CN108197377B - 气液两相节流临界流计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种气液两相节流临界流计算方法及装置，属于流体测量技术领域。该方法首先获取临界流参数信息，所述临界参数信息包括气嘴有效节流面积A_eff、井口温度T_wh、气嘴上游压力ρ_wh、气嘴上下游压力比R、气嘴上游气体偏差系数Z，所述有效节流面积A_eff基于修正系数ε_w获得；然后将所述临界流参数信息输入预先建立的两相节流模型以计算气液两相节流临界流量，从而本方法可基于临界流参数信息可精确计算出气液两相节流临界流量。

Description

气液两相节流临界流计算方法及装置

技术领域

本发明涉及流体测量技术领域，具体而言，涉及一种气液两相节流临界流计算方法及装置。

背景技术

针对高气液比雾状流动气井，将液相通过密度修正的方式代入气相作为复合气体，在气体单相节流模型基础上，充分考虑复合气体-水混合物的气液两相节流，最终得到了适用于高气液比气井的两相节流模型。

1、若压裂液在节流嘴中的流态未达到雾状流，会导致计算的临界节流流量高于实测气体流量。

2、高气液比雾状流节流模型未考虑压裂液返排流量与有效节流面积的影响。

从涪陵页岩气分段压裂水平井产能试井测试数据质量上看，由于采用的是孔板流量计计量使得气体流量计量相对准确，而节流上游温度和压裂液流量的数据质量相对较低或部分缺失，为精确计算气井节流临界流量带来了极大挑战。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种气液两相节流临界流计算方法及装置，以改善上述问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种气液两相节流临界流计算方法，所述方法包括：获取临界流参数信息，所述临界流参数信息包括气嘴有效节流面积A_eff、井口温度T_wh、气嘴上游压力ρ_wh、气嘴上下游压力比R、气嘴上游气体偏差系数Z，所述有效节流面积A_eff基于修正系数ε_w获得；将所述临界流参数信息输入预先建立的两相节流模型以计算气液两相节流临界流量。

进一步地，所述两相节流模型为

其中，q_g为通过气嘴的气液两相节流临界流量，所述气嘴有效节流面积A_eff由A_eff＝ε_wA_c计算获得，其中，ε_w为修正系数，A_c为气嘴节流面积；C_d为气嘴流量系数，P_wh为气嘴上游压力，F_m为单相气体密度与混合气体密度之比，T_wh为井口温度，R为气嘴上下游压力之比，K为气体绝热指数，Z为气嘴上游气体偏差系数，γ_m为复合气体相对密度。

进一步地，所述气嘴有效节流面积A_eff由

计算获得，其中，D_c为气嘴尺寸。

进一步地，所述修正系数ε_w由

x_g计算获得，其中，ρ_m为混合气体密度，ρ_g为单相气体密度，x_g为标况下气体体积分数。

进一步地，所述标况下气体体积分数x_g由

计算获得，其中，ρ_w为水相密度。

进一步地，所述混合气体密度ρ_m由ρ_m＝ρ_g(1-H_l)+ρ_wH_l计算获得，其中，H_l为无滑脱持液率。

进一步地，所述无滑脱持液率H_l由

计算获得，其中，Q_g为气井产气量，Q_w为气井产水量。

进一步地，所述单相气体密度ρ_g由

计算获得，其中，P为临界压力，Z为气嘴上游气体偏差系数，R为气嘴上下游压力之比，M为单相气体分子量，T为页岩气临界温度。

进一步地，所述井口温度T_wh由T_wh＝13.844Q_g ^0.334计算获得。

第二方面，本发明实施例提供了一种气液两相节流临界流计算装置，所述装置包括：信息获取模块，用于获取临界流参数信息，所述临界流参数信息包括气嘴有效节流面积A_eff、井口温度T_wh、气嘴上游压力ρ_wh、气嘴上下游压力比R、气嘴上游气体偏差系数Z，所述有效节流面积A_eff基于修正系数ε_w获得；临界流量获取模块，用于将所述临界流参数信息输入预先建立的两相节流模型以计算气液两相节流临界流量。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例提供的一种气液两相节流临界流计算方法及装置，首先获取临界流参数信息，所述临界参数信息包括气嘴有效节流面积A_eff、井口温度T_wh、气嘴上游压力ρ_wh、气嘴上下游压力比R、气嘴上游气体偏差系数Z，所述有效节流面积A_eff基于修正系数ε_w获得；然后将所述临界流参数信息输入预先建立的两相节流模型以计算气液两相节流临界流量，从而本方法可基于临界流参数信息可精确计算出气液两相节流临界流量。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了一种可应用于本申请实施例中的电子设备的结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种气液两相节流临界流计算方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的一种目标生产井单日产气量与井口温度的数据关系图；

图4为本发明实施例提供的一种单日产气量与井口温度的关系图；

图5为本发明实施例提供的一种圆形孔眼的油嘴的嘴流示意图；

图6为本发明实施例提供的嘴流特性曲线示意图；

图7为本发明实施例提供的一种气液两相节流临界流计算装置的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参照图1，图1示出了一种可应用于本申请实施例中的电子设备100的结构框图。电子设备100可以包括气液两相节流临界流计算装置、存储器101、存储控制器102、处理器103、外设接口104、输入输出单元105、音频单元106、显示单元107。

所述存储器101、存储控制器102、处理器103、外设接口104、输入输出单元105、音频单元106、显示单元107各元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。所述气液两相节流临界流计算装置包括至少一个可以软件或固件(firmware)的形式存储于所述存储器101中或固化在所述气液两相节流临界流计算装置的操作系统(operating system，OS)中的软件功能模块。所述处理器103用于执行存储器101中存储的可执行模块，例如所述气液两相节流临界流计算装置包括的软件功能模块或计算机程序。

其中，存储器101可以是，但不限于，随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-OnlyMemory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。其中，存储器101用于存储程序，所述处理器103在接收到执行指令后，执行所述程序，前述本发明实施例任一实施例揭示的流过程定义的服务器所执行的方法可以应用于处理器103中，或者由处理器103实现。

处理器103可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器103可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器103也可以是任何常规的处理器等。

所述外设接口104将各种输入/输出装置耦合至处理器103以及存储器101。在一些实施例中，外设接口104，处理器103以及存储控制器102可以在单个芯片中实现。在其他一些实例中，他们可以分别由独立的芯片实现。

输入输出单元105用于提供给用户输入数据实现用户与所述服务器(或本地终端)的交互。所述输入输出单元105可以是，但不限于，鼠标和键盘等。

音频单元106向用户提供音频接口，其可包括一个或多个麦克风、一个或者多个扬声器以及音频电路。

显示单元107在所述电子设备100与用户之间提供一个交互界面(例如用户操作界面)或用于显示图像数据给用户参考。在本实施例中，所述显示单元107可以是液晶显示器或触控显示器。若为触控显示器，其可为支持单点和多点触控操作的电容式触控屏或电阻式触控屏等。支持单点和多点触控操作是指触控显示器能感应到来自该触控显示器上一个或多个位置处同时产生的触控操作，并将该感应到的触控操作交由处理器103进行计算和处理。

所述外设接口104将各种输入/输入装置耦合至处理器103以及存储器101。在一些实施例中，外设接口104，处理器103以及存储控制器102可以在单个芯片中实现。在其他一些实例中，他们可以分别由独立的芯片实现。

输入输出单元105用于提供给用户输入数据实现用户与处理终端的交互。所述输入输出单元105可以是，但不限于，鼠标和键盘等。

可以理解，图1所示的结构仅为示意，所述电子设备100还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。图1中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。

请参照图2，图2为本发明实施例提供的一种气液两相节流临界流计算方法的流程图，所述方法包括如下步骤：

步骤S110：获取临界流参数信息。

其中，临界流参数信息包括气嘴有效节流面积A_eff、井口温度T_wh、气嘴上游压力ρ_wh、气嘴上下游压力比R、气嘴上游气体偏差系数Z。

井口温度T_wh是指节流上游温度，节流上游温度是地面环境温度、气体在井筒中流动导致的摩擦热量以及井筒传热能力共同决定的，因此，节流上游温度的计算主要采用已测试的气体产量和井口温度关系回归出经验性公式进行研究，经过对数据资料的整流，删选出目标生产井单日产气量与井口温度的数据，如图3所示。

由图3可知，当生产井小于15×104m3/day时井口温度与气体产量无明显的直接相关关系。产水这一现象的原因主要是由于在较低产气量的条件下，地面环境温度、井筒传热能力对井口温度的影响不可忽略，使得井口温度与产气量无明显的可逆映射关系。

在去除部分异常井口温度数据点并对单日产气量与井口温度的关系进行函数拟合，如图4。

涪陵页岩气井日产气量高于15×104m3/day的井口压力符合幂函数回归关系，拟合函数表达式为：

T_wh＝13.844Q_g ^0.334 (1)

即井口温度T_wh可以由式(1)计算获得，其中，Q_g为气井产气量，该气井产气量可有数据统计后用户输入得到。

另外，气井是安装在井口的节流装置-油嘴，主要用于控制气井的产量。当气体通过油嘴突缩部件时，其流动规律基本一致即嘴流一致，图5示意了一圆形孔眼的油嘴。

若上游压力P₁保持不变，流量将达到最大值即临界流量，若P₂再进一步降低时，流量也不再增加，如图6所示。

所谓“临界流”是指流体在油嘴孔道里被加速到声速的流动状态，气液两相节流预测模型可以根据流体稳定流动能量方程推导出来，流体混合物流过气嘴等节流元件时，可以假设，忽略位能，且不对外做功，摩阻能损耗在总能量消耗的结构中很小，可以忽略不计，流体流动中各相速度相同。气液两相流体节流过程的稳定流动能量方程为：

其中，ρ_m为混合气体密度，u_m为混合气体密度。

然后引入节流绝热等熵过程和单位换算，推出高气液比条件下两相节流模型为：

其中，A_c为气嘴节流面积，mm²；C_d为气嘴流量系数；P_wh为气嘴上游压力，MPa；F_m为单相气体密度与混合气体密度之比；T_wh为井口温度，K；R为气嘴上下游压力之比，R＝p₁/p₂；K为气体绝热指数，对天然气可取1.3；Z为气嘴上游气体偏差系数，γ_m为复合气体相对密度。

气嘴面积A_c为油嘴尺寸为d的圆形面积，在单相的条件下计算公式为：

而在较高产水量的条件下，由于水相并不一定案子拟单相流(水相位雾状流)通过节流嘴。在不改变模型基本结构的条件下提高该模型的适用范围，对气嘴面积A_c进行修正，定义为气嘴有效节流面积A_eff，其表达式为：

A_{c_eff}＝ε_wA_c (5)

式中修正系数ε_w表示由于压裂液反排导致的节流有效流通面积变化率，该修正参数与节流面温度、压裂和气相质量比相关，即

将气体密度表达式和标况下气体体积分数x_g代入式(6)中简化可得：

考虑节流修正参数，所以最终式(3)的两相节流模型变为：

步骤S120：将所述临界流参数信息输入预先建立的两相节流模型以计算气液两相节流临界流量。

本实施例中，两相节流模型为式(8)可得：

其中，q_g为通过气嘴的流量，A_eff为气嘴有效节流面积，C_d为气嘴流量系数，P_wh为气嘴上游压力，F_m为单相气体密度与混合气体密度之比，T_wh为井口温度，R为气嘴上下游压力之比，K为气体绝热指数，Z为偏差因子，即气嘴上游气体偏差系数，γ_m为复合气体相对密度。

所以可将获取的临界流参数信息带入式(9)，从而计算可得气液两相节流临界流量。

所述气嘴有效节流面积A_eff由式(10)计算获得，式(10)为

其中，ε_w为修正系数，D_c为气嘴尺寸。

上述两相节流模型在建立的过程如下：

(1)首先依据涪陵页岩气井试采期间产能试井原始资料整理出气井参数信息，即获取气井参数信息，该气井参数信息包括气井产气量Q_g、产水量Q_w、井口压力P_wh以及油嘴尺寸D_c。

(2)计算井口温度T_wh，井口温度T_wh由式(C-1)计算获得，式(C-1)为：

T_wh＝13.844Q_g ^0.334 (C-1)

(3)设置下游压力初值P₂(0)、流量q_j(0)和循环计数参数初始值j＝0。

(4)j＝j+1，P₂(j)＝P₁-0.02×j×P₂(j-1)。

(5)涪陵页岩气临界温度为180K，临界压力为4.6MPa，运用气体偏差因子11参数法模型计算偏差因子(气嘴上游气体偏差系数)Z，气体偏差因子11参数法模型是在天然气行业中计算气体偏差因子的基本经验公式，即D-A-K方法，由于是现有技术，在此不再过多赘述。

(6)计算单相气体密度ρ_g，该单相气体密度可由式(C-2)计算获得，式(C-2)为：

其中，P为临界压力，其值可取4.6MPa，Z为偏差因子(气嘴上游气体偏差系数)，R为气嘴上下游压力之比，M为单相气体分子量，T为页岩气临界温度，其值为180K。

采用式(C-3)计算无滑脱持液率H_l，式(C-3)为：

其中，Q_g为气井产气量，Q_w为气井产水量。

采用式(C-4)计算混合气体密度ρ_m，式(C-4)为：

ρ_m＝ρ_g(1-H_l)+ρ_wH_l (C-4)

其中，ρ_w为水相密度。

(7)采用式(C-5)计算标况下气体体积分数x_g，式(C-5)为：

其中，ρ_w为水相密度。

(8)然后采用式(C-6)计算修正参数ε_w，式(C-6)为：

其中，ρ_m为混合气体密度，ρ_g为单相气体密度，x_g为标况下气体体积分数。

(9)采用式(C-7)计算气嘴有效节流面积A_eff，式(C-7)为：

其中，ε_w为修正系数，D_c为气嘴尺寸。

(10)从而可得出式(9)的两相节流模型变形为式(C-8)：

其中，q_g为通过气嘴的流量，A_eff为气嘴有效节流面积，C_d为气嘴流量系数，取值为0.8606；P_wh为气嘴上游压力，F_m为单相气体密度与混合气体密度之比，T_wh为井口温度，R为气嘴上下游压力之比，R＝p₂(j)/p₁；K为气体绝热指数，可取值为1.2999；Z为偏差因子(气嘴上游气体偏差系数)，γ_m为复合气体相对密度，g取9.8。

其中，

由于上述中需计算出气嘴上下游压力之比R的值，而该R值是处于变化的，如果上述计算出的q_g(j)大于q_g(j-1)，然后再重复上述过程(4)-(9)；如果q_g(j)小于或等于q_g(j-1)，则输出当前产气量q_g(j)为节流临界产气量。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法中的对应过程，在此不再过多赘述。

请参照图7，图7为本发明实施例提供的一种气液两相节流临界流计算装置200的结构框图，所述装置包括：

信息获取模块210，用于获取临界流参数信息，所述临界流参数信息包括气嘴有效节流面积A_eff、井口温度T_wh、气嘴上游压力ρ_wh、气嘴上下游压力比R、气嘴上游气体偏差系数Z，所述有效节流面积A_eff基于修正系数ε_w获得；

临界流量获取模块220，用于将所述临界流参数信息输入预先建立的两相节流模型以计算气液两相节流临界流量。

综上所述，本发明实施例提供的一种气液两相节流临界流计算方法及装置，首先获取临界流参数信息，所述临界参数信息包括气嘴有效节流面积A_eff、井口温度T_wh、气嘴上游压力ρ_wh、气嘴上下游压力比R、气嘴上游气体偏差系数Z，所述有效节流面积A_eff基于修正系数ε_w获得；然后将所述临界流参数信息输入预先建立的两相节流模型以计算气液两相节流临界流量，从而本方法可基于临界流参数信息可精确计算出气液两相节流临界流量。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (8)

1.一种气液两相节流临界流计算方法，其特征在于，所述方法包括：

获取临界流参数信息，所述临界流参数信息包括气嘴有效节流面积A_eff、井口温度T_wh、气嘴上游压力ρ_wh、气嘴上下游压力之比R、气嘴上游气体偏差系数Z，所述有效节流面积A_eff基于修正系数ε_w获得；

将所述临界流参数信息输入预先建立的两相节流模型以计算气液两相节流临界流量；所述气嘴有效节流面积A_eff由

计算获得，其中，D_c为气嘴尺寸，所述修正系数ε_w由

计算获得，其中，ρ_m为混合气体密度，ρ_g为单相气体密度，x_g为标况下气体体积分数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两相节流模型为

其中，q_g为通过气嘴的气液两相节流临界流量，所述气嘴有效节流面积A_eff由A_eff＝ε_wA_c计算获得，其中，ε_w为修正系数，A_c为气嘴节流面积；C_d为气嘴流量系数，P_wh为气嘴上游压力，F_w为单相气体密度与混合气体密度之比，T_wh为井口温度，R为气嘴上下游压力之比，K为气体绝热指数，Z为气嘴上游气体偏差系数，γ_m为复合气体相对密度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标况下气体体积分数x_g由

计算获得，其中，ρ_w为水相密度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述混合气体密度ρ_m由ρ_m＝ρ_g(1-H_l)+ρ_wH_l计算获得，其中，H_l为无滑脱持液率。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述无滑脱持液率H_l由

计算获得，其中，Q_g为气井产气量，Q_w为气井产水量。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述单相气体密度ρ_g由

计算获得，其中，P为临界压力，Z为气嘴上游气体偏差系数，R为气嘴上下游压力之比，M为单相气体分子量，T为页岩气临界温度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述井口温度T_wh由T_wh＝13.844Q_g ^0.334计算获得。

8.一种气液两相节流临界流计算装置，其特征在于，所述装置包括：

信息获取模块，用于获取临界流参数信息，所述临界流参数信息包括气嘴有效节流面积A_eff、井口温度T_wh、气嘴上游压力ρ_wh、气嘴上下游压力比R、气嘴上游气体偏差系数Z，所述有效节流面积A_eff基于修正系数ε_w获得；

临界流量获取模块，用于将所述临界流参数信息输入预先建立的两相节流模型以计算气液两相节流临界流量；所述气嘴有效节流面积A_eff由

计算获得，其中，D_c为气嘴尺寸，所述修正系数ε_w由

计算获得，其中，ρ_m为混合气体密度，ρ_g为单相气体密度，x_g为标况下气体体积分数。

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