BRPI1004802A2 - conjunto de boca de poÇo, mÉtodo para controlar a pressço em um Ânulo de um poÇo e mÉtodo para controlar a pressço em um Ânulo de um poÇo - Google Patents

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Abstract

CONJUNTO DE BOCA DE POÇO, MÉTODO PARA CONTROLAR A PRESSçO EM UM ÂNULO DE UM POÇO E MÉTODO PARA CONTROLAR A PRESSçO EM UM ÂNULO DE UM POÇO. Um revestimento tubular 28 disposto concentricamente entre um ânulo interno e um ânulo externo 32, 30 possui uma válvula de descarga de pressão 52 que abre quando a pressão no ânulo externo 30 ultrapassa a pressão do ânulo interno 32 em uma quantidade capaz de danificar o revestimento tubular 28. A válvula de descarga 52 é fechada e recolocada quando o diferencial de pressão é reduzido até ficar abaixo do limite em que há risco de danos. A válvula de descarga 52 pode incluir uma mola 77 para recolocação da válvula 52. Um medidor de pressão 50 pode ser incluído no interior do ánulo externo 30 para monitoramento do funcionamento adequado da válvula de descarga 52.

Description

"CONJUNTO DE BOCA DE POÇO, MÉTODO PARA CONTROLAR A PRESSÃO EM UM ÂNULO DE UM POÇO E MÉTODO PARA CONTROLAR A PRESSÃO EM UM ÂNULO DE UM POÇO" Referência Cruzada com Pedidos Relacionados
Este pedido reivindica prioridade e benefício em relação ao pedido
provisório co-pendente U.S. Ser. No. 61/261,882, registrado em 17 de novembro de 2009, cuja exposição é aqui incorporada em sua totalidade por referência.
1. Área da Invenção Esta invenção diz respeito, em geral, à produção de poços de petróleo e gás, e em particular a um sistema de ventilação automatizado que previne a sobrepressão no interior de um ânulo em um conjunto de boca de poço.
2. Descrição da Arte Relacionada Os sistemas de produção de petróleo e gás a partir de poços submarinos costumam incluir um conjunto de boca de poço que inclui um alojamento de boca de poço afixada a uma abertura de poço, sendo que o poço estende-se através de uma ou mais formações produtoras de hidrocarbonetos. Um revestimento e um suspensor da coluna de produção são depositados no alojamento para dar suporte ao revestimento carcaça e à coluna de produção inseridos no poço. O conjunto de boca de poço pode incluir cadeias de revestimento dispostas de maneira concêntrica, tais como tubo condutor, revestimento de superfície e um revestimento interno. Em geral, o revestimento interior alcança uma profundidade maior do que o tubo condutor e o revestimento de superfície, e reveste o poço a fim de isolá-lo da formação circundante. O tubo costuma ficar em disposição concêntrica no interior do revestimento interno, e fornece um canal de distribuição para a produção dos hidrocarbonetos arrastados no interior da formação. São definidos ânulos entre cada par de tubulações concêntricas adjacentes, sendo que cada ânulo é vedado contra comunicação de pressão com todos os outros ânulos. Se um ânulo ficar pressurizado inesperadamente, devido, por exemplo, a um vazamento ou expansão térmica de fluidos contidos e limitados no interior dos ânulos, um diferencial de pressão surgirá em uma parede tubular adjacente ao ânulo pressurizado. Assim, há a necessidade de monitorar periodicamente a pressão em certos componentes tubulares em instalações de poços, tanto em terra como no mar.
A verificação da pressão do alojamento interno da boca de poço indicaria se ocorreu ou não um vazamento ou carga térmica. Os poços submarinos não monitoram a pressão, pois a instalação de um sensor de pressão exige que seja feita uma perfuração na parede lateral do alojamento interno da boca de poço, o que não é desejável operacionalmente do ponto de vista da integridade de pressão. Além disso, devido aos ambientes hostis e corrosivos muitas vezes encontrados em instalações de poços de petróleo, um sensor de pressão instalado pode sucumbir aos efeitos nocivos e parar de funcionar.
Descrição Resumida da Invenção O presente documento apresenta um conjunto de boca de poço que
inclui um dispositivo de ventilação de pressão que ventila entre ânulos concêntricos quando a pressão diferencial alcança ou ultrapassa um valor preestabelecido. Em um exemplo de modalidade, o conjunto de boca de poço inclui um ânulo interno disposto em um poço e circundando por um ânulo externo. Um tubo fica entre os ânulos interno e externo, e possui uma válvula de descarga disposta em uma parede lateral. Quando está fechada, a válvula de descarga forma uma vedação de pressão entre o ânulo interno e o ânulo externo. A válvula de descarga pode ser aberta seletivamente a fim de permitir a ventilação da pressão maior dos ânulos interno e externo. Após a equalização substancial da pressão dos ânulos interno e externo, a válvula de pressão é fechada. Um diferencial de pressão designado entre o ânulo interno e o ânulo externo pode fazer com que a válvula de descarga abra. Em um exemplo de modalidade, a válvula de descarga inclui uma base de válvula com uma superfície em comunicação de pressão com o ânulo interno ou o ânulo externo, e orientada para uma posição fechada por uma mola. O conjunto de boca de poço pode incluir também uma passagem através da boca de poço a partir de um dos ânulos. Opcionalmente, um sensor de pressão pode ser disposto no ânulo interno ou no ânulo externo. Em uma modalidade alternativa, o ânulo interno pode ser um ânulo tubular e o ânulo externo pode ser um ânulo de revestimento, e a válvula de descarga permite o fluxo do ânulo de revestimento para o ânulo tubular quando está na posição aberta. Em um exemplo alternativo, o conjunto de boca de poço inclui uma cânula de bloqueio montada seletivamente no interior de um dos ânulos, estando em contato com um lado de ventilação da válvula de descarga de modo a bloquear o fluxo através da válvula de descarga.
É também apresentado aqui um método para controlar a pressão em um ânulo de poço. Em um exemplo de modalidade, o método envolve a suspensão de um tubo no poço, criando um ânulo interno no tubo, e um ânulo externo em torno do tubo. No método do exemplo, o tubo possui uma válvula de ventilação disposta em sua parede lateral, e a válvula de ventilação abre em resposta a uma diferença de pressão na extensão da parede lateral do tubo. Este exemplo pode incluir também a monitoração da pressão no ânulo interno ou externo através de meios não-intrusivos. O ânulo interno pode ser um espaço anular da tubulação e o ânulo externo pode ser um ânulo de revestimento. Em um exemplo de modalidade, o ânulo com a maior pressão é o ânulo externo. Em uma etapa alternativa, uma cânula de ligação pode ser disposta no tubo adjacente à válvula de ventilação para se sobrepor à função da válvula de ventilação. O conjunto de boca de poço pode incluir uma passagem de ventilação para que o fluxo de ventilação a partir do ânulo externo ou interno que tiver a maior pressão passe através de uma boca de poço e para fora do poço.
É descrita aqui uma modalidade alternativa de um conjunto de boca de poço disposto sobre um poço. Uma tubulação é suspensa no poço e circunscrita por uma cadeia de revestimento interno que é circundada por uma cadeia de revestimento externo. A tubulação e os revestimentos interno e externo definem um ânulo interno entre a tubulação e o revestimento interno, e um ânulo externo entre as cadeias interna e externa do revestimento. É incluída também uma válvula de descarga de pressão disposta em uma passagem em uma parede lateral do revestimento interno que bloqueia o fluxo através da passagem quando uma diferença de pressão entre o ânulo interno e o ânulo externo é menor do que um diferencial de pressão designado, e pode ser destacada seletivamente da passagem quando uma diferença de pressão entre o ânulo interno e o ânulo externo é maior do que um diferencial de pressão designado, de modo que o fluxo esteja em comunicação através da passagem do ânulo externo para o ânulo interno. Opcionalmente, pode ser incluída no conjunto de boca de poço uma passagem de tubulação ânulo que vai do ânulo interno para o exterior do conjunto de boca de poço. Outra opção é a inclusão de um sensor de pressão no ânulo interno ou no ânulo externo. A comunicação entre o ânulo externo e o exterior do conjunto de boca de poço pode ser limitada a um caminho de fluxo através da válvula de descarga de pressão. Uma cânula de bloqueio pode ser incluída e instalada opcionalmente no interior no espaço anular da tubulação para que fique em contato de vedação com um lado da passagem (por exemplo, durante uma manutenção planejada do poço).
Descrição Breve das Figuras A Figura 1 é uma vista esquemática em seção cruzada parcial de uma modalidade de um conjunto de boca de poço com um sistema de ventilação automatizado.
A Figura 2 é uma vista esquemática de seção lateral de uma válvula
de descarga em uma posição fechada.
A Figura 3 ilustra a válvula de descarga da Figure 2 em uma posição
aberta. Descrição Detalhada da Invenção
A FIG. 1 fornece uma vista lateral em seção cruzada parcial de uma modalidade de um conjunto de boca de poço 10. O conjunto de boca de poço 10 pode ser usado com um poço submarino para controlar o fluido de produção a partir do interior de um poço de produção de hidrocarbonetos 11. É fornecido um alojamento externo de boca de poço 12 que possui um tubo condutor externo ânulo 14 que se estende a partir de sua extremidade inferior para a formação 15 em interseção com o poço. Um alojamento de boca de poço interno de alta pressão 16 fica disposto de modo coaxial no exterior do alojamento de boca de poço 12. Uma rede de revestimentos de superfície 18 pende a partir do alojamento interno da boca de poço 16 coaxialmente no interior no tubo condutor externo 14. Um ânulo externo 19 é formado entre o tubo condutor externo 14 e o revestimento de superfície 18.
O alojamento de boca de poço 16 circunscreve coaxialmente um suspensor de coluna de produção 20 e uma coluna de produção 22 sustentada pelo suspensor de coluna de produção 20. Um suspensor de revestimento 24 é também encaixado coaxialmente em um anel 26 no interior do alojamento da boca de poço 16. O anel 26 é formado no raio interno do alojamento de boca de poço 16 e se projeta para dentro na direção do eixo Αχ do conjunto de boca de poço. O revestimento 28, que é sustentado a partir da extremidade inferior do suspensor de revestimento 24, pende para baixo e circunscreve a coluna de produção 22. O revestimento 28 define um ânulo de revestimento 30 entre si e o alojamento de boca de poço 16 e o revestimento de superfície 18. Um ânulo de coluna de produção 32 é definido entre o revestimento 28 e a coluna de produção 22. Uma vedação 34 é mostrada posicionada no espaço entre o suspensor do revestimento 24 e o alojamento de alta pressão 16, isolando assim o ânulo do revestimento 30 do ânulo de coluna de produção 32.
Uma árvore de produção típica 36 aparece montada na extremidade superior do alojamento de alta pressão 16 - embora isto possa tomar diversas formas alternativas e não seja intrínseco a esta exposição. A árvore de produção 36 inclui um poço principal 38 que é formado axialmente através da árvore de produção 36 e está em comunicação fluida com a coluna de produção 22. Uma cânula encaixada com vedação 39 projeta-se entre a extremidade superior do suspensor de coluna de produção 20 e o poço principal 38. O poço principal 38 pode ser aberto ou fechado por meio de uma válvula de pistoneio 40 que aparece disposta em sua extremidade superior. Uma porta de produção 42 projeta-se lateralmente a partir do poço principal 38 através da circunferência externa da árvore de produção 36. O fluxo que passa através da porta de produção 42 é regulado por meio de uma válvula lateral em linha 44.
A taxa de pressão do tubo condutor externo 14 e do alojamento de boca de poço 12 é inferior à do revestimento de superfície 18 e do alojamento de boca de poço de alta pressão 16. A taxa de pressão do revestimento intermediário 28 é compatível com a taxa de pressão do revestimento de superfície 18, e muitas vezes superior. Entretanto, pode ocorrer um vazamento no revestimento intermediário 28 ou nas vedações associadas (exemplificadas pelo item 34) e/ou (mais provavelmente) transientes térmicos podem fazem com que uma pressão excessiva surja no ânulo 30. Sob algumas condições, isto pode provocar o colapso do revestimento 28 (isto é, se for causado por condições de transientes térmicos) ou a ruptura do revestimento de superfície 18, neste último caso levando à liberação de fluidos do poço diretamente no ambiente adjacente.
Um sensor de pressão opcional 50 aparece montado sobre o tubo condutor externo 14. O sensor de pressão 50 seria tipicamente um dispositivo não-intrusivo, capaz de monitorar o nível de pressão no ânulo 30 sem estar em comunicação direta com o ânulo 30. Um exemplo de um sensor 50 é descrito na patente U.S. Patent No. 5,492,017, emitida para o autor do presente pedido de patente. As medições feitas pelo sensor de pressão 50 podem ser transmitidas para o controlador 48 através de uma ligação de comunicação 51 entre o sensor 50 e o controlador 48.
É ilustrada uma válvula de ventilação 52 que permite a comunicação através do revestimento 28 entre o ânulo externo 30 e o ânulo interno 32. Nesta modalidade, a válvula de ventilação 52 funciona como uma válvula de descarga de pressão, e abre a uma pressão específica estabelecida para permitir a comunicação entre o ânulo de revestimento 30 e o espaço anular de tubulação 32. Uma modalidade da válvula de ventilação 52 aparece em uma vista de seção lateral na Figura 2, sendo que a válvula 52 inclui um corpo cilíndrico 70 posicionado em uma porta 71 formada através do revestimento 28. A válvula 52 também pode ser montada em um substituto ou acoplamento especial para revestimento (não mostrado). Na modalidade da Figura 2, o corpo 70 possui uma extremidade interna substancialmente encostada na superfície interna do revestimento 28 e de frente para o espaço anular de tubulação 32. Uma extremidade externa do corpo 70 projeta-se para o interior do ânulo de revestimento 30.
Ainda com referência à Figura 2, uma base de válvula 72 aparece posicionada coaxialmente no corpo 70, disposta em um canal perfilado na lateral do corpo 70 no ânulo de revestimento 30. A seção média da base de válvula 72 é cilíndrica, com uma extremidade aberta de frente para o revestimento 28. A base de válvula 72 inclui um flange em forma de "L" que se projeta radialmente para fora a partir da extremidade aberta da seção média e estende-se axialmente na direção oposta à seção média e na direção do revestimento 28. Uma vedação de metal anelar 74 é disposta no corpo 70 em um sulco 75 que aparece circunscrevendo a seção média da base de válvula 72 para formar uma superfície de vedação entre a base de válvula 72 e o corpo 70. Uma cavidade anular 76 aparece no corpo 70, orientada na direção transversal ao revestimento 28. Uma mola 77 é disposta na cavidade 76. A mola 77 estende-se entre a extremidade da cavidade 76 próxima ao revestimento 28 e a porção da base de válvula 72 que se projeta radialmente para fora a partir da abertura na seção média. Assim, quando é comprimida, a mola 77 empurra a base de válvula 72 na direção oposta ao revestimento 28.
Um canal 78 é formado na lateral da vedação 74 oposta ao ânulo de
revestimento 30, definindo assim um espaço 79 entre a vedação 74 e a parte inferior do sulco 75. São mostradas passagens de fluxo 80 no corpo 70 que fornecem comunicação entre o espaço 79 e o espaço anular de tubulação 32. A interface de vedação entre a vedação 74 e a base de válvula 72 e o corpo 70, conforme mostra a Figura 2, bloqueia a comunicação de pressão entre o espaço 79 e o ânulo de revestimento 30. As passagens 80 do corpo 70 colocam a lateral da base de válvula 72 que está de frente para o revestimento 28 em comunicação de pressão com o espaço anular de tubulação 32. A base de válvula 72 íica. portanto, exposta a quaisquer diferenciais de pressão que possam ocorrer entre o ânulo de revestimento 30 e o espaço anular de tubulação 32. Assim, se a pressão do ânulo de revestimento 30 ultrapassar suficientemente a pressão do espaço anular de tubulação 32, uma força resultante é aplicada à base de válvula 72 que supera a força da mola 77. Conforme ilustrado no esquema da Figura 3, o diferencial de pressão empurra a base de válvula 72 para dentro e comprime a mola 77A. O movimento contínuo da base de válvula 72 acaba por fazer com que a seção média da base de válvula 72 ultrapasse a vedação 74, removendo assim a interface de vedação entre a base de válvula 72 e a vedação 74. Desta forma, o ânulo de revestimento 30 fica em comunicação de pressão com o espaço anular de tubulação 32 através de um caminho que passa pelo espaço 79 e pela passagem 80. O caminho permite que o fluido de alta pressão do ânulo de revestimento 30 flua através da válvula 52A para o espaço anular de tubulação 32.
O fluxo de fluido durante a ventilação do ânulo de revestimento 30 para o ânulo de tubulação 32 reduz a pressão no ânulo de revestimento 30, e reduz também o diferencial de pressão entre o ânulo de revestimento 30 e o ânulo de tubulação 32. A remoção do diferencial de pressão permite que a mola 77 recoloque a base de válvula 72 e restabeleça a interface de vedação conforme ilustrada na Figura 2. Isto seria exemplificado por um ajuste nominal de descarga de 500 psi na válvula, sendo que a válvula propriamente dita é determinada pela preferência do operador.
Em um exemplo de uso, quando a pressão no ânulo de revestimento aproxima-se de uma pressão designada que pode vir a danificar a estrutura do conjunto de poço 10, a válvula de ventilação 52 volta automaticamente para a posição aberta da Figura 3 (ânulo de revestimento 30 ventilando para o ânulo de tubulação 32) até que a pressão no ânulo de revestimento 30 esteja abaixo de uma pressão potencialmente prejudicial. O ânulo de revestimento 30 é ventilado até que a pressão no mesmo seja de menos de 500 libras por polegada quadrada (ou algum outro valor do ajuste de pressão da válvula 52) abaixo da taxa diferencial mínima do conjunto de boca de poço 10 e do revestimento de superfície juntos. Opcionalmente, a pressão pode ser reduzida ainda mais (por exemplo, até a pressão ambiente) em uma tentativa de compensar por um vazamento lento descendente no poço passando de um vedador de produção (não mostrado) ou conexão de tubulação, por exemplo.
A título de contingência, em um momento posterior, como, por exemplo, durante um aprofundamento, a válvula de ventilação 52 pode ser sobreposta pela instalação de uma "emenda" ou cânula de contingência 64 (Figura 1) no interior do revestimento intermediário 18 para fazer a ponte do conjunto de ventilação. A cânula de bloqueio 64 é mostrada em posição coaxial no interior do revestimento 18 e ilustrada em um local axial adjacente à válvula de ventilação 52. Esta cânula 64 pode ser disposta de diversas maneiras que podem ser exemplificadas pela tecnologia de emenda de revestimento, sendo que as versões mais recentes desta são os sistemas de tubulação expansíveis, em que o revestimento de metal é deformado plasticamente de modo a expandir-se radialmente até ficar em contato com o diâmetro interno do revestimento.
Em uma modalidade alternativa, a árvore de produção 36 inclui uma linha anular 82 que se estende a partir do ânulo de tubulação 32, passando através do suspensor de coluna de produção 20 até o espaço anular 84, entre o suspensor de coluna de produção 20 e a árvore de produção 36. A linha anular 82 possui uma válvula que pode ser aberta para deixar escapar a pressão que ela recebe do ânulo de revestimento 30 pressurizado (ou com vazamento). Em um exemplo de uso, a válvula 52 permite o fluxo somente do ânulo de revestimento para o ânulo de tubulação 32, e não vice-versa. Conforme indicado acima, o ânulo de revestimento 30 é fechado e vedado em sua extremidade superior pela vedação 34, também chamada de separador de suspensor de revestimantQ Opcionalmente, a árvore de produção 36 pode ficar em uma configuração horizontal, e neste caso a linha anular de tubulação 82 contornaria o suspensor de coluna de produção 20.
Embora a invenção tenha sido descrita ou apresentada somente em algumas de suas formas, deve ficar claro para aqueles versados na arte que a invenção não é limitada por esta descrição, mas é suscetível a diversas modificações sem divergir do escopo da invenção. Por exemplo, a válvula de ventilação 52 pode ser do tipo encontrado na patente Fenton et al., U.S. Patent No. 6,840,323, emitida para o autor do presente pedido e incorporada aqui por referência. Opcionalmente, a válvula de ventilação 52 pode ser feita de um componente de válvula com fechamento induzido por um componente flexível, como uma mola, que realiza a compressão em resposta a um diferencial de pressão designado.

Claims (10)

1. CONJUNTO DE BOCA DE POÇO 10 compreendendo: um ânulo interno 32 em um poço 11; um ânulo externo 30 circunscrevendo o ânulo interno 32; um revestimento tubular 28 entre os ânulos interno e externo 32, 30 e caracterizado por uma válvula de descarga 52 disposta no revestimento tubular 28 que pode ser configurada para uma posição fechada e que possui uma vedação de pressão entre o ânulo interno 32 e o ânulo externo 30, podendo ser levada da posição fechada para a posição aberta em que há comunicação de fluxo através da válvula de descarga 52 entre o ânulo interno 32 e o ânulo externo 30, e podendo ser levada da posição aberta para a posição fechada.
2. CONJUNTO DE BOCA DE POÇO 10, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a válvula de descarga 52 pode ser movimentada entre as posições aberta e fechada em resposta a um diferencial de pressão designado entre o ânulo interno 32 e o ânulo externo 30.
3. CONJUNTO DE BOCA DE POÇO 10, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo fato de que um sensor de pressão 50 encontra-se no ânulo interno 32 ou no ânulo externo 30.
4. CONJUNTO DE BOCA DE POÇO 10, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o ânulo interno 32 é um espaço anular de tubulação e o ânulo externo 30 é um ânulo de revestimento, e a válvula dé descarga de pressão 52 permite o fluxo do ânulo de revestimento para o espaço anular de tubulação quando está na posição aberta.
5. MÉTODO PARA CONTROLAR A PRESSÃO EM UM ÂNULO 30, 32 DE UM POÇO 10, compreendendo: o fornecimento de um revestimento tubular 28 no poço 11 para definir um ânulo interno 32 circunscrito pelo revestimento tubular 28 e um ânulo externo 30 que circunscreve o revestimento tubular 28; e caracterizado pelo fornecimento de uma válvula de ventilação 52 através de uma parede do revestimento tubular 28 que se abre quando uma diferença de pressão entre o ânulos interno 32 e o ânulo externo 30 causa um diferencial de pressão através da parede do revestimento tubular 28 que está acima de um diferencial de pressão designado e fecha-se quando uma diferença de pressão entre o ânulo interno 32 e o ânulo externo 30 causa um diferencial de pressão através da parede do revestimento tubular 28 que está abaixo do diferencial de pressão designado.
6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado ainda pela monitoração da pressão no ânulo interno ou externo 32, 30.
7. MÉTODO, de acordo com qualquer uma/las reivindicações-^· ou 6, caracterizado pelo fato de o ânulo interno 30 ser um espaço anular de tubulação e o ânulo externo ser um revestimento anular, e sendo que o ânulo que possui a maior pressão é o ânulo externo 30.
8. CONJUNTO DE BOCA DE POÇO 10 DISPOSTO EM UM POÇO compreendendo: uma cadeia de tubulação 22 suspensa no poço; uma cadeia de revestimento interno 28 em torno da cadeia de tubulação 22 no poço; uma cadeia de revestimento externo 18 em torno da cadeia de revestimento interno 28; um ânulo interno 32 em um poço 11 entre a cadeia de tubulação 22 e as cadeias de revestimento 18, 28; um ânulo externo 30 entre as cadeias interna e externa de revestimento 28, 18; e caracterizado por uma válvula de descarga de pressão 52 posicionada em uma passagem em uma parede lateral do revestimento interno que bloqueia o fluxo através da passagem quando uma diferença de pressão entre o ânulo interno 32 e o ânulo externo 30 está abaixo de um diferencial de pressão designado, e que pode ser retirada da passagem quando uma diferença de pressão entre o ânulo interno 32 e o ânulo externo 30 está acima de um diferencial de pressão designado, de modo que haja comunicação de fluxo através da passagem do ânulo externo 30 para o ânulo interno 32.
9. CONJUNTO DE BOCA DE POÇO 10, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado ainda por uma passagem de espaço anular de tubulação 82 que vai do ânulo interno 32 para o exterior do conjunto de boca de poço 10.
10. CONJUNTO DE BOCA DE POÇO 10, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 ou 9, caracterizado ainda por um sensor d© pressão 50 no ânulo interno 32 ou no ânulo externo 30.
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