第一篇:智能化鉆機(jī)——鉆桿自動(dòng)運(yùn)移系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀
鉆桿自動(dòng)排放運(yùn)移裝置的研究現(xiàn)狀
摘要:自動(dòng)鉆桿排放運(yùn)移裝置用自動(dòng)化的機(jī)械裝備代替了人工操作,實(shí)現(xiàn)了人與鉆桿的分離和鉆桿的自動(dòng)化排放運(yùn)移。自動(dòng)鉆桿排放運(yùn)移裝置降低了井臺(tái)操作風(fēng)險(xiǎn),減少了起下鉆時(shí)間,使得鉆進(jìn)效率大幅提升,目前在海洋鉆井平臺(tái)已廣泛應(yīng)用。介紹了國(guó)內(nèi)外的鉆桿自動(dòng)排放運(yùn)移裝置的研究現(xiàn)狀,并分析了其優(yōu)缺點(diǎn),并對(duì)國(guó)外現(xiàn)有的自動(dòng)排放運(yùn)移裝置進(jìn)行了系統(tǒng)分類。
關(guān)鍵詞:鉆桿自動(dòng)運(yùn)移裝置;陸地鉆機(jī);鉆桿排放系統(tǒng);自動(dòng)化鉆井
Research status of Automatic handling and transport
system device of drill pipe
ABSTRACT Automatic handling and transport system device of drill pipe use automation machinery and equipment to achieve the separation of people and the drill pipe and the automatic drill pipe.Automatic handling and transport system device of drill pipe reduce the well operation risk, and reduce the tripping time, make the drilling efficiency increases.Nowadays, this system has been widely applied to offshore drilling platform.The paper introduces the research status of Automatic handling and transport system device of drill pipe at home and abroad.Their advantages and disadvantages are analyzed.The paper includes the system classification of the automatic handling and transport system device of drill pipe in the existing.Keywords: Automatic handling and transport system device of drill pipe;Land Drilling Rigs;Drill Pipe Handling System;Auto Drilling
1、前言:
上天、入地、下海、登極,被稱為人類征服自然的四大夢(mèng)想。從本世紀(jì)初,人類對(duì)太空、海洋和極地的了解已達(dá)到了一定的高度,但對(duì)于人類賴以生存的地球卻知之甚少,在入地的探索中更是舉步維艱。獲取地球深部的信息最直接、最有效的就是科學(xué)鉆探。
自動(dòng)化鉆井是 21 世紀(jì)鉆井技術(shù)的主要發(fā)展方向[1-2],鉆具處理系統(tǒng)是其需要解決的關(guān)鍵問題。據(jù)統(tǒng)計(jì),在鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中起鉆、下鉆和鉆具處理所用時(shí)間占鉆井全部時(shí)間的 1 /3 以上。目前,分布在我國(guó)陸地上的鉆機(jī)仍采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)單根鉆井技術(shù),鉆井作業(yè)時(shí)人工操作鉆具往返于地面排放架和鉆臺(tái)之間,危險(xiǎn)系數(shù)大、工作效率低,勞動(dòng)成本高,鉆井周期長(zhǎng)[26-35]。
目前自動(dòng)化鉆井生產(chǎn)中,現(xiàn)代鉆機(jī)的進(jìn)步離不開自動(dòng)化,整體而言,現(xiàn)代鉆機(jī)在技術(shù)方面比以往任何時(shí)候都更為先進(jìn)。通過廣泛采用交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)、電子司鉆、PLC 控制系統(tǒng)、頂驅(qū)裝置、鐵鉆工等先進(jìn)設(shè)備,現(xiàn)代鉆機(jī)不再過多的依賴于手工操作和低效率不精確的機(jī)械化系統(tǒng)。先進(jìn)的頂驅(qū)裝置使鉆機(jī)能夠在起鉆時(shí)進(jìn)行倒劃眼作業(yè),從而更適合于鉆較長(zhǎng)的水平井段和大位移井。鐵鉆工是最先進(jìn)的扭矩旋扣設(shè)備,它可以在司鉆的控制下自動(dòng)完成鉆桿、套管等鉆具的旋扣連接工作,提高生產(chǎn)效率和安全性,是現(xiàn)代化鉆井中重要的自動(dòng)化設(shè)備之一[3-6]。在鉆井工作中,傳統(tǒng)的鉆桿排放操作方式需要工作人員與鉆桿直接接觸,在下鉆工程中司鉆、井臺(tái)鉆工、井架工要手動(dòng)密切配合,稍有不慎便可能造成事故。特別是井梁與井口之間傳送鉆桿立根時(shí),需要二層臺(tái)上的井架工直接用手拆移立根,存在風(fēng)險(xiǎn)性比較大,此外鉆井工作環(huán)境惡劣,因此鉆井安全生產(chǎn)問題顯得更為突出。為了降低傳統(tǒng)的鉆井工作需要的工人勞動(dòng)強(qiáng)度,減少井口作業(yè)人數(shù),提高工作效率,減輕安全隱患,因此自動(dòng)排桿系統(tǒng)的研制開發(fā)勢(shì)在必行,也是自動(dòng)化鉆井未來發(fā)展的必然趨勢(shì)[22-25]。
目前,鉆桿自動(dòng)運(yùn)移裝置的研究大都是針對(duì)石油鉆井展開的,取心鉆井同樣面臨著與石油鉆井類似的問題,急需研制出穩(wěn)定可靠的鉆桿自動(dòng)運(yùn)移裝置以降低鉆井工人的勞動(dòng)量和減少鉆井工人作業(yè)時(shí)所面臨的風(fēng)險(xiǎn)。下面就對(duì)石油鉆井的鉆桿自動(dòng)運(yùn)移裝置及鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)作以綜述,力求為取心鉆井的鉆桿運(yùn)移裝置和自動(dòng)排放系統(tǒng)提供相關(guān)借鑒[36-45]。
2、國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀: 2、1國(guó)內(nèi)相關(guān)研究現(xiàn)狀
鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)在國(guó)外有較長(zhǎng)的研究和應(yīng)用歷史,逐漸形成系列化,模塊化,然 而在國(guó)內(nèi)對(duì)該系統(tǒng)的研究卻十分少,仍然處于剛剛起步階段。世紀(jì)九十年代,中原引進(jìn)的2000 m液壓鉆機(jī)中,使用了液壓鉆桿舉升裝置[17]。2001 年,蘭石廠自行研制的6000 m電驅(qū)動(dòng)沙漠鉆機(jī),采用了鉆桿排放系統(tǒng)。2004 年,中國(guó)石油物質(zhì)裝備公司引進(jìn) SR250E 型自動(dòng)鉆桿排放系統(tǒng),適用于陸地鉆機(jī)、固定平臺(tái)以及自升式鉆井平臺(tái)。
2006 年,大連船舶重工為中海油服建造的自升式鉆井平臺(tái)的“海洋石油 941”,其上配備了 Varco 公司 HR(Hydra Racker)管柱排放系統(tǒng),以及折臂起重機(jī)、鉆桿輸送機(jī)、鐵鉆工等。該鉆桿自動(dòng)處理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)平臺(tái)上鉆桿的起、運(yùn)、卸、排等一系列操作,明顯的提高了工作安全性以及降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度[18]。
2006 年,中國(guó)石油大學(xué)的張寶增設(shè)計(jì)出一種新型管柱起下裝置[19]。
2007 年,南陽二機(jī)石油裝備有限公司生產(chǎn)的液壓動(dòng)力貓道,能實(shí)現(xiàn)鉆桿低位排放、鉆桿送入鉆臺(tái)等功能[20]。
2008 年,上海三高石油設(shè)備有限公司針對(duì)陸地鉆機(jī),設(shè)計(jì)出一種輕型桅桿式鉆桿排放裝置[21]。
2008 年,中油遼河寶石石油裝備有限公司對(duì)其設(shè)計(jì)的陸地鉆機(jī)的自動(dòng)化貓道申請(qǐng)了專利。
2011 年,首次中國(guó)自主設(shè)計(jì)、建造的第六代 3000m 深水半潛式鉆井平臺(tái)“海洋石油 981”,代表了當(dāng)今世界海洋石油鉆井技術(shù)的最高水平,其上配備了 HR 柱形排放系統(tǒng)以及一系列鉆桿傳送系統(tǒng)。
2011 年,中國(guó)石油大學(xué)(華東)的牛文杰研制出一種陸地鉆具自動(dòng)運(yùn)移裝置,主要可以實(shí)現(xiàn)鉆具在擺放架放置和鉆井平臺(tái)間的自動(dòng)運(yùn)移[7]。
2011年,蘭州理工大學(xué)的張洪生設(shè)計(jì)了出了一種陸地鉆機(jī)桅桿式鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng),該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)鉆桿在擺放架和井口之間的運(yùn)移,能夠和其他裝置配合完成鉆桿的連接操作[10]。
2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀
國(guó)際鉆井市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈,國(guó)際知名的鉆井承包商擁有先進(jìn)的鉆井技術(shù),優(yōu)良的鉆井裝備,占有巨大的市場(chǎng)份額,因此要想在國(guó)際石油鉆井市場(chǎng)中占有一席之地,不僅要有大量的技術(shù)人才和先進(jìn)的鉆井技術(shù),石油裝備也是決定是否快速進(jìn)入國(guó)際鉆井市場(chǎng)的先決條件;作為石油鉆井裝備的核心-石油鉆機(jī),是在國(guó)際鉆井招標(biāo)中能否獲勝的重要因素,因此進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的石油鉆機(jī)必須具有先進(jìn)的技術(shù)和可靠的性能,滿足國(guó)外石油鉆井市場(chǎng)的要求[16-20]。世紀(jì) 40 年代,國(guó)外開展了鉆桿排放系統(tǒng)機(jī)械化方法的研究[8]。60 年代,自動(dòng)化程度較高的鉆桿排放系統(tǒng)開始投入商業(yè)應(yīng)用。到了 80 年代,鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)趨于成熟,產(chǎn)品也呈現(xiàn)出多樣化和系列化的發(fā)展態(tài)勢(shì)[9]。下面介紹幾種國(guó)外生產(chǎn)的比較先進(jìn)的自動(dòng)化鉆機(jī)。2.2.1.輕型自動(dòng)化鉆井系統(tǒng)[11]
英國(guó)石油公司與 Phonex Alaska Technology 公司共同研制了一種輕型自動(dòng)化鉆井系統(tǒng)(LADS)。這種應(yīng)用 3D CAD 軟件設(shè)計(jì)的鉆井系統(tǒng)不僅質(zhì)量輕(不到同等鉆深能力常規(guī)鉆機(jī)質(zhì)量的一半),而且具有度靈活性,能適應(yīng)惡劣路況搬遷和在狹窄井場(chǎng)進(jìn)行鉆井作業(yè)。另外,由于采用自動(dòng)化管理,整個(gè)系統(tǒng)可通過計(jì)算機(jī)控制站完成所有鉆進(jìn)、起下鉆和鉆桿排放等作業(yè)。
(1)LADS 的結(jié)構(gòu)[12]
鉆井模塊主要由井架底座、桅桿式井架、鉆井設(shè)備和相應(yīng)的拖車組成。整個(gè)模塊安裝在 160 個(gè)由液壓控制轉(zhuǎn)向的充氣輪胎上;固控模塊包括所有的固控設(shè)備和 6 個(gè)敞蓬不銹鋼鉆井液罐;井底組合(BHA)模塊安置在鉆井模塊拖車旁,用于存放、組裝并操作 BHA。動(dòng)力模塊由發(fā)電機(jī)組、水力發(fā)電機(jī)組和高級(jí)電能控制室組成;泵模塊由 3 臺(tái)鉆井泵、混合漏斗、水泥攪拌器等組成;大型儲(chǔ)罐模塊由 6個(gè)頂部密封的不銹鋼儲(chǔ)罐和離心泵組成。除了鉆井模塊拖車之外。上述其它模塊都裝載在 4 套由履帶車改裝的軌道裝置上。LADS 的管材處理系統(tǒng)堪稱一套集成硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)的每個(gè)工作單元都能同相鄰的工作單元密切配合,盡可能高效地完成每個(gè)作業(yè)周期的管材處理任務(wù)。
鉆機(jī)還包括以下 3 個(gè)主要系統(tǒng): ①移動(dòng)系統(tǒng)。除鉆機(jī)模塊拖車外,其它所有的模塊都安裝 4 組 Caterpillar專用履帶上。履帶系統(tǒng)采用重型鋼化橡膠帶,裝在 2 套雙氣動(dòng)輪的外部,載荷通過載重輪傳遞到履帶與地面的接觸面上。
②管子處理系統(tǒng)。管子處理系統(tǒng)是一個(gè)綜合系統(tǒng),能高效率地處理 8.5~13.7m 直徑 73.0~339.7mm 的管材。其 6 個(gè)主要設(shè)備包括管材自動(dòng)裝拆裝置、管材傳送裝置、管材吊臂、鐵鉆工、帶有自動(dòng)吊卡的頂驅(qū)系統(tǒng)和自動(dòng)卡瓦等。
③自動(dòng)控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)(ACS)是這種鉆機(jī)中技術(shù)要求最高的部分,該系統(tǒng)控制鉆機(jī)設(shè)備的運(yùn)行,并自動(dòng)完成管子處理操作。通過自動(dòng)控制系統(tǒng),司鉆可以通過一個(gè)操作椅對(duì)整部鉆機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行控制。用于控制管臂及綜合管子操作系統(tǒng)程序的軟件是專門為 ACS 設(shè)計(jì)的。該鉆機(jī)的自動(dòng)化程度很高,在投入運(yùn)行和排除故障過程中,所有的例行程序操作都全部自動(dòng)地同步進(jìn)行。
(2)LADS 的優(yōu)點(diǎn)[13]
經(jīng)過幾年的研究開發(fā),生產(chǎn)出的輕型自動(dòng)鉆機(jī)系統(tǒng)(LADS)為阿拉斯加北坡井提供了更好的鉆機(jī)。與常規(guī)鉆機(jī)相比,LADS 具有以下優(yōu)點(diǎn):
①自動(dòng)化程度高,能為使用者提供一個(gè)更安全、更清潔的工作環(huán)境; ②設(shè)計(jì)緊湊,占地面積小,能適用于窄小的井場(chǎng)。LADS 通過一個(gè)操作員工作椅可控制鉆機(jī)的所有功能。其常規(guī)功能軟件由現(xiàn)有軟件模塊改編而成,用于控制管材吊臂和集成式管材處理程序的軟件是根據(jù)用戶提出的應(yīng)用要求而編制的。通過使用過程中軟件系統(tǒng)的測(cè)試和修改,鉆機(jī)的自動(dòng)化程度將不斷提高。
2.2.2德國(guó) Bentec 公司研制的自動(dòng)化鉆機(jī)[14] 德國(guó) Bentec 公司經(jīng)過 2 年的設(shè)計(jì)、策劃和制造,為挪威 Norsk Hydro 公司建成 1 座名為 Oseberg Sor 的平臺(tái),安裝在北海挪威區(qū)塊 Oseberg 油田中心以南13km 的 101m 深水處。這座平臺(tái)重 14000t,由 1 個(gè) 125m 高的鋼導(dǎo)管架支撐。這套鉆機(jī)自動(dòng)化程度高,所用鉆工比標(biāo)準(zhǔn)鉆機(jī)少 20%,鉆臺(tái)上配備有動(dòng)力卡瓦、鼠洞卡盤、鐵鉆工、轉(zhuǎn)盤、振動(dòng)篩、鉆井液制備裝置、鉆機(jī)升降系統(tǒng)、液缸、人貨電梯、防噴器和中央水力活塞泵等。鉆機(jī)自動(dòng)完成水平和垂直方向鉆桿移送,移送過程受密閉鉆井控制室遙控。從鉆井控制室可看到整個(gè)鉆臺(tái)面和井架,室內(nèi)的所有主要控制裝置都裝在兩椅的臂上,還配有閉路電視監(jiān)測(cè)和控制裝置,有 3 臺(tái) 500m 監(jiān)測(cè)器。所有鉆井作業(yè)都由現(xiàn)代鉆井控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DCDA)來控制和管理。鉆桿移放工序用可編程邏輯控制器(PLC)編程,由控制室發(fā)出指令便可執(zhí)行。軟件控制著裝有井架的鉆井設(shè)備,保證鉆井和起下鉆作業(yè)能在高速狀態(tài)下進(jìn)行而無設(shè)備碰撞危險(xiǎn),還可邊鉆邊給立根上扣。高、低壓隔水管和套管的移放也由控制室遙控,只是套管接頭用自動(dòng)膠帶輸送到鉆臺(tái)面上。重型工具、短節(jié)、井下馬達(dá)和鉆頭等使用提升工具和鐵鉆工移送,無需手工操作。
2.2.3 RAD 自動(dòng)化鉆機(jī)[15]
英國(guó)的 strachan and henshaw 公司生產(chǎn)的 RAD 鉆機(jī)是一種輕型的深井海洋鉆機(jī),鉆深能力已達(dá)到 6100m,載重為 650t。自動(dòng)化鉆機(jī)的井架能夠進(jìn)行所有正常鉆井操作 ,特別是能夠用天車施力。其最大設(shè)計(jì)載荷為 4412199kN,包括升降機(jī)、水龍頭和游梁,還有絞車和死繩固定裝置的載荷。井架的高度為 35105m(115 英尺),足夠用來處理套管和鉆桿的起下鉆工作。
(1)升降機(jī)
自動(dòng)化鉆的升降機(jī)是用來處理輕載荷的鉆柱和鉆鋌組合的,正常鉆井中,它能處理Φ88.9mm(31/2 英寸)和Φ127mm(5 英寸)的鉆桿和Φ165.1、203.2、241.3mm(61/2、8、91/2 英寸)的鉆鋌,以及完井工作。對(duì)于其他管柱和重物,使用標(biāo)準(zhǔn)的套管升降機(jī)。升降機(jī)由一個(gè)固體的外殼懸掛于動(dòng)力水龍頭連接。里面有 8個(gè)鍵由 2 個(gè)液缸驅(qū)動(dòng)。為了處理鉆桿錐形表面和鉆鋌的方肩,鍵具有一個(gè)可伸縮的表面。在使用之前鍵的選擇是自動(dòng)的,使用程序化邏輯控制器來控制。起重機(jī)的下部是一個(gè)鐘型套用來進(jìn)行鉆桿和起重機(jī)的導(dǎo)向和對(duì)正。
(2)鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)
mRAD 自動(dòng)化鉆機(jī)的鉆桿處理系統(tǒng),整體在程序化邏輯控制器的控制之下,包括 2 個(gè)連通的子系統(tǒng)。鉆桿處理和儲(chǔ)存系統(tǒng)使用 1 或 2 個(gè)拖架處理鉆桿架,升降的移動(dòng)由裝載在起升結(jié)構(gòu)頂部的鉆桿架來完成。它能夠處理穩(wěn)定器、無磁鉆鋌、震擊器和轉(zhuǎn)向裝置。由于設(shè)計(jì)了靈活的爪子和鉆桿架系統(tǒng),能夠進(jìn)行鉆桿架和爪子的定位,并將鉆桿移運(yùn)到井架上。轉(zhuǎn)臺(tái)被安裝在大直徑的無摩擦的軸承上,使起重臂能夠旋轉(zhuǎn) 180°。該移動(dòng)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行定量控制。2 個(gè)爪子可以在起重臂上獨(dú)立移動(dòng),由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。每一個(gè)爪子的位置由與液壓馬達(dá)相連的編碼器感知,以爪子移動(dòng)的長(zhǎng)度來適應(yīng)不同的管柱尺寸和位置。自動(dòng)化鉆機(jī)爪子的移動(dòng)完全由慢速液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。
(3)操作系統(tǒng)
操作臺(tái)由簡(jiǎn)單的按鈕和指示器操作。在控制臺(tái)上選擇自動(dòng)模式,司鉆使自動(dòng)化鉆機(jī)準(zhǔn)備好自動(dòng)化控制。在個(gè)人計(jì)算機(jī)上選擇管柱,并由計(jì)算機(jī)監(jiān)控其移動(dòng)和操作。由計(jì)算機(jī)確定起重機(jī)爪子的位置,根據(jù)鉆桿的類型和長(zhǎng)度,編碼器確保爪子到達(dá)適當(dāng)位置時(shí)減慢速度。鉆桿架的移動(dòng)位置也由編碼器確定。大鉗由螺線管閥和主開關(guān)來控制,脈沖編碼器可確保爪子卡在正確的位置,以及在特定管柱的相應(yīng)直徑處閉合。
總之,該自動(dòng)化鉆機(jī)使用了自動(dòng)化技術(shù)及安全可控的方式,節(jié)省了人力,并且在未來的自動(dòng)化鉆井中繼續(xù)保持其優(yōu)勢(shì)。
2.2.4 NOV 公司的鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)[16]
根據(jù)使用形式不同,NOV 公司的鉆桿排放系統(tǒng)分為水平型、垂直型、水平垂直混合型 3 種。水平型鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)開發(fā)最早,也最為成熟,居世界領(lǐng)先地位。產(chǎn)品從簡(jiǎn)單的帶式運(yùn)輸機(jī)到半自動(dòng)化的鉆桿排放吊,實(shí)現(xiàn)多樣化,滿足現(xiàn)場(chǎng)無人操作、遠(yuǎn)程監(jiān)控的使用要求。
垂直型鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)包括柱狀排放臂、多用途機(jī)械手、套管扶正裝置和單臂雙臂機(jī)械手 4 大類,結(jié)構(gòu)分為 X-Y 軸雙臂、星狀排放臂和平行排放臂 3種型式,控制方式從最簡(jiǎn)單的人工操作到機(jī)器人半自動(dòng)化操作。
水平-垂直混合型鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)為進(jìn)一步提高鉆桿裝卸的安全性和工作效率,基于上述 2 種類型,又推出了水平2 垂直混合型鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)。該系統(tǒng)可全方位地適應(yīng)管狀類鉆具的排放需求,并結(jié)合整體鉆井作業(yè)方法,改造海洋鉆井平臺(tái) 2 鉆井船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提高設(shè)備的使用效能和鉆井作業(yè)速度。該系統(tǒng)分為 Stand Hand II、PLS—
3、PLS—5 和 V—DoorMachine 4 種類型。Stand HandII 型適合的最大套管直徑為 273mm,后 3 種適合的最大套管直徑均為 559mm。
3、結(jié)論:
鉆井作業(yè)過程中需要對(duì)鉆桿、套管等管具進(jìn)行大量的起下、排放作業(yè),尤其是在起下鉆作業(yè)過程中,需要多次重復(fù)對(duì)鉆桿進(jìn)行排放運(yùn)移作業(yè)。這些排放運(yùn)移作業(yè)不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、枯燥乏味,而且耗費(fèi)大量的時(shí)間、存在較大安全隱患。為減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、降低操作風(fēng)險(xiǎn)和提高操作安全,研制鉆桿排放運(yùn)移系統(tǒng)勢(shì)在必行[46-51]。本文介紹了國(guó)內(nèi)外的鉆桿自動(dòng)排放運(yùn)移裝置的研究現(xiàn)狀,并分析了其優(yōu)缺點(diǎn),并對(duì)國(guó)外現(xiàn)有的自動(dòng)排放運(yùn)移裝置進(jìn)行了系統(tǒng)分類。
參考文獻(xiàn)
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