长庆油田水基环保成膜钻井液研究与现场试验
贾俊1,2, 赵向阳1,2, 刘伟1,2     
1. 中国石油集团川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院, 陕西西安 710018;
2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室, 陕西西安 710018
摘要: 长庆油田的地理气候条件独特,要求该油田所用钻井液应具有无毒、易降解和环境可接受性好的特点,为此,以多糖衍生物G312为主剂,通过优选其他添加剂,形成了适合于长庆油田低压、低渗、低孔储层的水基环保成膜钻井液。该钻井液利用多糖衍生物的半透膜作用和有机胺独特的抑制防塌作用,达到了既能保护储层又能保护环境的目的,与传统的烷基葡萄糖甙钻井液相比,具有防塌性能好、主处理剂加量少、抗温抗盐能力强的优点。室内性能评价结果表明:水基环保成膜钻井液无生物毒性,重金属含量等达到了污水排放标准要求;由于具有半透膜效应,该钻井液抑制性较强,岩屑在其中的线性膨胀率与在清水中相比降低了35.6%,岩屑一次回收率达到94.80%、二次回收率达到89.34%;耐温性较好,可耐120℃高温,综合性能优良。水基环保成膜钻井液在长庆油田苏里格地区A井进行了现场试验,钻井过程中没有发生井下故障,井径规则,电测、下套管作业一次到底,且钻井液的环保性能指标达到了污水排放标准。研究结果表明,水基环保成膜钻井液的环保性能和其他性能均能满足长庆油田的要求。
关键词: 水基钻井液     成膜     多糖衍生物     钻井液性能     毒性     生物降解     长庆油田    
Research and Field Test of Water-Based Environmental-Friendly Membrane Forming Drilling Fluid Technology in Changqing Oilfield
JIA Jun1,2, ZHAO Xiangyang1,2, LIU Wei1,2     
1. Drilling & Production Engineering Technology Research Institute, CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co., Ltd., Xi'an, Shaanxi, 710018, China;
2. National Engineering Laboratory for Exploration & Development of Low Permeability Oil & Gas Fields, Xi'an, Shaanxi, 710018, China
Abstract: Based on the geographic climate condition of Changqing Oilfield, drilling fluid used in this oil and gas field should exhibit non-toxicity, easy degradation and good environmental acceptability.Thus, water-based environmental friendly membrane forming drilling fluid was created that is suitable for low-pressure, low-permeability and low-porosity reservoir.It was synthesizedby taking polysaccharide derivative G312 as main agent and by optimizing other additives. This drilling fluid achieved the stated objective of protecting reservoirs and the environment through the semi-permeable membrane effect of polysaccharide derivatives and a distinctive sloughing control of organic amine. Compared with traditional alkylglucoside drilling fluid, this drilling fluid possesses the advantage of having good anti-collapse performance, requiring less dosage of main treatment additives and having a strong temperature and salt resistance ability.Laboratory performance evaluation results showed that water-based environmental-friendly membrane forming drilling fluid had no biotoxicity and its heavy metal content and other indicators met the standard wastewater discharge requirements.Due to its semi-permeable membrane effect, it had strong inhibition.The linear expansion ratio of cuttings in this drilling fluid was 35.6% lower than that in clear water.The primary recovery of cuttings reached 94.80% and secondary recovery rate reached 89.34%.Moreover, this drilling fluid had good temperature resistance of 120℃ and excellent comprehensive properties.In the trial use of water-based environmental-friendly membrane forming drilling fluid while drilling well A of Sulige area in Changqing Oilfield, no downhole failure and the well diameter was regular.Electric logging and operations for running casing were successful on first run.Besides, environmental protection property indices of the drilling fluid satisfied wastewater discharge standard.Therefore, the study indicated that the environmental-friendly properties and other properties of water-based environmental-friendly membrane forming drilling fluid could meet all requirements of Changqing Oilfield.
Key words: water-based drilling fluid     membrane forming     polysaccharide derivatives     drilling fluid properties     toxicity     biological degradation     Changqing Oilfield    

长庆油田地处鄂尔多斯盆地,降水量小,生态环境极其脆弱。该油田每年钻数千口井,钻井液用量大,钻井废弃物后续处理面临很大的环境风险,亟需采用无毒、易降解、环境可接受的钻井液进行钻井施工。目前国内外研发了多种环保型钻井液,大多都因价格昂贵或自身缺陷,没有大规模推广应用。天然聚合物及其改性处理剂具有环境可接受性好的优势,利用其改性产品研究环保型钻井液,是钻井液技术发展的趋势之一[1]。烷基糖苷(APG)能抑制页岩水化、增强钻井液的润滑性,是国内外应用比较多的环保型钻井液添加剂[2],后又不断对其改进,形成了乙基葡萄糖苷、阳离子烷基糖苷和聚醚胺基烷基糖苷等钻井液添加剂,并进行了初步应用[3-4],但其加量大、成本较高,性能单一。美国、加拿大、英国和挪威等国家将天然产物分离出的多糖及其衍生物作为钻井液添加剂,并成功用于油气井钻井液[5]。笔者针对长庆油田的地层特点及对钻井液性能的要求,以多糖衍生物和有机胺等为主剂,通过优选环保型钻井液添加剂,研发了一种水基环保成膜钻井液。该钻井液的活度和半透膜作用与油基钻井液相似,能够成膜护壁,降低孔隙压力传递,不仅具有防止井壁坍塌和保护储层的双重功效[6],而且无毒,可生物降解,对环境污染小[7]。与较传统的烷基葡萄糖甙钻井液[8]相比,具有防塌性能好、主剂加量少和抗温抗盐能力强的优点。特别是该钻井液克服了油基钻井液污染环境、影响油气层显示和成本高的缺点[9],可满足长庆油田油气井钻井对低成本高性能水基钻井液的需求。

1 水基环保成膜钻井液配方研究

多糖衍生物G312属于杂多糖甙类天然分离物,主要以半乳糖、甘露糖、阿拉伯糖、木糖、葡萄糖、鼠李糖、葡萄糖或其糖醛酸等之中的2种或2种以上单糖基按照一定的方式连接构成,其分子链为单长链或带有支链的长链。与传统方法合成的聚合物类添加剂相比,天然杂多糖甙在满足钻井液流变性、抑制性、滤失性和润滑性的基础上,具有毒性低、易生物降解和对油气层损害较小的优点[10]。以多糖衍生物G312为主剂,通过优选其他添加剂,形成了适合长庆油田低压、低渗、低孔储层的水基环保成膜钻井液。

1.1 多糖衍生物G312性能测试 1.1.1 常规性能

在4%膨润土浆中加入不同加量的G312,测试其基本性能,结果见表 1

表 1 4%膨润土浆中加入不同加量多糖衍生物G312后的性能 Table 1 4% Bentonite mud properties after adding different amount of polysaccharide derivative G312
G312加量,% 密度/(kg·L-1) 表观黏度/(mPa·s) 塑性黏度/(mPa·s) 动切力/Pa 动塑比 滤失量/mL 极压润滑系数 岩屑回收率,%
一次 二次
0 1.04 7.0 4 6 1.50 16.0 38.4 28.9 20.3
1 1.04 7.5 5 5 1.00 12.0 35.3 34.2 27.2
3 1.04 11.0 7 8 1.14 9.4 29.3 41.9 35.1
5 1.04 13.0 9 8 0.89 6.5 22.8 52.5 44.0
7 1.04 16.5 11 11 1.00 7.8 27.3 55.4 46.2
9 1.04 20.0 13 14 1.08 7.8 23.5 68.7 50.0
11 1.05 24.0 17 14 0.82 7.0 17.5 78.7 55.2

表 1可以看出:4%膨润土浆的黏度和切力随G312加量增大而升高,其动塑比降低;在G312加量为5%~7%时,其表观黏度升高1倍,动切力提高近1倍,动塑比降低三分之一;4%膨润土浆的润滑系数和API滤失量随G312加量增大而降低。这说明G312能改善4%膨润土浆的流变性能,降低其API滤失量,同时可以提高其润滑性和抑制性。

1.1.2 半透膜效果

利用OFI页岩膨胀仪进行半透膜试验,按照常规岩心膨胀测试方法,将人工岩心装入膨胀仪,加入多糖衍生物G312溶液,测试岩心的膨胀量,16 h后将膨胀仪中的多糖衍生物G312溶液替换成NaCl饱和溶液,继续测量岩心的膨胀量,结果如图 1所示。

图 1 岩心膨胀量曲线 Fig.1 Core expansion rate curve

图 1可以看出,浸泡介质为多糖衍生物G312溶液时,岩心一直膨胀,但当浸泡介质替换成低活度的NaCl饱和溶液后,岩心的膨胀量降低,说明岩心在收缩。证明多糖衍生物G312溶液在岩心表面形成了半透膜,岩心中的水分迁移到了低活度的NaCl饱和溶液中。

1.1.3 表/界面性能

利用K100表/界面张力仪测试(拉脱法)不同质量分数G312溶液的表/界面张力,结果见图 2

图 2 不同质量分数G312溶液的表/界面张力 Fig.2 Surface / interfacial tension of G312 solution with different mass fraction

图 2可以看出,加入G312后,水的表面张力最低可降至27.8 mN/m,油(煤油)水界面张力最低可降至24.0 mN/m,表现出良好的表/界面性能,其滤液进入地层后有利于返排,对储层保护有一定作用。

以上测试结果表明,多糖衍生物G312具有增黏、降滤失和润滑作用,同时有一定的抑制性和表面活性,是一种多功能处理剂。由于钻井对钻井液的各项性能参数有不同要求,只加入多糖衍生物G312会引起钻井液的多项性能参数同时升高,因此要和其他添加剂进行复配,使钻井液的各项性能参数达到要求。

1.2 辅助抑制剂优选

多糖衍生物G312具有多种性能,但其抑制性达不到要求,需要通过试验优选与之配伍性好的抑制剂,与之复配作为钻井液的基础防塌剂。表 2为常用抑制剂与G312复配后的岩屑回收率试验结果。

表 2 G312与其他抑制剂复配岩屑回收率试验结果 Table 2 Recovery rate test results of cuttings in G312 and other inhibitors compound
序号 配方 岩屑回收率, %
一次 二次
1 5%G312+7%KCl 63.60 60.26
2 5%G312+7%NaCOOH 38.08 32.04
3 5%G312+7%NaCl 84.00 46.42
4 5%G312+3%CaCl 42.30 39.50
5 5%G312+1%G319 92.78 91.26

表 2可以看出,G312与有机胺G319复配的效果最好,与其他盐类抑制剂复配效果一般。因此,以G312与G319复配作为基础防塌剂进行后续研究。

1.3 主剂环保性能

按照文献[11-12]中的方法测试G312和G319的环保性能,结果见表 3。从表 3可以看出,G312和G319的环保性能符合行业标准要求,满足环保需要。

表 3 G312和G319环保性能检测结果 Table 3 Environmental protection properties test results of G312 and G319
处理剂 EC50/(mg·L-1) BOD/CODGr 重金属含量/(mg·kg-1)
总汞 总砷 总镉 总铅 总铬
G312 1 910 000 0.460 2 0.006 130 0.001 25 0.004 0.003 0.047
G319 113 000 0.412 3 0.000 245 0 0.003 0.002 0.065
标准 >20 000 ≥0.05 ≤15 ≤15 ≤20 ≤1 000 ≤1 000
1.4 钻井液配方的确定

根据上述试验结果,以在长庆油田应用效果良好的无固相低伤害钻井液为基础,引入多糖衍生物G312与有机胺G319,以高黏聚阴离子纤维素为增黏剂,低黏聚阴离子纤维素和淀粉为降滤失剂,加入不同粒径的石灰石粉,形成了水基环保成膜钻井液基础配方:0.30%~0.50%PAC-LV+0.10%~0.20%PAC-HV+0.05%~0.10%MgO+5.00%~7.00%G312+0.50%~1.00%G319+3.00%~5.00%CaCO3。该钻井液具有以下优点:1) 多糖衍生物G312具有多种功能,减少了配方中处理剂种类;2) 不含无机盐类,电导率和矿化度低,不会对电测、录井造成影响;3) 选用的有机胺G319与具有半透膜作用的多糖衍生物G312共同作用成膜护壁,可提高井壁稳定性;4) 选用的处理剂无毒、易生物降解,环保性能突出。

2 水基环保成膜钻井液性能评价 2.1 抑制性

为评价水基环保成膜钻井液的抑制性能,测试了岩心在水基环保成膜钻井液和长庆油田几种常用钻井液中的线性膨胀量[13]和岩屑在其中的回收率,结果见图 3表 4

图 3 岩心在不同钻井液中的线性膨胀量试验结果 Fig.3 Linear expansion rate test results of cores in different drilling fluid systems
表 4 不同钻井液的岩屑回收率试验结果 Table 4 Recovery rate test results of cuttings in different drilling fluid systems
序号 配方 回收率, %
一次 二次
1 清水 27.50 20.02
2 聚磺钻井液 60.22 48.47
3 复合盐钻井液 81.36 66.52
4 有机盐钻井液 88.56 84.24
5 环保成膜钻井液 94.80 89.34

图 3可以看出,与长庆油田几种常用钻井液相比,由于水基环保成膜钻井液具有成膜抑制作用,岩心在水基环保成膜钻井液中8 h的线性膨胀量最低,线性膨胀降低率比在清水中降低了35.6%,表明水基环保成膜钻井液抑制黏土矿物水化膨胀的作用明显。

表 4可以看出,由于水基环保成膜钻井液中的有机胺有独特的抑制作用[14],岩屑在其中的一次回收率达到了94.80%、二次回收率达到了89.34%,均比长庆油田几种常用钻井液高,说明水基环保成膜钻井液抑制黏土矿物水化分散的能力突出,综合防塌性能优良。

2.2 抗温性

将水基环保成膜钻井液分别在90,100和120 ℃温度下热滚16 h,测其热滚后的流变性能及API滤失量,结果见表 5

表 5 水基环保成膜钻井液抗温性能试验结果 Table 5 Test results of temperature resistance of water-based environmental-friendly membrane forming drilling fluid
序号 温度/℃ 密度/(kg·L-1) 表观黏度/(mPa·s) 塑性黏度/(mPa·s) 动切力/Pa 静切力/Pa API滤失量/mL
1 25 1.02 36.0 26 20 3/6 6.7
2 90 1.02 25.0 19 12 2/5 7.0
3 100 1.01 23.5 18 11 2/4 7.4
4 120 1.01 22.0 18 8 2/4 7.4

表 5可以看出,水基环保成膜钻井液在120 ℃下热滚16 h后,其流变性能稍微变差,API滤失量稍微升高,但通过适当调整仍能满足长庆油田井深4 000.00 m(110 ℃)以浅井段钻井施工的需要。

2.3 抗钙离子污染性

由于长庆油田部分区块存在钙侵问题,发生钙侵时钻井液中Ca2+质量浓度一般在1 000~2 000 mg/L,会导致钻井液的黏度和切力升高,钻井液性能调整困难。因此进行了水基环保成膜钻井液的抗钙污染试验,结果见表 6

表 6 水基环保成膜钻井液抗钙污染试验结果 Table 6 Calcium contamination resistance test results of water-based environmental-friendly membrane forming drilling fluid
CaCl2加量,% 密度/(kg·L-1) 表观黏度/(mPa·s) 塑性黏度/(mPa·s) 动切力/Pa 静切力/Pa API滤失量/mL
0 1.02 26.5 20 13 3/5 3.40
0.5 1.02 25.0 19 12 3/6 3.80
1.0 1.02 24.5 19 11 3/6 3.40
2.0 1.02 23.5 18 11 3/7 2.80
3.0 1.04 23.0 18 10 2/6 2.60
4.0 1.05 20.0 17 6 2/5 2.60
5.0 1.06 19.5 17 5 2/4 2.55

表 6可以看出,水基环保成膜钻井液中加入CaCl2后,其黏度和API滤失量都降低,当CaCl2加量不高于3.0%时,对水基环保成膜钻井液的性能影响不大,仍能满足长庆油田钻井施工的需要。

2.4 半透膜性能测试

利用文献[15]中的渗透压差法测定水基环保成膜钻井液的膜效率,其计算公式为:

(1)

其中

(2)

式中:σ为膜效率,%;Δp为岩样的实际渗透压,MPa;p为岩样的理论渗透压,MPa;R为理想气体常数,R=83.14 (cm3·MPa)/(mol·K);T为绝对温度,K;Vw为纯水的偏摩尔体积,Vw=18 cm3/mol;awsawf分别为岩心孔隙中流体和模拟液的水活度。

选取岩心烘干、称重、抽真空后饱和盐水,将岩心安装在岩心夹持器上,利用水基环保成膜钻井液伤害岩心,然后在岩样上、下两端用模拟地层水(或标准盐水)建立Δp=0(如上下游压力都为7.5 MPa),然后将上游用水活度低的试液(20%NaCl溶液)替换地层水,关闭下游阀门形成封闭端,通过压力、差压传感器实时检测岩样下游封闭端的压力,当下游压力降低幅度很小并趋于平缓时结束试验,测得岩心上、下游最大压差Δp为5.2 MPa。

测试温度T为297 K,岩心孔隙中饱和盐水的水活度为0.92,20%NaCl溶液的水活度为0.84,将这些参数代入式(1) 和式(2) 计算出水基环保成膜钻井液的膜效率为41.67%。说明水基环保成膜钻井液能在岩心上形成半透膜,且具有一定的膜效率。

2.5 储层保护性能评价

长庆油田的储层具有渗透率、地层压力和丰度低的特点,在保证钻井安全的前提下,要求钻井液对储层的伤害应尽量低。因此,根据文献[16]选取长庆油田储层的岩心,进行了水基环保成膜钻井液对储层岩心的伤害试验,结果见表 7。测试条件:温度60 ℃,围压7.0 MPa,伤害压差3.5 MPa,静态伤害时间3 h。

表 7可知,水基环保成膜钻井液对长庆油田储层岩心的平均伤害率为11.13%,属于低伤害范围。

表 7 水基环保成膜钻井液对储层岩心伤害的试验结果 Table 7 Water-based environmental-friendly membrane forming drilling fluid tests for damage in reservoir cores
岩心编号 井深/m 层位 长度/cm 直径/cm 孔隙度,% 渗透率/mD 伤害率,%
伤害前 伤害后
1 2 915.35~2 915.40 山西组 2.42 2.43 6.08 0.634 8 0.577 1 9.09
2 2 915.48~2 915.54 山西组 2.32 2.42 6.32 0.511 4 0.438 3 14.29
3 2 917.76~2 917.81 山西组 2.38 2.43 4.14 0.346 9 0.312 2 10.00
2.6 环保性能检测

按照国家污水综合排放标准[17]中的方法,对水基环保成膜钻井液的生物毒性、生物降解性、重金属离子含量以及电导率等进行了检测,结果为:生物毒性EC50为91 600 mg/L;生物降解性BOD/CODGr为0.370 8;重金属汞、砷、镉、铅、铬的含量分别为0.004 99,0.001 25,0.004,0.003和0.772 mg/kg;石油类物质含量为2.73%;电导率为3 400 μS/cm。国家污水综合排放标准[17]要求生物毒性EC50>20 000 mg/L,生物降解性BOD/CODGr≥0.05,重金属汞的含量≤0.1 mg/kg,砷的含量≤0.05 mg/kg,镉的含量≤1.0 mg/kg,铅的含量≤1.5 mg/kg,铬的含量≤1.5 mg/kg,石油类物质含量≤10%,电导率≤8 000 μS/cm。由此可知,水基环保成膜钻井液无毒、易降解,重金属汞、砷、镉、铅以及铬的含量都满足标准要求,石油类物质含量及电导率也满足标准要求。这表明水基环保成膜钻井液的环保性能优良。

3 现场试验

水基环保成膜钻井液在长庆油田苏36区块的A井进行了现场试验,该井是一口开发定向井,位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡,目的层为盒8层和山1层,设计井深3 622.00 m。该井采用二开井身结构,最大井斜角20°,一开钻至井深700.12 m,二开采用φ215.9 mm钻头钻至井深3 620.78 m完钻。

3.1 钻井液难点

1) 井壁易失稳。苏里格地区苏36区块直罗组地层为泥岩地层,易发生坍塌、掉块,石千峰组和石盒子组地层也存在大段泥岩,在钻井过程中易发生井壁失稳问题。

2) 采用钻井液“不落地”工艺后,钻井液性能控制困难。钻井液“不落地”工艺是指从井筒循环出来的井浆通过钻井液清洁器除砂除泥和离心机进行固液分离后再次进入钻井液循环系统,井浆和钻井液混合,造成钻井液性能控制困难。

3) 地层造浆严重。由于苏36区块的石千峰组及石盒子组以下地层造浆严重,如果处理不当会造成滤饼虚厚、钻井液的流变性变差及其密度升高,有可能导致井下故障。

4) 储层保护。钻开储层时钻井液会对储层造成伤害,特别是钻井液密度、滤失量较大时,对储层的伤害会更大。因此,在保证井壁稳定、安全快速钻进的同时,应尽可能降低钻井液对储层的伤害。

3.2 钻井液维护处理措施

该井钻进上部井段时,重点是控制钻井液流变性和抑制性,防止地层造浆。每日以胶液的方式补充聚阴离子纤维素和淀粉,以保证聚阴离子纤维素和淀粉含量达到要求,不控制钻井液的滤失量;利用固控设备控制钻井液的固相含量,使钻井液中的固相尽可能低,以达到安全快速钻进、清洁井眼的目的。

钻进下部井段时,逐步提高钻井液的黏度,降低滤失量,提高其整体性能。钻进石千峰组和石盒子组地层时,增大防塌剂加量,并与其他处理剂配合提高钻井液的流变性能,将滤失量严格控制在4~5 mL,增强润滑性,以便在井壁上形成薄而坚韧的滤饼。为防止石盒子组泥岩层和山西组煤层的坍塌,适当提高钻井液的密度和黏度,以提高钻井液的携岩能力,达到清洁井眼、降低电测遇阻的概率。

3.3 试验效果

苏36区块A井使用水基环保成膜钻井液解决了石千峰组和石盒子组泥岩地层垮塌、造浆严重,山西组煤层坍塌等问题,并且降低了对储层的伤害,钻井液环保性能达到污水排放标准,试用效果显著。

1) 水基环保成膜钻井液的滤失量低、造壁能力强,API滤失量≤5 mL(最低达到2 mL以下),在井壁上形成的滤饼薄而韧,滑动摩阻系数小,钻井期间未出现阻卡。

2) 水基环保成膜钻井液的流变性和密度容易调控(见图 4),满足了井眼清洁和安全钻进的需求。

图 4 A井二开段钻井液的黏度和密度 Fig.4 Viscosity and density of drilling fluid in the second section of Well A

3) 水基环保成膜钻井液防塌效果突出,A井井径扩大率平均仅为1.43%,最大井径扩大率(直罗组地层)为9.50%,主要坍塌层直罗组地层井径扩大率平均为5.06%,石千峰组和石盒子组地层井径扩大率平均为0.14%。

4) A井的平均机械钻速为15.4 m/h,而使用长庆油田常用钻井液的A1井平均机械钻速为13.6 m/h。

5) 室内检测显示,A井所用水基环保成膜钻井液的生物毒性、降解性、重金属含量等指标均达到污水排放标准,有利于废弃钻井液的后期处理。

4 结论与建议

1) 水基环保成膜钻井液抑制黏土水化膨胀和分散的能力强,抗温120 ℃,对储层伤害小,无毒、易生物降解,重金属含量等指标达到污水排放标准,环保性能突出,有利于降低钻屑、废弃钻井液无害化处理的难度。

2) 现场试验结果表明,苏36区块应用水基环保成膜钻井液能解决下部井段地层坍塌、地层造浆等井壁失稳问题。

3) 水基环保成膜钻井液适宜在环保要求严格的地区进行推广,但其配方中的多糖衍生物G312和有机胺G319价格较高,建议研制或优选价格低的环保型处理剂,以降低钻井液使用成本。

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文章信息

贾俊, 赵向阳, 刘伟
JIA Jun, ZHAO Xiangyang, LIU Wei
长庆油田水基环保成膜钻井液研究与现场试验
Research and Field Test of Water-Based Environmental-Friendly Membrane Forming Drilling Fluid Technology in Changqing Oilfield
石油钻探技术, 2017, 45(5): 36-42.
Petroleum Drilling Techniques, 2017, 45(5): 36-42.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201705007

文章历史

收稿日期: 2017-03-17
改回日期: 2017-09-04

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