集束連續(xù)管井口懸掛分流裝置的研究與應(yīng)用

呂維平 劉家煒 孫國(guó)玉 付悅 張正 徐鋮洋

集束連續(xù)管作為油氣生產(chǎn)管柱，利用自身多通道獨(dú)立工作的特點(diǎn)，可以開(kāi)展兩氣合采生產(chǎn)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)同一口井多儲(chǔ)層高效開(kāi)采，尤其對(duì)儲(chǔ)層物性差異大的地層開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)顯著。針對(duì)現(xiàn)有常規(guī)井口大通徑管柱懸掛配套復(fù)雜、適用范圍受限、同時(shí)需兼顧導(dǎo)流及密封的問(wèn)題，采用多瓣式卡瓦懸掛結(jié)構(gòu)，配合專(zhuān)用分流組件，研制了一種基于集束連續(xù)管兩氣合采工藝的井口裝置。該裝置具備井口懸掛和分流密封功能，解決了集束連續(xù)管2根內(nèi)管與四通閥旁通中心基準(zhǔn)面方向不一致的難題。室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：集束連續(xù)管懸掛分流裝置可以完成規(guī)定的測(cè)試內(nèi)容，能夠?qū)崿F(xiàn)集束連續(xù)管在井口的懸掛和分流道控制，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的要求。研究結(jié)果可為兩氣合采完井提供可行性保證施工的安全性，有助于完善集束連續(xù)管兩氣合采工藝的應(yīng)用和推廣。

集束連續(xù)管；井口懸掛；防噴器；分流；兩氣合采

Research and Application of Wellhead Suspension Diversion

Device for Bundling Coiled Tubing

As an oil and gas production string，the bundling coiled tubing，with a characteristic of independent multichannel operation，can be used to enable two-gas commingled production，achieving efficient exploitation of multiple reservoirs in the same well，especially those with significantly different physical properties.Considering that the existing conventional wellhead large-diameter pipe string suspension system is complex in support components and limited for application，and also the need to consider both diversion and sealing，a wellhead device based on the bundling coiled tubing two-gas commingled production technology was developed by adopting a multi-lobe suspension structure and specialized diversion component.With the functions of wellhead suspension and diversion sealing，this device can solve the problem of inconsistent direction between the two inner pipes of the bundling coiled tubing and the reference plane of the four-way valve bypass center.The laboratory test and field application results show that the bundling coiled tubing suspension diversion device can complete the specified testing content，achieve the suspension and subchannel control of the bundling coiled tubing at the wellhead，and meet the requirements of field application.This device provides feasibility for the completion of two-gas commingled production，ensures the safety of operation，and supports the application and promotion of the bundling coiled tubing two-gas commingled production technology.

bundling coiled tubing；wellhead suspension；BOP；diversion；two-gas commingled production

0 引 言

大寧-吉縣區(qū)塊煤層氣勘探區(qū)，位于鄂爾多斯盆地東緣南段，區(qū)塊內(nèi)煤層氣、煤系地層天然氣多層疊置，不同儲(chǔ)層壓力系數(shù)、含水情況存在差異，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)周期不同。采用單井無(wú)法同時(shí)開(kāi)發(fā)多個(gè)儲(chǔ)層，因此對(duì)各儲(chǔ)層提出分階段差異化的排采要求。集束連續(xù)管是將1組小直徑連續(xù)管置于1根大直徑連續(xù)管內(nèi)部，通過(guò)集合、捆綁成為一個(gè)整體的管柱體系。多儲(chǔ)層通過(guò)集束連續(xù)管與地面輸送和儲(chǔ)存設(shè)施相連，具備不同通道互不干涉、獨(dú)立作業(yè)的優(yōu)勢(shì)，滿(mǎn)足同一口井多儲(chǔ)層分階段排采的需求，同時(shí)利用高壓儲(chǔ)層帶動(dòng)低壓儲(chǔ)層生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)高效開(kāi)發(fā)。因此，使用集束連續(xù)管開(kāi)展兩氣合采工藝，可以顯著提高油氣生產(chǎn)的效率、減少井口復(fù)雜度［1］。

集束連續(xù)管作為油氣生產(chǎn)通道，需要考慮外管與兩個(gè)內(nèi)管在井口的懸掛，還需要考慮井口多個(gè)通道的分流密封工作。其中砂巖氣產(chǎn)出需要留出環(huán)空流動(dòng)通道，砂巖氣的再次注入以及煤層氣生產(chǎn)也需要準(zhǔn)備流道，這是集束連續(xù)管完井工藝施工的關(guān)鍵步驟之一。

目前國(guó)內(nèi)缺乏有效的懸掛分流配套裝備及工藝方法。為此，筆者分析現(xiàn)有大通徑懸掛井口的局限性，結(jié)合兩氣合采工藝需求，研制了一種集束連續(xù)管井口懸掛分流裝置。該裝置由井口懸掛組件和井口分流組件組成。井口懸掛組件采用多瓣式卡瓦懸掛設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足集束連續(xù)管的尺寸要求且無(wú)需額外配套；井口分流組件采用內(nèi)管固定設(shè)計(jì)，防止集束連續(xù)管入井后上下竄動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)2個(gè)通道的分隔導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn)分流，同時(shí)解決2根內(nèi)管與四通閥旁通中心基準(zhǔn)面方向不一致的問(wèn)題。本文就裝置結(jié)構(gòu)、工作原理、技術(shù)參數(shù)以及性能特點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明，通過(guò)室內(nèi)密封試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明工具工藝應(yīng)用的可行性，可為集束連續(xù)管合采工藝進(jìn)一步推廣奠定基礎(chǔ)。

1 設(shè)計(jì)要求

1.1 外管懸掛問(wèn)題

與連續(xù)管速度管柱在老井油管內(nèi)二次完井不同，集束連續(xù)管完井是在套管內(nèi)直接下入集束連續(xù)管作為生產(chǎn)通道。為滿(mǎn)足大尺寸工具下入和帶壓作業(yè)要求，作業(yè)井口必須具備與套管內(nèi)徑相當(dāng)?shù)拇笸◤綏l件，并配套大通徑的井口防噴器裝置［2-4］。為滿(mǎn)足集束連續(xù)管井口大通徑懸掛的要求，分析現(xiàn)有大通徑懸掛器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，存在主要問(wèn)題如下。

（1）文獻(xiàn) ［4-5］，在懸掛卡瓦投放方式和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，避免了使用操作窗投放卡瓦的不便和額外配套費(fèi)用。但其殼體和環(huán)空密封膠筒均采用整體式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致有效內(nèi)通徑受限，難以滿(mǎn)足集束連續(xù)管大尺寸井下工具帶壓封隔作業(yè)的要求。

（2）文獻(xiàn)［6-7］，利用原井油管頭配套的專(zhuān)用油管懸掛工具，配合大通徑防噴閘板防噴器實(shí)現(xiàn)了較大通徑的井口懸掛。但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)，井口需額外臨時(shí)配套使用180 mm公稱(chēng)內(nèi)通徑的防噴器，工藝復(fù)雜、作業(yè)成本高，且工藝過(guò)程需要防噴器臨時(shí)懸掛，存在安全隱患。

上述大通徑井口懸掛方式普遍存在通徑受限、配套復(fù)雜的問(wèn)題，無(wú)法滿(mǎn)足集束連續(xù)管作業(yè)需求。

1.2 內(nèi)管分流（兩氣合采工藝）

集束連續(xù)管井內(nèi)管柱和生產(chǎn)通道如圖1所示。其中1、2分別代表集束連續(xù)管內(nèi)管2根通道，3代表集束連續(xù)管與套管之間的環(huán)空通道。

圖2為不同階段2類(lèi)儲(chǔ)層投產(chǎn)情況對(duì)比示意圖。圖1a和圖2中：A層代表前期產(chǎn)量高、后期衰減較快的儲(chǔ)層；B層代表前期含水產(chǎn)量低、后期穩(wěn)產(chǎn)周期長(zhǎng)的儲(chǔ)層［8-14］。集束連續(xù)管兩氣合采在不同生產(chǎn)階段通道狀態(tài)如下：

（1）生產(chǎn)啟動(dòng)階段。油套環(huán)空排液時(shí)外部氣源通過(guò)通道3注入，經(jīng)氣舉閥進(jìn)入通道2由井口返出進(jìn)行氣舉。由于通道3連接油套環(huán)空，該階段氣舉方式為反舉。外層連續(xù)管與中心連續(xù)管環(huán)空排液時(shí)，外部氣源通過(guò)通道1注入，由通道3返出，該階段氣舉方式為正舉。

（2）排采階段。A層通過(guò)通道3采出，并通過(guò)通道1回注到煤層氣層段，經(jīng)由通道2返出，該階段氣舉方式為正舉。

（3）分采階段。B層由通道2采出，A層由通道3采出。此時(shí)2種地層壓力系數(shù)仍有較大差別，地面調(diào)壓使兩通道外輸壓力接近后一起外輸。該階段不需氣舉，僅需通過(guò)A層和B層儲(chǔ)層各自產(chǎn)出氣攜液排水，相當(dāng)于速度管柱排水采氣。

（4）合采階段。B層由通道1采出，A層由通道3采出，此時(shí)2種地層壓力系數(shù)比較接近，雖經(jīng)由不同通道生產(chǎn)，但不需地面調(diào)壓，直接混合后外輸，相當(dāng)于合層開(kāi)采。該階段也不需氣舉，與合采階段類(lèi)似。

（5）間歇?dú)馀e生產(chǎn)階段。B層由通道1采出，A層由通道3采出，兩氣地面自由混合后一起外輸。外部氣源由通道3注入，經(jīng)由氣舉閥進(jìn)入通道1連通的管柱，并從通道1返出進(jìn)行氣舉，該過(guò)程氣舉方式為反舉。

為保證上述多儲(chǔ)層同井集束連續(xù)管兩氣合采工藝的有效實(shí)施，在井口需要一種裝置封隔控制集束連續(xù)管各通道氣體流向，以滿(mǎn)足內(nèi)管與外管導(dǎo)流和密封的要求，同時(shí)與井口采氣樹(shù)相匹配。

2 技術(shù)分析

基于上述設(shè)計(jì)要求，筆者研制了一種集束連續(xù)管井口懸掛分流裝置，以實(shí)現(xiàn)集束連續(xù)管在井口的大通徑懸掛和內(nèi)外管的分流作業(yè)，包含井口懸掛組件和分流組件等，如圖3所示。圖4為原采氣井與集束連續(xù)管完井采氣井口對(duì)比。由圖4b可知：井口懸掛組件安裝在井口閥之上，完成管柱的懸掛和環(huán)空密封；分流組件安裝在懸掛組件法蘭面之上，對(duì)兩根內(nèi)管進(jìn)行對(duì)接并側(cè)向引出，分別作為集束連續(xù)管內(nèi)管進(jìn)氣口和采氣口。

2.1 結(jié)構(gòu)

2.1.1 井口懸掛組件

集束連續(xù)管井口懸掛組件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

該懸掛組件殼體為中通式結(jié)構(gòu)，內(nèi)孔上部為錐形喇叭口形狀，有效內(nèi)通孔直徑與標(biāo)準(zhǔn)法蘭公稱(chēng)內(nèi)通孔尺寸對(duì)應(yīng)，內(nèi)通徑與井口生產(chǎn)主閥公稱(chēng)通徑一致。殼體下部為法蘭結(jié)構(gòu)，殼體上部外表面設(shè)置與頂蓋下部?jī)?nèi)表面密封配合和連接的外螺紋，并通過(guò)螺紋下部的臺(tái)階限位。頂蓋上部同樣為法蘭結(jié)構(gòu)，內(nèi)通徑與井口生產(chǎn)主閥公稱(chēng)通徑一致，法蘭頸下部外臺(tái)肩為倒“V”形，密封支撐塊同為多瓣式結(jié)構(gòu)，數(shù)量與卡瓦相同，其上端面與密封橡膠抵觸。密封支撐塊下端面設(shè)置有數(shù)量和位置均與密封橡膠軸向通孔對(duì)應(yīng)的沉頭通孔，沉頭通孔深度比支撐螺釘?shù)穆菝倍?～10 mm，以防止密封橡膠壓縮時(shí)支撐螺釘露出下端面干擾其他零部件。支撐螺釘由下及上穿過(guò)沉頭孔及密封橡膠與卡瓦上對(duì)應(yīng)的空洞，將三者固定在一起。

2.1.2 井口分流組件

集束連續(xù)管井口多通道分流組件結(jié)構(gòu)如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，該組件主要由外接四通、專(zhuān)用連接器上接頭、左偏心接頭、右偏心接頭、緊固螺釘、專(zhuān)用中間連接頭、專(zhuān)用連接器下接頭及集束連續(xù)管內(nèi)管固定器組成。

外接四通包括彼此連通的上接口、下接口、左接口和右接口。上接口和下接口連接形成豎直方向通道，左接口和右接口連接形成水平方向通道。連接頭組件設(shè)置在豎直方向通道內(nèi)，連接頭組件的上端位于豎直方向通道和水平方向通道的交匯處，連接頭組件的上端與豎直方向通道之間具有連接上接口和下接口的連接通道；連接頭組件的下端與集束連續(xù)管組件連接，連接頭組件設(shè)置彼此獨(dú)立的第一連接器通道和第二連接器通道。第一連接器通道與集束連續(xù)管組件的第一集束通道連通，第二連接器通道與集束連續(xù)管組件的第二集束通道連通。左接頭可拆卸，設(shè)置在連接頭組件上端側(cè)壁并位于左接口處。且設(shè)置有第一水平通道，第一水平通道與第一連接器通道連接；右接頭可拆卸，設(shè)置在連接頭組件上端側(cè)壁并位于右接口處，且設(shè)置有第二水平通道，第二水平通道與第二連接器通道連接。

為了防止內(nèi)管入井后上下竄動(dòng)，在井口位置設(shè)計(jì)有集束連續(xù)管內(nèi)管固定裝置，以外管為依托通過(guò)專(zhuān)用的輔助工具對(duì)內(nèi)管進(jìn)行造坑，采用螺釘式連接方法將內(nèi)管固定。由于集束連續(xù)管2根內(nèi)管與四通閥旁通中心基準(zhǔn)面方向不一致，為解決內(nèi)管施工過(guò)程中可能存在基準(zhǔn)面旋轉(zhuǎn)而影響導(dǎo)流設(shè)置的問(wèn)題，設(shè)計(jì)專(zhuān)用中間連接頭安裝在上下接頭之間。通過(guò)緊固螺釘與集束連續(xù)管連接器下接頭連接，而與專(zhuān)用連接器上接頭不固定連接，其配合面通過(guò)留有空隙來(lái)保證專(zhuān)用連接器上接頭能夠360°旋轉(zhuǎn)。當(dāng)安裝左右偏心接頭時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)的工裝旋轉(zhuǎn)連接器上接頭，保證緊固螺釘螺紋孔位與連接器上接頭螺紋孔位一致，即實(shí)現(xiàn)內(nèi)管基準(zhǔn)面無(wú)論處于何種狀態(tài)均可以通過(guò)調(diào)整上接頭方向與四通閥旁通基準(zhǔn)面保持一致。集束連續(xù)管井口多通道分流組件，所有與內(nèi)管連接的部位均需采用密封墊圈實(shí)現(xiàn)密封。

2.2 工作原理

集束連續(xù)管井口懸掛分流裝置應(yīng)用于集束連續(xù)管完井作業(yè)過(guò)程中，由井口懸掛組件來(lái)實(shí)現(xiàn)外管的懸掛;井口分流組件進(jìn)行不同儲(chǔ)層生產(chǎn)分流和內(nèi)管的固定。

作業(yè)時(shí)，將連續(xù)管下入到設(shè)計(jì)深度后，啟動(dòng)安裝在井口主閥上的大通徑連續(xù)管懸掛組件，轉(zhuǎn)動(dòng)鎖緊螺桿將卡瓦調(diào)整至頂蓋內(nèi)腔最下部，卡瓦板牙咬住連續(xù)管外壁，下方連續(xù)管將管重逐漸轉(zhuǎn)移到卡瓦上，并懸掛住連續(xù)管。同時(shí)，多瓣式密封支撐塊也相互貼合形成支撐底座，依靠連續(xù)管的重力進(jìn)一步壓縮密封橡膠使之徑向膨脹，以密封連續(xù)管與密封橡膠以下的井口環(huán)空。剪管并移除連續(xù)管井口作業(yè)設(shè)備后，在井口懸掛組件上安裝集束連續(xù)管分流組件，井口分流組件位于四通中心位置。將集束連續(xù)管的3個(gè)通道分流到四通的3個(gè)通道中，具體分流過(guò)程為：集束連續(xù)管穿過(guò)并固定在連接器下接頭中，第一集束通道與第一連接器通道的下端連接，第二集束通道與第二連接器通道的下端連接，將集束連續(xù)管內(nèi)管分別分流至分流組件第一水平通道和第二水平通道。集束連續(xù)管外管外徑小于與下接口所對(duì)應(yīng)的管壁的內(nèi)徑，集束連續(xù)管外管與下接口所對(duì)應(yīng)的管壁之間形成環(huán)空，該環(huán)空與第一連接器通道和第二連接器通道均不連通，即上接口可以通過(guò)連接通道實(shí)現(xiàn)環(huán)空氣體的采集，而不影響下游氣體采集操作。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

垂直通徑：130 mm；

適合連續(xù)管規(guī)：60.325 mm；

額定工作壓力：70 MPa；

額定懸掛載荷：320 kN；

產(chǎn)品等級(jí)：API6A EE-PSL3G-PRⅠ；

工作溫度：-46～+82 ℃。

2.4 性能特點(diǎn)

（1）可精確控制卡瓦、密封橡膠和密封支撐塊組合體的張開(kāi)與抱合，實(shí)現(xiàn)卡瓦提前預(yù)置在大通徑連續(xù)管懸掛組件內(nèi)部。避免額外配套操作窗才能投放卡瓦，可實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)管的多次重復(fù)懸掛和密封，增強(qiáng)了對(duì)作業(yè)時(shí)或懸掛后因意外情況需要帶壓上提連續(xù)管時(shí)的適應(yīng)性和便捷性。

（2）解決了要求常規(guī)整體式密封膠筒內(nèi)徑必須與連續(xù)管外徑一致的工具通過(guò)性問(wèn)題，且利用連續(xù)管重力來(lái)壓緊多瓣式密封橡膠相互貼合，以密封連續(xù)管與井口環(huán)空，實(shí)現(xiàn)高壓下有效密封。

（3）實(shí)現(xiàn)集束連續(xù)管3個(gè)通道的分流，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷，保證裝置的密封性能，各通道氣體不會(huì)相互滲透。

（4）采用可旋轉(zhuǎn)的中間接頭，能夠相對(duì)于連接器上接頭轉(zhuǎn)動(dòng)，可以根據(jù)不同工況調(diào)整中間連接頭的角度，使整個(gè)采氣樹(shù)及管匯處于最優(yōu)安裝位置。

3 試驗(yàn)研究

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)前，分別開(kāi)展懸掛組件氣密封試驗(yàn)和分流組件密封試驗(yàn)，以驗(yàn)證集束連續(xù)管懸掛分流裝置的密封可靠性，保證安全施工作業(yè)。

3.1.1 試驗(yàn)方法

對(duì)懸掛組件本體及膠筒進(jìn)行密封性試驗(yàn)，試驗(yàn)根據(jù)API Spec 6A要求進(jìn)行。

利用氣密性試驗(yàn)機(jī)對(duì)分流組件的2個(gè)通道開(kāi)展氣密性試驗(yàn)，以驗(yàn)證分流組件對(duì)各通道隔絕密封的能力。試驗(yàn)示意圖如圖7所示。

具體試驗(yàn)過(guò)程為：

（1）取集束連續(xù)管分流組件進(jìn)行裝配。

（2）試驗(yàn)前將分流組件一端安裝密封塞，對(duì)通道進(jìn)行密封固定。

（3）采用手動(dòng)液壓泵對(duì)2個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，分別按15、30、45和60 MPa這4個(gè)梯度加壓，每個(gè)梯度穩(wěn)壓10 min，觀察并記錄壓力變化情況，同時(shí)記錄是否泄漏。

（4）試驗(yàn)結(jié)束，卸壓后拆卸工裝，設(shè)備歸位。

3.1.2 結(jié)果及分析

懸掛組件氣密封試驗(yàn)過(guò)程中均無(wú)氣泡產(chǎn)生。試壓曲線(xiàn)如圖8和圖9所示。

分流組件試驗(yàn)全程未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。2個(gè)通道氣密性試驗(yàn)曲線(xiàn)如圖10所示。

由圖8～圖10可知，規(guī)定時(shí)間內(nèi)懸掛組件壓降均在2 MPa以?xún)?nèi)，分流組件2個(gè)通道的不同梯度穩(wěn)壓階段壓降均小于1 MPa，表明集束連續(xù)管懸掛分流裝置具有優(yōu)良的密封性能，符合現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2020年在大吉5-1向6井場(chǎng)，針對(duì)煤層氣與煤系地層天然氣綜合開(kāi)發(fā)排水采氣工藝研究，以8#煤為目的層，利用封隔器將致密氣盒7、山21分層，形成了集束連續(xù)管兩氣合采工藝方案。按照方案，對(duì)該井實(shí)施60.3 mm集束連續(xù)管兩氣合采完井作業(yè)。

應(yīng)用過(guò)程中，集束連續(xù)管懸掛組件完成了集束連續(xù)管井口的懸掛以及密封，分流組件實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣體的導(dǎo)流，保障了作業(yè)的順利進(jìn)行。后期儲(chǔ)層排通至平穩(wěn)生產(chǎn)，驗(yàn)證了兩氣合采完井采氣技術(shù)的可行性和高效性，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

（1）設(shè)計(jì)了適用于集束連續(xù)管兩氣合采的井口懸掛分流裝置，該裝置具備井口懸掛和分流密封功能。井口懸掛組件采用大通徑多瓣式卡瓦和預(yù)置懸掛密封組合體結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)無(wú)需額外配套大通徑專(zhuān)用防噴器和操作窗等井口裝置，顯著降低施工費(fèi)用。

（2）井口分流組件通過(guò)2個(gè)通道的分隔實(shí)現(xiàn)2種氣體的分流，避免了集束連續(xù)管入井后上下竄動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，解決了集束連續(xù)管2根內(nèi)管與四通閥旁通中心基準(zhǔn)面方向不一致的難題。

（3）開(kāi)展了懸掛組件本體和懸掛組件膠筒的密封性試驗(yàn)，以及分流組件的氣密封試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，各裝置密封性能良好，符合現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

（4）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明，集束連續(xù)管井口懸掛分流裝置保障了集束連續(xù)管完井以及兩氣合采工藝的順利實(shí)施，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求，為集束連續(xù)管兩氣合采工藝技術(shù)推廣奠定了基礎(chǔ)。［1］ ?呂維平，郭智棟，唐純潔，等．集束連續(xù)管分流連接器的研制與應(yīng)用［J］．石油機(jī)械，2020，48（12）：95-100．

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