石文睿 張占松 張建平 趙紅燕 石元會(huì) 黃 強(qiáng)
(1.長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院 2.中國(guó)石化江漢石油工程有限公司測(cè)錄井公司)
頁(yè)巖氣是指主體位于暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖中,以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣。頁(yè)巖氣表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式;在成藏機(jī)理上既具有吸附、游離、水溶等多重特征,又具有自生、自儲(chǔ)、自保、儲(chǔ)層致密等特點(diǎn),是一種典型的連續(xù)性大規(guī)模、低豐度、非常規(guī)天然氣聚集[1-7]。由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特低孔隙度、特低滲透率的物性特征和吸附與游離態(tài)的聚集模式與常規(guī)油氣藏有著很大的區(qū)別,傳統(tǒng)的常規(guī)測(cè)井解釋方法不再適用于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層[1-3,6-9]。
通過對(duì)中國(guó)石化首口頁(yè)巖氣水平井建南構(gòu)造JYHF-1井東岳廟段巖心與測(cè)井資料的整理、分析和深入研究,建立了該地區(qū)首套基于常規(guī)測(cè)井項(xiàng)目的解釋處理模型。JYHF-1井于東岳廟段取心85.0 m,側(cè)鉆水平段長(zhǎng)1022.5 m,分8段水力壓裂改造,獲1.2×104m3/d天然氣產(chǎn)能,產(chǎn)水量43 m3/d,為測(cè)錄井頁(yè)巖氣解釋模型研究提供了豐富的基礎(chǔ)資料。
建南構(gòu)造位于中揚(yáng)子地區(qū)石柱復(fù)向斜中部,是中揚(yáng)子、上揚(yáng)子地區(qū)最為有利的勘探區(qū)域之一。建南構(gòu)造分北高點(diǎn)和南高點(diǎn),JYHF-1井位于該構(gòu)造北高點(diǎn)(圖1)。
圖1 建南構(gòu)造及JYHF-1井位置示意圖
建南地區(qū)侏羅系下統(tǒng)自流井組東岳廟段以濱淺湖-淺湖沉積為主,泥頁(yè)巖發(fā)育,沉積厚度120~150m,其中優(yōu)質(zhì)暗色泥頁(yè)巖厚度為40~120 m、總有機(jī)碳含量TOC>1.2%,且分布穩(wěn)定。Ⅰ、Ⅱ類頁(yè)巖氣儲(chǔ)層有利區(qū)面積4300 km2、資源量5.8×1011m3,平面上分布穩(wěn)定,具有良好的勘探開發(fā)前景。
建南地區(qū)東岳廟段地層巖性主要由泥巖、頁(yè)巖、含泥質(zhì)灰?guī)r組成(圖2),巖性相對(duì)單一,較容易定性識(shí)別。
頁(yè)巖:自然伽馬GR相對(duì)高值,一般大于90 API;聲波時(shí)差A(yù)C相對(duì)高值,一般在270 μs/m;巖性密度DEN相對(duì)高值,一般大于2.58 g/cm3。
泥巖:GR相對(duì)高值,一般大于90 API;AC相對(duì)較高,一般為240~275 μs/m;DEN相對(duì)低值,一般小于2.58 g/cm3。
含泥質(zhì)灰?guī)r:GR相對(duì)低值,一般小于75 API;LLD相對(duì)高值;AC相對(duì)較小,一般小于240 μs/m。DEN密度相對(duì)高值,一般大于2.65 g/cm3。
不難看出,利用GR、AC、DEN測(cè)井曲線,可以有效識(shí)別巖性相對(duì)單一的東岳廟段地層巖性。
頁(yè)巖氣儲(chǔ)層由于富含有機(jī)質(zhì),因此測(cè)井響應(yīng)特征與常規(guī)儲(chǔ)層有明顯不同。通常情況下,干酪根形成于還原環(huán)境,可以使鈾沉淀下來,從而具有高自然伽馬放射性特征。干酪根的密度較低,介于0.95~1.05 g/cm3之間。它的存在大大降低了儲(chǔ)層體積密度。另外,干酪根還具有較高的含氫指數(shù)和較低的光電吸收指數(shù),導(dǎo)致儲(chǔ)層具有高中子孔隙度、低光電俘獲截面特征。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中含烴飽和度較高,導(dǎo)致高電阻率,但電阻率也會(huì)隨著流體含量和粘土類型而變化。
從國(guó)內(nèi)外典型頁(yè)巖氣藏來看,頁(yè)巖氣儲(chǔ)層相比頁(yè)巖非儲(chǔ)層具有“三高二低”測(cè)井曲線特征,即GR、RT和CNL高、DEN與PE值(PEF)低特征[1]。由于本區(qū)含灰?guī)r成分較重,DEN、PE值低特征不明顯,如圖2中591.0~643.0 m井段頁(yè)巖氣儲(chǔ)層,具有明顯“三高”特征,“二低”特征不明顯。由于受礦物含量、黏土類型、有機(jī)質(zhì)類型等因素的影響,建南地區(qū)東岳廟段“三高二低”的測(cè)井曲線特征不太明顯。
圖2 東岳廟段頁(yè)巖氣儲(chǔ)層常規(guī)測(cè)井圖
埃克森(Exxon)和埃索(Esso)公司Passey(1990)等人發(fā)明的“聲波-電阻率”法即DT-ΔlogRt(DTRT)方法[1],經(jīng)后人多次改進(jìn),能夠較好地定性劃分儲(chǔ)層、半定量計(jì)算頁(yè)巖氣儲(chǔ)層總有機(jī)碳含量TOC。其基本原理就是:利用聲波曲線AC(DT)與電阻率曲線LLD(Rt)疊合,不含有機(jī)質(zhì)的泥巖段AC與LLD曲線基線基本重疊在一起,幅度差異能夠反映地層富含有機(jī)質(zhì)的情況,據(jù)此判別和劃分頁(yè)巖氣儲(chǔ)層。如圖2中582.5~643.0 m井段,DT-RT “幅度差”明顯,表征頁(yè)巖層TOC豐富。依據(jù)DT-RT“幅度差”劃分儲(chǔ)層應(yīng)參考巖性曲線和孔隙度曲線,綜合確定頁(yè)巖氣儲(chǔ)層段深度。
(1)泥質(zhì)含量模型
由于泥質(zhì)顆粒細(xì)小,具有較大的比面,使它對(duì)放射性物質(zhì)有較大的吸附能力,并且沉積時(shí)間長(zhǎng),有充分時(shí)間與溶液中的放射性物質(zhì)一起沉積下來,所以泥質(zhì)(黏土)具有較高的放射性。在不含放射性礦物的情況下,泥質(zhì)含量的多少就決定了沉積巖石的放射性強(qiáng)弱。因此,泥質(zhì)含量的計(jì)算可以采用自然伽馬曲線GR或去鈾自然伽馬曲線曲線CGR,計(jì)算公式:
式中:
GCUG—經(jīng)驗(yàn)系數(shù),新地層選擇2;
GR—目的層自然伽馬,API;
IGR—泥質(zhì)含量指數(shù);
GRmax—目的層純泥巖的GR值,一般取180,API;
GRmin—目的層純砂巖的GR值,一般取20,API。
(2)砂巖與灰?guī)r含量模型
當(dāng)PE≥PE上限值PEup時(shí),PE=PEup; 當(dāng)PE≤下限值PEdn時(shí),PE=PEdn。
解聯(lián)立方程(3)可求解泥頁(yè)巖地層砂巖與灰?guī)r含量。
式中:
Vsh、Vsand、Vlime—泥質(zhì)、砂巖、灰?guī)r體積分?jǐn)?shù),%;
PEsh、PEsand、PElime—泥巖、砂巖、灰?guī)rPE值,無量綱;
由圖2可以看出,用GR、PEF曲線計(jì)算的礦物體積分?jǐn)?shù)和實(shí)驗(yàn)值比較匹配,平均誤差小于±15%。
(3)脆性礦物含量與脆性指數(shù)模型
脆性礦物體積分?jǐn)?shù)估算公式:
式中:
CSi+CO3—儲(chǔ)層脆性礦物體積分?jǐn)?shù),%;
CSi—儲(chǔ)層砂質(zhì)(主要為石英)體積分?jǐn)?shù),%;
Cco3—儲(chǔ)層碳酸鹽礦物(方解石、白云石)體積分?jǐn)?shù),%。
式中:
BRIT—儲(chǔ)層脆性指數(shù),無量綱。
JYHF-1井東岳廟段582.5~643.0 m井段 (圖2),頁(yè)巖氣儲(chǔ)層脆性礦物含量平均在60.0%以上,最高達(dá)到80.0%,脆性指數(shù)平均0.65,儲(chǔ)層易于壓裂改造。壓裂施工,首先進(jìn)行小型壓裂測(cè)試,采用階梯升排量注入和階梯降排量進(jìn)行測(cè)試,得到裂縫延伸壓力、閉合壓力、液體效率等參數(shù)值。主壓裂實(shí)際完成7段,比設(shè)計(jì)少壓1段,原因是第5段壓裂橋塞遇套管變形受阻而放棄。其余壓裂按設(shè)計(jì)執(zhí)行,入井總液量達(dá)到12037.6 m3,總加砂量為394.5 m3,微地震檢測(cè)顯示儲(chǔ)層改造體積4.4×107m3,壓裂獲得成功。再次證明了前人研究得出的“儲(chǔ)層脆性礦物含量大于50%、脆性指數(shù)均大于0.5時(shí),儲(chǔ)層易被壓裂改造”結(jié)論是正確的。
(1)孔隙度模型
國(guó)內(nèi)外在利用常規(guī)測(cè)井曲線計(jì)算多礦物地層的孔隙度時(shí),一般采用中子-密度交會(huì)、密度-聲波交會(huì)、中子-聲波交會(huì)。對(duì)比三種孔隙度計(jì)算結(jié)果(圖3),利用“中子-聲波”方法計(jì)算的孔隙度與氦孔隙度的對(duì)比,可以看出在整個(gè)井段,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)資料匹配良好,典型頁(yè)巖氣儲(chǔ)層段591.0~643.0 m孔隙度最大8.0%、最小1.7%、平均5.2%、典型值6.0%;中子-密度交會(huì)計(jì)算的591.0~643.0 m頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度明顯偏小,密度-聲波交會(huì)計(jì)算的孔隙度在565.0~572.0 m井段與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為匹配,575.0~649.0 m井段不匹配。
圖3 東岳廟段頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井孔滲飽計(jì)算與巖心測(cè)量對(duì)比圖
東岳廟段頁(yè)巖采用“中子-聲波”孔隙度計(jì)算模型如下:
式中:
VSH—泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù),%;
Vsand—砂巖體積分?jǐn)?shù),%;
Vlime—灰?guī)r體積分?jǐn)?shù),%;
Φ—孔隙度,%;
AC—聲波時(shí)差,μs/m;
Tf—流體聲波,一般取600,μs/m;
Tsand—純砂巖聲波值,一般取180,μs/m;
Tlime—純灰?guī)r聲波值,一般取156,μs/m;
CNL—補(bǔ)償中子值,%;
Nf—流體中子值,一般取100,%;
Nsand—純砂巖中子值,一般取-2.1,%;
Nlime——純灰?guī)r中子值,一般取0,%。
JYHF-1井東岳廟段591.0~643.0 m井段頁(yè)巖氣儲(chǔ)層“中子-聲波”孔隙度典型值為6.0%。
(2)飽和度模型
與常規(guī)儲(chǔ)層不同,頁(yè)巖氣儲(chǔ)層泥質(zhì)含量大,泥質(zhì)對(duì)飽和度的影響較大,并且儲(chǔ)層含水飽和度與地層孔隙度也緊密相關(guān),一般采用Total-shale含水飽和度計(jì)算模型。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層含水與含氣飽和度計(jì)算模型[10]:
式中:
Rsh—泥巖電阻率,東岳廟取20,Ω·m;
Vsh—泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù),%;
Rt—深探測(cè)電阻率,Ω·m;
Sw—含水飽和度,小數(shù);
Sg—含氣飽和度,小數(shù);
Rw—地層水電阻率,東岳廟取0.06,Ω·m;
Φ—地層孔隙度,%;
a—巖性系數(shù),取1.0,無量綱;
m—地層膠結(jié)指數(shù),取2.0,無量綱;
n—飽和度指數(shù),取2.0,無量綱。
從圖2和圖3中可以看出,604.0~625.0 m井段為良好頁(yè)巖氣儲(chǔ)層。圖3中計(jì)算的含水飽和度值最大78.0%、最小42.0%、平均50.0%、典型值45.0%,與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)較為匹配。
(3)滲透率模型
由于建南地區(qū)東岳廟段頁(yè)巖儲(chǔ)層滲透率極低,常規(guī)的測(cè)井滲透率計(jì)算模型難以獲得的理想的效果。巖心孔滲實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)顯示,東岳廟段孔隙度和滲透率相關(guān)性較好,可以利用巖心孔滲實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)建立滲透率計(jì)算模型:
式中:
K—滲透率,mD;
a—巖心實(shí)驗(yàn)回歸系數(shù),取0.0003;
b—巖心實(shí)驗(yàn)回歸系數(shù),取0.781;
Ф—孔隙度,%。
由圖3可以看出,通過此模型計(jì)算的591.0~643.0 m井段頁(yè)巖氣儲(chǔ)層滲透率PERM與巖心實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)匹配較好,相關(guān)性較強(qiáng),巖心PERM平均0.02 mD,二者相對(duì)誤差在1個(gè)數(shù)量級(jí)范圍之內(nèi)。
國(guó)內(nèi)外利用測(cè)井曲線計(jì)算有機(jī)碳含量的方法有許多,如DEN(Daniel Rose,2008)、GR、U含量、DT—RT法等。
JYHF-1井東岳廟段DEN與巖心實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的TOC回歸,TOC=-0.85×DEN+3.32,R=-0.1,相關(guān)性極弱;GR與TOC回歸,TOC=-0.004×GR+0.761,R=0.4,相關(guān)性較弱;U含量與TOC回歸,TOC=-0.34×U+0.65,R=0.6,相關(guān)性弱,不適應(yīng)利用測(cè)井曲線計(jì)算TOC。
聲波-電阻率曲線法計(jì)算公式:
式中:
A、B— 井區(qū)系數(shù),東岳廟段A取6、B取0。
時(shí)差曲線AC基值A(chǔ)C0取240 μs/m,電阻率曲線基值LLD0取20 Ω·m。
利用DT-RT法計(jì)算TOC(圖4),電阻率曲線LLD對(duì)數(shù)刻度(Ω·m),左刻度0.2、右刻度200;時(shí)差曲線AC線性刻度(μs/m),左刻度450、右刻度150。這時(shí),聲波-電阻率曲線在TOC含量少的地方重疊,選擇上部泥巖段,重疊時(shí)的聲波時(shí)差值為AC0,重疊時(shí)的深電阻率值為L(zhǎng)LDb。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),東岳廟段利用“聲波-電阻率”法計(jì)算的有機(jī)碳含量與室內(nèi)巖心分析結(jié)果較為匹配,儲(chǔ)層TOC平均1.23%,相對(duì)誤差小于±20%。
頁(yè)巖氣儲(chǔ)層干酪根含量采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[10]:
式中:
KER—干酪根體積,%;
TOC—有機(jī)碳體積分?jǐn)?shù),%;
DEN—測(cè)井巖性密度,g/cm3;
k—地區(qū)干酪根轉(zhuǎn)換系數(shù),0.8;
Dker:地區(qū)干酪根密度,取1.05,g/cm3。
JYHF-1井東岳廟段591.0~643.0 m井段頁(yè)巖氣儲(chǔ)層干酪根計(jì)算結(jié)果TOC對(duì)應(yīng)較好(圖4)。
圖4 測(cè)井TOC及含氣量計(jì)算結(jié)果與巖心測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比圖
(1)游離氣含量模型
游離氣一般賦存于泥頁(yè)巖的孔隙或裂縫中,主要成分為甲烷,與泥頁(yè)巖孔隙度、含氣飽和度等因素有關(guān)。所謂游離氣含量,系指單位質(zhì)量頁(yè)巖中的游離氣在地面條件下的體積,單位是m3/t。若將甲烷氣視作理想氣體,那么游離氣含量計(jì)算模型則為:
式中:
Gf— 游離氣含量,m3/t;
Bg—天然氣體積系數(shù),建南地區(qū)東岳廟段取0.015~0.018,平均取0.016;
φ—孔隙度,小數(shù);
Sw—含水飽和度,小數(shù);
ρb— 測(cè)井體積密度,g/cm3。
建頁(yè)HF-1井東岳廟段591.0~643.0 m井段頁(yè)巖氣層, 平均孔隙度Φ=6.0%、Sw=45%、ρb=2.65 g/cm3,甲烷氣視作理想氣體,利用式(11)求得頁(yè)巖氣層游離氣含量Gf=0.78 m3/t。
(2)吸附氣含量模型
吸附于頁(yè)巖儲(chǔ)層中的氣體基主要為CH4。1916年法國(guó)化學(xué)家Langmuir(朗格繆爾)在研究固體表面吸附特性時(shí),提出了單分子層吸附的狀態(tài)方程,即Langmuir方程:
式中:
Gs—泥頁(yè)巖吸附氣含量,m3/t;
VL—泥頁(yè)巖儲(chǔ)層朗氏體積,m3/t;
PL—泥頁(yè)巖儲(chǔ)層朗氏壓力,MPa;
P—泥頁(yè)巖儲(chǔ)層地層壓力,MPa。
在低壓下,氣體吸附量隨著壓力的增大快速增加,達(dá)到一定壓力后吸附量達(dá)到飽和,成為一條平滑的直線。這一飽和吸附量稱為朗氏體積VL,到達(dá)1/2朗氏體積吸附氣量所需的實(shí)驗(yàn)壓力稱為朗氏壓力PL。北美地區(qū)的勘探實(shí)踐表明,頁(yè)巖吸附氣大多服從Langmuir方程。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層溫度與解析試驗(yàn)溫度接近時(shí),不需要進(jìn)行溫度壓力校正。Langmuir方程適用于估算存在游離氣的泥頁(yè)巖儲(chǔ)層單層飽和吸附氣含量平均值,不宜逐點(diǎn)計(jì)算單層內(nèi)各點(diǎn)泥頁(yè)巖飽和吸附量。
建南地區(qū)東岳廟段JYHF-1井21塊巖心測(cè)試結(jié)果表明,頁(yè)巖氣儲(chǔ)層平均朗氏體積和朗氏壓力分別為:VL=1.2 m3/t、PL=2.3 MPa。 同時(shí),得到總有機(jī)碳含量TOC(%)與吸附氣含量Gs(m3/t)回歸方程(圖5):
圖5 總有機(jī)碳含量TOC及吸附氣含量Gs關(guān)系圖版
建頁(yè)HF-1井東岳廟段591.0~643.0 m井段頁(yè)巖氣層中部壓力6.6 MP,利用式(12)Langmuir方程求得儲(chǔ)層天然氣飽和吸附量Gs=0.89 m3/t。
(3)總含氣量模型
頁(yè)巖氣總含氣量Gt(m3/t)計(jì)算公式:
由圖4可以看出,巖心實(shí)驗(yàn)測(cè)量的總含氣量最大0.78 m3/t、最小0.17 m3/t、平均0.57 m3/t,與利用式(9)、(13)計(jì)算的吸附氣含量0.69 m3/t相當(dāng),遠(yuǎn)小于利用式(9)、(13)及(11)、(14)計(jì)算的總含氣量Gt=Gs+Gf=0.69+0.78=1.47(m3/t)。分析原因,密閉巖心實(shí)驗(yàn)測(cè)量的總氣量應(yīng)主要是吸附氣含量,游離氣基本不存在。
對(duì)于東岳廟段,測(cè)井計(jì)算頁(yè)巖氣總含氣量,應(yīng)選用式(9)計(jì)算TOC,再利用式(13)計(jì)算吸附氣含量Gs;選用式(11)計(jì)算游離氣含量Gf,最后選用式(14)計(jì)算總含氣量Gt。利用式(12)Langmuir方程求得的天然氣飽和吸附量定性評(píng)估式(13)求取的吸附氣含量的合理性。
基于上述討論,JYHF-1井東岳廟段591.0~643.0m井段頁(yè)巖氣層吸附氣含量Gs=0.69 m3/t、游離氣含量Gf=0.78 m3/t,總含氣量Gt=Gs+Gf=1.47(m3/t)。
(1)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層與普通砂巖儲(chǔ)層常規(guī)測(cè)井解釋相比,除需確定孔隙度、飽和度、滲透率等儲(chǔ)層參數(shù)外,還需要求取儲(chǔ)層有機(jī)碳含量、干酪根含量、吸附氣含量、游離氣含量、脆性礦物含量及脆性指數(shù)等,在儲(chǔ)層識(shí)別方法與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方面也存在較大區(qū)別。
(2)基于JYHF-1井建立的頁(yè)巖氣常規(guī)測(cè)井解釋模型適用建南地區(qū)東岳廟段頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià),孔隙度、飽和度、含氣量模型的計(jì)算結(jié)果與巖心實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)基本一致,可以擴(kuò)展用于整個(gè)建南地區(qū)及中揚(yáng)子地區(qū)陸相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià),對(duì)中揚(yáng)子地區(qū)海相頁(yè)巖氣測(cè)錄井解釋評(píng)價(jià)具有指導(dǎo)意義。
(3)JYHF-1井東岳廟段582.5~643.0 m頁(yè)巖氣層解釋評(píng)價(jià)關(guān)鍵參數(shù):厚60.5 m、自然伽馬115 API、巖性密度2.65 g/cm3、電阻率56.0 Ω·m、聲波時(shí)差280 μs/m、泥質(zhì)含量40%、孔隙度6.0%、含水飽和度4 5.0%、含氣飽和度55.0%、滲透率0.02 mD、有機(jī)碳含量1.23%、吸附氣含量0.69 m3/t、游離氣含量0.78 m3/t、總含氣量1.47 m3/t,游離氣含量略大于吸附氣含量。
(4)參照J(rèn)YHF-1、J111等井頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂試氣結(jié)果及國(guó)內(nèi)外成功經(jīng)驗(yàn)[1,4,7-10],東岳廟段頁(yè)巖氣層解釋評(píng)價(jià)參考標(biāo)準(zhǔn):厚度H≥30 m,孔隙度Ф≥3.0%,含氣飽和度Sg≥50.0%,,TOC≥1.0%,, 游離氣含量Gf≥0.5 m3/t,吸附氣含量Gs≥0.5 m3/t,總含氣量Gt≥1.0 m3/t,脆性礦物含量CSi+CO33≥50.0%,脆性指數(shù)BRIT≥0.5。
(5)建南地區(qū)東岳廟段頁(yè)巖氣儲(chǔ)層裸眼井常規(guī)測(cè)井系列優(yōu)化[10]:水基泥漿常規(guī)測(cè)井系列——自然伽馬GR、去鈾自然伽馬CGR、井徑CAL、巖性密度DEN、補(bǔ)償中子CNL、聲波AC、深側(cè)向LLD與淺側(cè)向LLS、微球MSFL、井斜DEV、井溫TEMP;油基泥漿條件下,LLD、LLS、MSFL等“串聯(lián)型”電阻率測(cè)井項(xiàng)目存在不適應(yīng)問題,可選用“并聯(lián)型”電阻率測(cè)井項(xiàng)目深感應(yīng)ILD與中感應(yīng)ILM。
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