利用中子和地层的相互作用的各种效应利用中子和地层的相互作用的各种效应，来研究井剖，来研究井剖面地层性质的各种测井方法的总称。面地层性质的各种测井方法的总称。它包括中子它包括中子热中热中子、中子子、中子超热中子、中子超热中子、中子伽马测井、中子活化测井伽马测井、中子活化测井以及非弹性散射伽马能谱测井和中子寿命测井。以及非弹性散射伽马能谱测井和中子寿命测井。 测井时，中子源向地层发射快中子，测井时，中子源向地层发射快中子，快中子快中子在地层中在地层中运动与运动与地层物质的原子核地层物质的原子核发生各种作用，由探测器探测发生各种作用，由探测器探测超热中子、热中子或次生伽马射线超热中子、热中子或次生伽马射线的强度，研究地层的的强度，研究地层的孔隙度、岩性及孔隙流体性质孔隙度、岩性及孔隙流体性质等地质问题。等地质问题。 第九章第九章 中子测井中子测井1第九章第九章 中子测井中子测井 第一节第一节 中子测井的核物理基础中子测井的核物理基础 第二节第二节 超热中子测井超热中子测井 第三节第三节 补偿中子孔隙度测井补偿中子孔隙度测井 第四节第四节 中子伽马测井中子伽马测井 2一一 、中子和中子源、中子和中子源1.中子中子中子：原子核中不带电的中性微小粒子，它与质子以很强的中子：原子核中不带电的中性微小粒子，它与质子以很强的核力结合在一起，形成稳定的原子核。核力结合在一起，形成稳定的原子核。中子分类：中子分类： 根据中子的能量可将中子分为：根据中子的能量可将中子分为： 快中子：能量大于快中子：能量大于0.5Mev；中能中子：中能中子：1kev0.5Mev之间；之间；慢中子：慢中子：01Kev之间；之间；其中其中0.210eV中子为超热中子；中子为超热中子；能量等于能量等于0.025eV的中子为热中子。的中子为热中子。第一节第一节 中子测井的核物理基础中子测井的核物理基础32.中子源中子源 中子源：能将原子核中的中子释放出来的装置。中子源：能将原子核中的中子释放出来的装置。 质子和中子在核中存在很强的核力作用，要使之从核中释质子和中子在核中存在很强的核力作用，要使之从核中释放出来，必须提供足够的能量。用高能放出来，必须提供足够的能量。用高能(带电带电)粒子轰击作靶粒子轰击作靶的原子核，引起核反应，释放出中子。测井用的中子源有两类：的原子核，引起核反应，释放出中子。测井用的中子源有两类： 同位素中子源（连续，产生快中子）同位素中子源（连续，产生快中子）：加速器中子源（脉冲，产生高能中子）加速器中子源（脉冲，产生高能中子）：平均能量为平均能量为5MeV第一节第一节 中子测井的核物理基础中子测井的核物理基础4二、中子和物质的作用二、中子和物质的作用高能快中子高能快中子+靶核靶核 = 激发态激发态复核复核= 能量较低中子能量较低中子+非弹性非弹性散射伽马射线散射伽马射线 = 基态靶核基态靶核 1.快中子的非弹性散射快中子的非弹性散射特点：将入射中子靶核作为一个系统，碰撞前后能量特点：将入射中子靶核作为一个系统，碰撞前后能量(动能动能)发生损失，所以是非弹性散射，或称（发生损失，所以是非弹性散射，或称（n，n）核反应，放）核反应，放出的伽马射线称为非弹性散射伽马射线。出的伽马射线称为非弹性散射伽马射线。 能量大于14MeV的中子发生非弹性散射的几率较大，而能量放射性原子核放射性原子核=活化核衰变活化核衰变 +活化伽马射线活化伽马射线第一节第一节 中子测井的核物理基础中子测井的核物理基础6 3 3、快中子的弹性散射、快中子的弹性散射 （1）快中子的弹性散射）快中子的弹性散射 中中等等能能量量的的快快中中子子与与靶靶核核碰碰撞撞，将将部部分分能能量量传传给给靶靶核核，使使之之能能量量(动动能能)增增加加，仍仍处处于于稳稳态态，而而快快中中子子速速度度减减慢慢，系系统统总总的的动动能能守守恒恒，此此过过程即为快中子的弹性散射。程即为快中子的弹性散射。 对于同位素中子源中子测井，中子的初始能量较低，因此，从对于同位素中子源中子测井，中子的初始能量较低，因此，从开始就基本上以弹性散射为主，多次弹性散射后，变为热中子。开始就基本上以弹性散射为主，多次弹性散射后，变为热中子。 14Mev的高能快中子经的高能快中子经一两次一两次非弹性散射后就不能再发生非弹非弹性散射后就不能再发生非弹性散射或核活化反应，只能发生弹性散射而继续减速，直至其能量性散射或核活化反应，只能发生弹性散射而继续减速，直至其能量为为0.025ev左右，成为热中子。左右，成为热中子。 快中子快中子+稳定靶核稳定靶核=能量较低的中子能量较低的中子+反冲核反冲核=热中子热中子+基态靶核基态靶核第一节第一节 中子测井的核物理基础中子测井的核物理基础7弹性碰撞能量损失：弹性碰撞能量损失： 与靶核的与靶核的A，入射中子能量入射中子能量E。及散射角及散射角(中子散射方向和入射方向中子散射方向和入射方向的夹角的夹角)有关。当为有关。当为正碰撞正碰撞=180时，中子损失能量最大。实验证明，时，中子损失能量最大。实验证明，中子一次弹性碰撞可能损失的最大能量和平均能量分别为：中子一次弹性碰撞可能损失的最大能量和平均能量分别为： 对氢核来说，对氢核来说，A=1，a=0，Emax=E0，E=1/2E0，而对，而对碳核，碳核，A=12，a=0.716，Emax=0.284E0，E=0.142E0。因此因此氢是岩石中最主要的减速元素，岩石对快中子的减速能力取氢是岩石中最主要的减速元素，岩石对快中子的减速能力取决于岩石的含决于岩石的含H量。量。第一节第一节 中子测井的核物理基础中子测井的核物理基础8 散射截面：散射截面：微观散射截面微观散射截面s：一个中子与一个原子核发生弹性散射的几一个中子与一个原子核发生弹性散射的几率，单位率，单位1b=10-24cm2； 宏观散射截面宏观散射截面s：单位体积物质中的原子核的微观散射截面单位体积物质中的原子核的微观散射截面之和，单位之和，单位cm-1 结论：氢是岩石中最主要的减速元素，结论：氢是岩石中最主要的减速元素，岩石对快中子的减速岩石对快中子的减速能力取决于岩石的含能力取决于岩石的含H量，纯岩石的宏观减速能力基本上决量，纯岩石的宏观减速能力基本上决定于纯岩石的孔隙度定于纯岩石的孔隙度(含淡水条件含淡水条件)。 用中子测井估算孔隙用中子测井估算孔隙度的物理基础。度的物理基础。2Mev中子弹性散射的特点第一节第一节 中子测井的核物理基础中子测井的核物理基础9 减速能力大小可用减速时间和减速距离表示。 减速时间：快中子从初始能量减速为热中子能量所需时间； 减速距离Ls：在减速时间内，中子移动的直线距离Rd。 Ls=SQRT(Rd2/6) 基本规律：基本规律： 散射截面越大，散射能量损失越大，减速能力越强，减速时间越短，减速距离Ls越小。第一节第一节 中子测井的核物理基础中子测井的核物理基础10 4.热中子扩散和俘获热中子扩散和俘获(1) 热中子的扩散热中子的扩散 形成热中子后，中子不再减速，而像气体分子一样处于扩形成热中子后，中子不再减速，而像气体分子一样处于扩散过程。由密度大的地方向密度小的区域扩散，直到被地层原散过程。由密度大的地方向密度小的区域扩散，直到被地层原子核俘获为止。子核俘获为止。(2)辐射俘获核反应辐射俘获核反应 靶核俘获一个热中子而变为激发态的复核，然后，复核放靶核俘获一个热中子而变为激发态的复核，然后，复核放出一个或多个几个光子，回到基态。出一个或多个几个光子，回到基态。 热中子从密度大的区域向外扩散热中子从密度大的区域向外扩散=被原子核俘获（被原子核俘获（复核）复核） =俘获伽马射线俘获伽马射线+基态靶核基态靶核第一节第一节 中子测井的核物理基础中子测井的核物理基础11(3)岩石对热中子的宏观俘获截面岩石对热中子的宏观俘获截面a： 微观俘获截面微观俘获截面：一个原子核俘获热中子的几率；：一个原子核俘获热中子的几率；宏观俘获截面宏观俘获截面a：一立方厘米所有原子微观俘获截面的总和。常：一立方厘米所有原子微观俘获截面的总和。常见元素中：见元素中： 几种核素的微观俘获截面几种核素的微观俘获截面结结论论：氯氯元元素素的的俘俘获获截截面面最最大大。岩岩石石对对热热中中子子的的俘俘获获能能力力主主要取决于含氯量（矿化度、地层水含量）要取决于含氯量（矿化度、地层水含量）另外：硼的另外：硼的a =710b，即使含量微小，也对测井将会有很大，即使含量微小，也对测井将会有很大影响。影响。 第一节第一节 中子测井的核物理基础中子测井的核物理基础12热中子寿命热中子寿命 从热中子的生成时起到它被吸收为止所经过的平均时从热中子的生成时起到它被吸收为止所经过的平均时间，它和宏观俘获截面的关系为：间，它和宏观俘获截面的关系为：v为热中子的移动速度。为热中子的移动速度。第一节第一节 中子测井的核物理基础中子测井的核物理基础扩散距离扩散距离Rt：从产生热中子到其被俘获吸收为止，热中子移动的：从产生热中子到其被俘获吸收为止，热中子移动的 直线距离。直线距离。扩散长度扩散长度Ld：=Ls=SQRT(Rt2/6)结结论论：俘俘获获截截面面越越大大，俘俘获获吸吸收收能能力力越越强强，扩扩散散长长度度越越短短，热中子寿命约小。热中子寿命约小。13三、中子探测器三、中子探测器测量对象：测量对象：经中子与地层中核素发生弹性散射生成的热中子、超热中子。探测方法：探测方法： 超热中子、热中子与探测器物质的原子核发生 反应= 放出电离能力很强的带电离子= 探测器内形成脉冲电流或闪烁荧光，产生电压负脉冲 探测器类型：探测器类型：硼、锂、氦、锗热中子探测器：超热中子探测器：外层加有镉，吸收掉热中子； 内层加有石蜡，把超热中子减速为热中子，增大对超热中子的计数率。 第一节第一节 中子测井的核物理基础中子测井的核物理基础14第二节第二节 超热中子测井超热中子测井 一、超热中子测井的基本原理一、超热中子测井的基本原理 二、决定超热（热）中子计数率的因素二、决定超热（热）中子计数率的因素 三、井壁中子孔隙度环境校正三、井壁中子孔隙度环境校正 四、井壁中子孔隙度的响应方程四、井壁中子孔隙度的响应方程15一、超热中子测井的基本原理一、超热中子测井的基本原理中子源中子源快中子快中子= 弹性散射弹性散射= 超热中子超热中子 同位素中子源发出快中子，在地层中的运动和地层中同位素中子源发出快中子，在地层中的运动和地层中的各种原子核发生弹性散射，而逐渐损失能量，降低温的各种原子核发生弹性散射，而逐渐损失能量，降低温度，成为超热中子，探测超热中子密度，转化为计数率，度，成为超热中子，探测超热中子密度，转化为计数率，以此寻找储集层，求取孔隙度的测井方法。以此寻找储集层，求取孔隙度的测井方法。16二、决定超热（热）中子计数率的因素二、决定超热（热）中子计数率的因素 1. 1.岩性的影响岩性的影响 快中子的减速过程，取决于地层中原子核的种类及其数量，不同靶快中子的减速过程，取决于地层中原子核的种类及其数量，不同靶核与中子发生弹性散射的截面不同，每次散射的平均能量损失不同，因核与中子发生弹性散射的截面不同，每次散射的平均能量损失不同，因而，它们的减速长度不同。在孔隙度相同的情况下，由下图可知，不同岩而，它们的减速长度不同。在孔隙度相同的情况下，由下图可知，不同岩性的地层，快中子的减速长度不同。性的地层，快中子的减速长度不同。相同孔隙度条件下：相同孔隙度条件下：砂岩的减速能力最差，砂岩的减速能力最差，白云岩的最好。白云岩的最好。第二节第二节 超热中子测井超热中子测井172.孔隙度的影响孔隙度的影响 在地层中所有的核素中，氢核减素能力最强，远远超在地层中所有的核素中，氢核减素能力最强，远远超过其它核素。因此，地层的减速能力取决于地层中氢的含过其它核素。因此，地层的减速能力取决于地层中氢的含量，氢主要存在于孔隙流体中，因此，孔隙度增大，减速量，氢主要存在于孔隙流体中，因此，孔隙度增大，减速能力增强。能力增强。 相同岩性条件下：相同岩性条件下：孔隙度越高，减孔隙度越高，减速能力越强。速能力越强。有更多快中子变为有更多快中子变为慢中子慢中子第二节第二节 超热中子测井超热中子测井183.源距对计数率的影响源距对计数率的影响 孔隙度、岩性不同，造成超孔隙度、岩性不同，造成超热中子的空间分布不同：热中子的空间分布不同： 孔隙度越大，减速长度越孔隙度越大，减速长度越小，则在源附近的超热中子越多；小，则在源附近的超热中子越多； 孔隙度越小，减速长度越大，孔隙度越小，减速长度越大，则离源较远的空间超热中子越多。则离源较远的空间超热中子越多。计数率与孔隙度的关系(长源距)砂岩石灰岩白云岩计数率孔隙度探测器到源之间的距离称为源距，有：探测器到源之间的距离称为源距，有：探测器离源较远：孔隙度越大，计数率越低，对应长源距；探测器离源较远：孔隙度越大，计数率越低，对应长源距；探测器离源较近：孔隙度越大，计数率越高，对应短源距；探测器离源较近：孔隙度越大，计数率越高，对应短源距；探测器离源某一位置：计数率与孔隙度无关，对应零源距。探测器离源某一位置：计数率与孔隙度无关，对应零源距。实际应用的均为长源距中子测井实际应用的均为长源距中子测井。第二节第二节 超热中子测井超热中子测井194、地层的含氢指数、地层的含氢指数 氢是地层中最主要的减速剂。因此，氢含量的高低决定了地层的减氢是地层中最主要的减速剂。因此，氢含量的高低决定了地层的减速能力，实际用含氢指数来反映地层中氢元素的多少。速能力，实际用含氢指数来反映地层中氢元素的多少。 任何物质单位体积（任何物质单位体积（1立方厘米）的氢核数与同样体积淡水氢核数立方厘米）的氢核数与同样体积淡水氢核数的比值。的比值。 根据规定，将淡水含氢指数定义为根据规定，将淡水含氢指数定义为1，而任何其他物质的含氢指数，而任何其他物质的含氢指数将与其单位体积内的氢核数成正比。将与其单位体积内的氢核数成正比。 第二节第二节 超热中子测井超热中子测井即：式中：式中：介质密度，介质密度，g/cm3； x介质分子中的氢原子数；介质分子中的氢原子数； M介质的分子量；介质的分子量； K比例常数。比例常数。 对于水：对于水：=1，x=2，M=18 (水分子水分子)，规定其，规定其含氢指数为含氢指数为1，解得，解得K=920(1)饱和淡水纯石灰岩的含氢指数饱和淡水纯石灰岩的含氢指数 孔隙度为孔隙度为的石灰岩，则含氢指数为：的石灰岩，则含氢指数为： H=Hma(1-)+Hw 中子孔隙度测井仪在饱和淡水的纯石灰岩刻度井中进行含中子孔隙度测井仪在饱和淡水的纯石灰岩刻度井中进行含氢指数刻度，使它测量的含氢指数即为饱和淡水纯石灰岩的氢指数刻度，使它测量的含氢指数即为饱和淡水纯石灰岩的。这里，也就。这里，也就人为的将岩石骨架的含氢指数定为人为的将岩石骨架的含氢指数定为0，也就是，也就是没有考虑石灰岩骨架的减速能力没有考虑石灰岩骨架的减速能力。若孔隙度为。若孔隙度为，则含氢指，则含氢指数为：数为：Hw=1=，将，将中子孔隙度测井得到的含氢指中子孔隙度测井得到的含氢指数记为数记为N ，并称为中子孔隙度，并称为中子孔隙度，其单位是石灰岩孔隙度单其单位是石灰岩孔隙度单位。位。 第二节第二节 超热中子测井超热中子测井21 饱和淡水地层：砂岩：饱和淡水地层：砂岩： N； 石灰岩：石灰岩：N=； 以上是骨架宏观减速能力不同造成以上是骨架宏观减速能力不同造成(砂岩骨架的宏观减速砂岩骨架的宏观减速能力小于石灰岩，白云岩骨架的减速能力大于石灰岩能力小于石灰岩，白云岩骨架的减速能力大于石灰岩)，这种，这种差别是岩性对中子测井的影响，也是识别岩性的依据。差别是岩性对中子测井的影响，也是识别岩性的依据。 计数率与孔隙度的关系(长源距)砂岩石灰岩白云岩计数率孔隙度N第二节第二节 超热中子测井超热中子测井22(2)油气的含氢指数油气的含氢指数 液液态态烃烃与与水水的的含含氢氢指指数数相相近近，而而天天然然气气的的含含氢氢指指数数很很低低，且且随随温度和压力而变。温度和压力而变。 对分子式为对分子式为CHx（分子量（分子量12+x），密度为），密度为h的烃：的烃： 对以对以CH4为主的天然气（为主的天然气（g0.25），上式近似为），上式近似为 Hg=2.2g第二节第二节 超热中子测井超热中子测井23对以对以CnHnx为主的石油，根据原油化学分析有：为主的石油，根据原油化学分析有： x=4-2.5g 则：则： 如如o=0.85g/cm3，Ho=1.034。 第二节第二节 超热中子测井超热中子测井24(3)与有效孔隙度无关的含氢指数与有效孔隙度无关的含氢指数 a. 泥泥质质：束束缚缚水水、粘粘土土矿矿物物结结晶晶水水、泥泥质质具具有有很很高高的的含含氢氢指指数数（纯纯泥泥岩岩的的中中子子孔孔隙隙度度作作为为泥泥质质的的含含氢氢指指数数），取取决决于泥质孔隙体积和矿物成分。于泥质孔隙体积和矿物成分。 b. 石石膏膏：CaSO42H2O ，其其孔孔隙隙度度为为零零，但但含含氢氢指指数数约约为为0.49，得到的中子孔隙度为，得到的中子孔隙度为49%。第二节第二节 超热中子测井超热中子测井25 (4)挖掘效应挖掘效应 冲洗带有残余油气的纯石灰岩，有：冲洗带有残余油气的纯石灰岩，有： 当忽略岩性影响时，此式也可作为一般纯岩石的含氢指数。当忽略岩性影响时，此式也可作为一般纯岩石的含氢指数。 实际测井表明，轻烃对中子孔隙度测井的影响比上式严重。实际测井表明，轻烃对中子孔隙度测井的影响比上式严重。 假设假设Hh=0，则：，则：n=xo，而把含天然气的孔隙作为岩石骨架。，而把含天然气的孔隙作为岩石骨架。但实际中测井中，含气时，时常有但实际中测井中，含气时，时常有NLd当当 r较大，分子较大，分子分母的后一项分母的后一项可忽略。可忽略。第三节第三节 补偿中子测井补偿中子测井30第三节第三节 补偿中子测井补偿中子测井2、仪器刻度、仪器刻度 阿特拉斯在阿特拉斯在7.875”纯石灰岩井中获得远近探测器计数纯石灰岩井中获得远近探测器计数率率LS/SS与石灰岩孔隙度的转换关系与石灰岩孔隙度的转换关系3、补偿中子孔隙度的环境校正、补偿中子孔隙度的环境校正 （1）井径校正）井径校正 （2）泥饼校正）泥饼校正 （3） 泥浆密度校正泥浆密度校正 （4 ）矿化度校正）矿化度校正 （5） 温度压力校正温度压力校正31五、超热五、超热(补偿补偿)中子测井应用中子测井应用1)确定地层孔隙度确定地层孔隙度 (1)石灰岩地层：直接反映地层孔隙度(2)其他岩性地层：需要进行岩性校正(3)气层：“挖掘效应”校正计数率与孔隙度的关系(长源距)砂岩石灰岩白云岩计数率孔隙度322)交会图确定孔隙度和岩性交会图确定孔隙度和岩性333)中子中子密度密度(石灰岩孔隙度石灰岩孔隙度)重叠法划分岩性重叠法划分岩性344)估算油气密度估算油气密度已知含油饱和度，可用来求油气密度。气层355)定性指示高孔隙性气层定性指示高孔隙性气层注意岩性的影响。注意岩性的影响。36 FDCFDC与与CNLCNL石石灰灰岩岩孔孔隙隙度度曲曲线线重重叠叠定定性性判判断断气层气层 天天然然气气使使FDCFDC测测井井计计算算孔孔隙隙度度增增大大，而而使使CNLCNL测测井井计计算算孔孔隙隙度度偏偏小小。故故二二者者在在气气层层上上有有一一定定的的幅幅度度差差，而而且且D DN N。 右右图图是是FDCFDC与与CNLCNL的的实实测测石石灰灰岩岩孔孔隙隙度度曲曲线线重重叠叠图图。图图中中在在三三个个深深度度上明显显示出含气层。上明显显示出含气层。37一、原理一、原理二、决定二、决定J Jnn的因素的因素三、应用三、应用第四节第四节 中子伽马测井中子伽马测井38一一 、原理、原理同位素中子源发射快中子照射地层同位素中子源发射快中子照射地层(经减速、俘获经减速、俘获)辐射俘获辐射俘获射线射线伽马探测器记录俘获伽马射线强度伽马探测器记录俘获伽马射线强度记录计数率。记录计数率。不同地层，计数率不同，不同地层，计数率不同，得出一条随深度变化的得出一条随深度变化的中子伽马计数率中子伽马计数率Nn-r曲线。曲线。 计数率与孔隙度的关系(长源距)砂岩石灰岩白云岩计数率孔隙度第四节第四节 中子伽马测井中子伽马测井39(1)中子伽马计数率与源距关系中子伽马计数率与源距关系 关系同前面热中子计数率关系同前面热中子计数率与源距关系，但零源距约为与源距关系，但零源距约为35cm，测井常用源距测井常用源距4565cm。在长源距。在长源距条件下：条件下：致密岩石，减速长度增加，致密岩石，减速长度增加，热中子密度大，俘获后生成热中子密度大，俘获后生成Nn-r 增加；气层含氢指数小，减速长增加；气层含氢指数小，减速长度增加，热中子密度大，俘获后度增加，热中子密度大，俘获后生成生成Nn-r增加。增加。二、二、 决定决定Nn-r的因素的因素计数率与孔隙度的关系(长源距)砂岩石灰岩白云岩计数率孔隙度第四节第四节 中子伽马测井中子伽马测井40(2) 地层中子伽马计数率地层中子伽马计数率 Nn-r与地层含氢量有关，也与地层含氯量有关与地层含氢量有关，也与地层含氯量有关(俘获俘获截面很大，且放出的伽马光子也比氢多约截面很大，且放出的伽马光子也比氢多约3.1个个)。 高矿化度水层的高矿化度水层的Nn-r很高；很高； 致密层，气层致密层，气层Nn-r高，泥岩层高，泥岩层Nn-r 很低；很低； 可以用可以用Nn-r 划分地层，半幅点划分地层界面。划分地层，半幅点划分地层界面。 记录单位：脉冲记录单位：脉冲/分。分。第四节第四节 中子伽马测井中子伽马测井41三、应用三、应用 特征：致密岩石的特征：致密岩石的Nn-r很高，气层的很高，气层的Nn-r很高，高矿化度的水很高，高矿化度的水层层Nn-r很高。很高。 (1)划分岩性：和划分岩性：和GR结合，孔隙性、渗透性地层结合，孔隙性、渗透性地层Nn-r较低；较低； (2)识别气层识别气层 裸眼井：裸眼井： Nn-r高于相邻的储集层，但受侵入影响，某些侵入高于相邻的储集层，但受侵入影响，某些侵入深时，显示不明显。深时，显示不明显。 套管井：固井后不同时期测量套管井：固井后不同时期测量Nn-r显示不同显示不同(侵入带消失侵入带消失) 42第四节第四节 中子伽马测井中子伽马测井43(3)识别高矿化度水层识别高矿化度水层(划分油水界面划分油水界面) 水层水层Nn-r相对高，油层相对高，油层Nn-r相对低，与电测资料结合，可划相对低，与电测资料结合，可划分油水过渡带。分油水过渡带。 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