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粒徑對油井水泥水化熱及力學性能的影響

文檔作者：黃錦1　姚曉1，2 姜祥1　王志國3　呂志國3　李志遠3 文檔來源： 1. 南京工業(yè)大學材料科學工程學院 2. 江蘇先進生物與化學制造協(xié)同創(chuàng)新中心 3. 中石化華東石油工程有限公司鉆井處		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月26日
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第34 卷 第2 期
2017 年3 月
Vol. 34 No. 2
Mar. 2017
鉆 井 液 與 完 井 液
DRILLING FLUID &amp;amp; COMPLETION FLUID
doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2017.02.016
粒徑對油井水泥水化熱及力學性能的影響
黃錦1，　姚曉1，2*，　姜祥1，　王志國3，　呂志國3，　李志遠3
（1. 南京工業(yè)大學材料科學工程學院，南京 210023 ；2. 江蘇先進生物與化學制造協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210023 ；
3. 中石化華東石油工程有限公司鉆井處，江蘇揚州 210019）
黃錦，姚曉，姜祥，等. 粒徑對油井水泥水化熱及力學性能的影響[J]. 鉆井液與完井液，2017，34（2）：87-92.
HUANG Jin，YAO Xiao，JIANG Xiang，et al.Effects of particle size on hydration heat and mechanical performance of
cement[J]. Drilling Fluid &amp;amp; Completion Fluid，2017，34（2）：87-92.
摘要　油井水泥的粒徑與其性能和用途密切相關，考察了3 種粉磨方式下不同粒徑分布油井水泥漿的性能。利用等溫
量熱儀（ICC）、X 射線衍射分析儀（XRD）、壓汞儀（MIP）和掃描電鏡（SEM）分別測試了不同粒徑水泥顆粒早期水化放
熱速率、水泥石水化產(chǎn)物、孔結構及顆粒微觀形貌。結果表明，物理粉磨方法只能將顆粒超細化，不能納米化；相同水灰
比的水泥漿，其原料顆粒粒徑分布對漿體密度、水化產(chǎn)物無明顯影響。但隨水泥顆粒粒徑的減小，漿體稠化時間縮短、流
變性變差、析水率降低，穩(wěn)定性增加。同時，超細水泥顆粒反應活性增強，水化放熱量及放熱速率增加，水灰比為0.5 的0.013
mm 超細水泥（MC1000-0.5）24 h 累積水化放熱量較水灰比為0.5 的普通G 級水泥（G-0.5）提高了91.03%。在短期內(nèi)生成
了更多的水化產(chǎn)物，提高了水泥石早期強度及抗?jié)B性能，且降低了水泥石的總孔隙率，水灰比為0.7 的0.013 mm 超細水泥
（MC1000-0.7）水泥石的1 d 齡期抗壓、抗折強度較水灰比為0.7 的普通G 級水泥（G-0.7）分別提高了226.32%、153.13%，
其28 d 齡期總孔隙率及滲透率較G-0.7 水泥石分別降低了10.1% 及41.7%，但后期抗壓強度增長幅度不大。
關鍵詞　擠水泥；超細水泥；納米水泥；粒徑分布；水化熱；力學性能；粉磨制備
中圖分類號：TE256.6　　　　文獻標識碼：A　　　　文章編號：1001-5620（2017）02-0087-06
Effects of Particle Size on Hydration Heat and Mechanical Performance of Cement
HUANG Jin1, YAO Xiao1, 2, JIANG Xiang1, WANG Zhiguo3, LV Zhiguo3, LI Zhiyuan3
(1. College of Material Science and Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 457001;
2. The Synergetic Innovation Center for Advanced Materials, Nanjing 210023;
3. Department of Drilling, Sinopec East China Petroleum Engineering Co. Ltd., Yangzhou, Jiangsu 210019)
Abstract The particle sizes of oil well cement are closely related to its performance and use. Oil well cements of different particle
size distribution obtained with three grinding methods have been studied for their early hydration exothermic rate (rate of hydration
heat liberation), hydration product of set cement, pore structure and the micro-morphology of particles using ICC, XRD MIP and
SEM experiments. It was shown that physical grinding cannot produce nano particles; it can only produce ultra-fine particles. Particles
size distributions of cement slurries with the same water/cement ratio had no appreciable effect on the density of the slurries and the
hydration products. On the other hand, cement slurries with smaller particle sizes had shortened thickening time, poor rheology, reduced
percentage of free water, and better stability. Meanwhile, ultra-fine cement particles had enhanced hydration reactivity and higher
hydration heat and hydration exothermic rate. The cumulative hydration heat released in 24 hours of a 0.013 mm ultra-fine cement
(MC1000-0.5) was 91.03% higher than that of conventional class G cement (G-0.5) at the same water/cement ratio of 0.5. The ultra-fine
particle cement produced more hydration products in a short period, and the set cement had improved early strength and impervious
performance, and reduced total porosity. The set cement of a 0.013-mm ultra-fine cement (MC1000-0.7) had 1-d compressive strength
基金項目：江蘇高校品牌專業(yè)建設工程資助項目（PPZY2015B128）；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目（PAPD）。
第一作者簡介：黃錦，在讀碩士研究生，研究方向為油田材料化學及膠凝材料。電話18260021562 ；E-mail ：
18260021562@163.com。
通訊作者：姚曉， E-mail ： yaoxiao@njtech.edu.cn。
萬方數(shù)據(jù)
88 鉆　井　液　與　完　井　液 2017 年 3 月
擠水泥作業(yè)是將水泥漿用液壓方式擠入地層的
孔隙中，作為一種特殊的固井作業(yè)，可彌補固井時
存在的竄槽、替空及裂縫等缺陷。擠水泥施工因地
層環(huán)境復雜和不利因素，擠注成功率較低[1-2]。針
對不同地層類型、滲透率和孔隙度等情況，可以設
計與之相配套不同粒徑的水泥漿體系。擠水泥作業(yè)
對水泥漿的性能有嚴格的要求，水泥石須具有較高
的力學強度，此外還要控制漿體密度、失水量和流
變性能。目前現(xiàn)場擠水泥作業(yè)主要使用普通G 級
油井水泥、超細水泥和“納米水泥”[3-6]。超細水
泥和“納米水泥”滲透性好、穿透能力強，可以進
入到常規(guī)油井水泥不能到達的區(qū)域，提高擠注成功
率。優(yōu)選了4 種由不同粉磨方式制備的不同粒徑油
井水泥，分析了粒徑分布對水泥漿基本性能的影響。
研究結果將有助于完善水泥漿體系，提高擠注成功
率[7-10]。
1　實驗材料和方法
1.1　實驗儀器和材料
Microtrac-S3500 型激光粒度儀，美國麥奇克有
限公司；ARL-9900 XRF 熒光光譜分析儀，美國熱
電有限公司；ARL-9900 X 射線衍射儀，美國熱電
有限公司；TAM Air 等溫量熱儀，瑞典Themmetric
AB 公司；GT-60 型壓汞儀，美國康塔克默儀器公
司；TESCAN VEGA3 掃描電鏡，日本泰思肯儀器
公司；CSS-2005 電子萬能壓力試驗機，長春試驗
機研究所；KZY-300 型抗折儀，沈陽天平儀器廠；
MC 型螺旋測微儀，青海量具廠；HLY-2 高溫高壓
巖芯流動儀，荊州市塔林機電設備制造有限公司；
OWC-9380 增壓稠化儀，沈陽航空工業(yè)大學。G 級
高抗硫油井水泥，山東華銀特種水泥有限公司；
0.015 mm超細G級高抗硫油井水泥（MC800），0.013
mm超細G級高抗硫油井水泥（MC1000）和“納米”G
級高抗硫油井水泥（NC），均由G 級高抗硫油井
水泥粉磨得到。
G 級高抗硫油井水泥由水泥熟料和適量石膏經(jīng)
普通球磨粉磨制成。其粉磨原理為：球磨機粉磨物
料的主要工作部分在水平低速回轉的筒體上， 當筒
體被傳動裝置回轉時，研磨體由于慣性離心力的作
用，貼服在磨機筒體內(nèi)壁的襯板面上，與之一起回
轉，被帶到一定高度后，借重力作用自由落下，此
時研磨體將筒體內(nèi)物料擊碎，同時研磨體在回轉的
磨機內(nèi)除有上升、下落的循環(huán)運動外，還會產(chǎn)生滑
動和滾動，致使研磨體、襯板和被磨物料之間發(fā)生
研磨作用將物料磨細。
MC800 和MC1000 由G 級高抗硫油井水泥經(jīng)
行星式球磨機加工得到。其粉磨原理為：裝有研磨
球和水泥的球磨罐在行星盤的高速運動下，自身也
作高速反向旋轉，水泥與研磨球之間及與球磨罐內(nèi)
壁不斷地碰撞、摩擦，使得水泥超細化。
“納米”油井水泥（NC）由“高能納米沖擊磨”
將G級油井水泥顆粒加工至納米級。其工作原理為：
通過罐體快速地多維擺動式運動，使水泥在罐內(nèi)的
不規(guī)則運動中產(chǎn)生巨大沖擊力；延長水泥的運動軌
跡、提高沖擊能、減少撞擊盲點。其優(yōu)點是可以顯
著提高罐內(nèi)油井水泥的沖擊能量和運動次數(shù)，使油
井水泥顆粒達到“納米”級。
1.2　實驗方法
按API SPEC 10 要求配漿，MC800、MC1000
和NC，水灰比為0.7。為便于比較，G 級油井水
泥分別以水灰比為0.7 和0.44 配漿。
1）水泥石抗壓和抗折強度。將配好的水泥漿
分別倒入鐵制圓環(huán)模具（φ2.54 cm×2.54 cm）、長
方體六聯(lián)模具（1 cm×1 cm×6 cm）中，置于80 ℃
常壓水浴中養(yǎng)護至規(guī)定齡期，測試水泥石抗壓強度
和抗折強度。
2）水泥石線膨脹率和高溫高壓體積膨脹率。
采用螺旋測微儀法和高溫高壓膨脹儀分別測試水泥
石線膨脹率和高溫高壓體積膨脹率。
3） 流動度。按GB/T 8076—2008《混凝土外加
劑》進行。
and flexural strength that were 226.32% and 153.13% higher than those of the class G cement (G-0.7) respectively at the same water/
cement ratio of 0.7. The MC1000-0.7set cement had 28-d total porosity and permeability that were 10.1% and 41.7% lower respectively
than those of the G-0.7 set cement, while the late-stage compressive strength of the MC1000-0.7 set cement only slightly increased.
Key words Squeeze cementing; Ultra-fine cement; Oil well cement; Particle size distribution; Hydration heat; Mechanical performance;
Grinding method
萬方數(shù)據(jù)
黃錦第 34 卷 第 2 期 等：粒徑對油井水泥水化熱及力學性能的影響 89
2　結果與討論
2.1　不同粒徑水泥的化學成分和顆粒形貌
油井水泥的化學成分和微觀形貌與水泥的流變
性、凝結時間及力學性能等均有密切關系。4 種油
井水泥的主要化學成分（XRF 法測得）見表1。不
同粒徑水泥顆粒微觀形貌（放大5 000 倍）見圖1。
由圖1 可知，不同粉磨方式對水泥化學成分及顆粒
形貌無明顯影響，為不規(guī)則多面體。但NC 的燒失
量（LOI）最大，可能與粉磨過程中加入了較多的
有機助磨劑有關。
表1　不同粒徑G 級油井水泥的主要化學成分 %
水泥CaO SiO2 SO3 Al2O3 MgO Fe2O3 LOI
普通64.07 21.43 1.57 3.48 1.98 4.76 1.24
MC800 64.08 21.50 1.55 3.33 2.01 4.99 1.27
MC1000 61.69 20.89 2.08 3.42 4.49 4.37 1.88
NC 61.93 21.15 2.10 3.87 3.44 3.87 2.39
注：LOI 為燒失量。
a）普通 b）MC800 C）MC1000 d）NC
圖1　不同粒徑G 級油井水泥的顆粒形貌（×5 000）
2.2　不同細度油井水泥的粒徑分布
4 種G 級油井水泥的粒徑分布見圖2。
圖2　不同粒徑分布水泥的微分分布圖
由圖2 可知，MC800 和MC1000 的粒徑分布
范圍較NC 和G 級油井水泥的窄。G、MC800、
MC1000 和NC的D50 分別為29.58、8.67、7.85 和7.64
μm，D90 分別為91.26、34.83、20.07 和24.44 μm，
比表面積分別為268、706、758 和802 cm2/g，即
MC800、MC1000 和NC 的粒徑比G 級油井水泥小，
但NC 顆粒尺寸沒有達到納米級。
2.3　粒徑對油井水泥水化反應的影響
考察了不同粒徑水泥漿的水化放熱過程，分析
粒徑對水泥漿放熱速率和累積放熱量的影響。實驗
溫度恒定為（20±0.3） ℃，水灰比定為0.5，實驗
采用外攪拌，持續(xù)測定至平穩(wěn)放熱階段。如圖3 所
示，不同粒徑分布的水泥漿早期水化放熱速率不
同，隨著水泥顆粒粒徑減小，水泥漿誘導期縮短，
加速反應放熱峰提前且增大，水泥早期水化速率加
快。隨著水泥粒徑的減小，水泥早期累積水化放熱
量明顯提高，G-0.5、MC800-0.5、MC1000-0.5 和
NC-0.5 的24 h 水化放熱量分別為90.27、154.07、
160.87 和172.44 J??g-1。MC1000-0.5 的24 h 累積
水化放熱量較G-0.5 提高了91.03%，說明隨水泥
粒徑的減小，在短期內(nèi)生成了更多的水化產(chǎn)物，提
高了水泥石的早期力學強度。
圖3　粒徑分布對漿體水化放熱速率的影響（20 ℃）
2.4　粒徑對油井水泥漿基本性能的影響
不同粒徑分布的油井水泥漿基本性能見表2。
表2　不同粒徑分布的油井水泥漿基本性能（80 ℃）
水泥
漿
水灰
比
ρ/
g/cm3
流動度/
cm
初始稠度/
Bc
t 稠化/
min
析水
率/%
G-0.44 0.44 1.90 22.5 12.4 56 1.45
G-0.7 0.7 1.67 32.5 5.1 85 8.00
MC800-0.7 0.7 1.67 27.0 6.2 76 1.44
MC1000-0.7 0.7 1.67 25.5 6.8 68 1.28
NC-0.7 0.7 1.65 25.0 7.2 65 1.24
由表2 可知，水灰比為0.7 時，水泥粒徑分布
對水泥漿密度影響較小，流動度、析水率則隨水泥
萬方數(shù)據(jù)
90 鉆　井　液　與　完　井　液 2017 年 3 月
顆粒粒徑的減小而降低，但初始稠度增大；水泥顆
粒粒徑越小，比表面積越大，水化活性越高，早期
水化產(chǎn)物形成的時間提前，從而導致稠化時間縮短。
2.5　粒徑對油井水泥石力學性能的影響
在80 ℃、常壓下，分別測試不同粒徑分布
水泥石的抗壓強度和抗折強度，結果見圖4 和圖
5。由圖4 可知， 水灰比相同時，MC800-0.7 和
MC1000-0.7 各齡期水泥石抗壓強度均高于NC-0.7
水泥石和G-0.7 水泥石，MC1000-0.7 的1 d 齡期
抗壓強度較G-0.7 提高了226.32%，且高于水灰比
為0.44 的G-0.44 水泥石，表現(xiàn)出明顯的早強特性，
但后期強度增長緩慢；水灰比為0.7 時，不同細度
水泥石的7 d 和28 d 力學強度均低于水灰比為0.44
的G-0.44 水泥石。由圖5 可知，水灰比為0.7 時，
MC 水泥石隨著水泥粒徑的減小，其各齡期的抗折
強度均增大，且隨著齡期的增加，抗折強度緩慢增
加；MC800-0.7 和MC1000-0.7 水泥石早期抗折強
度高于G-0.7 水泥石，MC1000-0.7 的1 d 齡期抗折
強度較G-0.7 提高了153.13%，但略小于G-0.44 水
泥石，且后期增長緩慢。
圖4　不同細度水泥石的抗壓強度（80 ℃）
圖 5　不同細度水泥石的抗折強度（ 80 ℃）
水泥細度減小，比表面積增大，其反應活性增
強，水化反應速率加快。水化初期C3S 大量形成
C—S—H 凝膠，C3A 生成少量AFt，水化產(chǎn)物較多，
且結構均勻致密，早期強度發(fā)展快。漿體硬化初期
的水化產(chǎn)物數(shù)量主要取決于同水反應的顆粒表面積
值，隨著水化過程的進行，反應速率逐漸下降，包
圍在水泥顆粒周圍的水化產(chǎn)物結構變得密實，阻礙
了水的擴散，因而水泥粒徑分布對水泥石早期強度
的影響較后期強度更大，對其后期強度的影響有限。
2.6　粒徑對油井水泥漿流變性的影響
考察了粒徑對油井水泥漿流變性能的影響，結
果見表3。由表3 可知，水灰比相同時，隨著水
泥細度減小，水泥漿稠度系數(shù)增大，漿體流變性
變差。水灰比為0.7 的MC800-0.7、MC1000-0.7
和NC-0.7 水泥漿體的流變性優(yōu)于水灰比為0.44 的
G-0.44 水泥漿。隨著水泥細度減小，其表面積逐
漸增大，水化初期形成的產(chǎn)物多，漿體內(nèi)網(wǎng)狀結構
更牢固，水化產(chǎn)物相互搭接，流變性變差。水泥漿
體的流變性與水灰比緊密相關，增大水灰比，漿體
的流變性變好，但過大的水灰比會使?jié){體的析水量
增加，穩(wěn)定性變差。
表 3　不同細度水泥漿體系的流變性（ 80 ℃）
試樣編號φ300 φ200 φ100 n K/Pa · sn
G-0.44 93 78 65 0.33 6.07
G-0.7 22 16 12 0.55 0.36
MC800-0.7 84 61 51 0.45 2.59
MC1000-0.7 78 61 49 0.42 2.90
NC-0.7 73 54 47 0.40 3.08
2.7　粒徑對油井水泥石體積穩(wěn)定性的影響
在80 ℃、常壓水浴養(yǎng)護下，利用MC 型螺旋
測微儀考察了不同細度水泥石在1、3、7 和28 d
的線性膨脹率，結果見圖6。由圖6 可以看出，水
泥熟料和水發(fā)生反應并產(chǎn)生化學收縮，且粒徑越
小，水化反應程度越大，產(chǎn)生的體積收縮越大。
常壓養(yǎng)護水灰比相同時，G-0.7、MC800-0.7 和
MC1000-0.7 水泥石均呈體積收縮趨勢，且隨著水
泥細度減小，水泥石收縮率增大。而NC-0.7 水泥
石則具有微膨脹特性，且線膨脹率隨著養(yǎng)護齡期的
延長而緩慢增長。
采用TL-2 高溫高壓水泥漿體積穩(wěn)定性測定儀，
測定了G-0.44 和NC-0.7 水泥石的全時體積變化，
結果見圖7。由此可知，在80 ℃、22 MPa 下，G-0.44
萬方數(shù)據(jù)
黃錦第 34 卷 第 2 期 等：粒徑對油井水泥水化熱及力學性能的影響 91
水泥石48 h 的收縮率為0.002 8%，與螺旋測微儀
測試結果基本一致，而NC 體系也表現(xiàn)出一定的體
積收縮（48 h 收縮率為0.001%），與螺旋測微儀測
試結果相反。其原因可能在于利用高能納米沖擊磨
粉磨時需加入適量有機助磨劑，而助磨劑有引氣
作用，在NC-0.7 水泥石成型過程中，大量氣泡摻
雜在水泥石中（見圖8），增大了水泥石的孔隙率，
造成了常壓下假膨脹（引氣膨脹）。
圖6　不同細度水泥石的線膨脹率（80 ℃、常壓）
圖7　水泥石的高溫高壓膨脹率（80 ℃、22 MPa）
圖8　G-0.44 水泥石（左）和 NC-0.7 水泥石（右）斷面形貌
2.8　粒徑對水泥石孔結構及水相滲透率的影響
利用壓汞法測試了不同細度水泥石28 d 齡期
的孔徑分布和孔隙率，測試結果見圖9、表4。同
時利用巖心流動儀測試28 d 齡期水泥石的水相滲
透性，以水為驅替介質，驅替壓力4 MPa，圍壓5
MPa，根據(jù)達西定律計算水泥石的滲透率，結果見
表4。由表4 可知，水灰比（0.7）相同時，隨著水
泥粒徑減小，水泥石總孔隙率降低，最可幾孔徑減
小，孔徑分布曲線向左移動，說明水泥石中大孔數(shù)
量減少，小孔數(shù)量增多（見圖9），其滲透率也逐
漸減?。∟C-0.7 除外），MC1000-0.7 的總孔隙率
及滲透率較G-0.7 分別降低了10.13% 及41.74%，
證明MC1000-0.7 水泥石基體結構致密，具有較高
的抗壓強度和較好的抗?jié)B能力。
圖9　不同細度水泥石的孔徑分布圖
表4　不同細度水泥石孔隙率及滲透率測試結果（80 ℃）
試樣
編號
總孔隙率/
%
最可幾孔徑/
nm
滲透率/
mD
G-0.44 27.5 39.7 0
G-0.7 45.4 154.0 2.42
MC800-0.7 43.1 90.7 1.57
MC1000-0.7 40.8 55.0 1.41
NC-0.7 46.4 138.0 2.21
“納米”水泥石（NC-0.7）總孔隙率和滲透率
均高于MC800-0.7 和MC1000-0.7 水泥石，與G-0.7
水泥石相當，說明其并非是納米油井水泥。NC-0.7
水泥石的最可幾孔徑和總孔隙率均較大，原因在于
粉磨試樣時加入了助磨劑（見表1），NC 燒失量最
高，助磨劑在水泥漿成型過程中引入氣體形成氣泡，
部分氣泡形成連通孔隙，使水泥石孔隙率和滲透率
增大。
2.9　粒徑對油井水泥水化產(chǎn)物的影響
利用XRD 對不同粒徑分布水泥石28 d 結晶
相及水化產(chǎn)物進行分析，并與水灰比為0.44 的G
級凈漿水泥石進行對比，結果見圖10。由圖10
可以看出，不同細度水泥石中水化產(chǎn)物主要都是
C—S—H（XRD 法無法檢出）、Ca（OH）2 及未反應
C3S 和C2S。水灰比相同時，隨著水泥細度減小，
Ca（OH）2 衍射峰主峰更高、更尖銳，說明其水化
更充分。
萬方數(shù)據(jù)
92 鉆　井　液　與　完　井　液 2017 年 3 月
圖10　不同粒徑水泥石28 d 水化產(chǎn)物分析（80 ℃）
3　結論
1. 不同粉磨方式對G 級水泥化學成分及顆粒
形貌無明顯影響。但水泥顆粒細化后，力學性能得
到改善，即粉磨過程中吸收能量變?yōu)轭w粒的內(nèi)能和
表面能，提高了顆粒早期水化反應活性。
2. 隨著G 級水泥粒徑減小，比表面積增大，
水化反應速率加快，累積放熱量增加，MC1000-0.5
的24 h 累積水化放熱量較G-0.5 提高了91.03%。
漿體流變性變差，稠化時間縮短，水泥石早期抗壓、
抗折強度提高，MC1000-0.7 的1 d 齡期抗壓、抗折
強度較G-0.7 分別提高了226.32%、153.13%?？?
隙率減小，抗?jié)B性增強，MC1000-0.7 的總孔隙率
及滲透率較G-0.7 分別降低了10.13% 及41.74%，
呈現(xiàn)出明顯的早強特性，但后期強度增長緩慢。水
泥粒徑分布對水泥漿體的密度和最終水化產(chǎn)物無明
顯影響。
3. 常規(guī)物理粉磨方法只能制備超細油井水泥而
不能得到“納米”油井水泥，所謂“納米”油井水
泥的粒徑分布并未達到納米材料的尺度范疇，其常
壓線膨脹為引氣膨脹（屬假膨脹），在高壓下仍然
表現(xiàn)為體積收縮。評價結果顯示，0.013 mm 超細
油井水泥的綜合性能滿足擠水泥封竄施工對水泥細
度的基本要求。
參 考 文 獻
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（收稿日期2017-1-5；HGF=1701C6；編輯　王超）

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