CN101761330B - 一种采用超声测井仪自身定向装置的超声测井系统 - Google Patents

Abstract

一种采用超声测井仪自身定向装置的超声测井系统，包括井下仪、井下仪通过铠装电缆绕过滑轮依次连接深度仪和测井绞车，测井绞车连接地面工作站；深度仪测量井下仪下放的深度；井下仪的主体装置内部固定光纤陀螺，测量所述井下仪自身定位方向；换能器装置均匀分布若干个换能器，换能器发出超声波并接收回波测量井的孔径；地面工作站对光纤陀螺测量的定位方向数据进行单步线性预测插值，对深度仪测量的深度进行线性插值，对换能器测量的孔径数值分别进行线性插值，并计算获得井筒的立体图形及参数。从而提供一种提高超声测井仪自身定向精度、拓宽井下仪测量范围的采用超声测井仪自身定向装置的超声测井系统。

Description

一种采用超声测井仪自身定向装置的超声测井系统

技术领域

本发明涉及一种超声测井系统，特别是一种采用应用于超声测井仪自身准确确定测量方位的定向装置的超声测井系统。

背景技术

地下钻孔、连续墙等是一种隐蔽工程，仪器下放至其中对其进行测量的时候，会因悬吊仪器的钢丝绳扭力而产生旋转，若不借助一定的定位方法，地面上的人员无法知道仪器的转动情况。测井仪可用的定向方法有双钢丝绳导向、标志钢丝绳定向、磁通门、磁罗盘和陀螺几种。

山东科技大学的“SKD-1型大口径超声测井仪”和“SD-1型深井测井仪”采用的是双钢丝绳导向，该方法简单可靠，缺点是定位子系统占用空间、系统复杂、不利于小直径钻孔的测量。

日本CKODEN公司的“DM684型测斜仪”采用的是双绳悬吊方式，测井电缆与悬吊钢丝绳同步运动，该定位方式也比较简单，与双钢丝绳导向定位法的结果和原理基本相似，但该仪器配套的绞车传动装置比较复杂，在井深100m之内能较好定向，测井深度受到限制，不能用于深井测量。

标志钢丝绳定向是一种称为《SUGI型竖井几何参数测量仪》的测井仪所采用的定向方式。即将一根钢丝绳预先放置在井筒中，作为测量平面的参照方位。这种方法在水中由于标志钢丝绳的回波明显，可以取得较好的效果，但在洗井泥浆中和在小直径井孔中则使用困难。

磁通门和磁罗盘都是依赖地球磁北来定向，曾在山东科技大学的“SD-3A型测井仪”中使用，该方法可简化定位系统，减小仪器体积。缺点是其定向精度会受到地磁变化、钻孔地质条件的影响，不能用于金属矿井或地层富含金属的钻孔的测量。

陀螺定向方法是地质钻探和石油钻井中使用的一些井下测量仪器常采用的方法，也曾在山东科技大学的“SD-2A型钻井法凿井测井仪”中使用。当时采用的是机械陀螺定向，但其结构复杂、易损坏、抗震性差、精度低性能也不够稳定。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种提高超声测井仪自身定向精度、拓宽井下仪测量范围的采用超声测井仪自身定向装置的超声测井系统。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种采用超声测井仪自身定向装置的超声测井系统，包括井下仪、所述井下仪通过铠装电缆绕过滑轮依次连接深度仪和测井绞车，所述测井绞车还连接地面工作站；所述深度仪用于测量所述井下仪下放的深度；

所述井下仪包括依次连接的悬挂装置、主体装置、换能器装置和配重装置，所述主体装置内部固定光纤陀螺，用于测量所述井下仪自身定位方向；所述换能器装置均匀分布若干个换能器，所述换能器用于发出超声波并接收回波测量井的孔径；

所述深度仪、所述光纤陀螺、所述换能器分别将测量数据发送至地面工作站；

所述地面工作站用于对所述光纤陀螺测量的数据、所述深度仪测量的数据和所述换能器测量的数据，进行处理，并计算获得井筒的立体图形及参数。

本发明的采用超声测井仪自身定向装置的超声测井系统，其中所述主体装置中设置中空凸台，所述光纤陀螺固定在所述凸台上。

本发明的采用超声测井仪自身定向装置的超声测井仪系统，其中所述井下仪旋转过的角度，设为θ，

其中ω为光纤陀螺测量到的角速度。

本发明的采用超声测井仪自身定向装置的超声测量仪系统，其中所述地面工作站对所述光纤陀螺测量的定位方向数据进行单步线性预测插值。

本发明的采用超声测井仪自身定向装置的超声测量仪系统，其中所述地面工作站对所述光纤陀螺测量的自身定位方向数据进行插值，下一刻所述光纤陀螺的输出角度设为θ(n+1)，

其中T为时间段，p为标记点的方位输出个数，θ(n)为当前输出角度。

本发明的采用超声测井仪自身定向装置的超声测量仪系统，其中所述主体装置内部固定有“井”字架，所述“井”字架上固定有超声发射驱动处理电路。

本发明的采用超声测井仪自身定向装置的超声测量仪系统，其中所述换能器的接线在内部汇总并在所述换能器装置上端面中间引出，连接所述超声发射驱动处理电路。

本发明的采用超声测井仪自身定向装置的超声测量仪系统，其中所述超声发射驱动处理电路驱动所述换能器发射超声波，处理换能器接收的回波，并将处理的信息发送到所述地面工作站中。

本发明的采用超声测井仪自身定向装置的超声测量仪系统，其中所述换能器装置周围等分固定八个换能器。

本发明的采用超声测井仪自身定向装置的超声测量仪系统，其中所述地面工作站还对所述深度仪测量的深度进行线性插值，对所述换能器测量的孔径数值分别进行线性插值。

采用光纤陀螺定向，光纤陀螺安装在仪器内部，其定向方式简单，体积小，重量轻，可有效取消类似“SKD-1型大口径超声测井仪”和“DM684型测斜仪”系统中绞车重锤钢丝绳等繁杂粗笨的导向系统，大大精简仪器、简化操作、方便使用。仪器小型化后使用范围(如小直径井孔测量)得以拓宽。光纤陀螺基本不受磁场和温度变化的影响，所以比磁通门、磁罗盘和机械陀螺的定向精度高、稳定度好。光纤陀螺定向使现有井下仪自身定向准确度、可靠性及仪器适用范围得到进一步提升。

附图说明

图1是本发明超声测井仪系统的示意图；

图2是本发明超声测井仪系统井下仪的剖视图；

图3是图2的左视剖面图；

图4是本发明超声测井仪井下仪所处坐标系示意图；

图5是图4的旋转角度示意图；

图6是本发明超声测井仪的换能器装置示意图；

图7是图6的旋转45°示意图；

图8是本发明超声测井仪系统井下仪所处坐标系插值示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明采用超声测井仪自身定向装置的超声测井系统的实施方式进行详细说明。

参见图1，本发明的超声测井系统包括井下仪1、深度仪2、测井绞车3、铠装电缆4、滑轮5、地面工作站6和打印机7，井下仪1由铠装电缆4吊系，铠装电缆4绕过滑轮5依次连接深度仪2和测井绞车3，测井绞车3还连接地面工作站6，地面工作站连接打印机7。

参见图2和图3，井下仪1包括：悬挂装置101、主体装置102、换能器装置103和配重装置104四部分。

悬挂装置101为半封闭的圆柱形空腔，一端封闭，在封闭端面中间开壶塞型接线孔1a，孔壁尽量粗糙，并焊接连接挂钩1b，另一端为带连接端面的敞口设计。

主体装置102为的两端带连接端面的圆柱形结构，是一个两端封闭并留有接线孔的空腔，空腔内放置超声发射驱动处理电路1c和光纤陀螺1d，上封闭面为焊接式封闭，在封闭端面的中间开壶塞式接线孔1e，孔壁尽量粗糙，上封闭面的下部固定有“井”字架1i，下封闭面为铸造式封闭，封闭面上设计了为固定元器件的中空凸台1f，凸台1f侧面开圆形接线孔1g，所开接线孔的孔壁尽量粗糙，光纤陀螺1d的引线接头依次从接线孔1g和1e伸出，光纤陀螺1d对称于井下仪1中轴线固定在凸台1f上，超声发射驱动处理电路1c固定于“井”字架1i上。光纤陀螺1d和超声发射驱动处理电路1c的引线分别从接线孔1e伸出连接到铠装电缆4中。

换能器装置103采用换能器一体化设计，为两端带连接端面的圆柱形实体结构。柱体上等分布嵌入式地安装着八个换能器1h，换能器1h与壳体成为一体，换能器1h的接线在内部汇总并在换能器装置103上端面中间引出，连接超声发射驱动处理电路1c。超声发射驱动处理电路1c驱动换能器1h发射超声波，处理换能器接收的回波，并将处理的信息发送到地面工作站6中。

配重装置104为金属圆柱体结构，一端带有连接端面。

悬挂装置101、主体装置102、换能器装置103和配重装置104四部分用长螺栓进行端面连接固定在一起。

超声测井仪系统的工作过程是：井下仪1由铠装电缆4吊系，铠装电缆4吊系在悬挂装置101的挂钩1b上，通过测井绞车3将井下仪1下放到井筒中。在下放过程中，超声发射驱动处理电路1b驱动换能器1h发出测距超声波，八个方向的超声波遇到井壁而发生反射，回波被该方向的换能器1h接收，发射波和回波转换后通过铠装电缆4传送到地面工作站6，再经过处理后得到该剖面各个方向上的井径值；同时深度仪2测出井下仪所处的深度位置；光纤陀螺1d测出标志点的方向，并据此求出每个换能器1h所指方向。由井径、方向和深度组成了三维数据组。随着井下仪的下放，在每个测量平面上都获得相应的三维数据组，由电缆实时传送到地面工作站6进行插值等处理，得到井筒的立体图形及相关参数并显示出来，还能够把各个通道上的波形进行采集，显示出各通道的超声发射波和回波，以便于进行分析和调节。

参见图4、图5、图6和图7，光纤陀螺1d是测量载体角速度的，其输出与载体角速度成正比。基于光纤陀螺的定向原理是：建立井下仪三维立体坐标系，井下仪1中轴(即垂直于井口的中轴线)为坐标轴z轴，以换能器1h所处的水平面建立x，y坐标系。因光纤陀螺1d、换能器1h和井下仪1外壳三者为刚性连接，所以他们在水平面上的动作是相同的，即三者所处的水平面可重合起来研究，这里选用井下仪1外壳上表面为参照水平面，建立x，y坐标系。

测井初始时，在井下仪1外壳做一个标记A作为测井初始参考点。测量时首先确定初始时刻(t₀＝0)A标记的真实的初始方位，设井下仪初始方位为x轴方向，即A点在x轴上，设八个换能器1h分别为1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#和8#相对于A点的固定角度为0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°和315°，在测量过程中，因悬吊的铠装电缆4扭力使井下仪发生旋转，从而换能器1h的测量方向发生改变，设t(t≥0)时刻井下仪旋转过的角度为θ，θ是通过对光纤陀螺测量到的角速度ω进行积分得到(单位为“度”)，即

每个换能器1h的方位由它们对标记点的相对位置和井下仪转过的角度θ得到，即为：(0+θ)°，(45+θ)°，(90+θ)°，(135+θ)°，(180+θ)°，(225+θ)°，(270+θ)°和(315+θ)°，其中θ是带正负符号的值，正号表示井下仪旋转的方向是顺时针，负号表示井下仪旋转的方向是逆时针。图6、图7给出了旋转45°的示意图。

本发明采用了超声测井仪自身定向装置的超声测井仪系统，采用三维度数据插值方法等处理方法进行数据处理，得到井筒的立体图形及相关参数并显示出来。为了方便说明三维度数据插值方法，设置了参见图8所示的三维坐标系。其中原点位于井口平面与井下仪中轴线(也认为是铠装电缆所在直线)的交点，x轴指向测量0时刻井下仪外壳上标记点A点所指方向，y轴与x、z轴垂直。随着井下仪的下放，井下仪会发生绕自身轴线的旋转，其转过的角度(即标记点与x轴的夹角)可由光纤陀螺给出。三维插值可在每次实测之后进行，上平面1j和下平面1k为实测平面，得到实测三维数据，上平面1j和下平面1k之间的中平面1m为插值所得，得到的插值三维数据。也可以在两次实测数据之间插出更多的平面。

测井仪的三维数据，其实可认为是相互独立的。对于孔径数据来说，随着井下仪1的缓慢旋转，某方向前后两次测量点不但在z轴方向上(即轴向)有变化，而且在水平面上所指方向(与x轴夹角)也有微变，测量值为井壁上两点到换能器的距离，井壁径向的变化随机性是比较大的，因此，这是一个三维的变化，插值需要在三维空间展开。若三维综合考虑，插值是非常复杂的。但对于本发明中的超声测井仪系统来说，三个维度的变化几乎完全独立，因此三维空间插值可分在三个维度上独立进行。因此，八向孔径、方向和深度数据三维度插值技术可以依次进行，首先结合光纤陀螺定向的特点，对方向数据进行插值；再针对提升系统的特点，对深度数据进行插值；在此基础上，基于孔径数据特点，对孔径数据进行插值。

首先考虑定位方向(也即标记点A与x轴夹角)的插值。方向会发生变化是因为悬吊的钢丝绳存在扭力，在下放的过程中逐渐释放出来，带动仪器缓缓旋转。这个旋转在短时间内可以认为是匀速的，而由此产生的方向变化也可认为是渐变的。鉴于这个特点，方向数值域的插值，可采用单步线性预测的方法来进行。

假设在时间段T内，标记点A的方位输出有p个，当前输出为θ(n)，则下一时刻的输出可由其前p个输出通过预测外推出来，为：

$\mathrm{\θ}(n+1)=\underset{k=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}a\left(k\right)\mathrm{\θ}(n-k)---\left(1\right)$

根据确定性最小二乘滤波器理论，使预测误差达到最小的测滤波器应该满足：

Ra＝r        (2)

其中r＝[r_θ(1)r_θ(2)…r_θ(p)]^T，为序列θ(n)(i＝n-p+1，n-p+2，…，n-1，n)的自相关向量；a＝[a(1)a(2)…a(p)]^T，为预测滤波器向量；R是由自相关向量构成的自相关矩阵，为：

$R=\left[\begin{array}{cccc}{r}_{\mathrm{\θ}}\left(0\right)& r_{\mathrm{\θ}}\left(1\right)& ...& r_{\mathrm{\θ}}(p-1)\\ r_{\mathrm{\θ}}\left(1\right)& r_{\mathrm{\θ}}\left(0\right)& ...& r_{\mathrm{\θ}}(p-2)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ r_{\mathrm{\θ}}(p-1)& r_{\mathrm{\θ}}(p-2)& ...& r_{\mathrm{\θ}}\left(0\right)\end{array}\right]---\left(4\right)$

根据式(2)关系，可求出p个预测系数a(1)，a(2)，…，a(p)，插值方向可由式(1)给出。

其次考虑z轴向上的深度插值。Z轴位置的变化来自于测井绞车4上下放井下仪1，并通过深度仪2测量。而前后两次测量时间间隔不大于1秒，在这么短的时间内，可认为井下仪1在做垂直匀速运动，则垂直轴向维度上的插值益采用线性插值。设前后两个时刻井下仪深度位置分别为h(t₁)和h(t₂)，则对任一t∈[t₁，t₂]，其深度位置h(t)为：

$h\left(t\right)=\frac{h\left(t_2\right)-h\left(t_1\right)}{t_2-t_1}(t-t_1)---\left(4\right)$

最后考虑径向插值。钻孔井壁是极其不规则的，光滑性好的抛物线插值、三次样条插值并不适合于此种情况，效果不一定很好，而且计算复杂，因此径向维度上的插值采用线性插值，简单易行，误差也不会很大。方向i孔径前后两个时刻测量值与测量点的空间位置有关，分别表示为d_i(h₁，θ_n)和d_i(h₂，θ_n+2)，其中h₁＝h(t₁)，h₂＝h(t₂)，θ_n＝θ(n)，θ_n+2＝θ(n+2)。则对空间位置为(h，θ_n+1)的测量点，其孔径数值d_i(h，θ_n+1)满足(5)式中的关系，解此方程即可得到。

$d_i(h,x_{n+1})=\frac{d_i(h_2,{\mathrm{\θ}}_{n+2})-d_i(h_1,{\mathrm{\θ}}_n)}{\sqrt{{(h_2-h_1)}^2+{\mathrm{lx}}^2+{\mathrm{ly}}^2}}\sqrt{{(h-h_1)}^2+x^2+y^2}---\left(5\right)$

其中：

lx＝d_i(h₂，θ_n+2)cos(θ_n+2)-d_i(h₁，θ_n)cos(θ_n)，ly＝d_i(h₂，θ_n+2)sin(θ_n+2)-d_i(h₁，θ_n)sin(θ_n)，

x＝d_i(h₂，θ_n+1)cos(θ_n+1)-d_i(h₁，θ_n)cos(θ_n)，y＝d_i(h₂，θ_n+1)sin(θ_n+1)-d_i(h₁，θ_n)sin(θ_n)。

若测量了a次，方向的测量值就有a个，通过预测插值，可得到2a-1次测量方向。实际测量值和预测值交叉排列，因此上述下标n和n+2代表的是真实测量值，而n+1代表的是预测值。

采用光纤陀螺定向，光纤陀螺安装在仪器内部，其定向方式简单，体积小，重量轻，可有效取消类似“SKD-1型大口径超声测井仪”和“DM684型测斜仪”系统中绞车重锤钢丝绳等繁杂粗笨的导向系统，大大精简仪器、简化操作、方便使用。仪器小型化后使用范围(如小直径井孔测量)得以拓宽。光纤陀螺基本不受磁场和温度变化的影响，所以比磁通门、磁罗盘和机械陀螺的定向精度高、稳定度好。光纤陀螺定向使现有井下仪自身定向准确度、可靠性及仪器适用范围得到进一步提升。

以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种采用超声测井仪自身定向装置的超声测井系统，包括井下仪（1）、所述井下仪（1）通过铠装电缆（4）绕过滑轮（5）依次连接深度仪（2）和测井绞车（3），所述测井绞车（3）还连接地面工作站（6）；所述深度仪（2）用于测量所述井下仪（1）下放的深度；

其特征在于，所述井下仪（1）包括依次连接的悬挂装置（101）、主体装置（102）、换能器装置（103）和配重装置（104），所述主体装置（102）内部固定光纤陀螺（1d），用于测量所述井下仪（1）自身定位方向；所述换能器装置（103）均匀分布若干个换能器（1h），所述换能器（1h）用于发出超声波并接收回波测量井的孔径；

所述深度仪（2）、所述光纤陀螺（1d）、所述换能器（1h）分别将测量数据发送至地面工作站（6）；

所述地面工作站（6）用于对所述光纤陀螺（1d）测量的数据、所述深度仪（2）测量的数据和所述换能器（1h）测量的数据，进行处理，并计算获得井筒的立体图形及参数。

2.根据权利要求1所述的采用超声测井仪自身定向装置的超声测井系统，其特征在于，所述主体装置（102）中设置中空凸台（1f），所述光纤陀螺（1d）固定在所述凸台（1f）上。

3.根据权利要求2所述的采用超声测井仪自身定向装置的超声测井仪系统，其特征在于，所述井下仪（1）旋转过的角度，设为θ，

其中ω为光纤陀螺测量到的角速度。

4.根据权利要求3所述的采用超声测井仪自身定向装置的超声测量仪系统，其特征在于，所述地面工作站（6）对所述光纤陀螺（1d）测量的自身定位方向数据进行单步线性预测插值：

在固定时间段内，标记点的方位输出有p个，当前输出为θ(n)，下一时刻的输出为：

$\mathrm{\θ}(n+1)=\underset{k=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}a\left(k\right)\mathrm{\θ}(n-k)---\left(1\right)$

根据确定性最小二乘滤波器理论，使预测误差达到最小的预测滤波器应该满足：

Ra=r             （2）

其中r=[r_θ(1)，r_θ(2)，…，r_θ(p)]^T，为序列θ(i)的自相关向量，其中i=n-p+1,n-p+2,...,n-1,n；a=[a(1),a(2),...,a(p)]^T，为预测滤波器向量；R是由自相关向量构成的自相关矩阵，为：

$R=\left[\begin{array}{cccc}{r}_{\mathrm{\θ}}\left(0\right)& r_{\mathrm{\θ}}\left(1\right)& \·\·\·& r_{\mathrm{\θ}}(p-1)\\ r_{\mathrm{\θ}}\left(1\right)& r_{\mathrm{\θ}}\left(0\right)& \·\·\·& r_{\mathrm{\θ}}(p-2)\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ r_{\mathrm{\θ}}(p-1)& r_{\mathrm{\θ}}(p-2)& \·\·\·& r_{\mathrm{\θ}}\left(0\right)\end{array}\right]---\left(3\right)$

根据式（2），可求出p个预测系数a(1)，a(2)，…,a(p)，插值方向可由式（1）给出。

5.根据权利要求4所述的采用超声测井仪自身定向装置的超声测量仪系统，其特征在于，所述主体装置（102）内部固定有“井”字架（1i），所述“井”字架（1i）上固定有超声发射驱动处理电路（1c）。

6.根据权利要求5所述的采用超声测井仪自身定向装置的超声测量仪系统，其特征在于，所述换能器（1h）的接线在内部汇总并在所述换能器装置（103）上端面中间引出，连接所述超声发射驱动处理电路（1c）。

7.根据权利要求6所述的采用超声测井仪自身定向装置的超声测量仪系统，其特征在于，所述超声发射驱动处理电路（1c）驱动所述换能器（1h）发射超声波，处理换能器接收的回波，并将处理的信息发送到所述地面工作站（6）中。

8.根据权利要求7所述的采用超声测井仪自身定向装置的超声测量仪系统，其特征在于，所述换能器装置（103）周围等分固定八个换能器（1h）。

9.根据权利要求8所述的采用超声测井仪自身定向装置的超声测量仪系统，其特征在于，所述地面工作站（6）还对所述深度仪（2）测量的深度进行线性插值：

前后两个时刻井下仪深度位置分别为h(t₁)和h(t₂)，对任一t∈[t₁,t₂]，其深度位置h(t)为：

$h\left(t\right)=\frac{h\left(t_2\right)-h\left(t_1\right)}{t_2-t_1}(t-t_1)---\left(4\right)$

对所述换能器（1h）测量的孔径数值分别进行线性插值：

方向i孔径前后两个时刻测量值与测量点的空间位置关系，分别表示为d_i(h₁,θ_n)和d_i(h₂,θ_n+2)，其中h₁=h(t₁)，h₂=h(t₂)，θ_n=θ(n)，θ_n+2=θ(n+2)，则对空间位置为(h,θ_n+1)的测量点，其孔径数值d_i(h,θ_n+1)满足如下关系

$d_i(h,{\mathrm{\θ}}_{n+1})=\frac{d_i(h_2,{\mathrm{\θ}}_{n+2})-d_i(h_1,{\mathrm{\θ}}_n)}{\sqrt{{(h_2-h_1)}^2+{\left(\mathrm{lx}\right)}^2+{\left(\mathrm{ly}\right)}^2}}\sqrt{{(h-h_1)}^2+x^2+y^2}---\left(5\right)$

其中：

lx=d_i(h₂,θ_n+2)cos(θ_n+2)-d_i(h₁,θ_n)cos(θ_n)，ly=d_i(h₂,θ_n+2)sin(θ_n+2)-d_i(h₁,θ_n)sin(θ_n)，

x=d_i(h₂,θ_n+1)cos(θ_n+1)-d_i(h₁,θ_n)cos(θ_n)，y=d_i(h₂,θ_n+1)sin(θ_n+1)-d_i(h₁,θ_n)sin(θ_n)；

当测量了a次，方向的测量值就有a个，通过预测插值，可得到2a-1次测量方向，实际测量值和预测值交叉排列，上述下标n和n+2代表的是真实测量值，而n+1代表的是预测值。

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