CN114673492A - 一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，属于石油、天然气钻井用井下动力钻具技术领域，包括：依次丝扣连接的钻具壳体，在钻具壳体的外壁上开设有多个凹槽，且凹槽为长形槽；无线传输单元，其包括相互电性连接的电路板、磁棒天线和电池组，电路板、磁棒天线和电池组分别固定在凹槽内，在凹槽的槽口设有封闭凹槽的盖板；磁棒天线包括磁棒和导线，导线缠绕于所述磁棒外周并依次形成多段间隔排列的线圈，多段线圈中至少有一段线圈为斜向绕线形成的斜向线圈。本申请的斜向线圈能够与直向绕制的直向线圈混合搭配以增大线圈有效截面积进而增强磁场强度且方向可控，达到增大磁棒天线发射、接收信号距离的目的。

Description

一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具

技术领域

本申请涉及石油、天然气钻井用井下动力钻具技术领域，主要是将采集的信号及时上传到指定位置并转传向地面，进行接收分析判断井下异常，为钻井事故处理提供最直接的依据，特别涉及一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具。

背景技术

现代钻井逐步向智能化钻井发展，自动监测、自动测量、智能化井场等已经开始在井场中应用普及，其中避免钻井事故是降低钻井风险、提高钻井效率的重要因素，对钻井事故监测成为重中之重。

现在钻井对井下故障信号的采集方式已经突破瓶颈，但井下采集的信息需要及时反馈地面进行决策。目前也有一些通讯系统将信号进行上传，这些方法虽在使用，但却要受到钻具尺寸限制，尤其是环形槽会大大降低了钻具的强度，如常用的环形发射线圈，需要在钻具上开环形槽并将线圈埋进去，再封装，这需要消耗大量的钻具外圆尺寸，会大大降低钻具的弯曲强度；

根据结构及强度需求，需要找到一种更适应井下工具工况和结构限制的方式完成井下通讯上传任务，以达到既能满足上传需要，又能保证强度的信息传送方式。磁棒天线是无线电发射信号的一种基本天线设计形式，目前的设计中，磁棒天线都是采用单根磁芯棒组成，通过将漆包线线圈绕在该磁芯上组成完整的磁棒天线。

为了提高磁棒天线的发射功率和无线信号辐射面积，目前的方案都是通过定制特殊的磁芯棒，定制的磁芯棒截面积增加或长度增加，制造成本也显著增加。因此迫切地需要一种制造成本低、信号传输距离长的磁棒天线。

发明内容

本申请实施例提供一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，以解决相关技术中井下动力钻具的磁棒天线传输距离短的问题。

本申请实施例提供了一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，包括：

井下动力单元，其包括依次丝扣连接的钻具壳体，在任一钻具壳体的外壁上圆周开设有多个凹槽，且所述凹槽为钻具壳体外表面上沿轴线方向开设的长形槽；

无线传输单元，其包括相互电性连接的电路板、磁棒天线和电池组，所述电路板、磁棒天线和电池组分别固定在凹槽内，凹槽的槽口设有封闭凹槽的盖板；

磁棒天线包括磁棒和导线，所述导线缠绕于所述磁棒外周并依次形成多段间隔排列的线圈，多段所述线圈中至少有一段线圈为斜向绕线形成的斜向线圈。

在一些实施例中：从与所述磁棒平行的面观察所述斜向线圈，所述斜向线圈的导线与磁棒的轴线的夹角为α，且5°＜α＜90°。

在一些实施例中：多段所述线圈中还包括采用直向绕线形成的直向线圈，所述直向线圈和斜向线圈均设有多段，多段所述直向线圈和多段所述斜向线圈依次间隔设置组成直斜混合分段绕线线圈。

在一些实施例中：所述直向线圈和/或斜向线圈在磁棒上绕制有多层，多层所述直向线圈和/或多层所述斜向线圈组成多层直斜混合分段绕线线圈，所述磁棒采用坡莫合金棒。

在一些实施例中：多段所述线圈中，各线圈中相邻的两匝导线之间的间距为0-20mm，相邻的两个线圈之间的间距小于100mm。

在一些实施例中：所述钻具壳体上相邻的两个凹槽之间开设穿入线缆的穿线孔，所述电路板、磁棒天线和电池组在凹槽内分别通过线缆连接。

在一些实施例中：所述凹槽靠近钻具壳体内泥浆通道的一面与泥浆通道互不连通，所述凹槽靠近钻具壳体内泥浆通道的一面设有包裹磁棒天线的减振垫。

在一些实施例中：所述减振垫包括包裹在磁棒天线上下两端的端垫片，以及包裹磁棒天线侧壁的侧垫片；

所述端垫片位于侧垫片的两端且与侧垫片连成一体，所述侧垫片上开设有若干散热孔。

在一些实施例中：所述磁棒天线包括发射磁棒天线和接收磁棒天线，所述钻具壳体包括发射短接和接收短接；

所述发射磁棒天线位于发射短接内，所述接收磁棒天线位于接收短接内，所述发射磁棒天线和接收磁棒天线无线通信连接。

在一些实施例中：所述盖板为透磁材料，所述盖板上设有密封凹槽的密封圈。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，由于本申请的井下动力钻具设置了井下动力单元，其包括依次丝扣连接的钻具壳体，在任一钻具壳体的外壁上圆周开设有多个凹槽，且凹槽为钻具壳体外表面上沿轴线方向开设的长形槽；无线传输单元，其包括相互电性连接的电路板、磁棒天线和电池组，电路板、磁棒天线和电池组分别固定在凹槽内，在凹槽的槽口设有封闭凹槽的盖板；磁棒天线包括磁棒和导线，导线缠绕于所述磁棒外周并依次形成多段间隔排列的线圈，多段线圈中至少有一段线圈为斜向绕线形成的斜向线圈。

因此，本申请的井下动力钻具在磁棒天线上设有多段线圈，多段线圈在同一磁棒的各自横截面的分磁场叠加起来的磁场强度，比现有的均匀缠绕于磁棒的导线所绕制成的线圈的总磁场的磁场强度要强，所以本申请的磁棒天线的信号传输距离更长，更不容易受到外部环境的干扰。本申请的磁棒天线的绕线结构不同于普通的无线通讯使用的磁棒天线绕线结构，本申请的导线采用斜向绕制的方式绕制在磁棒上形成斜向线圈。斜向线圈能够与直向绕制的直向线圈混合搭配以增大线圈有效截面积进而增强磁场强度且方向可控，达到增大磁棒天线发射、接收信号距离的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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为本申请实施例的结构示意图；

图2为图1中B处的局部放大图；

图3为图1中沿A-A方向的剖视图；

图4为图1中沿C-C方向的剖视图；

图5为本申请实施例的减振垫的结构示意图；

图6为本申请另一实施例的减振垫的结构示意图；

图7为本申请实施例磁棒上缠绕三段斜向线圈的结构示意图；

图8为本申请实施例磁棒上缠绕一段斜向线圈和两段直向线圈的结构示意图；

图9为本申请实施例磁棒上缠绕两段斜向线圈和一段直向线圈的结构示意图；

图10为本申请实施例磁棒上缠绕两段斜向线圈和两段直向线圈的结构示意图；

图11为本申请实施例磁棒上缠绕一段多层斜向线圈和一段多层直向线圈的结构示意图。

附图标记：

1、井下动力单元；11、接收短接；12、发射短接；13、盖板；14、凹槽；15、泥浆通道；16、减振垫；17、侧垫片；18、端垫片；19、散热孔；

2、无线传输单元；21、发射磁棒天线；22、接收磁棒天线；23、电路板；24、电池组；25、斜向线圈；26、直向线圈；27、磁棒；28、导线；29、线缆。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通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，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，其能解决相关技术中井下动力钻具的磁棒天线传输距离短的问题。

参见图1至图4和图7所示，本申请实施例提供一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，以解决相关技术中磁棒天线传输距离短的问题。

本申请实施例提供了一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，包括：

井下动力单元1，该井下动力单元1包括依次丝扣连接的钻具壳体，在任一钻具壳体的外壁上圆周开设有多个容纳无线传输单元2的凹槽14，且凹槽14为钻具壳体外表面上沿轴线方向开设的长形槽。钻具壳体的外壁沿轴向开设长形槽，避免了使用环形线圈需要在钻具壳体上开设周向环形槽。本申请的凹槽14设置成沿钻具壳体轴线方向延伸的长形槽，长形槽极大降低了对钻具壳体结构强度的影响，大大降低了钻具壳体断裂的几率，提高了井下动力单元1的使用寿命。

无线传输单元2，该井下动力单元1包括相互电性连接的电路板23、磁棒天线和电池组24，电池组24用于向电路板23、磁棒天线供电，电路板23用于检测并处理井下信号，电路板23通过磁棒天线将井下信号无线传输至无线随钻监测系统。钻具壳体上相邻的两个凹槽14之间开设穿入线缆29的穿线孔，电路板23、磁棒天线和电池组24在凹槽14内分别通过线缆29连接。

电路板23、磁棒天线和电池组24分别固定在凹槽14内，在凹槽14的槽口设有封闭凹槽的盖板13，盖板13上设有密封凹槽14的密封圈，密封圈用于提高盖板13与凹槽14之间的气密性，防止井孔内的钻井液进入凹槽内损坏电路板23、磁棒天线和电池组24。覆盖磁棒天线的盖板13优选为透磁材料或透磁材料制作，以达到防屏蔽作用的目的，盖板13可以采用奥氏体不锈钢、坡莫合金等材料。

磁棒天线包括磁棒27和导线28，磁棒27优选但不限于为圆柱体结构，导线28缠绕于磁棒27外周并依次形成多段间隔排列的线圈，多段线圈中至少有一段线圈为斜向绕线形成的斜向线圈25。导线28在磁棒27上绕制了多段间隔设置的线圈，多段线圈中至少有一段线圈采用了斜向绕线的方式绕制成了斜向线圈25。

导线28采用斜向绕制的方式绕制在磁棒27上形成了斜向线圈25，该斜向线圈25能够与直向绕制的直向线圈26混合搭配以增大线圈有效截面积进而增强磁场强度且方向可控，达到增大磁棒天线发射、接收信号距离的目的。

本申请实施例的井下动力钻具在磁棒天线上设有多段线圈，多段线圈在同一磁棒27的各自横截面的分磁场叠加起来的磁场强度，比现有的均匀缠绕于磁棒的导线28所绕制成的线圈的总磁场的磁场强度要强，所以本申请的磁棒天线的信号传输距离更长，更不容易受到外部环境的干扰。

本申请实施例的磁棒天线的绕线结构不同于普通的无线通讯使用的磁棒天线绕线结构，本申请的导线28并采用斜向绕制的方式绕制在磁棒27上形成斜向线圈25。斜向线圈25能够与直向绕制的直向线圈26混合搭配以增大线圈有效截面积进而增强磁场强度且方向可控，达到增大磁棒天线发射、接收信号距离的目的。

在一些可选实施例中：参见图7所示，本申请实施例提供了一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，该井下动力钻具的磁棒天线从与磁棒27平行的面观察斜向线圈25，斜向线圈25的导线28与磁棒27的轴线的夹角为α，且5°＜α＜90°。斜向线圈25的导线28与磁棒27的轴线的夹角α进一步优选为30°至60°，在增大线圈有效截面积进而增强磁场强度的同时便于导线28的绕制和固定。

在一些可选实施例中：参见图7至图10所示，本申请实施例提供了一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，该井下动力钻具的磁棒天线上的多段线圈中还包括采用直向绕线形成的直向线圈26，直向线圈26和斜向线圈25均设有多段，多段直向线圈26和多段斜向线圈25依次间隔设置组成直斜混合分段绕线线圈。

磁棒天线上的各线圈中相邻的两匝导线之间的间距为0-20mm，各线圈导线28之间的疏密间距根据磁棒天线的需求磁场强度具体设定，相邻的两匝导线之间的间距越小，磁棒天线的磁场强度越大。相邻的两个线圈之间的间距小于100mm，相邻的两个线圈之间的间距根据磁棒天线的需求磁场强度具体设定，相邻的两个线圈之间的间距越小，磁棒天线的磁场强度越大。

本申请实施例的直向线圈26和斜向线圈25的线圈数量可根据信号发射强度需要具体设定，如图7所示，磁棒天线上的磁棒27上缠绕了三段斜向线圈25，三段斜向线圈25沿磁棒27的轴线方向等间距或不等间距依次连接，三段斜向线圈25在同一磁棒27的各自横截面的分磁场叠加起来增大磁棒天线的磁场强度。

如图8所示，磁棒天线上的磁棒27上缠绕了两段直向线圈26和一段斜向线圈25，斜向线圈25位于两段直向线圈26之间，两段直向线圈26均与斜向线圈25间隔设置。两段直向线圈26与一段斜向线圈25组成直斜混合分段绕线线圈，两段直向线圈26与一段斜向线圈25在同一磁棒27的各自横截面的分磁场叠加起来增大磁棒天线的磁场强度。

如图9所示，磁棒天线上的磁棒27上缠绕了一段直向线圈26和两段斜向线圈25，直向线圈26位于两段斜向线圈25之间，两段斜向线圈25均与直向线圈26间隔设置。两段斜向线圈25与一段直向线圈26组成直斜混合分段绕线线圈，两段斜向线圈25与一段直向线圈26在同一磁棒27的各自横截面的分磁场叠加起来增大磁棒天线的磁场强度。

如图10所示，磁棒天线上的磁棒27上缠绕了两段直向线圈26和两段斜向线圈25，两段斜向线圈25位于两段直向线圈26之间，两段斜向线圈25在磁棒27上相互间隔设置，且两段斜向线圈25在磁棒27上分别与两段直向线圈26间隔设置。两段斜向线圈25与两段直向线圈26组成直斜混合分段绕线线圈，两段斜向线圈25与两段直向线圈26在同一磁棒27的各自横截面的分磁场叠加起来增大磁棒天线的磁场强度。

在一些可选实施例中：参见图11所示，本申请实施例提供了一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，该井下动力钻具的直向线圈26和斜向线圈25在磁棒27上绕制有多层，多层的直向线圈26和多层的斜向线圈25组成多层直斜混合分段绕线线圈，磁棒27优选但不限于为坡莫合金棒。直向线圈26和斜向线圈25在磁棒27上绕制有多层导线28，以使多层的直向线圈26和多层的斜向线圈25在同一磁棒27的各自横截面的分磁场叠加起来增大磁棒天线的磁场强度。

在一些可选实施例中：参见图1至图6所示，本申请实施例提供了一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，该井下动力钻具的凹槽14靠近钻具壳体内泥浆通道15的一面与泥浆通道15互不连通，凹槽14靠近钻具壳体内泥浆通道15的一面设有包裹磁棒天线的减振垫16。减振垫16用于缓冲井下动力钻具在钻井的过程中撞击磁棒天线的磁棒27，由于磁棒27材质相对较脆，在磁棒天线上包裹减振垫16来保护磁棒天线长时间可靠工作。

减振垫16包括包裹在磁棒天线上下两端的端垫片18，以及包裹磁棒天线侧壁的侧垫片17。侧垫片17用于保护磁棒天线的侧壁不与凹槽14的内壁接触，以缓冲井下动力钻具对磁棒天线侧壁的损伤。端垫片18用于保护磁棒天线的两端不与凹槽14的内壁接触，以缓冲井下动力钻具对磁棒天线两端的损伤，保证了磁棒天线在剧烈震动的工况下保证信号的可靠传输。

端垫片18位于侧垫片17的两端且与侧垫片17连成一体，端垫片18和侧垫片17为设定厚度的橡胶垫制作成型，在侧垫片17上开设有若干散热孔19，散热孔19用于将磁棒天线与凹槽14的内壁热传导，便于加速磁棒天线快速散热。散热孔19靠近于泥浆通道15，泥浆通道15内的钻井液在流动的过程中将磁棒天线热传递至凹槽14内壁上的热量带走，加速了磁棒天线热的快速散热。散热孔19的形状可设置成图5所示的圆孔，也可设置成如图6所述的四边形孔。

在一些可选实施例中：参见图1至图4所示，本申请实施例提供了一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，该井下动力钻具的磁棒天线包括发射磁棒天线21和接收磁棒天线22，钻具壳体包括发射短接12和接收短接11。发射磁棒天线21位于发射短接12内，接收磁棒天线22位于接收短接11内，发射磁棒天线21和接收磁棒天线22无线通信连接。

工作原理

本申请实施例提供了一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，由于本申请的井下动力钻具设置了井下动力单元1，其包括依次丝扣连接的钻具壳体，在任一钻具壳体的外壁上圆周开设有多个凹槽14，且凹槽14为钻具壳体外表面上沿轴线方向开设的长形槽；无线传输单元2，其包括相互电性连接的电路板23、磁棒天线和电池组24，电路板23、磁棒天线和电池组24分别固定在凹槽14内，在凹槽14的槽口设有封闭凹槽14的盖板13；磁棒天线包括磁棒27和导线28，导线28缠绕于所述磁棒27外周并依次形成多段间隔排列的线圈，多段线圈中至少有一段线圈为斜向绕线形成的斜向线圈25。

因此，本申请的井下动力钻具在磁棒天线上设有多段线圈，多段线圈在同一磁棒27的各自横截面的分磁场叠加起来的磁场强度，比现有的均匀缠绕于磁棒的导线所绕制成的线圈的总磁场的磁场强度要强，所以本申请的磁棒天线的信号传输距离更长，更不容易受到外部环境的干扰。本申请的磁棒天线的绕线结构不同于普通的无线通讯使用的磁棒天线绕线结构，本申请的导线28采用斜向绕制的方式绕制在磁棒27上形成斜向线圈25。斜向线圈25能够与直向绕制的直向线圈26混合搭配以增大线圈有效截面积进而增强磁场强度且方向可控，达到增大磁棒天线发射、接收信号距离的目的。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，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。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，其特征在于，包括：

井下动力单元(1)，其包括依次丝扣连接的钻具壳体，在任一钻具壳体的外壁上圆周开设有多个凹槽(14)，且所述凹槽(14)为钻具壳体外表面上沿轴线方向开设的长形槽；

无线传输单元(2)，其包括相互电性连接的电路板(23)、磁棒天线和电池组(24)，所述电路板(23)、磁棒天线和电池组(24)分别固定在凹槽(14)内，凹槽(14)的槽口设有封闭凹槽(14)的盖板(13)；

所述磁棒天线包括磁棒(27)和导线(28)，所述导线(28)缠绕于所述磁棒(27)外周并依次形成多段间隔排列的线圈，多段所述线圈中至少有一段线圈为斜向绕线形成的斜向线圈(25)。

2.如权利要求1所述的一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，其特征在于：

从与所述磁棒(27)平行的面观察所述斜向线圈(25)，所述斜向线圈(25)的导线(28)与磁棒(27)的轴线的夹角为α，且5°＜α＜90°。

3.如权利要求1所述的一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，其特征在于：

多段所述线圈中还包括采用直向绕线形成的直向线圈(26)，所述直向线圈(26)和斜向线圈(25)均设有多段，多段所述直向线圈(26)和多段所述斜向线圈(25)依次间隔设置组成直斜混合分段绕线线圈。

4.如权利要求3所述的一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，其特征在于：

所述直向线圈(26)和/或斜向线圈(25)在磁棒(27)上绕制有多层，多层的所述直向线圈(26)和/或多层的所述斜向线圈(25)组成多层直斜混合分段绕线线圈，所述磁棒(27)为坡莫合金棒。

5.如权利要求1至4任一项所述的一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，其特征在于：

多段所述线圈中，各线圈中相邻的两匝导线(28)之间的间距为0-20mm，相邻的两个线圈之间的间距小于100mm。

6.如权利要求1所述的一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，其特征在于：

所述钻具壳体上相邻的两个凹槽(14)之间开设穿入线缆(29)的穿线孔，所述电路板(23)、磁棒天线和电池组(24)在凹槽(14)内分别通过线缆(29)连接。

7.如权利要求1所述的一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，其特征在于：

所述凹槽(14)靠近钻具壳体内泥浆通道(15)的一面与泥浆通道(15)互不连通，所述凹槽(14)靠近钻具壳体内泥浆通道(15)的一面设有包裹磁棒天线的减振垫(16)。

8.如权利要求7所述的一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，其特征在于：

所述减振垫(16)包括包裹在磁棒天线上下两端的端垫片(18)，以及包裹磁棒天线侧壁的侧垫片(17)；

所述端垫片(18)位于侧垫片(17)的两端且与侧垫片连成一体，所述侧垫片(17)上开设有若干散热孔(19)。

9.如权利要求1所述的一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，其特征在于：

所述磁棒天线包括发射磁棒天线(21)和接收磁棒天线(22)，所述钻具壳体包括发射短接(12)和接收短接(11)；

所述发射磁棒天线(21)位于发射短接(12)内，所述接收磁棒天线(22)位于接收短接(11)内，所述发射磁棒天线(21)和接收磁棒天线(22)无线通信连接。

10.如权利要求1所述的一种提高井下信号发射强度的井下动力钻具，其特征在于：

所述盖板(13)为透磁材料，所述盖板(13)上设有密封凹槽(14)的密封圈。

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