CN111963071A - 一种套管层次拓展的井身结构 - Google Patents

Abstract

本发明为一种套管层次拓展的井身结构，包括N开井层段，在第一开井层段至第N开井层段中分别下入有第一开套管至第N开套管，第M开井层段中具有复杂层段，其中，N为大于等于二的正整数，M为大于等于二小于等于N的正整数，在复杂层段的位置套设一膨胀管，膨胀管能够径向膨胀在复杂层段的井壁上，膨胀管膨胀后的内径大于第M开套管的外径，且小于第M‑1开套管的内径。膨胀管的上端位于复杂层段的上方，膨胀管的下端位于复杂层段的下方。本发明的井身结构，以膨胀管作为应急套管来拓展套管层次，在上部井身结构已定的情况下，既能封固易漏、易塌等复杂层段，以使井眼稳定，且钻井过程可控，又能保证下部留有足够井眼尺寸。

Description

一种套管层次拓展的井身结构

技术领域

本发明是关于石油钻探开发领域，尤其涉及一种套管层次拓展的井身结构，特别适用于水平井钻井过程中钻遇易漏、易塌等复杂多发地层的处理。

背景技术

在油气勘探开发领域水平井钻井过程中，一般会根据地层情况预先设计好钻井时的套管层次以及各钻头和各套管的尺寸，若该井的邻井存在复杂层段，在预先设计时还会参考邻井的复杂层段所在的位置，使得第某开套管能够封隔该复杂层段。例如，以图1和图2中示出的常规三开水平井的井身结构，预先设计时根据邻井的复杂层段位置预估该水平井的复杂层段07在井深位置2830m～2890m为例，预先设计的钻井方案为：

一开：使用Φ444.5mm的钻头钻至500m的井深位置，形成第一开井眼01，然后下Φ339.7mm的第一开套管04至500m的井深位置，第一开套管04水泥浆返至地面，封固易漏表层并安装井口装置；

二开：使用Φ311.2mm的钻头钻至2890m的井深位置(也即钻至预估的复杂层段07的位置底部)，形成第二开井眼02，然后下Φ244.5mm的第二开套管05至2890m的井深位置，第二开套管05水泥浆返至1673m井深位置，利用该第二开套管05预先希望能够封固复杂层段07；

三开：在二开时封固复杂层段07顺利的情况下，使用Φ216.0mm的钻头钻至最终井深，形成第三开井眼03，然后下Φ139.7mm的第三开套管06固井后完成。其中，上述的Φ339.7mm、Φ244.5mm和Φ139.7mm分别指对应套管的外径。

然而，由于油层埋藏深、岩体环境复杂等原因，在实际钻井过程中不可避免的会突然钻遇易塌、易漏等复杂层段07，或者实际的复杂层段07与邻井的复杂层段并不在同一个位置，使得预先设计的钻井方案并无法有效封隔复杂层段07，导致实钻时出现压力体系难以平衡，导致划眼困难、憋顶驱、憋泵，井壁连续垮塌等复杂事故，无法采用常规技术钻达目的层。例如，图1中示出的井身结构，在实钻过程中，在钻至三开位置时就遇阻，井壁垮塌，划眼困难。经分析三开2890～2950m的层段为低压易漏易垮的复杂层段07，上述预先设计的钻井方案将无法顺利钻至目的层。

针对上述情况，现有的技术是用不同直径的钻头钻进，并以不同尺寸的套管层层封固地层或利用注水泥塞的方法永久性封固复杂层段07，以确保向更深的地层钻进。但是，现有中的方法存在如下缺点，具体如下：

首先、对于以不同尺寸的套管层层封固的方法来说：

由于实际施工现场中实际配备的套管有限，一般主要配备预先设计的钻井方案中所涉及到的各套管，若想临时增加其他尺寸的套管基本都需要向其他场地调用，而且涉及更改套管层次的情况实际申报流程也较为复杂，整个调借和申报流程会耽误较多的时间。因此，为了尽量不影响工作进度，现有技术中会直接先利用Φ139.7mm的第三开套管06来封隔复杂层段07，且下入第三开套管06对复杂层段07封隔后进行固井的阶段需要一定的凝固周期，一般需要3天左右。由于原来的第三开套管06被占用，因此，还需要对原第三开井层段所需下入的套管进行重新设计并更改套管层次，利用凝固周期的此时间段可以向其他场地调用新设计的套管以及流程申报工作。

此种方式由于将预先设计方案中的第三开套管06作为封隔复杂层段07来用，这就把套管层次由原来的三开临时更改为了四开，还需要临时增加设计尺寸比第三开套管06尺寸小的第四开套管。

但是，随钻井深度的增加，套管层次的增多，一般要求最后一开留有足够的套管内径，如果井身结构中一开尺寸(即第一开井眼01的直径)既定，最终的井眼直径将会更小，这样可能导致无法钻至目的层，这种钻井深度与井眼尺寸的矛盾在深井钻井中显得尤为突出。即使钻至目的层，但由于井眼尺寸过小，无法满足油气井试油及后续修井等重入作业要求。另外，临时更改套管层次以及从别的施工场地调用第四开套管不仅会错失应对复杂层段07的最佳时机，影响工作效率，还会大大增加成本预算。而且利用水泥固井的方式对封隔复杂层段07的第三开套管06进行稳固，还容易出现固井质量不合格而导致封固效果不好的现象。

其次、对于利用注水泥塞封固的方法来说：

该种方式是通过打入水泥塞的方式来将复杂层段07回填，但此种方式在后续作业中由于钻柱的剧烈冲击震动和摩擦，所注水泥塞易发生破碎、掉块，从而使所注水泥塞失效。

因此，如何在上部井身结构(即上述例子中第一开套管04的直径和第二开套管05的直径)已定的情况下，既能封固复杂层段07，又能最大程度的保证最终开次套管(即第N开套管)的尺寸，成为目前亟需解决的问题。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种套管层次拓展的井身结构，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种套管层次拓展的井身结构，以膨胀管作为应急套管来拓展套管层次，在上部井身结构已定的情况下，既能封固易漏、易塌等复杂层段，以使井眼稳定，且钻井过程可控，又能保证下部留有足够井眼尺寸，以最大程度的保证最终开次套管尺寸。

本发明的目的是这样实现的，一种套管层次拓展的井身结构，包括N开井层段，在第一开井层段至第N开井层段中分别下入有第一开套管至第N开套管，第M开井层段中具有复杂层段，其中，N为大于等于二的正整数，M为大于等于二小于等于N的正整数，在复杂层段的位置套设一膨胀管，膨胀管能够径向膨胀在复杂层段的井壁上，膨胀管膨胀后的内径大于第M开套管的外径，且小于第M-1开套管的内径；膨胀管的上端位于复杂层段的上方，并能够径向膨胀在第M-1开套管的下端内壁上，膨胀管的下端位于复杂层段的下方。

在本发明的一较佳实施方式中，在膨胀管的上端外壁套设有多个第一密封环，各第一密封环能够紧贴在第M-1开套管的下端内壁上。

在本发明的一较佳实施方式中，各第一密封环沿膨胀管的轴线方向的长度均为0.35～0.4m，各第一密封环按照每4.5m均匀布置有8～10个第一密封环进行排布。

在本发明的一较佳实施方式中，在膨胀管的下部外壁套设有多个第二密封环，各第二密封环能够紧贴在复杂层段的内壁上。

在本发明的一较佳实施方式中，各第二密封环沿膨胀管的轴线方向的长度均为0.3～0.5m，各第二密封环按照每10m均匀布置有6～10个第二密封环进行排布。

在本发明的一较佳实施方式中，第一密封环和第二密封环均为橡胶密封环。

在本发明的一较佳实施方式中，膨胀管的上端外壁与第M-1开套管的下端内壁能够重叠的长度大于等于20m。

在本发明的一较佳实施方式中，复杂层段的上端距离第M-1开套管的下端之间的轴向长度大于等于0。

在本发明的一较佳实施方式中，复杂层段的下端距离第M-1开套管的下端之间的部分作为全封隔层段，全封隔层段的内壁均为修复井壁，且修复井壁的井径比第M开井层段的井眼直径大至少8mm。

在本发明的一较佳实施方式中，修复井壁的井径比第M开井层段的井眼直径大8～22mm部分的长度占全封隔层段的总长度的60％以上。

由上所述，本发明中的井身结构，利用膨胀管作为应急套管，能够在不牺牲原第M开井层段的井眼直径并保证下部留有足够井眼尺寸的基础上实现套管层次拓展，保证在原第M开井层段中仍能够按照原设计尺寸将第M开套管正常下入，有效解决钻井过程中钻遇易塌、易漏等复杂地层带来的井壁失稳问题。同时，利用膨胀管拓展套管层次的方式，解决了复杂处理过程中临时增下套管等方法中深部地层井眼尺寸过小的矛盾，减少了后续事故复杂的几率，提高了应对复杂风险的能力。另外，结合复杂地层压力和体系特征，下入膨胀管作为应急套管来封堵裸眼复杂井段，可大大缩短事故复杂处理周期，降低钻井成本，提高了钻井风险掌控的能力，保障施工安全。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为现有技术中常规三开水平井的井身结构的示意图。

图2：为图1中A处的结构放大图。

图3：为本发明提供的套管层次拓展的井身结构的示意图。

图4：为图3中B处的结构放大图。

图5：为本发明提供的套管层次拓展的井身结构的局部放大图。

附图标号说明：

现有技术：

01、第一开井眼；02、第二开井眼；03、第三开井眼；04、第一开套管；05、第二开套管；06、第三开套管；07、复杂层段。

本发明：

1、第一开井眼；2、第二开井眼；3、第三开井眼；4、第一开套管；5、第二开套管；6、第三开套管；7、复杂层段；8、膨胀管；91、第一密封环；92、第二密封环。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图3至图5所示，本实施例提供一种套管层次拓展的井身结构，包括N开井层段，在第一开井层段至第N开井层段中分别下入有第一开套管4至第N开套管，第M开井层段中具有复杂层段7，其中，N为大于等于二的正整数，M为大于等于二小于等于N的正整数。在复杂层段7的位置套设一膨胀管8，膨胀管8能够径向膨胀在复杂层段7的井壁上，膨胀管8膨胀后的内径大于第M开套管的外径，且小于第M-1开套管的内径。膨胀管8的上端位于复杂层段7的上方，并能够径向膨胀在第M-1开套管的下端内壁上，膨胀管8的下端位于复杂层段7的下方。

具体地，这里所说的复杂层段7是指易塌、易漏等复杂地层，且钻进后仍可以大致构成井眼的层段。一般第一开套管4称作表层套管，第二开套管5至第N-1开套管称作技术套管，第N开套管称作油层套管。对于上述的膨胀管8能够在打压后利用其内部的膨胀锥实现膨胀管8的径向膨胀，其具体结构和膨胀过程为现有技术，在此不再赘述。膨胀管8具体的尺寸选择根据套管与钻头的配套尺寸以及实际需要进行选择，本发明对此不进行限定。实际使用时，一般要求膨胀管8的通径大于第M开套管的外径。

一般在正常钻井时更换一个钻头的尺寸并更换一个套管的尺寸，就称作为一个开次。因此，在上述复杂层段7内下入膨胀管8，可以认为在原有N开次的基础上又增加了一个开次，更改为了N+1开次；也可以将其作为在第M-1开次的基础上进行了延伸，并将下入膨胀管8的位置作为第(M-1)′开次。也就是说，这里的N其实是指预先设计方案(即原设计)中的总开次，这里的M是指存在复杂层段7的位置所在的原设计的开次。例如，N等于五，复杂层段7位于第三开井层段时，原设计中共有五开，则在复杂层段7的位置下入膨胀管8，可以认为得到的新设计方案是更改变为六开，也可以将下入膨胀管8的位置作为第二′开次而仍将新方案看做是五开。为便于理解和说明，本实施例中将下入膨胀管8的位置作为第(M-1)′开次为例来进行说明。

由于第M开井层段中具有复杂层段7，在实钻至第M开次相应位置时将会遇阻，此时需要先分析复杂层段7对应的井深位置，然后在复杂层段7的位置下入膨胀管8，打压使得膨胀管8径向膨胀在复杂层段7的井壁上，且其上端位于复杂层段7的上方，并能够径向膨胀在第M-1开套管的下端内壁上，膨胀管8的下端位于复杂层段7的下方，以封隔该复杂层段7。由于膨胀管8膨胀后的内径大于第M开套管的外径，且小于第M-1开套管的内径，因此，能够保证下部留有足够井眼尺寸，并不会影响后续第M开套管的正常下入，在原第M开井层段中仍可以按照预先设计的第M开套管的尺寸下入，最大程度的保证了最终开次套管的尺寸，解决了现有技术中需要增加一层套管才能继续安全钻进的问题，避免了因增加一层套管而影响最终的井眼直径。

膨胀管8作为一种应急抢险工具，具有快速封隔复杂层段7、缩短事故复杂处理周期、作业流程简单、可靠性强等特点，避免了因增加一层套管需要去其他场地调用新的套管以及因更改了套管层次需要复杂的流程审批的过程，而且利用膨胀管8封隔复杂地层，膨胀管8并不需要注入水泥实现固井，大大提高了工作效率并节约了成本。

由此，本实施例中的井身结构，利用膨胀管8作为应急套管，能够在不牺牲原第M开井层段的井眼直径并保证下部留有足够井眼尺寸的基础上实现套管层次拓展，保证在原第M开井层段中仍能够按照原设计尺寸将第M开套管正常下入，有效解决钻井过程中钻遇易塌、易漏等复杂地层带来的井壁失稳问题。同时，利用膨胀管8拓展套管层次的方式，解决了复杂处理过程中临时增下套管等方法中深部地层井眼尺寸过小的矛盾，减少了后续事故复杂的几率，提高了应对复杂风险的能力。另外，结合复杂地层压力和体系特征，下入膨胀管8作为应急套管来封堵裸眼复杂井段，可大大缩短事故复杂处理周期，降低钻井成本，提高了钻井风险掌控的能力，保障施工安全。

需要说明的是，本实施例中的井身结构不仅可以适用于水平井钻井的井身结构，也可以适用于直井钻井的井身结构，整个井身结构中可能存在一处复杂层段7，也可能存在多处复杂层段7，均可以利用膨胀管8来封隔复杂层段7。当然，实际使用时，考虑到成本预算，一般在水平井钻井中应用更多。

在具体实现方式中，为了保证膨胀管8能够有效悬挂在复杂层段7的位置不会掉落，如图3和图5所示，在膨胀管8的上端外壁套设有多个第一密封环91，各第一密封环91能够紧贴在第M-1开套管的下端内壁上。在膨胀管8的下部外壁套设有多个第二密封环92，各第二密封环92能够紧贴在复杂层段7的内壁上。

一般为了保证密封效果，提高膨胀管8的承压能力，以保证膨胀管8的位置稳定，优选地，各第一密封环91沿膨胀管8的轴线方向的长度均为0.35～0.4m，各第一密封环91按照每4.5m均匀布置有8～10个第一密封环91进行排布。各第二密封环92沿膨胀管8的轴线方向的长度均为0.3～0.5m，各第二密封环92按照每10m均匀布置有6～10个第二密封环92进行排布。第一密封环91和第二密封环92均优选为橡胶密封环。具体第一密封环91和第二密封环92的个数以及排布方式根据需要而定，本发明对此不进行限定。

在实际应用中，为了进一步有效保证膨胀管8坐挂在第M-1开套管的下端内壁上的稳定性，膨胀管8的上端外壁与第M-1开套管的下端内壁能够重叠的长度大于等于20m。

这样，膨胀管8的上端与第M-1开套管的下端重叠部分较长，且设有第一密封环91能够与第M-1开套管的下端内壁紧密贴合以形成过盈配合，设有第二密封环92能够与复杂层段7的内壁紧密贴合以形成过盈配合，能够保证膨胀管8的牢固悬挂，进而有效封固复杂层段7并提高地层的承压能力。

进一步地，根据复杂层段7在第M开井层段的具体位置不同，复杂层段7的上端距离第M-1开套管的下端之间的轴向长度大于等于0。其中，当该轴向长度大于0时，上述的第二密封环92还能够紧贴在该轴向长度对应的井壁上。

具体实现过程中，由于复杂层段7的井壁并不光滑，为了保证膨胀管8能够有效径向膨胀在复杂层段7的井壁上，并保证各第二密封环92的密封效果，复杂层段7的下端距离第M-1开套管的下端之间的部分作为全封隔层段，全封隔层段的内壁均为修复井壁，且修复井壁的井径比第M开井层段的井眼直径大至少8mm。更优选地，修复井壁的井径比第M开井层段的井眼直径大8～22mm部分的长度占全封隔层段的总长度的60％以上。

其中，上述的修复井壁是指利用扩眼钻头对全封隔层段的井壁进行修复后形成的井壁，具体扩眼钻头的结构以及井壁的修复过程为现有技术，在此不再赘述。

进一步地，为了更好地对本实施例的方案有更清楚地理解，以下以背景技术中提到的例子，M等于N等于三，该井身结构为水平井钻井的井身结构为例，在背景技术中已经分析过，预先设计的常规三开水平井的井身结构在实钻过程中钻至三开位置遇阻，井壁垮塌，划眼困难。经分析三开2890～2950m层段为复杂层段7，利用常规钻完井方式无法顺利钻至目的层。本实施例中针对此种情况利用膨胀管8作为应急套管，在不牺牲原井眼直径并保证下部留有足够井眼尺寸的基础上实现套管层次拓展，具体施工方法如下：

(1)一开和二开的施工和原来一样，先形成第一开井眼1和第二开井眼2，然后分别下入第一开套管4和第二开套管5，具体参照前述背景技术部分的描述，在此不再赘述；

(2)二′开：在保留原一开Φ339.7mm的第一开套管4、原二开Φ244.5mm的第二开套管5的基础上，使用Φ194.0×11.0mm的膨胀管8(其中，Φ194.0mm是指膨胀管8膨胀前的管体外径，11.0mm是指膨胀管8的壁厚)作为应急套管，封隔2870m～2970m的复杂层段7；

详细来说，二′开在原Φ216.0mm的钻头所钻井眼基础上进行井眼准备，先利用扩眼钻头对全封隔层段(本实施例中复杂层段7的上端距离第二开套管5的下端之间的轴向长度等于0，因此该全封隔层段即为复杂层段7)的井壁进行修复，使得修复井壁至井径大于Φ225.0mm，且修复井壁的井径在Φ225.0mm～Φ235.0mm的部分长度占修复井壁的总长度60％以上；

利用通井规模拟通井后下膨胀管8至2970m井深位置，通过机械施压与高压液体共同施压的方法对膨胀管8进行径向打压膨胀，永久塑性膨胀后的膨胀管8的管体与第二开套管5重叠的长度为20m，膨胀后膨胀管8的管体内径为Φ194.0mm，管体外径为Φ216.0mm，管体通径为Φ191.0mm(管体通径是指膨胀管8膨胀后存在的最小内径)，承压达50MPa，并通过第一密封环91和第二密封环92分别与第二开套管5的下端内壁和复杂层段7的内壁形成过盈配合，封固复杂层段7并提高地层承压能力，密封压力在35MPa以上；

膨胀完成后，利用磨鞋对膨胀管8内附件进行磨铣；根据下步钻进需要对膨胀管8下部地层进行承压测试后，恢复下一开次钻进作业。

(3)三开：使用Φ190.5mm或者Φ165.1mm的钻头恢复钻进至目标井深，形成第三开井眼3，下入Φ139.7mm或者Φ127.0mm的第三开套管6(也即油层套管)至井深4586m完井，固井水泥浆返至2690m井深位置。其中，由于同一个尺寸的套管按照技术标准可以有多个尺寸相配套的钻头，因此，在实际使用时，可以按照与第三开套管6配套的各钻头尺寸以及实际情况来具体选择用哪个尺寸的钻头。

这样，本实施例中在原来二开的基础上又延伸一段，进行第二′开次，并在二′开的位置利用膨胀管8作为临时套管来拓展套管层次，此种利用膨胀管8实现常规套管层次拓展的方法，通过优化钻头尺寸并配合使用扩眼工具，解决了复杂处理过程中临时增下套管等方法中深部地层井眼尺寸过小的矛盾。通过加压配合扩眼工具进行扩眼作业修复已垮塌井壁，对复杂层段7专下膨胀管8，不仅能精准高效封隔复杂层段7，为各种钻井环境提供经济有效的应急方案，减少过早弃井的可能性，还能有效加固现有套管层次，更为下部地层钻进提供了强有力的技术保障。同时，保证下部留有充足井眼尺寸。此外，上述利用膨胀管8作为应急套管的水平井钻井套管层次拓展方法由于其易于施工且无需固井候凝等特点，可大大的缩所事故处理周期。

综上，当水平井钻井或者其他类型井钻井作业经常遇到需要临时封隔的复杂地层，这些地层在钻井中存在易漏、易塌、压力体系难以平衡等问题，导致无法采用常规技术钻达目的层的情况时，为了使井眼稳定，且钻井过程可控，可以利用实体膨胀管8封堵裸眼中的复杂层段7，解决需要增加一层套管才能继续安全钻进的工艺装置。此种方法能够在原有套管层次基础上拓展套管层次、获得新的井身结构时，能在不牺牲原第M开井层段的井眼直径并保证下部留有足够井眼尺寸的基础上，有效解决钻遇复杂层段7带来的井壁失稳问题。此外，上述套管层次拓展方法，能有效解决常规复杂处理方法中深部地层井眼尺寸过小的矛盾。同时，通过专下膨胀管8封堵裸眼复杂层段7，可大大缩短事故复杂处理周期，降低钻井成本。

以上仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种套管层次拓展的井身结构，包括N开井层段，在第一开井层段至第N开井层段中分别下入有第一开套管至第N开套管，第M开井层段中具有复杂层段，其中，N为大于等于二的正整数，M为大于等于二小于等于N的正整数，其特征在于，

在所述复杂层段的位置套设一膨胀管，所述膨胀管能够径向膨胀在所述复杂层段的井壁上，所述膨胀管膨胀后的内径大于第M开套管的外径，且小于第M-1开套管的内径；所述膨胀管的上端位于所述复杂层段的上方，并能够径向膨胀在第M-1开套管的下端内壁上，所述膨胀管的下端位于所述复杂层段的下方。

2.如权利要求1所述的套管层次拓展的井身结构，其特征在于，

在所述膨胀管的上端外壁套设有多个第一密封环，各所述第一密封环能够紧贴在所述第M-1开套管的下端内壁上。

3.如权利要求2所述的套管层次拓展的井身结构，其特征在于，

各所述第一密封环沿所述膨胀管的轴线方向的长度均为0.35～0.4m，各所述第一密封环按照每4.5m均匀布置有8～10个所述第一密封环进行排布。

4.如权利要求2所述的套管层次拓展的井身结构，其特征在于，

在所述膨胀管的下部外壁套设有多个第二密封环，各所述第二密封环能够紧贴在所述复杂层段的内壁上。

5.如权利要求4所述的套管层次拓展的井身结构，其特征在于，

各所述第二密封环沿所述膨胀管的轴线方向的长度均为0.3～0.5m，各所述第二密封环按照每10m均匀布置有6～10个所述第二密封环进行排布。

6.如权利要求4所述的套管层次拓展的井身结构，其特征在于，

所述第一密封环和所述第二密封环均为橡胶密封环。

7.如权利要求4所述的套管层次拓展的井身结构，其特征在于，

所述膨胀管的上端外壁与所述第M-1开套管的下端内壁能够重叠的长度大于等于20m。

8.如权利要求1所述的套管层次拓展的井身结构，其特征在于，

所述复杂层段的上端距离所述第M-1开套管的下端之间的轴向长度大于等于0。

9.如权利要求8所述的套管层次拓展的井身结构，其特征在于，

所述复杂层段的下端距离所述第M-1开套管的下端之间的部分作为全封隔层段，所述全封隔层段的内壁均为修复井壁，且所述修复井壁的井径比所述第M开井层段的井眼直径大至少8mm。

10.如权利要求9所述的套管层次拓展的井身结构，其特征在于，

所述修复井壁的井径比所述第M开井层段的井眼直径大8～22mm部分的长度占所述全封隔层段的总长度的60％以上。

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