地震資料處理保幅性評價方法綜述與探討

尚新民

(中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司物探研究院,山東東營257022)

隨著油氣勘探程度的逐步深入,隱蔽性油氣藏越來越成為勘探開發(fā)工作的重點,巖性油氣藏是該類油氣藏中的重要類型。面向巖性油氣藏的儲層預(yù)測工作,面臨著從定性到定量、從儲層巖性到物性以及含油氣性識別的挑戰(zhàn)。巖性圈閉識別對地震資料的品質(zhì),特別是地震資料處理的保幅性提出了更高的要求。如果資料處理結(jié)果的相對保幅性較低,就會制約精細(xì)儲層預(yù)測技術(shù)的應(yīng)用效果。所以,如何提高地震處理成果資料的相對保幅性,進(jìn)而提高巖性油氣藏儲層預(yù)測的精度,在當(dāng)前顯得較為緊迫[1]。但是,如何檢驗一項地震資料處理技術(shù)是否真正達(dá)到了保幅性處理的要求,仍然缺乏一套完善的地震資料保幅性分析方法與評價系統(tǒng)。

近幾年來,勝利油田物探研究院技術(shù)人員一直致力于保幅處理技術(shù)及保幅性評價方法的研究。筆者在梳理分析前人保幅性評價研究成果的基礎(chǔ)上,確定了5大類地震資料處理技術(shù)的保幅性評價準(zhǔn)則,進(jìn)一步分析探討了9種保幅性評價方法,形成了一套較為完善的地震資料處理保幅性評價系統(tǒng),并自主開發(fā)了保幅性評價分析軟件,在實際地震資料保幅處理中取得了良好的應(yīng)用效果。

1 地震資料保幅處理的目的

地震反射波能量與反射界面波阻抗成正比,波阻抗與巖性的變化存在一定聯(lián)系,這也成為利用地震反射波振幅進(jìn)行隱蔽油氣藏勘探的理論基礎(chǔ)。地震資料處理過程中,在保持原始地震資料有效反射地震信息,如振幅、能量、頻率以及波形同相性等不發(fā)生相對畸變的前提下,采用有效合理的處理手段來提升地震資料品質(zhì)的處理過程,即為相對處理過程[2]。絕對的保幅處理是不存在的[3]。

所謂保幅處理的含義是:①精確地消除地震波在傳播過程中的球面擴(kuò)散效應(yīng)和吸收衰減的影響;②經(jīng)某個或某些處理模塊的作用后,地震子波的波形特征沒有發(fā)生不符合物理規(guī)律的人為的畸變。如果將每個處理模塊都視為一個“濾波器”,從濾波器及其輸入、輸出的觀點看,濾波器本身原則上應(yīng)該首先是零相位的,然后是振幅全通的。這樣的濾波器不改變輸入子波的波形特征,即輸出的振幅、相位和頻率等不發(fā)生相對畸變。一系列這樣的保幅處理模塊組合在一起形成的處理流程,就是保幅處理流程。

明確地說,地震資料保幅處理的目的一是保持儲層巖性變化引起的波形變化,用于后續(xù)的波形屬性分析和油氣預(yù)測;二是保持成像道集中的AVA關(guān)系,用于后續(xù)AVA反演得到反射界面兩側(cè)的彈性參數(shù),如縱波速度、橫波速度、密度、Q值等,然后基于巖石物理學(xué)分析有望得到儲層孔隙度、滲透率、含油飽和度等參數(shù)。

2 地震資料處理保幅性評價準(zhǔn)則

地震波在地下傳播過程中,有很多非儲層因素引起的對子波波形的改造和對反射系數(shù)估計的影響,分析可知主要包括地表因素、觀測系統(tǒng)非規(guī)則的影響、噪聲、背景速度、地層各向異性以及傳播過程中其它諸因素的影響,這些影響因素都會在處理結(jié)果中體現(xiàn)出來。針對這些問題,處理過程中會采取不同的技術(shù)手段。每一項處理技術(shù)都有其理論基礎(chǔ),其目的不同,保幅的效果也不同,對原始資料振幅的改變也不同,因此保幅性評價的要求也不同。通過分析研究,將整個處理過程中所采用的處理技術(shù)分為5大類別,并分別確定針對性的地震資料處理保幅性評價準(zhǔn)則。

2.1 噪聲壓制處理保幅性評價準(zhǔn)則

噪聲壓制處理的目的是分離、壓制或消除非反射界面產(chǎn)生的波場信號,僅僅保留反射界面產(chǎn)生的波場信號。對于繞射波,要保留完整的繞射波信息。

保幅性噪聲壓制處理方法要滿足相對保持振幅、波形、頻率和相位的要求,壓噪濾波器盡量滿足零相位、振幅全通的要求;在時間域中,噪聲壓制前、后的殘差剖面應(yīng)滿足不包含有效信號的要求;在頻率域中,噪聲壓制前、后殘差剖面的頻譜分析僅表現(xiàn)相應(yīng)噪聲的頻率范圍;單頻噪聲壓制不損害同頻率、不同振幅的有效信號,壓制后不產(chǎn)生附加噪聲;相干類噪聲壓制后,有效信號振幅能量關(guān)系相對保持不變,不出現(xiàn)假頻現(xiàn)象;噪聲壓制后平面振幅屬性圖不存在異常值;疊后噪聲壓制后沿層振幅趨勢不變,目的層極大值振幅整體變化趨勢與處理前相吻合。

2.2 振幅補償處理保幅性評價準(zhǔn)則

振幅補償類處理技術(shù)主要是恢復(fù)地震波傳播過程中的球面擴(kuò)散及地表激發(fā)/接收條件不一致造成的能量差異,使地震波能夠真正反映地下地質(zhì)巖性的特征,恢復(fù)儲層的構(gòu)造形態(tài),使地震資料的波組特征清楚、地質(zhì)信息豐富[4]。

保幅性振幅補償處理方法理論上要滿足相對保持振幅處理的要求;球面擴(kuò)散補償后的地震數(shù)據(jù),符合巖石物性參數(shù)及VSP建立的本地區(qū)球面擴(kuò)散補償模型;球面擴(kuò)散補償前、后的振幅曲線,縱向上保持相應(yīng)的振幅關(guān)系;地表一致性振幅補償后的單炮記錄,能夠有效消除由于激發(fā)及接收因素造成的能量差異,與根據(jù)測井結(jié)果合成出的AVO關(guān)系對比,補償后的地震道集保持相應(yīng)的AVO特征,地震剖面應(yīng)具有相應(yīng)的振幅響應(yīng);與補償前的地震資料相比,補償后目的層段的振幅特征及AVO關(guān)系不能出現(xiàn)異常變化。

2.3 提高分辨率處理保幅性評價準(zhǔn)則

提高分辨率處理的目的是消除時差、近地表及地下地層的吸收衰減及地震混響的影響,提高地震子波一致性,拓寬資料頻帶。

保幅性高分辨率處理評價準(zhǔn)則包括:近地表時差校正后地震反射同相軸一致性加強(qiáng),地震剖面上不產(chǎn)生假的地質(zhì)現(xiàn)象;剩余靜校正后的互相關(guān)函數(shù)對稱性好,多次迭代后的剩余靜校正量在一個樣點之內(nèi),波形同相性有效加強(qiáng);利用測井、VSP、巖石物理及地面數(shù)據(jù)的結(jié)合,建立盡可能準(zhǔn)確的Q模型,沿波傳播路徑補償Q引起的振幅、頻率和相位的變化;吸收補償(反Q濾波)后的地震數(shù)據(jù),符合巖石物性參數(shù)及VSP建立的本地區(qū)地質(zhì)吸收補償模型;采用多道反褶積方法,反褶積后的自相關(guān)主瓣寬度壓縮、旁瓣幅度降低,主能量一致性加強(qiáng);反褶積后頻譜分析有效頻帶振幅能量加強(qiáng),資料信噪比得到有效保持,子波一致性變好;建立準(zhǔn)確的速度模型,實現(xiàn)高保真的CMP疊加和疊前偏移成像疊加,最大可能地消除子波拉伸效應(yīng);提高分辨率后的地震剖面波組特征清晰,切片顯示構(gòu)造特征完整,滿足精細(xì)地質(zhì)解釋要求。

2.4 成像處理保幅性評價準(zhǔn)則

地震成像分為疊加成像和偏移成像,地震成像處理的目的是產(chǎn)生保幅的道集數(shù)據(jù)、準(zhǔn)確歸位的成果數(shù)據(jù)及速度場。

保幅性成像處理技術(shù)在疊加過程中采用無效樣點不參與振幅能量平均計算的保幅疊加方法;Kirchhoff積分偏移選好偏移孔徑參數(shù)和反假頻參數(shù),采用保幅的加權(quán)算子[5],盡可能消除采集腳印的影響;偏移方法滿足消除與反射系數(shù)無關(guān)的因素并保持反射系數(shù)的動力學(xué)特征;偏移速度模型建立及偏移過程中,考慮介質(zhì)各向異性對成像結(jié)果的影響;疊前偏移中盡可能輸出保真的角度道集,滿足疊前地震屬性研究的要求[6];疊前偏移后地震數(shù)據(jù)不出現(xiàn)空間假頻,成像后CIP道集波形一致,反射同相軸校平;偏移道集不進(jìn)行均衡處理,成像剖面在不加增益的情況下深層與淺層主要反射層的幅值應(yīng)具有相同量級。

2.5 處理成果資料保幅性評價準(zhǔn)則

最終成像結(jié)果的保幅性就是要看處理剖面上反射波的振幅比是否接近于反射界面的反射系數(shù)比。

保幅性處理成果資料在成像前、后同一儲層道集內(nèi)振幅相對關(guān)系是保持一致的;利用測井信息得到巖石物性參數(shù)合成AVA/AVO道集,保幅處理成像道集顯示的AVA/AVO特征與合成道集具有有效的相似性;復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域構(gòu)造清晰,分辨率高,速度場資料準(zhǔn)確,具有較好的動力學(xué)特征;疊前偏移成果資料要與已知井資料分層數(shù)據(jù)相吻合;以標(biāo)準(zhǔn)反射層為參考,沿連續(xù)反射層提取的地震屬性(振幅、頻率、相位和波形)具有基本穩(wěn)定的一致性,相應(yīng)的處理數(shù)據(jù)滿足相對保持振幅、頻率、相位和波形的條件。

3 地震資料處理保幅性評價方法探討

郭樹祥(2009)[7]、芮擁軍(2011)[8]、王軍等(2012)[9]、呂小偉(2012)[10]等先后提出了地震資料保幅處理的不同判別與評價方法。這些方法從不同側(cè)面對多種地震資料處理技術(shù)進(jìn)行了保幅性評價,具有較高的實用性,但這些不同的判別方法都尚未涵蓋地震資料保幅性處理的全過程。

通過對地震波振幅特征、頻率特征、相位特征、子波相似性、目的層波形屬性變化特征、AVO特征、地震屬性切片、波阻抗與測井結(jié)果的一致性等方面進(jìn)行研究,在歸納吸收前人保幅性評價研究成果的基礎(chǔ)上,針對不同處理階段的處理技術(shù)進(jìn)行了保幅性評價方法的綜述與分析,總結(jié)了一套較為完善的地震資料處理保幅性評價系統(tǒng),并自主開發(fā)了保幅性評價分析軟件。該系統(tǒng)可概括分為9種保幅性分析評價方法,以下對各評價方法的原理及適用性分別進(jìn)行分析與探討。

3.1 殘差分析法

郭樹祥(2009)[7]、芮擁軍(2011)[8]提出了相減法,王軍等(2012)[9]提出了殘差法,在此歸納為殘差分析法,用于去噪處理方法的保幅性評價。

通過去噪處理提高信噪比是地震資料處理的重要環(huán)節(jié),其基本原理為根據(jù)有效信號與噪聲的分布差異設(shè)計濾波器,從而達(dá)到壓制噪聲和加強(qiáng)有效信號的目的。

判斷去噪方法保幅性的最直接方法就是去噪處理前、后的地震記錄直接相減,判斷殘差數(shù)據(jù)中是否含有被去除的有效信號。其公式表達(dá)比較簡單,假定兩個數(shù)據(jù)集為A(X,T)和B(X,T),則差別分析為:D(X,T)=A(X,T)-B(X,T)。

目前沒有一種方法可以做到真正的信噪分離,無法在數(shù)學(xué)意義上識別噪聲與有效信號。一般情況下,只要濾波器具有零相位和振幅全通的特征,濾波處理后的結(jié)果就可以認(rèn)為是相對保幅的。

3.2 時頻分析法

頻譜分析可以從時間域或頻率域的角度分析地震信號,但它不能同時保留時間和頻率信息,無法確定某一時刻頻率成分的分布特征。對于地震信號,要獲得某一時間的頻率成分或某一頻率成分在不同時刻的分布情況,時頻分析法就顯示出其重要作用。對處理前、后的地震剖面或道集進(jìn)行時頻分析,如果子波的時頻特征發(fā)生異常變化,可以判斷該處理模塊不適用于保幅性處理。監(jiān)控可以針對地震資料的特征層位進(jìn)行,主要監(jiān)控處理前、后地震波形的瞬時振幅、瞬時頻率和瞬時相位的變化。

圖1顯示的是一個正演模型記錄的時頻分析結(jié)果,圖1a是無衰減模型的時頻譜;圖1b是衰減模型的時頻譜;圖1c是時頻補償后正演模擬記錄的時頻譜。從圖1可以看出,時頻補償處理后地震記錄的時頻特征(圖1c)與無衰減記錄的時頻特征(圖1a)具有較高的相似性,因而認(rèn)為這種時頻補償處理方法是相對保幅的。

圖1 正演模擬記錄時頻譜分析結(jié)果a 無衰減模型時頻譜; b 衰減模型時頻譜; c 時頻補償后時頻譜

3.3 振幅曲線對比法

芮擁軍(2011)[8]提出了振幅曲線對比法,王軍等(2012)[9]提出了振幅曲線統(tǒng)計法,用于振幅補償類處理方法的保幅性評價。

地震反射能量與波阻抗的相對變化成正比,波阻抗與巖性的變化存在一定聯(lián)系,這成為利用地震反射振幅進(jìn)行隱蔽油氣藏勘探的理論基礎(chǔ)。地震波傳播過程中,由于球面擴(kuò)散效應(yīng)與地層吸收的影響,中深層反射波的振幅必然會受到損失;受施工因素及噪聲的影響,相鄰記錄間振幅會有差異。這些損失或差異都會對地震資料造成影響,振幅校正的目的是補償受損的振幅,恢復(fù)有效波的能量。利用補償處理前、后的振幅曲線關(guān)系,可以判斷振幅補償類處理方法的保幅性。

圖2給出了2009年采集的羅家高精度三維實際資料振幅一致性處理前、后的單炮記錄,圖2a是補償前單炮記錄;圖2b是補償后單炮記錄。從圖2 可以看到,不同單炮之間橫向上的能量得到有效補償。圖3給出了補償前、后單炮記錄的能量曲線,補償前單炮之間的能量差異較大(圖3a),補償后單炮之間的能量曲線趨于一致(圖3b),說明該補償處理技術(shù)具有較好的保幅性。

3.4 振幅比計算法

王軍等(2012)[9]提出了振幅比法,用于反褶積等提高分辨率處理方法的保幅性評價。

地震資料經(jīng)過處理后,雖然振幅的絕對值發(fā)生了變化,但振幅間的相對關(guān)系保持不變,處理前、后對應(yīng)位置的振幅比關(guān)系也相對一致,這一處理也就是相對保幅的處理過程。以疊前正演數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),在已知地層反射系數(shù)、地震波的振幅相對關(guān)系的情況下,對正演數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的處理,通過計算處理前、后同一標(biāo)準(zhǔn)層的相對振幅比,并進(jìn)行對比分析,可以對相應(yīng)處理技術(shù)及流程進(jìn)行保幅性評價。

3.5 子波一致性分析法

芮擁軍(2011)[8]提出了子波一致性相關(guān)法,用于提高分辨率類處理方法的保幅性評價。

真實的地震子波和反射系數(shù)都是未知的,所以對地震子波的求取是非常重要的?，F(xiàn)有的提高分辨率處理手段,如反褶積、反Q濾波、譜白化等,無論是假設(shè)反射系數(shù)白噪,還是直接將地震記錄振幅譜進(jìn)行白化處理,都直接或間接地將地震記錄振幅譜展平抬寬,這嚴(yán)重破壞了反射系數(shù)間的相對關(guān)系。

提高分辨率處理技術(shù)從物理意義上講都是補償?shù)卣鹱硬芰?進(jìn)行去子波效應(yīng)(滑動平均),恢復(fù)反射系數(shù)形態(tài)。目前開發(fā)出的盲反褶積技術(shù),其思想就是通過引入某種非高斯性準(zhǔn)則來不斷調(diào)節(jié)反褶積算子,使反褶積輸出的概率密度函數(shù)逐漸逼近原反射系數(shù)的概率密度函數(shù),以此消除子波的影響。因此,提高分辨率處理保幅評價可以考察處理前、后反射系數(shù)間(子波相關(guān)函數(shù))相對關(guān)系的破壞程度,據(jù)此來衡量該處理技術(shù)的保幅性。

圖2 羅家高精度資料振幅一致性處理前(a)、后(b)單炮記錄

圖3 羅家高精度資料振幅一致性處理前(a)、后(b)能量曲線

3.6 AVO屬性分析法

郭樹祥(2009)[7]、芮擁軍(2011)[8]、王軍等(2012)[9]均提出了AVO屬性分析法,用于地震道集處理保幅性綜合評價。

測井?dāng)?shù)據(jù)提供了井筒中的巖石物性參數(shù),可以根據(jù)此參數(shù)計算井位置處的各反射層的AVA曲線,也可以利用波阻抗合成零偏移距地震道。原則上,這兩個結(jié)果可以作為標(biāo)準(zhǔn)來判別保幅處理后井點處AVA關(guān)系的可靠性和零偏移距地震道的保幅性。多口井的控制應(yīng)該可以對整個探區(qū)的保幅處理結(jié)果有一個比較客觀的判斷。根據(jù)測井?dāng)?shù)據(jù)換算出地層速度,根據(jù)目的層位的埋深和炮檢距計算出射角、入射角,再根據(jù)Zoeppritz方程計算出反射系數(shù),與地震子波褶積就得到了井點處的AVA/AVO道集,將此合成道集中各反射波振幅變化關(guān)系與處理后地震道集中各反射波振幅的變化關(guān)系進(jìn)行比較,可以驗證處理方法對疊前道集的保幅性[11]。

利用測井?dāng)?shù)據(jù)擬合得到的AVA/AVO道集,可以對地震資料疊前處理方法及參數(shù)進(jìn)行保幅性監(jiān)控,經(jīng)過處理后的地震道集與擬合得到的道集相比,其AVA/AVO關(guān)系不能破壞。已知氣井含氣標(biāo)準(zhǔn)層具有明顯的AVO特征,地震剖面應(yīng)具有相應(yīng)的振幅響應(yīng)。圖4是一個利用AVO屬性分析法判斷某去噪方法保幅性的例子,正演道集數(shù)據(jù)(圖4a)具有振幅隨偏移距增大而增大的第Ⅲ類AVO特征,對添加噪聲后的記錄(圖4b)進(jìn)行噪聲壓制,噪聲去除后的道集數(shù)據(jù)(圖4c)仍然保持了振幅隨偏移距增大而增大的特征,證明該噪聲壓制方法處理結(jié)果滿足相對保幅性的要求。

圖4 利用AVO屬性分析法驗證噪聲壓制技術(shù)保幅性的正演數(shù)據(jù)示例a 正演模型道集; b 加入噪聲后道集; c 噪聲壓制后道集

3.7 沿層地震屬性分析法

芮擁軍(2011)[8]提出了沿層地震屬性平面分析法,主要用于疊后地震數(shù)據(jù)沿層屬性(振幅、頻率等)保幅性分析。在此基礎(chǔ)上對該方法進(jìn)行了深化,提出沿層地震屬性分析法,既應(yīng)用于疊后沿層平面屬性分析,也應(yīng)用于疊前沿層屬性分析。

在一定的勘探區(qū)域內(nèi),目的層附近存在一個穩(wěn)定的沉積環(huán)境(河流相或湖相)階段,形成了具有全區(qū)穩(wěn)定的連續(xù)反射層,以該連續(xù)反射層為參考標(biāo)準(zhǔn)層,沿該連續(xù)反射層提取的地震屬性具有基本穩(wěn)定的一致性,這是沿層地震屬性在儲層預(yù)測和含油氣檢測方面的應(yīng)用基礎(chǔ)。

圖5是實際地震記錄進(jìn)行地表一致性振幅補償處理前、后的沿層振幅分析圖,圖中用紅色曲線選擇了一個標(biāo)志層,通過沿層振幅屬性分析可以看到沿層振幅曲線特征的變化(圖5a和圖5b中的下圖)。對比可見,補償處理后的沿層振幅曲線消除了施工因素對地震振幅的影響,能夠真實反映地下地層的信息。

3.8 切片分析法

借鑒芮擁軍(2011)[8]提出的相干切片分析法,提出切片分析法,既應(yīng)用于相干體切片分析,也應(yīng)用于其它疊后數(shù)據(jù)或?qū)傩詳?shù)據(jù)體切片分析。

構(gòu)造成像是保幅成像的前提,構(gòu)造成像不合理,就無從談?wù)摫７鶈栴}。利用時間切片可以對不同成像數(shù)據(jù)體的構(gòu)造合理性進(jìn)行解釋判斷。切片分析法也可用于疊后提高分辨率處理方法的保幅性評價,判別方法是對提高分辨率處理前、后的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,提高分辨率后地震數(shù)據(jù)切片中構(gòu)造特征顯示清晰,能夠滿足精細(xì)地質(zhì)解釋要求[12]。

圖5 地表一致性振幅補償前(a)、后(b)沿層地震屬性分析結(jié)果

圖6是2009年采集的羅家三維地震資料疊后偏移(圖6a)與疊前時間偏移(圖6b)處理所得數(shù)據(jù)體的切片分析法實例。從兩張時間切片上可以明顯看出,疊前時間偏移較疊后偏移成像精度明顯提高,這說明疊前時間偏移比疊后偏移具有更好的保幅性。

圖6 羅家高精度三維資料疊后偏移時間切片(a)與疊前時間偏移切片(b)

3.9 合成記錄法

郭樹祥(2009)[7]提出了合成記錄法,用于處理成果數(shù)據(jù)的保幅性評價。

根據(jù)測井?dāng)?shù)據(jù)換算出地層速度,計算出各地層界面的法向反射系數(shù),利用褶積模型可以得到井旁的合成記錄。將此合成記錄中不同時間的反射波振幅變化關(guān)系與處理后井旁地震道中不同時間的反射波振幅的變化關(guān)系進(jìn)行比較,可以驗證處理方法在縱向上的保幅性。

圖7是測井?dāng)?shù)據(jù)、地震子波、合成記錄與地震剖面的對應(yīng)關(guān)系圖。從圖中可以看到,合成記錄與實際地震記錄的吻合度比較好,合成記錄中不同時間的反射波振幅變化關(guān)系與處理后井旁地震道中不同時間的反射波振幅的變化關(guān)系一致性較好,從這一角度也驗證了地震資料處理后的成果資料縱向上的保幅性。

圖7 測井?dāng)?shù)據(jù)、地震子波、合成記錄對成果數(shù)據(jù)保幅性效果分析

4 結(jié)束語

針對噪聲壓制、反褶積、振幅補償、疊加成像和偏移成像、疊后提頻去噪等地震資料處理過程中的主要技術(shù)環(huán)節(jié)及其階段成果數(shù)據(jù),通過對前人研究成果的梳理與分析,確定了地震資料處理保幅性評價準(zhǔn)則,利用模型數(shù)據(jù)及實際地震資料對殘差分析法、時頻分析法、振幅曲線對比法、振幅比計算法、子波一致性分析法、沿層地震屬性分析法、AVO屬性分析法、切片分析法、合成記錄對比法等9種保幅性評價方法進(jìn)行了綜述與探討,明確了各種保幅性評價方法的地球物理意義及適用性,形成了一套較為完善的地震資料處理保幅性評價系統(tǒng),為地震資料處理中選擇保幅性處理模塊、構(gòu)建保幅處理流程、評價處理成果的保幅性提供了依據(jù)。

致謝:感謝勝利油田物探研究院郭樹祥、芮擁軍對本次保幅性評價系統(tǒng)研究工作的幫助,感謝勝利油田物探研究院陳新榮對本次保幅評價準(zhǔn)則建立工作的幫助,感謝勝利油田物探研究院刁瑞、張珺怡對本文的幫助！

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