CN1280520C - 提高重质原油产量的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于从地下产油地层中开采重质原油的设备和方法，其中井眼穿入该地下产油地层。根据该方法，把强碱制剂的水溶液引入或形成在井眼进入的地层中。强碱制剂溶液和井眼内开采的重质原油进行混合并反应，把超声波发射到混合物中，由此形成乳液。形成的乳液的粘度小于流入井眼内的重质原油或重质原油和水混合物的粘度，这样可更有效地把石油抽到地面并运输，以进行进一步加工。

Description

提高重质原油产量的设备和方法
技术领域
本发明涉及提高开采重质原油产量及用于降低从地下油层开采的原油粘度的设备和方法，以便对石油抽取和/或运输。
背景技术
利用和储层相关的自然形成的力可有助于从石油储层中较大程度开采原油。这些自然形成的力包括天然气的膨胀力、进水的浮力和重力。最初的采收技术利用了这些力，以使石油从地层中迁移至井眼中。然而，自然力一般仅仅能使储层中总油量的一小部分开采出。
通常使用第二种采收技术来开采地层中更多的石油。这些技术利用了外来能量的力以补充地层中的自然力，从而迫使石油从地层中进入到井眼内。外来力可从许多力源中形成，这些力源包括气体喷射、蒸汽喷射和水注射。第二种采收技术一般甚至在储层的自然力用完之前就开始采用。
注水是第二种采收技术的一个实例，该技术曾成功地在各种地层中使用过。一般地，根据注水技术，采用一个或多个注射井以及一个或多个开采井。水溶液经过注射井注射，以驱动石油进入到可开采出的开采井中。已经对基本注水技术进行了许多改型。这些改型包括在注射水中使用某种化学制剂和材料，以帮助从地层中置换出石油。例如，可经常使用增稠剂，以增加水的稠度，于是在把石油驱动到开采井过程中提高了效率。也采用了表面活化剂以减小地层中石油的表面张力，于是可方便开采。
例如为苛性碱溶液的强碱溶液已经成功地用于注入某种类型的储层。例如，如氢氧化钠的强碱金属氢氧化物和存在于石油中的有机酸反应并抑制在石油乳化中产生的石油和水之间的界面张力。乳化的石油更容易从地层中置换出来。这种形式的第二种采收技术通常是指苛性钠注射。
在某些场合已经使用的提高石油开采量的另外第二种技术是利用声能。例如，在俄国已经利用声波激励来提高在已耗尽注水和水已干的储层中对石油的开采。声波一般是起到加热和降低石油的粘度、增加地层的渗透性而增加石油转移到井眼内的作用。
对重质粘度和轻质粘度原油(“重质原油”)的第二种采收技术特别复杂。为了开采重质原油，石油的粘度必须实质性降低。重质原油的运输(如管道)也很难以有效的方式实现，除非石油的粘度首先降低。已经使用了大量技术来降低重油的粘度。例如，Holme的美国专利3,823,776中公开了一种提高具有低酸值的重油开采的方法，在该方法中将含氧的气体注入到地层中使石油氧化，并在地层中建立现场燃烧区。接着把苛性碱水溶液注入到井中结束现场燃烧区，并使其和石油中的有机酸反应以便于对石油的开采。Sherborne的美国专利2,670,801中公开了超声波能量(10-3000kHz)通过现场对石油液滴加热，有助于对重油的采收以及液滴乳化成和气体饱和的水相。
然而，上面采用的用以方便重油从地下油层中采收的技术常常不是非常成功的。把重油粘度降低到使石油从地层中提升出的程度和为进一步加工而运输的费用常常超出开采石油获得的潜在收益。由此，需要一种用于处理从石油储层中开采出的重质原油的改进的设备和相应方法，由此石油的粘度可实质性降低，石油可以经济和有效的方式开采和运输，以进一步加工。
已经发现可通过把石油转换成稳定微乳液而显著地降低粘性及通常是重质的原油的粘度。微乳液通过把强碱制剂和石油化合并接受超声波能量而形成。石油粘度的降低可使石油有效地从井眼内抽出，并从油井现场运输以进一步加工，例如，提升的费用和管道运输的费用均明显地降低了。
发明内容
本发明的一个方面是提供一种用于提高从通过井眼穿入的地下产油地层中开采重质原油产量的设备。该设备包括：存储装置、总管道装置和超声波发生装置。存储装置位于地面上，用于盛放强碱制剂或强碱制剂的水溶液(如在井眼现场的一个或多个存储罐)；总管道装置经过井眼从存储装置延伸到地层中，用于把强碱制剂或强碱制剂的水溶液从存储装置引入到地层中；以及超声波发生装置位于井眼内，用于把超声波发射给形成在井眼内的重油-水-强碱制剂的混合物中。超声波发生装置包括位于井眼内的换能器和电源装置。换能器用于把超声波发射到地层中油-水-强碱制剂的混合物中，由此油和水转变成为具有较低粘度的乳液；电源装置可操作地和换能器连接，用于为换能器提供能量。换能器最好包括电驱动磁致伸缩致动器，更好的是该电驱动磁致伸缩致动器包括由铽镝铁磁致伸缩(terfenol)合金制成的驱动棒。
本发明的另一个方面是提供一种用于从通过至少一口井眼穿入的地下产油地层中开采重质原油的方法。根据该方法，把强碱制剂或强碱制剂的水溶液引入到所述井眼中，在井眼中开采出有重质原油和水或只有重质原油。把强碱制剂或强碱制剂的水溶液足量引入到井眼中与井眼内的重质原油和水或只与重质原油混合。在把强碱制剂或强碱制剂的水溶液引入到井眼中同时，通过发射超声波使石油、水和强碱制剂的最终混合物接受超声激励，超声激励可使混合物转变成具有较低粘度的乳液。
然后经过井眼从地层中开采出乳液并通过管道输送到要进一步加工的地点。实现重质原油的粘度降低的过程中包括使用带添加强碱制剂的水或盐水，如氢氧化钠、氢氧化钙、硅酸钠和其它强碱。用于构成强碱溶液的水(或盐水)液可由外部水源提供，或部分或全部由和石油一起开采的水(或盐水)中提供。当在超声波激励下，最终的水(或盐水)和强碱制剂与重质原油混合时，可迅速形成半稳定到稳定的乳液，该乳液和未经处理的粘性石油相比具有显著降低的粘度。
于是，本发明的目的是提供一种设备和方法，利用该设备和方法，在开采到井眼内的重质原油的粘度可实质性地降低，于是可以经济和有效的方式从井眼内对石油开采和运输。
在阅读下面的本发明最佳实施例的详细描述后，对于本领域普通技术人员，本发明的其它目的、特性和优点将变得更明显。
附图描述
附图1大致示出了在井眼内采用的具有创造性的设备和方法。
具体实施方式
本发明提供了一种用于从通过井眼穿入的地下产油地层中开采重质原油的设备和方法。该设备和方法可用在在此处描述的井眼的底部和/或在表面或海底管道的入口处，或其它需要减少石油粘度的地方。如在这里及附加权利要求书中使用的，术语“重质原油”是指约小于20的API比重(美国石油学会API比重指数)的原油。这种重油一般在温度和压力的环境条件下具有超过1000厘泊(液体粘度单位)的粘度。
在重质原油、水或盐水及强碱制剂中应用超声能量可产生具有低粘度的微乳液。实现这种技术的关键是开始使石油的粘度处在一定的范围，在该范围石油可和水或盐水加入到乳液形成机构中。对于特别粘稠的重质原油，需要对石油加热，以降低粘度，于是粘度可在能形成乳液的范围内。超声激发过程可有助于石油的加热。
对于特别粘稠的石油，在对石油、水或盐水及强碱制剂的混合物进行超声处理之前，开始降低石油的粘度有时会更有效。实验室实验表明在超声处理之前的开始粘度和形成乳液的粘度之间存在着一个关系。如果石油的开始粘度特别高，那么最后形成的乳液的粘度和需要得到具有较好流动特性的液体相比仍然很高。然而，通过在超声处理之前对特别粘稠的石油加热后，可获得较低粘度的微乳液。对石油的这种加热可通过不同方法来进行，如把加热装置放置在井眼内、在井眼内喷射蒸汽等等类似的方法。
下面参照附图，来描述具有创造性的重油开采设备的优选实施例，该设备用标号10来表示。如图所示，井眼(well bore)12从地面14延伸，并穿入重油形成地层16。注水泥的套管18沿井眼12的周边延伸。一组穿孔20通过注水泥的套管18延伸到地层16中，在井眼12和形成地层16之间建立了液体通道。一根开采管道24经过井眼12从地面14延伸到在地层16内的井眼并靠近穿孔20。管道24把石油从形成地层16引导到地面14。具有电机32、进口34和电缆36的沉入式电动泵30固定到开采管道24上。泵30把石油经过管道24抽到地面14。套管18、穿孔20、管道24、泵30和相关的设施(如引导装置、定心器等)的准确结构对于本发明来说并不是关键的，其中它们仅被描述到必要示出本发明的范围即可。这些设施的特性和操作对于本领域的普通技术人员来说是公知的。
设备10包括存储装置，该存储装置用标号40来表示，位于地面14上，用以盛放强碱制剂或强碱制剂的水溶液。管道装置42从容器40经过井眼12延伸到地层16，用以把强碱制剂或强碱制剂水溶液从存储装置引到开采地层16中的井眼12的底部附近。超声波发生装置45位于井眼12内，用以把超声能量提供给重质原油、水和水中强碱制剂的混合物46中。
存储装置40包括一个或多个传统的混合缸(图中未示出)。管道装置42包括至少一个细管或其它相对较小直径的管道43，该细管道43可经过井眼在生产管道24的外部和套管18的内部之间延伸。管道43包括一组喷嘴48，该喷嘴48可把强碱制剂或强碱制剂的水溶液喷射到井眼12中，由此强碱制剂或溶液可和重质原油或重质原油和所含的水接触并混合。
强碱制剂或强碱制剂的水溶液从存储装置40中抽到管道43中。溶液可分批混合在存储装置中。或者作为选择的是，当把组成成分抽到管道43中时，该组成成分可单独地从各自缸中被引导或输送并在飞轮上混合。
超声波发生装置45包括一个或多个位于井眼中的换能器50和可与换能器50可操作地连接的电源52，该换能器用于把超声波能发射到井眼以及重质原油、水和强碱制剂的混合物中。在本申请文件中，“位于井眼内”是指处于井眼的一个位置，以使由换能器50发出的超声波在石油进入井眼处的附近和重质原油、水和强碱制剂的混合物接触。例如，换能器50可位于井眼12稍微偏上或稍微偏下的位置或在实际进入重质原油开采地层16的井眼部分。换能器50最好浸没在井眼12的底部中的液体混合物46中。
换能器50可直接安装在泵30或工作管道的其它部分上。或者，如图所示，换能器50可通过绳缆56悬挂在泵30的下面。在某些情况下，较好的是，使用一组沿套管18的穿孔部分均匀分开的换能器50。除了确保在井眼12内重质原油和混合在一起的其它成分通过超声波接触外，可以使用布置在石油流路中的多个换能器以确保石油在被泵30抽出前的粘度降低并保持在足够低的水平上。由每个换能器50发出的能量强度和使用的换能器的确切数量可根据几个因素而不同，这些因素包括需要把石油的粘度降低到足够低水平超声波需要照射的时间以及油井总的开采率。
采用的每个换能器50最好包括由电驱动的磁致伸缩致动器，最好包括由铽镝铁磁致伸缩(terfenol)合金制成的驱动棒组成的致动器。铽镝铁磁致伸缩(terfenol)合金由金属铽、镝和铁组成。每个换能器50均可把电能直接转换成机械动作。在一个实施例中，铽镝铁磁致伸缩(terfenol)棒固定到发射杆或其它元件上。围绕铽镝铁磁致伸缩(terfenol)棒的线圈在棒上产生交流的磁场，使该棒产生导致固定杆或其它元件相应位移的延伸或收缩。固定杆或其它元件的激励可把超声波发射给在井眼12内的重质原油、水和强碱的混合物。特别是根据本发明使用的最好换能器致动器包括铽镝铁磁致伸缩(Terfenol-D)驱动棒，可从Iowa，Ames的Extrema Products公司购买到。
超声波发生装置45的电源52包括位于地面14上的电源控制单元60、位于地面14上或位于控制单元和换能器50之间的井眼12中的信号调节单元62、以及可延伸并把电能从控制单元60传输到信号调节单元62接着到换能器50的线缆36。
磁致伸缩致动器包括可把声能提供到重质原油上的铽镝铁磁致伸缩(terfenol)合金驱动棒，于是使用具有磁致伸缩致动器的换能器有很大的优越性。铽镝铁磁致伸缩(terfenol)合金驱动棒和包括吸棒或压电晶体的现有技术致动器相比有几个方面的很大改进。第一，包括铽镝铁磁致伸缩(terfenol)驱动棒的致动器比其它形式的致动器更耐久而不容易疲劳。带铽镝铁磁致伸缩(terfenol)棒的致动器与压电晶体致动器相比更有足够的能量。大量的电能通过带铽镝铁磁致伸缩(terfenol)驱动棒的致动器转换成声波。而且，带铽镝铁磁致伸缩(terfenol)驱动棒的致动器还具有产生需要建立谐振频率水平的高度谐调性。
在实现具有创造性的方法中，首先有必要通过对石油加热降低井眼中重质原油的粘度。也就是说，当在井眼中产生的重质原油具有非常高的初始粘度时，例如大于10000厘泊的粘度，产生的乳液粘度不会在足够低的水平。当发送给石油的超声波使石油发热到一定程度时，就有必要在井眼内安装如电热器的加热器(在图中虚线示出)以对石油加热而把其粘度降低到低于10000厘泊的水平，较好的是在大约1000到大约8000厘泊的范围，最好是在大约2500厘泊到大约4000厘泊的范围。对石油加热的其它技术也可采用，例如把蒸汽喷射到地层中等类似技术。
如上所述，在井眼12中需要和重质原油形成微乳液的水或盐水可以是随石油一起开采的水，于是仅仅强碱制剂必须从地面14上的存储装置40中抽出来。如果和重质原油一起开采的仅有一点或根本没有水，那么在地面14上需要的水和强碱制剂混合并以强碱溶液的形式抽到井眼12中。
使用的强碱制剂或强碱制剂的水溶液从存储装置40中抽到管道43中并且经过喷嘴48进入到靠近地层16的井眼12中。在进入到井眼12后，强碱制剂或强碱制剂水溶液和重质原油及水或与重质原油单独混合。强碱制剂与原油中存在的环烷和其它酸反应，以形成较大的具有较低表面张力的“肥皂状”分子。当强碱制剂和重质原油接触并与之反应时，原油被从超声换能器50发出的超声波轰击。在水和石油面前对强碱制剂和超声能量的结合使用可导致半稳定到稳定乳液逐渐到微乳液的快速形成。如上所述，在该乳化状态的原油和单独的原油或混有水的原油相比具有显著的降低的粘度。
抽到井眼12或形成在其中的含水强碱制剂具有至少约为8的pH值，制剂或溶液以足够低的速率被引入到形成地层中，以形成具有流入到井眼的重质原油速率的微乳液。较好的是强碱水溶液具有在从大约10到大约13更好的是在从大约12到大约13范围内的pH值。含有强碱制剂的溶液浓度为从大约0.001到大约10摩尔，更好的是在从大约0.01到大约8摩尔范围内。
使用的强碱制剂较好的是好从氢氧化钠、氢氧化钙、硅酸钠复合物、碳酸氢钠、氢氧化镁及其混合物中选择。更好的是从氢氧化钠和氢氧化钙中选择。最好碱金属氢氧化物为氢氧化钠。加入到或在井眼12中形成的强碱水溶液的具体比率将根据几个因素而不同，这几个因素包括在井眼12中的重质原油的开采率、重质原油的初始粘度以及如果有的话还包括水的开采率。一般地，强碱制剂的水溶液加入到井眼中或溶液在井眼中形成，由此强碱制剂的水溶液和重质原油的体积比在大约1∶10到大约10∶1的范围，更好是在大约1∶3到大约3∶1的范围，最好是大约1∶2。
换能器50产生的超声波可在井眼12中以足够频率发出，从而加强了其中的水与强碱制剂和重质原油反应物之间形成稳定乳液。发出的超声波的确切频率和能量密度取决于石油的各种参数，这些参数例如为：初始粘度、开采率等其它参数。一般地，由换能器50发给井眼的超声波至少在15千赫的频率，更好在大约15千赫到大约25千赫的范围，最好为20千赫的频率。在大约20千赫的频率，相应的能量强度水平在达到本发明的目的中特别有效。具有带驱动棒的磁致伸缩致动器的超声换能器可用于实现在每平方厘米大约0.1瓦到大约100瓦的换能器能量强度。
原油接受超声能量以实现需要的微乳液和粘度降低的时间间隔可从几秒到几分钟而不等。在优选实施例中，当在开采时，原油连续地经受声波激励。
下面提供的实例将进一步描述本发明。
实例1
测试在委内瑞拉的Hamaca储油罐中的API重力指数大约为8的重质原油中进行。石油的测试样品和氢氧化钠水溶液在下面表I中给出的温度和量来混合。一组混合物用超声波照射(轰击)给定的时间，产生下面表I中示出的结果。
表I
    照射1时间分钟     温度℃   强碱水溶液量2体积百分比   强碱溶液浓度摩尔     粘度3厘泊
    无照射     23   无添加剂   无添加剂     785,600
    无照射     50   无添加剂   无添加剂     29,200
    1     23   33   0.1     不乳化4
    5     23   33   0.1     很少乳化4
    1     50   33   0.1     一些乳化4
    5     50   33   0.1     一些乳化4
1所有照射在大约20k Hz下进行。
2NaOH溶液的体积百分比为NaOH溶液的体积除以原油和NaOH溶液的整个体积。
3样品的粘度由布氏粘度计测量。
4样品没有充分混合而不能给出精确粘度读数。
在第二个系列测试中，使用的温度升高某些程度。这些测试结果如下：
表II
  照射1时间分钟   温度℃ 强碱水溶液量2体积百分比 强碱溶液浓度摩尔     粘度3厘泊
  无照射   60 无添加剂 无添加剂     9880
  无照射   70 无添加剂 无添加剂     4448
  无照射   75 无添加剂 无添加剂     2823
  1   75 33 0.1     9.904
  3   50 33 0.1     6.604
1所有照射在大约20k Hz下进行。
2NaOH溶液的体积百分比为NaOH溶液的体积除以原油和NaOH溶液的整个体积。
3样品的粘度由布氏粘度计测量。
4甚至在冷却至室温后，样品形成稳定乳液并具有很低的粘度。
从表II给出的结果可以看出，本发明的方法非常明显地降低了重质原油粘度。
于是，本发明较好地达到目的并获得结果以及具有上述和固有的优点。虽然对于本领域的普通技术人员来说可进行各种变化，但是这些变化均包括在如附加权利要求书中限定的本发明的范围内。

Claims (29)

1.一种用于提高从地下产油地层中开采重质原油产量的设备(10)，其中井眼(12)穿入该地下产油地层，该设备(10)包括：
位于地面上用于盛放强碱制剂或强碱制剂的水溶液的存储装置(40)；
经过所述井眼从所述的存储装置(40)延伸到靠近井眼(12)的底部用于把所述强碱制剂或强碱制剂的水溶液从所述存储装置(40)引入到所述井眼(12)中的管道装置(42)；以及
位于所述井眼(12)内用于把超声波发射给井眼内的重质原油、水和强碱制剂的混合物(46)中的超声波发生装置(45)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述超声波发生装置(45)包括：
位于所述井眼内的电驱动超声波换能器(50)；及
与所述换能器连接的电源装置(52)。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：所述超声波换能器(50)包括磁致伸缩致动器。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于：所述致动器包括由铽镝铁磁致伸缩合金形成的驱动棒。
5.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：所述电源装置(52)包括：
位于地面上的电源控制单元(60)；及
从所述电源控制单元(60)延伸并把电能输送到所述换能器(50)的电控制线缆(36)。
6.如权利要求1所述的设备，还包括：
位于所述井眼(12)内用于把石油从所述井眼底部引到地面的开采管道(24)；和
固定到所述开采管道(24)上用于把石油经过所述开采管道抽出的泵(30)。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于：所述超声波发生装置(45)包括：
位于所述井眼内的电驱动超声波换能器(50)；及
与所述换能器连接的电源装置(52)。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于：所述超声波换能器(50)包括磁致伸缩致动器。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于：所述致动器包括由铽镝铁磁致伸缩合金形成的驱动棒。
10.根据权利要求7所述的设备，其特征在于：所述电源装置(52)包括：
位于地面上的电源控制单元(60)；
连接在所述电源控制单元(60)和所述电驱动超声波换能器(50)之间的电信号调节单元(62)；及
从所述电源控制单元(60)延伸并把电能输送到所述电信号调节单元(62)和所述电驱动超声波换能器(50)的电控制线缆(36)。
11.一种降低重质原油粘度的方法，包括下面步骤：
使pH值至少为8的强碱制剂水溶液与足量的所述重质原油混合并反应，以形成乳液；及
使重质原油和强碱制剂水溶液的最后反应混合物接受发射超声波的刺激，由此形成降低粘度的油-水乳液。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述强碱制剂水溶液具有在10到13的范围内的pH值。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述强碱制剂存在于浓度在0.001到10摩尔范围的所述强碱制剂水溶液中。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述强碱制剂从氢氧化钠、氢氧化钙、硅酸钠复合物、碳酸氢钠、氢氧化镁及其混合物中选择。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：在所述混合物中所述强碱制剂的水溶液和所述重质原油的体积比在1∶10到10∶1的范围。
16.根据权利要求11所述的方法还包括在把所述强碱制剂水溶液混合之前，对所述重质原油加热以降低初始粘度。
17.根据权利要求11所述的方法，还包括下面步骤：
对所述井眼内的所述开采的重质原油和水或只对开采的重质原油进行加热，以降低所述重质原油的初始粘度。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：把在所述井眼内的所述重质原油的初始粘度降低到1000到8000厘泊范围内的水平。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：把在所述井眼内的所述重质原油的初始粘度降低到2500到4000厘泊范围内的水平。
20.一种用于从通过井眼穿入的地下产油地层中开采重质原油的方法，包括下面步骤：
把强碱制剂或强碱制剂的水溶液引入到所述井眼中，所述井眼含有开采的重质原油和水或只含有重质原油，由此在井眼中形成或被引入具有pH值至少为8的强碱制剂水溶液，并以足量和所述重质原油混合并反应，在所述井眼内形成乳液；
通过把超声波发射到所述井眼而使所述重质原油和强碱制剂溶液的混合物接受乳液形成刺激；及
从所述井眼中开采所述乳液。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：所述强碱制剂水溶液具有在10到13的范围内的pH值。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：所述强碱制剂存在于浓度在0.001到10摩尔范围的所述强碱制剂水溶液中。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于：所述强碱制剂从氢氧化钠、氢氧化钙、硅酸钠复合物、碳酸氢钠、氢氧化镁及其混合物中选择。
24.根据权利要求22所述的方法，其特征在于：所述强碱制剂为氢氧化钠。
25.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：把所述强碱制剂的水溶液引入到所述井眼内，该引入量使强碱制剂的水溶液和所述重质原油的体积比在1∶10到10∶1的范围。
26.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：把频率在15000千赫到25000千赫范围内的所述超声波发射到所述井眼内。
27.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：超声波通过位于所述井眼(12)内的至少一个电驱动的超声波换能器(50)发射到所述井眼内。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于：所述换能器(50)包括磁致致动器。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于：所述磁致致动器包括由铽镝铁磁致伸缩合金制成的驱动棒。
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