CN111749655A - 一种海洋天然气水合物开采模拟传热过程实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海洋天然气水合物开采模拟传热过程实验装置及方法,包括:水合物开采模拟装置、海水加温装置、多相分离装置、气体供给装置、温控装置、数据采集装置、海水罐、储砂罐和储液罐;水合物开采模拟装置上设置有工作口、加砂口、进气口和排液口;海水加温装置的输入口与海水罐相连,输出口与水合物开采模拟装置的工作口相连;多相分离装置的入口与水合物开采模拟装置的工作口相连,液相出口、固相出口和气相出口分别与海水罐、储砂罐和气体供给装置相连;温控装置用于对水合物开采模拟装置内部进行降温;数据采集装置用于对水合物开采模拟装置内的温度和压力数据进行实时采集。本发明可以广泛应用于新能源开发实验技术领域。

Description

一种海洋天然气水合物开采模拟传热过程实验装置及方法
技术领域
本发明涉及一种海洋天然气水合物开采模拟传热过程实验装置及方法,具体适用于天然气水合物开采传热过程模拟,开采后气体分离收集等,属于新能源开发实验技术领域。
背景技术
天然气水合物是继页岩气、致密气、煤层气等之后潜力巨大的接替能源,我国仅南海的资源量就有约85万亿立方米。国家《能源技术革命创新行动计划》提出突破天然气水合物勘探开发关键技术,开展先导钻探和试采试验。根据天然气水合物砂岩型、砂岩裂隙型、脉状块状型、细粒裂隙型、分散型的赋存状态,水合物类型可以分为冻土砂岩水合物、海洋砂岩水合物、海洋粉砂质泥岩水合物、海洋脉状块状水合物、海洋泥质岩水合物,其中海洋水合物占90%以上。
由于海洋环境复杂,导致海洋水合物取样难度巨大、经济成本高,所以利用海洋中水合物进行实验是十分困难的,同时世界天然气水合物开采方法主要是通过降压、注热、注剂等常规油气开采方法将其井下气化后排采,该技术已经在冻土区和海域得到短期科研验证,但均面临防控砂、连续排采困难导致单井采收率极低,商业化、规模化开发难以实现。如何实现海洋浅表层天然气水合物经济高效的开采,是现在面临的一大难题,研究人员提出了一种海底浅表层天然气水合物移动立管式开采方法,然而针对该开采方法是否科学可行,海底传热过程是如何进行的,机理仍不明确,需要建立相关的实验装置进行研究。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的是提供一种海洋天然气水合物开采模拟传热过程实验装置及方法,旨在验证海底浅表层天然气水合物移动立管式开采方法是否可行,并探究其海底传热机制。
为实现上述目的,本发明采取以下技术方案:
本发明的第一个方面,是提供一种海洋天然气水合物开采模拟传热过程实验装置,其包括:
水合物开采模拟装置、海水加温装置、多相分离装置、气体供给装置、温控装置、数据采集装置、海水罐、储砂罐以及储液罐;
所述水合物开采模拟装置采用密闭装置,其上部设置有工作口和加砂口,下部设置有进气口和排液口;
所述海水加温装置的输入口与所述海水罐相连,输出口与所述水合物开采模拟装置的工作口相连;
所述多相分离装置的输入口与所述水合物开采模拟装置的工作口相连,液相出口与所述海水罐相连,固相出口与所述储砂罐相连,气相出口与所述气体供给装置相连;
所述温控装置用于对所述水合物开采模拟装置内部进行降温,使其达到预设海底环境温度;
所述数据采集装置设置在所述水合物开采模拟装置内部,用于对所述水合物开采模拟装置内的温度和压力数据进行实时采集。
进一步地,所述水合物开采模拟装置包括高压制备釜、内管、外管、射流短节、采出气收集装置以及保温外夹层;
所述高压制备釜为中空结构,且所述高压制备釜上表面中部预留有供所述内管和外管插入的安装孔,所述安装孔一侧设置有所述排砂口,所述排砂口处设置有阀门,所述高压制备釜下表面设置有进气口和排液口,且所述进气口和排液口均设置有阀门;
所述内管与外管同轴插设在所述安装孔内,且所述内管下部与所述射流短节连接,所述外管下部与所述釆出气收集装置连接,使得所述内管外壁、外管内壁以及所述釆出气收集装置内壁之间形成密闭循环空间;
所述内管和外管上部作为水合物开采模拟装置的工作口分别与所述海水加温装置的输出口和多相分离装置的输入口相连,且所述内管与所述海水加温装置的输出口之间设置有第一压力控制阀,所述外管与所述多相分离装置的输入口之间设置有第二压力控制阀;
所述保温外夹层设置在所述高压制备釜外部,用于对所述高压制备釜进行保温。
进一步地,所述海水加温装置包括加热装置、第一液力压力表、第一液体温度表、第一液体流量计、高压柱塞泵和两个海水控制阀;
所述加热装置的输入口与所述海水罐相连,所述加热装置的输出口依次与所述第一液力压力表、第一液体温度表、第一海水控制阀、第一液体流量计、高压柱塞泵和第二海水控制阀相连;所述高压柱塞泵的输出口作为所述海水加温装置的输出口与所述水合物开采模拟装置的工作口相连。
进一步地,所述多相分离装置采用多相分离器;
所述多相分离器的输入口与所述水合物开采模拟装置中相连,且两者之间的管道上设置有第二液体温度表、第二液体压力表、第二液力流量计和多相控制阀;
所述多相分离器的液相出口与所述海水罐之间的管道上设置有液相控制阀和第三液体流量计;
所述多相分离器的固相出口与所述储砂罐之间的管道上设置有固相控制阀和温度表。
进一步地,所述气体供给装置包括高压甲烷气瓶、气体缓冲罐、气体压力表、气体温度表、第一气体流量计和第二气体流量计;
所述高压甲烷气瓶的输出口经第一气体控制阀与所述气体缓冲罐的一个输入口相连;
所述气体缓冲罐的另一个输入口经第二气体控制阀和第一气体流量计与所述多相分离装置的气相出口相连;
所述气体缓冲罐的输出口通过管道与所述高压制备釜下部的进气口相连,且所述管道上设置有气体压力表、气体温度表、气体流量计。
进一步地,所述温控装置包括制冷装置和制冷液罐,所述制冷液罐用于为所述制冷装置提供冷源,所述制冷装置的输出口与所述保温外夹层的回路连通,用于将所述高压制备釜内部温度降低至海底真实环境温度。
进一步地,所述数据采集装置包括压力传感器、若干温度传感器以及计算机;
所述压力传感器设置在所述高压制备釜中部,用于对所述高压制备釜内的压力数据进行采集,并发送到所述计算机;
各所述温度传感器设置在所述高压制备釜底部,用于对所述高压制备釜内的温度数据进行采集,并发送到所述计算机;
所述计算机用于对接收到的压力数据和温度数据进行整理和保存。
进一步地,所述温度传感器的数量为8个,且各所述温度传感器以所述高压制备釜底部某一横截面的圆心为中心,呈十字型正交布置在所述高压制备釜底部。
本发明的第二个方面,是提供一种海洋天然气水合物开采模拟传热过程实验方法,其包括以下步骤:
1)将水合物开采模拟装置分别与海水加温装置、多相分离装置、气体供给装置、温控装置、数据采集装置、海水罐、储砂罐以及储液罐连接,并保证各温度、压力表正常工作;
2)确定当前实验的环境参数,并通过温控装置、数据采集装置和气体供给装置实现水合物开采模拟装置内的水合物制备;
3)采用海水加温装置向水合物开采模拟装置注入热水,对水合物开采模拟装置内的水合物进行分解;
4)采用多相分离装置对分解后得到的气液多相流进行多相分离;
5)实验完成后,通过排液口对水合物开采模拟装置内的废液进行回收;
6)改变实验环境参数,重复步骤2)~步骤5),对不同温度和压力条件下的海洋天然气水合物开采过程进行模拟,并对实验过程中的数据进行整理。
进一步地,所述步骤2)中,水合物制备方法包括以下步骤:
2.1)启动制冷装置,对制冷液罐内的制冷液进行循环,使得高压制备釜内部温度降低至海底真实环境温度,同时通过内管注入未加热的海水,通过加砂口加入海洋泥沙;
2.2)当高压制备釜内部温度达到设定温度时,打开高压甲烷气瓶向气体缓冲罐注入高压甲烷气体,直至达到海底环境压力,随后开启阀门向高压制备釜注入高压气体,制备水合物;
2.3)通过压力传感器和温度传感器对高压制备釜内的温度压力变化进行监测,以便观察水合物是否生成完毕;
2.4)水合物制备完成后,关闭高压甲烷气瓶,通过气体缓冲罐保持高压制备釜内压力稳定,制冷装置继续循环保持高压制备釜内温度稳定。
本发明由于采取以上技术方案,其具有以下优点:1、本发明模拟海底浅层水合物开采环境,主要研究水合物分解产气速率和钻井液流速、温度、压力的关系,可以模拟整个水合物开采过程,为水合物商业化开采优化工程参数和提供指导。2、本发明将分离出的天然气收回再利用,减少污染,操作便捷,模拟真实,温度传感器实时监测釜内温度变化测量效果好,能清楚的得到天然气水合物开采过程中传热机制。因此,本发明可以广泛应用于海洋天然气水合物开采领域。
附图说明
图1是本发明一种海洋天气然水合物开采模拟传热过程实验装置结构示意图;
图2是本发明温度传感器在高压制备釜的分布方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示,本发明提供的一种海洋天然气水合物开采模拟传热过程实验装置,其包括:水合物开采模拟装置1、海水加温装置2、多相分离装置3、气体供给装置4、温控装置5、数据采集装置6、海水罐7、储砂罐8以及储液罐9。其中,水合物开采模拟装置1采用密闭装置,其上部设置有工作口101和加砂口102,下部设置有进气口103和排液口104;海水加温装置2的输入口与海水罐7相连,输出口与水合物开采模拟装置1的工作口101相连;多相分离装置3的输入口与水合物开采模拟装置1的工作口101相连,液相出口与海水罐7相连,固相出口与储砂罐8相连,气相出口与气体供给装置4相连;温控装置5用于对水合物开采模拟装置1内部进行降温,使其达到海底环境温度;数据采集装置6设置在水合物开采模拟装置1内部,用于对水合物开采模拟装置1内的温度和压力数据进行实时采集。
作为一个优选的实施例,水合物开采模拟装置1包括高压制备釜105、内管106、外管107、射流短节108、采出气收集装置109以及保温外夹层110。其中,高压制备釜105为中空结构,且高压制备釜105上表面中部预留有供内管106和外管107插入的安装孔,安装孔一侧设置有加砂口102,加砂口102处设置有可以控制加砂口开启和关闭的阀门111,高压制备釜105下表面设置有进气口103和排液口104,且进气口103和排液口104分别设置有阀门112、113;内管106与外管107同轴插设在安装孔内,且内管106下部与射流短节108连接,外管107下部与釆出气收集装置109连接,使得内管106外壁、外管107内壁以及釆出气收集装置109内壁之间形成密闭循环空间;内管106和外管107上部作为水合物开采模拟装置1的工作口101分别与海水加温装置2的输出口和多相分离装置3的输入口相连,且内管106与海水加温装置2的输出口之间设置有第一压力控制阀114,外管107与多相分离装置3的输入口之间设置有第二压力控制阀115;保温外夹层110设置在高压制备釜105外部,用于对高压制备釜105进行保温。
作为一个优选的实施例,釆出气收集装置109呈倒扣的漏斗形。
作为一个优选的实施例,海水加温装置2包括加热装置201、第一液力压力表202、第一液体温度表203、第一液体流量计204、高压柱塞泵205和两个海水控制阀206、207。其中,加热装置201的输入口与海水罐7相连,加热装置201的输出口依次与第一液力压力表202、第一液体温度表203、第一海水控制阀206、第一液体流量计204、高压柱塞泵205相连。加热装置201用于对海水罐7流出的海水进行加热,第一液力压力表202、第一液体温度表203和第一液体流量计204分别用于对管道内海水的压力、温度和流量进行测量;高压柱塞泵205的输出端经第二海水控制阀207与水合物开采模拟装置1的内管106上端相连,用于将加热后的海水泵入水合物开采模拟装置1内。
作为一个优选的实施例,多相分离装置3采用多相分离器301,多相分离器301的输入口与水合物开采模拟装置1中的外管107上端相连,且两者之间的管道上设置有第二液体温度表302、第二液体压力表303、第二液力流量计304和多相控制阀305;多相分离器301的液相出口与海水罐7之间的管道上设置有液相控制阀306和第三液体流量计307;多相分离器301的固相出口与储砂罐8之间的管道上设置有固相控制阀308和温度表309,固相控制阀308用于对管道内的固相流量进行控制,温度表309用于对管道内的固相温度进行测量。
作为一个优选的实施例,气体供给装置4包括高压甲烷气瓶401、气体缓冲罐402、气体压力表403、气体温度表404、第一气体流量计405、第二气体流量计406、第一气体控制阀407和第二气体控制阀408。其中,高压甲烷气瓶401的输出端经第一气体控制阀407与气体缓冲罐402的一个输入口相连;气体缓冲罐402的另一个输入口经第一气体流量计405和第二气体控制阀408与多相分离装置3的气相出口相连;气体缓冲罐402的输出口通过管道与水合物开采模拟装置1的进气口103相连,且该管道上设置有气体压力表403、气体温度表404、第一气体流量计405。
作为一个优选的实施例,温控装置5包括制冷装置501和制冷液罐502,制冷液罐502用于为制冷装置501提供冷源,制冷装置501的输出口与保温外夹层110的回路连通,用于将高压制备釜105内部温度降低至海底真实环境温度。
作为一个优选的实施例,数据采集装置6包括压力传感器601、若干温度传感器602以及高性能计算机603。其中,压力传感器601设置在水合物开采模拟装置1中的高压制备釜105中部,用于对高压制备釜105内的压力数据进行采集,并发送到高性能计算机603;各温度传感器602均匀设置在高压制备釜105底部,用于对高压制备釜105内的温度数据进行采集,并发送到高性能计算机603;高性能计算机603用于对接收到的压力数据和温度数据进行整理和保存。
作为一个优选的实施例,如图2所示,温度传感器602优选为8个,且各温度传感器17以高压制备釜15底部某一横截面的圆心为中心,呈十字型正交布置在高压制备釜15底部。
基于上述海洋天然气水合物开采模拟传热过程实验装置,本发明还提供一种海洋天然气水合物开采模拟传热过程实验方法,包括以下步骤:
1)准备阶段:按照图1所示将水合物开采模拟装置1分别与海水加温装置2、多相分离装置3、气体供给装置4、温控装置5、数据采集装置6、海水罐7、储砂罐8以及储液罐9连接,并保证各温度、压力表正常工作。
2)水合物制备阶段:确定当前实验的环境参数,并通过温控装置5、数据采集装置6和气体供给装置4实现水合物开采模拟装置1内的水合物制备。
具体的,包括以下步骤:
2.1)启动制冷装置19,对制冷液罐20内的制冷液进行循环,使得高压制备釜15内部温度降低至海底真实环境温度,同时通过内管11注入未加热的海水,通过加砂口9加入海洋泥沙;
2.2)当高压制备釜105内部温度达到设定温度后,打开高压甲烷气瓶401向气体缓冲罐402注入高压甲烷气体,直至达到海底环境压力,随后开启阀门向高压制备釜105注入高压气体,制备水合物;
2.3)通过压力传感器601和温度传感器602对高压制备釜105内的温度压力变化进行监测,以便观察水合物是否生成完毕。
2.4)水合物制备完成后,关闭高压甲烷气瓶401,通过气体缓冲罐402保持高压制备釜105内压力稳定,制冷装置501继续循环保持高压制备釜105内温度稳定。
3)注入热水阶段:通过海水加温装置2向水合物开采模拟装置1中注入热水,对水合物开采模拟装置1内制备的水合物进行分解。
具体的,包括以下步骤:
3.1)启动加热装置201,加热海水罐7的海水,同时注入水合物抑制剂,使用高压柱塞泵205将加热后的海水通过第一压力控制阀114注入高压制备釜105内部。
3.2)加热后的海水通过高压柱塞泵205泵入高压制备釜105后,热水通过与内管106相连的射流短节108,射流釜内水合物,将釜内水合物分解。
4)多相分离阶段:通过多相分离装置3对分解后得到的气液多相流进行多相分离,并将分离后的液相、气相和固相分别传输至海水罐7、气体缓冲罐402和储砂罐8。
使用采出气收集装置109收集分解产生的天然气,收集的气体和返出的液体通过外管107由第二压力控制阀115返出至多相分离器301中。多相分离器301将混合的气液多相流分离,液相通过多相分离器301与海水罐7相连的管线注入海水罐7,气体通过多相分离器301与气体缓冲罐402相连的管线注入气体缓冲罐402,固相分离排至储砂罐8中。
5)实验完成后,打开排液口104对水合物开采模拟装置1内的废液进行回收。
6)改变实验环境参数,重复步骤2)~步骤5),对不同温度和压力条件下的海洋天然气水合物开采过程进行模拟,并对实验过程中的数据进行整理。
收集记录实验过程中的温度、压力、气体流量和液体流量等数据,改变柱塞泵排量和加热不同温度的海水,重新记录实验过程中的温度、压力、气体流量和液体流量等数据,实验结束。釜内水合物分解完毕后,停止实验。重新制备水合物,改变釜内压力、温度,模拟不同深度海底水合物,进行实验,对数据进行记录和整理。分析不同排量、温度、射流压力等对开采水合物分解速率的影响,绘制水合物分解图版,为水合物开采提供指导。
上述各实施例仅用于说明本发明,其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的,凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进,均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种海洋天然气水合物开采模拟传热过程实验装置,其特征在于,包括:
水合物开采模拟装置、海水加温装置、多相分离装置、气体供给装置、温控装置、数据采集装置、海水罐、储砂罐以及储液罐;
所述水合物开采模拟装置采用密闭装置,其上部设置有工作口和加砂口,下部设置有进气口和排液口;
所述海水加温装置的输入口与所述海水罐相连,输出口与所述水合物开采模拟装置的工作口相连;
所述多相分离装置的输入口与所述水合物开采模拟装置的工作口相连,液相出口与所述海水罐相连,固相出口与所述储砂罐相连,气相出口与所述气体供给装置相连;
所述温控装置用于对所述水合物开采模拟装置内部进行降温,使其达到预设海底环境温度;
所述数据采集装置设置在所述水合物开采模拟装置内部,用于对所述水合物开采模拟装置内的温度和压力数据进行实时采集。
2.如权利要求1所述的一种海洋天然气水合物开采模拟传热过程实验装置,其特征在于:所述水合物开采模拟装置包括高压制备釜、内管、外管、射流短节、采出气收集装置以及保温外夹层;
所述高压制备釜为中空结构,且所述高压制备釜上表面中部预留有供所述内管和外管插入的安装孔,所述安装孔一侧设置有所述排砂口,所述排砂口处设置有阀门,所述高压制备釜下表面设置有进气口和排液口,且所述进气口和排液口均设置有阀门;
所述内管与外管同轴插设在所述安装孔内,且所述内管下部与所述射流短节连接,所述外管下部与所述釆出气收集装置连接,使得所述内管外壁、外管内壁以及所述釆出气收集装置内壁之间形成密闭循环空间;
所述内管和外管上部作为水合物开采模拟装置的工作口分别与所述海水加温装置的输出口和多相分离装置的输入口相连,且所述内管与所述海水加温装置的输出口之间设置有第一压力控制阀,所述外管与所述多相分离装置的输入口之间设置有第二压力控制阀;
所述保温外夹层设置在所述高压制备釜外部,用于对所述高压制备釜进行保温。
3.如权利要求1所述的一种海洋天然气水合物开采模拟传热过程实验装置,其特征在于:所述海水加温装置包括加热装置、第一液力压力表、第一液体温度表、第一液体流量计、高压柱塞泵和两个海水控制阀;
所述加热装置的输入口与所述海水罐相连,所述加热装置的输出口依次与所述第一液力压力表、第一液体温度表、第一海水控制阀、第一液体流量计、高压柱塞泵和第二海水控制阀相连;所述高压柱塞泵的输出口作为所述海水加温装置的输出口与所述水合物开采模拟装置的工作口相连。
4.如权利要求1所述的一种海洋天然气水合物开采模拟传热过程实验装置,其特征在于:所述多相分离装置采用多相分离器;
所述多相分离器的输入口与所述水合物开采模拟装置中相连,且两者之间的管道上设置有第二液体温度表、第二液体压力表、第二液力流量计和多相控制阀;
所述多相分离器的液相出口与所述海水罐之间的管道上设置有液相控制阀和第三液体流量计;
所述多相分离器的固相出口与所述储砂罐之间的管道上设置有固相控制阀和温度表。
5.如权利要求1所述的一种海洋天然气水合物开采模拟传热过程实验装置,其特征在于:所述气体供给装置包括高压甲烷气瓶、气体缓冲罐、气体压力表、气体温度表、第一气体流量计和第二气体流量计;
所述高压甲烷气瓶的输出口经第一气体控制阀与所述气体缓冲罐的一个输入口相连;
所述气体缓冲罐的另一个输入口经第二气体控制阀和第一气体流量计与所述多相分离装置的气相出口相连;
所述气体缓冲罐的输出口通过管道与所述高压制备釜下部的进气口相连,且所述管道上设置有气体压力表、气体温度表、气体流量计。
6.如权利要求2所述的一种海洋天然气水合物开采模拟传热过程实验装置,其特征在于:所述温控装置包括制冷装置和制冷液罐,所述制冷液罐用于为所述制冷装置提供冷源,所述制冷装置的输出口与所述保温外夹层的回路连通,用于将所述高压制备釜内部温度降低至海底真实环境温度。
7.如权利要求2所述的一种海洋天然气水合物开采模拟传热过程实验装置,其特征在于:所述数据采集装置包括压力传感器、若干温度传感器以及计算机;
所述压力传感器设置在所述高压制备釜中部,用于对所述高压制备釜内的压力数据进行采集,并发送到所述计算机;
各所述温度传感器设置在所述高压制备釜底部,用于对所述高压制备釜内的温度数据进行采集,并发送到所述计算机;
所述计算机用于对接收到的压力数据和温度数据进行整理和保存。
8.如权利要求7所述的一种海洋天然气水合物开采模拟传热过程实验装置,其特征在于:所述温度传感器的数量为8个,且各所述温度传感器以所述高压制备釜底部某一横截面的圆心为中心,呈十字型正交布置在所述高压制备釜底部。
9.一种采用如权利要求1~8任一项所述装置的海洋天然气水合物开采模拟传热过程实验方法,其特征在于包括以下步骤:
1)将水合物开采模拟装置分别与海水加温装置、多相分离装置、气体供给装置、温控装置、数据采集装置、海水罐、储砂罐以及储液罐连接,并保证各温度、压力表正常工作;
2)确定当前实验的环境参数,并通过温控装置、数据采集装置和气体供给装置实现水合物开采模拟装置内的水合物制备;
3)采用海水加温装置向水合物开采模拟装置注入热水,对水合物开采模拟装置内的水合物进行分解;
4)采用多相分离装置对分解后得到的气液多相流进行多相分离;
5)实验完成后,通过排液口对水合物开采模拟装置内的废液进行回收;
6)改变实验环境参数,重复步骤2)~步骤5),对不同温度和压力条件下的海洋天然气水合物开采过程进行模拟,并对实验过程中的数据进行整理。
10.如权利要求9所述的一种海洋天然气水合物开采模拟传热过程实验方法,其特征在于:所述步骤2)中,水合物制备方法包括以下步骤:
2.1)启动制冷装置,对制冷液罐内的制冷液进行循环,使得高压制备釜内部温度降低至海底真实环境温度,同时通过内管注入未加热的海水,通过加砂口加入海洋泥沙;
2.2)当高压制备釜内部温度达到设定温度时,打开高压甲烷气瓶向气体缓冲罐注入高压甲烷气体,直至达到海底环境压力,随后开启阀门向高压制备釜注入高压气体,制备水合物;
2.3)通过压力传感器和温度传感器对高压制备釜内的温度压力变化进行监测,以便观察水合物是否生成完毕;
2.4)水合物制备完成后,关闭高压甲烷气瓶,通过气体缓冲罐保持高压制备釜内压力稳定,制冷装置继续循环保持高压制备釜内温度稳定。
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