CN106536850A - 旋转台肩连接结构和螺纹设计 - Google Patents

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CN106536850A CN201580031589.4A CN201580031589A CN106536850A CN 106536850 A CN106536850 A CN 106536850A CN 201580031589 A CN201580031589 A CN 201580031589A CN 106536850 A CN106536850 A CN 106536850A
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Abstract

根据一个或多个实施例的螺纹结构包括螺纹，其沿着圆柱形构件以间隔开的螺纹圈螺旋地延伸，螺纹具有在第一侧面和第二侧面之间延伸的顶部，以及在螺纹圈之间延伸的根部，所述根部具有由椭圆的一部分限定的弯曲部，所述弯曲部在相应的侧面过渡点处切向地邻接第一侧面和第二侧面，椭圆具有平行于轴线延伸的长轴和垂直于长轴并通过根底延伸的短轴。

Description

旋转台肩连接结构和螺纹设计
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年6月13日提交的美国临时专利申请号62/012232和2015年6月11日提交的美国非临时专利申请号14/737,443的优先权的权益，它们的全部内容以引用的方式并入本文。
背景技术
本部分提供背景信息以便更好地理解本公开的各个方面。应理解，本文件的这个部分的陈述将从这个角度来阅读而不作为对现有技术的承认。
在井下钻井中，包含钻井工具的钻井元件经常通过螺纹结构耦合在一起。在这些耦合的钻井元件中，螺纹设计是关键的，因为故障经常发生在螺纹结构中。每当在螺纹结构中发生疲劳引起的故障时，初始裂纹开始于螺纹根部。这是由于当螺纹结构经受严重负载时位于螺纹根部的高应力集中。
发明内容
根据一个或多个实施例的螺纹结构包括螺纹，其沿着圆柱形构件以间隔开的螺纹圈螺旋地延伸，螺纹具有在第一侧面和第二侧面之间延伸的顶部，以及在螺纹圈之间延伸的根部，所述根部具有由椭圆的一部分限定的弯曲部，所述弯曲部在相应的侧面过渡点处切向地邻接第一侧面和第二侧面，椭圆具有平行于轴线延伸的长轴和垂直于长轴并通过根底延伸的短轴。在一些实施例中，长轴与侧面过渡点相交。螺纹结构可以并入旋转台肩连接结构中。根据一些实施例，旋转台肩连接结构被用在钻柱中，例如井底组件中。
提供本发明内容以介绍下文将在详细描述中进一步描述的概念的选择。本发明内容不旨在识别所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。
附图说明
当与附图一起阅读时，从下面的详细描述可以最好地理解本公开。要强调的是，根据工业中的标准实践，各种特征没有按比例绘制。实际上，为了讨论的清楚，可以任意地增加或减少各种特征的尺寸。
图1图示包括根据一个或多个方面的旋转台肩连接结构的用于钻井眼，例如高狗腿度的井眼的钻井系统。
图2图示根据本公开的一个或多个方面的旋转台肩连接结构。
图3图示根据本公开的一个或多个方面的螺纹结构和螺纹根部。
图4和图5用图表图示根据本公开的一个或多个方面的螺纹根部的应力特性。
具体实施方式
应当理解，以下公开提供了用于实施各种实施例的不同特征的许多不同的实施例或实例。下面描述部件和布置的具体实例以简化本公开。当然，这些仅是示例并且不旨在限制。另外，本公开可以在各种实例中重复附图标记。这种重复是为了简化和清楚的目的，本身并不指示所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。
如本文所使用的，术语“连接”和“与……连接”可以用来指直接连接或经由一个或多个元件连接。类似地，术语“耦合”、“耦合在一起”和“与……耦合”可以用来指直接耦合在一起或经由一个或多个元件耦合在一起。可以利用诸如上、下、顶部和底部的术语，以及指示相对于给定点或元件的相对位置的其他类似术语，以更清楚地描述一些元件。通常，这些术语涉及参考点，诸如从中开始钻井作业的地面。
图1是总体上由附图标记10表示的定向钻井系统的一个实施例的示意图，其中，可以包括旋转台肩连接结构100的实施例。定向钻井系统10包括位于地面14的钻机12和从钻机12悬挂的钻柱16。钻头18设置有井底组件(“BHA”)20并且部署在钻柱16上以将钻孔22钻入(即，扩展)到地层24中。
所述BHA 20包括一个或多个稳定器26、随钻测量(“MWD”)模块或接头28、随钻测井(“LWD”)模块或接头30、转向装置32(例如，偏压单元、RSS装置、转向致动器、活塞、伸缩件)以及发电模块或接头34。所示的定向钻井系统10包括井下转向控制系统36(例如，控制单元或姿态保持控制器)，设置有BHA 20并且与转向装置32可操作地连接，以将钻头18和BHA 20保持在所需的钻井姿态，以沿着所需的路径(即，目标姿态)扩展钻孔22。所描绘的井下转向控制系统36包括井下处理器38以及方向和倾斜(“D&I”)传感器40，例如，加速度计和磁力计。井下转向控制系统36可以是直接与BHA 20传感器(即，D&I传感器40、MWD接头28传感器)和转向装置32连接以控制钻井姿态的闭环系统。井下转向控制系统36可以是例如被配置成滚动稳定或捷联控制单元的单元。尽管主要参考旋转导向系统描述了实施例，但是应认识到，实施例也可以与非RSS定向钻井工具一起使用。定向钻井系统10包括钻井液或泥浆44，其可以从地面14通过钻柱16的轴向孔循环，并通过钻柱16和地层24之间的环空返回到地面14。
工具的姿态(例如，钻井姿态)通常被标示为BHA 20的轴线46。在所示的实施例中，姿态命令可以从总体上被标示为地面控制器42(例如，处理器)的定向钻机或轨迹控制器输入(即，传输)。可以例如经由泥浆脉冲遥测、有线管、声学遥测和无线传输来传输诸如需求姿态命令的信号。因此，在从地面控制器42定向输入时，井下转向控制系统36例如通过操作转向装置32来控制钻孔22的扩展，以使钻头转向并且沿着所需的路径在钻孔中产生偏斜、折线或曲线。特别地，转向装置32被致动以将钻头驱动到设定点。转向装置或偏压单元可以被称为定向钻井工具的主致动部分，并且可以被分类为推进钻头、摆动钻头或混合装置。
在摆动钻头设备中，钻头18的旋转轴线在所需的路径(目标姿态)的大致方向上偏离井底组件20的局部轴线。钻孔根据由上部和下部稳定器26接触点和钻头18接触点限定的常规三点几何形状扩展。钻头轴线的偏移角度与钻头和下部稳定器之间的有限距离共同导致产生曲线所需的非共线条件。存在可以实现这一点的许多方法，包括在井底组件中靠近下部稳定器的点处的固定弯曲，或分布在上部和下部稳定器之间的钻头驱动轴的挠曲。
在推进钻头旋转导向系统中，通常没有特别标示的机构来使钻头轴线与局部井底组件轴线偏离；相反，通过使上部或下部稳定器中的一个或两个在相对于钻孔扩展的方向优先定向的方向上施加偏心力或位移来实现必要的非共线条件。再次，存在可以实现这一点的许多方法，包括非旋转(相对于孔)偏心稳定器(基于位移的方法)和在所需的转向方向上向钻头施加力的偏心致动器，例如通过将转向致动器延伸成与钻孔的表面接触。再次，通过在钻头和至少两个其他接触点之间产生非共线性来实现转向。
钻井系统可以是混合型的，例如具有可旋转套环，安装在套环上以便随套环旋转的套筒，以及允许套筒相对于套环的角运动以允许套筒的轴线相对于套环的轴线倾斜的万向接头。致动器控制套筒和套环的轴线的相对角度。通过适当地控制致动器，套筒可以在套环旋转时保持在大体上所需的取向。例如在美国专利号8,763,725和7,188,685中公开混合系统的非限制性实例。
诸如可从斯伦贝谢技术公司获得的POWERDRIVETM、例如POWERDRIVE商标的旋转导向系统的开发已经能够执行高狗腿度(DLS)钻井。由于升高程度的DLS，钻柱16中的井底组件(BHA)20部件承受更高的弯曲循环载荷。进而，动态弯曲载荷的增加缩短了部件的疲劳寿命，并且发生故障，例如，断开故障。丰富的现场经验和理论分析表明，大多数疲劳失效发生在位于BHA部件的每端的旋转台肩连接结构(RSC)处。传统上，所使用的RSC是标准API锥形螺纹连接件。尽管标准API螺纹接头广泛地用于钻井工业中，但是其疲劳强度太低，以至于不能满足高DLS市场提出的要求。
当在螺纹连接中发生疲劳失效时，裂纹趋向于在较弱的构件(销或母接头)的螺纹根部处开始。优化的根部设计对于减少根部的应力集中是非常关键的，由此提高了疲劳强度。图2图示根据一个或多个实施例的旋转台肩连接结构(RSC)100，其具有用于高DLS(狗腿度)现场接头(即，连接)的螺纹结构110设计。旋转台肩连接结构100包括构件112的具有外螺纹结构110的销端103，以及另一构件112的具有内螺纹结构110的母接头端105。构件112是圆柱形或管状支撑构件，例如，管、套环。在图2中图示出由销端肩部119和母接头端肩部121(例如，彼此接触的接触表面)组成的RSC 100。螺纹连接件沿着连接件的纵轴线2-2承受拉伸载荷48。参考图1，特别参考井底组件20描述了旋转台肩连接结构100，然而，旋转台肩连接结构100可以在整个钻柱16中使用。
图3图示根据一个或多个实施例的螺纹结构110。继续特别参考图2和图3，RSC 100具有切向椭圆形螺纹根部116设计，其具有优化的根部深度62和螺纹参数，诸如螺距50，等效根半径52，以及对应于图3中的侧面118-1的侧面角54。在根部116的相对侧上的侧面118-2的侧面角用附图标记54-2标示。如受益于本公开的本领域技术人员将理解的，侧面角54和54-2可以相同或不同。分析和数值结果表明，与常用的标准API螺纹相比，在高DLS条件下，旋转台肩连接结构100螺纹设计显著增加了BHA连接寿命。例如，在15度/100英尺DLS下，与NC38螺纹相比，预测疲劳寿命最小增长到4倍，NC38螺纹是例如用于4.75英寸工具的最常用的API连接。
至少一个螺纹114沿着圆柱形支撑构件112以间隔开的螺纹圈螺旋地延伸。螺纹114可以是单头螺旋或双头螺旋。螺纹结构可以具有例如描述为沿着其轴线测量的工件直径的均匀变化的锥度，并且该锥度例如以每英尺收缩量、每英寸收缩量、度测量，且例如在公制系统中作为直径随长度变化的比率测量。参考图2，可以根据沿着长度7在第一直径3和第二直径5之间的直径变化来限定锥度。螺纹结构可以具有如图2中从顶部到顶部所示的螺距50，以每长度的螺纹或顶部之间的距离来标示螺距50。例如，具有3圈螺纹/英寸(TPI)的旋转台肩连接结构也可以被称为具有l"/3或0.3336英寸的螺距。
壁表面111表示母接头端105螺纹结构110的外圆柱形表面或销端103螺纹结构110的中心孔表面。螺纹根部116位于相邻螺纹114(即，相邻螺纹圈)之间。根部116具有根底115和在侧面过渡点117之间延伸的弯曲表面。螺纹结构110包括在顶部120的相对侧上的侧面，其总体上用附图标记118标示并且具体标示为118-1和118-2。侧面118-1和118-2中的一个可以是承载体，例如118-1，而侧面118-1和118-2中的另一个可以是非承载体或安定面、侧面，例如118-2。当螺纹结构承受负载时，将经由相应的销和母接头螺纹的邻接的配合承载侧面118-1在耦合的销端103和母接头端105螺纹结构之间传递力，参见例如图2。
图3描绘具有切向椭圆形根部116设计的螺纹结构110。所描绘的根部116具有由椭圆66的一部分限定的弯曲部，椭圆66的一部分在侧面过渡点117处切向地邻接相邻螺纹114(即，螺纹圈)的两个侧面118(即，承载侧面118-1和非承载侧面118-2)。椭圆66具有长轴122和从长轴垂直延伸的较短的短轴124。长轴122平行于支撑构件112的纵轴线2-2延伸。短轴124从支撑构件112径向向外且垂直地(例如，垂直于轴线2-2)延伸。例如，短轴124可以从根底115径向向外延伸。根部深度62从侧面过渡点117延伸到根底115。在图3中，长轴122被图示为从相交的过渡点117垂直偏移并且相对于根底115垂直地定位在过渡点117上方。
过渡点117是延伸侧面118与椭圆66的相切点。由根部116分隔的相邻侧面118或由顶部120分隔的侧面的侧面角54可以相等或不同。在图3中，相邻的承载侧面和非承载侧面的侧面角54相等，并且承载侧面和非承载侧面的表面积相等。在一些实施例中，相邻的负载侧面和非负载侧面的侧面角可以不同。所描绘的根部116的弯曲部是对称的，然而根部弯曲部也可以是不对称的。
参考图2和图3，螺纹结构110包括在下面的表1中描述的螺纹参数。
表1
RSC 100的螺纹结构110相对于例如标准API NC38螺纹的圆根配置具有较大的螺距50和较大的等效根半径52以及较小的侧面角54，以减小根部116的应力集中并且保持螺纹的抗剪切性和抗磨损性。考虑了各种根部设计，诸如圆形、切向椭圆、非切向椭圆和三次样条曲线，并且切口试样的有限元分析(FEA)表明，使用切向椭圆形状对于减小根部的应力集中是最有效的。
根据一些方面，螺纹结构110中的根部116具有由椭圆66的一部分限定的等效根半径52，该部分切向地邻接相邻螺纹114的两个侧面118，参见例如图3。“等效半径”或“等效根半径”是指在侧面118与椭圆66相切的过渡点(即，过渡点117)处的椭圆的局部半径。参考图3，等效半径52在切点117处与侧面成直角地延伸到对应于图3中的短轴124的椭圆中心。具有比圆形或圆的半径更长的等效根半径52的螺纹结构110在根部的应力集中上提供了更大的缓解。对于给定的根部半宽56，根部深度62可以被优化，使得在考虑制造公差(例如，加工或冷轧)的情况下，峰值应力被保持在根部116的中间。例如，在图4和图5中图示了如果机加工，则在约0.014英寸的根部深度62(RD＝0.014英寸)附近的，或如果冷轧则为约0.015英寸附近的标称尺寸，以及约0.53英寸(SW＝0.053英寸)的根部半宽56。图4图示针对应力集中因子(SCF)绘制的根部深度62。应力集中因子(SCF)例如可以是部件的局部峰值交变应力除以部件的所述位置处的管壁中的标称交变应力。图5图示针对以英寸为单位的根部深度62的各种尺寸，相对于以每平方英寸的千磅数(ksi)为单位的轴向正应力的归一化位置。
FEA结果表明，螺纹结构110具有与标准API NC38螺纹类似的拉伸/剪切特性。根据一个或多个实施例的螺纹结构110的主螺纹参数的非限制性实例的概述在表2中列出。
表2
根据一个或多个方面，旋转台肩连接结构100的特征包括具有切向椭圆形根部116设计的螺纹结构110，该设计具有以下一个或多个参数：约0.059英寸的等效根半径52和约0.014英寸的根部深度62、单头螺旋螺纹114、约3圈螺纹/英寸的螺距50、约1.25英寸收缩量/英尺(tapers per foot)的锥度、约25度的侧面角54(例如图3中的侧面118-1的侧面角54)、约0.053英寸的半长轴长度和约0.016英寸的半短轴长度。侧面角54和54-2可以相同或不同。根据一些实施例，相对于连接结构FEA，寿命延长到2至4倍。由装配扭矩(MUT)引起的承载侧面118-1上的平均接触压力可以增加约6％至15％。例如，由MUT引起的肩部119、121上的平均接触压力可以增加约8％至10％。密封可以相对于API标准NC38螺纹改进。螺纹结构110可以具有与API标准NC38螺纹类似的拉伸特性和剪切特性。根据一些方面，可以对螺纹结构施加诸如喷丸加工和冷轧的压处理，以进一步提高螺纹的疲劳寿命。
根据一个或多个方面，螺纹结构110可以具有约0.057英寸至约0.061英寸的等效根半径52、约20至约30度的侧面角54、约0.1至约0.2英寸的顶宽64和约0.012至约0.020英寸的根部深度62。螺纹结构110可以具有在侧面过渡点处的约0.050至约0.060的根部半宽56、约3圈螺纹/英寸的螺距50和约1.0至约1.5英寸收缩量/英尺的锥度。长轴122可以具有例如约0.050英寸至约0.055英寸的半长轴长度和约0.013至约0.020英寸的半短轴124长度。
根据一个或多个实施例，螺纹结构110具有切向椭圆形根部116几何形状，其具有约0.057英寸至约0.061英寸的等效根半径、约25至约27.5度的侧面角和约0.014至约0.016英寸的根部深度。
前面概述了几个实施例的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本公开的方面。本领域技术人员应当了解，他们可以容易地使用本公开作为设计或修改用于执行本文所介绍的实施例的相同目的和/或实现相同优点的其他过程和结构的基础。本领域技术人员还应当认识到，这些等效构造不脱离本公开的精神和范围，并且可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行各种改变、替换和变更。本发明的范围应仅由所附权利要求的语言来确定。权利要求中的术语“包括”旨在指“至少包括”，使得权利要求中的元素的列举列表是开放的组。除非明确排除，否则术语“一”和其他单数术语旨在包括其复数形式。

Claims (20)

1.一种螺纹结构，包括：
圆柱形构件，其沿着一轴线延伸；
螺纹，其沿着所述圆柱形构件以间隔开的螺纹圈螺旋地延伸，所述螺纹包括：
在第一侧面和第二侧面之间延伸的顶部；以及
在所述螺纹圈之间延伸的根部，所述根部具有由椭圆的一部分限定的弯曲部，所述弯曲部在相应的侧面过渡点处切向地邻接所述第一侧面和所述第二侧面，所述椭圆具有平行于所述轴线延伸的长轴和垂直于所述长轴并通过根底延伸的短轴。
2.根据权利要求1所述的螺纹结构，进一步包括：
在所述侧面过渡点处的约0.050至约0.061英寸的根部半宽；
约0.057至约0.061英寸的等效根半径；以及
约0.012至约0.020英寸的根部深度。
3.根据权利要求2所述的螺纹结构，其中，所述根部深度为约0.013至约0.016英寸。
4.根据权利要求1所述的螺纹结构，进一步包括：
在所述侧面过渡点处的约0.050至约0.055英寸的根部半宽；
约0.057至约0.061英寸的等效根半径；以及
约0.012至约0.016英寸的根部深度。
5.根据权利要求4所述的螺纹结构，其中，所述根部深度为约0.014至约0.015英寸。
6.根据权利要求1所述的结构，进一步包括：
约0.012至约0.020英寸的根部深度；
在所述侧面过渡点处的约0.050至约0.060英寸的根部半宽；以及
约3圈螺纹/英寸的螺距。
7.根据权利要求1所述的结构，进一步包括：
约0.013至约0.016英寸的根部深度；
在所述侧面过渡点处的约0.050至约0.055英寸的根部半宽；以及
约3圈螺纹/英寸的螺距。
8.根据权利要求1所述的结构，进一步包括：
在所述侧面过渡点处的约0.050至约0.061英寸的根部半宽；
约0.057至约0.061英寸的等效根半径；
相对于所述短轴的约20至约30度的第一侧面角；
约0.012至约0.020英寸的根部深度；
约3圈螺纹/英寸的螺距；以及
约1.0至约1.5英寸收缩量/英尺的锥度。
9.根据权利要求1所述的结构，进一步包括：
在所述侧面过渡点处的约0.052英寸至约0.055英寸的根部半宽；
约0.057至约0.059英寸的等效根半径；
相对于所述短轴的约24至约28.5度的第一侧面角；
约0.013至约0.016英寸的根部深度；
约3圈螺纹/英寸的螺距；以及
约1.0至约1.5英寸收缩量/英尺的锥度。
10.根据权利要求1所述的结构，进一步包括：
约0.057至约0.059英寸的等效根半径；
相对于所述短轴的约24至约28.5度的第一侧面角；
约0.1至约0.2英寸的顶宽；以及
约3圈螺纹/英寸的螺距。
11.一种旋转台肩连接结构(RSC)，所述RSC包括：
第一管，其具有纵轴线和带有螺纹结构的销端；
第二管，其具有带有螺纹结构的母接头端，其中，所述销端和所述母接头端被螺纹连接；
所述螺纹结构包括以间隔开的螺纹圈螺旋地延伸的螺纹，所述螺纹包括：
在第一侧面和第二侧面之间延伸的顶部；以及
在所述螺纹圈之间延伸的根部，所述根部具有由椭圆的一部分限定的弯曲部，所述弯曲部在相应的侧面过渡点处切向地邻接所述第一侧面和所述第二侧面，所述椭圆具有平行于所述纵轴线延伸的长轴和垂直于所述长轴并通过根底延伸的短轴。
12.根据权利要求11所述的RSC，其中，所述螺纹包括：
在所述侧面过渡点处的约0.050至约0.061英寸的根部半宽；
约0.057至约0.061英寸的等效根半径；以及
约0.012至约0.020英寸的根部深度。
13.根据权利要求11所述的RSC，其中，所述螺纹包括：
约0.057至约0.059英寸的等效根半径；
相对于所述短轴的约24至约28.5度的第一侧面角；
约0.1至约0.2英寸的顶宽；以及
约3圈螺纹/英寸的螺距。
14.根据权利要求11所述的RSC，其中，所述螺纹包括：
在所述侧面过渡点处的约0.050至约0.061英寸的根部半宽；
约0.057至约0.061英寸的等效根半径；
相对于所述短轴的约20至约30度的第一侧面角；
约0.012至约0.020英寸的根部深度；
约3圈螺纹/英寸的螺距；以及
约1.0至约1.5英寸收缩量/英尺的锥度。
15.根据权利要求11所述的RSC，其中，所述螺纹包括：
在所述侧面过渡点处的约0.052至约0.055英寸的根部半宽；
约0.057至约0.059英寸的等效根半径；
相对于所述短轴的约24至约28.5度的第一侧面角；
约0.013至约0.016英寸的根部深度；
约3圈螺纹/英寸的螺距；以及
约1.0至约1.5英寸收缩量/英尺的锥度。
16.一种钻井系统，包括：
钻柱，其包括旋转台肩连接结构(RSC)，所述旋转台肩连接结构在具有纵轴线的管状支撑构件上具有螺纹结构，所述螺纹结构包括以间隔开的螺纹圈螺旋地延伸的螺纹，所述螺纹包括：
在第一侧面和第二侧面之间延伸的顶部；以及
在所述螺纹圈之间延伸的根部，所述根部具有由椭圆的一部分限定的弯曲部，所述弯曲部在相应的侧面过渡点处切向地邻接所述第一侧面和所述第二侧面，所述椭圆具有平行于所述纵轴线延伸的长轴和垂直于所述长轴并通过根底延伸的短轴。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述螺纹包括：
在所述侧面过渡点处的约0.050至约0.061英寸的根部半宽；
约0.057至约0.061英寸的等效根半径；以及
约0.012至约0.020英寸的根部深度。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述螺纹包括：
约0.057至约0.059英寸的等效根半径；
相对于所述短轴的约24至约28.5度的第一侧面角；
约0.1至约0.2英寸的顶宽；以及
约3圈螺纹/英寸的螺距。
19.根据权利要求16所述的系统，其中，所述螺纹包括：
在所述侧面过渡点处的约0.050至约0.061英寸的根部半宽；
约0.057至约0.061英寸的等效根半径；
相对于所述短轴的约20至约30度的第一侧面角；
约0.012至约0.020英寸的根部深度；
约3圈螺纹/英寸的螺距；以及
约1.0至约1.5英寸收缩量/英尺的锥度。
20.根据权利要求16所述的系统，其中，所述螺纹包括：
在所述侧面过渡点处的约0.052至约0.055英寸的根部半宽；
约0.057至约0.059英寸的等效根半径；
相对于所述短轴的约24至约28.5度的第一侧面角；
约0.013至约0.016英寸的根部深度；
约3圈螺纹/英寸的螺距；以及
约1.0至约1.5英寸收缩量/英尺的锥度。
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