CN102003146A - 一种全液压扩眼器 - Google Patents

Abstract

一种全液压扩眼器，应用于油气勘探开发的钻井和扩眼作业领域。心轴活塞外壁为阶梯形柱体，心轴活塞下端螺纹连接有心轴短节；在心轴短节与壳体之间的环形空间内有圆环形密封限位环；在心轴短节的下端外壁套有心轴帽，在心轴帽阶梯中心孔内固定有主喷嘴和主喷嘴压盖；心轴帽的壁上有旁通孔；在壳体下端固定有下接头，下接头上端固定有心轴座；壳体壁上沿圆周方向均布有三个矩形窗孔，矩形窗孔中通过圆柱销安装有矩形扩眼刀翼，扩眼刀翼内端有不完整齿轮，扩眼刀翼的不完整齿轮与心轴活塞中部正三棱柱体上的齿条啮合。旋转钻柱并加大泵排量扩眼刀翼张开，即可开始扩眼；扩眼完成后，投球后扩眼刀翼收回；扩眼结束后继续正常钻进，节省钻时。

Description

一种全液压扩眼器

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井技术领域，特别涉及一种井下扩眼专用工具，具体的说是一种用于扩眼作业的液压扩眼器。

背景技术

扩眼作业是在钻进的同时将井眼原位扩大为直径更大的井眼的过程。近20-30年来，随着油气钻井向着深井、超深井、高压油气井、海洋深水钻井等领域转移，钻井工程所要面对的复杂状况越来越多。扩眼技术作为处理钻井异常状况的重要手段不断发展，逐渐成为一种能够应对易塌易漏地层，实现小间隙固井，降低钻井成本的优越技术。

扩眼作业使用的常见扩眼器一般可分为固定翼扩眼器和可动翼扩眼器两种。固定翼扩眼器主要是指双心钻头，由领眼钻头和扩眼刀翼8两部分组成。领眼钻头与常规钻头结构几乎相同，钻进时处于井筒的最下端，可钻出直径较小的领眼(井眼)；扩眼刀翼8是带有切削刃的棱柱结构，沿圆周方向布置于双心钻头的侧面，通常只分布在1/4圆周范围内，能将领眼扩大为工艺设计要求直径的井眼。双心钻头整体结构为偏心设计，从而导致这类扩眼工具受力不平衡，钻进过程中易造成下部钻具组合的振动，还可能造成严重的井斜。

可动翼扩眼器按照扩眼体的不同划分为臂式扩眼器和块式扩眼器两种。臂式扩眼器的扩眼体通常依靠销轴固定在本体上，可绕固定轴在一定角度范围内旋转，扩眼体张开后，形如张开的双臂；块式扩眼器的扩眼体呈楔状，不能旋转，可在液压或机械推力作用下突出或缩入本体中。由于采用了弹簧等易损件，臂式扩眼器的启闭动作容易受到钻井液性能特别是固相含量的影响；块式扩眼器的刀翼加工精度要求较高，此外，由于块体尺寸受到本体壁厚的限制，扩眼体径向尺寸较小，因而只能将领眼扩大25％左右。

此外，固定翼扩眼器和绝大部分可动翼扩眼器完成扩眼作业后必须起钻，更换常规钻具后才能继续钻进。

综上，现有扩眼器自身结构仍不够完善，难以完全满足钻井工程需求，仍需根据实际需要改进设计，探索更为合理的结构形式。

发明内容

本发明的目的是：提供一种全液压扩眼器，能将领眼扩大为满足工艺设计要求的井径；扩眼完成后，扩眼刀翼8在液压作用下收回壳体1内，勿需起钻即可继续正常钻进。

本发明采用的技术方案是：全液压扩眼器，主要由壳体、心轴、圆柱销、扩眼刀翼、密封限位环、剪销、心轴座、下接头组成，其特征在于：在圆筒形壳体的内腔有心轴；

心轴主要由心轴活塞、心轴短节、心轴帽、主喷嘴和主喷嘴压盖组成。心轴活塞有中心孔，心轴活塞外壁为阶梯形柱体，心轴活塞上端外壁为圆柱体形，心轴活塞上端圆柱体外壁与壳体上端中心孔滑动配合；心轴活塞中部外壁为正三棱柱体，在正三棱柱体的三个平面上分别有与齿轮配合的齿条。心轴活塞中部外壁与壳体内的正三棱柱面滑动配合；心轴活塞的下端外壁为圆柱体形，心轴活塞的下端圆柱体外壁与壳体的内壁滑动配合，在心轴活塞的下端有螺纹，心轴活塞下端螺纹连接有心轴短节，心轴短节为圆柱体形有中心孔，心轴短节外壁与壳体之间有环形空间。在心轴短节与壳体之间的环形空间内有一个圆环形密封限位环，在壳体上有螺栓孔，通过螺栓将密封限位环固定在心轴短节与壳体之间的环形空间内。心轴中心孔与环形空间之间有联通孔，联通孔在心轴短节或心轴活塞上。在心轴短节的下端外壁套有心轴帽，并通过剪销将心轴帽固定在心轴短节的下端；心轴帽有阶梯形中心孔，在心轴帽阶梯中心孔内固定有主喷嘴，在主喷嘴的上端面上有主喷嘴压盖，主喷嘴压盖有中心孔，心轴短节的下端面压在主喷嘴压盖的上部；心轴帽的壁上有旁通孔，旁通孔被心轴短节封闭。

在壳体的下端有内螺纹，在壳体下端螺纹固定有下接头，下接头下端能与领眼钻头相连。下接头上端固定有心轴座。心轴座有中心孔，心轴座与壳体内壁之间有环形空间，心轴座有横向钻井液流通孔，横向钻井液流通孔的位置与心轴座和壳体之间的环形空间相对。

壳体壁上沿圆周方向均布有三个矩形窗孔，矩形窗孔的位置与心轴活塞中部正三棱柱体相对，矩形窗孔中通过圆柱销安装有矩形扩眼刀翼，扩眼刀翼可绕销旋转。扩眼刀翼的外端有PDC切削齿，扩眼刀翼内端有不完整齿轮，扩眼刀翼的不完整齿轮与心轴活塞中部正三棱柱体上的齿条啮合。

所述的壳体上每两个矩形窗孔之间有钻井液返排槽。

所述的主喷嘴压盖中心孔上端有倒角，投入的钢球能座封在主喷嘴压盖上形成密封。

所述的扩眼刀翼上装有两排PDC切削齿，切削齿为直线布置。两排齿之间开有排屑槽。扩眼刀翼外缘呈圆弧面并固定有硬质合金块。

所述的心轴活塞上端外壁有两个半圆弧形的环形凹槽，两道环形凹槽的间距与心轴的行程距离相等。在壳体上有的四个限位孔，限位孔的外端有螺纹，每个限位孔内有一个钢球，钢球的一半在环形凹槽内；在限位孔有限位弹簧压紧钢球。限位弹簧的外端螺纹固定有弹簧压盖。调整限位压盖旋入深度即可调整限位弹簧对限位钢球的压紧力。

在壳体的壁上有三个侧喷嘴，侧喷嘴在扩眼刀翼的下方，侧喷嘴由孔用弹簧挡圈固定在壳体的斜孔内，侧喷嘴喷出的钻井液能清洗和冷却扩眼刀翼。壳体斜孔的内端与心轴活塞下端圆柱体相对，起到密封作用；在心轴活塞下端圆柱体上有横向孔，心轴活塞下端圆柱体上有环形槽，环形槽将横向孔外端联通，环形槽到壳体斜孔内端的距离与心轴的行程距离相等。

在壳体上通过螺栓固定有三个扇形限位挡块，三个限位挡块的位置分别在三个矩形窗孔的上部。限位挡块的硬度稍小于扩眼刀翼，以保证二者之间紧密贴合。限位挡块由螺栓固定在壳体的外壁上，一旦磨损，可进行更换。

为了提高壳体与心轴活塞密封性，在心轴活塞上端外壁上有上密封圈；在心轴活塞下端外壁上有下密封圈；为提高密封限位环内壁与心轴短节外壁之间的密封性，在密封限位环内壁上有内密封圈；为提高密封限位环外壁与壳体内壁之间的密封性，在密封限位环外壁上有外密封圈。

简述全液压扩眼器的工作原理。

参阅图2。当一定流量的钻井液流过主喷嘴15时，由于节流效应，喷嘴上下产生压力差。由压力差产生的液压力首先作用于心轴帽14上，通过心轴帽14上的剪销12将作用力传递到心轴活塞2上。心轴活塞2顶部限位凹槽中的四只限位钢球3被推开，心轴活塞2下行直至扩眼刀翼8完全开启。此时，心轴活塞2顶部的小刚球3将进入心轴活塞2顶部的另一个(上部)限位凹槽中，使心轴活塞2定位。同时，由于心轴活塞2的下行，心轴活塞2中部的横向孔与壳体1上的侧喷嘴9流道连通。部分钻井液经侧喷嘴9流向扩眼刀翼8，起到携岩和冷却的作用。钻柱旋转，扩眼刀翼8进行扩眼。

完成预定扩眼任务后，向钻柱内投入一个钢球。参阅图3。钢球进入扩眼器后将座封于主喷嘴压盖13上，钢球与主喷嘴压盖13形成密封，阻挡了全部流向钻头的钻井液，迫使钻井液流向侧喷嘴9。侧喷嘴9流量瞬间增大，钻井液压力随之骤然升高。升高的液压力作用于心轴活塞2上，而心轴活塞2下部截面积较大，上部面积较小，故产生向上的液压力。液压力达到一定程度时，连接心轴帽14和心轴短节10的剪销12被剪断，心轴活塞2在液压力推动下向上行，扩眼刀翼8随心轴活塞2的向上运动而向内旋转，收回壳体1内；另一方面，心轴活塞2上行至极限位置时，心轴活塞2顶部的限位钢球3将压入原(下部)限位凹槽中，促使心轴活塞2定位；侧喷嘴9则因流道的关闭而不再流通钻井液。

参阅图4。同时，剪销12断开后，心轴帽14在液压作用下迅速向下运动并座于心轴座16上，心轴帽14侧壁的旁通孔露出并与心轴活塞2中心孔连通，钻井液经由心轴帽14和心轴座16上的横向钻井液流通孔流向钻头，使正常钻井作业得以实现。

本发明的有益效果：本发明全液压扩眼器的主要特征如下：

(1)本发明下至指定深度后旋转钻柱并加大泵排量，扩眼刀翼张开，即可开始扩眼；扩眼完成后，投球后扩眼刀翼收回；扩眼结束后勿需起钻，能继续正常钻进，节省钻时；

(2)心轴的运动完全由液压控制，不使用弹簧，提高装置工作寿命；

(3)使用剪销保证扩眼刀翼在工作过程中不发生错误动作；

(4)扩眼作业以投球中止，信号明确；投球后，几乎全部的泵量都被用于推动活塞心轴动作，可靠性好；

(5)更换壳体上的侧喷嘴，能保证扩眼器在不同泵量下维持稳定的工作状态；更换心轴上的主喷嘴即可改变钻头与扩眼器的水力能量分配，提高了工具对环境的适应性。

附图说明

图1是本发明全液压扩眼器结构剖面示意图。

图2是扩眼器处于扩眼工作状态示意图。

图3是投入钢球后，扩眼器由工作状态转为休眠状态的过渡状态示意图。

图4是剪销12断开后扩眼刀翼8收回，扩眼器进入了休眠状态示意图。箭头所指代方向是钻井液流动的方向。

图中，1.壳体，2.心轴活塞，3.限位钢球，4.限位弹簧，5.弹簧压盖，6.限位挡块，7.圆柱销，8.扩眼刀翼，9.侧喷嘴，10.心轴短节，11.密封限位环，12.剪销，13.主喷嘴压盖，14.心轴帽，15.主喷嘴，16.心轴座，17.下接头，18.内密封圈，19.螺栓，20.外密封圈，21.下密封圈，22.螺栓，23.上密封圈。

具体实施方式

实施例1：以一个全液压扩眼器为例，对本发明作进一步详细说明。

参阅图1。全液压扩眼器，主要由壳体1、心轴、圆柱销7、扩眼刀翼8、密封限位环11、剪销12、心轴座16、下接头17组成，其特征在于：在圆筒形壳体1的内腔有心轴；

心轴主要由心轴活塞2、心轴短节10、心轴帽14、主喷嘴15和主喷嘴压盖13组成。心轴活塞2有中心孔，心轴活塞2外壁为阶梯形柱体，心轴活塞2上端外壁为圆柱体形，心轴活塞2上端圆柱体外壁与壳体1上端中心孔滑动配合；心轴活塞2上端外壁有两个半圆弧形的环形凹槽，两道环形凹槽的间距与心轴的行程距离相等。在壳体1上有的四个限位孔，限位孔的外端有螺纹，每个限位孔内有一个钢球3，钢球3的一半在环形凹槽内；在限位孔有限位弹簧4压紧钢球3。限位弹簧4的外端螺纹固定有弹簧压盖5。在心轴活塞2上端外壁上有一道上密封圈23。

心轴活塞2中部外壁为正三棱柱体，在正三棱柱体的三个平面上分别有与齿轮配合的齿条。心轴活塞2中部外壁与壳体1内的正三棱柱面滑动配合；

心轴活塞2的下端外壁为圆柱体形，心轴活塞2的下端圆柱体外壁与壳体1的内壁滑动配合，在心轴活塞2下端外壁上有下密封圈21。在心轴活塞2的下端有螺纹，心轴活塞2下端螺纹连接有心轴短节10，心轴短节10为圆柱体形有中心孔，心轴短节10外壁与壳体1之间有环形空间。在心轴短节10与壳体1之间的环形空间内有一个圆环形密封限位环11，在壳体1上有螺栓孔，通过螺栓19将密封限位环11固定在心轴短节10与壳体1之间的环形空间内。在密封限位环11内壁上有两道内密封圈18；在密封限位环11外壁上有两道外密封圈20。心轴中心孔与环形空间之间有四个联通孔，联通孔在心轴活塞2下端，即在环形空间的上端部。

在心轴短节10的下端外壁套有心轴帽14，并通过剪销12将心轴帽14固定在心轴短节10的下端；心轴帽14有阶梯形中心孔，在心轴帽14阶梯中心孔内固定有主喷嘴15，在主喷嘴15的上端面上有主喷嘴压盖13，主喷嘴压盖13有中心孔，主喷嘴压盖13中心孔上端有45度倒角。心轴短节10的下端面压在主喷嘴压盖13的上部；心轴帽14的壁上有旁通孔。

在壳体1的下端有内螺纹，在壳体下端螺纹固定有下接头17，下接头17上端固定有心轴座16。心轴座16有中心孔，心轴座16与壳体1内壁之间有环形空间，心轴座16有横向钻井液流通孔，横向钻井液流通孔的位置与心轴座16和壳体1之间的环形空间相对。

壳体1壁上沿圆周方向均布有三个矩形窗孔，在三个矩形窗孔的上部通过螺栓22固定有三个扇形限位挡块6。矩形窗孔的位置与心轴活塞2中部正三棱柱体相对，矩形窗孔中通过圆柱销7安装有矩形扩眼刀翼8，扩眼刀翼8的外端有两排PDC切削齿，切削齿为直线布置。两排齿之间开有排屑槽。扩眼刀翼8外缘呈圆弧面并固定有硬质合金块。扩眼刀翼8内端有不完整齿轮，扩眼刀翼8的不完整齿轮与心轴活塞2中部正三棱柱体上的齿条啮合。

在壳体1的壁上有三个侧喷嘴9，侧喷嘴9在扩眼刀翼8的下方，侧喷嘴9由孔用弹簧挡圈固定在壳体1的斜孔内，壳体1斜孔的内端与心轴活塞2下端圆柱体相对；在心轴活塞2下端圆柱体上有横向孔，心轴活塞2下端圆柱体上有环形槽，环形槽将横向孔外端联通，环形槽到壳体1斜孔内端的距离与心轴的行程距离相等。心轴的行程距离是指心轴向下运动，心轴帽14下端面与心轴座16接触，心轴所运动的距离，即心轴帽14下端面与心轴座16上端接触面之间的距离。

壳体1上每两个矩形窗孔之间有一道钻井液返排槽。

简述各部件装配过程。参阅图1。

(1)心轴帽14的装配：主喷嘴15座于心轴帽14下端内腔中，辅以必要的密封；主喷嘴压盖13旋入心轴帽14下端内螺纹中，压住主喷嘴15。

(2)心轴的装配：心轴短节10上端外螺纹旋入心轴活塞2下端内螺纹；环形的密封限位环11套于心轴短节10外壁上；

心轴短节10下端插入心轴帽14上端中心孔中，用两个剪销12将心轴短节10与心轴帽14二者固定为一体。

(3)心轴装入壳体1：心轴由壳体1中心孔下端装入，平稳地向上端推动，直至心轴活塞2紧密接触壳体1内腔的台肩；4个限位钢球3和限位弹簧4放入壳体1上端的限位孔中，限位钢球3有一半球体进入心轴活塞2的下一排凹槽中，由弹簧压盖5压紧限位弹簧4。限位钢球3限制心轴活塞2轴向运动；4个螺栓19由壳体1上的螺孔旋入，4个螺栓19并插入密封限位环11的环形槽中，限制密封限位环11轴向运动。

(4)下接头17与壳体1连接：心轴座16旋入下接头17上端中心孔内；然后将下接头17旋入壳体1的下端。

本发明的使用方法为：

参阅图2，当全液压扩眼器下入预定位置后，地面泵未开动时，扩眼刀翼8处于关闭状态；开泵循环后，逐渐加大流量清洗井筒；不施加钻压，保持平稳转速80～100rpm。流量达到30L/s时，主喷嘴15上下的压差将达到1MPa左右，由于此时液压力不足以剪断剪销12，但可以推开四只限位钢球3，故整个心轴在心轴帽14带动下向下运动，扩眼刀翼8随之缓慢张开，不断切削井壁，造出井壁台阶。心轴帽14接触心轴座16并压紧后，扩眼刀翼8完全张开。这一过程可能持续30～50mi n。刀翼完全张开的同时，侧喷嘴9与心轴内中心孔连通，钻井液流动阻力减小，故泵压将会突然降低。检测到泵压的变化后即认为扩眼器进入工作状态。这时可缓慢、平稳施加钻压，控制在6～8t范围内，开始扩眼钻进过程。

参阅图3，扩眼结束后，由地面向钻杆中投入一个钢球。钢球进入扩眼器后座封于主喷嘴压盖13上，钢球与压盖形成密封，阻挡了全部流向钻头的钻井液，迫使钻井液流向侧喷嘴9。侧喷嘴9流量瞬间增大，压降随之骤然升高，可达4～6MPa。升高的液压力推动心轴活塞2向上运动。

参阅图4，液压力达到一定程度时，连接心轴帽14和心轴短节10的剪销12被剪断，心轴活塞2在液压力推动下向上行，扩眼刀翼8随心轴活塞2的向上运动而向内旋转，收回壳体1内。心轴活塞2上行至极限位置时，心轴活塞2顶部的限位钢球3将压入凹槽中，促使心轴活塞2定位；侧喷嘴9则因流道的关闭而不再流通钻井液。另一方面，剪销12断开后，心轴帽14在液压作用下迅速向下运动并座于心轴座16上，心轴帽14侧壁的旁通孔露出并与心轴中心孔连通，钻井液经心轴帽14旁通孔再经心轴座16上的横向钻井液流通孔流入下接头17中心孔，最后流向下部工作钻头，此时扩眼器进入休眠状态。此时全部钻井液流向钻头，即可开始正常钻进过程。

实际使用过程中，本发明可与领眼钻头连接，实现随钻扩眼；也可与导眼工具连接，仅用于扩眼施工。

Claims (8)

1.一种全液压扩眼器，主要由壳体(1)、心轴、圆柱销(7)、扩眼刀翼(8)、密封限位环(11)、剪销(12)、心轴座(16)、下接头(17)组成，其特征在于：在圆筒形壳体(1)的内腔有心轴；

心轴主要由心轴活塞(2)、心轴短节(10)、心轴帽(14)、主喷嘴(15)和主喷嘴压盖(13)组成；心轴活塞(2)有中心孔，心轴活塞(2)外壁为阶梯形柱体，心轴活塞(2)上端外壁为圆柱体形，心轴活塞(2)上端圆柱体外壁与壳体(1)上端中心孔滑动配合；心轴活塞(2)中部外壁为正三棱柱体，在正三棱柱体的三个平面上分别有与齿轮配合的齿条；心轴活塞(2)中部外壁与壳体(1)内的正三棱柱面滑动配合；心轴活塞(2)的下端外壁为圆柱体形，心轴活塞(2)的下端圆柱体外壁与壳体(1)的内壁滑动配合，在心轴活塞(2)的下端有螺纹，心轴活塞(2)下端螺纹连接有心轴短节(10)，心轴短节(10)为圆柱体形有中心孔，心轴短节(10)外壁与壳体(1)之间有环形空间；在心轴短节(10)与壳体(1)之间的环形空间内有一个圆环形密封限位环(11)，在壳体(1)上有螺栓孔，通过螺栓(19)将密封限位环(11)固定在心轴短节(10)与壳体(1)之间的环形空间内；心轴中心孔与环形空间之间有联通孔，联通孔在心轴短节(10)或心轴活塞(2)上；在心轴短节(10)的下端外壁套有心轴帽(14)，并通过剪销(12)将心轴帽(14)固定在心轴短节(10)的下端；心轴帽(14)有阶梯形中心孔，在心轴帽(14)阶梯中心孔内固定有主喷嘴(15)，在主喷嘴(15)的上端面上有主喷嘴压盖(13)，主喷嘴压盖(13)有中心孔，心轴短节(10)的下端面压在主喷嘴压盖(13)的上部；心轴帽(14)的壁上有旁通孔；

在壳体(1)的下端有内螺纹，在壳体下端螺纹固定有下接头(17)，下接头(17)上端固定有心轴座(16)；心轴座(16)有中心孔，心轴座(16)与壳体(1)内壁之间有环形空间，心轴座(16)有横向钻井液流通孔，横向钻井液流通孔的位置与心轴座(16)和壳体(1)之间的环形空间相对；

壳体(1)壁上沿圆周方向均布有三个矩形窗孔，矩形窗孔的位置与心轴活塞(2)中部正三棱柱体相对，矩形窗孔中通过圆柱销(7)安装有矩形扩眼刀翼(8)，扩眼刀翼(8)的外端有PDC切削齿，扩眼刀翼(8)内端有不完整齿轮，扩眼刀翼(8)的不完整齿轮与心轴活塞(2)中部正三棱柱体上的齿条啮合。

2.根据权利要求1所述的全液压扩眼器，其特征是：所述的壳体(1)上每两个矩形窗孔之间有钻井液返排槽。

3.根据权利要求1所述的全液压扩眼器，其特征是：所述的主喷嘴压盖(13)中心孔上端有倒角。

4.根据权利要求1所述的全液压扩眼器，其特征是：所述的扩眼刀翼(8)上装有两排PDC切削齿，切削齿为直线布置，两排齿之间开有排屑槽，扩眼刀翼(8)外缘呈圆弧面并固定有硬质合金块。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的全液压扩眼器，其特征是：所述的心轴活塞(2)上端外壁有两个半圆弧形的环形凹槽，两道环形凹槽的间距与心轴的行程距离相等；在壳体(1)上有的四个限位孔，限位孔的外端有螺纹，每个限位孔内有一个钢球(3)，钢球(3)的一半在环形凹槽内；在限位孔有限位弹簧(4)压紧钢球(3)，限位弹簧(4)的外端螺纹固定有弹簧压盖(5)。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的全液压扩眼器，其特征是：在壳体(1)的壁上有三个侧喷嘴(9)，侧喷嘴(9)在扩眼刀翼(8)的下方，侧喷嘴(9)由孔用弹簧挡圈固定在壳体(1)的斜孔内，壳体(1)斜孔的内端与心轴活塞(2)下端圆柱体相对；在心轴活塞(2)下端圆柱体上有横向孔，心轴活塞(2)下端圆柱体上有环形槽，环形槽将横向孔外端联通，环形槽到壳体(1)斜孔内端的距离与心轴的行程距离相等。

7.根据权利要求1、2、3或4所述的全液压扩眼器，其特征是：在壳体(1)上通过螺栓(22)固定有三个扇形限位挡块(6)，三个限位挡块(6)的位置分别在三个矩形窗孔的上部。

8.根据权利要求1、2、3或4所述的全液压扩眼器，其特征是：在心轴活塞(2)上端外壁上有上密封圈(23)；在心轴活塞(2)下端外壁上有下密封圈(21)；在密封限位环(11)内壁上有内密封圈(18)；在密封限位环(11)外壁上有外密封圈(20)。

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