魏殿舉, 金軍斌, 何青水
(1.中石化中原石油工程有限公司鉆井四公司,河南清豐 457321;2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101)
YD油田高滲灰?guī)r儲(chǔ)層水平井鉆井液技術(shù)
魏殿舉1, 金軍斌2, 何青水2
(1.中石化中原石油工程有限公司鉆井四公司,河南清豐 457321;2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101)
YD油田水平井在高滲灰?guī)r儲(chǔ)層鉆井過程中,存在井壁失穩(wěn)、鹽膏污染鉆井液、井漏、井眼清潔效果差和摩阻高等技術(shù)難點(diǎn)。為解決這些技術(shù)難點(diǎn),通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn),優(yōu)選了流性調(diào)控劑、抗鹽降濾失劑,確定了復(fù)合潤(rùn)滑劑配方和封堵材料的組成,形成了強(qiáng)抑制高封堵乳液聚合物鉆井液,并針對(duì)各開次鉆遇地層的地質(zhì)特征制定了鉆井液維護(hù)與處理技術(shù)措施。性能評(píng)價(jià)表明,泥頁巖在強(qiáng)抑制高封堵乳液聚合物鉆井液中的滾動(dòng)回收率達(dá)88.2%,線性膨脹率為18.2%;能抗5.0%NaCl、2.0%CaSO4和30%鉆屑的污染,具有較好的防塌抑制效果與抗污染能力。該鉆井液在YD油田S4井、S5井和S16井等3口水平井中進(jìn)行了應(yīng)用,鉆井過程鉆井液性能穩(wěn)定,鉆井施工順利。與該油田其他22口水平井相比,鉆井周期分別縮短5.2,6.3和7.8 d,滲漏量分別降低了12.5%,8.4%和13.2%,最大提升和下放阻力降低到150 kN之內(nèi)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,強(qiáng)抑制高封堵乳液聚合物鉆井液能有效解決YD油田高滲灰?guī)r地層水平井鉆井液技術(shù)難點(diǎn),可以在該油田進(jìn)行推廣。
水平井 鉆井液 灰?guī)r儲(chǔ)層 鉆井液添加劑 鉆井液性能 YD油田
YD油田Sarvak層為高滲透灰?guī)r儲(chǔ)層,主要采用水平井開發(fā),水平段長(zhǎng)約900.00 m,垂深約2 870.00 m,平均建井周期約80 d。鉆井過程中,由于鉆遇地層復(fù)雜、水平井段長(zhǎng)等原因,直井段易出現(xiàn)鹽膏污染鉆井液與井壁失穩(wěn)問題,斜井段易發(fā)生漏失、出現(xiàn)滑動(dòng)鉆進(jìn)“托壓”現(xiàn)象,水平段易發(fā)生井眼清潔效果差和易發(fā)生卡鉆等井下故障,造成頻繁劃眼、鉆井液損失、鉆井進(jìn)度滯后及成本增加[1-2]。為此,結(jié)合鉆遇地層特征與井身結(jié)構(gòu),分析了各開次的鉆井液技術(shù)難點(diǎn),針對(duì)性地優(yōu)選了鉆井液配方,并制定了維護(hù)與處理技術(shù)措施,形成了適合YD油田高滲灰?guī)r儲(chǔ)層的水平井鉆井液技術(shù)。
YD油田以Sarvak層為目的層的水平井通常采用φ444.5 mm鉆頭×300.00 m+φ311.1 mm鉆頭×1 350.00 m+φ215.9 mm鉆頭×4 000.00 m的三開井身結(jié)構(gòu),自上而下鉆遇的地層為Aghajari層、Gachsaran層、Asmari層、Pabdeh層、Gurpi層、Ilam層、Lafan層和Sarvak層。結(jié)合井身結(jié)構(gòu)與鉆遇地層特征,水平井鉆井液技術(shù)難點(diǎn)主要有:
1) 二開井段鉆遇Aghajari層和Gachsaran層。Aghajari層主要為泥巖、泥灰?guī)r,下部含無水石膏與石膏結(jié)晶。Gachsaran層以泥巖、泥灰?guī)r和石膏互層為主,膏巖含量最高達(dá)80%,且為潛在的高壓鹽水層。鉆井過程中,鉆井液極易受到石膏污染,造成鉆井液黏度、切力與濾失量升高,鉆井液流變性能變差,導(dǎo)致鉆頭泥包和地層蠕變縮徑,極易造成遇阻和卡鉆等復(fù)雜情況[3]。該井段要求鉆井液應(yīng)具有較強(qiáng)的抑制性和抗鹽膏污染能力。
2) 三開井段鉆遇Asmari層、Pabdeh層、Gurpi層、Ilam層、Lafan層和Sarvak層等地層。其中,Ilam層和Lafan層有大段的泥質(zhì)灰?guī)r和泥頁巖,水敏性極強(qiáng),井壁垮塌嚴(yán)重;Pabdeh層、Gurpi層和Sarvak層的灰?guī)r地層孔縫發(fā)育,經(jīng)常發(fā)生嚴(yán)重漏失,且漏點(diǎn)多、漏速大,Pabdeh層和Sarvak層均發(fā)生過失返性漏失[4-7]。因此要求三開鉆井液應(yīng)具有較強(qiáng)的抑制防塌和封堵能力。
3) 三開定向井段與水平井段對(duì)鉆井液的要求高。斜井段和水平段長(zhǎng)達(dá)1 300.00 m左右,井斜角超過45°后容易形成“巖屑床”,要求鉆井液具有較好的流變性能,尤其是應(yīng)具有良好的動(dòng)塑比和觸變性;由于Sarvak層孔洞、裂隙發(fā)育,平均孔隙度15.46%,平均滲透率10.03 mD,屬于高滲灰?guī)r地層,極易形成厚濾餅,加上水平段存在巖屑床,鉆具與井壁接觸面積大,大大增加了鉆具與井壁間的摩擦阻力,極易造成定向鉆進(jìn)“托壓”和卡鉆問題[8]。定向井段與水平井段,要求鉆井液應(yīng)具有較好的流變性、潤(rùn)滑性和攜巖能力。
2.1 鉆井液配方優(yōu)選
根據(jù)YD油田實(shí)際情況,針對(duì)鉆井液技術(shù)難點(diǎn),對(duì)該油田前期所用氯化鉀聚合物鉆井液進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn),形成了強(qiáng)抑制高封堵乳液聚合物鉆井液。
2.1.1 流性調(diào)控劑的優(yōu)選
將KPAM、CMC-HV、PAC-HV和FA367等4種常用的抗鹽流性調(diào)控劑加入到基漿中,測(cè)試其流性調(diào)控效果,結(jié)果見表1?;鶟{的配方為3.5%膨潤(rùn)土+1.0%CMC-LV+1.0%CMC-MV+0.3%NaOH+10.0%NaCl+5.0%KCl+0.8%聚合醇。從表1可以看出,向基漿中加入0.3% FA367后,動(dòng)切力由7.0 Pa提高至15.0 Pa,濾失量由8.0 mL降至5.6 mL,增黏效果最好,還可以提高鉆井液的沉降穩(wěn)定性。因此,流性調(diào)控劑選用FA367。
2.1.2 復(fù)合潤(rùn)滑劑
鉆井液用納米乳液是近幾年迅速發(fā)展起來的新型處理劑,具有潤(rùn)滑、降低濾失量、抑制黏土膨脹分散的作用[9-13]。為進(jìn)一步提高鉆井液的潤(rùn)滑性能,將納米乳液與極壓潤(rùn)滑劑按不同配比復(fù)配,加入基漿中測(cè)試其潤(rùn)滑性能,結(jié)果見表2。由表2可以看出,潤(rùn)滑劑 JRH-2 與納米乳液的最佳配比為2∶3。
2.1.3 封堵材料優(yōu)選
斜井段地層孔洞發(fā)育,屬于高滲透地層。為降低鉆井液濾失量和避免漏失,鉆井液中需要加入封堵材料對(duì)地層進(jìn)行封堵。將粒徑1.90 mm石英砂放入黏附系數(shù)測(cè)定儀的不銹鋼紗網(wǎng)中,加入含有QS-2、SDL-2和FT-1等封堵材料的漿液并加壓至3.5 MPa,測(cè)試砂床底流量、封堵層厚度,并觀察封堵層的致密程度,結(jié)果見表3。
從表3可以看出,含有“3%QS-2+2%SDL-2+3%FT-1”的漿液可以在粒徑1.90 mm砂體上形成4 mm厚的致密封堵層,且砂體與封固層黏結(jié)成一個(gè)整體,說明含有“3%QS-2+2%SDL-2+3%FT-1”的漿液可以較好地封堵孔洞性地層。
2.1.4 抗鹽降濾失劑優(yōu)選
將 SML-4、CXP-2、SPNH、SHC、SMP-2、SMC和ZWJS等7種常用的抗鹽降濾失劑分別加入到鹽水基漿中,測(cè)試其降濾失性能,結(jié)果見表4。鹽水基漿的配方為2.5%膨潤(rùn)土+0.6%LV-CMC+0.3%FA367+0.3%燒堿+20.0%氯化鈉+0.8%聚合醇+1.0%潤(rùn)滑劑。從表4可以看出,ZWJS的降濾失效果最好,加入3%ZWJS后,濾失量由8.5 mL降至5.5 mL,并且對(duì)黏度影響不大。因此,選用ZWJS作為降濾失劑。
2.1.5 鉆井液配方
通過優(yōu)選流性調(diào)控劑、抗鹽降濾失劑和確定潤(rùn)滑劑復(fù)配配比和封堵材料組成,形成了高抑制強(qiáng)封堵乳液聚合物鉆井液,其基礎(chǔ)配方為2.0%~3.0%膨潤(rùn)土+0.2%~0.4%NaOH+2.0%~3.0%ZWJS+0.6%~1.0%LV-CMC+0.5%~0.8%FA367+10.0%~15.0%NaCl+3.0%~5.0%KCl+0.8%~1.0%聚合醇+3.0%QS-2+2.0%SDL-2+3.0%FT-1+2.0%JRH-2+3.0%~5.0%納米乳液。
2.2 性能評(píng)價(jià)
2.2.1 抑制性能
采用YD油田F4井2 500.00~2 800.00 m井段的泥頁巖巖樣,進(jìn)行KCl聚合物鉆井液、聚磺鉆井液、兩性金屬離子鉆井液、油基鉆井液和高抑制強(qiáng)封堵乳液聚合物鉆井液的滾動(dòng)回收試驗(yàn),結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出,高抑制強(qiáng)封堵乳液聚合物鉆井液的滾動(dòng)回收率最高,達(dá)到了88.2%,最接近油基鉆井液的滾動(dòng)回收率,說明其能夠有效抑止泥巖的水化分散。
采用YD油田F4井2 500.00~2 800.00 m井段的泥頁巖壓制巖樣。利用高溫高壓膨脹裝置,在100 ℃、3 MPa條件下,分別測(cè)定巖樣在5種鉆井液中滾動(dòng)16 h的相對(duì)膨脹量,結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出,水基鉆井液中的高抑制強(qiáng)封堵乳液聚合物鉆井液的相對(duì)膨脹量最小,說明其可以防止泥頁巖吸水膨脹,具有良好的防膨性能。
2.2.2 抗鹽膏污染能力
根據(jù)高抑制強(qiáng)封堵乳液聚合物鉆井液的基礎(chǔ)配方配制鉆井液,利用氯化鈉將Cl-質(zhì)量濃度調(diào)至1.6×105mg/L,用重晶石加重至1.30 kg/L,用NaOH將其pH值調(diào)至10,進(jìn)行抗鹽污染試驗(yàn),結(jié)果見表5。由表5可以看出,高抑制強(qiáng)封堵乳液聚合物鉆井液加入NaCl和CaSO4后,其流變性變化不大,濾失量始終小于5.0 mL,pH值在9左右,表明該鉆井液的抗鹽、抗鈣污染性能較強(qiáng)。
表5 鉆井液抗鹽污染試驗(yàn)結(jié)果
Table 5 Contamination resistance test of drilling fluids against salt
注:試驗(yàn)數(shù)據(jù)均是在100 ℃、滾動(dòng)老化16 h后測(cè)得的。
2.2.3 抗劣質(zhì)土污染能力
根據(jù)高抑制強(qiáng)封堵乳液聚合物鉆井液基礎(chǔ)配方配制鉆井液,用F4井2 700.00~2 800.00 m井段的泥巖鉆屑進(jìn)行抗污染試驗(yàn),結(jié)果見表6。從表6可以看出,隨著泥巖鉆屑加量的增大,常溫下鉆井液黏度有增大的趨勢(shì),在120 ℃溫度下,滾動(dòng)老化16 h后黏度微增,濾失量先降低后增大;鉆屑加量達(dá)到30%時(shí),其流變性和濾失量也能達(dá)到要求,說明該鉆井液具有較強(qiáng)的抗劣質(zhì)土污染能力。
表6 鉆井液抗劣質(zhì)土污染試驗(yàn)結(jié)果
Table 6 Contamination resistance test of drilling fluids against soil
3.1 上部水敏性含膏巖地層
1) 控制鉆井液主要性能,嚴(yán)格遵循“密度逐漸升高、黏度上高下低和濾失量上寬下窄”的處理原則,配合大排量高返速?zèng)_刷井壁,充分發(fā)揮水力破巖作用,快速鉆穿水敏性地層[1]。充分利用四級(jí)固控設(shè)備,降低鉆井液中的有害固相含量,將固相含量控制在6%~10%,適時(shí)加入適量的聚合物和潤(rùn)滑劑,以提高濾餅的質(zhì)量。
2) 進(jìn)入含石膏地層前,加入0.5% Na2CO3進(jìn)行抗鹽膏預(yù)處理,提高鉆井液的抗鈣污染能力。鉆進(jìn)過程中,隨鉆補(bǔ)充3%~4%KCl,以保持鉆井液的強(qiáng)抑制性;將“0.5%FA367+0.5%CMC-LV+3.0%ZWJS”的抗鹽膠液,以細(xì)水長(zhǎng)流的方式加入到鉆井液中,以維持鉆井液性能。
3) 鉆至Gachsaran層高壓鹽水地層前,將鉆井液密度提高至1.40 kg/L左右,保持正壓差鉆進(jìn),壓住潛在的高壓鹽水層。
4) 進(jìn)行短程起下鉆,每鉆進(jìn)300.00 m或鉆進(jìn)24 h進(jìn)行一次短程起下鉆,處理因水敏性泥巖和石膏層水化膨脹引起的縮徑井段,保證井眼暢通。
3.2 漏失地層防漏堵漏
1) 開鉆前根據(jù)鉆遇地層的地質(zhì)特征,進(jìn)行漏失評(píng)估,根據(jù)“預(yù)防為主、治理為輔”的準(zhǔn)則制定詳細(xì)的防漏堵漏預(yù)案。
2) 鉆進(jìn)過程中,以室內(nèi)優(yōu)化的封堵材料組成“3%QS-2+2%SDL-2+3%FT-1”進(jìn)行隨鉆堵漏,根據(jù)滲漏量定期補(bǔ)充封堵材料。
3) 發(fā)現(xiàn)滲漏量增大時(shí),每鉆進(jìn)300.00 m進(jìn)行一次定向靜止堵漏,把15~20 m3配方為5%膨潤(rùn)土+10%CaCO3(細(xì)、中、粗)+4%SDL+3%Kwickseal(細(xì))+3%SNFST的堵漏漿泵入井底,封堵新鉆開的滲漏性地層,并靜止1~2 h[10]。
4) 在發(fā)現(xiàn)漏失后,根據(jù)漏速,按照“大中小顆?;炫?、軟硬材料結(jié)合、橋堵為主和化堵為輔”的原則,調(diào)整堵漏漿的配方。
3.3 復(fù)雜井段降阻
1) 采用“2%JRH-2+3%納米乳液”復(fù)合潤(rùn)滑劑,提高鉆井液的潤(rùn)滑性能,降低鉆井液與井壁的摩阻。
2) 鉆進(jìn)過程中,鉆井液中加入超細(xì)碳酸鈣和磺化瀝青,將高溫高壓濾失量降至5 mL以下,改善濾餅質(zhì)量,形成薄而致密的濾餅。
3) 在定向及滑動(dòng)鉆進(jìn)井段,增大復(fù)合潤(rùn)滑劑的用量,配合加入2%固體潤(rùn)滑劑,減小鉆具與井壁的接觸面積,降低摩阻,緩解井壁對(duì)鉆具的“托壓”現(xiàn)象,降低壓差卡鉆的概率[14]。
4) 采取工程措施修正井壁,消除和破壞巖屑床,降低全角變化率。
5) 特殊作業(yè)前在封井漿中加入2%固體潤(rùn)滑劑,以保證測(cè)井和固井順利進(jìn)行。
3.4 大斜度及水平段攜巖洗井
1) 嚴(yán)格控制鉆井液的黏度和切力。大斜度井段和水平井段控制鉆井液漏斗黏度50~60 s、動(dòng)塑比0.45~0.50,以提高鉆井液的攜巖能力。
2) 調(diào)整鉆井液的觸變性,將鉆井液初切力提高至3.0 Pa以上,以提高停泵初期鉆井液的懸浮能力。
3) 定期采用稠漿塞清掃井眼?,F(xiàn)場(chǎng)配置漏斗黏度80~100 s的稠漿,每鉆進(jìn)3根立柱、短起下或起鉆前用稠漿清掃一次井眼,并根據(jù)鉆井作業(yè)的順利程度和返屑情況調(diào)整稠漿的性能。
4) 采用大排量洗井,并采取每鉆進(jìn)3~5根立柱進(jìn)行一次短程起下鉆等技術(shù)措施破壞巖屑床,以輔助攜巖洗井。
強(qiáng)抑制高封堵乳液聚合物鉆井液在YD油田的S4井、S5井和S16井等3口水平井進(jìn)行了應(yīng)用,取得了較好的應(yīng)用效果。3口井鉆井施工順利,未發(fā)生因鉆井液性能引發(fā)的井下故障。3口井鉆井周期分別為75.6,74.5和73.0 d,較該油田一期22口水平井平均鉆井周期(80.8 d)分別縮短5.2,6.3和7.8 d,其中S5井創(chuàng)造了該油田一期以Sarvak層為目的層水平井最短完鉆周期紀(jì)錄。
3口井鉆井期間鉆井液性能穩(wěn)定,維護(hù)方便,攜巖洗井效果較好,沒有形成明顯的巖屑床,大斜度井段及水平段的短程起下鉆、測(cè)井和下套管等作業(yè)順利。鉆井液潤(rùn)滑性能良好,摩阻系數(shù)都控制在0.08以下,最大提升和下放阻力降低到150 kN之內(nèi),解決了大斜度井段和水平段鉆具托壓的問題。
鉆井液防滲透性良好,3口井的滲漏量與該油田一期其他22口水平井的平均滲漏量相比,分別降低了12.5%,8.4%和13.2%,不僅改善了鉆井液濾餅質(zhì)量,還節(jié)省了鉆井液費(fèi)用。
1) 液體潤(rùn)滑劑與納米乳液優(yōu)化配比,可獲得較低的摩阻系數(shù),滿足以Sarvak層為目的層的水平井定向段與長(zhǎng)水平段鉆進(jìn)要求。
2) 強(qiáng)抑制高封堵乳液聚合物鉆井液具有良好的防塌抑制性,抗鹽、抗鈣和抗劣質(zhì)土污染能力,能避免巖屑床的形成和解決水平井“托壓”問題,為YD油田高滲灰?guī)r儲(chǔ)層水平井安全鉆井提供了保障。
3) 建議在YD油田后續(xù)以Sarvak層為目的層的水平井鉆井中推廣應(yīng)用強(qiáng)抑制高封堵乳液聚合鉆井液,并進(jìn)一步完善和提高高滲灰?guī)r儲(chǔ)層水平井鉆井液技術(shù)。
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[編輯 劉文臣]
KymeraTMFSR定向鉆井復(fù)合鉆頭
貝克休斯公司研發(fā)的KymeraTMFSR定向混合鉆頭,可在復(fù)雜的碳酸鹽巖地層定向鉆進(jìn)時(shí)保持快速、平滑、穩(wěn)定的性能。KymeraTMFSR鉆頭具有更高的鉆速、更長(zhǎng)的進(jìn)尺和更高的定向鉆進(jìn)精度,從而可以鉆進(jìn)更多產(chǎn)油層。
牙輪鉆頭通常以較慢的轉(zhuǎn)速和較低的扭矩鉆進(jìn),PDC鉆頭通常以大扭矩高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。KymeraTMFSR鉆頭通過獨(dú)特的混合設(shè)計(jì),很好地結(jié)合了PDC鉆頭和三牙輪鉆頭技術(shù)特點(diǎn),在碳酸鹽巖地層中的鉆進(jìn)性能優(yōu)于以上2種鉆頭。該鉆頭牙輪上的鉆齒更尖銳、攻擊性更強(qiáng),可輕松破碎地層; PDC切削齒可清除巖屑,有效清潔井眼。KymeraTMFSR鉆頭能夠以更快的速度鉆進(jìn),同時(shí)降低了扭矩波動(dòng),鉆進(jìn)中不僅降低了鉆頭和鉆柱的磨損,還增強(qiáng)了工具面控制能力。
在Permian、EagleFord和Williston盆地的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中, KymeraTMFSR鉆頭共試驗(yàn)應(yīng)用了51井次,平均鉆進(jìn)速率提高了80%,一次下鉆鉆達(dá)目的井深的成功率達(dá)到82%,減少了造斜段的起下鉆次數(shù)和非生產(chǎn)時(shí)間,降低了鉆井成本。
[供稿 許 穎]
Fluid Technology for Drilling Horizontal Wells in the High Permeability Carbonate Reservoir of the YD Oilfield
Wei Dianju1, Jin Junbin2, He Qingshui2
(1.No.4DrillingCompany,SinopecZhongyuanOilfieldServiceCorporation,Qingfeng,Henan, 457321,China; 2.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing, 100101,China)
During horizontal well drilling in high permeability carbonate reservoir of the YD Oilfield, many challenges were encountered, such as borehole instability, salt and gypsum contamination, lost circulation, poor hole cleaning, and high friction drag. In order to solve these problems, laboratory experiments have been done to optimize fluidity regulator, anti-salt filtrate reducer, complex lubricant formula and plugging materials, and then emulsion polymer drilling fluid with strong inhibition and good plugging property was developed. Moreover, drilling fluid maintenance technique for every formation with different geologic feature has been conducted. With the application of the developed drilling fluid, shale rolling recovery rate could get 88.2%, its linear expansion rate could get 18.2%, and 5.0% NaCl or 2.0% CaSO4or 30% drilling cuttings contamination could be resisted,which showed that the developed drilling fluid has strong anti-sloughing function and good resistance to contamination.The drilling fluids have been applied in three horizontal wells in the YD Oilfield, including Well S4, Well S5 and Well S16, and kept stable performance in drilling operation.Compared with 22 offset wells, the drilling duration of these three wells has been reduced by 5.2 d, 6.3 d and 7.8 d respectively, the leakage volume has been reduced by 12.5%, 8.4% and 13.2% respectively, and the resistance while RIH and POOH can be less than 150kN. The application results show that the developed drilling fluid can solve horizontal drilling problem in carbonate formations with high permeability, and can be used widely in the YD Oilfield in the future.
horizontal well; drilling fluid; carbonate reservoir; drilling fluid additives; drilling fluid performance; YD Oilfield
2015-02-20;改回日期:2015-04-27。
魏殿舉(1969—),男,河南清豐人,1988年畢業(yè)于中原石油學(xué)校鉆井專業(yè),2004年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)石油工程專業(yè),高級(jí)工程師,主要從事鉆井生產(chǎn)和技術(shù)管理工作。
國(guó)家科技重大專項(xiàng)“中東富油氣區(qū)復(fù)雜地層井筒關(guān)鍵技術(shù)”(編號(hào):2011ZX05031-004)和中國(guó)石化科技攻關(guān)項(xiàng)目“海外重點(diǎn)區(qū)塊復(fù)雜地層鉆完井關(guān)鍵技術(shù)研究”(編號(hào):P12077)部分成果。
?YD油田工程技術(shù)專題?
10.11911/syztjs.201503005
TE254
A
1001-0890(2015)03-0023-06
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