动力。
粘度过低的危害:
1.洗井不良,井筒净化差,易引起井下复杂。
2.粘度过低,钻井液悬浮和携带岩屑的能力下降,易发生沉砂卡钻。
3.冲刷井壁加剧,易引起井塌。
4.带出的岩屑过细,砂样代表性不好,影响录井。
㈢表观粘度(视粘度)
表观粘度的定义是,在某一流速梯度下,用流速梯度去除相应的切应力所得的商,在数值上它等于塑性粘度与由动切力和流速梯度决定的这部分粘度(即
)的和。
由式可知,表观粘度由塑性粘度、动切力和流速梯度三个流变参数组成。
它的代号是AV,单位是mPa.s。
㈣塑性粘度
钻井液在层流时,钻井液中的固相颗粒与固相颗粒之间、固相颗粒与液体分子之间、液体分子与液体分子之间的内摩擦力的总和,这个内摩擦力就是塑性粘度。
塑性粘度实际上是流动阻力的反映,当剪切力克服了钻井液结构的影响的状态下,由于液体内部的纯机械摩擦所形成的那部分阻力,这个流动阻力就是上述的内摩擦力的总和。
符号用PV表示,单位用mPa.s表示。
㈤动切应力
动切应力反映钻井液在层流流动时,粘土颗粒之间及高聚物分子之间的相互作用力(形成网架结构之力)。
动切应力的符号用YP表示,单位用Pa表示。
影响动切应力的因素是钻井液中的固相含量、分散度、水化程度、粘土粒子吸附处理剂的情况,以及高分子聚合物的使用等。
㈥动塑比
钻井液的动切应力与塑性粘度的比值叫做钻井液的动塑比,单位是Pa/mPa.s。
动塑比一般保持在0.48左右,此时的流态为平板型层流,既不冲刷井壁,携砂效果又好。
㈦静切应力
钻井液静切力是钻井液静止状态下的结构力的量度。
钻井液中的粘土颗粒,由于形状不规则,表面带电性和亲水性不同,常易形成网架结构。
破坏钻井液中单位面积上网架结构所需要的力,称为钻井液的极限静切力,简称为钻井液的切力。
随着静止时间的增加,钻井液静切力也在增大。
目前统一量测标准,规定钻井液静止10秒钟所测之切力为初切力;静止10分钟所测之切力为终切力。
单位用Pa表示,静切力用G10″和G10′表示。
静切力若过大,有以下不良后果:
1.钻屑及砂子在地面不易清除,影响净化效果;
2.密度上升快,含砂量高,影响钻速,磨损设备;
3.钻井液流动阻力大,开泵困难,泵压升高,易发生蹩泵或蹩漏地层;
4.钻井液泥饼质量不好,失水增大,引起缩径、井塌、卡钻等事故;
5.转动扭矩增大,浪费动力,降低机械效率。
切力若过低,悬浮和携带岩屑能力降低,甚至没有悬浮力,停泵时下沉,轻者下钻不到底,重则发生沉砂卡钻。
㈧流型指数n及稠度系数k
由于喷射钻井的发展,新型钻井液的出现,环空水力学计算工作的需要,出现了钻井液流变性模式方程:
1.宾汉方程:
式中:
—钻井液的塑性粘度。
—钻井液的动切应力。
2.幂律方程:
式中:
n—称为钻井液的流型指数,钻井液的n值一般可保持在0.5—0.7之间。
k—称为钻井液的稠度系数。
n值是流体非牛顿性的量度,数值范围为0~1,n为1时,为牛顿流体,n值偏离1的差值越大,液体非牛顿性越大,在现场n值一般控制在0.5~0.7。
稠度系数k表示钻井液的可泵性或视粘度,它表示液体流动(变形)的阻力,也可理解为钻井液的稀稠程度。
它的单位是Pa.Sn。
㈨钻井液的滤失量和造壁性
钻井液的造壁性主要是指护壁能力,包括两个内容:
一是滤失数量,即:
在井筒内钻井液中的部分水因受压差的作用而渗透到地层中去的现象叫钻井液的失水,失水的多少叫失水量,又叫滤失量,单位用毫升表示,符号用FL表示;二是在失水的同时,粘土颗粒在井壁周围形成一层滤饼,这滤饼就叫泥饼,单位是毫米。
泥饼的质量的好坏程度(如缴密程度、薄厚程度、坚韧程度、摩阻性质等)就叫钻井液的造壁性能。
钻井液的滤失量过大,常会引起下列不良后果:
1.滤失量过大,会造成井下复杂情况,如在水敏性泥岩、页岩钻进易水化膨胀,泥页岩就易垮塌、缩径。
2.会使油气层中的粘土膨胀,损害油气层的渗透率,降低油气产量。
3.钻井液中的滤液浸入油气层,会发生水锁现象,增加油流的阻力,降低产量。
4.滤失量过大,易泡垮水敏性地层,形成不规则井眼,造成井下复杂情况,起下钻阻卡,甚至卡钻,电测遇阻等。
5.滤失量过大,易形成较厚的泥饼而引起泥包钻头,起钻拔活塞,阻卡,甚至发生压差卡钻。
6.滤失量过大,泥饼质量不好,水泥与井壁之间胶结力差,影响固井质量。
从上可知,失水量过大,固然不好,不恰当的过分要求过小的失水量也会给钻井带来麻烦,这样会造成处理剂的大量消耗,使钻井液成本增加,机械钻速下降。
高温高压滤失量:
井筒中的钻井液处于高温高压状态下,因此高温高压状态下用高温高压失水仪所测得的滤失量叫做高温高压滤失量。
符号用HTHP表示,单位用毫升表示。
㈩固相含量
钻井液中的固相,按其作用可分为两类:
一类是有用固相,如膨润土、化学处理剂、重晶石等固体加重材料;另一类是有害固相(又叫无用固相)如钻屑、砂子、劣质膨润土。
钻井液中的固相含量是指除液体以外的全部固体占钻井液总体积的百分比,用%表示,用Vs表示固相含量,用Vw表示含水量。
在长期钻井液实践中得知,钻井液中固相含量的多少对于钻井速度和井下安全是一个要害问题,固相含量高,易造成以下危害:
1.固相含量高,势必造成密度大,钻速下降。
2.固相含量高,泥饼质量不好,质地疏松,摩擦系数高,导致起下钻遇阻遇卡,易引起泥饼粘附卡钻(又名压差卡钻)。
3.失水增大,引起泥页岩地层水化膨胀、缩径、剥落、掉块、坍塌,易引起缩径卡钻、井塌卡钻。
4.泥饼渗透性大、失水大,钻井液滤液侵入油气层;造成水锁现象并降低储层的渗透率和油气生产能力。
5.泥饼质量不好,钻井液中的固相颗粒侵入油层,给油气层造成损害。
6.固相含量高,钻井液性能不稳定,粘度、切力高,流动性不好,易发生粘土侵和化学污染,若要进行处理,就需耗费大量清水、钻井液处理剂和原材料,使钻井液成本和钻井成本都增加。
7.固相含量高,砂样混杂,给地质录井带来困难。
8.固相含量高,电测不顺利,并影响测井资料的准确性。
9.固相含量高,易磨损泵和钻具,减少钻头寿命。
10.固相含量高,增加钻具扭矩,增加环空抽吸和压力激动的程度。
(十一)含砂量
钻井液含砂量是指钻井液中不能通过200号筛网(即网孔直径为74微米)的砂子,也可说是直径大于0.074毫米(74微米)的颗粒占钻井液总体积的百分数,用%表示,符号用Cs表示。
含砂量高的危害:
1.使钻井液密度升高,降低钻井速度。
2.含砂量高,所形成的泥饼厚而疏松,胶结性差,一方面造成失水量增大,随之产生掉块井塌,降低储层渗透率,影响油气量;另一方面是泥饼摩擦系数增加,易造成压差卡钻;再一方面是影响固井质量,并且电测遇阻遇卡,录井资料不准确。
3.含砂量大,造成钻头、钻具及机械设备的磨损,使钻井工作不能正常进行。
尤其是泵配件(如凡尔、缸套、活塞、拉杆)的磨损,缩短了使用寿命,增加了检修次数,耽误了钻进时间。
(十二)膨润土含量
钻井液膨润土的质量所占钻井液体积比值的质量体积百分数,叫膨润土含量,单位是g/L表示。
(十三)含油量
钻井液中油的体积与钻井液体积之比的百分数,叫含油量,单位用%表示,符号用V0表示。
(十四)钻井液的酸碱值(PH值)
钻井液的酸碱值代表钻井液含酸含碱的程度,也就是H+和OH—离子的浓度,用字母“PH”表示,故又叫PH值。
PH值对钻井液的性能及处理剂的效能有着较大的影响,故掌握常用酸碱的PH值是极其重要的。
(十五)泥饼摩擦系数(又叫泥饼摩阻系数)
泥饼表面有很大的粘滞性,当一物体在其表面产生相对运动时,将受到一定的摩擦阻力,该摩擦阻力称为泥饼的摩擦系数。
符号用Kf表示。
泥饼摩擦系数大的危害:
1.泥饼粘滞性大,即泥饼摩擦系数大,钻柱靠近井壁时,因粘滞作用产生大的摩擦,易发生泥饼粘附卡钻。
2.泥饼摩擦系数大,在起下钻过程中易造成起钻遇卡,下钻遇阻,钻进时扭矩增大。
3.泥饼摩擦系数大,对钻具磨损也比较严重,造成钻具早期疲劳。
4.泥饼摩擦系数大,在定向斜井和水平井钻进中,易产生“托压”现象。
四、钻井液原材料和处理剂
钻井液所用的材料包括原材料和处理剂,原材料是指那些用作配浆的基础材料,例如膨润土、水、油及加重材料;而处理剂指的是那些为调节钻井液性能而加入钻井液中的化学添加剂。
华北油田常用的钻井液原材料和处理剂列举如下:
序号
类别
代号或分子式
名称
参考价
(元/吨)
1
基础
材料
PRT
膨润土
560
2
FH-2
复合料
2100
3
加重剂
CaCO3
石灰石粉
600
4
BaSO4
重晶石粉
483
5
Fe203
铁矿粉
6
FeTiO3
钛铁矿
7
PbS
方铅矿
8
活化重晶石粉
9
碱类
Na2CO3
纯碱
1600
10
NaOH
苛性钠
2430
11
KOH
苛性钾
12
增粘剂
Viscol
增粘切剂
13
XC
生物聚合物
14
CMC-HV
高粘羧甲基纤维素
15
CMC-MV
中粘羧甲基纤维素
16
CMC-LV
低粘羧甲基纤维素
17
HXCD
增粘剂
55000
18
SDZJ
正电结构剂
19
PAC
聚阴离子纤维素
20
降粘剂
XY-27
复合离子聚合物降粘剂
21
SF-260
硅氟稀释剂
12200
22
GXW
有机硅稀释稳定剂
6700
23
WFT-108
有机硅稀释稳定剂
7780
24
HJN-111
有机硅稀释剂
25
GXW-2000
有机硅稀释稳定剂
7750
26
(Na3PO4)6
六偏磷酸钠
7200
27
HMP-3
无铬稀释剂
5000
28
降滤失剂
SMP-Ⅰ
磺化酚醛树脂Ⅰ型
8500
29
SMP-Ⅱ
磺化酚醛树脂Ⅱ型
10200
30
SMC
磺化褐煤
2570
31
GSMC
改性磺化褐煤
32
ST-598
聚合物降失水剂
33
HMF
褐煤树脂
34
SPNH
磺化褐煤树脂
4150
35
SF
硅氟降失水剂
9600
36
SFJ-1
硅氟降失水剂
10200
37
JT888
降失水剂
38
SPC
抗饱和盐水降失水剂
39
Redui
降失水剂
40
NPAN
水解聚丙烯晴铵盐
4160
41
YD-NF
复配铵盐
5600
42
HMP-21
双聚铵盐
43
HLS-101
降滤失剂
8500
44
LXCD
改性降滤失剂
42000
45
有机盐降滤失剂
12000
46
NaHPAN
水解聚丙烯晴钠盐
47
CHSP-1
阳离子聚合物降失水剂
48
絮凝
包被剂
KPAM
聚丙烯酸钾
13000
49
MMH
正电胶
23400
50
TBPS
有机黑色正电胶
7980
51
BZM-1
黑色正电胶
52
FA367
两性离子大分子聚合物(包被抑制剂)
53
PAC-141
复合离子聚丙烯酸盐
12000
54
ZHP
有机黑色正电胶
9830
55
TBRS
正电胶
9500
56
80A51
丙烯酰胺与丙烯酸钠共聚物
57
PMHA-2
复合金属两性离子聚合物包被剂
58
页
岩
抑
制
剂
FT-1
磺化沥青
59
FT-103
无荧光防塌剂
7780
60
FT-342
改性磺化沥青
3900
61
FT-346
改性磺化沥青
5050
62
BYL-1
阳离子乳化沥青
6680
63
BRL-1
乳化石蜡
8050
64
HY-212
乳化石蜡
8400
65
HCOOK
甲酸钾
66
HCOONa
甲酸钠
1888
67
Weight2
有机盐
68
SKHm
有机硅腐植酸钾
69
HFT-401
有机硅稳定剂
5700
70
yL-1
阳离子乳化沥青
71
HY-216
阳离子乳化沥青
72
SDRL-1
乳化石蜡
7400
73
OSAM-K
有机硅腐植酸钾
74
QYJ-2004
强力抑制剂
9000
75
CAP
抑制剂
15000
76
CDF-1
隔离膜护壁剂
15300
77
UHIB
聚胺抑制剂
50000
78
NaSiO3
偏硅酸钠(水玻璃)
79
KCl
氯化钾
80
CaCl2
氯化钙
81
KHPAN
水解聚丙烯晴钾盐
82
ZHF-1
无荧光防塌润滑剂
4900
83
ZFJ-2
无荧光防塌剂
84
NFA-25
白沥青
85
润滑剂
RH-1
液体润滑剂
8100
86
RH-525
液体润滑剂
87
RH-8501
液体润滑剂
88
RT-9051
液体润滑剂
6000
89
JYR
极压液体润滑剂
7600
90
JYGR-1
固体极压润滑剂
6900
91
JYGP-1
固体极压润滑剂
8050
92
KDR-2
极压润滑剂
93
HC-103
液体极压润滑剂
94
HZN-1
塑料小球
14100
95
GRJ-2
固体润滑剂
96
HY-225
无荧光极压润滑剂
7800
97
HY-203
液体极压润滑剂
8280
98
专用极压润滑剂
24000
99
原油
100
乳化剂
SP-80
斯本80
10000
101
RH06
乳化剂
20400
102
乳化剂
22000
103
堵漏剂
云母
104
蛭石
105
果壳
106
棉子壳
107
石棉粒
108
锯末
109
DCL-1
单向压力封闭剂
3600
110
FD-1
复合堵漏剂
111
DLS-06
超低渗封堵剂
112
XP-4
超低渗封堵剂
113
水化膨胀堵漏剂
114
防泥
包剂
RH-4
清洁剂
115
KSZJ-1
高效防泥包剂
116
除硫剂
Zn2(OH)2CO3
碱式碳酸锌
117
油层
保护剂
QS-2
超细碳酸钙
6000
118
YD-1
有荧光油层保护剂
7200
119
HY206
超细碳酸钙
1180
120
YD-2
无荧光油层保护剂
9200
121
消泡剂
消泡剂
15000
122
消泡剂
18000
123
防腐杀菌剂
24000
124
解卡剂
SK-301
解卡剂
125
SR2005
解卡剂
23000
126
其它类
NaCl
工业氯化钠
127
K2Cr2O7
重铬酸钾
128
Na2Cr2O7.2H2O
重铬酸钠
129
NTA
盐重结晶抑制剂
130
CaO
生石灰
五、钻井液体系
㈠不分散聚合物钻井液体系
本体系指的是主要以具有絮凝及包被作用的有机高分子化合物处理剂为主处理剂的水基钻井液体系。
1.本体系的特点
⑴具有很强的抑制性:
通过使用足量的高分子聚合物作为絮凝包被剂,实现强包被。
包被钻屑,在钻屑表面形成一层光滑的保护膜,抑制钻屑分散,以利于地面沉淀和机械清除,从而实现低密度、低含砂、低固相,提高钻井速度。
⑵具有较强的悬浮和携带岩屑的功能。
这类钻井液触变性好、剪切稀释能力强,因其具有较强的网架结构,确保其悬浮和携砂功能,满足井茼净化的要求。
⑶该体系以其优良的剪切稀释特性,在高剪切速率下的粘度很低(指钻头喷嘴处的粘度,俗称水眼粘度),这有利于喷射钻井,优化钻头水马力的充分发挥,从而大大提高钻井速度。
⑷可保持井壁稳定性。
因该体系的住处理剂具有较强的包被和不分散作用,故对易塌的泥页岩可起到保护作用。
⑸低密度、低固相、低含砂,有利于近平衡钻井。
⑹通过使用磺化沥青类、超细碳酸钙、油溶性暂堵剂等油层保护剂,可获得优良的泥饼质量并实现对储层的保护。
2.配方
⑴多元聚合物体系
材料名称(或代号)
一般加量
般土(膨润土)
4~6%(±)
Na2CO3
土量的5%(±)
KPAM或PAC141或PMHA-Ⅱ
0.3~0.4%(±)
NPAN
0.3—0.5~1%
HMP-21或YD—NF
0.3~0.5%
磺化沥青类
1~3%
QS—2
1~2%
YD—2
1~2%
润滑剂类
2%(±)
⑵复合离子型聚合物体系
材料名称或代号
一般加量
般土(或膨润土)
4%(±)
Na2CO3
土量的5%(±)
FA—367或PMHA-Ⅱ
0.3~0.4%(±)
XY-27
0.1~0.2%(±)
JT-888
0.2~0.4%(±)
磺化沥青类
1~3%
润滑剂类
2%
QS-2
1~2%
YD-2
1~2%
2.性能
密度(克/厘米3)
1.04~1.30
漏斗粘度(秒)
30~
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