大型低滲致密含水氣藏滲流機(jī)理及開發(fā)對(duì)策

高樹生

葉禮友，熊偉 （中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊065007）

鐘兵，楊洪志 （中石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院，四川 成都610041）

胡志明，劉華勛，薛蕙 （中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊065007）

中國(guó)在四川、鄂爾多斯、柴達(dá)木、塔里木、松遼等地區(qū)先后發(fā)現(xiàn)了大量低滲致密氣田，資源評(píng)估量達(dá)到16×1012m3。預(yù)計(jì)2030年中國(guó)低滲致密氣藏年產(chǎn)量將達(dá)到約600×108m3[1]。低滲致密氣藏的有效開發(fā)存在諸多問題，迫切需要解決。如單井產(chǎn)量低，儲(chǔ)量動(dòng)用程度差，采收率低，且氣井產(chǎn)水現(xiàn)象嚴(yán)重，穩(wěn)產(chǎn)難度大等[2，3]。因此，需要從氣藏儲(chǔ)層特征出發(fā)，認(rèn)清低滲致密氣藏滲流機(jī)理，建立相應(yīng)的氣藏工程方法，針對(duì)瓶頸問題研究關(guān)鍵解決技術(shù)，提出有效開發(fā)對(duì)策。

1 儲(chǔ)層特征

1.1 大面積分布，低構(gòu)造，低豐度

以鄂爾多斯盆地蘇里格氣田、四川盆地川中地區(qū)須家河組氣藏為代表的大型低滲致密砂巖氣藏以構(gòu)造－巖性氣藏為主，具有平緩構(gòu)造背景，儲(chǔ)層大面積廣泛分布的特征。沉積相有河流相、三角洲相、濱淺湖相等多種類型。層狀儲(chǔ)層往往沉積于濱海環(huán)境，包括三角洲前緣和陸盆沉積。大多數(shù)透鏡體低孔隙度儲(chǔ)層沉積在河流相環(huán)境中[4～6]。

中國(guó)低滲致密砂巖氣藏儲(chǔ)量豐度較低，蘇里格氣田儲(chǔ)量豐度僅為1.32×108m3/km2，為低豐度氣田[7]。川中須家河組氣藏儲(chǔ)量豐度為1×108～3×108m3/km2，為中低豐度天然氣藏[8]。

1.2 低孔滲、強(qiáng)非均質(zhì)性

蘇里格氣田和川中須家河組儲(chǔ)層滲透率0.0001～5mD，孔隙度一般為2%～15%。目前得到有效開發(fā)的致密砂巖層，孔隙度一般都在8%以上，8%～12%多見。

儲(chǔ)層具有嚴(yán)重的非均質(zhì)性，儲(chǔ)層物性在縱、橫向上各向異性明顯，產(chǎn)層厚度和巖性都很不穩(wěn)定。氣藏低滲致密，豐度低，導(dǎo)致開發(fā)動(dòng)用難度大。

1.3 透鏡狀砂體發(fā)育，連續(xù)性差

透鏡狀砂巖主要為河流相沉積，在縱向上呈疊置狀，整體上疊置連片分布，其基質(zhì)滲透率極低。受河流相沉積控制，各砂體規(guī)模大小不一，連通性較差。我國(guó)低滲致密氣藏中透鏡狀儲(chǔ)層儲(chǔ)量占比高達(dá)72% （美國(guó)約為43%），加劇了開發(fā)動(dòng)用難度。

1.4 次生孔隙發(fā)育

壓實(shí) （壓溶）和膠結(jié)作用使低滲致密砂巖儲(chǔ)層孔隙度減少，次生孔隙是最主要的孔隙類型，占孔隙總體積的70%～80%[9]。溶蝕作用是次生孔隙的主要來源，次生孔隙中最有意義的是粒間溶蝕孔。

1.5 孔喉細(xì)小、毛細(xì)管壓力高

毛細(xì)管壓力特別高，排驅(qū)壓力1～2MPa，在50%的潤(rùn)濕相飽和度下，毛細(xì)管壓力達(dá)到7.0MPa。微細(xì)孔喉發(fā)育，小于0.1μm喉道控制孔隙比例超過50%，且隨滲透率的降低，其控制比例升高，最高達(dá)到90%。儲(chǔ)層滲流能力主要受喉道控制，大孔喉不發(fā)育，微細(xì)孔喉發(fā)育，導(dǎo)致儲(chǔ)層滲流能力低，儲(chǔ)量動(dòng)用難。

1.6 無明顯的氣/水界面，氣水關(guān)系復(fù)雜

由于儲(chǔ)層滲透性差，天然氣單靠浮力不能產(chǎn)生長(zhǎng)距離運(yùn)移和大規(guī)模聚集，因此天然氣往往呈區(qū)域性廣泛分布于致密層中，一般無明顯的氣/水界面[10]。在低滲儲(chǔ)層內(nèi)部有一定氣水分異，而致密儲(chǔ)層內(nèi)氣水分異困難。所以低滲致密交互共存的氣藏，儲(chǔ)層氣水關(guān)系十分復(fù)雜。因此，整體上，氣藏氣水分布不受構(gòu)造控制，只在單個(gè)連通體內(nèi)，受構(gòu)造和巖性共同控制。

1.7 含水飽和度高

由于巖樣喉道細(xì)小，毛細(xì)管壓力高，導(dǎo)致儲(chǔ)層含水飽和度高，含水飽和度一般為30%～70%。滲透率越低，殘余水飽和度越高。由小于0.072μm的孔喉控制的水相為難以動(dòng)用的束縛水。儲(chǔ)層高含水給氣藏開發(fā)帶來了一系列難題，如何防水、治水是氣藏有效開發(fā)迫切需要解決的關(guān)鍵問題。

2 儲(chǔ)層滲流機(jī)理

2.1 含水對(duì)氣相滲流能力影響大

不同滲透率巖樣在不同含水飽和度下的氣相滲流能力測(cè)試結(jié)果表明，隨著含水飽和度的增大，氣相滲透率急劇降低；當(dāng)含水飽和度達(dá)到60%～80%時(shí)，氣相滲透率就基本降為零；儲(chǔ)層氣相滲流能力發(fā)生突變的臨界含水飽和度為40%[11]。

2.2 儲(chǔ)層束縛水可轉(zhuǎn)化為可動(dòng)水

對(duì)于氣藏來講，水相一般為潤(rùn)濕相，主要分布在微細(xì)孔喉內(nèi)及巖石表面，氣體賦存在孔隙內(nèi)，微細(xì)孔喉包圍、控制孔隙體，形成氣水互封的狀態(tài)。開發(fā)過程中，氣相產(chǎn)出要突破孔喉處水相的束縛。氣藏開發(fā)過程中，隨著儲(chǔ)層壓力逐步下降，壓力降傳導(dǎo)到孔隙內(nèi)的氣體中時(shí)，氣體體積迅速膨脹，對(duì)孔隙表面水相進(jìn)行擠壓，并對(duì)微細(xì)孔喉處的水相產(chǎn)生推動(dòng)力，這種推動(dòng)力只要大于某一微細(xì)孔喉處的毛細(xì)管力束縛，則這部分微細(xì)孔喉處及其控制的孔隙內(nèi)的殘余水就會(huì)被推動(dòng)，從而運(yùn)移產(chǎn)出，成為可動(dòng)水。對(duì)于低滲致密氣藏，由于微細(xì)孔喉發(fā)育，殘余水飽和度較高，衰竭式開發(fā)過程中壓力梯度大，因而可動(dòng)水產(chǎn)出量較大，嚴(yán)重影響氣藏產(chǎn)能。

2.3 儲(chǔ)層產(chǎn)水主控因素影響

儲(chǔ)層不同水封氣量和可動(dòng)水飽和度下氣井開發(fā)過程中的水侵動(dòng)態(tài)數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，水封氣量和可動(dòng)水飽和度共同影響儲(chǔ)層產(chǎn)水特征 （見圖1）。在水封氣量不足時(shí)，即使可動(dòng)水飽和度較高，由于儲(chǔ)層水相滲透率極低，也難以產(chǎn)水。如川中安岳氣田部分高含水儲(chǔ)層，既不產(chǎn)氣也不產(chǎn)水。在水封氣量充足時(shí)，隨可動(dòng)水飽和度增加，氣井開發(fā)過程中的產(chǎn)水量顯著增加。由此可見，水封氣和可動(dòng)水是低滲致密儲(chǔ)層產(chǎn)水的兩個(gè)必要條件，二者相互作用，可動(dòng)水越多，水封氣量越大，氣井生產(chǎn)過程中的產(chǎn)水量就越大，對(duì)于產(chǎn)能的影響就越顯著。

儲(chǔ)層產(chǎn)水還受驅(qū)替壓力梯度影響，驅(qū)替壓力梯度越大，儲(chǔ)層越容易產(chǎn)水。在高含水飽和度階段，驅(qū)替壓力梯度對(duì)產(chǎn)水的影響更大，在低含水飽和度階段，影響逐漸降低 （圖2）。因而，對(duì)于高含水儲(chǔ)層，在早中期階段，需要適當(dāng)控制生產(chǎn)壓差，避免短時(shí)間內(nèi)大量產(chǎn)水，導(dǎo)致氣井暴性水淹。

圖1 不同水封氣量及可動(dòng)水飽和度下的水侵量

圖2 不同驅(qū)替壓力梯度下的殘余水飽和度

2.4 氣水滲流能力受壓力梯度影響

低滲巖樣在不同壓力梯度下的氣、水兩相相對(duì)滲透率曲線表明，壓力梯度能顯著地影響氣、水相相對(duì)滲透率曲線特征 （見圖3）[12]。隨著壓力梯度的增大，氣相相對(duì)滲透率曲線存在左移的特點(diǎn)，即在相同含水飽和度下，壓力梯度越大，氣相相對(duì)滲透率越低。在較小的壓力梯度下這種影響程度較大，壓力梯度增大到一定范圍后，這種影響減弱。而水相相對(duì)滲透率隨壓力梯度的增大而增大，尤其在較高含水飽和度下這種情況更明顯。隨著壓力梯度的增大，束縛水飽和度點(diǎn)和殘余氣飽和度點(diǎn)都逐漸左移，等滲點(diǎn)也逐漸左移并降低。這說明壓力梯度的增大降低了氣相的滲流能力，提高了水相的滲流能力，導(dǎo)致開發(fā)過程中壓力梯度越大，氣井生產(chǎn)水氣比越高 （圖4）[12]。

圖3 不同壓力梯度下的氣水兩相滲流曲線

圖4 不同驅(qū)替壓力梯度下的生產(chǎn)水氣比

2.5 儲(chǔ)層極易傷害

在鉆井和壓裂時(shí)，高毛細(xì)管壓力使得儲(chǔ)層極易吸收泥漿濾液或壓裂夜，造成儲(chǔ)層污染。各種作業(yè)過程中侵入的流體及在生產(chǎn)過程中因近井地帶溫度、壓力降低由于凝析作用產(chǎn)生的液體 （包括油和水），由于地層能量的不足不能采出而滯留在近井地帶，形成液相滯留傷害，使近井地帶的氣相滲透率降低。含凝析油條件下的相滲測(cè)試對(duì)比結(jié)果表明，儲(chǔ)層內(nèi)含凝析油后，液相滲流能力降低，液相排出難度加大；液相飽和度增加，大幅降低氣相滲流能力。在束縛液相飽和度的基礎(chǔ)上，液相飽和度增加10%，氣相滲透率降低50%左右。其他類型的儲(chǔ)層傷害有泥漿顆粒侵入、巖石－流體反應(yīng) （黏土膨脹）、微粒運(yùn)移和潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)等。

3 有效開發(fā)對(duì)策

3.1 富集區(qū)優(yōu)選

低滲致密砂巖氣藏有效開發(fā)的前提是準(zhǔn)確優(yōu)選富集有效開發(fā)區(qū)。低滲致密氣藏儲(chǔ)量動(dòng)用性差，需要從儲(chǔ)量大小、儲(chǔ)量動(dòng)用性和動(dòng)用速度三個(gè)方面出發(fā)，結(jié)合儲(chǔ)層靜、動(dòng)態(tài)特征，形成相應(yīng)的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法，在該基礎(chǔ)上結(jié)合地質(zhì)特征，進(jìn)一步優(yōu)選有效開發(fā)區(qū)，優(yōu)先開發(fā) “甜點(diǎn)”，技術(shù)成熟后，再逐步開發(fā)致密區(qū)，實(shí)現(xiàn)有序、滾動(dòng)開發(fā)。

從儲(chǔ)量大小、可動(dòng)用性及動(dòng)用速度3個(gè)方面篩選了7個(gè)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)：孔隙度、滲透率、含氣飽和度、儲(chǔ)層有效厚度、主流喉道半徑、閾壓梯度和可動(dòng)水飽和度[13，14]，構(gòu)建了低滲砂巖含水氣藏儲(chǔ)層綜合分類評(píng)價(jià)參數(shù)體系。該參數(shù)體系能綜合反映低滲砂巖含水氣藏儲(chǔ)層滲流及開發(fā)的靜、動(dòng)態(tài)特征。應(yīng)用模糊分析法和灰色關(guān)聯(lián)度分析法對(duì)川中須家河組部分儲(chǔ)層進(jìn)行了分類評(píng)價(jià)，所得的儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示[12]。

廣安地區(qū)須家河組自下而上劃分為六段，分別為須一段～須六段。圖5和圖6是廣安2井區(qū)須六段120km2儲(chǔ)層和廣安106井區(qū)須四段400km2儲(chǔ)層評(píng)價(jià)圖，在此基礎(chǔ)上優(yōu)選了須六段中南部和須四段西北翼和南部為局部有效富集開發(fā)區(qū)。在富集區(qū)優(yōu)選時(shí)應(yīng)注重地質(zhì)與地震 （二維、三維地震、微地震）相結(jié)合，靜態(tài)資料與動(dòng)態(tài)資料相結(jié)合。

表1 儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

圖5 廣安2井區(qū)須六段儲(chǔ)層區(qū)塊評(píng)價(jià)圖

圖6 廣安106井區(qū)須四段儲(chǔ)層區(qū)塊評(píng)價(jià)圖

3.2 井位優(yōu)選

對(duì)于低滲致密產(chǎn)水氣藏，需要繪制儲(chǔ)層可動(dòng)水飽和度平面和垂向分布圖，優(yōu)先選擇可動(dòng)水飽和度低的區(qū)域布井，然后再根據(jù)可動(dòng)水飽和度的垂向分布規(guī)律，選擇低產(chǎn)水層位射孔，確保射孔的有效性，提高氣層產(chǎn)氣能力，降低產(chǎn)水風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)于可動(dòng)水飽和度較高的區(qū)域，如需布井，應(yīng)當(dāng)提前考慮配套的防水和排水工藝措施，在氣井完井階段實(shí)施相關(guān)措施，為后期有效排水提供方便。圖7和圖8是廣安氣田2井區(qū)須六段和廣安106井區(qū)須四段儲(chǔ)層可動(dòng)水飽和度平面分布圖。廣安2井區(qū)須六段儲(chǔ)層總體可動(dòng)水飽和度分布在5.8%～10%之間，儲(chǔ)層中南部可動(dòng)水飽和度較低，為低產(chǎn)水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)塊。廣安106井區(qū)須四段可動(dòng)水飽和度總體較高，分布在8%～13%之間，中部?jī)?chǔ)層可動(dòng)水飽和度較低 （8%～10%），為較低產(chǎn)水區(qū)，西南和東南兩翼可動(dòng)水飽和度高，產(chǎn)水風(fēng)險(xiǎn)大。

圖7 廣安2井區(qū)須六層可動(dòng)水飽和度分布圖

圖8 廣安106井區(qū)須四層可動(dòng)水飽和度分布圖

3.3 開發(fā)方式優(yōu)化 （直井與水平井）

水平井開發(fā)低滲致密氣藏能有效增加井控儲(chǔ)量，提高單井產(chǎn)量，減少氣井井?dāng)?shù)，降低開發(fā)成本，便于氣田開發(fā)管理，具有明顯的優(yōu)勢(shì)[15，16]。但并非所有的儲(chǔ)層都適合水平井開發(fā)，存在臨界儲(chǔ)層厚度。當(dāng)儲(chǔ)層厚度小于臨界厚度時(shí)更適合水平井開采，反之更適合直井開采。儲(chǔ)層滲透率不同，則對(duì)應(yīng)的適合水平井開發(fā)的臨界儲(chǔ)層厚度不同 （見圖9）。

3.4 密井網(wǎng)

低滲致密含水儲(chǔ)層存在閾壓梯度，井控儲(chǔ)量低，開發(fā)一般采用逐漸加密方法。鉆加密井是低滲致密砂巖氣藏提高產(chǎn)量和采收率的重要手段，加密鉆井后，可增加氣田產(chǎn)量約56%～100%，增加整體井控儲(chǔ)量10%～60%。一個(gè)氣藏的最終井網(wǎng)密度，要經(jīng)過幾年的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料積累，并逐漸將井網(wǎng)加密到適度才能確定下來。蘇里格氣田蘇6加密區(qū) （生產(chǎn)時(shí)間超過6a）實(shí)施20口加密井，井距已加密到400～600m。蘇14加密區(qū)實(shí)施加密井10口，與原有8口老井配合，最小井距300m。

3.5 控壓開采

合理制定氣井生產(chǎn)制度，對(duì)于提高單井產(chǎn)量至關(guān)重要。低滲致密砂巖高含水氣藏放壓和控壓開采條件下的氣藏開發(fā)動(dòng)態(tài)物理模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，放壓開發(fā)采氣速度快，采氣時(shí)間短，但累計(jì)產(chǎn)氣量和采收率相對(duì)較低 （見圖10）?？貕洪_采能更加有效地利用地層壓力，單位壓降采氣量更高，采收率也更高。在5MPa的相同廢棄壓力下，控壓開采比放壓開采的采收率更高。這主要是由于放壓開采過程中，儲(chǔ)層內(nèi)壓差更大，更易產(chǎn)生氣水兩相滲流，導(dǎo)致氣相滲流阻力加大。

3.6 合理配產(chǎn)

在氣藏合理配產(chǎn)過程中，需要根據(jù)儲(chǔ)層滲流特征，選擇合適理論方法計(jì)算無阻流量和配產(chǎn)。蘇里格儲(chǔ)層具有較強(qiáng)的壓敏效應(yīng)，考慮壓敏效應(yīng)與否，無阻流量計(jì)算結(jié)果差別較大。在配產(chǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮壓敏效應(yīng)的影響。對(duì)于蘇里格氣田，配產(chǎn)越低，對(duì)儲(chǔ)層的傷害越??；但另一方面，產(chǎn)量要能滿足攜液要求。綜合考慮，確定蘇里格氣田合理配產(chǎn)為無阻流量的1/5～1/6。

3.7 壓裂、酸化

目前國(guó)內(nèi)外比較成功的幾種壓裂、酸化工藝主要有：①大型水力壓裂；②大型再壓裂 （二次壓裂）；③限流量壓裂；④泡沫壓裂；⑤醇處理。通過醇處理近井地帶，可減少濾液對(duì)地層的傷害。其作用為：一是降低液相的界面張力，從而降低毛細(xì)管阻力；二是醇與濾液混合后可有較低的共沸點(diǎn)，返排時(shí)易于成為氣態(tài)物排出；此外，醇還有使膨脹黏土收縮的作用，從而使地層滲透率得以恢復(fù)。

圖9 適合水平井開發(fā)的臨界厚度圖版

圖10 氣藏放壓和控壓開采物模結(jié)果 （累計(jì)產(chǎn)氣量）

低滲致密氣藏孔喉微細(xì)，固液作用強(qiáng)，極易受到外來液傷害，需要進(jìn)一步提升壓裂酸化增產(chǎn)改造水平，開發(fā)低傷害壓裂液，實(shí)現(xiàn)人工裂縫與井網(wǎng)的合理匹配，改善近井地帶的滲流能力，解除近井地帶污染，提高低滲氣藏的產(chǎn)量和采收率。

3.8 加強(qiáng)儲(chǔ)層保護(hù)

低滲致密儲(chǔ)層極易受傷害，且傷害具有不可恢復(fù)性，因而需要更加重視對(duì)儲(chǔ)層的保護(hù)。降低鉆井和完井過程中對(duì)地層的損害，正確地鑒定和封隔氣藏，提高水力壓裂設(shè)計(jì)和質(zhì)量水平，可更好地開采低滲致密砂巖氣藏。國(guó)內(nèi)外實(shí)踐表明，采用空氣鉆井或負(fù)壓鉆井和新的壓裂液有助于降低地層損害[17，18]。

3.9 強(qiáng)化排水采氣

低滲致密氣藏的有效開發(fā)在很大程度上取決于如何將儲(chǔ)層壓力有效釋放，使得更多的天然氣依靠彈性膨脹能量采出。儲(chǔ)層中水相的存在，使得地層壓力難以整體下降，壓力降在近井地帶呈現(xiàn)。另外，水相在近井地帶和井筒聚集嚴(yán)重降低氣相滲流能力，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致氣井水淹。需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)變思想，建立 “要采氣先排水”的開發(fā)思路。川中須家河組氣藏排水采氣實(shí)踐表明，泡沫排水采氣和優(yōu)選管柱的排水采氣工藝對(duì)增產(chǎn)具有顯著效果，已累計(jì)增產(chǎn)天然氣約2400×104m3。

3.10 增壓開采

開發(fā)動(dòng)態(tài)物理模擬試驗(yàn)表明，開發(fā)后期氣藏采出程度與廢棄壓力呈反比，廢棄壓力越低，采收率越高。氣藏開發(fā)過程中，應(yīng)最大限度地降低氣藏廢棄壓力。在地面管線入口壓力一定的條件下，通過增壓開采能有效降低氣藏廢棄壓力。西南油氣田2011年氣區(qū)增壓處理量已經(jīng)占年產(chǎn)氣量比例的46%。

4 結(jié)論

1）低滲致密砂巖含水氣藏具有大面積分布、低構(gòu)造、低孔滲、強(qiáng)非均質(zhì)性，次生孔隙發(fā)育，孔喉細(xì)小，毛細(xì)管壓力高，無明顯的氣/水界面，氣水關(guān)系復(fù)雜，含水飽和度高等儲(chǔ)層特征。

2）儲(chǔ)層水相對(duì)氣相滲流能力影響顯著；在氣水互封狀態(tài)下，氣體彈性膨脹導(dǎo)致部分束縛水轉(zhuǎn)化為可動(dòng)水；氣、水兩相滲流能力受壓力梯度影響，壓力梯度增大，氣相滲流能力降低，水相滲流能力升高。

3）基于儲(chǔ)層特征及滲流機(jī)理認(rèn)識(shí)，提出了針對(duì)性的開發(fā)對(duì)策：①加強(qiáng)富集區(qū)優(yōu)選，從儲(chǔ)量大小、儲(chǔ)量動(dòng)用性和動(dòng)用速度三個(gè)角度出發(fā)，結(jié)合儲(chǔ)層靜、動(dòng)態(tài)特征，形成相應(yīng)的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法，在此基礎(chǔ)上結(jié)合地質(zhì)特征，優(yōu)選富集區(qū)，實(shí)現(xiàn)有序、滾動(dòng)開發(fā)；②根據(jù)儲(chǔ)層可動(dòng)水飽和度分布，優(yōu)選井位、射孔層位，降低產(chǎn)水風(fēng)險(xiǎn)；③依據(jù)臨界儲(chǔ)層厚度圖版，選擇合適井型；④采用密井網(wǎng)開發(fā)；⑤控壓開采；⑥根據(jù)儲(chǔ)層性質(zhì)，合理配產(chǎn)；⑦提升壓裂酸化增產(chǎn)改造水平，開發(fā)低傷害壓裂液；⑧采用空氣鉆井或負(fù)壓鉆井，降低地層損害；⑨強(qiáng)化排水采氣，建立 “要采氣，先排水”的開發(fā)思路；⑩增壓開采，提高采收率。

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