CN102305052A - 天然气水合物三维多井联合开采实验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气水合物三维多井联合开采实验装置及其实验方法，所述装置包括三维高压反应釜、进口控制单元、出口控制单元、数据处理单元，所述三维高压反应釜上设有若干伸入模拟腔内部的井，包括一个中心垂直井和若干垂直旁侧井；将模拟腔沿垂直方向分为n个水平层面，各垂直井管分别伸入至模拟腔内的不同深度的水平层面上。可以模拟多井联合开采水合物；其可以综合研究各种开采机理、开采动态、并对各种开采方法进行优化和综合评价；该实验装置通过实验实现对水合物多井开采的模拟，从而使三维模拟实验得到扩展，为大规模开采天然气水合物提供实验基础和依据。

Description

天然气水合物三维多井联合开采实验装置及其实验方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物开采领域，尤其涉及的是一种天然气水合物三维多井联合开采实验装置及其实验方法。

背景技术

天然气水合物是指天然气与水在一定温度和压力下生成的一种笼状晶体物质，其遇火即可燃烧，俗称“可燃冰”。随着人们对水合物研究的不断深入，水合物的特性及对环境的影响越来越为人类认识，更重要的是其作为一种有效的替代能源的价值也益显突出。

天然气水合物可以以多种方式存在于自然界中，基于天然气水合物的特点，它与常规传统型能源的开发不同。表现在水合物在洋底埋藏是固体，在开采过程中分子构造发生变化，从固体变为气体。也就是说，水合物在开采过程中发生相变。目前大多数有关天然气水合物的开发思路基本上都是首先考虑如何将蕴藏在沉积物中的天然气水合物进行分解，然后再将天然气开采至地面。一般来说，人为地打破天然气水合物稳定存在的温度压力条件，造成其分解，是目前开发天然气水合物中甲烷资源量的主要方法。现有的开采方法大体上可分为以下三种：

第一种、热力开采法，以方法主要是将蒸气、热水、热盐水或其它热流体从地面泵入天然气水合物储层，或采用火驱法、电极原位加热等诸多方法促使储层温度上升而达到水合物分解的目的。

第二种、降压开采法，以方法主要是通过降低压力而引起天然气水合物稳定的相平衡曲线的移动，从而促使天然气水合物分解，开采水合物层之下的游离气是降低储层压力的一种有效方法。

第三种、化学剂开采法，以方法主要是利用某些化学剂，诸如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等来改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物稳定温度，以达到分解的目的。

降压开采法与热力开采法、化学剂开采法相结合的开采，可能成为今后大规模开采天然气水合物的有效方法之一。而在实际开采中，一口井是远远不够的，其开采效率无法提高。

目前，研究出天然气水合物有效、快速、经济的开采方法，为大规模开采天然气水合物提供实验基础和依据，是缓解与日俱增的能源压力的有效途径。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种天然气水合物三维多井联合开采实验装置及其实验方法，提供了一种可以综合研究各种开采机理、开采动态、并对各种开采方法进行优化的天然气水合物三维多井联合开采实验装置及其实验方法，该实验装置通过实验实现对水合物多井开采的模拟，从而使三维模拟实验得到扩展，为使现实中利用多井联合开采的方式提高开采效率提供实验基础和依据。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种天然气水合物三维多井联合开采实验装置，其中，包括三维高压反应釜、进口控制单元、出口控制单元、数据处理单元；

所述三维高压反应釜分别与进口控制单元、出口控制单元、数据处理单元连接；所述进口控制单元、出口控制单元内的感应元件均通过信号线和数据线与数据处理单元连接；

三维高压反应釜内为密封的模拟腔，模拟腔内填充有多孔介质，用于模拟海底环境，并在模拟腔中布置用于模拟开采的井网；

进口控制单元用于向三维高压反应釜内输入水、天然气，并控制输入的天然气的压力；

出口控制单元用于控制模拟开采之后的天然气、水的输出压力；

数据处理单元用于采集和处理各感应元件的感应信号；

其中，所述三维高压反应釜上设有若干伸入模拟腔内部的井，包括一个中心垂直井和若干垂直旁侧井；将模拟腔沿垂直方向分为n个水平层面，各垂直井管分别伸入至模拟腔内的不同深度的水平层面上。

所述天然气水合物三维多井联合开采实验装置，其中，所述三维高压反应釜中布置用以监控开采过程变化的压力传感器和温度传感器；所述高压反应釜置于恒温室中，用以保持恒定的温度；

所述进口控制单元内包括依次连接的溶液罐、注液泵、加热罐，及依次连接的气源装置、气体流量计；溶液依次经由溶液罐、注液泵、和加热罐注入三维高压反应釜；气体经由气源装置和气体流量计注入三维高压反应釜；

所述出口控制单元包括电子天平、及依次连接的回压阀、气液分离器、气体流量计，所述电子天平连接至气液分离器；天然气和水经由回压阀流出，通过气液分离器，分为分解气和分解水，分解气由气体流量计计量，分解水由电子天平计量。

所述天然气水合物三维多井联合开采实验装置，其中，所述三维高压反应釜包括釜体和釜体盖板，釜体盖板与釜体之间固定密封；釜体与釜体盖板之间的密封腔构成所述模拟腔，釜体的内壁为平面壁面，构成不渗透直线边界，釜体的四周的内壁上设置有绝热层。

所述天然气水合物三维多井联合开采实验装置，其中，伸入模拟腔内部设置的垂直井为5组或9组；

当设置为5组时，其中4组作为垂直旁侧井、分别为第一垂直旁侧井V1、第三垂直旁侧井V3、第七垂直旁侧井V7和第九垂直旁侧井V9，另一组作为中心垂直井，为垂直中心井V5；

当设置为9组时，其中8组作为垂直旁侧井，分别为第一垂直旁侧井V1、第二垂直旁侧井V2、第三垂直旁侧井V3、第四垂直旁侧井V4、第六垂直旁侧井V6、第七垂直旁侧井V7、第八垂直旁侧井V8和第九垂直旁侧井V9，另一组垂直中心井V5作为中心垂直井；

其中4组或8组垂直旁侧井呈正方形分布，并紧贴模拟腔内壁面，而作为垂直中心井的另一组，设在垂直旁侧井的正中央，即模拟腔垂直方向上的中心。

所述天然气水合物三维多井联合开采实验装置，其中、所述垂直中心井伸入至最底层水平层，垂直旁侧井伸入至最顶层水平层。

所述天然气水合物三维多井联合开采实验装置，其中、每根井管上均匀刻槽4条，长度与水平层的厚度相同，用以模拟垂直井射孔。

所述天然气水合物三维多井联合开采实验装置，其中，所述釜体的外壁为正方体或圆柱体，模拟腔为正方体。

所述天然气水合物三维多井联合开采实验装置，其中，所述三维高压反应釜的耐压范围为0～40MPa；所述模拟腔的体积为0.1L～500L。

一种基于上述所述天然气水合物三维多井联合开采实验装置的三维模拟实验方法，其中，包括步骤：

通过调节恒温室温度控制部分的温度以设定实验环境温度；

通过进口控制单元向三维高压反应釜内注入天然气和水，控制压力，模拟天然气水合物的生成过程；

当天然气水合物生成完成后，通过控制进口控制单元与出口控制单元，模拟天然气水合物的开采过程；

通过出口控制单元控制模拟开采之后的天然气、水的输出压力；

并通过数据处理单元采集和处理各感应元件的感应信号，

其中，模拟开采之前的溶液依次经由进口控制单元的溶液罐、注液泵、和加热罐注入三维高压反应釜；气体经由进口控制单元的气源装置和气体流量计注入三维高压反应釜；

模拟开采之后的天然气和水经由回压阀流出，通过气液分离器，分为分解气和分解水，分解气由气体流量计计量，分解水由电子天平计量。

所述的三维模拟实验方法，其中，当实验需要模拟五点法井网时，打开垂直旁侧井的第一垂直旁侧井V1，第三垂直旁侧井V3，第七垂直旁侧井V7和第九垂直旁侧井V9的井口作为采出井，以垂直中心井V5作为注入井；

当实验需要模拟七点法井网时，打开垂直旁侧井的第一垂直旁侧井V1、第二垂直旁侧井V2、第三垂直旁侧井V3、第七垂直旁侧井V7、第八垂直旁侧井V8和第九垂直旁侧井V9的井口作为采出井，以垂直中心井V5作为注入井；

当实验需要模拟九点法井网时，打开垂直旁侧井的第一垂直旁侧井V1、第二垂直旁侧井V2、第三垂直旁侧井V3、第四垂直旁侧井V4、第六垂直旁侧井V6、第七垂直旁侧井V7、第八垂直旁侧井V8和第九垂直旁侧井V9的井口作为采出井，以垂直中心井V5作为注入井。

本发明的有益效果是：本发明所提供的天然气水合物三维多井联合开采实验装置及其实验方法，可以模拟多井联合开采水合物；适用于各种大小的三维高压反应釜；可以让三维水合物物理模拟装置由受局限的实验室尺度，放大到无限大地层上去，其可以综合研究各种开采机理、开采动态、并对各种开采方法进行优化和综合评价；为大规模开采天然气水合物提供实验基础和依据。

附图说明

图1为本发明实施例的天然气水合物三维多井联合开采实验装置结构示意图。

图2为图1中三维反应釜内部井布置结构示意图。

图3为图2中三维反应釜内部井的详细构结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

物理模型实验目的是模拟实际水合物藏相对无限大地层动态参数变化情况，但是实验反应釜是有边界存在的，边界的存在对渗流场的等势线分布、流线分布和井的产量都会产生影响，通常称这种影响为“边界效应”。为了处理渗流场的“边界效应”，根据直线不渗透边界的汇点反应法，不渗透边界可以当作镜面，在其另一侧的对称位置上反映一口等强度的虚拟生产井(如果有边界则同时在对。称位置上反映同类型边界)，这时形成的渗流场和边界对井的影响形成的渗流场完全相同，称之为“镜面效应”，因此解决了边界效应对渗流场的影响。

当水合物三维实验物理模型需要扩展到无限大地层中，须形成四壁的渗流场的不渗透直线边界及温度场的绝热边界。

五点井网法、七点井网法和九点井网法是传统用于开采石油天然气的布井法。五点井网法指的是注入井与产出井交替排布，每个注入井周围有四个产出井，同样的每个产出井周围有四个注入井，产注比为1∶1；七点井网法指的是每个注入井周围有六个产出井但每个产出井周围有两个或四个注入井，产注比为2∶1；九点井网法指的是每个注入井周围有八个产出井但每个产出井周围有两个或四个注入井，产注比为3∶1。由于本实验温度边界条件可以认为是绝热边界条件，渗流场边界条件是直线不渗透边界。根据边界的“镜面效应”本实验的井网设置可以满足扩展到无限大地层中去，符合无限大地层中五点法，七点法和九点法井网排布的规则。

由于甲烷水合物的开采的特殊性，井的钻入深度不相同，注入井需要钻入水合物藏底层，用以加热水合物藏，分解水合物；开采井只需要钻入水合物藏顶层即可，由于水合物分解产生的甲烷气向上运动，开采井置于顶层有利于开采的开展。

本发明的目的就是提供一种天然气水合物三维多井联合开采实验装置，该实验装置通过实验实现对水合物多井开采的模拟，从而使三维模拟实验得到扩展。

如图1所示，本发明实施例的一种天然气水合物三维多井联合开采实验装置，包括三维高压反应釜3、进口控制单元200、出口控制单元300、数据处理单元400。所述三维高压反应釜3分别与进口控制单元200、出口控制单元300、数据处理单元400连接；所述进口控制单元200、出口控制单元300内的感应元件均通过信号线和数据线与数据处理单元400连接。

三维高压反应釜3内为密封的模拟腔101，并在模拟腔中布置井网4，所述井网4为伸入模拟腔101内部的井。三维高压反应釜3中布置压力传感器6和温度传感器7，用以监控开采过程的变化。整个三维高压反应釜3置于恒温室5中，用以保持恒定的温度。该三维高压反应釜3上设置有进口控制单元200与出口控制单元用以控制天然气水合物的生成与开采。模拟腔101内填充有多孔介质，作为水合物生成的空间，用于模拟海底环境。

如图1所示，进口控制单元200用于向三维高压反应釜3内输入水、天然气，并控制输入的天然气的压力，该进口控制单元200包括依次连接的溶液罐8、注液泵9、加热罐10，及依次连接的气源装置1、气体流量计2。气体经由气源装置1和气体流量计2注入三维高压反应釜3，溶液经由溶液罐8，注液泵9和加热罐10注入三维高压反应釜3。

出口控制单元300用于控制模拟开采之后的天然气、水的输出压力，并计量输出的天然气和水，该出口控制单元包括电子天平13、及依次连接的回压阀11、气液分离器12、气体流量计2，所述电子天平13连接至气液分离器12。天然气和水经由回压阀11流出，通过气液分离器12，分为分解气15和分解水14，分解气由气体流量计2计量，分解水由电子天平13计量。

数据处理单元400用于采集和处理各感应元件的感应信号，数据处理单元400可以采用数据采集箱16和计算机17实现。

其中，所述三维高压反应釜3包括釜体和釜体盖板，釜体盖板与釜体之间固定密封；釜体与釜体盖板之间的密封腔构成所述模拟腔101，釜体的内壁为平面壁面，构成不渗透直线边界，釜体的四周的内壁上设置有绝热层。较佳地，所述釜体的外壁为正方体或圆柱体，模拟腔为正方体。

本发明实施例中，三维高压釜3、进口控制单元200、出口控制单元300、数据处理单元400均采用现有三维水合物开采物理模拟技术，以下详细说明三维高压反应釜内的多井布井。

本实施例中采用所述三维高压反应釜的耐压范围为0～40MPa；所述模拟腔的体积为0.1L～500L。

请参阅图2，三维高压反应釜3上设有若干伸入模拟腔101内部的井，包括一个中心垂直井和若干垂直旁侧井。将模拟腔沿垂直方向分为n个水平层面，优选4层，如图2所示的从顶层102开始，102到A-A层为第一层H1，A-A层到B-B层为第二层H2，B-B层到C-C层为第三层H3，C-C层到底层103为第四层H4，各根垂直井管分别伸入至模拟腔内的不同深度的水平层面上。

伸入模拟腔101内部的垂直井有5组或9组(优选9组)：在9组的情形下，其中8组作为垂直旁侧井，分别为第一垂直旁侧井V1、第二垂直旁侧井V2、第三垂直旁侧井V3、第四垂直旁侧井V4、第六垂直旁侧井V6、第七垂直旁侧井V7、第八垂直旁侧井V8和第九垂直旁侧井V9，另一组垂直中心井V5作为中心垂直井。

当设置为5组时，其中4组作为垂直旁侧井、分别为第一垂直旁侧井V1，第三垂直旁侧井V3，第七垂直旁侧井V7和第九垂直旁侧井V9，另一组作为中心垂直井，为垂直中心井V5。

4组或8组垂直旁侧井呈正方形分布，并紧贴三维模型模拟腔内壁面(在模拟腔的内壁侧设有绝热板时，各组垂直旁侧井紧贴绝热板)。而剩余的1组(如图2所示的V5)作为垂直中心井，设在垂直旁侧井的正中央，即模拟腔垂直方向上的中心。

其中，垂直中心井23伸入至最底层103水平层，垂直旁侧井(19、20、21、22，24、25、26、27)伸入至最高层水平层的A-A层。

本发明中在每根井管100的井壁上均匀刻有槽104，如图3所示的实施例，在进壁上刻有4条槽104，长度与水平层的厚度相同，用以模拟垂直井射孔。

以下对本发明实施例的天然气水合物三维多井联合实验装置的工作原理做详细说明：

采用上述天然气水合物三维多井联合实验装置进行三维多井模拟实验时，如图1所示，通过调节恒温室5以设定实验环境温度；通过进口控制单元200注入天然气和水，控制压力，模拟天然气水合物的生成过程；当天然气水合物生成完成后，通过控制进口控制单元200与出口控制单元300，模拟天然气水合物的开采过程；实验完成后通过数据处理单元400处理数据。

基于上述实施例，本发明实施例还提供了一种基于上述所述天然气水合物三维多井联合开采实验装置的三维模拟实验方法，主要包括以下步骤：

通过调节恒温室温度控制部分的温度以设定实验环境温度；

通过进口控制单元向三维高压反应釜内注入天然气和水，控制压力，模拟天然气水合物的生成过程；

当天然气水合物生成完成后，通过控制进口控制单元与出口控制单元，模拟天然气水合物的开采过程；

通过出口控制单元控制模拟开采之后的天然气、水的输出压力；

并通过数据处理单元采集和处理各感应元件的感应信号，

其中，模拟开采之前的溶液依次经由进口控制单元的溶液罐、注液泵、和加热罐注入三维高压反应釜；气体经由进口控制单元的气源装置和气体流量计注入三维高压反应釜；

模拟开采之后的天然气和水经由回压阀流出，通过气液分离器，分为分解气和分解水，分解气由气体流量计计量，分解水由电子天平计量，具体如上所述。

如图3所示，所述三维模拟实验方法，其中，当实验需要模拟五点法井网时，打开垂直旁侧井的V119，V321，V725和V927井口作为采出井，以垂直中心井V523作为注入井；当实验需要模拟七点法井网时，打开垂直旁侧井的V119，V220，V321，V725，V826和V927井口作为采出井，以垂直中心井V523作为注入井；当实验需要模拟九点法井网时，打开垂直旁侧井的V119，V220，V321，V422，V624，V725，V826和V927井口作为采出井，以垂直中心井V523作为注入井。

通过控制进口控制单元200与出口控制单元300，模拟天然气水合物的开采过程。实验完成后通过数据处理单元400处理数据。

综上所述，本发明所提供的天然气水合物三维多井联合开采实验装置及其实验方法，可以模拟多井联合开采水合物；适用于各种大小的三维高压反应釜；可以让三维水合物物理模拟装置由受局限的实验室尺度，放大到无限大地层上去，其可以综合研究各种开采机理、开采动态、并对各种开采方法进行优化和综合评价；为大规模开采天然气水合物提供实验基础和依据。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种天然气水合物三维多井联合开采实验装置，其特征在于，包括三维高压反应釜、进口控制单元、出口控制单元、数据处理单元；

所述三维高压反应釜分别与进口控制单元、出口控制单元、数据处理单元连接；所述进口控制单元、出口控制单元内的感应元件均通过信号线和数据线与数据处理单元连接；

三维高压反应釜内为密封的模拟腔，模拟腔内填充有多孔介质，用于模拟海底环境，并在模拟腔中布置用于模拟开采的井网；

进口控制单元用于向三维高压反应釜内输入水、天然气，并控制输入的天然气的压力；

出口控制单元用于控制模拟开采之后的天然气、水的输出压力；

数据处理单元用于采集和处理各感应元件的感应信号；

其中，所述三维高压反应釜上设有若干伸入模拟腔内部的井，包括一个中心垂直井和若干垂直旁侧井；将模拟腔沿垂直方向分为n个水平层面，各垂直井管分别伸入至模拟腔内的不同深度的水平层面上。

2.根据权利要求1所述天然气水合物三维多井联合开采实验装置，其特征在于，所述三维高压反应釜中布置用以监控开采过程变化的压力传感器和温度传感器；所述高压反应釜置于恒温室中，用以保持恒定的温度；

所述进口控制单元内包括依次连接的溶液罐、注液泵、加热罐，及依次连接的气源装置、气体流量计；溶液依次经由溶液罐、注液泵、和加热罐注入三维高压反应釜；气体经由气源装置和气体流量计注入三维高压反应釜；

所述出口控制单元包括电子天平、及依次连接的回压阀、气液分离器、气体流量计，所述电子天平连接至气液分离器；天然气和水经由回压阀流出，通过气液分离器，分为分解气和分解水，分解气由气体流量计计量，分解水由电子天平计量。

3.根据权利要求1所述天然气水合物三维多井联合开采实验装置，其特征在于，所述三维高压反应釜包括釜体和釜体盖板，釜体盖板与釜体之间固定密封；釜体与釜体盖板之间的密封腔构成所述模拟腔，釜体的内壁为平面壁面，构成不渗透直线边界，釜体的四周上设置有绝热层。

4.根据权利要求1所述天然气水合物三维多井联合开采实验装置，其特征在于，伸入模拟腔内部设置的垂直井为5组或9组；

当设置为5组时，其中4组作为垂直旁侧井、分别为第一垂直旁侧井(V1)，第三垂直旁侧井(V3)，第七垂直旁侧井(V7)和第九垂直旁侧井(V9)，另一组作为中心垂直井，为垂直中心井(V5)；

当设置为9组时，其中8组作为垂直旁侧井，分别为第一垂直旁侧井(V1)、第二垂直旁侧井(V2)、第三垂直旁侧井(V3)、第四垂直旁侧井(V4)、第六垂直旁侧井(V6)、第七垂直旁侧井(V7)、第八垂直旁侧井(V8)和第九垂直旁侧井(V9)，另一组垂直中心井(V5)作为中心垂直井；

其中4组或8组垂直旁侧井呈正方形分布，并紧贴模拟腔内壁面，而作为垂直中心井的另一组，设在垂直旁侧井的正中央，即模拟腔垂直方向上的中心。

5.根据权利要求1所述天然气水合物三维多井联合开采实验装置，其特征在于，所述垂直中心井伸入至最底层水平层，垂直旁侧井伸入至最顶层水平层。

6.根据权利要求1所述天然气水合物三维多井联合开采实验装置，其特征在于，每根井管上均匀刻槽4条，长度与水平层的厚度相同，用以模拟垂直井射孔。

7.根据权利要求1所述天然气水合物三维多井联合开采实验装置，其特征在于，所述釜体的外壁为正方体或圆柱体，模拟腔为正方体。

8.根据权利要求1所述天然气水合物三维多井联合开采实验装置，其特征在于，所述三维高压反应釜的耐压范围为0～40MPa；所述模拟腔的体积为0.1L～500L。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述天然气水合物三维多井联合开采实验装置的三维模拟实验方法，其特征在于，包括步骤：

通过调节恒温室温度控制部分的温度以设定实验环境温度；

通过进口控制单元向三维高压反应釜内注入天然气和水，控制压力，模拟天然气水合物的生成过程；

当天然气水合物生成完成后，通过控制进口控制单元与出口控制单元，模拟天然气水合物的开采过程；

通过出口控制单元控制模拟开采之后的天然气、水的输出压力；

并通过数据处理单元采集和处理各感应元件的感应信号，

其中，模拟开采之前的溶液依次经由进口控制单元的溶液罐、注液泵、和加热罐注入三维高压反应釜；气体经由进口控制单元的气源装置和气体流量计注入三维高压反应釜；

模拟开采之后的天然气和水经由回压阀流出，通过气液分离器，分为分解气和分解水，分解气由气体流量计计量，分解水由电子天平计量。

10.根据权利要求9所述的天然气水合物三维多井联合开采实验装置的三维模拟实验方法，其特征在于，当实验需要模拟五点法井网时，打开垂直旁侧井的第一垂直旁侧井(V1)，第三垂直旁侧井(V3)，第七垂直旁侧井(V7)和第九垂直旁侧井(V9)的井口作为采出井，以垂直中心井(V5)作为注入井；

当实验需要模拟七点法井网时，打开垂直旁侧井的第一垂直旁侧井(V1)、第二垂直旁侧井(V2)、第三垂直旁侧井(V3)、第七垂直旁侧井(V7)、第八垂直旁侧井(V8)和第九垂直旁侧井(V9)的井口作为采出井，以垂直中心井(V5)作为注入井；

当实验需要模拟九点法井网时，打开垂直旁侧井的第一垂直旁侧井(V1)、第二垂直旁侧井(V2)、第三垂直旁侧井(V3)、第四垂直旁侧井(V4)、第六垂直旁侧井(V6)、第七垂直旁侧井(V7)、第八垂直旁侧井(V8)和第九垂直旁侧井(V9)的井口作为采出井，以垂直中心井(V5)作为注入井。

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