CN107652963A - 一种天然气泡沫稳泡剂体系及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然气泡沫稳泡剂体系,由以下质量百分比的组分组成:纳米颗粒分散液22.7%‑56.8%,表面活性剂0.006%‑0.01%,矿化水5000‑100000mg·L‑1。本发明还公开了一种天然气泡沫稳泡剂体系的制备方法,步骤包括:常温下将NaCl或者CaCl2加入水中搅拌均匀制备成矿化水,按配比取各组分,首先加入EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠,然后再加入纳米SiO2颗粒分散液,搅拌均匀,即得天然气泡沫体系。本发明中表面改性带正电的纳米SiO2与EO数为3的阴‑非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠具有显著的协同效应,既能提高天然气起泡能力,又能大幅度增强天然气泡沫稳定性,极大促进天然气泡沫体系在油气田开发三次采油中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及油田化学领域,尤其是一种天然气泡沫稳泡剂体系及其制备方法。
背景技术
目前,在我国油田开发过程中,注气驱是常用的提高采收率技术之一,但是由于气体较高的流度以及油藏的非均质性,容易产生粘性指进现象,导致其较低的波及系数,提高采收率效用有限。泡沫作为一种气液两相混合流体在地层中往往表现出较高的表观粘度。而且,泡沫能封堵高渗层,提高低渗层的波及系数;遇油破灭,遇水稳定,对油水具有选择性封堵的性能。因此,在油田高含水、地层非均质性日益突出的情况下,泡沫体系对进一步提高油藏采收率具有重要意义。但是由于泡沫体系为热力学不稳定体系,而且,受油相的影响,油藏条件下稳定性会更差,使得泡沫驱的应用受到限制。
目前对泡沫体系起泡剂的研发主要集中在表面活性剂的合成或复配,所得到的泡沫体系虽然可以产生足够的泡沫体积,但是其半衰期较短、稳定性差。为了增强稳定性,常常在起泡剂中加入聚丙烯酰胺等聚合物,该类物质虽然能够起到增强泡沫稳定性的作用,但是其起泡体积低,高盐易降粘,高温易分解,不利于其在高温高盐油藏中使用,并且遗留的有机物残渣也会造成地层的损害,因此,寻求一种在高温高盐环境下起泡高效且稳定性好的泡沫体系是开发泡沫驱油技术的一个关键任务。现有技术中对阴离子表面活性剂(SDS)和疏水纳米二氧化硅(SiO2)颗粒共同稳定的空气泡沫的稳定性能进行了实验研究。结果表明,疏水纳米SiO2颗粒可以增强空气泡沫的稳定性,纳米SiO2的疏水基团与SDS的疏水链间具有疏水相互作用,纳米SiO2被吸引到气液界面形成骨架结构,增加泡沫机械强度,起到稳定泡沫的作用,而且当SDS和SiO2含量分别为0.5%和1.5%时,泡沫的稳定性最好。但是,随着CaCl2的加入,SDS/SiO2体系的起泡体积和稳定性能均有所降低,疏水改性纳米SiO2与SDS头基均带负电荷,两者之间还存在静电斥力作用,会抵消两者之间的部分吸引力,减弱纳米SiO2在气液界面的吸附作用,进而影响泡沫的稳定性。现在国内外研究的泡沫主要集中在空气、氮气、二氧化碳及烟道气等形成的泡沫体系,而对于天然气泡沫体系及其稳定性研究却很少有报道。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足,提供一种天然气泡沫稳泡剂体系及其制备方法,该体系通过纳米颗粒与表面活性剂的协同作用,具有很好的天然气泡沫起泡性和稳泡性,同时天然气泡沫具有耐温和抗盐的特性。
为实现上述目的,本发明采用下述技术方案:
一种天然气泡沫稳泡剂体系,由以下质量百分比的组分组成:纳米SiO2颗粒分散液2.8%-56.8%,表面活性剂0.001%-0.012%,其余为矿化水。
所述纳米SiO2颗粒分散液是由粒径为10-15nm的表面改性带正电的纳米SiO2颗粒均匀分散在水中组成,其中有效固含量为17.6%。
优选的,所述一种天然气泡沫稳泡剂体系,由以下质量百分比的组分组成:纳米SiO2颗粒分散液22.7%-56.8%,表面活性剂0.006%-0.01%,其余为矿化水。
优选的,所述表面改性带正电的纳米SiO2颗粒表面由Al2O3覆盖,Al2O3在纳米SiO2颗粒分散液中的的固含量为2.3%。所述改性纳米SiO2颗粒分散液可市场购买,阿拉丁试剂(上海)有限公司有售。也可按现有技术制备。
优选的,所述表面活性剂为阴-非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠。
优选的,所述脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠的氧乙烯基团(EO)数量为3。
优选的,所述矿化水由NaCl或者CaCl2配制而成,其质量浓度为5000-100000mg·L-1。
本发明还公开了一种天然气泡沫稳泡剂体系的制备方法,步骤为:
常温下将NaCl或者CaCl2加入水中搅拌均匀制备成矿化水,按配比取各组分,首先加入EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠,然后再加入纳米SiO2颗粒分散液,搅拌均匀,即得天然气泡沫稳泡剂体系。该体系通过纳米颗粒/表面活性剂协同作用来提高天然气泡沫起泡性和稳泡性,并适用于高温高盐环境。
根据本发明,所述天然气泡沫稳泡剂体系应用在石油开采的气驱或者泡沫驱采油过程中。
本发明的有益效果是:
(1)本发明选用的纳米SiO2颗粒和脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠表面活性剂在水溶液中能够产生较强的相互作用。这主要是因为选用的纳米SiO2为表面改性的带正电的颗粒,脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠为阴-非离子表面活性剂,两者之间既因为带相反电荷存在静电相互吸引力,同时,脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠又含有氧乙烯基团,在水溶液中,这些氧乙烯醚基团与纳米SiO2表面的硅醇基之间能够产生氢键作用,因而具有更强的相互作用。而且,脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠兼具阴离子型和非离子型表面活性剂的优点,既可以避免阴离子型表面活性剂耐盐性差的缺陷,又可以避免非离子表面活性剂抗岩石吸附能力差的缺点。
(2)本发明选用的纳米SiO2颗粒和脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠可产生协同作用,两者复合使用能够产生明显优于单一体系的效果,表现为具有更好的起泡性和泡沫稳定性。这主要是因为带正电的纳米SiO2颗粒和脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠在水溶液中复合使用产生一种粘性絮凝体,和天然气混合时,由于甲烷分子与脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠的EO基团产生相互作用,与氮气、二氧化碳相比,更容易吸附到絮凝体上,絮凝体包裹天然气形成粘性气泡,汇集具有粘性膜的泡沫。由于粘性膜的密闭性,其可有效抑制泡沫液膜内液体的流失,减少天然气的扩散,有效避免大气泡越来越大、小气泡越来越小直至消失的现象的发生。同时,粘性膜又具有一定的可变形性,对外界干扰造成的气泡形变具有一定的修复功能,因而能够提高天然气泡沫的稳定性。
(3)在高温高盐条件下,纳米SiO2颗粒/脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠协同产生的天然气泡沫表现出优异的起泡性和长期稳定性。NaCl和CaCl2均能够起到提高脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠降低表面张力效率和能力的作用,促使脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠形成蠕虫状胶束溶液,而且,CaCl2的作用强于NaCl。这是因为Ca离子除了吸附在脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠胶束表面,还有一部分***到带有非离子表面活性剂特征的氧乙烯基团(EO)附近,和EO基团发生络合作用,从而提高反离子促进胶束增长的能力。故,NaCl和CaCl2能够促进纳米SiO2颗粒和脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠间的相互作用,进而增强天然气泡沫的稳定性。
(4)脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠中的EO数为3。EO数过多或者过少,均会影响脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠在水溶液中的溶解性,进而影响其和纳米SiO2颗粒的相互作用。
(5)天然气与水间的界面张力随着压力、温度的升高而降低,而且低于空气与水的界面张力。而且,油藏中天然气储量丰富,方便就地取材,其碳氢组分和水相起泡剂更易于形成泡沫,并且天然气溶于油后可降低油相粘度,均为天然气泡沫的发展应用提供有利条件。
(6)本发明中表面改性带正电的纳米SiO2颗粒分散液与阴-非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠具有显著的协同效应,既能提高天然气起泡能力,又能大幅度增强天然气泡沫稳定性,极大促进天然气泡沫体系在油气田开发三次采油中的应用。
附图说明
图1是由NaCl配制的矿化水,在100000mg·L-1矿化度时,22.7%纳米SiO2颗粒分散液、0.006%EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠及其两者复合体系所产生的天然气泡沫的起泡高度及泡沫高度随时间的变化图;图中NPS和APES分别指改性纳米SiO2颗粒分散液和EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠;
图2是纳米SiO2颗粒分散液/EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠复合体系和纳米SiO2颗粒分散液/十二烷基苯硫酸钠复合体系天然气泡沫高度随时间变化对比图;纳米SiO2颗粒分散液质量分数为22.7%,EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基硫酸钠质量分数皆为0.006%;图中SDS指十二烷基硫酸钠;
图3是在50℃、NaCl配制的100000mg·L-1的矿化水环境下,纳米SiO2颗粒分散液/EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠复合体系和纳米SiO2颗粒分散液/十二烷基苯硫酸钠复合体系天然气泡沫高度随时间变化对比图;纳米SiO2颗粒分散液/质量分数为22.7%,EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基硫酸钠质量分数皆为0.006%;
图4是在50℃、不同NaCl浓度时,22.7%纳米SiO2颗粒分散液/0.006%EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠复合体系天然气泡沫高度随时间变化图;
图5是在50℃、不同CaCl2浓度时,22.7%纳米SiO2颗粒分散液/0.006%EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠复合体系天然气泡沫高度随时间变化图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本实施例中采用的纳米SiO2颗粒分散液为市售产品,购自阿拉丁试剂(上海)有限公司,其中纳米SiO2颗粒分散液为表面改性带正电的纳米SiO2颗粒分散悬浮液,分散剂为水,颗粒粒径为10-15nm,有效固含量17.6%。纳米SiO2颗粒表面由Al2O3覆盖,Al2O3在纳米SiO2颗粒分散液中的固含量2.3%;表面活性剂为阴-非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠,含有3个氧乙烯基团。
实施例1
一种天然气泡沫稳泡剂体系,由以下质量百分比的组分组成:纳米SiO2颗粒分散液22.7%,EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠0.006%,其余为矿化水,所述矿化水由NaCl配制而成,总矿化度为100000mg·L-1。
制备方法如下:常温下将NaCl加入水中搅拌均匀制备成矿化水,取0.1gEO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠,溶于1665.9g矿化水中,搅拌均匀,得到0.006%EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠水溶液,从中取15.46g,逐渐加入4.54g纳米SiO2颗粒分散液,混合均匀,即得适合于高温高盐环境的天然气泡沫稳泡剂体系。
泡沫性质评价实验,如图1所示,在NaCl配制的100000mg·L-1的矿化水环境下,单独22.7%纳米SiO2颗粒分散液只能产生非常少量的泡沫,起泡能力很差,不能有效产生泡沫;单独0.006%EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠体系可产生较多泡沫,起泡能力较好,但泡沫半衰期仅为3.7小时,泡沫稳定性较差;22.7%纳米SiO2颗粒分散液/0.006%EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠复合体系可产生大量泡沫,泡沫半衰期为115小时,远远优于单一体系。纳米SiO2颗粒分散液/EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠复合体系协同效果显著,能够产生更多的泡沫,而且泡沫稳定时间更长,即两者复合使用具有更好的起泡性和泡沫稳定性,能够产生明显优于单一体系的效果。这主要是因为带正电的纳米SiO2颗粒和EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠在水溶液中能够产生较强的相互作用,既存在静电相互吸引作用,又具有氢键作用。两者复合使用产生一种粘性絮凝体,可形成具有自我修复功能的粘性膜,起到稳定天然气泡沫的效果。
实施例2
一种天然气泡沫稳泡剂体系,由以下质量百分比的组分组成:纳米SiO2颗粒分散液22.7%,EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠0.006%,其余为矿化水,所述矿化水由CaCl2配制而成,总矿化度为100000mg·L-1。
制备方法如下:常温下将CaCl2加入水中搅拌均匀制备成矿化水,取0.1gEO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠,溶于1665.9g矿化水中,搅拌均匀,得到0.006%EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠水溶液,从中取15.46g,逐渐加入4.54g纳米SiO2颗粒分散液,混合均匀,即得适合于高温高盐环境的天然气泡沫稳泡剂体系。
泡沫性质评价实验,在CaCl2配制的100000mg·L-1的矿化水环境下,单独22.7%纳米SiO2颗粒分散液起泡能力很差,不能有效产生泡沫;单独0.006%EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠体系可产生较多泡沫,泡沫半衰期为3.9小时;22.7%纳米SiO2颗粒分散液/0.006%EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠复合体系可产生大量泡沫,泡沫半衰期为121小时,远远优于单一体系。
实施例3
一种天然气泡沫稳泡剂体系,由以下质量百分比的组分组成:纳米SiO2颗粒分散液56.8%,EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠0.012%,其余为矿化水,所述矿化水由NaCl配制而成,总矿化度为100000mg.L-1。
制备方法如下:常温下将NaCl加入水中搅拌均匀制备成矿化水,取0.2gEO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠,溶于1665.8g矿化水中,搅拌均匀,得到0.012%EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠水溶液,从中取8.64g,逐渐加入11.36g纳米SiO2颗粒分散液,混合均匀,即得适合于高温高盐环境的天然气泡沫稳泡剂体系。
泡沫性质评价实验,在NaCl配制的100000mg·L-1的矿化水环境下,单独56.8%纳米SiO2颗粒分散液起泡能力很差,不能有效产生泡沫;单独0.012%EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠体系可产生较多泡沫,泡沫半衰期为5.4小时;56.8%纳米SiO2颗粒分散液/0.012%EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠复合体系可产生大量泡沫,泡沫半衰期为158小时,远远优于单一体系。
实施例4
一种天然气泡沫稳泡剂体系,由以下质量百分比的组分组成:纳米SiO2颗粒分散液56.8%,EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠0.012%,其余为矿化水,所述矿化水由CaCl2配制而成,总矿化度为100000mg·L-1,
制备方法如下:常温下将CaCl2加入水中搅拌均匀制备成矿化水,取0.2gEO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠,溶于1665.8g矿化水中,搅拌均匀,得到0.012%EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠水溶液,从中取8.64g,逐渐加入11.36g纳米SiO2颗粒分散液,混合均匀,即得适合于高温高盐环境的天然气泡沫稳泡剂体系。
泡沫性质评价实验,在CaCl2配制的100000mg·L-1的矿化水环境下,单独56.8%纳米SiO2颗粒分散液起泡能力很差,不能有效产生泡沫;单独0.012%EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠体系可产生较多泡沫,泡沫半衰期为5.7小时;56.8%纳米SiO2颗粒分散液/0.012%EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠复合体系可产生大量泡沫,泡沫半衰期为164小时,远远优于单一体系。
实施例5
一种天然气泡沫稳泡剂体系,由以下质量百分比的组分组成:纳米SiO2颗粒分散液56.8%,EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠0.006%,其余为矿化水,所述矿化水由NaCl配制而成,总矿化度为100000mg·L-1。
制备方法如下:常温下将NaCl加入水中搅拌均匀制备成矿化水,取0.1gEO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠,溶于1665.9g矿化水中,搅拌均匀,得到0.006%EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠水溶液,从中取8.64g,逐渐加入11.36g纳米SiO2颗粒分散液,混合均匀,即得适合于高温高盐环境的天然气泡沫稳泡剂体系。
泡沫性质评价实验,50℃、NaCl配制的100000mg·L-1的矿化水环境下,单独56.8%纳米SiO2颗粒分散液起泡能力很差,不能有效产生泡沫;单独0.006%EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠体系产生一些泡沫,泡沫半衰期为0.4小时;56.8%纳米SiO2颗粒分散液/0.006%EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠复合体系可产生大量泡沫,泡沫半衰期为79小时,远远优于单一体系。
实施例6
一种天然气泡沫稳泡剂体系,由以下质量百分比的组分组成:纳米SiO2颗粒分散液56.8%,EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠0.006%,其余为矿化水,所述矿化水由CaCl2配制而成,总矿化度为100000mg·L-1,
制备方法如下:常温下将CaCl2加入水中搅拌均匀制备成矿化水,取0.1gEO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠,溶于1665.9g矿化水中,搅拌均匀,得到0.006%EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠水溶液,从中取8.64g,逐渐加入11.36g纳米SiO2颗粒分散液,混合均匀,即得适合于高温高盐环境的天然气泡沫稳泡剂体系。
泡沫性质评价实验,50℃、CaCl2配制的100000mg·L-1的矿化水环境下,单独56.8%纳米SiO2颗粒分散液起泡能力很差,不能有效产生泡沫;单独0.006%EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠体系产生一些泡沫,泡沫半衰期为0.5小时;56.8%纳米SiO2颗粒分散液/0.006%EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠复合体系可产生大量泡沫,泡沫半衰期为83小时,远远优于单一体系。
如图2所示,纳米SiO2颗粒分散液/十二烷基硫酸钠复合体系也具有协同效应,即两者复合体系的起泡性和泡沫稳定性均高于单一体系。但是与纳米SiO2颗粒分散液/脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠复合体系相比,后者的起泡性和泡沫稳定性明显更好。这主要是因为EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠含有十二烷基硫酸钠所不具有的EO基团,EO基团与纳米SiO2可形成氢键作用,进一步增强纳米SiO2和脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠之间的协同作用。
如图3所示,50℃、NaCl配制的100000mg·L-1的矿化水环境下,纳米SiO2颗粒分散液/EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠复合体系天然气泡沫的半衰期为115小时,稳定性显著强于同等条件下纳米SiO2颗粒分散液/十二烷基硫酸钠复合体系天然气泡沫(半衰期为38小时)。
如图4所示,50℃条件下,当NaCl浓度介于5000到100000mg·L-1时,可以显著增强纳米SiO2颗粒分散液/EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠复合体系天然气泡沫的稳定性,说明此复合体系天然气泡沫适合高温高盐环境。
如图5所示,50℃条件下,当CaCl2浓度介于5000到100000mg·L-1时,可以显著增强纳米SiO2颗粒分散液/EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠复合体系天然气泡沫的稳定性,说明此复合体系天然气泡沫适合高温高盐环境。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种天然气泡沫稳泡剂体系,其特征是,由以下质量百分比的组分组成:纳米颗粒分散液2.8%-56.8%,表面活性剂0.001%-0.012%,其余为矿化水;
所述纳米SiO2颗粒分散液是由粒径为10-15nm的表面改性带正电的纳米SiO2颗粒均匀分散在水中组成,其中有效固含量为17.6%。
2.如权利要求1所述的一种天然气泡沫稳泡剂体系,其特征是,由以下质量百分比的组分组成:纳米颗粒分散液22.7%-56.8%,表面活性剂0.006%-0.012%,其余为矿化水。
3.如权利要求1所述的一种天然气泡沫稳泡剂体系,其特征是,所述表面改性带正电的纳米SiO2颗粒表面由Al2O3覆盖,Al2O3在纳米SiO2颗粒分散液中的固含量为2.3%。
4.如权利要求1所述的一种天然气泡沫稳泡剂体系,其特征是,所述表面活性剂为阴-非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠。
5.如权利要求4所述的一种天然气泡沫稳泡剂体系,其特征是,所述脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠的氧乙烯基团数量为3。
6.如权利要求1所述的一种天然气泡沫稳泡剂体系,其特征是,所述矿化水由NaCl或CaCl2配制而成,总矿化度为5000-100000mg·L-1。
7.如权利要求1-6任一项所述的天然气泡沫稳泡剂体系用于石油开采气驱或者泡沫驱的用途。
8.如权利要求4所述的一种天然气泡沫稳泡剂体系的制备方法,其特征是,步骤如下:常温下将NaCl或者CaCl2加入水中搅拌均匀制备成矿化水,按配比取各组分,首先加入EO数为3的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠,然后再加入纳米SiO2颗粒分散液,搅拌均匀,即得一种天然气泡沫稳泡剂体系。
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