CN101101268B - 采用x射线确定流相分数的装置和方法 - Google Patents

Abstract

用于确定井底收集的流体的相分数的装置和方法被示出为包括X射线发生器、过滤器、样品管和辐射检测器。过滤器产生具有高能部分和低能部分的辐射谱。过滤后的辐射通过样品流体，并且所产生的衰减辐射信号被用于计算样品流体中的油、水和气相分数。在一个实施例中，第二基准辐射检测器测量直接来自X射线发生器的辐射，并且该测量被用于使分数结果标准化。基准检测器的高能信号与低能信号的比值被用于控制X射线发生器的输入电压，从而保证稳定的谱。

Description

采用X射线确定流相分数的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于采用X射线确定流相分数(fluid phasefraction)的装置和方法。更具体地，本发明涉及一种用于采用引导通过感兴趣样品的双峰辐射谱和检测所产生的辐射信号的辐射检测器来确定流相分数的系统。

背景技术

在石油工业中知道流相分数可提供重要的信息。分数确定对确定多相流速有用。多相流测量可以在永久监控、例如Schlumberger的相监视器工具和周期性测试、例如Schlumberger的相测试器方面为石油工业提供高性能的石油和天然气测试服务。

典型地，地层流体包括某组合形式的油、气和水。某些钻井作业包括将流体泵入相邻的井或者井眼中以帮助促使地下流体离开主井眼。相分数计将实时地有用于显示何时贯穿主井眼以及不需要的流体何时泄漏到感兴趣流体中。该信息在优化储蓄器的制造方面也是有用的。水液比非常重要，而持续的监控能够允许最佳地利用井资源。

另外，含水量高的流体将比其它组分之一高的流体货币价值低。通过在收集过程中及早确定该分数，可以迅速估计任何给定操作的价值。通过测试由未知源输送的流体，能够确定约定的流体分数是否是所提供的。

现有技术中的一种方法将所采用的分离器或者大罐用于物理存储某一数量的来自油井的流体并且通过基于重力的过程分离相。这需要分离器内的可能花费数小时获得的稳定条件。因为在测试过程中流动必须被停止，所以该稳定性可能是难以或者甚至不可能获得的并产生瓶颈。基于分离器的系统在存在相的某一混合时还导致错误。另外，粘性流体、例如重油使精确的分离和测试变得困难。

后来，某些所设想的系统尝试缓和这些问题并考虑采用辐射源和检测器进行实时相分数确定。这些分数计采用化学辐射源并且常常在未被注意的位置长时间被使用。这些位置通常不安全而且可能遇到波动的环境条件。这种不稳定性产生将非化学源用于辐射输入的需要。但是，采用化学源有一定的好处。特别地，化学源的输出辐射随着时间的退化是稳定的，从而允许它们提供高度可预测的辐射信号。电辐射发生器将缓和这些关心问题中的一些，但大多数电光子发生器(例如X射线发生器)常遭受例如电压或者射束电流波动的问题。

其它现有技术设想采用X射线发生器来产生辐射。在Stephenson等人的并被转让给与本主题申请共同转让的Schlumberger技术公司的美国专利5,689,540中示出了这种方法的一个实例。该专利的公开内容在此就好像被详细阐述一样通过参考被引入。此发明描述了一种用于发送通过流体样品的单辐射谱并检测衰减辐射以确定流体分数的系统。

尽管Stephenson等人的系统如在该专利中直接而固有地描述的那样具有许多优点，但是仍有改进的空间。首先，期望提供一种多相流体分数计，其能够被用于大量的位置中，包括被安装在远程位置处、实验室中和便携式设置中。第二，期望通知一种辐射谱，其包括高能级部分和低能级部分以允许确定感兴趣的三流相分数。第三，期望提供一种能够随着时间的过去而维持稳定的电压和射束电流的系统。变化的电压可改变X射线发生器的输出谱并使所产生的辐射信号有用性降低。

发明内容

由于上述背景技术以及在流体分数确定领域中已知的其它因素，申请人认识到对用于确定流体样品的相分数的装置和方法的需要。申请人认识到具有精细受控的加速电压和射束电流的X射线发生器可以与一个或多个辐射检测器一起被用于提供油、水和气的样品相分数的可靠测量。

一个实施例包括用于确定流体的油、水和气分数的方法和装置。在一个方面中，X射线发生器提供辐射输入，该辐射输入被过滤以产生具有不同高能和低能区的谱。过滤后的辐射被引入到两个通道中，一个通过被容纳在测量单元中的流体并被传递到第一辐射检测器，另一个直接被传递到第二辐射检测器。两个辐射检测器的测量值在分析时被使用以确定样品流体的相分数并且可能提供关于成分变化的洞察。另外，第二辐射检测器的输出被用于控制X射线发生器的加速电压和射束电流以便随着时间的过去而保证精确的信号。

附图说明

附图示出本发明的实施例并且是说明书的一部分。附图和下面的描述一起说明和解释本发明的原理。

图1是能够有利地使用本装置和方法的操作环境的示意图；

图2是由X射线发生器输出的辐射能谱的图示；

图3是本发明的一个实施例的示意性表示；

图4是包括基准检测器的本发明另一个实施例的示意性表示；

图5是包括基准检测器和基准通道的本发明另一个实施例的示意性表示；

图6是X射线管的一个实施例的示意性表示；

图7是在确定流相分数中所使用的过滤辐射谱的图示；

图8是本发明的一个实施例的结构的详细示意性表示。

具体实施方式

现在参考附图并且特别参考图1，其中相似的数字表示相似的部件，示出了本发明的操作环境的示意图。在一个实施例中示出了用于确定样品流体的流相分数的装置100。从地层收集的样品地层流体(用图1中的方向箭头示意性示出)流过样品管102。在此实施例中，样品管为文丘里管室，并非在所有的应用中都要求使用文丘里管室，可以采用常规管。样品流体可被存储在实验室中、从生产油井中直接收集、在测试新钻的井时收集，或者任何其它收集或存储流体的情况。当样品流体流过样品管102时，X射线发生器104响应于输入电压产生辐射。此辐射从X射线发生器104通过样品管被传递并通过辐射检测部分106被测量。在一个实施例中，辐射还从X射线发生器104被直接发送至检测器部分106以用作参考。X射线发生器104和辐射检测器部分106的采样允许可靠地确定样品管102中的样品流体的相分数。辐射检测器部分106的输出被传送至控制和采集系统108。该系统也可采用辐射检测器部分106的输出来控制X射线发生器104的加速电压和射束电流。由于流体快速流过这些系统中的多个系统(在某些情况下大约20m/s)，因此经常以短的增量进行测量以提供相分数随着时间的分布。但是，任何单个测量可以显示在该时间点上样品管中的水、油和气的相分数。

本发明有利的一些情形实例包括永久监控、移动测试、实验室测试、和人工提升优化。本领域的普通技术人员将认识到，这些仅仅是可能的用途的实例并且上述实例不是穷举的。

X射线物理学

X射线管通过使电子经由靶和电子源之间的高电压差加速进入靶中而产生X射线。靶足够厚以阻止所有入射电子。在感兴趣的能量范围内，在阻止电子的过程中有助于产生X射线光子的两种机制为X射线荧光辐射和轫致辐射。

X射线荧光辐射是在电子从原子射出后所产生的特征X射线谱。动能大于靶原子中的电子的结合能的入射电子能够将入射动能的一些(康普顿效应)或者全部(光电效应)传递至靶原子中的一个或多个束缚电子，从而使电子从原子中射出。

如果电子从最内部的原子壳层(K壳层)射出，则产生特征K、L、M和其它X射线。当电子从较高级壳层插入到K壳层中时发出KX射线，并且KX射线是由原子发出的最高能的荧光辐射。如果电子从外部的壳层(L、M等等)射出，则产生该类型的X射线。在大多数情况下，L和M X射线在能量方面是这样低，以致它们不能穿透X射线管的窗口。为了射出这些K壳层电子，由于它们的结合能而在金(Au)靶的情况下需要大于80kV的输入。

另一类型的辐射为轫致辐射。在电子于强电场中减速期间产生这种辐射。由于存在于靶中的其它电子，进入固体靶的高能电子遇到强电场。使入射电子减速，直到其失去了其所有动能。当对多个减速电子求和时产生连续的光子能谱。最大光子能等于高能电子的总动能。所观测到的轫致辐射谱中的最小光子能为正好能够穿透X射线管的窗口材料的光子的能量。

将加速电子的动能转换为光子产生的效率是加速电压的函数。每个X射线光子的平均能量随着电子加速电压的增大而增大。

可以采用过滤器并且通过改变(1)过滤器的组成、(2)过滤器的厚度、和(3)X射线管的工作电压来改变轫致辐射谱。这里所描述的实施例利用单个过滤器来从相同的轫致辐射谱产生低能量峰和高能量峰。特别地，过滤器被用于提供具有低能量峰和高能量峰的单个谱。

图2示出轫致辐射谱。纵坐标轴202表示以keV为单位的所测量到的能量。横坐标轴204是入射在辐射检测器上的每秒每keV的计数率或者光子数。

X射线流相分数计

由于多个原因，期望采用X射线发生器产生辐射以执行流相分数确定。可得到的辐射通量和对具有相当低的能量(＜100keV)的光子的需求使这种类型的辐射源很好地适合于应用。在以下的两个不同的平均能级上执行衰减水平的测量：主要由于具有一些光电吸收的康普顿散射而发生光子衰减的高能级，和由于康普顿散射和光电效应而发生光子衰减并且由于光电效应而产生的吸收比在高能情况下更强的低能级。除了这两个能级之外，为了具有稳健的测量系统，有必要具有对将造成衰减的通过物质的辐射的检测以及对通过空气的辐射的检测。这些辐射中的第一辐射由测量辐射检测器发现，第二辐射由基准辐射检测器发现。

能量为E、强度为I₀(E)、通过密度为‘ρ’的、厚度为‘d’的材料的X射线束的衰减可被写为：

$I\left(E\right)=I_0\left(E\right)e^{-{\mathrm{\μ}}_m\left(E\right)\mathrm{\ρd}}$

其中横穿材料的光子的任何交互作用都使射束衰减。这里，μ_m(E)是材料的质量衰减系数。重要的是注意此质量衰减系数根据存在的油、气和水的类型而是可变的。为了找到这三个值，常常进行校准测试，或者替代地基于存在的流体的已知化学性质进行一系列计算。前面的方程中的I(E)不包括在光电吸收之后所产生的光子或者多个散射光子的检测。

为了确定样品流体中的油、气和水相分数，有必要在高能和低能时进行衰减测量。在本发明中，采用单个过滤谱同时进行这两个测量。高能测量对应于下面的方程：

$I_{M_H}=I_{M_H}^{\left(0\right)}{e}^{-({\mathrm{\μ}}_{o}d{\mathrm{\α}}_o+{\mathrm{\μ}}_{w}d{\mathrm{\α}}_w+{\mathrm{\μ}}_{g}d{\mathrm{\α}}_g)}$

其中

是测量辐射检测器所检测到的高能计数数值，

是当辐射通过空样品管时的高能计数数值，d是样品管的直径，α_o是油的流相分数，α_w是水的流相分数，α_g是气的流相分数。这些分数是未知的并且是感兴趣的对象。低能测量对应于下面的方程：

$I_{M_L}=I_{M_L}^{\left(0\right)}{e}^{-({\mathrm{\μ}}_{o}d{\mathrm{\α}}_o+{\mathrm{\μ}}_{w}d{\mathrm{\α}}_w+{\mathrm{\μ}}_{g}d{\mathrm{\μ}}_g)}$

其中

是测量辐射检测器所检测到的低能计数数值，而

是当辐射通过空样品管时的低能计数数值。这两个方程可被求解以提供用于高能测量的下式

$--\ln \left(\frac{I_{M_H}}{I_{M_H}^{\left(0\right)}}\right)={\mathrm{\μ}}_{o}d{\mathrm{\α}}_o+{\mathrm{\μ}}_{w}d{\mathrm{\α}}_w+{\mathrm{\μ}}_{g}d{\mathrm{\α}}_g$

和用于低能信号的下式

$--\ln \left(\frac{I_{M_L}}{I_{M_L}^{\left(0\right)}}\right)={\mathrm{\μ}}_{o}d{\mathrm{\α}}_o+{\mathrm{\μ}}_{w}d{\mathrm{\μ}}_w+{\mathrm{\μ}}_{g}d{\mathrm{\α}}_g.$

对高能和低能测量求解，这提供两个方程和两个未知数，因此需要另一个方程来求解流体分数。样品流体包括油、水、和气，因此也已知的是

α_o+α_w+α_g＝1。

采用这三个方程，可基于通过样品的辐射确定油、水和气的流相分数。

在图3中示出了本发明的一个实施例。样品流体流经样品管306中的通道305，在该实施例中，样品管为文丘里管室。响应于输入电压，X射线发生器302产生通过过滤器304的辐射。该过滤辐射然后通过路径316。路径316是辐射通过样品管306和样品流体并转到测量辐射检测器308上的测量路径。测量检测器308的输出沿线路317被传递到分析单元318。可在各种不同环境中采用此工具，这些环境包括实验室、在制造场所处的永久监控、人工提升(artificial lift)优化、当流体被递送时期望确定流体分数的接收端口等等。

在图4中示出了本发明的另一个实施例。样品流体流经可以为文丘里管室的样品管406中的通道405。响应于输入电压，X射线发生器产生通过过滤器404的辐射。该过滤辐射然后通过测量路径416、样品管406和样品流体405并转到测量辐射检测器408上。基准辐射检测器410被定位以在信号离开X射线发生器402时检测该信号。在一个实施例中，两个辐射检测器的输出被路由至控制和采集系统412。来自该控制系统的信息被用于控制X射线发生器402的加速电压以及该发生器的射束电流。下面将讨论该控制和采集系统的一些其它功能。来自检测器的信息沿着线路417被转发到分析单元418。

在图5中示出了另一个实施例。样品流体流经样品管506中的通道505，在此实施例中，样品管为文丘里管室。响应于输入电压，X射线发生器产生通过过滤器504的辐射。该过滤辐射然后可以通过两个路径。应注意的是，为了最佳的性能，X射线发生器502相对于两条路径对称地被定位以校正过滤器504的组成的任何不规则性。路径516是辐射通过样品管506和样品流体505并转到测量辐射检测器508上的测量路径。路径514是辐射直接从X射线发生器502被传递到基准辐射检测器510的可选的基准路径。在一个实施例中，两个辐射检测器的输出被路由至控制和采集系统512。下面将讨论该控制和采集系统的一些其它功能。来自检测器的信息沿着有线线路517被转发到分析单元518。

图6示出可以被采用的X射线管600的实例。注意，只要能够控制加速电压和射束电流，就可以采用任何X射线管。这种类型的X射线管被称作接地靶X射线管。元件602为可操作用于响应于受热而释放电子的阴极。高压发生器向阴极602施加高电压。小电流的引入加热阴极602并使其释放电子。栅极604可操作用于使从阴极602释放的电子向电子加速部分606移动。在一个实施例中，此栅极604由镍(Ni)制成。加速部分606使电子向靶608加速。在和靶606碰撞时，管600产生适合在本发明中采用的X射线。

如上所述，重要的是为了流相分数的正确确定而引入高能信号和低能信号。过滤器304、404和504通过过滤图2中所示出的辐射谱而允许这一点。在一个实施例中，所选择的过滤器为钡。但是，只要提供高能和低能部分，就可以采用任何元素来过滤辐射。然而重要的是注意，根据期望的电压，某些元素可能具有太低或太高的k边缘以致于在应用时不是有效的。假设采用钡过滤器，所产生的辐射谱在图7中示出。轴702表示以keV为单位的能量，而轴704表示每keV的计数数值。标记为708的迹线显示信号的低能部分。该迹线可以根据为过滤器304所选择的元素而变化。迹线706表示信号的高能部分。

检测器308、408、410、508和510都检测辐射并将所有的入射光子都置于高能窗口或者低能窗口中。在一个实施例中，高能窗口将是高于线701的任何能量，而低能窗口将是低于线710的任何能量。

如上所述，本发明可如图3中所示在没有基准检测器的情况下运行，或者如图4和5中所示在具有基准检测器的情况下运行。在图3的实施例中，在确定油、水和气相分数时在上述方程中直接使用测量辐射检测器所检测到的计数。在图4和5的实施例中，由基准检测器410或者510所测量到的计数被用于使计算标准化。特别地，分别用低能基准计数

和高能基准计数来除低能和高能测量计数。另外，以相同的方式使通过空气所测量的计数标准化。因为X射线发生器的基本输出(base output)的变化将通过基准检测器来测量并被用于使结果标准化，所以这提供更稳定的测量。

基准检测器的输出还有利地被用于控制X射线发生器402的加速电压和射束电流。请注意，在图4和图5的实施例中基准检测器的所有功能都是相同的。和都与在任一给定时间碰撞靶的电子的数目成比例。另外，比值与X射线发生器的加速电压V_x-ray成比例。参看图7，如果X射线发生器的电压随着时间而降低，则谱将稍微向左偏移。这将造成更少的电子被置于高能窗口中并且因此比值

将下降。该实施例通过可能在单元412中监控该比值并改变X射线发生器402的加速电压以维持连贯谱来避免该问题。

此外，重要的是小心地控制X射线发生器的射束电流输出。这也可以利用基准检测器来控制。基准检测器对高能区和低能区中的入射光子的数目进行计数。可以通过监控这些计数之一或者两个计数的总和来使用基准检测器的输出。基准检测器的输出被用于控制X射线发生器并保证恒定的射束电流。

辐射检测器308、408、410、508和510可以是能够监控辐射并产生包括将电子分组到高能和低能窗口中在内的输出的任何类型的辐射检测器。在一个实施例中，所采用的辐射检测器是在转让给Schlumberger技术公司的美国专利申请09/753,859中所描述的类型的辐射检测器。该公开内容在此通过参考被引入。因为这种类型的检测器随着温度和条件的变化而校正其功能，所以这种类型的检测器对于井底使用是有利的。这确保在任何工作环境中都能够获得恒定的读数。

如所述的那样，本发明可用于各种场所。图8示出一种可能的配置。X射线发生器部分802容纳产生X射线点814的X射线管。典型地，X射线发生器的99％的辐射将集中到该直径小于2mm的点中。钨罩812和防爆炸壳体804保护外部环境不受辐射的污染。重要的是保证点814保持稳定并保持在恒定的位置中。X射线点检测器810将识别任何杂散辐射和点放置可能产生问题的警报。电路板808被用于控制X射线发生器。

所产生的辐射通过过滤器816以提供像图7中所示的谱那样的谱。另一个安全特征为调整杆818。这些杆保证：如果从设备拆除X射线发生器，则该X射线发生器将停止产生辐射。辐射通过通道820之一。一个辐射信号通过样品管821并传递到测量检测器828上。另一个信号直接传递到基准检测器832。低密度塞822被用于保证当样品管821中没有容纳任何东西时通过测量和基准通道的衰减是相同的。另一套调整杆824保证当正产生辐射时不能拆除辐射检测器。最后，另一个防爆炸壳体830围绕辐射检测器以提高操作安全性。

前面的描述仅仅为了示出并描述本发明及其实现的一些实例而被提供。并不意图穷举或者将本发明限制于所公开的任何精确形式。可以实现多种修改和变化，并且本领域普通技术人员根据上面的描述和附图将设想到这些修改和变化。

选择和描述了各个方面以便最佳地解释本发明的原理及其实际应用。前面的描述意图使本领域技术人员能够在各种实施例和各个方面中并以适合于所设想到的特定应用的各种修改最佳地利用本发明。意图使本发明的范围由下面的权利要求来限定；然而，并不意图通过在方法权利要求中所列举的步骤序列来假定任何顺序，除非直接列举了特定的顺序。

Claims (10)

1.多相流体的流体分数确定工具，包括：

X射线发生器，可操作用于产生具有低能区和高能区的双峰辐射谱；

样品管，可操作地连接至所述X射线发生器以便接收所述双峰辐射谱并且用于通过所述样品管内的所述多相流体的样品传递所述双峰辐射谱；

测量辐射检测器，可操作地连接至所述样品管的输出端并且可操作用于测量经由所述样品管和所述多相流体的样品所传输的辐射；

基准辐射检测器，可操作地连接至所述X射线发生器的输出端，所述基准辐射检测器被配置用于检测未通过所述多相流体的样品传递的所述双峰辐射谱的入射光子以提供基准输出；

分析单元，可操作地连接至所述基准辐射检测器并且被配置用于接收所述基准输出以便在所述X射线发生器的操作期间维持恒定的不偏移的双峰辐射谱；

其中所述基准输出包括被分组到高能窗口和低能窗口中的入射光子的计数，其中高于设定能级的光子将被添加至高能基准计数，而低于所述设定能级的光子将被添加至低能基准计数；以及其中通过所述高能基准计数与所述低能基准计数的比值来控制所述X射线发生器的加速电压；以及其中通过所述高能基准计数、所述低能基准计数、以及所述高能基准计数和低能基准计数的总和之一来控制所述X射线发生器的射束电流；

其中所述测量辐射检测器被配置用于检测入射光子并提供测量输出；

其中所述测量输出包括被分组到高能窗口和低能窗口中的至少一个中的入射光子的计数，以及

其中高于设定能级的光子将被添加至高能测量计数，而低于所述设定能级的光子将被添加至低能测量计数；

并且其中所述分析单元被进一步配置用于利用所述高能测量计数和所述低能测量计数来确定多种材料中的至少一种材料的流体分数。

2.如权利要求1所述的流体分数确定工具，进一步包括可操作地连接至所述X射线发生器的过滤器，并且其中所述X射线发生器发射轫致辐射谱，该轫致辐射谱穿过所述过滤器以产生所述双峰辐射谱。

3.如权利要求1所述的流体分数确定工具，其中：

所述样品管为文丘里管室。

4.如权利要求2所述的流体分数确定工具，其中所述过滤器为钡。

5.如权利要求1所述的流体分数确定工具，其中所述样品管包括用于通过所述样品管和所述多相流体的样品将所述双峰辐射谱传递到所述测量辐射检测器的测量路径和用于将所述双峰辐射谱直接传递到所述基准辐射检测器的基准路径。

6.如权利要求5所述的流体分数确定工具，其中所述X射线发生器相对于所述测量路径和所述基准路径对称地被定位。

7.如权利要求6所述的流体分数确定工具，其中：

利用所述高能测量计数与所述高能基准计数的比值以及所述低能测量计数与所述低能基准计数的比值来确定多种材料中的至少一种材料的流体分数。

8.如权利要求1所述的流体分数确定工具，其中：

所述多种材料包括油、水和气。

9.多相流体的流体分数确定方法，包括以下步骤：

产生包括高能部分和低能部分的输入双峰辐射谱；

使所述双峰辐射谱通过所述多相流体的样品以产生输出辐射谱；

检测所述输出辐射谱并且确定高能测量计数和低能测量计数；

检测所述双峰辐射谱；

利用高能基准计数和低能基准计数使所述高能测量计数和低能测量计数标准化；

计算所述高能基准计数与所述低能基准计数的比值；

基于所述比值控制在所述产生步骤中所采用的X射线发生器的加速电压；

基于所述高能基准计数、所述低能基准计数、和高能基准计数和低能基准计数的总和之一控制在所述产生步骤中所采用的所述X射线发生器的射束电流，以及

利用所述高能测量计数和所述低能测量计数来确定所述多相流体的样品中的至少一种材料的流体分数，

其中所述加速电压和射束电流的所述控制在所述X射线发生器的操作期间维持恒定的不偏移的双峰辐射谱。

10.如权利要求9所述的流体分数确定方法，其中：所述多相流体包括油、水和气相，并且所述确定步骤包括求解下面的方程组：

$-\ln \left(\frac{I_{M_H}}{I_{M_H}^{\left(0\right)}}\right)={\mathrm{\μ}}_{o}d{\mathrm{\α}}_o+{\mathrm{\μ}}_{w}d{\mathrm{\α}}_w+{\mathrm{\μ}}_{g}d{\mathrm{\α}}_g;$

$-\ln \left(\frac{I_{M_L}}{I_{M_L}^{\left(0\right)}}\right)={\mathrm{\μ}}_{o}d{\mathrm{\α}}_o+{\mathrm{\μ}}_{w}d{\mathrm{\α}}_w+{\mathrm{\μ}}_{g}d{\mathrm{\α}}_g;$

α_o+α_w+α_g＝1，

其中

是测量辐射检测器所检测到的高能计数数值，

是当辐射通过空样品管时的高能计数数值，

是测量辐射检测器所检测到的低能计数数值，

是当辐射通过空样品管时的低能计数数值，d是样品管的直径，α_o是油的流相分数，α_w是水的流相分数，α_g是气的流相分数，μ_o是油的质量衰减系数，μ_w是水的质量衰减系数，μ_g是气的质量衰减系数。

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