徐深氣田斷裂發(fā)育及其對天然氣成藏的控制作用

趙長鵬,　於　奇,　婁生瑞

(1.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 黑龍江 大慶 163318;2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司 第三采油廠, 黑龍江 大慶 163113)

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徐深氣田斷裂發(fā)育及其對天然氣成藏的控制作用

趙長鵬1,於奇1,婁生瑞2

(1.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 黑龍江 大慶 163318;2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司 第三采油廠, 黑龍江 大慶 163113)

為準(zhǔn)確判斷松遼盆地徐深氣田斷裂的發(fā)育及其與深層天然氣成藏之間的關(guān)系,根據(jù)鉆井、測井和分析測試資料,利用斷裂生長指數(shù)、斷裂活動速率、剖面伸展率及構(gòu)造演化剖面,厘定徐深氣田斷裂主要活動時期、斷裂系統(tǒng)等,并建立該區(qū)的天然氣成藏模式。結(jié)果表明:徐深氣田斷裂主要活動時期由古至今依次為火石嶺組、沙河子組、營一段、營三段、泉頭組末—姚家組沉積時期;氣田內(nèi)斷裂可劃分為早期伸展斷裂系統(tǒng)(Ⅰ)、早期走滑伸展斷裂系統(tǒng)(Ⅱ)、晚期伸展斷裂系統(tǒng)(Ⅲ)、晚期張扭斷裂系統(tǒng)(Ⅳ)、早期走滑伸展—晚期伸展斷裂系統(tǒng)(Ⅴ)、早期走滑伸展—晚期張扭斷裂系統(tǒng)(Ⅵ)、走滑斷裂系統(tǒng)(Ⅶ)(徐中、徐東)。Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ型斷裂系統(tǒng)是構(gòu)成氣源斷裂的主要斷裂系統(tǒng)類型。工業(yè)氣流井均分布在距源斷裂3 km范圍內(nèi)的火山巖區(qū)域內(nèi)。

徐深氣田; 斷裂發(fā)育; 天然氣; 成藏; 直接源斷裂; 間接源斷裂

徐家圍子斷陷為松遼盆地勘探程度較高的主要斷陷之一,其西側(cè)以斷層與古中央斷隆相接,東側(cè)為肇東—朝陽溝凸起,斷陷近SN向展布,長80 km,寬達(dá)40 km,面積為5 350 km2,是一個南北狹窄、埋深淺，中間寬、埋深大的西斷東超式箕狀地塹。徐深氣田是主要以營城組為開發(fā)目的層的深層火山巖氣藏,儲層類型多樣,有效儲層預(yù)測難,斷裂發(fā)育較為復(fù)雜。在徐深氣田內(nèi)斷裂運(yùn)動不僅是控制火山活動和火山巖分布的重要因素,同時也是控制生油層發(fā)育的重要因素,直接控制著油氣的生成、運(yùn)移和聚散。徐深氣田成藏模式明顯受深大斷裂控制[1-3],同時也受到火山機(jī)構(gòu)、構(gòu)造作用控制,影響成藏的地質(zhì)因素類型多樣。因此,筆者對該地區(qū)斷裂系統(tǒng)的劃分及形成演化特征開展研究,分析斷裂對油氣運(yùn)聚的控制作用,進(jìn)而為徐深氣田下一步天然氣勘探和開發(fā)提供理論依據(jù)。

1　斷裂發(fā)育基本特征

徐深氣田地區(qū)為典型的“下斷上凹”的二元結(jié)構(gòu),此二元結(jié)構(gòu)決定徐深氣田發(fā)育兩套斷層系,即斷陷期斷層系和坳陷期斷層系。斷陷構(gòu)造層斷層走向基本為NNW和近SN兩個方向,控陷的主干邊界斷層徐西斷裂走向具有分段性,南段自南而北為近SN向—NNW向—近SN向,北段自南而北由近SN向轉(zhuǎn)變?yōu)镹NW向。走滑斷裂徐中和徐東斷裂為NNW向。

徐深氣田斷裂縱向斷裂面密度自下而上逐漸增大,T2和T11兩個反射層密度最高,之后密度逐漸減小。斷陷期斷層規(guī)模較大,主干邊界斷層徐西斷裂一般為200～800 m;走滑斷層垂直斷距一般為100～200 m。坳陷期T2斷層一般為20～80 m。斷層斷距逐漸變小,表明盆地拉張強(qiáng)度逐漸減弱。斷陷期斷裂規(guī)模大,徐西斷裂延伸長度為151.8 km,其中,北段57.5 km,南段94.3 km。坳陷期斷層延伸長度普遍較短,一般不超過6.0 km。

徐深氣田剖面和平面上斷層呈現(xiàn)特定的組合模式。斷陷層斷層系剖面以鏟式扇、同向調(diào)節(jié)、反向調(diào)節(jié)和花狀斷裂組合為主,平面上平行或側(cè)列疊復(fù)組合,反映了伸展變形特征;坳陷層斷層系剖面上以“V”字形組合為主,平面以平行或發(fā)辮式斷層組合為主,反映了走滑(張扭)變形特征。貫穿性斷裂直接或近似溝通斷陷層和坳陷層,剖面上構(gòu)成“花狀”或“似花狀”組合,斷陷期斷裂為“花莖”,而坳陷期斷裂為“花葉”,局部為“y”字形或反“y”字形組合,反映了先伸展后走滑(張扭)變形疊加的特征。

2　斷裂形成與演化特征

2.1斷裂生長指數(shù)

從徐深氣田同生斷層統(tǒng)計規(guī)律看,斷穿多層位斷層生長指數(shù)變化較大,但總體規(guī)律為斷陷期和泉頭組沉積晚期—青山口組沉積早期活動強(qiáng)烈。由生長指數(shù)剖面可以確定,徐深氣田斷裂主要的活動時期由古至今依次為火石嶺組、沙河子組、營城組、泉頭組末期—姚家組沉積時期等[4]。

2.2斷層活動速率

由徐深氣田全區(qū)28條規(guī)模較大的斷層活動速率平均值[5]來看,火石嶺組沉積時期為裂陷初期,斷層活動速率最大;至沙河子組沉積時期斷層活動速率變小,之后營城組沉積時期斷層活動速率再次增大,然后逐漸衰減;至泉頭組沉積末期又有所增加,青山口組沉積時期為另一活動高峰,最后逐漸衰減。

2.3剖面伸展率

伸展率一般指構(gòu)造演化變形時期垂直于構(gòu)造走向的剖面長度變化比率,通常用構(gòu)造變動后剖面長度和演化變動前剖面長度之差與構(gòu)造變動前剖面長度比值來表示,是反映構(gòu)造活動或斷裂活動強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一[6]。從剖面伸展率變化來看,徐深氣田伸展率變化具有兩個高值:第一個高值形成于火石嶺—營城組時期,伸展量最大;之后明顯變小,至泉頭組時期開始增大,在青山口組—姚家組形成另一高峰期,之后再次逐漸衰減。斷陷沉積時期及泉頭組沉積晚期—青山口組沉積時期均為斷裂強(qiáng)烈活動時期[4]。

2.4斷裂變形期

從研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造演化史剖面看,徐家圍子地區(qū)發(fā)育的斷裂在火石嶺組、沙河子組、營一段、營三段及青山口組時期均具有較強(qiáng)的活動性。

綜合上述各指標(biāo)可以得出,徐深氣田斷裂形成演化期次可分為嫩江組、青山口—姚家組、登婁庫組—泉頭組、營四段、營三段、營一段、沙河子組、火石嶺組沉積時期九個階段。根據(jù)生長指數(shù)剖面、斷層活動速率、剖面伸展率、構(gòu)造發(fā)育史剖面成果,綜合判定徐深氣田斷裂主要活動時期為火石嶺組、沙河子組、營一段、營三段、泉頭組末—姚家組沉積時期五期。不同時期斷裂的活動強(qiáng)度及變形特征有所差異,對深層氣成藏的控制作用明顯不同[4]。

3　斷裂系統(tǒng)劃分

3.1斷陷期斷裂

斷陷期發(fā)育張扭斷裂—徐西主干邊界斷層、走滑斷層—徐中斷裂和徐東斷裂、伸展斷層—NNE向斷裂、調(diào)節(jié)斷層—近EW向斷裂四種主要類型。

3.1.1徐西張扭斷裂體系

徐西張扭斷裂體系為徐家圍子主控邊界斷裂,控制了徐家圍子“西斷東超、西陡東緩”箕狀斷陷的形成。徐西斷裂體系位于研究區(qū)的西部,從T5至T4反射層,部分地段只斷至T41反射層。徐西斷裂的斷層生長機(jī)制有其特殊性,五條斷層屬性明顯不同,三條SN向斷層為典型的控陷斷裂,呈現(xiàn)左階式排列,具有右旋張扭成因的特征[7]。這類斷裂體系的活動時期從火石嶺組、沙河子組一直延續(xù)至營城組。

3.1.2走滑斷裂體系

徐深氣田共發(fā)育兩條規(guī)模較大的走滑斷層,即徐中斷裂和徐東斷裂。徐中走滑斷裂位于研究區(qū)的中部,從T5發(fā)育至T06反射層。從剖面上看,該斷裂為典型的“負(fù)花狀”構(gòu)造,平面上徐中斷裂將徐西斷裂切斷,根據(jù)徐西斷裂被錯斷后位移方向可確定徐中斷裂為典型的右旋走滑斷裂[8]。徐中走滑斷裂強(qiáng)烈活動時期為營一段時期和青山口組沉積時期。徐東走滑斷裂位于研究區(qū)的東部,從T5發(fā)育至T2反射層。徐東斷裂剖面上表現(xiàn)為大型“花狀”構(gòu)造,為典型的走滑斷層。徐東斷裂強(qiáng)烈的活動時期為營三段時期。

3.1.3NNE向伸展斷裂體系

在SSE—NNE向拉張應(yīng)力場作用下,松遼盆地深層斷陷總體格局為NNE向。盡管徐深氣田總體上為近SN向,但其形成演化過程依然受這種區(qū)域應(yīng)力場的控制,因此,從應(yīng)力機(jī)制角度看,NNE向?yàn)榈湫偷纳煺箶嗔洋w系。全區(qū)發(fā)育規(guī)模較大的NNE向基底斷裂有八條,位于研究區(qū)的東部,這些斷層在火石嶺—營城組均控制地層的沉積,表現(xiàn)為另一方向的控陷邊界斷層。受徐中和徐東斷裂切割、限制,徐西和徐東斷裂與NNE向斷裂同期不同性質(zhì),且前者形成時間晚于后者[9-10]。

3.1.4近EW向調(diào)節(jié)斷層

徐深氣田自南而北發(fā)育六條近E向斷裂,其共同的特征為分布的位置與徐西斷裂走向的拐點(diǎn)位置相對應(yīng)。這些斷層為斷裂差異伸展形成的典型調(diào)節(jié)斷層。根據(jù)斷層運(yùn)動學(xué)特征,這些走向拐點(diǎn)兩側(cè)斷層也具有右旋走滑的特征。從各類斷層的相互組合和搭接關(guān)系可以得出,調(diào)節(jié)斷層受NNE向斷層和徐西斷裂限制,走滑斷層將其切割,反映調(diào)節(jié)斷裂是控陷斷裂和NNE向斷裂活動形成時伴隨產(chǎn)生的,在火石嶺組、沙河子組和營城組沉積時期均有活動[9-10]。

這四類斷裂體系中,徐東和徐中走滑斷裂體系屬于走滑性質(zhì),徐西斷裂體系和近E向調(diào)節(jié)斷裂體系為走滑伸展性質(zhì),而NE向伸展斷裂體系主要以伸展性質(zhì)為主。

3.2坳陷期斷裂

坳陷期斷裂具有密集成帶特征,為典型的“塹-壘”相間的組合模式?！暗貕q”均為斷裂密集帶,剖面存在三種模式,分別為負(fù)花狀、似花狀、無根密集帶。坳陷層斷裂密集成帶主要有扭動和伸展兩種成因。根據(jù)地震解釋成果,在徐家圍子地區(qū)T2反射層共識別出14條近EW向、13條NNE向、17條近SN向和19條NNW向斷裂密集帶。

綜合考慮斷陷層與坳陷層發(fā)育的斷裂在演化過程中的延續(xù)性和獨(dú)立性,以及研究區(qū)內(nèi)實(shí)際發(fā)育的斷裂情況,可將徐深氣田斷裂劃分為七套斷裂系統(tǒng)(圖1),分別為早期伸展斷裂系統(tǒng)(Ⅰ)、早期走滑伸展斷裂系統(tǒng)(Ⅱ)、晚期伸展斷裂系統(tǒng)(Ⅲ)、晚期張扭斷裂系統(tǒng)(Ⅳ)、早期走滑伸展—晚期伸展斷裂系統(tǒng)(Ⅴ)、早期走滑伸展—晚期張扭斷裂系統(tǒng)(Ⅵ)、走滑斷裂系統(tǒng)(Ⅶ)(徐中、徐東)。

圖1　徐深氣田斷裂系統(tǒng)劃分模式

徐深氣田斷裂系統(tǒng)分布特征較明顯,其中長期活動斷裂多為Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ型斷裂系統(tǒng)。徐深氣田北部NE走向的徐西和徐東斷裂為Ⅶ型斷裂系統(tǒng);徐西斷裂主要為Ⅵ型斷裂系統(tǒng);Ⅰ型斷裂系統(tǒng)主要分布于研究區(qū)東北部;Ⅱ型斷裂系統(tǒng)全區(qū)幾乎不發(fā)育;Ⅲ和Ⅳ型斷裂系統(tǒng)于全區(qū)零星分布,主要為近SN走向。

這幾類斷裂系統(tǒng)在徐深氣田天然氣成藏過程中所起的作用均有所差異。在斷裂活動時期,早期伸展斷裂系統(tǒng)(Ⅰ)、早期走滑伸展斷裂系統(tǒng)(Ⅱ)雖然與沙河子組烴源巖溝通,但在青山口組成藏關(guān)鍵時期這兩類斷裂系統(tǒng)的斷裂均未活動,因此,主要起側(cè)向遮擋作用;而在成藏關(guān)鍵時期活動的早期走滑伸展—晚期伸展斷裂系統(tǒng)(Ⅴ)、早期走滑伸展—晚期張扭斷裂系統(tǒng)(Ⅵ)、走滑斷裂系統(tǒng)(Ⅶ)(徐中、徐東)主要起垂向輸導(dǎo)作用。這三類斷裂系統(tǒng)與優(yōu)質(zhì)的儲層溝通后,天然氣可以向側(cè)向分流。Ⅲ、Ⅳ型斷裂系統(tǒng)由于與深層天然氣藏?zé)o溝通,因此對徐深氣田基本無影響。當(dāng)斷裂趨于靜止時期,這七套斷裂系統(tǒng)均逐漸起到側(cè)向遮擋作用。

4　氣源斷裂厘定

徐深氣田的早期走滑伸展—晚期伸展斷裂系統(tǒng)(Ⅴ)、早期走滑伸展—晚期張扭斷裂系統(tǒng)(Ⅵ)、走滑斷裂系統(tǒng)(Ⅶ)(徐中、徐東)是天然氣能夠垂向運(yùn)移的主要輸導(dǎo)斷裂,這三類斷裂系統(tǒng)能夠溝通沙河子組烴源巖的均可成為向上輸導(dǎo)天然氣的通道。在青山口組成藏關(guān)鍵時期活動的斷裂均為氣源斷裂,但氣源斷裂的類型存在差異,一部分為斷裂斷至青山口組及以上地層中的斷裂,這類斷裂向上輸導(dǎo)能力較強(qiáng)。而另一類沒有斷至青山口組及以上地層,而是通過坳陷層發(fā)育的花狀構(gòu)造來反映深部斷裂活動,這類斷裂的活動性一般較弱。因此,按照源斷裂發(fā)育的特征可將其分為兩類:一類是在成藏關(guān)鍵時期直接斷至青山口組及以上地層活動較強(qiáng)的強(qiáng)充注斷裂;一類是成藏關(guān)鍵時期未直接斷至青山口組及以上地層的活動較弱的弱充注斷裂(圖2)。

由圖2可以看出,徐深氣田深層源斷裂相對較發(fā)育,全區(qū)均有分布,在T41反射層一般規(guī)模較大。強(qiáng)充注源斷裂主要為徐中斷裂及徐東斷裂南端,而弱充注源斷裂主要為徐西斷裂及徐深氣田邊部區(qū)域。

5　天然氣成藏模式

5.1斷裂系統(tǒng)對天然氣成藏的控制作用

徐深氣田沙河子組良好烴源巖與上部的火山巖儲層、砂礫巖儲層構(gòu)成下生上儲的成藏特征,這類成藏特征必然需要斷裂作為溝通源巖與儲層的輸導(dǎo)通道,因此,氣源斷裂是徐深氣田能夠成藏的先決條件。

圖2　徐深氣田T41反射層氣源斷裂分布

徐深氣田火山巖儲層的儲集物性相對較差,一般需要次生改造后才能夠成藏。氣源斷裂對火山巖儲層具有改造作用。從徐深氣田營城組一段試氣工業(yè)氣流井與源斷裂的距離統(tǒng)計結(jié)果(圖3)來看,營一段試氣的工業(yè)氣流井主要分布在距離源斷裂3 km范圍內(nèi)。對比研究區(qū)內(nèi)裂縫密度與斷裂距離關(guān)系,發(fā)現(xiàn)距離斷裂越近,斷裂密度越大,在距離斷裂3 km范圍內(nèi)斷裂對裂縫的形成均有影響。因此,可以推斷源斷裂對天然氣平面富集具有控制作用,主要富集在距離源斷裂3 km范圍內(nèi)。

圖3　徐深氣田裂縫密度與斷裂距離關(guān)系

對于為已經(jīng)探明的天然氣藏提供天然氣的源斷裂,按照強(qiáng)充注和弱充注源斷裂進(jìn)行統(tǒng)計,統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示。由圖可以看出,強(qiáng)充注源斷裂充注形成的天然氣藏儲量豐度均較高,均值為1.0×109m3/km2,而弱充注斷裂充注的源斷裂均值約為4×108m3/km2。因此,強(qiáng)充注斷裂充注天然氣的能力較弱充注氣源斷裂強(qiáng),形成的氣藏儲量豐度更高。

圖4　徐深氣田源斷裂類型與儲量豐度關(guān)系

5.2成藏模式

根據(jù)斷裂生長指數(shù)、斷裂活動速率、剖面伸展率、構(gòu)造演化剖面及斷裂期次研究成果得出徐深氣田成藏模式,如圖5所示。

圖5　徐深氣田斷裂控制天然氣成藏與分布模式

由圖5可看出,深部氣源巖排出的天然氣主要沿構(gòu)成源斷裂的Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ型斷裂系統(tǒng)向上運(yùn)移。其中,直接源斷裂向上運(yùn)移的天然氣量較大,豐度較高,而沿間接源斷裂向上運(yùn)移的天然氣量較少,豐度較低。但二者形成的天然氣藏均分布在距源斷裂3 km范圍之內(nèi)。

6　結(jié)　論

(1)徐深氣田內(nèi)斷裂主要活動時期為火石嶺組、沙河子組、營一段、營三段、泉頭組末—姚家組。

(2)徐深氣田內(nèi)斷裂可以劃分為七套斷裂系統(tǒng),即早期伸展斷裂系統(tǒng)(Ⅰ)、早期走滑伸展斷裂系統(tǒng)(Ⅱ)、晚期伸展斷裂系統(tǒng)(Ⅲ)、晚期張扭斷裂系統(tǒng)(Ⅳ)、早期走滑伸展—晚期伸展斷裂系統(tǒng)(Ⅴ)、早期走滑伸展—晚期張扭斷裂系統(tǒng)(Ⅵ)、走滑斷裂系統(tǒng)(Ⅶ)(徐中、徐東)。

(3)Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ型斷裂系統(tǒng)是構(gòu)成氣源斷裂的主要斷裂系統(tǒng)類型,按照源斷裂發(fā)育特征可以分為直接源斷裂和間接源斷裂兩種類型,其中直接源斷裂較間接源斷裂有利。距離源斷裂3 km范圍內(nèi)的火山巖區(qū)域?yàn)樘烊粴饩奂目赡軈^(qū)域。

[1]林鐵鋒, 施立志, 王卓卓, 等. 松遼盆地北部宋站—尚家地區(qū)斷裂發(fā)育特征及其對油氣成藏的控制作用[J]. 大地構(gòu)造與成礦學(xué), 2008, 32(2): 165-170.

[2]王玲, 孫夕平, 張研, 等. 松遼盆地深層斷裂體系對火山巖成因和火山巖相帶的控制: 以徐深地區(qū)為例[J]. 天然氣地球科學(xué), 2007, 18(3): 389-393.

[3]趙勇, 戴俊生. 應(yīng)用落差分析研究生長斷層[J]. 石油勘探與開發(fā), 2003, 30(3): 13-15.

[4]胡明, 付廣, 呂延防, 等. 松遼盆地徐家圍子斷陷斷裂活動時期及其與深層氣成藏關(guān)系分析[J]. 地質(zhì)論評, 2010, 56(5): 710-718.

[5]于丹, 呂延防, 付曉飛, 等. 松遼盆地北部徐家圍子斷陷斷裂構(gòu)造特征及對深層天然氣的控制作用[J]. 地質(zhì)論評, 2010, 56(2): 238-245.

[6]孫永河, 漆家福, 呂延防, 等. 渤中坳陷斷裂構(gòu)造特征及其對油氣的控制[J]. 石油學(xué)報, 2008, 29(5): 669-675.

[7]付曉飛, 沙威, 于丹, 等. 松遼盆地徐家圍子斷陷火山巖內(nèi)斷層側(cè)向封閉性及與天然氣成藏[J]. 地質(zhì)論評, 2010, 56(1): 60-70.

[8]張爾華, 姜傳金, 張元高, 等. 徐家圍子斷陷深層結(jié)構(gòu)形成與演化的探討[J]. 巖石學(xué)報: 地球科學(xué)版, 2010, 26(1): 149-157.

[9]平貴東. 三肇凹陷葡萄花油層多邊斷層成因機(jī)制及控藏機(jī)理研究[D]. 大慶: 東北石油大學(xué), 2011.

[10]歷玉英, 付曉飛, 張明學(xué). 松遼盆地徐家圍子斷陷斷裂變形特征及控藏機(jī)理[J]. 天然氣地球科學(xué), 2012, 23(6): 979-987.

(編輯荀海鑫)

Fault development in Xushen gas field and its controlling effect on natural gas accumulation

ZHAOChangpeng1,YUQi1,LOUShengrui2

(1.School of Geosciences, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2.Oil Production No.3, Daqing Oilfield Limited Company of PetroChina, Daqing 163113, China)

This paper delves into a more accurate determination of the relationship between the fault development of Xushen gas field and deep gas reservoir formation in Songliao Basin. The study draws on drilling, logging and test data, fault growth index, fault activity rate, section extension rate, and tectonic evolution sections and thereby produces the definition of the main active periods and the fault systems of Xujiaweizi fault and natural gas accumulation models of this field. The determination suggests that Xujiaweizi fault depression is composed of the main active periods: Huoshiling formation, Shahezi formation, Yingyi section, Yingsan section and late Quantou formation-Yaojia formation; the faults can be divided into seven systems: early extensional fault system(Ⅰ), early strike-slip extensional fault system(Ⅱ), late extensional fault system(Ⅲ), late tenso-shear fault system(Ⅳ), early strike-slip and late extensional fault system(Ⅴ), early strike-slip extensional and late tenso-shear fault system(Ⅵ), and strike-slip fault system(Ⅶ)(Xuzhong, Xudong). Type Ⅴ,Ⅵ and Ⅶ are the main fault system types constituting gas source faults. Industrial gas wells are found evenly distributed in volcano rock region in the range of 3 kilometers from source faults.

Xushen gas field; fault development; natural gas; accumulation; direct source faults; indirect source faults

2013-12-12

趙長鵬(1977-)，男，吉林省榆樹人，碩士，研究方向：油氣資源評價，E-mail:minihot@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2014.03.014

P618.13

2095-7262(2014)03-0285-05

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