CN116023589B - 一种压裂液用高分子稠化剂及其制备方法和压裂液 - Google Patents
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Abstract
本发明属于深层页岩气压裂用高分子稠化剂技术领域,具体涉及一种压裂液用高分子稠化剂及其制备方法和压裂液。本发明的压裂液用高分子稠化剂,通过在稠化剂分子结构中引入含卤素的环烷烃类剪切响应基团,解决难以兼顾稠化剂分子的减阻性能和携砂性能,无法应对深层页岩气开发的水力压裂需求。本发明提供的压裂液,利用压裂过程射孔处的高速剪切作用引发力化学反应,随后进行原位交联反应,实现高分子稠化剂线性向交联结构的精确调控,在解决稠化剂的机械降解问题的同时发挥高分子稠化剂线性结构减阻、交联结构携砂的特性,实现剪切响应高分子稠化剂材料在压裂施工中的智能化应用。
Description
技术领域
本发明属于深层页岩气压裂用高分子稠化剂技术领域,具体涉及一种压裂液用高分子稠化剂及其制备方法和压裂液。
背景技术
深层页岩气是页岩气开发的重要接替领域。页岩气埋深主要介于1800~4500米,页岩气整体资源量已超11930.5亿立方米,其中埋深为3500米以深的深层页岩气资源量达8000亿立方米以上,占比超80%。与浅层页岩气相比,深层页岩气的地质工程条件存在明显差异,如破裂压力、闭合应力及水平应力差均不同程度提高,适用于3500米以浅的页岩气勘探开发主体技术出现了不适应,而深层页岩气勘探开发的成功经验,因地质条件差异巨大,难以完全照搬。因此,适应深层页岩气开发的新材料、新技术和新理论,是油气开发领域的前沿课题和技术关键,也是页岩气提产增效。
水力压裂是页岩气开发的一项重要工艺措施,能有效开采存在于低孔、低渗的泥页岩地层中的页岩气。压裂车通过一定排量的泵压,利用液体传压原理,将具有一定粘度的压裂液注入井筒,使井筒内压力逐渐升高,当压力增高到大于储层破裂压力时,会在井筒与油气层之间开辟出具备高渗透能力的一定长度、高度、宽度的导流裂缝,压裂液经过细小射孔,输送支撑剂到裂缝内部,防止裂缝闭合,形成有利于油气导流的通道,提高油气产量。
压裂液是水力压裂技术的重要组成部分,是决定水力压裂的成败和效果好坏的重要因素。压裂过程中,压裂液在井筒中和孔眼处受到的剪切速率,受排量、油管尺寸、射孔数量的影响,存在较大差异。以四川安岳页岩气使用的4.5英寸油管(内径为114.3 mm),每簇射孔16个,射孔直径为1.5 mm为例:其中剪切速率计算公式γ=8V/d,γ为剪切速率,V为流体通过直径为d的孔眼的流体速度,d为流体通过的孔眼直径;根据上述剪切速率计算公式能够计算不同排量下压裂液的剪切速率情况。通过计算可知,在不同的压裂液排量下,压裂液在射孔处的剪切速率均远远大于油管中的剪切速率(约28倍),即使在排量为8 m3/min(浅层压裂液常用排量)的情况下,射孔处的剪切速率高达25110 s-1。
正因如此,高分子稠化剂,作为压裂液最重要的组成部分,因射孔处受到高速机械剪切作用,稠化剂分子链段遭到破坏,引起聚合物的机械降解,使得压裂液粘度大幅下降(有研究表明粘度损失高达50~70%),导致携砂能力下降,严重的还会引起砂堵等事故,致使压裂作业失败。而深层页岩气的储层破裂压力更高,通常使用16 m3/min或更高的排量进行开发,压裂液在整个压裂过程中会经历更大的机械剪切作用,特别是在射孔处(剪切速率超过50000 s-1),高分子稠化剂的剪切降解更为严重,这是现有浅层页岩气开发用压裂液难以满足深层页岩气开发需求的根本原因。
目前,压裂液在使用过程中面临的机械剪切作用始终被作为不利因素,无法兼顾稠化剂分子的减阻性能和携砂性能,无法应对深层页岩气开发的水力压裂需求。
为了克服上述缺陷,特提出本发明。
发明内容
为了克服上述技术缺陷,本发明提供一种压裂液用高分子稠化剂,通过在稠化剂分子结构中引入含卤素的环烷烃类剪切响应基团,以求回避、减小剪切作用对稠化剂分子的不利影响,解决难以兼顾稠化剂分子的减阻性能和携砂性能,无法应对深层页岩气开发的水力压裂需求。
本发明通过以下技术方案实现:
第一方面,本发明提供一种压裂液用高分子稠化剂,稠化剂为式(I)所示:
其中,
R1选自-H、取代或未取代的C1-6的烷基组成的群组;
R2选自-H、取代或未取代的C1-6的烷基组成的群组;
R3选自-H、取代或未取代的C1-6的烷基组成的群组;
R4选自-H、取代或未取代的C1-6的烷基组成的群组;
R5选自-H、取代或未取代的C1-3的烷基组成的群组;
A选自卤素;
B选自卤素;
M为-OH、-NH2、-ONa或-NH-C(2CH3)-CH2-SO3H;
x=(0.1~5)%; y=(100-x)% 。
进一步地,在本发明较佳的实施例中,上述R1、R2、R3、R4各自独立选自-H、取代或未取代的C1-3的烷基组成的群组。
第二方面,本发明提供一种高分子稠化剂的制备方法,高分子稠化剂主要由化合物1和化合物2在引发剂和表面活性剂下加热制得:
进一步地,在本发明较佳的实施例中,上述引发剂包括过氧化合物引发剂、偶氮类引发剂和氧化还原引发剂中的任一种。
进一步地,在本发明较佳的实施例中,上述表面活性剂包括十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵中任一种。
进一步地,在本发明较佳的实施例中,上述加热温度为10-60℃。
第三方面,本发明提供一种压裂液,压裂液包括上述稠化剂。
进一步地,在本发明较佳的实施例中,上述以重量百分数计,压裂液包括:稠化剂0.1-20%、交联剂0.01-5%、支撑剂5-30%和水45-94.89%。
进一步地,在本发明较佳的实施例中,上述交联剂为有机酸和四丁基氢氧化铵中和反应后制得。
进一步地,在本发明较佳的实施例中,上述有机酸为二元酸或多元酸。
进一步地,在本发明较佳的实施例中,上述有机酸包括二元酸、三元酸或四元酸。
与现有技术相比,本发明至少具有如下技术效果:
本发明提供一种压裂液用高分子稠化剂,其中稠化剂分子结构中包含卤素的环烷烃类剪切响应基团,是一种具有剪切响应特性的稠化剂高分子,利用上述稠化剂实现剪切响应型高分子稠化剂材料在压裂施工中的智能化应用。
本发明提供一种压裂液用高分子稠化剂的制备方法,利用胶束聚合方法,制备剪切响应型稠化剂高分子材料,同时兼顾良好的减阻性能与携砂性能。
本发明提供一种压裂液,压裂液中包含了具有剪切响应特性的稠化剂高分子,利用压裂过程射孔处的高速剪切作用引发力化学反应,随后进行原位交联反应,实现高分子稠化剂线性结构向交联结构的精确调控,在解决压裂液稠化剂的机械降解问题的同时,最大化发挥高分子稠化剂线性结构减阻、交联结构携砂的特性,实现剪切响应高分子稠化剂材料在压裂施工中的智能化应用。
附图说明
图1为实施例1的减阻性能测试图;
图2为实施例1的压裂液剪切前流变性能测试图;
其中纵坐标的G'为弹性模量,G''为粘性模量;
图3为实施例1的压裂液剪切后流变性能测试图;
其中纵坐标的G'为弹性模量,G''为粘性模量;
图4为实施例2的减阻性能测试图;
图5为实施例2的压裂液剪切前流变性能测试图;
其中纵坐标的G'为弹性模量,G''为粘性模量;
图6为实施例2的压裂液剪切后流变性能测试图;
其中纵坐标的G'为弹性模量,G''为粘性模量;
图7为实施例3的减阻性能测试图;
图8为实施例3的压裂液剪切前流变性能测试图;
其中纵坐标的G'为弹性模量,G''为粘性模量;
图9为实施例3的压裂液剪切后流变性能测试图;
其中纵坐标的G'为弹性模量,G''为粘性模量;
图10为实施例4的减阻性能测试图;
图11为实施例4的压裂液剪切前流变性能测试图;
其中纵坐标的G'为弹性模量,G''为粘性模量;
图12为实施例4的压裂液剪切后流变性能测试图;
其中纵坐标的G'为弹性模量,G''为粘性模量;
图13为实施例4的压裂液剪切前后压裂液携砂性能对比照片;
其中左侧图剪切前,右侧图剪切后;
图14为本发明实施例5的压裂液剪切响应交联机理示意图;
图15为本发明实施例5的压裂液剪切响应体系图;
(a)剪切恢复性实验图(高剪切速率为10000 s-1,低剪切速率为170 s-1);
(b)高速剪切前和(c)高速剪切后的网络结构变化的SEM图(扫描电子显微镜示意图)。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述,但是本领域技术人员将会理解,下列实施例仅用于说明本发明,而不应视为限制本发明的范围,实施例中未注明的具体条件,按照常规条件或者制造商建议的条件进行,所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明具体实施方式的技术方案为:
第一方面,本发明提供一种压裂液用高分子稠化剂,稠化剂为式(I)所示:
其中,
R1选自-H、取代或未取代的C1-6的烷基组成的群组;
R2选自-H、取代或未取代的C1-6的烷基组成的群组;
R3选自-H、取代或未取代的C1-6的烷基组成的群组;
R4选自-H、取代或未取代的C1-6的烷基组成的群组;
R5选自-H、取代或未取代的C1-3的烷基组成的群组;
A选自卤素;
B选自卤素;
M为-OH、-NH2、-ONa或-NH-C(2CH3)-CH2-SO3H;
x=(0.1~5)%;y=(100-x)% 。
其中,通过在稠化剂分子结构中引入含卤素的环烷烃类剪切响应基团,能够有效减小压裂过程中剪切作用对稠化剂分子造成的机械降解影响,有效避免因稠化剂分子机械降解造成的压裂液粘度降低、携砂能力减弱的情况,最大限度的避免砂堵事故,保证水力压裂作业施工安全。同时,该剪切响应型压裂液能够兼顾稠化剂分子的减阻性能和携砂性能,符合深层页岩气开发的水力压裂需求。
进一步地,R1、R2、R3、R4各自独立选自-H、取代或未取代的C1-3的烷基组成的群组。
进一步地,A选自-Cl或-Br;B选自-Cl或-Br;
进一步优选地,R1、R2、R3、R4各自独立选自的甲基或-H;
进一步优选地,在某些具体实施方式中,R1为甲基,R2、R3、R4为-H,A为-Cl或-Br,B为-Cl或-Br;在某些具体实施方式中,R1和R2为甲基、R3和R4为-H;在某些具体实施方式中,R1、R2、R3和R4为-H。
第二方面,本发明提供一种压裂液用高分子稠化剂的制备方法,主要由化合物1和化合物2在引发剂和表面活性剂下溶解到溶剂中,加热制得:
进一步地,上述化合物2包括丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酸、丙烯酸钠甲基丙烯酸钠和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸中任选一种;
进一步地,上述引发剂包括过氧化合物引发剂、偶氮类引发剂和氧化还原引发剂中任一种;
优选地,上述过氧化合物引发剂包括过氧化二苯甲酰;
偶氮类引发剂包括偶氮二异丁腈,偶氮二异庚腈或偶氮二异丁脒盐酸盐;
氧化还原引发剂包括亚硫酸氢钠或硫代硫酸钠。
进一步地,上述表面活性剂包括十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵中任一种。
进一步地,上述加热温度为10-60℃。
进一步地,上述溶剂为纯水。
第三方面,本发明提供一种压裂液,以重量百分数计,所述压裂液包括:稠化剂0.1-20%、交联剂0.01-5%、支撑剂5-30%和水45-94.89%。
其中,压裂液中稠化剂可以为任一结构式组成的混合体。
进一步地,上述交联剂为有机酸和四丁基氢氧化铵(TBA)中和反应后制得。
进一步地,交联剂的制备方法为有机酸和TBA溶解到去离子水中,40-80℃加热12-24h时间制得。
其中,压裂液中交联剂可以选择上述方式中制得产物的一种或多种。
进一步地,上述有机酸为二元酸或多元酸;优选地,上述有机酸包括二元酸、三元酸或四元酸;优选地,二元酸包括丙二酸、丁二酸、戊二酸、辛二酸或癸二酸;三元酸包括柠檬酸或苯三甲酸。
四元酸包括乙二胺四乙酸或苯均四酸。
进一步优选地,二元酸为辛二酸、癸二酸、戊二酸;三元酸为柠檬酸;四元酸为乙二胺四乙酸。
进一步地,上述支撑剂包括陶粒、石英砂或覆膜石英砂;进一步优选地,支撑剂为陶粒。
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
实施例1
本实施例提供一种压裂液用高分子稠化剂的制备方法:
0.5g化合物1、25g化合物2、0.2g偶氮二异丁脒盐酸盐和1g十二烷基硫酸钠加入73.3g纯水中,40℃加热4h,分离、干燥后制得24.34g高分子稠化剂1:
其中,R1为甲基,R2、R3、R4、R5分别为-H;
A和B分别为-Cl;M为-NH2;
x=0.94%
y=99.06% 。
本实施例提供一种交联剂的制备方法:20.23g辛二酸和51.90g四丁基氢氧化铵溶解到100g去离子水中,80℃加热24h,分离、干燥后制得交联剂1,收率95.68%;
本实施例提供一种压裂液,1000g水溶液体系压裂液中,以质量份数计:稠化剂0.9%、交联剂0.5%、陶粒20%和水78.6%,得到压裂液1。
实施例2
本实施例提供一种压裂液用高分子稠化剂的制备方法:
0.2g化合物1、25g化合物2、0.3g亚硫酸氢钠和0.8g十六烷基三甲基溴化铵加入73.7g纯水中,60℃加热4h,分离、干燥后制得23.13g高分子稠化剂2:
其中,R1和R2为甲基;R3、R4、R5分别-H;
A为-Cl,B为-Br;M为 -OH;
x=0.22%
y=99.78% 。
本实施例提供一种交联剂的制备方法:13.25戊二酸和51.90g四丁基氢氧化铵溶解到100g去离子水中,80℃加热24h,分离、干燥后制得交联剂2,收率94.32%;
本实施例提供一种压裂液,1000g水溶液体系压裂液中,以质量份数计:稠化剂1.0%、交联剂0.5%、陶粒30%和水68.5%,得到压裂液2。
实施例3
本实施例提供一种压裂液用高分子稠化剂的制备方法:
1.0g化合物1、20g化合物2、0.3g偶氮二异丁脒盐酸盐和1.2g十二烷基苯磺酸钠加入77.9g纯水中,50℃加热4h,分离、干燥后制得20.56g高分子稠化剂3:
其中,R1、R2、R3、R4和R5分别为-H;
A和B分别为-Br;M为 -NH-C(2CH3)-CH2-SO3H;
x=3.67%
y=96.33% 。
本实施例提供一种交联剂的制备方法:29.2g乙二胺四乙酸和103.8g四丁基氢氧化铵溶解到200g去离子水中,80℃加热24h,分离、干燥后制得交联剂3,收率96.19%;
本实施例提供一种压裂液,1000g水溶液体系压裂液中,以质量份数计:稠化剂1.2%、交联剂0.5%、陶粒10%和水88.3%,得到压裂液3。
实施例4
本实施例提供一种压裂液用高分子稠化剂的制备方法:
1.0g化合物1、20g化合物2、0.3g亚硫酸氢钠和0.8g十二烷基硫酸钠加加入77.9g纯水中,45℃加热8h,分离、干燥后制得19.96g高分子稠化剂4:
其中,R1、R2、R3、R4、R5分别为-H;
A和B分别为-Cl;M为-NH2;
x=1.83%
y=98.17% 。
本实施例提供一种交联剂的制备方法:19.21g柠檬酸和77.85g四丁基氢氧化铵溶解到150g去离子水中,80℃加热24h,分离、干燥后制得交联剂4,收率93.61%;
本实施例提供一种压裂液,1000g水溶液体系压裂液中,以质量份数计:稠化剂0.8%、交联剂0.4%、陶粒5%和水93.8%,得到压裂液4。
实施例5
本实施例提供一种压裂液用高分子稠化剂的制备方法:
2.0g化合物1、25g化合物2、0.3g偶氮二异丁脒盐酸盐和2.0g十二烷基苯磺酸钠加入70.7g纯水中,40℃加热8h,分离、干燥后制得25.39g高分子稠化剂5:
其中,R1、R2、R3、R4、R5分别为-H;
A和B分别为-Br;M为 -ONa;
x=2.62%
y=97.38% 。
本实施例提供一种交联剂的制备方法:20.22g辛二酸和51.90g四丁基氢氧化铵溶解到100g去离子水中,80℃加热24h,分离、干燥后制得交联剂5,收率94.36%;
本实施例提供一种压裂液,1000g水溶液体系压裂液中,以质量份数计:稠化剂1.5%、交联剂0.8%、陶粒20%和水77.7%,得到压裂液5。
为了说明本申请提供的含有上述稠化剂的压裂液的减阻性、流变性和携砂性能,特进行下述实验:
针对实施例1-4的压裂液进行性能测试:
(1)减阻性能测试:测试条件:排量35L/min,管径10 mm,使用HAMZ-IV型工作液减阻评价实验装置进行评价。
(2)流变性能测试:测试条件:在测试温度25℃,使用HAAKE MARSIII流变仪(美国Thermo Fisher公司)进行测试,恒定应力τ=1Pa,时间t=10min条件下,测试间隙为1mm。剪切条件:剪切速率10000s-1,剪切时间30s。
(3)携砂性能测试:测试条件:在25℃,量取100mL压裂液倒入搅拌器中,调节搅拌器的转速至液体形成的漩涡可以见到搅拌器桨叶中轴顶端为止,保持搅拌器恒速转动,5min后停止搅拌,把搅拌后的压裂液迅速倒入100mL的量筒中,观察混砂均匀程度和携砂效果,记录陶粒全部沉降至容器底部所需时间。
实施例1-4的测试结果分别见图1-12;
(1)实施例1的减阻性能测试结果见图1、流变性能见图2-3、携砂性能结果见表1;
由图1可知,降阻率在900 s后趋于稳定,到达65%左右。
由图2可知,压裂液在受到剪切前,弹性模量和粘性模量存在交叉的情况,说明此时的压裂液主要为粘性流体,携砂性能较弱。
由图3可知,压裂液在受到剪切后,弹性模量在所测的剪切频率范围内,均大于粘性模量,说明压裂液主要为弹性流体,具有较强的携砂能力。由此实验证明,所制备的压裂液体系能够通过剪切响应,实现分子间的交联,增加携砂能力。
由表1可知,压裂液剪切前的支撑剂的沉降速度为13.5cm/min,压裂液剪切后的支撑剂的沉降速度降低到0.484 cm/min。
(2)实施例2的减阻性能测试结果见图4、流变性能见图5、6,携砂性能结果见表1;
由图4可知,降阻率在900 s后趋于稳定,到达67%左右。
由图5可知,压裂液在受到剪切前,弹性模量和粘性模量存在交叉的情况,说明此时的压裂液主要为粘性流体,携砂性能较弱。
由图6可知,压裂液在受到剪切后,弹性模量有所增加,说明压裂液体系的携砂能力有所增加。由此实验证明,所制备的压裂液体系能够通过剪切响应,实现分子间的交联,增加携砂能力。
由表1可知,压裂液剪切前的支撑剂的沉降速度为16cm/min,压裂液剪切后的支撑剂的沉降速度降低到7.683 cm/min。
(3)实施例3的减阻性能测试结果见图7、流变性能见图8、9,携砂性能结果见表1;
由图7可知,降阻率在900 s后趋于稳定,到达70%左右;
由图8可知,压裂液在受到剪切前,弹性模量和粘性模量存在交叉的情况,说明此时的压裂液主要为粘性流体,携砂性能较弱。
由图9可知,压裂液在受到剪切后,弹性模量在所测的剪切频率范围内,均大于粘性模量,说明压裂液主要为弹性流体,具有较强的携砂能力。由此实验证明,所制备的压裂液体系能够通过剪切响应,实现分子间的交联,增加携砂能力;
由表1可知,压裂液剪切前的支撑剂的沉降速度为17cm/min,压裂液剪切后的支撑剂的沉降速度降低到0.365 cm/min。
(4)实施例4的减阻性能测试结果见图10、流变性能见图11、12,携砂性能结果见表1;
实施例4的具体携砂性能对比照片见图13;
由图10可知,降阻率在900 s后趋于稳定,到达75%左右;
由图11可知,压裂液在受到剪切前,弹性模量和粘性模量存在交叉的情况,说明此时的压裂液主要为粘性流体,携砂性能较弱。
由图12可知,压裂液在受到剪切后,弹性模量在所测的剪切频率范围内,均大于粘性模量,说明压裂液主要为弹性流体,具有较强的携砂能力。由此实验证明,所制备的压裂液体系能够通过剪切响应,实现分子间的交联,增加携砂能力;
由表1可知,压裂液剪切前的支撑剂的沉降速度为15cm/min,压裂液剪切后的支撑剂的沉降速度降低到0.324 cm/min。
表1
其中,实施例5的压裂液交联机理示意图见图14;
图14中,压裂液交联机理:稠化剂在剪切力的作用下,稠化剂中的剪切响应基团由闭环状态转变为开环状态,此时的卤素能与羧酸盐交联剂通过亲核取代反应进行原位交联,最终形成交联结构。
图14中1闭环为稠化剂剪切响应基团的闭环状态,用五边形表示,1开环为稠化剂剪切响应基团的开环状态,用90度扇形表示,TBA SA为交联剂四丁基氢氧化铵辛二酸盐,用两个连接的270度扇形表示,1交联为稠化剂剪切响应基团的交联状态,用两个串联的圆形表示。
实施例5压裂液进行流变性能测试:测试条件:压裂液粘度通过HAAKE MARSIII流变仪(美国Thermo Fisher公司)进行测试,恒定应力τ=1Pa,低剪切速率为170 s-1,高剪切速率为10000 s-1,先在低剪切速率下进行60s测定压裂液粘度,然后在高剪切速率下运行30s,随后在低剪切速率下继续运行510s,观察压裂液粘度变化。实验结果表明(图15a),压裂液在高剪切速率的刺激下,体系粘度逐渐增加;由图15b和15c可知,高速剪切后(15c)网络结构更加紧密,证明剪切响应交联特性是可行的。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于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 (10)
2.根据权利要求1所述的高分子稠化剂,其特征在于,所述R1、R2、R3、R4各自独立选自-H、取代或未取代的C1-3的烷基组成的群组。
4.根据权利要求3所述的高分子稠化剂的制备方法,其特征在于,所述引发剂包括过氧化合物引发剂、偶氮类引发剂和氧化还原引发剂中的任一种。
5.根据权利要求3所述的高分子稠化剂的制备方法,其特征在于,
所述表面活性剂包括十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵中任一种。
6.根据权利要求3所述的高分子稠化剂的制备方法,其特征在于,所述加热温度为10-60℃。
7.一种剪切响应型压裂液,其特征在于,所述压裂液包括权利要求1-2任一所述的稠化剂。
8.根据权利要求7所述的压裂液,其特征在于,以重量百分数计,所述压裂液包括:权利要求1-2任一所述的稠化剂0.1-20%、交联剂0.01-5%、支撑剂5-30%和水45-94.89%。
9.根据权利要求8所述的压裂液,其特征在于,所述交联剂为有机酸和四丁基氢氧化铵中和反应后制得。
10.根据权利要求9所述的压裂液,其特征在于,所述有机酸为多元酸。
Priority Applications (1)
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