CN109115895B - 一种页岩气压裂用助排剂的性能测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种页岩气压裂用助排剂的性能测试系统及方法，属于气田开发测试领域。测试系统包括：页岩气输送单元、反应单元、助排剂输送单元、监测单元、处理单元和控制单元。页岩气输送单元包括气源、流量控制模块和第一增压模块。反应单元包括反应容器、第一加热模块。助排剂输送单元包括：液体容器、第二加热模块、第二增压模块。监测单元包括第一温度和压力监测模块、第二温度和压力监测模块、流量监测模块。处理单元与第一增压模块、第一加热模块、第二加热模块、第二增压模块、调节阀、监测单元电连接。控制单元与处理单元电连接。本发明可以在符合实际要求的页岩气储层的温度和压力下进行，使得助排剂使用性能的测试准确可靠。
Description
技术领域
本发明涉及气田开发测试领域，特别涉及一种页岩气压裂用助排剂的性能测试系统及方法。
背景技术
页岩气的储层一般具有渗透率低和地层压力高等特点，而且，该类储层中页岩的纳米级孔隙空间发育较强(孔、洞、缝互相沟通)，大量的页岩气吸附在孔隙空间内。为了提高页岩气的产能，须采用压裂液对页岩气的储层进行压裂改造。在压裂改造过程中，压裂液中的助排剂将直接影响压裂作业的成本和效果。因此，为了选择合适的助排剂进行压裂作业，针对特定的页岩气储层，有必要对助排剂的使用性能进行测试。
现有技术通过在常温常压下直接对助排剂的表面张力和接触角进行测量，以判断助排剂的使用性能，进而以完成对助排剂使用性能的测试。
发明人发现现有技术至少存在以下问题：
由于现有技术是在常温常压下对助排剂进行性能测试，因此，无法模拟页岩气储层的温度和压力，导致测试效果较差。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供了一种对助排剂的性能测试效果较好的页岩气压裂用助排剂的性能测试系统及方法。具体技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种页岩气压裂用助排剂的性能测试系统，所述性能测试系统包括：页岩气输送单元、反应单元、助排剂输送单元；
所述页岩气输送单元包括：通过第一管线顺次连接的气源、流量控制模块和第一增压模块；
所述反应单元包括：盛放页岩样品的反应容器、设置在所述反应容器上的第一加热模块，所述反应容器通过所述第一管线与所述第一增压模块连接；
所述助排剂输送单元包括：盛放助排剂，并通过第二管线与所述反应容器连接的液体容器、设置在所述液体容器上的第二加热模块、设置在所述液体容器内的第二增压模块，所述第二管线上设置有截止阀；
监测单元，包括：设置在所述反应容器内的第一温度和压力监测模块、设置在所述液体容器内的第二温度和压力监测模块、通过第三管线与所述反应容器连接的流量监测模块；所述第三管线上设置有调节阀；
处理单元，与所述第一增压模块、所述第一加热模块、所述第二加热模块、所述第二增压模块、所述调节阀、所述监测单元电连接；
控制单元，与所述处理单元电连接。
具体地，作为优选，所述流量监测模块包括：设置在所述第三管线上的大量程流量计、设置在所述第三管线上且与所述大量程流量计串联的小量程流量计；
所述大量程流量计和所述小量程流量计均位于所述调节阀的下游。
具体地，作为优选，所述性能测试系统还包括：与所述第三管线连接，且设置在所述流量监测模块下游的气体回收单元。
具体地，作为优选，所述反应容器内设置有岩心夹持器。
具体地，作为优选，所述第一增压模块为气体增压机。
具体地，作为优选，所述第一加热模块和所述第二加热模块均为微控加热器。
具体地，作为优选，所述第二增压模块为液体增压器。
具体地，作为优选，所述第一温度和压力监测模块包括：分别与所述处理单元电连接的第一温度传感器和第一压力传感器；
所述第二温度和压力监测模块包括：分别与所述处理单元电连接的第二温度传感器和第二压力传感器。
第二方面，本发明实施例提供了利用上述测试系统对助排剂进行性能测试的方法，所述方法包括：
利用气源向第一管线中输送模拟页岩气，使用第一增压模块对所述模拟页岩气增压，并利用流量控制模块将预定量的所述模拟页岩气输送至反应容器内；
利用第一加热模块对所述模拟页岩气和盛放在所述反应容器内的页岩样品加热，进行第一吸附反应，在此过程中，使用第一温度和压力监测模块监测所述第一吸附反应的温度和压力，并将监测到的所述温度和压力的数据传输至处理单元进行处理，然后将处理结果传输至控制单元，所述控制单元根据所述处理结果对所述处理单元发出控制指令，以调节所述第一增压模块和所述第一加热模块，使所述第一吸附反应的温度和压力满足要求；
所述第一吸附反应结束后，利用第二加热模块和第二增压模块对液体容器内的助排剂加热、增压，在此过程中，使用第二温度和压力监测模块监测所述助排剂的温度和压力，并将监测到的温度和压力数据传输至所述处理单元进行处理，然后将处理结果传输至所述控制单元，所述控制单元根据所述处理结果对所述处理单元发出控制指令，以调节所述第二加热模块和所述第二增压模块，使所述助排剂的温度和压力满足进入所述反应容器的要求；
打开截止阀，使所述助排剂通过第二管线进入所述反应容器内，并与所述页岩样品进行第二吸附反应；
所述第二吸附反应结束后，关闭所述截止阀，利用所述控制单元向所述处理单元发出控制指令，控制调节阀打开，使所述模拟页岩气与所述页岩样品发生解吸反应，所述模拟页岩气通过第三管线流至流量监测模块，观察预设时间内所述模拟页岩气的流量变化，完成对所述助排剂使用性能的测试。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明实施例提供的页岩气压裂用助排剂的性能测试系统，通过设置页岩气输送单元、反应单元、助排剂输送单元、监测单元、处理单元和控制单元。并且在页岩气输送单元中设置第一增压模块，在反应单元中设置第一加热模块，通过处理单元和控制单元辅助实现模拟页岩气储层的温度和压力，并在该温度和压力下使模拟页岩气与页岩样品进行第一吸附反应，使助排剂与页岩样品进行第二吸附反应，并在第二吸附反应结束后通过打开调节阀对反应容器卸压，进行模拟页岩气从页岩样品中解吸的解吸反应。最后，通过对解吸反应过程中页岩气的排量进行实时测量，完成助排剂的性能测试。由于上述过程均可以在符合实际要求的页岩气储层的温度和压力下进行，使得助排剂使用性能的测试准确可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1是本发明实施例提供的页岩气压裂用助排剂的性能测试系统的结构框图。
附图标记分别表示：
1 页岩气输送单元，
101 气源，
102 流量控制模块，
103 第一增压模块，
2 反应单元，
201 反应容器，
202 第一加热模块，
203 调节阀，
3 助排剂输送单元，
301 液体容器，
302 第二加热模块，
303 第二增压模块，
304 截止阀，
401 流量监测模块，
4021 第一温度传感器，
4022 第一压力传感器，
4031 第二温度传感器，
4032 第二压力传感器，
5 处理单元，
6 控制单元，
7 气体回收单元。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
第一方面，本发明实施例提供了一种页岩气压裂用助排剂的性能测试系统，如附图1所示，该性能测试系统包括：页岩气输送单元1、反应单元2、助排剂输送单元3、监测单元、处理单元5和控制单元6。其中，页岩气输送单元1包括：通过第一管线顺次连接的气源101、流量控制模块102和第一增压模块103。反应单元2包括：盛放页岩样品的反应容器201、设置在反应容器201上的第一加热模块202，反应容器201通过第一管线与第一增压模块103连接。助排剂输送单元3包括：盛放助排剂，并通过第二管线与反应容器201连接的液体容器301、设置在液体容器301上的第二加热模块302、设置在液体容器301内的第二增压模块303，第二管线上设置有截止阀304。监测单元包括：设置在反应容器201内的第一温度和压力监测模块、设置在液体容器301内的第二温度和压力监测模块、通过第三管线与反应容器201连接的流量监测模块401，第三管线上设置有调节阀203。处理单元5与第一增压模块103、第一加热模块202、第二加热模块302、第二增压模块303、调节阀203、监测单元电连接。控制单元6与处理单元5电连接。
基于以上，就本发明实施例提供的页岩气压裂用助排剂的性能测试系统的工作原理给予概述如下：
通过气源101向第一管线中输送模拟页岩气，使用第一增压模块103对该模拟页岩气增压，并通过流量控制模块102控制模拟页岩气的输送量，当向反应容器201内输送预定量的模拟页岩气后，停止模拟页岩气的继续输送。
通过第一加热模块202对模拟页岩气和盛放在反应容器201内的页岩样品加热，进行第一吸附反应。在此过程中，第一温度和压力监测模块对第一吸附反应的温度和压力进行监测，并将监测到的温度和压力数据传输至处理单元5进行处理，其中，该处理过程包括：将温度和压力数据信息与第一吸附反应的温度和压力预设范围进行比较，并将比较结果传输至控制单元6。控制单元6根据该比较结果对处理单元5反馈调节反应容器201内吸附过程的温度和压力的控制指令。处理单元5接收到该控制指令后通过调节第一增压模块103和第一加热模块202，使第一吸附反应的温度和压力达到吸附过程的温度和压力预设范围。在上述所确定的温度和压力下，该模拟页岩气将充分吸附在页岩样品的表面和纳米级孔隙空间中。在第一吸附反应过程中，通过控制单元6将反应容器201内的温度和压力维持在一个恒定值，并且，调节阀203和截止阀304均处于关闭状态。
在第一吸附反应结束后，通过第二加热模块302和第二增压模块303对液体容器301内的助排剂加热、增压。在此过程中，第二温度和压力监测模块对助排剂的温度和压力进行监测，并将监测到的温度和压力数据传输至处理单元5进行处理，其中，该处理过程包括：将温度和压力数据信息与使助排剂进入反应容器201内的温度和压力预设范围进行比较，并将比较结果传输至控制单元6。控制单元6根据该比较结果对处理单元5反馈调节液体容器301内助排剂的温度和压力的控制指令。处理单元5接收到该控制指令后通过调节第二加热模块302和第二增压模块303，使助排剂的温度和压力满足进入反应容器201的要求。此时，打开截止阀304，使助排剂流经第二管线后进入反应容器201内，并与页岩样品进行第二吸附反应。在此过程中，调节阀203仍处于关闭状态。
在第二吸附反应结束后，关闭截止阀304，通过控制单元6向处理单元5发出控制指令，处理单元5接收到该控制指令后打开调节阀203，以对反应容器201卸压，使模拟页岩气与页岩样品发生解吸反应，模拟页岩气流入第三管线后流至流量监测模块401处。观察预设时间内流量监测模块401所监测的模拟页岩气流量的变化，根据助排剂对模拟页岩气流量的影响对助排剂的性能进行判断，完对助排剂使用性能的测试。
基于上述，本发明实施例提供的页岩气压裂用助排剂的性能测试系统，通过设置页岩气输送单元1、反应单元2、助排剂输送单元3、监测单元、处理单元5和控制单元6。并且在页岩气输送单元1中设置第一增压模块103，在反应单元2中设置第一加热模块202，通过处理单元5和控制单元6辅助实现模拟页岩气储层的温度和压力，并在该温度和压力下使模拟页岩气与页岩样品进行第一吸附反应，使助排剂与页岩样品进行第二吸附反应，并在第二吸附反应结束后通过打开调节阀203对反应容器201卸压，进行模拟页岩气从页岩样品中解吸的解吸反应。最后，通过对模拟页岩气与页岩样品分离过程中页岩气的排量进行实时测量，完成助排剂的性能测试。由于上述过程均可以在符合实际要求的页岩气储层的温度和压力下进行，使得助排剂使用性能的测试准确可靠。
其中，气源101指的是用于提供模拟页岩气的设备(如存放有模拟页岩气的储气罐等)。
流量控制模块102可以为流量控制阀，以保证其在第一管线上对模拟页岩气流量的控制。当需要向反应容器201内输送模拟页岩气时，流量控制模块102打开；当不需要向反应容器201内输送模拟页岩气时，将流量控制模块102关闭即可。在应用时，当气源101通过该流量控制阀向反应容器201输送预定量的模拟页岩气后，该流量控制阀关闭，并在后续测试过程中始终处于关闭状态。
反应容器201和液体容器301的结构可以为多种，举例来说，其可以为方形空腔结构、球形空腔结构等，只要能够满足盛放页岩样品、助排剂的条件即可。
在本发明实施例中，该性能测试系统还包括：与第三管线连接，且设置在流量监测模块401下游的气体回收单元7(参见附图1)。
通过设置气体回收单元7，将该气体回收单元7与第三管线连接，并设置在流量监测模块401下游，实现了对助排剂使用性能测试完成后的模拟页岩气的回收，从而避免了该模拟页岩气大量排放到空气中，造成环境污染，并产生安全隐患。
其中，气体回收单元7可以为：气体回收罐、气体回收瓶等。只要不影响助排剂正常的性能测试，又能够实现对模拟页岩气进行回收即可。
在本发明实施例中，流量监测模块401包括：设置在第三管线上的大量程流量计、设置在第三管线上且与大量程流量计串联的小量程流量计；大量程流量计和小量程流量计均位于调节阀203的下游。
通过在第三管线上设置大量程流量计和小量程流量计，使两个不同量程的流量计配合使用，便于对流量差较大的气体传输环境中的气体流量进行测量，提高了对该模拟页岩气测量的准确性。举例来说，当通过流量监测模块401的气体流量较大时，使用大量程流量计对其进行测量；而当通过流量监测模块401的气体流量较小时，则使用小量程流量计对其进行测量。并且，通过将大量程流量计和小量程流量计均设置在调节阀203的下游，保证了大量程流量计和小量程流量计在调节阀203打开的情况下才会进行工作。
为了便于页岩样品在反应容器201内的夹持固定，在反应容器201内设置有岩心夹持器。
其中，岩心夹持器为本领域所常见的，本领域技术人员通过市购即可获得，例如，其可以为宜兴市周墅宏达特种橡塑制品厂生产并销售的岩心夹持器。
为了保证对模拟页岩气增压的强度和稳定性，第一增压模块103优选为气体增压机。
其中，气体增压机为本领域所常见的，本领域技术人员通过市购即可获得，例如，其可以为济南思明特科技有限公司生产并销售的气体增压机。
为了在保证第一加热模块202和第二加热模块302对模拟页岩气、页岩样品、助排剂的加热效果的同时，使控制单元6对第一加热模块202和第二加热模块302的温度调节更加精确，进而提高助排剂的使用性能测试的效果，第一加热模块202和第二加热模块302均可以设置为微控加热器。
使用时，只需将微控加热器固定在反应容器201和液体容器301的外壁上，通过控制单元6对处理单元5发出控制指令，以调节第一加热模块202和第二加热模块302的加热温度即可。
其中，反应容器201和液体容器301均为可以导热的封闭容器。微控加热器为本领域所常见的，本领域技术人员通过市购即可获得，例如，其可以为宁波瑞德检测仪器有限公司生产并销售的微控便携式加热器。
为了保证对助排剂增压的强度和稳定性，将第二增压模块303优选为液体增压器。其中，液体增压器为本领域所常见的，本领域技术人员通过市购即可获得，例如，其可以为上海锦冉液压机电设备有限公司生产并销售的液体增压器。
在本发明实施例中，如附图1所示，第一温度和压力监测模块包括：分别通过信号线与处理单元5电连接的第一温度传感器4021和第一压力传感器4022；第二温度和压力监测模块包括分别通过信号线与处理单元5电连接的第二温度传感器4031和第二压力传感器4032。
通过在反应容器201内设置第一温度传感器4021和第一压力传感器4022，并使两个传感器分别与处理单元5电连接；在液体容器301内设置第二温度传感器4031和第二压力传感器4032，并使两个传感器分别与处理单元5电连接，便于实现对反应容器201内的页岩样品和模拟页岩气温度和压力的实时监测，以及对液体容器301内的助排剂的温度和压力的实时监测。并且，温度传感器和压力传感器均为本领域所常见的，购置方便，且对温度、压力的监测反馈效果较好。
第二方面，基于上述提供的测试系统，本发明实施例提供了利用该测试系统对助排剂进行性能测试的方法，具体地，该方法包括：
利用气源101向第一管线中输送模拟页岩气，使用第一增压模块103对模拟页岩气增压，利用流量控制模块102将预定量的模拟页岩气输送至反应容器201内；
利用第一加热模块202对模拟页岩气和盛放在反应容器201内的页岩样品加热，进行第一吸附反应，在此过程中，使用第一温度和压力监测模块监测第一吸附反应的温度和压力，并将监测到的温度和压力的数据传输至处理单元5进行处理，然后将处理结果传输至控制单元6，控制单元6根据该处理结果对处理单元5发出控制指令，以调节第一增压模块103和第一加热模块202，使第一吸附反应的温度和压力达到吸附过程的温度和压力预设范围；
第一吸附反应结束后，利用流量控制模块102停止向反应容器201内继续输送模拟页岩气，并使用第二加热模块302和第二增压模块303对液体容器301内的助排剂加热、增压，在此过程中，使用第二温度和压力监测模块监测助排剂的温度和压力，并将监测到的温度和压力数据传输至处理单元5进行处理，然后将处理结果传输至控制单元6，控制单元6根据处理结果对处理单元5发出控制指令，以调节第二加热模块302和第二增压模块303，使助排剂的温度和压力满足进入反应容器201的要求；
打开截止阀304，使助排剂通过第二管线进入反应容器201内，并与页岩样品进行第二吸附反应；
第二吸附反应结束后，关闭截止阀304，利用控制单元6向处理单元5发出控制指令，控制调节阀203打开，使模拟页岩气与页岩样品发生解吸反应，模拟页岩气通过第三管线流至流量监测模块401，观察预设时间内模拟页岩气的流量变化，完成对助排剂使用性能的测试。
基于本发明实施例提供的测试系统，通过使用上述方法进行对助排剂的使用性能进行测试，可以模拟页岩气与页岩样品发生吸附反应的温度和压力条件，以及页岩的纳米级孔隙空间，保证了测试效果较好。
其中，使第一吸附反应的温度和压力满足要求指的是：使第一温度和压力监测模块监测到的温度和压力达到发生第一吸附反应所需要的温度和压力。
解吸反应指的是：通过降低压力使模拟页岩气与页岩样品分离的反应。
在观察预定时间内模拟页岩气的流量变化之后，根据助排剂对模拟页岩气流量的影响对助排剂的性能进行判断，即可完成对助排剂使用性能的测试。
需要说明的是，调节第一增压模块103和第一加热模块202时，处理单元5产生的处理结果可以视为第一类处理结果；调节第二加热模块302和第二增压模块303时，处理单元5产生的处理结果可以视为第二类处理结果，两类处理结果并不相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的保护范围，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。
Claims (9)
1.一种页岩气压裂用助排剂的性能测试系统，其特征在于，所述性能测试系统包括：顺次连通的页岩气输送单元(1)、反应单元(2)、助排剂输送单元(3)；
所述页岩气输送单元(1)包括：通过第一管线顺次连接的气源(101)、流量控制模块(102)和第一增压模块(103)；
所述反应单元(2)包括：盛放页岩样品的反应容器(201)、设置在所述反应容器(201)上的第一加热模块(202)，所述反应容器(201)通过所述第一管线与所述第一增压模块(103)连接；
所述助排剂输送单元(3)包括：盛放助排剂，并通过第二管线与所述反应容器(201)连接的液体容器(301)、设置在所述液体容器(301)上的第二加热模块(302)、设置在所述液体容器(301)内的第二增压模块(303)，所述第二管线上设置有截止阀(304)；
监测单元，包括：设置在所述反应容器(201)内的第一温度和压力监测模块、设置在所述液体容器(301)内的第二温度和压力监测模块、通过第三管线与所述反应容器(201)连接的流量监测模块(401)；所述第三管线上设置有调节阀(203)；
处理单元(5)，与所述第一增压模块(103)、所述第一加热模块(202)、所述第二加热模块(302)、所述第二增压模块(303)、所述调节阀(203)、所述监测单元电连接；
控制单元(6)，与所述处理单元(5)电连接。
2.根据权利要求1所述的页岩气压裂用助排剂的性能测试系统，其特征在于，所述流量监测模块(401)包括：设置在所述第三管线上的大量程流量计、设置在所述第三管线上且与所述大量程流量计串联的小量程流量计；
所述大量程流量计和所述小量程流量计均位于所述调节阀(203)的下游。
3.根据权利要求1所述的页岩气压裂用助排剂的性能测试系统，其特征在于，所述性能测试系统还包括：与所述第三管线连接，且设置在所述流量监测模块(401)下游的气体回收单元(7)。
4.根据权利要求1所述的页岩气压裂用助排剂的性能测试系统，其特征在于，所述反应容器(201)内设置有岩心夹持器。
5.根据权利要求1所述的页岩气压裂用助排剂的性能测试系统，其特征在于，所述第一增压模块(103)为气体增压机。
6.根据权利要求1所述的页岩气压裂用助排剂的性能测试系统，其特征在于，所述第一加热模块(202)和所述第二加热模块(302)均为微控加热器。
7.根据权利要求1所述的页岩气压裂用助排剂的性能测试系统，其特征在于，所述第二增压模块(303)为液体增压器。
8.根据权利要求1所述的页岩气压裂用助排剂的性能测试系统，其特征在于，所述第一温度和压力监测模块包括：分别与所述处理单元(5)电连接的第一温度传感器(4021)和第一压力传感器(4022)；
所述第二温度和压力监测模块包括：分别与所述处理单元(5)电连接的第二温度传感器(4031)和第二压力传感器(4032)。
9.利用权利要求1-8任一项所述的测试系统对助排剂进行性能测试的方法，其特征在于，所述方法包括：
利用气源(101)向第一管线中输送模拟页岩气，使用第一增压模块(103)对所述模拟页岩气增压，利用流量控制模块(102)将预定量的所述模拟页岩气输送至反应容器(201)内；
关闭所述流量控制模块(102)，并且所述流量控制模块(102)在后续测试过程中始终处于关闭状态；
利用第一加热模块(202)对所述模拟页岩气和盛放在所述反应容器(201)内的页岩样品加热，进行第一吸附反应，在此过程中，使用第一温度和压力监测模块监测所述吸附反应的温度和压力，并将监测到的所述温度和压力的数据传输至处理单元(5)进行处理，然后将处理结果传输至控制单元(6)，所述控制单元(6)根据所述处理结果对所述处理单元(5)发出控制指令，以调节所述第一增压模块(103)和所述第一加热模块(202)，使所述吸附反应的温度和压力满足要求；
所述第一吸附反应结束后，利用第二加热模块(302)和第二增压模块(303)对液体容器(301)内的助排剂加热、增压，在此过程中，使用第二温度和压力监测模块监测所述助排剂的温度和压力，并将监测到的温度和压力数据传输至所述处理单元(5)进行处理，然后将处理结果传输至所述控制单元(6)，所述控制单元(6)根据所述处理结果对所述处理单元(5)发出控制指令，以调节所述第二加热模块(302)和所述第二增压模块(303)，使所述助排剂的温度和压力满足进入所述反应容器(201)的要求；
打开截止阀(304)，使所述助排剂通过第二管线进入所述反应容器(201)内，并与所述页岩样品进行第二吸附反应；
所述第二吸附反应结束后，关闭所述截止阀(304)，利用所述控制单元(6)向所述处理单元(5)发出控制指令，控制调节阀(203)打开，使所述模拟页岩气与所述页岩样品发生解吸反应，所述模拟页岩气通过第三管线流至流量监测模块(401)，观察预设时间内所述模拟页岩气的流量变化，完成对所述助排剂使用性能的测试。
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| 页岩气藏水平井分段压裂渗流特征数值模拟;张小涛等;《天然气工业》;20130331;第33卷(第03期);47-52 * |
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