CN1018076B - 采用多导管管材的钻杆和套管 - Google Patents

Abstract

采用多导管管材的一种改进钻杆。两组导管插入密封部件两端，一端是螺纹联接，另一端是可滑动安置。提供T型密封圈来确保管状导管和密封部件的密封啮合。一联接箍被用来将一钻杆外套管连接至密封部件的一端。一提升部件被用来将另一钻杆外套管连接至密封部件的另一端。密封部件的制作可允许导管有足够的强度，仅仅承受压力和压缩力。钻杆受的拉力和扭力全部由钻杆外套管、联接箍、密封部件和提升部件所应付。

Description

本发明概括地说涉及钻井作业，更具体地涉及采用多导管管材的钻杆钻地下孔、往多导管管材中注入高压和低压流体并同时监控井下参数以控制钻井或生产操作，从而达到最佳效率的方法和设备。

本申请是一申请案的部分继续再申请，原申请申请号730，831，申请日1985年5月6日，1987年8月4日获颁为美国专利4，683，944号，发明名称是“采用多导管管材的钻杆和套管”。美国专利4，683，944号所公开的全部内容，作为参考内容合并至本申请中。该美国专利已在中国申请专利申请号是87105650。

基本钻井作业多年来都一直保持不变，直到目前的情况下仍然是一连串连接起来的钻杆形成钻杆组，旋转着带动钻头转动，将岩层磨掉。在钻井过程中，需要测定各种钻井参数，例如钻井地层结构、钻井斜度、温度、酸碱度值等。由于钻杆组在许多情况下是在几千英尺的地下转动，因此要获得瞬时的井下资料历来是个老问题。

例如，当钻井人员了解地层结构特性时，钻井操作的效率最高。对诸如岩层、土层或液体层和气体层等不同类型的地层，往往希望能改变地面操作方式，以便有效处理当时钻头所遇到的地层类型。对钻头所侵蚀掉的地层钻屑，传统的处理方法是往钻杆中往下泵送流体，将钻屑通过钻杆组周围的环形空隙带到井口。钻屑上升到地面是需要相当长的一段时间的，因而检查这些钻屑是不能代表当时钻探中地层的可靠资料的。

已为公开技术的，例如埃伧堡的美国专利3，419，092号，采用了内外同心管式的双通道钻杆，往一个导管中往下泵送通气的钻井流体，以 此来降低钻头上的流体静压头，从而加速钻屑在另一钻杆导管中上移到地面的速度。采用这种方式，代表钻探中地层类型的钻屑就可以更快到达地面，于是可以根据情况改变钻井操作方式。尽管埃伧堡式钻杆的各种同心导管的流体转换过程并不太复杂，但从钻杆结构的实用角度考虑，这类导管的使用受到限制。

坎普等人的美国专利2，951，680号认为，可以采用非同心多导管钻杆来增加导管的数目。但为使流体转换，流体通道从导管到钻杆端的过渡是呈盘旋状进入普通的同心圆形通道中。结果，坎普等人的钻杆，虽然能使不同的流体转换入各导管中，但却使钻杆的制造过程复杂化，因而造价高。

熟悉本专业的人士都承认采用多导管钻杆具有一定的优点，但这种钻杆得不到广泛的应用是有其一系列原因的。将这种钻杆连接在一起遇到的一个缺点是将一钻杆的导管密封到另一钻杆导管的方式。普通密封装置有O形环或V形密封环（美国专利2，951，680）或传统的密封（美国专利3，077，358）。所采用的密封类型和使用密封的方式使密封所能承受的流体压力通常都在528公斤/平方厘米压力。

过去有人提出过采用钻杆中心孔作为安置导线的小室。美国专利2，795，397和3，904，840就介绍了这种实例。但按照这种作法，导线的绝缘会受到钻井液的侵蚀，不然就得使用价昂的防护装置。

在载送流体的孔中因采用导线而产生的问题，是将各段导线连在一起的电气连接器与流体隔离开来的问题。为解决这个问题，人们曾求助于复杂和特殊的技术。在那种需要将一段钻杆进行转动藉螺纹固定到另一段钻杆的形式中，各导线从一个钻杆连接到另一个钻杆的情况更恶化了，这使问题变得更为复杂。在美国专利2，798，358中，这一点是通过留出足够的电缆长度解决的，这样电缆就可与钻杆一道扭在一起。在其它情况下，即美国专利3，879，097中，电缆除两端是取道钻杆侧壁接到 钻杆各端的环形接点之外，大部分是沿其长度在中心孔中载送的。显然，采用这种技术限制了导线的数目。

目前在钻杆各端将多根导线连接在一起的配置实例有美国专利2，750，569所介绍的那一种。在该专利中，电缆通过流体载送孔走道。这使电缆和接头易受钻井液的腐蚀或侵蚀。

即使钻井作业完成之后，从矿井管理出发，也需要在生产阶段监控井下诸参数。迄今，普通钻井套管对井孔来说是高度完善的，但在导线、气体或液体（往上泵送的流体除外）的输送通道方面，装备极差。作为临时措施，历来是将遥测导线用金属或塑料带固定到套管外周边，在井下一直延伸到遥测设备上。还有一种公知的作法是在套管外部设附加管道，以便送空气压力，以形成人造的提升井孔。

因此就需要有一个多导管钻井套管，供泵送生产过程中的流体，以及容纳遥测导线和载送溶剂、防冻溶液和许多其它流体的附加导管。

因此本发明的目的在于提供一种用于地下地层钻探的钻杆，其由分离的组件构成，使各组件分别承受不同的外力，这样各组件可以降低强度要求进行制造。

本发明的目的还在于提供一种高压多导管钻杆，钻杆的导管数不受限制，钻杆的结构或制造过程也不过分复杂或造价过高。并改进各钻杆的导管之间的密封联接。

本发明的目的还在于提供一种能监控井下钻进作业的钻杆，其能即时将其结果传送到井口，并使传送导体与钻杆以这样的方式结合起来，不致严重损害钻杆载送流体的能力。

本发明的进一步的目的在于提供一种设备，可将通过若干完全相同的导管的独特钻杆中的许多高压和低压流体进行转换，并将电气信号或电力往井下传输到传感器，以收集有关地下地层资料。

根据本发明的一种用于地下地层钻探的钻杆，包括有：

一外套管，两端有联接螺纹，用于和另一相同的钻杆连接，至少有一个管状导管在上述外套管内活动，上述导管被用来运载压力流体通过;其特征在于还包括：一联接装置，用于将一上述外套管联接至其它钻杆的另一相同外套管上，联接装置还具有装置，用于从一上述外套管至另一外套管传递扭矩和拉伸载荷，还具有装置，用于在上述外套管内支承上述导管的端部，从而防止拉伸载荷通过所述导管的传递，以及用于将上述导管密封至在上述另一相同外套管内的另一相同导管的装置，其为运载的压力流体提供一连续的密封的套管，借此，上述外套管被用来承受与之相连的钻杆的扭力和拉伸力载荷。

根据本发明的利用多导管管材的另一种改进钻杆，包括有：一外套管，具有第一和第二端部;一中心导管，安置在上述外套管内，其特征在于：所述中心导管具有比上述外套管稍长的长度，因而从上述外套管的第一和第二端部伸出;一组径向导管，安置在上述外套管内，具有比上述外套管稍长但比上述中心导管稍短的长度，并安置于上述外套管和上述中心导管之间;一密封部件，具有第一和第二端部，其制作与安置使得其密封地容纳和支承上述中心导管和上述径向导管;一联接箍，用于连接上述外套管至上述密封部件;一提升部件，用于连接上述密封部件至另一相同外套管，使得上述径向导管和上述中心导管被上述密封部件密封，该密封部件依次在其一端由上述联接箍连接至上述外套管，其另一端连接至上述提升部件。

本发明提供的是这样一种整个横截面均匀因而可用挤压法进行制造的多导管钻杆。在横截面上，该钻杆有一个筒形外壁，和一个界定着中心孔的筒形内壁，和位于内外壁之间的多根其它导管。本发明最好的形式中，钻杆有一外套管，被联接装置联接至钻杆组中相同的另一外套管上，用来传递转矩，并提供抗拉强度悬挂深入地层很深的钻杆组。在外 套管内支持着的一组内管，包括数个径向管子，围绕着一较大的中心管了。上述内管不承受拉力或扭力，相反却承受管内运载流体的压力或突发压力。各内管在其端部由一密封部件所支承，该密封部件固定在外套管上。一伸缩密封装置提供在各内管的一端和联接装置之间，以允许在拉伸负荷下外套管拉长一些，而不会导致内管的拉伸。内管的另一端螺纹拧入联接装置内，该联接装置固定在外套管的另一端。

其中一个导管装有电气导线，在各钻杆端部导管中固定有一个连接器。由于一般可能希望不同的流体或电气线路占用各种不同的导管，因此在各钻杆的相对两端设有一个指示凸耳和一个指示凹口，使得各钻杆的各导管连接在一起时能保持在一直线上。除指示凸耳和凹口外，各钻杆还设有各种不同的凸耳和凹口，用以该钻杆驱动其它钻杆。

本发明设有一种有通道的密封件，密封件横截面的形状与钻杆的一样，其中一个通道装有中间电气接头，用以将各钻杆的电气线路连接在一起。密封件各边有一个弹性体，在各钻杆连接起来时确保各导管之间高压的完善性。

根据本发明的另一个方面，各钻杆和其间的密封件藉一个带螺纹的联接环连接在一起的，联接环的一端有直径均匀的内螺纹，另一端也有直径均匀的内螺纹，但这些联接环各端都具有不同的直径和螺纹距。钻杆部分各端都具有直径和螺距与联接环相对应的螺纹。这使各钻杆可借助于局部螺纹作用联接在一起，该螺纹作用也使相邻钻杆之间的密封件受挤压而密封啮合。

根据本发明的另一特点，来自各自的流体源的多种流体是用一种流体转换器转换到各种钻杆导管的，该流体转换器有一个轴，在连接着各不同流体源的管汇中转动着。该筒形轴具有内部通道，各个对应于各钻杆的导管。各转换器轴通道也通向轴筒形边上的进口孔。流体在各种进口孔周围的通路（该孔口沿转换器轴轴向间隔配置）中，在管汇中有若 干相应的环形槽。各转换器轴通道即通过其管汇槽连接到一个流体源上。有了这种配置方式，各种钻杆导管就可与某一选定的流体源不中断地连通。

就本发明的有关特点而言，流体源转换器轴与钻杆组的连接是通过一个将各转换器轴通道（从而流体源）连接到其中一个所选定的钻杆导管。这样，手头就可以有许多管接头，可将它们彼此互换，以通过转换器轴将各种流体源连接到钻杆柱中一根所想使用的导管中。

就本发明的另一方面而言，鹅颈旋转头的套筒部分有一个套筒轴，套筒轴有一个电气连接器，作为钻杆电气导线的终端接头。数量与钻杆中承载的导线相当的滑环配置在套筒轴周围，各滑环则连接到钻杆中的一根导线上。静止电刷装置与各滑环接触，并将井下的电气响应信号传送到地面的监控设备。

如上所述，这样一种经过改进的钻井法是可能实现的，在该方法中，诸高压流体可分别注入一根或多根钻杆导管中，以便，例如，同时侵蚀地层、清洗和冷却钻头或钻头路径，同时将其它各导管中的其它低压流体在井下与其它各导管中的气体混合，以降低井下的流体静压力。同时，钻头或钻杆各传感器可以将有关温度、压力、倾斜度等信息传送到地面的监控设备，于是就可以即时应用这些信息改变钻井操作。

本发明极其重要的一个类似特点是用了多导管钻井套管，这种套管使钻杆具有多种特性，其中包括可容纳大量生产流体通常较大的中心孔，它能监控许多井下参数，能在各种压力下同时往井下注入流体和溶液，使矿井达到最佳的生产率，这一切都提高了矿井的管理水平。

现在结合附图参照下列说明更详细介绍本发明的结构和操作方式。附图中：

图1是实现本发明各方面和特点所采用的井口和井下设备的总示意图;

图2是两钻杆联接在一起的部分侧视图，其中有一部分剖开，以显示各钻杆与联接套筒之间螺纹的连接情况;

图3a是沿图2的3-3线截取的多导管管材的横向剖视图。

图3b是多导管管材另一种可供选择的实施例的横向剖视图，展示诸圆形周边导管沿周边围绕中心导管配置的情况;

图3c是空心管的另一个实施例的横向剖视图，展示了一个外管、一个形成中心导管的内管和多个形成导管的其它管沿周边围绕中心内管配置的情况。

图3d是多导管管材的另一个实施例的横向剖视图，展示了占据图3b中的钻杆的一个导管的一组导管。

图4是从图2的4-4线截取的联接好的多导管管材的横向剖视图;

图5是其中装有一个中间电气连接器的管形密封件的立体图;

图6是在连接着的诸管材的交界处的横向剖视图，展示了密封和中间电气连接器;

图7是装有电气导线、连接器和接点连接好的管形导管的纵向剖视图;

图8至10是分别沿图7中的8-8线、9-9线和10-10线截取的横向剖视图;

图11是准备与密封件连接的管形端部部分的部件分解立体图;

图12是钻井井架一个实施例的正视图，展示鹅颈旋转头和悬挂附设在其上的钻杆;

图13的鹅颈旋转头的横向侧视图，展示了在套管部分的流体和电气转换器连同钻杆传动设备的配置情况;

图14是流体分配管汇和转换器的立体图，管汇有四分之一部分被剖开，以展示轴进口孔与管汇环形槽中有流体传送时的情况;

图15是图14管接头的底视图，展示了两个或多个钻杆导管可与单个 转换轴通道公用的情况;

图16是流体转换器的横向剖面侧视图，展示了管汇环形槽与各自各种轴进口孔连接，和通过各轴通道连接到套管部分的情况;

图17是套筒轴上电气滑环的示意图，其中显示了给钻杆或从钻杆传送电气信号用的相应电刷;

图18是通过传感器室截取的钻井套管短头终端端部的部分横向剖视图。

图19是改进的钻杆套管装置已完全装配后的立体图;

图20是图19的联接装置部分装配后的立体图;

图21是图19的改进的联接装置的部分切开的剖面图;

现在参看附图。图1是本发明的方法和设备的概况。如图所示，本发明包括总的以编号10表示的多导管钻杆，该钻杆由多流体鹅颈旋转头12驱动。钻头14可以是多种多样能买到的磨蚀地下地层16钻井用的钻头。

钻头14中可采用诸如温度传感器18或酸碱度传感器20等各种井下传感器，用以收集井下数据并通过钻杆导线（图1中未示出）将数据传送到地面的监控设备。必要时还可设电源25给钻头传感器和井下电气器具的控制器供电。

液泵24给鹅颈旋转头中的流体转换器26供应高压或低压流体。还可以采用类似的其它泵。这样，各种流体可以相同或不同的压力泵送到井下，以将钻井技术提高到前所未有的水平。压缩机28以类似的方式给流体转换器26供应氮气之类的气体，在其中分配到钻杆中所要分配的导管中。当采用钻杆的中心导管32作为在液体或气体中往上载送地层钻屑用的通道时，钻屑由鹅颈软管34载送到旋流分离器36，由该分离器有效地从回流的钻井流体中分离出来。液泵38也连接到鹅颈软管上，以将流体从一个流体源（图中未示出）通过中心导管32往下泵送，来进行钻井或者抵消因井内发生井喷而在导管中产生的任何不希望有的流体流。泵38 还可用以往井下泵送水泥或其它密封料以密封钻井。阀40在泵38启动时自动关闭，使所泵送的物料不致进入分离器36。

视乎所想使用的钻井方法，可设置压井喷管线泵42，将钻井流体往下泵入钻井的环形空隙44。环形蓄压器46使井中环形流体的压力保持在规定值。

从以上的介绍可以看出，本发明提供了根据现有条件使钻井操作最佳化的各种可供选择的方案。从下面论述中可以更清楚地看到，本发明提供了一种前所未有的先进技术。

现在参看图2。从图中可看到联接好的管段，特别是构成部分钻杆组的钻杆，更具体地说，钻杆端部部分连接的方式。图2所展示的是钻杆的情况，其中，多根导管（其中之一的编号30）一致通过钻杆，因而一致通过将钻杆50与另一钻杆52连接在一起的钻杆接头48中。这种导管30，尽管在图2所示的钻杆的镦粗部分54和56为满足强度和密封要求在直径方面略为大些，但事实上是直线性的。

从图3a多导管材的横剖面图可以更清楚地看到钻杆50的情况。从多方面的适应性的观点出发，在钻杆中设置多根导管在实际应用中极为重要，所有这些导管个个都是呈直线性，可以相互连接起来往井下供应任意预定量的液体或气体;各液体或汽体彼此隔离开来，因而可以按不同的压力大小和流量供应。为此，本发明值得推荐的方案中提出了一种钻杆，该钻杆有一个外侧壁58和一个同心内侧壁60，构成中心导管62，大部分流体（可选择而不是必需）即通过导管62泵送的。各种纵向导管30介在内侧壁60和外侧壁58之间，形成内外侧壁之间的纵向环形通道径向隔板64将该环形通道分成若干独立的导管30。因此各导管30整个横截面呈梯形，其弧形边彼此平行。

采用这种结构极其有利的一点是钻杆或钻井套管可用挤压法用铝制成，其加厚部分用钢制成，或全部用优质钢制成。当然还可采用图3a以 外的导管构型以满足个别要求。例如图3b是另一种可供选择的多导管管材的形式。该管具有外侧壁66和内侧壁68，中心导管62也以内侧壁68为界。但在这种形式中，在内侧壁68和外侧壁66之间，围绕中心导管62等间距配置有横截面呈圆形的一系列导管70。这种形式的管材制造起来很方便，可将管材在一端立起来竖向钻通各导管。

图3c是与图3b类似的多导管管材的另一个形式，只是它由大管72构成，大管外壁构成外侧壁，较小管74构成中心导管62。在大管72和小管74之间沿圆周配置有若干直径较小的管76。因此各管子在其两端焊接至毗邻管上。

图3d是由3b改进的管材。在周边上具有若干圆形导管70的管材中插入有一个筒形多通道插件78，用焊接之类的方法固定。插件78有一个中心轴向通道80，周边有若干通道82，这一切都有效地增加了管材中导管的数目，尽管直径减小了。

因此可以看出，本发明提供了一种易于制造的管材，在管材的整个长度上敷设有多根一致的独立导管。下面即将详细介绍如何真正利用这类导管来使钻井或生产操作达到最佳化。

再参看图2。多导管管材是采用带螺纹的联接箍84彼此连接在一起的。这样连接时，密封件86保证了各导管压力的保持，这些也将在下面详细介绍。钻杆50的端部与钻杆52的端部是通过外螺纹88和90与联接箍内螺纹92和94之间不同的螺纹作用相联接，而螺纹88和90具有不同的螺距。例如，图2中所示钻杆50的一端每厘米可以有1.6个螺纹88（螺距为0.6厘米），图中管52的一端每厘米可以有2个螺纹90（螺距为0.5厘米）。联接箍84的套丝情况类似，它具有粗螺纹92，用以与钻杆端50上相应的螺纹接合，在另一个联接箍端具有细螺纹94（每厘米2扣），用以与钻杆52各自的细螺纹接合。应该指出的是，联接箍84与钻杆50和52的细螺纹94和90以及粗螺纹92和88在各自有螺纹的部分都是直径一致的螺 纹。但钻杆50的粗螺纹88的直径大于钻杆52端部细螺纹90的直径。联接箍84螺纹的直径类似。螺纹直径不同的这种情况使联接箍84可以从钻杆50上松扣卸到钻杆52上而不致使联接箍84的粗螺纹92与钻杆52的细螺纹90接合。这样，联接箍84就可以下到钻杆52上，直到它靠在止动凸缘96上为止。

进一步参照图2，根据本发明是将钻杆50和52的端部在使其可用螺纹进行联接之前彼此接合在一起，使驱动转矩可以从一个钻杆传到下一个钻杆上。这样，钻杆柱的驱动转矩并不是借助带螺纹的联接箍84传递的。因此带螺纹的联接箍84和钻杆端部不需要普通的锥形阴螺纹和带阳螺纹的钻杆接头来传递转矩，这种螺纹需用价昂的切丝板牙。

图4是若干座落在各自的驱动凹口102的驱动凸耳100使所联接的钻杆彼此接合起来的示意图。参看图11，这是带导管的钻杆103和105连同其电气导线110的示意图。从图中可以清楚地看到在钻杆105上若干驱动凸耳100和在钻杆103端部的驱动凹口102（虚线所示）。钻杆103和105之间的相互接合实质上是驱动凸耳的100与诸凹口102的交错配置。

钻杆105的一个凸耳104与钻杆103的各凹口106，它们的大小与其它驱动凸耳100及驱动凹口102的不一样。具体地说，凸耳104是一个指示凸耳，它与指示凹口106一起使钻杆105可按预定所希望的弧形或旋转校准方式连接在一起。根据本发明，钻杆柱各钻杆之间的弧形校准最重要，因为需要在整个钻杆组保持各钻杆导管都在一直线上。此外，保持各钻杆（例如103和105）处于特定的弧形校准状态甚至更为重要，因为有一个导管（电气导管108）中装有将诸信号和电能供应给井下各传感器和将信号往上从诸传感器或器具供应到地面设备的电气导线。这里“信号”一词也包括来自诸如交流或直流电源之类的电能。

因此可见，不仅载送流体各导管之间需要保持成一直线，而且需要 进行特别校准是因为这些导管有一个（导管108）是装有电气导线的。可以理解，在需要用钻杆的各导管传送流体时，只需要加设驱动凸耳100和驱动凹口102即可使整个导管（不是个别导管）保持在一直线上。可以预料，在某些情况下可在一个以上的导管中装设电气导线。

如上所述，在钻井作业中能即时从井下诸传感器（例如18和20）收到电气信号，且能以闭合环路的方式工作，有助于改进钻井作业，使其达到最佳状态。从图7至10中可以看到，钻杆103的电气导管108载有三根电气导线110，在夹具112中装在一起。夹具112最好配有特氟隆或基内尔等结实耐久的材料制成的盖，使得在钻井过程中夹具112与导管108内表面114之间的任何摩擦运动不致引起电气短路。

各电气导线110接到钻杆端部的终端接线板116上，接线板有三个导线端子118及其有关的销式接点120。各电气导线钎焊到是各自的销式接点120的端子118上。在钻杆各端的接线板116可以粘接或密封在电气导管108中，或用其它适当构件（图中未示出）固定在其中。

为使一个钻杆与其它钻杆各自的诸导管之间在电气上和流体通路上保持连通，装设了一个密封件86，如图5所示。密封件86是扁平的，其横截面与图示钻杆的横截面类似。详细地说，图5密封件的横截面与图3a管材实施例的类似，制成钢质带密封垫的盘形垫圈，安置在各钻杆端部之间。根据下面的介绍，熟悉本专业的人士是能制造出与图3b至3d的管材配用的导管密封件的。如图5所示，密封件86有一个中心通孔122，周边上等间距配置周边通孔124。其中一个通孔中固定有一个插座式中间电气连接器126，如图5至图7所示。中间连接器126各端有若干插座式接点128，钻杆接线板116的销式接点120即可借助摩擦力插入插座式接点128中，确保钻杆与钻杆之间高质量的电气连接。此外，插座式接点128和销式接点120都镀金或其它合适材料，以防遇到钻井环境中普通存在的氧化作用的影响。

中间连接器126与钻杆接线板116一样，可粘接或固定到密封件86中。作为另一种选择，中间连接器126也可设安装构件，使连接器可以“浮置”在密封件86中。这样可以使中间连接器126在密封86中有某种程度横向移动的余地，以适应校准对齐了的各钻杆之间在尺寸上存在的小差别。

密封件86和中间连接器126的加设，是本发明与普通钻杆电气连接方面的不同点。中间连接器126具有很大的实际优点，它可以使钻杆端部配备销式接点型接线板116。有了这种对称配置方式，密封件86无需正面朝上取向，只要将中间连接器126的任一端与任一钻杆端部接触即可快速安装。此外，典型钻杆的制造过程也简化了，只需在各钻杆端部的电气导管中安装一个销式接线板116即可。

重要的一点是，密封件86具有橡皮或弹性体密封或衬垫装置130，围绕各周边通孔124（包括中心通道孔122）配置。在密封件86值得推荐的形式中，密封件86各正面开有沟槽132，确定着毗邻的周边通孔和中心通孔124和122的界限范围。为便于制造密封件86和弹性体垫圈130，毗邻各通孔之间的沟槽132是公用的，从而使弹性体垫圈130制成一个整体。从图6可以看出，当联接箍84将钻杆103和105连结在一起并牢固联接时，弹性体垫圈130紧紧被压入其沟槽中起高度密封作用，确保各流体导管与电气导管之间压力的完善性。这种密封方式可以使相邻各导管之间维持3519公斤/平方厘米的朝上压差。这种密封装置比O形环或V形密封环更先进，后者只能承受约528公斤/平方厘米的朝上压差。为一目了然起见，图6中没有画出电气导管各端中的电气接线板116。

从图11中可以看出本发明钻杆的另一个优点。如图11中所示，联接箍84靠在止动凸缘96上（图中未示出）。联接箍84具有这样的长度，当它完全退到钻杆105上时，其终端边缘至少与凸耳的终端边缘136齐平， 因而这种凸耳在储存和搬运过程中不易破碎或损坏。为了同样的目的，而且为了减少易损坏的弱点，配套钻杆103的终端周围设有连续的圆柱形边缘138，连同在其内侧表面上的驱动凹口102和指示凹口106。这样，由于边缘138是连续的，因而这种钻杆103的终端不易受损伤，这是我们所迫切希望的;因为可以看出，当凸耳100和104或凹口102和106损坏严重时，整个钻杆就变得不安全。

根据上述说明，不难理解，许多钻杆可以快速而轻易地联接在一起，使其达到所希望的弧形校准状态，在整个钻杆柱上保持其各流体通道和电气导管处于完善状态。

从图12和图13中可以看出本发明的一个重要特点。图12和13的钻井作业用以将流体和电气信号传送到钻杆组和从钻杆组传输至地面设备。起重设备140悬挂在连接到井架框架144的缆绳142上，将鹅颈旋转头12固定吊在井口上方（图中未示出）。缆绳卷扬装置（图中未示出）用以在井孔中粗调钻杆组，从而粗调钻头压重。转矩止动缆绳148防止鹅颈旋转头12与最顶的钻杆150一起转动。

鹅颈旋转头12在井口上方的竖向细调是借助于一对将套筒154和鹅颈旋转头12的冲管156部分支撑到起重设备140上的气液缸152进行。如图13所示，液压缸152各个都具有一个活塞158，安置在部分充油的油缸160中，用以保持所希望的钻头荷重。各活塞158周围有环形密封件162，使活塞158。与油缸160之间保持密封，并使油面保持在活塞158上方，与活塞158下方的大气压隔离开来。软管164将各液压缸152的上部分联接到上方有气体的油源（图中未示出）。不难理解，油源中的高气体压力减轻了钻头的荷重。各液压缸152的活塞杆166通过肘节168接到起重设备140上。各种流体通过图12的高压软管170、172和174联接到鹅颈旋转头12上。鹅颈旋转头顶上的高压软管176使流体可以往下沿钻杆150的中心孔泵送或从该中心孔内抽出。

钻杆组的电动机传动装置、井口处的防喷器等元件，对本发明的关系不大，它们的存在和应用是熟悉本专业的人士所熟知的，因而这类钻井作业常用的元件在本说明和附图中都从略。

图13的鹅颈旋转头12主要由套筒部分154、冲管156和流体转换器182组成，套筒部分154则包括套筒轴178，其底端用管形联接箍180连接到最顶的钻杆150。管接头184可以有效地将流体转换器182联接到套筒轴178上。管接头184和套筒轴178里面都具有流体通道，用以将所希望的流体传送到其中若干钻杆导管中。下面将更详细介绍各种流体转换到所希望的各钻杆导管的方式。

鹅颈旋转头12还包括电气转换器186，用以在钻杆组转动时保持通往各钻杆组导线的电气连接。套筒轴178由一个用花键接合到其上的齿轮188通过液压马达或电动机（图中未示出）驱动。电动机传动装置装在框架190中，套筒178即通过框架190在轴承192、194和止推轴承195中转动。轴178还设有适当的油封。

流体转换器182的简化形式如图14所示，其中，转换器轴196可在流体管汇198中转动，并包括即将参照图16加以论述的高压密封。转换器196包括若干与想通过各种钻杆导管泵送的流体的数目相对应的进口孔200和202。为了示范，这里只画出接到流体转换器182的两个流体源。每个进口孔200和202在转换器轴196中都有流体通道204和206（虚线所示），这类通道在转换器轴196底端上都有一个出口。转换器轴196还有一个中心孔208，钻井流体等即通过中心孔208传送到钻杆150的中心导管62中。

接头184介于转换器轴196与套筒轴178之间，用销179及凹口181装置和销紧螺母183固定在转换器轴196与套筒轴178之间。图14是接头184的透视顶视示意图。接头184有一个与转换器轴中心孔208连通的中心孔210和两个与转换器轴通道204和206连通的通路212和 214。图15是接头184底边结构的示意图。在例示的套筒部分154的实施例中，是想把两种不同的流体往下泵送到各种钻杆导管中。因此在接头184的底边，在各通道通路214和212周围设有挖空区216和218。采取这种结构，通路214在将流体传送到三个相应的套筒轴导管224时，通路212就可以同时将流体传送到，例如，其它四个相应的套筒轴导管222。接头184上的无孔区22堵住了套筒轴178中剩下的导管226。

因此实质上转换器轴196的进口孔204可以把一种流体分配到四个毗邻的套筒导管222中，从而分配到四个相应的钻杆导管中。与此类似，进口孔202可用以将另一钻井流体分配到三个毗邻钻杆导管中。现在应该清楚，钻井现场可以设各种各样的接头用以将若干流体源的流体分配到若干钻杆导管中。这是借助使该部位范围或接头184底部的挖凹部分具有不同的形状付诸实施的。

此外，钻井操作员还可以从本发明的教导发现，可以采用两个以上压力不同的流体源来使钻井操作达到最佳状态。在该情况下，从本发明的介绍可以清楚地了解到改善三个或四个进口孔转换器以便往各钻杆导管中分配同样数目的不同流体的方法。

在图14和16中可以更详地看到，流体管汇198具有进口通道230和232，在外侧连接到各自的流体源，在内侧借助于一对环形沟槽234和236连接到转换器轴进口孔200和202。因此，进口孔200在其各自的环形沟槽234中转动时是不断有流体传送的。同样，进口孔202通过其环形沟槽236不断传送另一种流体。

由于流体转换器182承受的只是连接软管170至174（图12）强度所限制的流体压力，因此必须设置使各环形槽234和236与转动着的转换器轴196之间保持密封的特殊装置。图16中更详细画出的高压密封装置系用于鹅颈旋转头12的流体转换器182中，以便可以采用各种高压流体使井下钻井作业便于进行。转换器轴196的外表面敷有陶瓷材料240，使 在流体汇管198中的轴196具有结实而耐久的支撑表面。

各环形沟槽234和236周围有高压密封圈242，将流体管汇198与转换器轴196的陶瓷镶面240之间密封起来。低压密封243配置在轴196的另一端。高压密封242的一侧施加有高压控制流体，以抵消加到高压密封242另一侧的高压。这样就减少了高压密封242各侧的压差，从而减少了发生压力井喷的可能性。因此设了高压密封流体进口孔244（如图16所示），其作用是给各高压密封圈242的一侧提供高压流体，以平衡高压密封圈另一侧因高压钻井流体沿各钻井导管往下泵送所产生的压力。若干低压密封流体出口孔246是为将对高压密封242起匀衡作用的漏泄压力控制流体回流到一个储液槽（图中未示出）而设的。

转换器轴196中的中心孔208可按上述同样的高压法进行密封，这里不再重复。

不言而喻，根据上述介绍，本发明使钻井操作员可以有选择地往任意数目的不同钻杆导管中注入不同数目的特高压差的流体，并往井下设备加流体以便，例如，清洗或冷却钻头、往钻井液中通气或促进对地层的气蚀作用和侵蚀作用，或同时进行各项操作。

电气转换器（在图17中的编号为186）使钻杆中各转动着的导线110与地面监控设备22之间保持电气通路。钻杆电气导线110是从最顶的钻杆150联接，并通过套筒轴178底下相应的连接器（图中未示出）进行联接。套筒轴178中的电气导线的顶部也连接到连接器250，最后连接到图17中的连接器252。这里作为例子，在钻杆150中载有四根电气导线。四根相应的导线254、256、258和260都固定到终端接线盒262上。四根导线各个都从终端接线盒262接到各自的滑环264、266、268和270上。各滑环都由黄铜或其它适当的导电材料制成，它们固定在套筒轴178上，因而与套筒轴178一起转动。

这样，来自井下各传感器由各导线110载送的电气信号就出现在各 转动滑环264至270上。四个电刷272、274、276和278固定压着在各自的滑环上，使其具有良好的电接触。各电刷是静止的，各个用电刷架压在滑环上，如图中编号280所示。各电刷架固定在支座282上，支座282又固定到鹅颈旋转头框架上。在支座282中，各导线，例如284，系连接到各电刷278上，将电气信号载送到监控设备上。电气转换器186罩有保护罩（图中未示出），以防止滑环暴露在钻井恶劣的环境中。

因此可见本发明设有若干电气导线110沿钻杆组走线一直通到井下设备。地面监控设备22即刻可以收到来自井下设备的电气信号，从而可以根据信号采取行动。

图19显示一钻杆组的一部分，包括一上钻杆596的底端，和一下钻杆598的顶端，而完全装配好的联接组合，以标号600标注。当然，典型的钻杆组包括了更多的钻杆和联接装置。联接组合600包括一联接箍638，一密封部件644，一提升部件682，用于将本发明的多导管钻杆596和598联接起来。将在下面更详细介绍的，各个钻杆的底端含有一开孔700，用来将钻杆的外套管内外流体压力平衡。

图20显示了钻杆的两端，并且联接组合600分为两个主要组成部分：第一端部组合610和第二端部组合612。图20说明了钻杆将完全装配，已准备在钻井工地使用。与图21比较，图19和图20比例缩小，方便于进行介绍。

图21显示了本发明的多导管钻杆的细节，其联接组合600已拆开成各个部件。各钻杆596和598包括管状的外套管614和616。在图21更可看到，上钻杆596的外套管614，在其底端622有外螺纹618。下钻杆598的外套管616，在其顶端624有外螺纹620。可以意识到，显示了已介绍过的顶端624和底端622的两钻杆596和598，其构造是相同的。

由上钻杆596的外套管614所包围的，是一组径向导管626和一中 心导管628。径向导管626被安排成圆周地围绕中心导管628。也可以看到，有一组相同的径向导管630和中心导管632，被下钻杆598的外套管616所包围，并从外套管616伸出。径向导管626和中心导管628的底端是平整无螺纹的端部，反之，径向导管630和中心导管632的顶端分别有外螺纹634和636。中心导管628和632制作的比径向导管626和630更长。同样，径向导管626和630制作的比外套管614和616更长。

联接箍638被设计固定在外套管614，使联接箍638螺纹联接至下端部622，因此，使用了外套管的螺纹618和联接箍的内螺纹640。联接箍638也有反向内螺纹，与密封部件644的反向外螺纹配合，用于将联接箍638螺纹连接固定在密封部件644。在与螺纹646形成的一端相对的一端，密封部件644也有外螺纹648。螺纹648是右螺纹，并且是自密封型。

密封部件644的外径和内径，限定了厚侧壁650和中心孔654。中心孔654被制作，在孔内收留上钻杆596的中心导管628和下钻杆598的中心导管632。一组径向地安排的通道656，在厚侧壁650内轴向地形成。通道656是径向地安排并间隔开，来在通道内容纳上、下径向导管626和630。

在中心孔654内，密封部件644形成有内螺纹658，同时，在通道656内，形成有内螺纹660。在相对一端，中心孔654和通道656都没有螺纹形成。

各径向通道656构成有直径加大部分662，允许径向导管626在其内自由滑动。通道部分663连接有密封件的通道端和有螺纹的通道端，提供个别的流体通道穿过密封部件644。加大部分662被形成，以允许径向导管626在密封部件644内可伸缩地轴向滑动，以响应施加在外套管614的任何促使套管伸长的拉伸力而移动。密封部件644的中心孔 654，有直径加大部分664，类似于径向通道656的直径加大部分662，对应于上面提到的外套管614拉伸力，允许中心导管在其内可滑动地收缩，可作轴向移动。

径向通道656的各端提供有内环形槽666和668，用于其内收留T型密封圈（图中未示）。中心孔654也同样提供有内环槽670和672，也用于收留T型密封圈，其中之一如槽670内的密封圈674。全部T型密封圈提供有保护垫圈，如T型圈674上的圈676，防止T型密封圈的移动，这移动是中心导管628或径向导管626相对密封部件644作任何伸缩的轴向移动期间发生的。径向通道656和中心孔654都分别提供有密封表面678和680，致使当拉伸力作用在外套管614和616时，径向导管626和中心导管628仍和各自的T型密封圈保持密封的接触。密封表面678和680，相对加大部分662和654有减小的直径，用于啮合各自的径向导管和中心导管，来响应径向膨胀，那是由于管内运载了高压的液体造成的。密封表面678和680的作用是保留住T型密封环，并且当径向导管或中心导管相对T型密封圈径向膨胀和伸缩移动时，防止T型密封环跟随流动。

重要的是，与T型密封圈啮合的径向导管626和中心导管628的外表面部分，应抛光或光滑制作，致使与T型圈提供高级的密封。同样的方式，密封表面678和680经过精密的机加工或光滑制作，防止发生擦伤，是径向导管626擦伤或者是中心导管628擦伤，当时一部件相对其它各部件轴向移动。当径向导管626和中心导管628运送高压流体和它们由于钻杆深入地层很深并由于自重拉长而在T型密封圈内伸缩地滑动时，这点是很重要的。径向导管630和中心导管632有螺纹一端的部分，经过稍稍的抛光，为位于密封部件644底部形成的环状槽内的T型圈提供密封表面。所有T型密封环和保护垫圈的类型都是现有技术中已知的产品，举例来说，是肯塔基州列克星敦市派克密封件公司的产品。

提升部件682被制作用来将密封部件644，螺纹联接至下钻杆598的外套管616的顶端。提升部件682有环形凹部684在其外表面形成，有利于上钻杆596往下钻杆598的联接（见图20）。当钻杆组加多钻杆时，多个环形凹部可被用来协组钻杆组的自动指示和定位。提升部件682有内螺纹686用于联接至密封部件644，而另一内螺纹688用于联接至下钻杆598的外套管616的顶部。内螺纹686和688都是自密封型。

根据本发明的一重要特点，提升部件682的凹入的区域684和下端边棱689，提供了下钻杆598的特别区域，它可被自动的悬挂提升设备啮合，将钻杆组在予先确定的垂直位置反复地定位。以这样的方式，当需要将增加的钻杆段联接至钻杆组时，自动设备可被采用，将钻杆组定位，对准上面的增加钻杆，并将两者紧固在一起。钻杆组装卸设备，例如卡盘，可用来抓住钻杆套管616和防止它滑动，这是由于与提升部件端棱689啮合所致。当用上多个环形凹部684时，其中一个凹部可被卡盘设备所夹紧。这一特点，允许自动化钻井操作，因此减少伤人的事故发生，同时提高钻杆装卸效率。

根据本发明的另一特点，一个或更多的径向导管626可被设计用来收留电气导线。如在图20中清楚看到，径向导管690是一个比其他径向导管626直径更小的导管。径向导管690可被用来放置电线或电缆，并且其较小的口径也可被用来指示一钻杆和其它钻杆的连接。插销和插座型的电气连接器（未图示），利于电气连接，在连接钻杆之间进行导线连接。

外套管614被穿孔，形成一流体开口700，如图19所示，将保证套管614内、外流体压力的平衡。各钻杆外套管同样地制作，为了这样的压力平衡。有了压力平衡，外套管614和616、联接箍638、密封部件644和提升部件682，可由高强度钢制作，并只承受拉力和扭力。由于使用了平衡开口，外套管614和616不需承受压力和突发压力。钢材具 有的拉伸强度达100，000磅，它适于制作本发明的钻杆。在另一方面，径向导管626、630和中心导管628、632的制作，只应承受压力和突发压力。由于径向导管626和中心导管628在各自的T型密封圈内伸缩地移动，它们不承受扭力和拉力。因此，本发明的钻杆由分离的组件构成，使一组件承受扭力和拉力，同时另一组件承受压力和突发压力。各个组件可降低强度要求进行制作，因各个组件不承受所有的四种力。位于各钻杆底部的开孔700便利于井喷防止器的使用，用于封闭钻杆和环状井壁间隙。

本发明的钻杆的装配过程，第一步是将中心导管632固定在密封部件644的内螺纹部分658。其次，将径向导管630螺纹联接至螺纹孔656内，该螺纹孔是在密封部件厚侧壁650内形成。当要求有指示时，或当采用不同尺寸的径向导管时，一定尺寸的导管为钻杆提供所希望的角度指示。一旦全部导管固定在密封部件644上，提升部件682螺纹固定在密封部件644。然后，下钻杆598的外套管616滑套在径向导管630，并且螺纹固定在提升部件682。依靠这些步骤完成了下钻杆598的顶部的装配，如图20中所示。

当将钻杆联接在一起时，上钻杆596的中心导管被插入密封部件644的中心孔654，然后，径向导管626被转动至合适指示，匹配下钻杆598的径向导管630。联接箍638随后螺纹联接至密封部件644。由于螺纹642和646反向的设计，联接箍638的转动拉动外套管614朝向密封部件644，这样将径向导管626和中心导管628完全插入密封部件644上的相应通道和开孔。如图19所示，钻杆现有完全装配好。

概括地，前面介绍了本发明的优点，采用了多导管管材作为钻杆或作为钻井套管。由于一组导管可在井孔的底部提供变化的接近通道，因此大量的井下参数可被检测，通过各种流体导管，使工具的操作和钻井的整个钻探和生产，可更高效率地进行管理。

虽然本发明的方法和设备的最佳实例，已对其管材、导管、联接箍和类似件，加于公开，应认识到，可作为技术选择进行更改，而不脱离如随后权利要求所限定的本发明的范围。实际上，本领域的专业人员会提出建议，例如将本发明的分特点交叉地运用于钻杆、密封部件或钻头，并按照本发明他们将发现易于实现上述选择。同时，并不需要采用公开的全部优点，都用于一混合管材内，以便实现它们个别的优点。此外，本发明的范围并不受在此公开的另件所限制，却符合权利要求的完整范围，权利要求包含了所有等效的设备和方法。

Claims (21)

1、一种用于地下地层钻探的钻杆，包括有：

一外套管，两端有联接螺纹，用于和另一相同的钻杆连接，

至少有一个管状导管在上述外套管内活动，上述导管被用来运载压力流体通过；

其特征在于，还包括：

一联接装置，用于将一上述外套管联接至其它钻杆的另一相同外套管上，联接装置还具有装置，用于从一上述外套管至另一外套管传递扭矩和拉伸载荷，还具有装置，用于在上述外套管内支承上述导管的端部，从而防止拉伸载荷通过所述导管的传递，以及

用于将上述导管密封至在上述另一相同外套管内的另一相同导管的装置，其为运载的压力流体提供一连续的密封的套管，借此，上述外套管被用来承受与之相连的钻杆的扭力和拉伸力载荷。

2、根据权利要求1所述的钻杆，其特征是上述外套管被穿孔，因而平衡其内外压力。

3、根据权利要求1所述的钻杆，其特征是用于上述外套管之间传递载荷的上述装置包括有：

一联接箍，有第一和第二螺纹端部，上述端部的一端螺纹联接地固定至上述外套管;

一密封部件，有第一和第二螺纹端部，上述端部的一端螺纹联接地固定至上述联接箍;

一提升部件，有第一和第二螺纹端部，螺纹联接地固定至上述密封部件，并螺纹联接地固定至上述另一相同的外套管上。

4、根据权利要求1所述的钻杆，其特征是用于将上述导管密封至另一外套管内一相同导管的上述装置包括有：

一密封部件，具有至少一通孔，用于密封上述导管的一端，和用于密封上述相同导管的另一端;

上述通孔有环形槽，各用于容纳一弹性密封件。

5、根据权利要求4所述的钻杆，其特征是上述弹性密封件是T型密封圈。

6、根据权利要求5所述的钻杆，其特征是上述T型密封圈含有抗挤压垫圈。

7、根据权利要求3所述的钻杆，其特征是上述提升部件还包括一外环形凹部，便利钻杆的装卸，还有一端棱用于上述钻杆的定位。

8、利用多导管管材的一种改进钻杆，包括有：

一外套管，具有第一和第二端部;

一中心导管，安置在上述外套管内，

其特征在于：

所述中心导管具有比上述外套管稍长的长度，因而从上述外套管的第一和第二端部伸出;

一组径向导管，安置在上述外套管内，具有比上述外套管稍长但比上述中心导管稍短的长度，并安置于上述外套管和上述中心导管之间;

一密封部件，具有第一和第二端部，其制作与安置使得其密封地容纳和支承上述中心导管和上述径向导管;

一联接箍，用于连接上述外套管至上述密封部件;

一提升部件，用于连接上述密封部件至另一相同外套管，使得上述径向导管和上述中心导管被上述密封部件密封，该密封部件依次在其一端由上述联接箍连接至上述外套管，其另一端连接至上述提升部件。

9、根据权利要求8所述的改进钻杆，其特征是上述外套管被穿孔，因而平衡其内外压力。

10、根据权利要求8所述的改进钻杆，其特征是上述密封部件还包括有：

一圆柱体，具有一外径和一内径限定一厚侧壁;

一轴向中心孔，由上述内径口所形成，用于容纳上述中心导管;

一组径向通道，在上述厚侧壁内形成，用于容纳上述径向导管。

11、根据权利要求10所述的改进钻杆，其特征是上述中心孔和上述径向通道有密封装置，用于上述中心导管的一端和上述径向导管的一端与另一中心导管的另一端和另一组径向导管的另一端相互连接。

12、根据权利要求11所述的改进钻杆，其特征是，上述密封装置包括弹性密封件，该密封件插入在上述密封部件内形成的环形槽内。

13、根据权利要求12所述的改进钻杆，其特征是上述中心孔还包括一直径减小部分，其内有上述环形槽形成，上述直径减小部分起作用，防止上述弹性密封件的流动。

14、根据权利要求13所述的改进钻杆，其特征是上述直径减小部分有抛光表面，用于接合上述中心导管。

15、根据权利要求12所述的改进钻杆，其特征是各上述径向通道包括直径减小部分，其内有一环形槽形成，上述直径减小部分起作用，防止上述弹性密封件流动。

16、根据权利要求15所述的改进钻杆，其特征是各上述直径减小部分有抛光表面，接合各自的一个上述径向导管。

17、根据权利要求12所述的改进钻杆，其特征是上述弹性密封圈包括T型密封圈。

18、根据权利要求17的改进钻杆，其特征是上述T型密封圈包括抗挤压垫圈。

19、根据权利要求8的改进钻杆，其特征是上述提升部件还包括一外环形凹部，便利于钻杆的装卸，还有一端棱，用于上述钻杆的定位。

20、根据权利要求8所述的改进钻杆，其特征在于：

一密封部件用于在其一个端部内密封地容纳和以浮动的方式支承一组独立的管状导管，在其另一端部内密封地容纳和以固定的方式支承另一组独立的管状导管;

一联接箍，用于连接上述密封部件至上述第一钻杆;

一提升部件，用于连接上述密封部件至上述第二钻杆。

21、根据权利要求8所述的改进钻杆，其特征在于：

上述密封部件具有一中心孔，用于容纳上述中心导管;

上述密封组件，具有一组中空的管状通道，位于上述中心孔和上述密封部件的外表面之间;

上述密封部件，具有装置用来容纳上述中心导管和上述一组径向导管;

用来容纳上述中心导管和上述一组径向导管的上述装置，包括有：

上述密封部件的上述第一端部有可滑动装置，用于接受上述中心导管的上述第一端部和上述一组径向导管的上述第一端部;

上述密封部件的上述第二端部有螺纹装置，用于接受上述中心导管的上述第二端部和上述一组径向导管的上述第二端部;

上述提升部件，有外环形凹部;

各上述外套管被穿孔，以平衡上述外套管的内外压力;

上述密封部件的上述一组管状通道和上述管状中心孔，在其上述第一端部和第二端部有环形槽，用于容纳一T型密封圈;

上述T型密封圈被抗挤压垫圈所固定;

上述密封部件的上述一组管状通道和上述管状中心孔，具有环形隆起，位于上述环形槽和上述第二端部之间，而接近上述环形槽，中心导管的第二端螺纹联接地固定至密封部件的第二端，一组径向导管的第二端螺纹联接地固定在密封部件的第二端部，提升部件的第一端部被固定在密封部件的第二端，第一外套管滑过中心导管和径向导管，致使外套管的第二端部被固定在提升部件的第二端，联接箍的第一端被固定在第二外套管的第一端，致使径向导管的第一端和中心导管的第一端超越联接箍的第二端伸出，然后，中心导管的第一端插入密封部件的第一端内，第二外套管的第一端被转动致使径向导管的第一端完全对准密封部件的第一端，随后联接箍被转动，使得第二外套管的第一端压向密封部件的第一端，这样，将径向导管和中心导管的第一端插入它们在密封部件内的各自通道和中心孔内。

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