CN115639344A - 一种多因素耦合模拟二氧化碳驱替地层深部热卤水试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多因素耦合模拟二氧化碳驱替地层深部热卤水试验系统，包括驱替模拟装置、进气装置和进液装置，进气装置通过进气管路与驱替模拟装置连通，且进液装置通过进液管路与驱替模拟装置连通。本发明的有益效果是结构简单，设计合理，提供一种利用于二氧化碳驱替地层深部热卤水工程的耦合应力场、温度场、地层物理化学作用等因素的试验装置，用于工程中注入效率、驱替效率、排卤量、封存安全性的研究，为实际工程提供有效可靠的试验参照。

Description

一种多因素耦合模拟二氧化碳驱替地层深部热卤水试验系统

技术领域

本发明涉及环境工程技术领域，具体涉及一种多因素耦合模拟二氧化碳驱替地层深部热卤水试验系统。

背景技术

我国宣布2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标，其中，二氧化碳捕集、利用、封存即CCUS为实现该目标的重要方法，用于二氧化碳地质封存的场所有地下油气田、深部热卤水层、页岩层等。将二氧化碳注入地层深部热卤水层以驱替地层深部热卤水，同时将二氧化碳封存于地层深部热卤水层是实现碳达峰、碳中和的重要方法之一。

地层深部热卤水具有广泛的利用价值。首先热能不同于传统的石油、天然气能源，其生产与利用的过程中不会产生环境有害气体；再者，热能相较于太阳能、风能具有稳定性，利用时可靠性高；最后，随着科技发展，原盐需求量持续上涨，盐水资源的合理开发利用十分重要。地层深部热卤水广泛分布于我国西南、西北、中南、华北等地区，总资源量大，使得二氧化碳驱替地层深部热卤水的试验研究至关重要。

目前二氧化碳驱替地层深部热卤水的方法为：将二氧化碳由注入井注入地层深部热卤水层，驱替地层深部热卤水，高热卤水由抽采井采出，经气液分离后，二氧化碳回注地层循环驱替。

二氧化碳驱替地层深部热卤水尚未得到广泛运用，因为其仍然存在许多问题需要研究与解决。在地应力、二氧化碳-卤水-地层相互反应等因素耦合作用下，深部热卤水层的稳定性、地球物理化学性质等将随时间而产生变化。因此，多因素耦合下的深部热卤水层稳定性研究对保障二氧化碳驱替与封存、地层深部热卤水的开采具有重要的理论意义和工程价值。

地层深部热卤水层受初始应力场、初始温度场作用；二氧化碳的温度、压力、相态对驱替效率有着一定影响；同时，在二氧化碳注入过程中，因卤水具有一定浓度，注入过程中可能产生大量盐沉淀现象，从而影响后续注入、驱替工程的进行；在驱替、封存过程中，二氧化碳-卤水-地层相互反应对地层地球物理化学性质产生影响，地层孔隙度、渗透率等性质发生变化，可能导致驱替效率降低、封存安全性降低，造成不良的工程效应。

为探究二氧化碳驱替地层深部热卤水工程的注入效率、驱替效率、封存安全性等，进行软件模拟为目前常用手段，而室内多因素耦合试验研究还鲜有报道，存在技术空缺。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多因素耦合模拟二氧化碳驱替地层深部热卤水试验系统，旨在解决现有技术中的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种多因素耦合模拟二氧化碳驱替地层深部热卤水试验系统，包括驱替模拟装置、进气装置和进液装置，所述进气装置通过进气管路与所述驱替模拟装置连通，且所述进液装置通过进液管路与所述驱替模拟装置连通。

本发明的有益效果是：试验时，首先，通过本领域技术人员所能想到的方式将岩样置于驱替模拟装置内；然后，通过进液装置将卤水送至驱替模拟装置内，使得卤水浸入岩样内以模拟地层中卤水的分布情况；最后，通过进气装置将气体送入驱替模拟装置内，以模拟工程中二氧化碳的注入情况，并利用二氧化碳驱替岩样中的卤水以模拟工程中卤水注入的实际过程，以探究其注入效率、驱替效率、排卤量、封存安全性等。

本发明结构简单，设计合理，提供一种利用于二氧化碳驱替地层深部热卤水工程的耦合应力场、温度场、地层物理化学作用等因素的试验装置，用于工程中注入效率、驱替效率、排卤量、封存安全性的研究，为实际工程提供有效可靠的试验参照。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，还包括气液分离装置、集气室和集液室，所述气液分离装置通过管路与所述驱替模拟装置连通；所述集气室通过集气管路与所述气液分离装置的顶部连通，所述集气管路上固定安装有集气阀门；所述集液室通过集液管路与所述气液分离装置的底部连通，所述集液管路上固定安装有集液阀门。

采用上述进一步方案的有益效果是试验时，二氧化碳驱替岩样中的卤水形成的气液混合物进入气液分离装置内进行分离作业，分离出的二氧化碳收集于集气室内，分离出的液体收集于集液室内，实现气体和液体的分类收集，节约资源。

进一步，所述集气室通过回收管路与所述进气装置连通，所述回收管路上固定安装有回收阀门。

采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，设计合理，收集于集气室内的二氧化碳通过回收管路可重新进入进气装置内，实现二氧化碳的重新利用，节约资源，降低成本。

进一步，还包括集固室，所述集固室通过集固管路与所述气液分离装置的底部连通，且所述集固管路上固定安装有集固阀门。

采用上述进一步方案的有益效果是试验时，岩样中的部分固体会随着二氧化碳和卤水进入气液分离装置内，利用集固室回收沉积于气液分离装置底部的固体，回收方便。

进一步，所述进气装置包括至少一个气罐，所述气罐的顶部通过所述进气管路与所述驱替模拟装置连通。

采用上述进一步方案的有益效果是试验时，通过气罐储存二氧化碳，二氧化碳通过进气管路进入驱替模拟装置，试验方便。

进一步，所述进气装置还包括调节器一、压力表一、流量计一和温度计一，所述调节器一、所述压力表一、所述流量计一和所述温度计一沿气体流动的方向依次间隔固定安装在所述进气管路上。

采用上述进一步方案的有益效果是试验时，通过调节器一调节气体的温度和压强，并通过压力表一、流量计一和温度计一分别实时监测气体的压力、流量以及温度等，精确控制，提高试验的精确度。

进一步，所述进液装置包括卤水箱，所述卤水箱通过所述进液管路与所述驱替模拟装置连通，所述进液管路上固定安装有水泵。

采用上述进一步方案的有益效果是试验时，通过卤水箱储存卤水，并可通过水泵将卤水箱内的卤水送至驱替模拟装置内，实现卤水的自动输送，自动化程度高，省时省力。

进一步，所述进液装置还包括调节器二、压力表二、流量计二和温度计二，所述水泵、所述调节器二、所述压力表二、所述流量计二和所述温度计二沿液体流动的方向依次间隔固定安装在所述进液管路上。

采用上述进一步方案的有益效果是试验时，通过调节器二调节卤水的温度和压强，并通过压力表二、流量计二和温度计二分别实时监测卤水的压力、流量以及温度等，精确控制，提高试验的精确度。

进一步，所述驱替模拟装置包括样品室，所述进气装置通过所述进气管路与所述样品室连通，且所述进液装置通过所述进液管路与所述样品室连通。

采用上述进一步方案的有益效果是试验时，通过样品室放置岩样并模拟地层情形，方便试验。

进一步，所述驱替模拟装置还包括电动缸，所述电动缸固定安装在所述样品室的顶部，其伸缩端竖直向下穿过所述样品室的顶部延伸至所述样品室内。

采用上述进一步方案的有益效果是试验时，通过电动缸伸缩下压岩样，以模拟真实的地层压力情况，提高试验的精确度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、气液分离装置；2、集气室；3、集液室；4、集气阀门；5、集液阀门；6、回收管路；7、回收阀门；8、集固室；9、集固阀门；10、气罐；11、调节器一；12、压力表一；13、流量计一；14、温度计一；15、卤水箱；16、水泵；17、调节器二；18、压力表二；19、流量计二；20、温度计二；21、样品室；22、电动缸；23、控制器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种多因素耦合模拟二氧化碳驱替地层深部热卤水试验系统，包括驱替模拟装置、进气装置和进液装置，进气装置通过进气管路与驱替模拟装置连通，且进液装置通过进液管路与驱替模拟装置连通。

试验时，首先，通过本领域技术人员所能想到的方式将岩样置于驱替模拟装置内；然后，通过进液装置将卤水送至驱替模拟装置内，使得卤水浸入岩样内以模拟地层中卤水的分布情况；最后，通过进气装置将气体送入驱替模拟装置内，以模拟工程中二氧化碳的注入情况，并利用二氧化碳驱替岩样中的卤水以模拟工程中卤水注入的实际过程，以探究其注入效率、驱替效率、排卤量、封存安全性等。

试验中，岩样取自现场采集地层深部热卤水层岩石试件，沿地层深部热卤水层垂直于岩层理面取岩石试样，加工成长100mm、宽50mm、高50mm的长方体试件，记录此时岩样的质量。在同一岩层取地层深部热卤水，测定其温度、成分，在实验室配置相同成分的卤水置于水箱中，通过水泵抽取到调解室调节其温度至与实际情况相同。

本实施例结构简单，设计合理，提供一种利用于二氧化碳驱替地层深部热卤水工程的耦合应力场、温度场、地层物理化学作用等因素的试验装置，用于工程中注入效率、驱替效率、排卤量、封存安全性的研究，为实际工程提供有效可靠的试验参照。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例中，驱替模拟装置包括样品室21，进气装置通过进气管路与样品室21连通，且进液装置通过进液管路与样品室21连通。

试验时，通过样品室21放置岩样并模拟地层情形，方便试验。

优选地，本实施例中，上述样品室21的两侧分别敞口，并分别可启闭的安装有控制门。

另外，每个控制门均包括外门和内门，外门竖直固定在样品室21的对应敞口处并封住样品室21的对应侧，且外门上设有圆孔；内门竖直安装在外门的内侧，其可上下移动并定位。

上述内门的安装方式可以为：样品室21的顶部固定安装有气缸，气缸的伸缩端竖直向上，并通过连接杆与内门的顶部固定连接，通过气缸伸缩带动内门上下移动以敞开外门上的圆孔或封住内门上的圆孔。

优选地，本实施例中，上述进气管路的一端和进液管路的一端分别与总管路的一端连通，总管路的另一端与对应外门上的圆孔连通，且进气管路的一端和进液管路的一端分别固定安装有阀门。

除上述实施方式外，样品室21也可以采用其他结构，例如在样品室21的顶部和底部分别设置圆孔，两个圆孔处分别固定安装有电子阀；位于样品室21顶部的圆孔与总管路的另一端连通。

优选地，本实施例中，上述样品室21内固定安装有加热器，优选红外加热器。

另外，样品室21内固定安装有温度计，温度计的数量可以为一个，也可以为多个，多个温度计均匀间隔的分布在样品室21的八个角处。

基于上述方案，本实施例还包括控制器23，上述温度计和加热器分别通过线路与控制器23连接，控制器23控制加热器和温度计的启闭。

实施例3

在实施例2的基础上，本实施例中，驱替模拟装置还包括电动缸22，电动缸22固定安装在样品室21的顶部，其伸缩端竖直向下穿过样品室21的顶部延伸至样品室21内。

试验时，通过电动缸22伸缩下压岩样，以模拟真实的地层压力情况，提高试验的精确度。

基于上述方案，上述电动缸22通过线路与控制器23连接。

实施例4

在上述各实施例的基础上，本实施例还包括气液分离装置1、集气室2和集液室3，气液分离装置1通过管路与驱替模拟装置连通；集气室2通过集气管路与气液分离装置1的顶部连通，集气管路上固定安装有集气阀门4；集液室3通过集液管路与气液分离装置1的底部连通，集液管路上固定安装有集液阀门5。

试验时，二氧化碳驱替岩样中的卤水形成的气液混合物进入气液分离装置1内进行分离作业，分离出的二氧化碳收集于集气室2内，分离出的液体收集于集液室3内，实现气体和液体的分类收集，节约资源。

优选地，本实施例中，气液分离装置1通过管路与样品室21中对应外门上的圆孔连通，该圆孔优选位于该外门的下端。

另外，集气室2优选位于气液分离装置1一侧靠近其顶部的位置，以便收集分离出的二氧化碳。

而且，集液室3优选位于气液分离装置1靠近其底部的位置，且集液室3顶部所在的水平高度略高于气液分离装置1底部所在的水平高度，设计合理，以便分离出的液体依靠自身的重力收集于集液室3内，节约能耗。

需要说明的是，上述气液分离装置1采用的是现有技术中的三相分离器，其具体结构及原理在此不再进行赘述。

实施例5

在实施例4的基础上，本实施例中，集气室2通过回收管路6与进气装置连通，回收管路6上固定安装有回收阀门7。

该方案结构简单，设计合理，收集于集气室2内的二氧化碳通过回收管路6可重新进入进气装置内，实现二氧化碳的重新利用，节约资源，降低成本。

实施例6

在实施例4至实施例5任一项的基础上，本实施例还包括集固室8，集固室8通过集固管路与气液分离装置1的底部连通，且集固管路上固定安装有集固阀门9。

试验时，岩样中的部分固体会随着二氧化碳和卤水进入气液分离装置1内，利用集固室8回收沉积于气液分离装置1底部的固体，回收方便。

实施例7

在上述各实施例的基础上，本实施例中，进气装置包括至少一个气罐10，气罐10的顶部通过进气管路与驱替模拟装置即样品室21上对应的圆孔连通。

试验时，通过气罐10储存二氧化碳，二氧化碳通过进气管路进入驱替模拟装置，试验方便。

优选地，本实施例中，进气装置包括多个气罐10，多个气罐10并联分布，其顶部分别通过上支管路与进气管路的另一端连通，且各个上支管路上分别固定安装有阀门；多个气罐10的底部分别通过下支管路与回收管路6的一端连通，且各个下支管路上分别安装有阀门。

实施例8

在实施例7的基础上，本实施例中，进气装置还包括调节器一11、压力表一12、流量计一13和温度计一14，调节器一11、压力表一12、流量计一13和温度计一14沿气体流动的方向依次间隔固定安装在进气管路上。

试验时，通过调节器一11调节气体的温度和压强，并通过压力表一12、流量计一13和温度计一14分别实时监测气体的压力、流量以及温度等，精确控制，提高试验的精确度。

优选地，本实施例中，上述调节器一11包括温度调节器和压强调节器。

实施例9

在上述各实施例的基础上，本实施例中，进液装置包括卤水箱15，卤水箱15通过进液管路与驱替模拟装置即样品室21上对应的圆孔连通，进液管路上固定安装有水泵16。

试验时，通过卤水箱15储存卤水，并可通过水泵16将卤水箱15内的卤水送至驱替模拟装置内，实现卤水的自动输送，自动化程度高，省时省力。

实施例10

在实施例9的基础上，本实施例中，进液装置还包括调节器二17、压力表二18、流量计二19和温度计二20，水泵16、调节器二17、压力表二18、流量计二19和温度计二20沿液体流动的方向依次间隔固定安装在进液管路上。

试验时，通过调节器二17调节卤水的温度和压强，并通过压力表二18、流量计二19和温度计二20分别实时监测卤水的压力、流量以及温度等，精确控制，提高试验的精确度。

优选地，本实施例中，上述调节器二17包括温度调节器和压强调节器。

需要说明的是，上述各温度计、流量计和压力表分别采用的是现有技术，其分别通过线路与控制器23连接。

本发明的工作原理如下：

第一步：将各个设备连接好，接通设备电源打开设备总开关及各个子设备开关，检查各仪表、装置是否为正常状态；

第二步：打开气罐10通入二氧化碳检查进气装置、驱替模拟装置、集气室2、集液室3等装置的密封性；若密封性符合实验要求，则打开水泵检查进水装置部分密封性，若密封性符合实验装置则进行试验，若密封性不符合实验要求，检查管线系统连接后重新检查实验装置的密封性，若符合实验要求，则进行实验；

第三步：打开样品室21，将岩样置入并固定于样品室21内；

第四步：通过控制器打开驱替模拟装置的加热器，对岩样进行预热；

第五步：打开进液装置的对应阀门，打开水泵16，将卤水箱15中的卤水泵入调节器二中，由调节器二调节卤水的温度，使其与地层温度相同，同时调节其流量至试验要求状态。由调节装置调节完毕的热卤水经过压力表二、温度计二、流量计二校核后进入驱替模拟装置；

第六步：打开驱替模拟装置左侧内门，关闭右侧内门，使热卤水流入并充满岩样孔隙以模拟热卤水在深部地层岩样中的分布，在调节加热器使驱替模拟装置中的温度状态与深部地层温度状态相同的同时，利用控制器控制驱替装置中的电动缸以模拟真实的地层压力情况；

第七步：关闭驱替模拟装置左侧内门，打开驱替模拟装置右侧内门使多余液体流出，多余液体经过气液分离装置后进入集液室，在集液室中计量其质量与体积V₁，同时计量出卤水箱中消耗的液体体积V₂，将V₁、V₂换算成常温常压下液体体积，计算V₃＝V₂-V₁即为孔隙水的体积，计量完毕后排净集液室中的液体；

第八步：打开气罐的对应阀门，使二氧化碳气体进入调节器一，由调节器一将其温度、压力、流量按照试验所需的参数进行调节，由调节装置调节完毕的二氧化碳经过压力表一、温度计一、流量计一校核后进入驱替模拟装置；

第九步：打开驱替模拟装置左侧、右侧内门，开始驱替试验，二氧化碳将岩样中卤水驱替出来，二氧化碳、卤水气液混合物进入气液分离装置，气体由分离装置进入集气室，少量固体沉降物由底部刮泥板刮走后，液体进入集液室；

第十步：集气室达到一定压强后打开集气室后的阀门，二氧化碳气体进入空气罐中进行收集、再利用；

第十一步：试验一段时间后，依次关闭气罐阀门、驱替模拟装置的内门、调节装置、驱替模拟装置，待气液分离器分离完毕后计量集液室中液体质量与体积V4，换算为常温常压下液体体积，计算V4则为驱替出的卤水量；

第十二步：待驱替模拟装置冷却后打开反应槽，将岩样取出即可测定岩样的物理、化学性质及成分变化。

本发明将提供一种利用于二氧化碳驱替地层深部热卤水工程的，耦合应力场、温度场、地层物理化学作用等因素的试验装置，用于工程中注入效率、驱替效率、排卤量、封存安全性的研究，为实际工程提供有效可靠的试验参照。

需要说明的是，本发明所涉及到的各个电子部件均采用现有技术，并且上述各个部件与控制器电连接，控制器与各个部件之间的控制电路为现有技术。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多因素耦合模拟二氧化碳驱替地层深部热卤水试验系统，其特征在于：包括驱替模拟装置、进气装置和进液装置，所述进气装置通过进气管路与所述驱替模拟装置连通，且所述进液装置通过进液管路与所述驱替模拟装置连通。

2.根据权利要求1所述的多因素耦合模拟二氧化碳驱替地层深部热卤水试验系统，其特征在于：还包括气液分离装置(1)、集气室(2)和集液室(3)，所述气液分离装置(1)通过管路与所述驱替模拟装置连通；所述集气室(2)通过集气管路与所述气液分离装置(1)的顶部连通，所述集气管路上固定安装有集气阀门(4)；所述集液室(3)通过集液管路与所述气液分离装置(1)的底部连通，所述集液管路上固定安装有集液阀门(5)。

3.根据权利要求2所述的多因素耦合模拟二氧化碳驱替地层深部热卤水试验系统，其特征在于：所述集气室(2)通过回收管路(6)与所述进气装置连通，所述回收管路(6)上固定安装有回收阀门(7)。

4.根据权利要求2所述的多因素耦合模拟二氧化碳驱替地层深部热卤水试验系统，其特征在于：还包括集固室(8)，所述集固室(8)通过集固管路与所述气液分离装置(1)的底部连通，且所述集固管路上固定安装有集固阀门(9)。

5.根据权利要求1-4任一项所述的多因素耦合模拟二氧化碳驱替地层深部热卤水试验系统，其特征在于：所述进气装置包括至少一个气罐(10)，所述气罐(10)的顶部通过所述进气管路与所述驱替模拟装置连通。

6.根据权利要求5所述的多因素耦合模拟二氧化碳驱替地层深部热卤水试验系统，其特征在于：所述进气装置还包括调节器一(11)、压力表一(12)、流量计一(13)和温度计一(14)，所述调节器一(11)、所述压力表一(12)、所述流量计一(13)和所述温度计一(14)沿气体流动的方向依次间隔固定安装在所述进气管路上。

7.根据权利要求1-4任一项所述的多因素耦合模拟二氧化碳驱替地层深部热卤水试验系统，其特征在于：所述进液装置包括卤水箱(15)，所述卤水箱(15)通过所述进液管路与所述驱替模拟装置连通，所述进液管路上固定安装有水泵(16)。

8.根据权利要求7所述的多因素耦合模拟二氧化碳驱替地层深部热卤水试验系统，其特征在于：所述进液装置还包括调节器二(17)、压力表二(18)、流量计二(19)和温度计二(20)，所述水泵(16)、所述调节器二(17)、所述压力表二(18)、所述流量计二(19)和所述温度计二(20)沿液体流动的方向依次间隔固定安装在所述进液管路上。

9.根据权利要求1-4任一项所述的多因素耦合模拟二氧化碳驱替地层深部热卤水试验系统，其特征在于：所述驱替模拟装置包括样品室(21)，所述进气装置通过所述进气管路与所述样品室(21)连通，且所述进液装置通过所述进液管路与所述样品室(21)连通。

10.根据权利要求9所述的多因素耦合模拟二氧化碳驱替地层深部热卤水试验系统，其特征在于：所述驱替模拟装置还包括电动缸(22)，所述电动缸(22)固定安装在所述样品室(21)的顶部，其伸缩端竖直向下穿过所述样品室(21)的顶部延伸至所述样品室(21)内。

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