CN110107272B - 一种高聚能电脉冲解堵装置及操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高聚能电脉冲解堵装置，包括电极装置、过滤段和脉冲电源体；所述电极装置包括电极本体以及分别设在电极本体上的控制阀、第一密封圈、第二密封圈、阳电极和阴电极；所述阳电极和阴电极在电极本体内上下相对设置，所述第一密封圈、第二密封圈分别设在电极本体上下两侧，电极本体内设有连通孔，所述控制阀通过短管与连通孔连接，所述第一密封圈和第二密封圈为空心密封圈，且分别与连通孔连通；所述阳电极与脉冲电源体相连；所述阳电极外设有一绝缘环，所述过滤段套接在绝缘环上，且过滤段分别与电源体和电极装置相连。本发明能量利用率高、密封性能好、结构紧凑、操作便利，适用于油井解堵增产、煤层气、页岩气的开采等领域。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻采、煤层气、页岩气开采的电脉冲解堵技术领域，特别是 一种能量转换效率高、安全性好高聚能电脉冲解堵装置以及操作方法。
背景技术
在石油钻采过程中，因钻井过程的泥侵污染及油水混合物中的砂石、胶结物， 在油井长时间开采运行后会造成油井含油层孔隙堵塞或油水渗流通道变窄，导致 油井产油量日益降低，甚至出现停产。目前较常采用的油井解堵增产方式主要包 括超声波解堵、化学解堵(酸化)、水压裂等，水压裂及酸化(化学)解堵手段 在实际操作过程中会对地下水及岩层造成较大的污染，而超声波解堵技术受井下 超声波发生强度限制导致实际解堵效果难达预期。
基于“液电效应”的电脉冲解堵技术因其采用物理法可有效清除近井地带机 械杂质、钻井泥浆和沉积、破坏盐类沉积、形成不闭合微裂缝，在油气田增产、 页岩气与煤层气开采等领域得到较为广泛应用。专利公开号为105952426A名称 为“一种基于液电脉冲激波的油井解堵增产装置”(申请号：201610471227.3) 公开了一种井下电脉冲解堵装置，设计了封装于胶膜内具有聚焦功能的放电电极 结构，但该结构因放电电极封装胶膜内，放电过程“液电效应”产生的脉冲冲击 波需先在胶膜内液体中传播，然后通过胶膜作用于油井内油水介质，再对油井射 孔进行解堵，采用该技术方案虽可避免油井介质对放电电极的污染，但会加速“液 电效应”产生冲击波的衰减，使作用于油井液体的有效能量降低，同时放电电极 与油井内壁间存在环形间隙，由胶膜传递过来的冲击波能量很大部分会通过环形间隙被井内油水混合物吸收，实际通过射孔作用于油层的冲击能量有限，终使电 脉冲解堵装置的能量利用率低，解堵效果差甚至失效。
发明内容
发明目的：针对现有电脉冲解堵技术的缺陷或不足，本发明的目的在于提供 一种结构紧凑、能量利用效率高、操作简便的高聚能电脉冲解堵装置以及其操作 方法，特别适用于油井、页岩气、煤层气开采的电脉冲解堵、致裂应用场合需求。
技术方案：实现本发明目的的技术解决方案为：
本发明提供了的方案之一：一种高聚能电脉冲解堵装置，包括电极装置、过 滤段和脉冲电源体；所述电极装置包括电极本体以及分别设在电极本体上的控制 阀、第一密封圈、第二密封圈、阳电极和阴电极；所述阳电极和阴电极在电极本 体内上下相对设置，所述第一密封圈、第二密封圈分别设在电极本体上下两侧， 电极本体内设有连通孔，所述控制阀通过短管与连通孔连接，所述第一密封圈和 第二密封圈为空心密封圈，且分别与连通孔连通；所述阳电极与脉冲电源体相连； 所述阳电极外设有一绝缘环，所述过滤段套接在绝缘环上，且过滤段分别与电源 体和电极装置相连。
进一步地，所述过滤段包括过滤连接体，设在过滤连接体侧面的过滤网，分 别设在过滤连接体两端的过滤段第一连接螺纹和过滤段第二连接螺纹。
进一步地，所述脉冲电源体的一端部设有电缆，另一端设有脉冲电源连接螺 纹和连接端子，通过连接端子与阳电极固定相连，通过脉冲电源连接螺纹与过滤 段固定连接。
进一步地，所述的电极本体由电极上端板、电极下端板、第一支撑柱、第二 支撑柱构成，电极上端板及电极下端板通过第一支撑柱、第二支撑柱轴向连接构 成一体化电极本体。
进一步地，所述的电极上端板开设有同轴绝缘安装孔，在绝缘安装孔内安装 有高压绝缘环；所述的高压绝缘环为空心圆柱体结构，阳电极安装于高压绝缘环 的内环腔体内，通过高压绝缘环实现与电极本体的电绝缘。
进一步地，所述的阴电极安装于电极下端板上端面中心位置，与电极本体共 同构成高聚能电脉冲解堵电极装置的阴极；所述的阴电极与阳电极同轴，且间距 可调。
进一步地，所述的电极上端板的外圆柱面上开设有第一环形半圆槽，在所述 的第一环形半圆槽的槽面内开有第一通孔。
进一步地，所述的电极下端板的外圆柱面上开设有第二环形半圆槽，在所述 的第二环形半圆槽的槽面内开有第二通孔。
进一步地，所述的一种高聚能电脉冲解堵装置，所述的电极本体轴向开有连 通孔，所述的连通孔自上而下依次穿过电极上端板、第一支撑柱及电极下端板， 并分别与所述的第一通孔、第二通孔联通；所述的连通孔在电极下端板的下端面 封闭。
进一步地，所述的一种高聚能电脉冲解堵装置，所述的控制阀通过短管与位 于电极上端板的上端面出口的连通孔连接。
进一步地，所述的一种高聚能电脉冲解堵装置，所述的第一密封圈及第二密 封圈为软体环状空心密封圈，在所述的第一密封圈上设有与密封圈空腔联通的第 一连接嘴；在所述的第二密封圈上设有与密封圈空腔联通的第二连接嘴。
进一步地，所述的一种高聚能电脉冲解堵装置，在所述的第一密封圈安装于 第一环形半圆槽的槽面内，所述的第一连接嘴通过第一通孔与连通孔密封连接。
进一步地，所述的一种高聚能电脉冲解堵装置，在所述的第二密封圈安装于 第二环形半圆槽的槽面内，所述的第二连接嘴通过第二通孔与连通孔密封连接。
此外，本发明还提供了第二方案，即一种基于所述的高聚能电脉冲解堵电极 装置的解堵方法，所述方法步骤包括：
S1：下井前开启控制阀，通过抽真空设备将第一密封圈、第二密封圈内抽真 空，然后关闭控制阀；
S2：高聚能电脉冲解堵装置下井至工作段后，开启控制阀，油井钢套管内的 油水混合液通过过滤段过滤后经控制阀、短管、连通孔、第一连接嘴、第二连接 嘴分别进入第一密封圈及第二密封圈的内腔中，当第一密封圈、第二密封圈充满 液体后，关闭控制阀，处于液体充盈状态的第一密封圈、第二密封圈将油井钢套 管与电极本体间的环形空间填充密封，在第一密封圈、第二密封圈及油井钢套管 间形成密封腔体；
S3：根据电脉冲解堵作业流程，实施电脉冲解堵作业，阳电极与阴电极放电 过程在S2所述的密闭腔体内液体中产生脉冲冲击波，并通过射孔作用于岩层， 实现油井的解堵目的；
S4：在S3作业面完成解堵作业后，开启控制阀，提升高聚能电脉冲解堵装 置，在油井钢套管的挤压及第一密封圈、第二密封圈与油井钢套管内液体间压差 作用下，第一密封圈、第二密封圈内的液体被挤压排出，第一密封圈、第二密封 圈处于液体非充盈的自由状态，实现高聚能电脉冲解堵装置的升井。
有益效果：通过本发明所构思的上述技术方案，与现有技术相比，具有如下 有益的效果：
1、能量利用效率高：本发明在放电电极上下圆柱端面外沿设置中空柔性密 封圈，在电极处于作用段作业时，密封圈内腔充满液体处于充盈状态，并与油井 内壁紧密接触，在油井内壁及上下密封圈间形成密封腔体，处于密封腔体内的放 电电极(阴极与阳极)放电过程产生的冲击波聚集于该密闭腔体内，冲击波能量 通过密闭腔体段的射孔直接作用于油层，进行解堵。采用本发明结构，在电极放 电过程产生的冲击波被局限于密闭腔体内直接作用射孔，减少电极体与井壁间环 隙的冲击波轴向能量泄漏损失，有效提高电极放电过程能量的利用效率，进一步 提高解堵效能。
2、密封性能好：本发明提供的柔性中空密封圈处于充盈状态后，液体通道 控制阀关闭，电极上下密封圈与油井钢套管内壁紧密接触，形成密封。在电极放 电冲击波产生后，上下密封圈处于密闭腔体内的外表面受到油井内轴向液体压力 产生径向变形，使密封圈与油井内壁进一步压紧，加强上下密封圈与油井钢套管 内壁间的密封，有利于提高脉冲冲击波的利用率。
3、结构紧凑，操作简便：本发明提供的带密封装置的放电电极，在下井前 将上下密封圈抽真空，关闭控制阀，使上下密封圈处于扁平状态，便于电极的下 井作业；在电极达油井作业段面时，开启控制阀，油井内液体经过滤后由连通孔 进入上下密封圈内腔，并使其处于充盈状态，此时关闭控制阀，上下密封圈与油 井内壁处于接触密封状态。在完成作业升井时，开启控制阀，利用升井过程密封 圈与井壁间的挤压及密封圈内腔与所处深度油井内液体间的压差排除密封圈内 腔内的液体，实现电极的升井。
4、本发明通过过滤段对油水混合液进行过滤，且与脉冲电源之间结合设置 牢固，拆卸和作业方便。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为脉冲电源体结构示意图。
图3是过滤段结构示意图。
图4为电极装置示意图。
图5为图1所示实施例的外形图。
图6a为本发明提供的电极本体结构图。
图6b为图3剖面图。
图7为本发明高聚能电脉冲解堵电极井下安装示意图。
图8a为本发明提供的第一、第二密封圈结构示意图。
图8b为图8a剖面图。
图9为电极本体另一侧面结构示意图。
图中，1-阳电极，2-控制阀，3-短管，4-第一密封圈，401-第一连接嘴，5-第 二密封圈，501-第二连接嘴，6-电极本体，601-电极上端板，602-绝缘安装孔， 603-连通孔，604-第一通孔，605-第一环形半圆槽，606-第一支撑柱，607-第二 通孔，608-电极下端面，609-第二环形半圆槽，610-第二支撑柱，611-电极体连 接螺纹，7-阴电极，8-绝缘环，9-岩层，10-水泥环，11-油井钢套管，12-脉冲电 源体，121-电缆，122-脉冲电源连接螺纹，123-脉冲电源连接端子，13-过滤段， 131-过滤网；132-过滤段连接体；13-过滤段第一连接螺纹；134-过滤段第二连接 螺纹；14-电极装置，15-射孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
如图1、4和5所示，一种高聚能电脉冲解堵装置，包括电极装置14、过滤 段13和脉冲电源体12；所述电极装置14包括电极本体6以及分别设在电极本 体6上的控制阀2、第一密封圈4、第二密封圈5、阳电极1和阴电极7；阳电极 1和阴电极7在电极本体6内上下相对设置，第一密封圈4、第二密封圈5分别 设在电极本体6的外周的上下两侧，电极本6内设有连通孔603，控制阀2通过 短管3与连通孔603连接，第一密封圈44和第二密封圈5为空心密封圈，且分 别与连通孔603连通。所述阳电极1与脉冲电源体12相连；所述阳电极1外设 有一高压绝缘环8，所述过滤段套接在高压绝缘环8上，且过滤段13分别与脉 冲电源体12和电极装置14相连。
如图3所示，所述过滤段13包括过滤连接体132，设在过滤连接体132侧 面的过滤网131，分别设在过滤连接体132两端的过滤段第一连接螺纹133和过 滤段第二连接螺纹134。过滤段第一连接螺纹133与电极体连接螺纹611实现连 接固定，过滤段第二连接螺纹134与脉冲电源连接螺纹122实现连接固定。
如图2所示，所述脉冲电源体12的一端部设有电缆121，另一端设有脉冲 电源连接螺纹122和连接端子123，通过连接端子123与阳电极1固定相连，通 过脉冲电源连接螺纹122与过滤段13固定连接。
如图6a、6b所示，电极本体6由电极上端板601、电极下端板608、第一支 撑柱606、第二支撑柱610构成，电极上端板601及电极下端板608通过第一支 撑柱606、第二支撑柱610轴向连接构成一体化电极本体6。所述的上端板601 中心位置开设圆形绝缘安装孔602，空心圆柱体结构的高压绝缘环8安装于绝缘 安装孔602内，阳电极1安装于高压绝缘环8的内环腔体内，通过高压绝缘环8 实现与电极本体6的电绝缘。所述的阴电极7安装于电极下端板608上端面中心 位置，与电极本体6共同构成高聚能电脉冲解堵电极装置的阴极；所述的阴电极 7与阳电极1同轴，且间距可调。所述的电极上端板601的外圆柱面上开设有第 一环形半圆槽605，在所述的第一环形半圆槽605的槽面内开有第一通孔604。 所述的电极下端板608的外圆柱面上开设有第二环形半圆槽609，在所述的第二 环形半圆槽609的槽面内开有第二通孔607。所述的电极本体6轴向开有连通孔 603，所述的连通孔603自上而下依次穿过电极上端板601、第一支撑柱606及 电极下端板608，并分别与所述的第一通孔604、第二通孔607联通；所述的连 通孔603在电极下端板608的下端面封闭。所述的控制阀2通过短管3与位于电 极上端板601的上端面的连通孔603的出口连接。
如图8a、8b所示，所述的第一密封圈4及第二密封圈5为软体环状空心密 封圈，在所述的第一密封圈4上设有与密封圈空腔联通的第一连接嘴401；在所 述的第二密封圈5上设有与密封圈空腔联通的第二连接嘴501。第一密封圈4安 装于第一环形半圆槽605的槽面内，所述的第一连接嘴401通过第一通孔604 与连通孔603密封连接；所述的第二密封圈5安装于第二环形半圆槽609的槽面 内，所述的第二连接嘴501通过第二通孔607与连通孔603密封连接。
在具体实施过程中，如图7所示，将所述的高聚能电脉冲解堵电极装置14 通过过滤段13与脉冲电源12连接构成高聚能电脉冲解堵装置，脉冲电源12为 电脉冲解堵电极装置14提供能量，过滤段13通过短管3和控制阀2与连通孔 603连通，沿油井钢套管11投放至工作段，使射孔15处于第一密封圈4与第二 密封圈5之间位置，井内液体经过滤段13过滤后依次控制阀2、短管3、连通孔 603及第一连接嘴401、第二连接嘴501分别进入第一密封圈4及第二密封圈5 的内腔；所述的第一密封圈4及第二密封圈5充满液体后，关闭控制阀2，第一 密封圈4及第二密封圈5外沿分别与油井钢套管11的内壁面接触，形成上下环 形端面的密封，实现脉冲冲击波在密闭空间的聚能，提高冲击波能量利用率。
具体操作方法如下：
第一步：下井前开启控制阀2，通过抽真空设备将第一密封圈4、第二密封 圈5内抽真空，然后关闭控制阀2；
第二步：高聚能电脉冲解堵装置下井至工作段后，开启控制阀2，油井钢套 管11内的油水混合液通过过滤段13过滤后经控制阀2、短管3、连通孔603、 第一连接嘴401、第二连接嘴501分别进入第一密封圈4及第二密封圈5的内腔 中，当第一密封圈4、第二密封圈5充满液体后，关闭控制阀2，处于液体充盈 状态的第一密封圈4、第二密封圈5将油井钢套管11与电极本体6间的环形空 间填充密封，在第一密封圈4、第二密封圈5及油井钢套管11间形成密封腔体。
第三步：根据电脉冲解堵作业流程，实施电脉冲解堵作业，阳电极1与阴电 极7放电过程在第二步所述的密闭腔体内液体中产生脉冲冲击波，并通过射孔 15作用于岩层9，实现油井的解堵目的。
第四步：在第三步作业面完成解堵作业后，开启控制阀2，提升高聚能电脉 冲解堵装置，在油井钢套管11的挤压及第一密封圈4、第二密封圈5与油井钢 套管11内液体间压差作用下，第一密封圈4、第二密封圈5内的液体被挤压排 出至油井钢套管11内，第一密封圈4、第二密封圈5处于液体非充盈的自由状 态，实现高聚能电脉冲解堵装置的升井。
本实施例中第一密封圈4、第二密封圈5在静置状态时，第一密封圈4、第 二密封圈5内液体压力与圈外油井钢套管11内液体静水压力相等，当电极升井 时，因电极所处井深降低，密封圈外液体(油井钢套管内液体)静压力降低，而 密封圈内压力为上一工作面井深对应静水压力，故升井时密封圈内液体压力大于 油井钢套管内液体压力，使得密封圈内液体在挤压及内外压差作用下被排出至油 井钢套管11内。
本实施例在放电电极上下圆柱端面外沿设置中空柔性密封圈，在电极处于作 用段作业时，密封圈内腔充满液体处于充盈状态，并与油井内壁紧密接触，在油 井内壁及上下密封圈间形成密封腔体，处于密封腔体内的放电电极放电过程产生 的冲击波聚集于该密闭腔体内，冲击波能量通过密闭腔体段的射孔直接作用于油 层，进行解堵，在电极放电过程产生的冲击波被局限于密闭腔体内直接作用射孔， 减少电极体与井壁间环隙的冲击波轴向能量泄漏损失，有效提高电极放电过程能 量的利用效率，进一步提高解堵效能。
此外，本实施例提供的柔性中空密封圈处于充盈状态后，液体通道控制阀关 闭，电极上下密封圈与油井钢套管11内壁紧密接触，形成密封。在电极放电冲 击波产生后，上下密封圈处于密闭腔体内的外表面受到油井内轴向液体压力产生 径向变形，使密封圈与油井内壁进一步压紧，加强上下密封圈与油井钢套管11 内壁间的密封，有利于提高脉冲冲击波的利用率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高聚能电脉冲解堵装置，其特征在于：包括电极装置(14)、过滤段(13)和脉冲电源体(12)；所述电极装置(14)包括电极本体(6)以及分别设在电极本体(6)上的控制阀(2)、第一密封圈(4)、第二密封圈(5)、阳电极(1)和阴电极(7)；所述阳电极(1)和阴电极(7)在电极本体(6)内上下相对设置，所述第一密封圈(4)、第二密封圈(5)分别设在电极本体(6)上下两侧，电极本体(6)内设有连通孔(603)，所述控制阀(2)通过短管(3)与连通孔(603)连接，所述第一密封圈(4)和第二密封圈(5)为空心密封圈，且分别与连通孔(603)连通；所述阳电极(1)与脉冲电源体(12)相连；所述阳电极(1)外设有一绝缘环(8)，所述过滤段套接在绝缘环(8)上，且过滤段(13)分别与脉冲电源体(12)和电极装置(14)相连。
2.根据权利要求1所述的一种高聚能电脉冲解堵装置，其特征在于：所述过滤段(13)包括过滤连接体(132)，设在过滤连接体(132)侧面的过滤网(131)，分别设在过滤连接体(132)两端的过滤段第一连接螺纹(133)和过滤段第二连接螺纹(134)。
3.根据权利要求1或2所述的一种高聚能电脉冲解堵装置，其特征在于：所述脉冲电源体(12)的一端部设有电缆(121)，另一端设有脉冲电源连接螺纹(122)和连接端子(123)，通过连接端子(123)与阳电极(1)固定相连，通过脉冲电源连接螺纹(122)与过滤段(13)固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种高聚能电脉冲解堵装置，其特征在于：所述电极本体(6)包括电极上端板(601)、电极下端板(608)、第一支撑柱(606)和第二支撑柱(610)；所述电极上端板(601)及电极下端板(608)分别通过第一支撑柱(606)、第二支撑柱(610)轴向连接构成一体化电极本体(6)。
5.根据权利要求4所述的一种高聚能电脉冲解堵装置，其特征在于：所述电极上端板(601)开设有同轴绝缘安装孔(602)，所述绝缘环(8)安装在绝缘安装孔(602)内；所述绝缘环(8)为空心圆柱体结构。
6.根据权利要求3所述的一种高聚能电脉冲解堵装置，其特征在于：所述阳电极(1)安装于绝缘环(8)的内环腔体内，通过绝缘环(8)实现与电极本体(6)的电绝缘；所述的阴电极(7)安装于电极下端板(608)上端面中心位置，与电极本体(6)共同构成高聚能电脉冲解堵电极装置的阴极；所述的阴电极(7)与阳电极(1)同轴，且间距可调。
7.根据权利要求4所述的一种高聚能电脉冲解堵装置，其特征在于：所述电极上端板(601)的外圆柱面上开设有第一环形半圆槽(605)，所述第一环形半圆槽(605)的槽面内开有第一通孔(604)；所述电极下端板(608)的外圆柱面上开设有第二环形半圆槽(609)，在所述第二环形半圆槽(609)的槽面内开有第二通孔(607)；所述的第一密封圈(4)安装于第一环形半圆槽(605)的槽面内，第一连接嘴(401)通过第一通孔(604)与连通孔(603)密封连接；所述的第二密封圈(5)安装于第二环形半圆槽(609)的槽面内，第二连接嘴(501)通过第二通孔(607)与连通孔(603)密封连接。
8.根据权利要求7所述的一种高聚能电脉冲解堵装置，其特征在于：所述连通孔(603)自上而下依次穿过电极上端板(601)、第一支撑柱(606)及电极下端板(608)，并分别与所述的第一通孔(604)、第二通孔(607)联通；所述连通孔(603)在电极下端板(608)的下端面封闭。
9.根据权利要求8所述的一种高聚能电脉冲解堵装置，其特征在于：所述的控制阀(2)与连通孔(603)位于电极上端板(601)的上端面出口连接；所述的第一密封圈(4)及第二密封圈(5)为软体环状空心密封圈，在所述的第一密封圈(4)上设有与密封圈空腔联通的第一连接嘴(401)；在所述的第二密封圈(5)上设有与密封圈空腔联通的第二连接嘴(501)。
10.一种基于权利要求1～9中任一项所述的高聚能电脉冲解堵电极装置的操作方法，其特征在于：所述方法步骤包括：
S1：下井前开启控制阀(2)，通过抽真空设备将第一密封圈(4)、第二密封圈(5)内抽真空，然后关闭控制阀(2)；
S2：高聚能电脉冲解堵装置下井至工作段后，使射孔( 15) 处于第一密封圈( 4) 与第二密封圈( 5) 之间位置，开启控制阀(2)，油井钢套管(11)内的油水混合液通过过滤段(13)过滤后经控制阀(2)、短管(3)、连通孔(603)、第一连接嘴(401)、第二连接嘴(501)分别进入第一密封圈(4)及第二密封圈(5)的内腔中，当第一密封圈(4)、第二密封圈(5)充满液体后，关闭控制阀(2)，处于液体充盈状态的第一密封圈(4)、第二密封圈(5)将油井钢套管(11)与电极本体(6)间的环形空间填充密封，在第一密封圈(4)、第二密封圈(5)及油井钢套管(11)间形成密封腔体；
S3：根据电脉冲解堵作业流程，实施电脉冲解堵作业，脉冲电源体(12)提供电源，阳电极(1)与阴电极(7)放电过程在S2所述的密封腔体内液体中产生脉冲冲击波，并通过射孔(15)作用于岩层(9)，实现油井的解堵目的；
S4：在S3作业面完成解堵作业后，开启控制阀(2)，提升高聚能电脉冲解堵装置，在油井钢套管(11)的挤压及第一密封圈(4)、第二密封圈(5)与油井钢套管(11)内液体间压差作用下，第一密封圈(4)、第二密封圈(5)内的液体被挤压排出，第一密封圈(4)、第二密封圈(5)处于液体非充盈的自由状态，实现高聚能电脉冲解堵装置的升井。
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