惠民凹陷中央隆起帶異常低壓特征及成因分析

劉元晴，周 樂，曾濺輝，李 偉，周軍良，何 錦，王新峰，呂 琳，鄧啟軍

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；3.中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司 渤海石油研究院，天津 300459)

0 引 言

盆地流體的驅(qū)動(dòng)機(jī)制、流動(dòng)樣式及其成巖、成礦和成藏效應(yīng)是盆地動(dòng)力學(xué)研究的重要內(nèi)容之一[1]。近年來(lái)，隨著勘探程度的深入，美國(guó)Piceance盆地、Denver盆地、我國(guó)鄂爾多斯盆地、東營(yíng)凹陷、松遼盆地十屋斷陷[2-6]等均發(fā)現(xiàn)了異常低壓的存在。超壓發(fā)育機(jī)理、超壓流體流動(dòng)樣式及其成巖、成藏效應(yīng)已得到廣泛研究。相比之下，異常低壓研究程度較低，尤其對(duì)異常低壓成因機(jī)制的研究還不夠深入[7]。目前常見的異常低壓成因機(jī)制主要有抬升剝蝕降壓、地層溫度降低降壓、流體密度差降壓、輕烴擴(kuò)散作用降壓、地下水流動(dòng)不平衡性降壓等[8]?；菝癜枷葜醒肼∑饚澈咏纸M二段、三段儲(chǔ)層發(fā)育異常低壓，前人研究認(rèn)為惠民凹陷內(nèi)異常低壓由于斷裂活動(dòng)、長(zhǎng)期泄壓所致[9]。筆者認(rèn)為斷裂活動(dòng)造成壓力釋放，使得儲(chǔ)層內(nèi)部及周邊壓力達(dá)到平衡，該平衡狀態(tài)應(yīng)以常壓或弱超壓形式表現(xiàn)，尚不足以解釋中央隆起帶儲(chǔ)層內(nèi)部現(xiàn)今廣泛分布的異常低壓現(xiàn)象。鑒于此，本文結(jié)合沙河街組二段、三段低壓分布特征，從成巖作用、溫度降低、構(gòu)造抬升及異常低壓保存等方面定量分析了中央隆起帶異常低壓形成機(jī)制。

1 地質(zhì)概況

惠民凹陷中央隆起帶位于凹陷西部，呈北東東向展布，屬于惠民凹陷的次一級(jí)構(gòu)造單元。北與滋鎮(zhèn)洼陷相鄰，南接臨南洼陷。隆起帶內(nèi)部斷裂發(fā)育，臨商斷裂為主要斷裂，控制著中央隆起帶的油氣運(yùn)聚。斷裂由一系列雁列斷層系組成，西段主斷層明顯，平面上呈弧形向東段撒開。自新生代以來(lái)經(jīng)歷了3次較明顯的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，受其影響，區(qū)內(nèi)形成了孔店期—沙四期伸展半地塹充填、沙三期—沙二期斷塊強(qiáng)烈活動(dòng)、沙一期—東營(yíng)期斷塊活動(dòng)復(fù)雜化和新近紀(jì)—第四紀(jì)埋深加大4個(gè)構(gòu)造演化階段[10]。中央隆起帶油氣的主力烴源巖為臨南洼陷的沙河街組三段的中、下段有效烴源巖，由于沉積的旋回性形成了多套儲(chǔ)蓋組合，即:沙三上段和沙二段砂巖儲(chǔ)層，蓋以沙一段泥巖；東營(yíng)組二段砂巖儲(chǔ)層，蓋以東營(yíng)組一段和館陶組三段泥巖等。油氣成藏期主要集中在古近紀(jì)東營(yíng)組沉積末期和新近紀(jì)館陶組、明化鎮(zhèn)組沉積期兩個(gè)時(shí)期，其中后者為最主要運(yùn)聚成藏期[11-13]。中央隆起帶分布著臨盤油田、商河油田、玉皇廟油田等，多以斷塊油氣藏為主，為惠民凹陷最重要的含油氣構(gòu)造。

2 壓力分布特征

惠民凹陷地層壓力有別于濟(jì)陽(yáng)坳陷其他凹陷，發(fā)育有明顯的異常低壓。為研究區(qū)內(nèi)異常低壓體系特征，本文采用國(guó)內(nèi)常用的地層壓力分類方案[14](表1)。

表1 地層壓力分類表

2.1 壓力縱向分布特征

對(duì)惠民凹陷295口探井，共計(jì)540個(gè)試油靜壓數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，惠民凹陷整體上以壓力系數(shù)在0.9

圖1 惠民凹陷壓力及壓力系數(shù)隨深度變化圖Fig.1 Diagram of strata pressure and pressure coefficient vs.depth in Huimin Sag

2.2 壓力平面分布特征

惠民凹陷沙二段異常低壓分布范圍較沙三段小，主要集中在中央隆起帶。壓力系數(shù)Kp<0.75的超低壓多分布在臨邑主干斷裂周邊。與之比較，沙三段異常低壓在中央隆起帶、夏口斷裂帶及臨南洼陷內(nèi)部均有出現(xiàn)，主要分布在中央隆起帶上；壓力系數(shù)Kp<0.75的超低壓出現(xiàn)在商河斷裂周邊，壓力系數(shù)在0.75

圖2 惠民凹陷沙河街組二段、三段異常低壓壓力系數(shù)分布圖Fig.2 The distribution of subnormal pressure and pressure coefficient in the second and third members of Shahejie Formation in Huimin Sag

3 現(xiàn)今低壓成因分析

3.1 孔隙反彈

隨著構(gòu)造抬升，目的層上覆巖層遭受剝蝕，負(fù)載降低，導(dǎo)致其孔隙和地層流體卸載膨脹?？紫杜蛎洉r(shí)必然會(huì)導(dǎo)致地層壓力降低；與之相反，孔隙中流體發(fā)生膨脹，一定程度上會(huì)增加地層壓力[8]，最終地層壓力的變化將取決于二者的相對(duì)大小。Russell(1972)測(cè)定砂巖儲(chǔ)層孔隙的彈性壓縮系數(shù)Cr為4.35×10-10Pa-1，并認(rèn)為當(dāng)上覆地層被剝蝕時(shí)，砂巖儲(chǔ)層孔隙的擴(kuò)容率與壓縮率相當(dāng)[15]。地層水的壓縮系數(shù)Cw為3.4×10-10～5.0×10-10Pa-1[16]，本文取值為4.2×10-10Pa-1。這種由于地層抬升導(dǎo)致的孔隙體積增加通常稱之為回彈作用下的孔隙增加，勢(shì)必會(huì)形成異常低壓。

據(jù)前人研究，古近系末期是濟(jì)陽(yáng)坳陷由裂陷階段向拗陷階段轉(zhuǎn)化的過渡時(shí)期。喜山運(yùn)動(dòng)?xùn)|營(yíng)幕使得華北地區(qū)整體抬升，地層遭受剝蝕，形成古近系東營(yíng)組與新近系館陶組的沉積間斷面(N/E間斷面)。吳智平(2000)[17]在濟(jì)陽(yáng)坳陷不同構(gòu)造位置單井N/E沉積間斷地層剝蝕量數(shù)據(jù)研究基礎(chǔ)上，擬合出適用于濟(jì)陽(yáng)坳陷N/E沉積間斷地層剝蝕量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，如下:

H=-2×10-5He3+0.0196He2-7.4821He+2033.2

(1)

式中：H.N/E沉積間斷面現(xiàn)今埋深，m；He.地層剝蝕厚度，m。

表2 惠民凹陷N/E沉積間斷計(jì)算的單井地層剝蝕量

本文依據(jù)以上公式，結(jié)合現(xiàn)今沉積間斷面埋深數(shù)據(jù)，對(duì)惠民凹陷中央隆起帶16口井進(jìn)行了地層剝蝕厚度恢復(fù)計(jì)算。由結(jié)果可知，研究區(qū)剝蝕厚度在53～114 m之間，平均剝蝕厚度為81 m(表2)。

由于構(gòu)造抬升與地層剝蝕導(dǎo)致孔隙反彈對(duì)儲(chǔ)層壓力影響的定量分析可由公式(2)進(jìn)行計(jì)算:

(2)

式中：Δp.儲(chǔ)集層壓力變化，MPa；v.巖石泊松比，無(wú)量綱0.25；Cr.巖石壓縮系數(shù)；Cw.水的壓縮系數(shù)；ρr.遭受剝蝕的地層平均密度，2.3 g/cm3;g.重力加速度，m/s2; Δh.構(gòu)造抬升過程中地層的剝蝕厚度，m。

由以上公式計(jì)算可知，惠民凹陷古近系末期構(gòu)造抬升導(dǎo)致的孔隙反彈，造成中央隆起帶地層壓力降低了0.516 MPa。

3.2 溫度降低

溫度因素對(duì)地層壓力的影響不可忽視，伴隨著地殼抬升運(yùn)動(dòng)的剝蝕作用必然導(dǎo)致地層溫度的降低，流體由于遇冷收縮，體積變小，流體的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于巖石，John(1957)測(cè)定線性接觸的巖石顆粒的膨脹系數(shù)ar單位體積為9×10-6℃-1，膠結(jié)程度較差且呈點(diǎn)接觸的巖石顆粒的膨脹系數(shù)ar單位體積為5×10-6℃-1，地層鹵水的膨脹系數(shù)aw單位體積是400 ×10-6℃-1。溫度每降低1 ℃，單位體積鹵水產(chǎn)生的體積變化為孔隙空間的40～80倍[18]。事實(shí)上，如果地層處于封閉狀態(tài)，那么體積的變化很小，而壓力的變化很大。因此，溫度降低對(duì)異常低壓的影響十分顯著。

蘇向光等[19]對(duì)惠民凹陷熱演化史進(jìn)行了模擬分析，研究表明惠民凹陷在地質(zhì)演化過程中古地溫是逐漸降低的，孔店組沉積末期到沙河街沉積末期低溫梯度下降較快，沙河街組沉積末期地溫梯度降至3.7 ℃/100 m左右，此后緩慢降低至現(xiàn)今3.2 ℃/100 m左右。地溫梯度降低約0.5 ℃/100 m。本文對(duì)中央隆起帶異常低壓發(fā)育的39口探井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，沙二段、沙三段低壓發(fā)育層位埋深均值分別為2 394 m和3 287 m。基于此，可計(jì)算出由于地溫梯度降低，沙二段和沙三段溫度變化量ΔT分別為12 ℃和16.5 ℃。根據(jù)對(duì)中央隆起帶沙二段和沙三段砂層物性統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)沙二段和沙三段平均孔隙度分別為15.74%和22.08%。以該孔隙度數(shù)據(jù)作為參數(shù)，對(duì)單位體積內(nèi)巖石和流體的體積變化之和進(jìn)行計(jì)算:

ΔV=ΔT[αwφ+αr(1-φ)]

(3)

式中:ΔV.體積變化量，m3；ΔT.溫度變化量，℃；αw.地層鹵水的膨脹系數(shù)；αr.巖石膨脹系數(shù)；φ.目的砂層孔隙度，%。

其中ΔV=V0-V。由上式計(jì)算可得到，臨南洼陷中央隆起帶沙二段、沙三段因溫度降低而造成的孔隙度增加量分別為0.085%、0.157%。根據(jù)帕斯卡定律，液態(tài)流體體積隨壓力變化規(guī)律可表示為:

V=V0[1-Cw(p-p0)]

(4)

式中:V0.壓力為p0時(shí)液態(tài)流體體積，m3；p0.原始液態(tài)流體壓力，MPa；p.體積變化后現(xiàn)今儲(chǔ)層流體壓力，MPa。

為了便于計(jì)算，假設(shè)孔隙流體均為地層水，取地層水的壓縮系數(shù)Cw為4.2×10-4MPa-1。結(jié)合以上公式，惠民凹陷中央隆起帶沙二段、沙三段地層由于溫度降低，使得地層壓力分別降低了2.02 MPa、3.73 MPa。

3.3 蝕變耗水作用

沉積巖中賦存著大量地層水，作為油氣二次運(yùn)移的驅(qū)動(dòng)力和載體，前人往往注重了水巖相互作用及次生孔隙的發(fā)育，通常忽略了成巖過程中地層水消耗引起的地層流體體積的變化。張善文研究認(rèn)為濟(jì)陽(yáng)坳陷中深部?jī)?chǔ)層發(fā)育的異常低壓現(xiàn)象是由于成巖演化階段礦物轉(zhuǎn)化過程中地層水消耗導(dǎo)致的[20]。

惠民凹陷古近系儲(chǔ)層巖性主要為細(xì)砂巖和粉砂巖，按?？朔诸悾皫r類型屬于巖屑長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石砂巖類別[21]。對(duì)中央隆起帶發(fā)育異常低壓的8口井沙二段、沙三段的全巖及黏土礦物X衍射分析結(jié)果表明，礦物含量以石英為主，平均含量54.5%；其次是斜長(zhǎng)石、黏土礦物和鉀長(zhǎng)石，平均含量分別為19.1%、9.9%和7.4%(表3)。中央隆起帶同沉積斷裂發(fā)育，斷裂帶又是酸性流體遷移良好的通道，有利于溶蝕作用的進(jìn)行。中央隆起帶溶蝕作用主要發(fā)育于1 400～2 500 m和2 800～4 000 m兩個(gè)深度段[22]；對(duì)應(yīng)發(fā)生在早成巖階段B期和中成巖階段A期，主要蝕變過程為長(zhǎng)石礦物蝕變高嶺石化、綠泥石化，次生孔隙發(fā)育[23]。

表3 惠民凹陷中央隆起帶沙二段、沙三段砂巖礦物組分表

斜長(zhǎng)石蝕變?yōu)楦邘X石[24]:

2Na0.6Ca0.4Al1.4Si2.6O8+1.4H2O+2.8H+=1.4Al2Si2O5(OH)4+2.4SiO2+1.2Na++0.8Ca2+

(5)

計(jì)算可得1 000 g斜長(zhǎng)石蝕變?yōu)楦邘X石需要46.9 g水。

鉀長(zhǎng)石蝕變?yōu)楦邘X石[24]:

2KAlSi3O8+H2O+2H+=Al2Si2O5(OH)4+2K++4SiO2

(6)

計(jì)算可得1 000 g鉀長(zhǎng)石蝕變?yōu)楦邘X石需要32.4 g水。

前人研究表明，濟(jì)陽(yáng)坳陷古近系主要礦物蝕變階段長(zhǎng)石的蝕變程度為7%～15%，平均12%[20]。結(jié)合上述化學(xué)反應(yīng)式，取鉀長(zhǎng)石密度為2.56 g/cm3，斜長(zhǎng)石密度取2.69 g/cm3，水的密度取1.0 g/cm3，通過公式(5)和(6)可計(jì)算出每立方米儲(chǔ)層長(zhǎng)石蝕變?yōu)楦邘X石所消耗的地層水。

斜長(zhǎng)石部分:1×106cm3×19.1%×12%×2.69 g/cm3×46.9×10-3=2 891.6×10-6t

鉀長(zhǎng)石部分:1×106cm3×7.4%×12%×2.56 g/cm3×32.4×10-3=736.5×10-6t

由上可計(jì)算出單位體積儲(chǔ)層，經(jīng)過成巖過程中的長(zhǎng)石溶蝕的“耗水作用”，單位儲(chǔ)層孔隙體積增加量約為3 628.1×10-6m3，儲(chǔ)層孔隙體積增加量為0.363%。為了便于計(jì)算，假設(shè)孔隙中的流體均為地層水，取地層水壓縮系數(shù)Cw為4.2×10-4MPa-1，根據(jù)帕斯卡定律，液體體積隨壓力變化公式，通過公式(4)計(jì)算得出由于礦物溶蝕作用消耗地層水，導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙體積的增加，進(jìn)而引起地層壓力下降8.64 MPa。

惠民凹陷古近系沙二段、沙三段儲(chǔ)層黏土礦物如高嶺石、伊利石、伊/蒙間層所占比例較少，蝕變產(chǎn)生的耗水作用本文中暫不做分析。

3.4 蝕變礦物體積變化

長(zhǎng)石類礦物在蝕變?yōu)楦邘X石的過程消耗著巖石格架中地層水，同時(shí)礦物自身體積也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化[19]。由式(5)和(6)可知溶蝕反應(yīng)前后各離子組分以溶液形式參與，故發(fā)生體積變化的礦物僅有長(zhǎng)石類、高嶺石和次生石英。

表4對(duì)于斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石蝕變?yōu)楦邘X石的體積變化進(jìn)行了初步分析，可得出斜長(zhǎng)石高嶺石化體積縮小率為3.1%，鉀長(zhǎng)石高嶺石化體積縮小率為12.6%。所以，長(zhǎng)石蝕變?yōu)楦邘X石必然會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙體積增加。結(jié)合中央隆起帶巖礦組分中斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石相對(duì)含量及長(zhǎng)石蝕變程度，可計(jì)算出長(zhǎng)石蝕變導(dǎo)致自身體積縮小所增加的那部分孔隙體積。

斜長(zhǎng)石高嶺石化部分：1×106cm3×19.1%×12%×3.1%=710.5 cm3

鉀長(zhǎng)石高嶺石化部分：1×106cm3×7.4%×12%×12.6%=1 118.9 cm3

表4 斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石蝕變?yōu)楦邘X石的體積變化情況

因此，由以上結(jié)果，可以計(jì)算出由于礦物自身蝕變導(dǎo)致自身體積縮小使得孔隙體積增加約1 829.4 cm3。由公式(4)計(jì)算可以得出由于成巖過程中礦物蝕變所導(dǎo)致的儲(chǔ)層孔隙體積的增加，進(jìn)而使得壓力下降了4.36 MPa。

3.5 低壓封存箱

沉積盆地常具有由封閉層分割的異常壓力系統(tǒng)，即流體壓力封存箱。流體壓力封存箱根據(jù)內(nèi)部壓力情況分為超壓封存箱和低壓封存箱?；菝癜枷葜醒肼∑饚М惓５蛪罕４嬷两衽c其內(nèi)部良好的封閉條件緊密相關(guān)。凹陷古近紀(jì)以來(lái)交替沉積了不同厚度三角洲相砂泥巖層，巖相變化、地層尖滅為低壓封存箱存在提供了邊界條件。中央隆起帶同生斷裂發(fā)育，同生斷裂既能作為流體的運(yùn)移通道，又能起到遮擋作用，大型同生斷層斷面上陡下緩呈“犁式”，力學(xué)機(jī)制上，上部張性，下部則為壓性，下部形成壓力封閉[25]。再者，臨商斷裂主支活動(dòng)性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，分支活動(dòng)性明顯較主支弱，消亡時(shí)期早，且規(guī)律性較差，現(xiàn)今多以封閉為主[26]，使得先期形成的壓力封閉得以完好保存。

如中央隆起帶商64井，在2 500～2 650 m砂巖形成低壓封存箱，上部、下部被常壓泥巖體系和超壓泥巖體系封隔(圖3)。結(jié)合商64井實(shí)測(cè)壓力數(shù)據(jù)，2 473 m處實(shí)測(cè)地層壓力14.17 MPa，計(jì)算壓力系數(shù)0.58，與低壓封存箱位置吻合。

圖3 商64井聲波時(shí)差與深度關(guān)系Fig.3 Transit time differences vs.depth in well Shang 64

4 生烴增壓量估算

圖4 惠民凹陷生烴史和埋藏史圖(據(jù)李純?nèi)猍9])Fig.4 Hydrocarbon generation and burial history curves in Huimin Sag(modified after LI[9])

烴源巖生烴是高密度的干酪根轉(zhuǎn)化成低密度的油和氣的過程，由于密度差異導(dǎo)致孔隙流體發(fā)生膨脹，在封閉條件下便形成超壓。目前，對(duì)這種超壓機(jī)制研究還主要停留在定性描述階段。郭小文等(2011)綜合考慮干酪根烴源巖生油過程中孔隙水和油的排出、氫指數(shù)對(duì)生油的影響、壓實(shí)使石油密度變化等因素基礎(chǔ)上，建立了生油增壓模型，并采用該模型對(duì)東營(yíng)凹陷生油作用形成的超壓與深度關(guān)系進(jìn)行了定量計(jì)算[27]。筆者借鑒東營(yíng)凹陷生油增壓模型及生油作用所形成超壓和壓力系數(shù)隨深度變化關(guān)系圖版，對(duì)與東營(yíng)凹陷烴源巖總有機(jī)碳含量TOC、石油殘留系數(shù)α、氫指數(shù)HI等地化參數(shù)[28]相近的惠民凹陷臨南洼陷沙三段主力烴源巖生烴增壓量進(jìn)行了估算。前文所述，惠民凹陷油氣成藏時(shí)間有兩期注入，東營(yíng)組沉積末期和館陶—明化鎮(zhèn)組沉積時(shí)期，其中又以館陶-明化鎮(zhèn)沉積時(shí)期為主。結(jié)合惠民凹陷生烴史與埋藏史演化圖[9](圖4)，可知，臨南洼陷主力烴源巖沙三段于館陶-明化鎮(zhèn)沉積時(shí)期埋深2 500～3 600 m。圖5可以明顯看出，與該主要成藏時(shí)期對(duì)應(yīng)的生烴增壓量約為2～32 MPa，壓力系數(shù)值為約為1.1～1.85。凹陷內(nèi)烴類充注壓力傳導(dǎo)作用使得中央隆起帶在一定時(shí)期表現(xiàn)增壓特征，增壓量小于32 MPa。

圖5 臨南洼陷沙三段烴源巖生油作用形成超壓和壓力系數(shù)值圖Fig.5 The oil overpressure and pressure coefficients caused by oil generation of the source rocks in the third member of Shahejie Formation Linnan sub-sag

5 油藏壓力演化史

前人對(duì)惠民凹陷沙三段儲(chǔ)層流體包裹體進(jìn)行熱動(dòng)力演化模擬，結(jié)果顯示，沙三段發(fā)育的異常低壓是異常高壓經(jīng)過一定時(shí)期的演化后在晚期形成的，整體表現(xiàn)為降壓-增壓-降壓的旋回性特征[9]。古近系末期構(gòu)造抬升，孔隙反彈造成的壓力下降約為0.516 MPa。成巖過程中蝕變耗水導(dǎo)致壓力下降8.64 MPa；蝕變礦物體積變化造成壓力下降4.36 MPa?；菝癜枷菰谛律牡販靥荻入S盆地的演化史逐漸降低的[14]。由于儲(chǔ)層溫度下降致使沙二段、沙三段壓力下降2.02 MPa和3.73 MPa。烴類生成壓力傳導(dǎo)補(bǔ)充，使得壓力增加量小于32 MPa。在上述因素共同作用下，惠民凹陷中央隆起帶地層壓力降幅約為15～17 MPa，最終形成現(xiàn)今17～22 MPa異常低壓分布格局(圖6)。

圖6 惠民凹陷沙三段壓力系數(shù)隨時(shí)間演化Fig.6 Evolution of pressure coefficients with time of the third member of Shahejie Formation in Huimin Sag

6 結(jié) 論

(1)惠民凹陷地層壓力以常壓為主，1 500 m以下明顯發(fā)育壓力系數(shù)小于0.9的低壓異常?？v向上，異常低壓主要分布在沙河街組二段和三段儲(chǔ)層中，平面上異常低壓集中分布在中央隆起帶周邊。(2)烴類充注、成巖耗水、蝕變礦物體積縮小、溫度降低及構(gòu)造抬升孔隙反彈等因素共同作用下，惠民凹陷壓力演化呈現(xiàn)降壓-增壓-降壓的旋回性特征，地層壓力降幅約為15～17 MPa，形成現(xiàn)今低壓分布格局。(3)良好的封閉條件是異常低壓保存至今的關(guān)鍵因素，中央隆起帶低壓封存箱的存在為異常低壓保存提供了先決條件。

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