CN114151011B - 一种旋转导向钻井装置和导向其的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油钻井技术领域，公开了一种旋转导向钻井装置和导向其的方法。本发明的旋转导向钻井装置包括：依次同轴相连的涡轮发电机短节、柔性短节以及导向短节。其中，导向短节包括与柔性短节同轴相连的上驱动轴骨架和与上驱动轴骨架同轴相连的下驱动轴，上驱动轴骨架的靠近柔性短节的区域可拆卸套设有扶正器外套，上驱动轴骨架与扶正器外套之间设置有上驱动轴电路。本发明的旋转导向钻井装置具有更好的造斜能力。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井技术领域，具体涉及一种旋转导向钻井装置和导向其的方法。
背景技术
在石油勘探开发的定向井、水平井、分支井、大位移井等复杂结构井的钻井施工中，旋转导向钻井装置作为一种高端智能钻井仪器，具有很大的优点，因而被广泛应用。
然而，现有的旋转导向钻井装置的结构及原理设计导致其存在诸多问题。现有的旋转导向钻井装置中有的并不具备垂直井造斜的功能，对于不具备垂直井造斜的功能的旋转导向钻井装置来说，在垂直井侧钻时，一般需要先用泥浆马达完成设计方位的侧钻作业，然后再下旋转导向钻井装置进行定向井作业，需要两趟钻完成定向作业。其二，现有旋转导向钻井装置造斜率不足，一般在6°/30m以下，难以满足高难度定向井的施工要求；有的扶正器的位置及扶正器大小的改变不够灵活，扶正器离钻头的距离较远，不利于提高旋转导向钻井装置的造斜能力；此外，还有的采用单活塞的推靠机构，钻井时托压效果明显，影响钻井效率。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明提出了一种能够提高造斜能力的旋转导向钻井装置和导向其的方法。
根据本发明的旋转导向钻井装置，包括：依次同轴相连的涡轮发电机短节、柔性短节以及导向短节，其中，导向短节包括与柔性短节同轴相连的上驱动轴骨架和与上驱动轴骨架同轴相连的下驱动轴，上驱动轴骨架的靠近柔性短节的区域可拆卸套设有扶正器外套，上驱动轴骨架与扶正器外套之间设置有上驱动轴电路。
进一步地，上驱动轴骨架的远离柔性短节的区域设置有导向单元，导向单元包括套设在上驱动轴骨架上的导向骨架和等间隔设置在导向骨架的周向上的至少三个推靠组件，其中，推靠组件包括在导向骨架的轴向上间隔设置的推靠机构和液压机构。
进一步地，推靠机构包括与导向骨架相连的至少两个间隔设置的推靠单元和同时与各推靠单元相连的翼肋，其中，推靠单元包括与导向骨架相连的缸体和能够在缸体内往复运动的活塞，翼肋与活塞相连，液压机构构造为能够推动活塞在缸体内往复运动以带动翼肋径向向外伸出缩回。
进一步地，液压机构包括液压腔体和盖设在液压腔体上的橡胶盖式压力补偿器，液压腔体与缸体相连通。
进一步地，上驱动轴骨架上形成有第一分隔圆台，导向骨架上形成有第二分隔圆台，导向骨架位于第一分隔圆台与下驱动轴之间，扶正器外套设置在上驱动轴骨架的位于柔性短节与第一分隔圆台之间的区域，推靠组件设置在导向骨架的位于第二分隔圆台与下驱动轴之间的区域，导向单元还包括设置在导向骨架上的位于第二分隔圆台与第一分隔圆台之间的惯性测量模块、电路模块以及垂直井方位扇区测量模块。
进一步地，第一分隔圆台包括靠近扶正器外套的大径段和与大径段同轴相连的小径段，导向骨架位于小径段与下驱动轴之间，导向单元还包括耦合单元，耦合单元包括位于小径段上的内耦合器和与内耦合器相对设置的位于导向骨架上的外耦合器。
进一步地，导向短节还包括与下驱动轴一体成型的钻头。
进一步地，柔性短节包括柔性短节钻铤主体和位于柔性短节钻铤主体内的方位伽马测量模块和方位扇区测量模块。
进一步地，涡轮发电机短节包括钻铤外壳和位于钻铤外壳内依次同轴相连的涡轮发电机组件、整流稳压电源模块以及指令下传解码电路模块。
根据本发明的导向上述旋转导向钻井装置的方法，包括：通过闭环控制系统控制液压机构推靠各翼肋推靠井壁，以形成调整井眼轨迹的预设导向力，当旋转导向钻井装置在导向钻井过程中产生的偏置力的大小和方向与预设导向力的大小和方向不同时，闭环控制系统调节液压机构推靠各翼肋的支出液压力，以使旋转导向钻井装置维持预设导向力的大小和方向，从而实现导向钻井。
本发明的旋转导向钻井装置可以实现高造斜率定向井作业，在垂直井条件下，可以直接应用其按照设计方位一趟钻完成侧钻及定向钻井作业，大大缩短建井周期，提高了作业效率。
附图说明
图1为根据本发明实施例的旋转导向钻井装置的结构示意图；
图2为图1所示的导向短节的结构示意图；
图3为图2所示的推靠组件的第一实施例的结构的主视剖视示意图；
图4为图2所示的推靠组件的第一实施例的结构的俯视示意图；
图5为图2所示的推靠组件的第二实施例的结构的主视剖视示意图；
图6为图2所示的耦合单元的内耦合器的立体结构示意图；
图7为图6所示的内耦合器的安装剖视示意图；
图8为图1所示的柔性短节的结构示意图；
图9为图2所示的垂直方位扇区测量模块的工作原理示意图；
图10为图1所示的涡轮发电机短节的结构示意图；
图11为根据本发明实施例的导向旋转导向钻井装置的导向力矢量合成示意图；
图12为根据本发明实施例的导向旋转导向钻井装置的原理示意图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明做进一步详细的描述。
图1示出了根据本发明实施例的旋转导向钻井装置100的结构。该旋转导向钻井装置100可包括：依次同轴相连的如图10所示的涡轮发电机短节3、如图8所示的柔性短节2以及如图2所示的导向短节1。其中，导向短节1可包括与柔性短节2同轴相连的上驱动轴骨架11和与上驱动轴骨架11同轴相连的下驱动轴12，上驱动轴骨架11的靠近柔性短节2的区域可拆卸套设有扶正器外套13，上驱动轴骨架11与扶正器外套13之间设置有上驱动轴电路14。
本发明实施例的旋转导向钻井装置100中，涡轮发电机短节3用于对柔性短节2和导向短节1供电，柔性短节2可使导向短节1能够在空间任意方向弯曲，导向短节1用于对井壁提供特定方向的推靠力来实现旋转导向钻井装置100的导向钻井作业。扶正器外套13不仅可作为扶正器使用，同时还可作为上驱动轴电路14的保护套，通过将扶正器外套13可拆卸套设在导向短节1的上驱动轴骨架11上，使得扶正器外套13可以根据所钻进的不同井眼直径进行更换，同时，相比于现有技术中将扶正器一体成型在柔性短节2上来说，一方面扶正器外套13更靠近与下驱动轴12相连的钻头121，从而有利于提高造斜率，另一方面，柔性短节2不带有一体式扶正器，可以有效降低制造成本。
优选地，上述上驱动轴骨架11可以是将骨架直接加工在上驱动轴上，即骨架与上驱动轴为一个零件。相比于现有的骨架是作为一个单独零件同轴安装在上驱动轴上来说，结构上更为简洁，可以节省导向短节1的安装时间。
在如图2所示的优选的实施例中，上驱动轴骨架11的远离柔性短节2的区域设置有导向单元，导向单元可包括套设在上驱动轴骨架11上的导向骨架15和等间隔设置在导向骨架15的周向上的至少三个推靠组件16。其中，推靠组件16包括在导向骨架15的轴向上间隔设置的推靠机构161和液压机构162。在该实施例中，液压机构162用于为推靠机构161提供液压力，从而使推靠机构161能够对井壁提供推靠力以实现导向短节1的导向，三个推靠组件16彼此独立设置，使用时哪个推靠组件16坏了就维修哪个，不需要对整个推靠组件16进行拆卸。
根据本发明，推靠机构161的结构可以有多种。
在如图3所示的优选的实施例中，推靠机构161可包括与导向骨架15相连的至少两个间隔设置的推靠单元和同时与各推靠单元相连的翼肋1613。其中，推靠单元包括与导向骨架15相连的缸体1611和能够在缸体1611内往复运动的活塞1612，翼肋1613与活塞1612相连，液压机构162构造为能够推动活塞1612在缸体1611内往复运动以带动翼肋1613径向向外伸出缩回。在该实施例中，推靠机构161采用至少两个间隔设置的推靠单元，使得各推靠单元的活塞1612在液压机构162的液压力的作用下同时推动翼肋1613贴靠井壁，这样使得翼肋1613推靠力的方向与井壁垂直，推靠力的作用效率更高，可有效提高推靠力，有利于提高旋转导向钻井装置100的造斜率。
优选地，推靠机构161可包括与导向骨架15相连的两个间隔设置的推靠单元，即推靠机构161采用双活塞，双活塞的设置可在满足可靠的推靠力的基础上简化推靠机构161的结构，有利于节约成本。在工作时，两个活塞1612在液压力的作用下同时推动翼肋1613贴靠井壁，这样使得翼肋1613推靠力的方向与井壁垂直。当活塞1612泄压时，回复弹簧1617带动翼肋1613复位。回复弹簧1617可通过翼肋压板1624固定，翼肋压板1624固定在导向骨架15上。
进一步地，如图3所示，翼肋1613可包括分别朝向缸体1611内部延伸的突起，突起上可套设有压紧套1615，活塞1612与压紧套1615之间连接有球面支座1614，球面支座1614可包括与活塞1612接触的球面和与压紧套1615接触的平面，这样活塞1612、球面支座1614、压紧套1615以及翼肋1613之间可形成紧密的接触，该设置一方面使得活塞1612能够对翼肋1613提供更稳定的支撑，另一方面球面支座1614与活塞1612为球面接触，可减少活塞1612的偏磨，提高活塞1612的寿命。
更进一步地，如图3所示，缸体1611与压紧套1615之间还可安装有橡胶制成的活塞保护套1616，活塞保护套1616随活塞1612运动伸缩，可避免泥浆进入活塞1612及缸体1611，起到保护活塞1612和缸体1611的作用。
结合图4所示，推靠组件16还可包括同轴设置的压力传感器163、电机164、泵165以及阀体166。压力传感器163用于感测缸体1611内的压力，电机164、泵165以及阀体166用于实现将液压油作用于缸体1611内以推动活塞1612在缸体1611内的往复运动。
进一步地，如图3所示，液压机构162可包括液压腔体1621和盖设在液压腔体1621上的橡胶盖式压力补偿器1622，液压腔体1621与缸体1611相连通。橡胶盖式压力补偿器1622起到压力补偿的作用，用于平衡液压腔体1621内的压力，其随着活塞1612压力的变化伸缩。传统的活塞式压力补偿器或橡胶筒压力补偿油囊，容纳其活塞或橡胶筒的腔体有通道与液压系统相连，对活塞或橡胶筒进行保养时，需要将活塞或橡胶筒抽出其腔体，污染物可能进入液压系统，污染液压系统。而本实施例的橡胶盖式压力补偿器1622在清洗保养时，只需将橡胶盖外表面清洗即可，污染物不会进入液压机构162，具有结构简单，制作容易，拆装、清洗方便的特点。
优选地，橡胶盖式压力补偿器1622可通过橡胶盖压片1623压紧在液压腔体1621上，橡胶盖压片1623被压紧在导向骨架15与翼肋压板1624之间。
此外，推靠机构161还可以是如图5所示的结构。该结构采用单活塞式推靠机构，翼肋1613在活塞1612的推动下，绕销轴1618转动达到推靠井壁的目的，这样翼肋1613的推力与井壁有一个夹角，部分力分解到了水平方向。当活塞1612泄压时，回复弹簧1617使翼肋1613复位。
回到图2所示的实施例，上驱动轴骨架11上可形成有第一分隔圆台111，导向骨架15上形成有第二分隔圆台151，导向骨架15位于第一分隔圆台111与下驱动轴12之间，扶正器外套13设置在上驱动轴骨架11的位于柔性短节2与第一分隔圆台111之间的区域，推靠组件设置在导向骨架15的位于第二分隔圆台151与下驱动轴12之间的区域，导向单元还包括设置在导向骨架15上的位于第二分隔圆台151与第一分隔圆台111之间的惯性测量模块17、电路模块18以及垂直井方位扇区测量模块19。
在该实施例中，惯性测量模块17用于通过对加速度传感器组件的输出进行正确解算，得到旋转导向钻井装置100当前的姿态参数，为导向力矢量的生成和控制提供依据。电路模块18用于控制惯性测量模块17以及垂直丼方位扇区测量模块19工作。通过在导向单元中引入垂直井方位扇区测量模块，可以实现在垂直井情况下测量其导向单元的方位扇区信息，以便控制三个翼肋1613产生指向设计方位的推靠合力，使垂直井造斜方向符合设计方位要求。
在垂直井情况下，依靠捷联的三轴加速度计无法获取重力工具面角，本发明通过安装在导向单元的垂直井方位扇区测量模块中的三轴正交的磁通门测量钻井的方位信息。由于导向单元所处位置周围有多种磁性材料存在(例如上驱动轴骨架11、下驱动轴12采用磁性材料制成，或者耦合单元20的电磁感应等的影响)，给磁通门传感器的测量带来了额外的磁干扰，可能导致无法正常解算出磁工具面角和方位角，或者使测量精度严重下降。本发明解决该问题的方法是在实验室模拟条件下，事先测定干扰磁场模型，三轴磁通门可以真实地测得三个方向上的磁场分量。井下实时测量值解算时，按照事先测定的干扰磁场模型剔除干扰磁场，得到地磁场真实的分量信息，从而解算出工具面角。
如图9所示，其示出了垂直井方位扇区测量模块工作模式。导向单元中的主控电路模块经过随钻井下仪器总线获取MWD系统中探管井斜角/重力工具面/磁工具面(INC/GTF/BTF)测量值，连同NIM(近钻头惯性测量模块)的测量值(INC/GTF)一起发送至NASM(方位扇区角测量模块)储存使用。NASM模块以50Hz数据刷新率高速采集三轴磁通门传感器的测量值，进行必要的滤波、误差修正后，结合由主控模块获得的INC/GTF/BTF数据，解算出扇区角和方位角。在测量工作模式，NASM模块以0.5Hz数据刷新率向主控模块发送扇区角和方位角。在自校准工作模式，NASM模块自动完成磁干扰校准，并返回应答信号给主控模块，随后自动进入测量工作模式。
进一步地，如图2所示，第一分隔圆台111包括靠近扶正器外套13的大径段和与大径段同轴相连的小径段，导向骨架15位于小径段与下驱动轴12之间，导向单元还包括耦合单元20，耦合单元20包括位于小径段上的内耦合器201和与内耦合器201相对设置的位于导向骨架15上的外耦合器202。
根据本发明，导向单元与上驱动轴骨架11之间的电能及信号的传输是通过安装在上驱动轴骨架15上的内耦合器201与安装在导向骨架15上外耦合器202之间的电磁感应来实现传递的。优选地，结合图6和图7所示，内耦合器201与上驱动轴骨架15的固定可采用如图6所示的公差环的形式实现轴向和径向的定位，并可以起到减振效果。公差环可采用不锈钢弹簧钢制作，通过压制产生凹凸形状，其安装方式如图7所示。本发明所采用的公差环与现有技术中内耦合器与上驱动轴采用间隙配合，很容易因相对运动形成振动相比，提高了内耦合器201的使用寿命。
回到图2，导向短节1还可包括套社在导向单元与上驱动轴骨架111外的外保护筒43，导向骨架15与上驱动轴骨架11之间可通过两侧的上滑动轴承副41与下滑动轴承副42来实现上驱动轴骨架11相对于导向骨架15的旋转。
此外，如图2所示，导向短节1还可包括与下驱动轴12一体成型的钻头121。下驱动轴12与钻头121采用一体化的设计，相比于现有技术中下驱动轴与钻头通过具有一定长度的螺纹结构进行连接来说，可减少翼肋1613与钻头121之间的距离，有利于提高旋转导向钻井装置100的造斜能力。
根据本发明，如图8所示，柔性短节2可包括柔性短节钻铤主体21和位于柔性短节钻铤主体21内的方位伽马测量模块23和方位扇区测量模块22。方位伽马测量模块23用于测量并反馈导向短节1所处的地层信息，方位扇区测量模块22用于测量并反馈导向短节1所处空间的具体位置。
需要注意的是，柔性短节2的长度对造斜率影响较明显，实际应用时可根据地层情况，井眼轨迹要求及钻具组合疲劳分析，具体选择柔性短节长度，这里不作具体的长度限定。
根据本发明，如图10所示，涡轮发电机短节3主要用于为旋转导向钻井装置100提供电能，其可包括钻铤外壳31和位于钻铤外壳31内的涡轮发电机组件、整流稳压电源模块32、指令下传解码电路模块33以及总线通讯电路模块。其中，涡轮发电机组件可包括导轮34、涡轮35以及发电机36，整流稳压电源模块32以及指令下传解码电路模块33固定在钻铤外壳31内的电路骨架37上。整流稳压电源模块32可将三相交流电通过AC-DC模块，进行整流、滤波得到幅度较高的直流电后，再进行降压稳压，输出稳定的48V的直流电，以供井下电子仪器使用；指令下传解码电路模块33通过检测发电机36的转速变化，实现下传指令的解码；总线通讯电路模块实现与上部仪器及下部仪器的通讯，将地面指令传送到导向钻井装置100，并将导向钻井装置100回传的信息发送到井下仪器总线控制仪，进而通过泥浆脉冲器上传到地面。
通过设置指令下传解码电路模块33，其指令下传接收电路通过检测由于发送指令而引起的发电机电频变化，达到接收指令的功能。相比于现有技术通过安装在井下仪器里的压力传感器来接收指令来说，指令传输更快速准确。
此外，本发明还提出了一种导向上述旋转导向钻井装置100的方法，包括：通过闭环控制系统控制液压机构162推靠各翼肋1613推靠井壁，以形成调整井眼轨迹的预设导向力，当旋转导向钻井装置100在导向钻井过程中产生的偏置力的大小和方向与预设导向力的大小和方向不同时，闭环控制系统调节液压机构162推靠各翼肋1613的支出液压力，以使旋转导向钻井装置100维持预设导向力的大小和方向，从而实现导向钻井。
结合图11和图12所示，以旋转导向钻井装置100具有三个翼肋1613为例，闭环控制系统控制三个独立的翼肋1613推靠井壁后，产生三个圆周方向相位差180°的径向反作用力f1,f2,f3，三个反作用力矢量合成后，形成调整井眼轨迹的预设导向力F，此时预设导向力F与重力高边G的夹角为φ。旋转导向钻井装置100的下驱动轴12从不旋转的导向骨架15的中间穿过与钻头121连接，带动钻头121随钻柱一起旋转，下驱动轴12与导向骨架15通过轴承连接。当周向均布的三个冀肋1613分别以不同液压力支撑于井壁时，将使不旋转的导向骨架15不随钻柱旋转，同时，井壁的反作用力将对旋转导向钻井装置100产生一个偏置合力。通过控制三个翼肋1613的支出液压力的大小，可控制偏置力的大小和方向，以控制导向钻井。闭环控制系统根据接收到或预设的井眼轨迹数据调节液压系统液压力。由于在钻井的同时不旋转的导向骨架15不可避免会产生转动，方位伽马测量模块23与方位扇区测量模块22可以实时测量工具姿态角α，以获取井斜角、翼肋1613的相对位置，当产生了相对转动后，闭环控制系统会重新调节液压力，维持预设导向力大小和方向，实现导向钻井。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (7)
1.一种旋转导向钻井装置，其特征在于，包括：依次同轴相连的涡轮发电机短节、柔性短节以及导向短节，其中，所述导向短节包括与所述柔性短节同轴相连的上驱动轴骨架和与所述上驱动轴骨架同轴相连的下驱动轴，所述上驱动轴骨架的靠近所述柔性短节的区域可拆卸套设有扶正器外套，所述上驱动轴骨架与所述扶正器外套之间设置有上驱动轴电路，所述上驱动轴骨架的远离所述柔性短节的区域设置有导向单元，所述导向单元包括套设在所述上驱动轴骨架上的导向骨架和等间隔设置在所述导向骨架的周向上的至少三个推靠组件，其中，所述推靠组件包括在所述导向骨架的轴向上间隔设置的推靠机构和液压机构；所述上驱动轴骨架上形成有第一分隔圆台，所述导向骨架上形成有第二分隔圆台，所述导向骨架位于所述第一分隔圆台与所述下驱动轴之间，所述扶正器外套设置在所述上驱动轴骨架的位于所述柔性短节与所述第一分隔圆台之间的区域，所述推靠组件设置在所述导向骨架的位于所述第二分隔圆台与所述下驱动轴之间的区域，所述导向单元还包括设置在所述导向骨架上的位于所述第二分隔圆台与所述第一分隔圆台之间的惯性测量模块、电路模块以及垂直井方位扇区测量模块；所述第一分隔圆台包括靠近所述扶正器外套的大径段和与所述大径段同轴相连的小径段，所述导向骨架位于所述小径段与所述下驱动轴之间，所述导向单元还包括耦合单元，所述耦合单元包括位于所述小径段上的内耦合器和与所述内耦合器相对设置的位于所述导向骨架上的外耦合器；其中，所述内耦合器与所述上驱动轴骨架的固定采用公差环的形式实现轴向和径向的定位，所述公差环通过压制产生凹凸形状。
2.根据权利要求1所述的旋转导向钻井装置，其特征在于，所述推靠机构包括与所述导向骨架相连的至少两个间隔设置的推靠单元和同时与各所述推靠单元相连的翼肋，其中，所述推靠单元包括与所述导向骨架相连的缸体和能够在所述缸体内往复运动的活塞，所述翼肋与所述活塞相连，所述液压机构构造为能够推动所述活塞在所述缸体内往复运动以带动所述翼肋径向向外伸出缩回。
3.根据权利要求2所述的旋转导向钻井装置，其特征在于，所述液压机构包括液压腔体和盖设在所述液压腔体上的橡胶盖式压力补偿器，所述液压腔体与所述缸体相连通。
4.根据权利要求2或3所述的旋转导向钻井装置，其特征在于，所述导向短节还包括与所述下驱动轴一体成型的钻头。
5.根据权利要求2或3所述的旋转导向钻井装置，其特征在于，所述柔性短节包括柔性短节钻铤主体和位于所述柔性短节钻铤主体内的方位伽马测量模块和方位扇区测量模块。
6.根据权利要求2或3所述的旋转导向钻井装置，其特征在于，所述涡轮发电机短节包括钻铤外壳和位于所述钻铤外壳内依次同轴相连的涡轮发电机组件、整流稳压电源模块以及指令下传解码电路模块。
7.一种导向根据权利要求2至6中任一项所述的旋转导向钻井装置的方法，其特征在于，包括：通过闭环控制系统控制所述液压机构推靠各所述翼肋推靠井壁，以形成调整井眼轨迹的预设导向力，当所述旋转导向钻井装置在导向钻井过程中产生的偏置力的大小和方向与所述预设导向力的大小和方向不同时，所述闭环控制系统调节所述液压机构推靠各所述翼肋的支出液压力，以使所述旋转导向钻井装置维持所述预设导向力的大小和方向，从而实现导向钻井。
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