摘 要:以往對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地石炭系烴源巖生烴潛力的研究主要是采用靜態(tài)地球化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行的,目前尚無(wú)對(duì)生烴動(dòng)態(tài)特征的系統(tǒng)評(píng)價(jià),因而制約了對(duì)該區(qū)烴源巖潛力的客觀認(rèn)識(shí)和資源戰(zhàn)略選區(qū)。為此,選取不同沉積環(huán)境發(fā)育的多種類(lèi)型的烴源巖樣品,通過(guò)烴源巖生烴熱模擬實(shí)驗(yàn),對(duì)比分析了不同類(lèi)型烴源巖的生烴產(chǎn)物、產(chǎn)率特征及生烴演化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:①該區(qū)石炭系不同沉積環(huán)境發(fā)育的烴源巖產(chǎn)烴能力差異較大,最大烴產(chǎn)率從高到低依次為弧間盆地深淺海相泥巖、弧后盆地漏湖相泥巖、殘留洋盆濱淺海相泥巖、弧后盆地漏湖相沉凝灰?guī)r;②烴源巖的產(chǎn)烴率大小受控于其母質(zhì)與埋藏?zé)嵫莼瘲l件,有機(jī)質(zhì)類(lèi)型越好,產(chǎn)烴率相對(duì)越高,而受火山作用影響越劇烈,則產(chǎn)烴率越低;③下石炭統(tǒng)廣泛發(fā)育的弧間、弧后盆地暗色泥質(zhì)巖類(lèi)烴源巖具備高產(chǎn)烴率特征。最后指出烏倫古坳陷和滴水泉地區(qū)在早石炭世分別為弧間盆地火山活動(dòng)間歇期泥質(zhì)巖與溻湖環(huán)境泥巖有利烴源巖發(fā)育區(qū),是準(zhǔn)噶爾盆地以石炭系為烴源灶的有利勘探區(qū)。
關(guān)鍵詞:準(zhǔn)噶爾盆地 石炭紀(jì) 烴源巖 熱模擬實(shí)驗(yàn) 生烴潛力 有機(jī)質(zhì)類(lèi)型 生烴產(chǎn)物 生烴產(chǎn)率
Hydrocarbon generation simulation of di fferent Carboni ferous source rocks in the Junggar Basin
Abstract:Previous studies on the hydrocarbon generation potential of Carboniferous source rocks in the Junggar Basin mainlv focused on the analysis ot static geochemical parameters,but no systematic evaluation of dynamic hydrocarbon generation potential has ever been carried out,which indeed constrains the understanding of resource potential and the identification of play fairways.Rock sampies were collected from various types of source rocks deposited in different environments for thermal simulation experiments,and a comparative analysis were performed on hydrocarbon generation products,yield characteristics and kinetic characteristics of hydrocarbon generation.The following results were obtained.(1)The hydrocarbon yields of the Cretaceous source rocks deposited in different sedimentary environments vary greatly.The rank of source rocks from high to low in respect of hydrocarbon vields is mudstones deposited in inter-arc basins,mudstones of lagoon facies in back-arc basins,mudstones of offshore-shallow marine facies in remnant-ocean basins,and tuffaceous mudstones.(2)The hydrocarbon yields are controlled by kerogen types of source rocks and the evolution of organic matters.The more favorable the kerogen types,the higher the hydrocarbon yields.Moreover,the stronger the impacts of volcanic activities,the lower the hydrocarbon yields.(3)The dark mudstone Source rocks developed in inter and back-arc basins have relatively higher hydrocarbon yields.The Wulungu Depression and the Dishuiquan area have well-develoDed mudstone source rocks deposited in inter-arc basins and lagoons during the Carboniferous,thus are favorable play fairways with ttle Carboniferous strata as the kitchen in the Junggar Basin.
Keywords:Junggar Basin,Carboniferous,source rocks,pyrolysis experiment,hydrocarbon generation potential,organic matter types,hydrocarbon products,hydrocarbon yield
準(zhǔn)噶爾盆地為一個(gè)典型的大型多旋回復(fù)合疊加盆地,近年來(lái)的油氣勘探證實(shí)石炭系具有良好的勘探前景,發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)東五彩灣氣田、克拉美麗氣田和滴北地區(qū)泉1井區(qū)等多個(gè)以石炭系為烴源巖的油氣田(藏)。油氣源分析表明,目前發(fā)現(xiàn)的油氣主要來(lái)源于下石炭統(tǒng)滴水泉組(C1d)和上石炭統(tǒng)巴塔瑪依內(nèi)山組(C2b)烴源巖[1-3]。整體上。七述兩套烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高、有機(jī)質(zhì)類(lèi)型好,具有較好的生烴潛力[4-6]。巖相古地理分析表明,該區(qū)在石炭紀(jì)主要處于海相或海陸交瓦相沉積環(huán)境,發(fā)育了殘留洋盆、弧后盆地、弧間盆地和溻湖等多種烴源巖沉積環(huán)境,同時(shí)伴隨有強(qiáng)烈的火山活動(dòng),形成了沉積巖與火成巖共生的復(fù)雜沉積建造[7-8]。準(zhǔn)噶爾盆地石炭系勘探領(lǐng)域廣闊,油氣成藏表現(xiàn)為近源成藏的特點(diǎn),有效烴源巖的分布控制了油氣(藏)的分布[2-3]。因此,開(kāi)展烴源巖生烴潛力評(píng)價(jià),厘定有效烴源巖分布范圍,對(duì)于該區(qū)石炭系有利勘探方向的選擇起著決定性作用。但目前對(duì)研究區(qū)石炭系烴源巖潛力認(rèn)識(shí)更多的是針對(duì)有機(jī)質(zhì)豐度、類(lèi)型、熱解等靜態(tài)參數(shù)指標(biāo)的評(píng)價(jià),尚無(wú)生烴動(dòng)態(tài)特征的系統(tǒng)評(píng)價(jià),對(duì)不同沉積環(huán)境發(fā)育的烴源巖生烴產(chǎn)物及不同生烴演化階段的生烴產(chǎn)物、生烴量等認(rèn)識(shí)還不清楚,嚴(yán)重制約了對(duì)石炭系烴源巖潛力的客觀。
筆者以烴源巖生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地石炭系不同沉積背景、不同巖石類(lèi)型的烴源巖生烴潛力進(jìn)行系統(tǒng)研究,明確優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育環(huán)境,為客觀評(píng)價(jià)烴源巖生烴規(guī)律、資源潛力等提供依據(jù)。
1 樣品與實(shí)驗(yàn)
1.1 樣品情況
石炭系經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期,無(wú)論是鉆井巖心還是地表露頭,烴源巖的熱演化程度相對(duì)較高。為了保證模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和代表性,選取排67井(P67)、烏參1井(WC1-1、WC1-2)和滴水泉露頭剖面(DSQ)成熟度相對(duì)較低的樣品進(jìn)行熱模擬實(shí)驗(yàn)。P67樣品處于殘留洋盆濱淺海相,烴源巖母質(zhì)以陸源高等植物供給為主,干酪根類(lèi)型為腐殖型(Ⅲ型)。DSQ樣品處于弧后盆地溺湖相沉積環(huán)境,受陸源供給影響較大,干酪根類(lèi)型以偏腐殖混合型(Ⅱ2型)為主。為了分析火山活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)烴源巖品質(zhì)的影響,選取了同為弧間盆地濱淺海相的WC1-1和WC1-2兩個(gè)樣品,其中WC1-1樣品形成于火山強(qiáng)烈活動(dòng)期,受火山活動(dòng)影響明顯,巖性為深灰色沉凝灰?guī)r,有機(jī)碳含量為0.48%,為高等植物和低等水生生物的偏腐殖混合型(Ⅱ2型)干酪根;WC1-2為火山噴發(fā)間歇期正常沉積的深灰色泥巖,有機(jī)碳含量為1.09%,有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為以低等水生生物主的偏腐泥混合型(Ⅱ2型,見(jiàn)表1)。
1.2 黃金管熱模擬實(shí)驗(yàn)
樣品實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所有機(jī)地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。首先向樣品粉碎至粒徑100目,依次加入HC1和HF處理,用蒸餾水洗至中性后經(jīng)重液浮選分離得到干酪根,然后將制備好的干酪根樣品進(jìn)行MAB三元溶劑抽提,除去其中的可溶有機(jī)質(zhì),最后在烘箱中100℃條件下干燥24h。熱解模擬實(shí)驗(yàn)在分體式黃金管 高壓釜熱模擬裝置中進(jìn)行。
首先,在氬氣保護(hù)下用氬弧焊將金管一端封閉,然后在開(kāi)口端裝入一定質(zhì)量的樣品,將裝好樣品的金管固定在冷水槽中,用氬氣排盡管內(nèi)空氣,用焊機(jī)將金管開(kāi)口端封閉。待金管冷卻后稱(chēng)重,最后將金管分別放入指定的反應(yīng)釜中設(shè)定溫度程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將金管再次稱(chēng)重以確保未發(fā)生泄漏。為了進(jìn)行不同樣品的生烴特征對(duì)比研究,將上述4個(gè)樣品分成平行樣同時(shí)進(jìn)行熱解實(shí)驗(yàn)。首先將樣品快速(1h)加熱至300℃,然后恒溫30min后,分別以2℃/h和20℃/h的升溫速率對(duì)高壓釜加熱至600℃。每個(gè)升溫速率設(shè)置l2個(gè)測(cè)試溫度點(diǎn),測(cè)定各溫度點(diǎn)的液態(tài)和氣態(tài)產(chǎn)物的產(chǎn)率。反應(yīng)釜的溫度及升溫速率通過(guò)計(jì)算機(jī)終端程序設(shè)定和控制,溫度誤差小于l℃,高壓釜反應(yīng)體系的壓力設(shè)定為50MPa,通過(guò)壓力泵自動(dòng)控制,誤差范圍小于1MPa。實(shí)驗(yàn)熱模擬產(chǎn)物分析及儀器具體見(jiàn)金管模擬實(shí)驗(yàn)流程[9]。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 烴源巖熱模擬總產(chǎn)物特征
熱模擬實(shí)驗(yàn)表明,研究區(qū)石炭系不同類(lèi)型烴源巖熱模擬產(chǎn)物特征具有相似的生烴演化規(guī)律(圖1)??偖a(chǎn)氣率隨著模擬溫度的升高逐步增大,在較高的熱演化溫度(600℃)條件下仍有少量干酪根裂解氣生成,說(shuō)明烴源巖在高成熟演化階段,仍具有一定的生烴能力。液態(tài)烴產(chǎn)率先隨著溫度的升高而增加,在360~400℃時(shí)達(dá)到最大值,之后隨著溫度的升高,產(chǎn)率降低,表明烴源巖的產(chǎn)油量先增后減,在高成熟演化階段早期生成的原油進(jìn)一步裂解,使得產(chǎn)油率下降??焖俸偷退偕郎厮俾蕛煞N實(shí)驗(yàn)條件對(duì)比分析,兩者的烴源巖產(chǎn)率變化趨勢(shì)具有一定的相似性,快速升溫速率(20℃/h)比低速升溫速率(2℃/h)產(chǎn)氣率低,且液態(tài)烴產(chǎn)率高峰明顯滯后,說(shuō)明烴源巖生烴過(guò)程中時(shí)間和溫度具有相互補(bǔ)償?shù)年P(guān)系。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,雖然不同沉積環(huán)境的烴源巖生烴演化規(guī)律相似,但是其各自的最大產(chǎn)氣率和產(chǎn)油率存在顯著差別(圖1)?;?/span>間盆地濱淺海相泥巖類(lèi)烴源巖(WC1-2為代表)的產(chǎn)氣量和產(chǎn)油量最高,最大產(chǎn)率分別為350mg/g和175mg/g左右?;『笈璧劁夂嗄鄮r類(lèi)烴源巖(DSQ為代表),其最大產(chǎn)氣量為298.9mg/g,最大產(chǎn)油量在30mg/g左右,其僅為WC1-2產(chǎn)油量的17.1%。殘留洋盆濱淺海泥巖類(lèi)烴源巖(P67為代表)最大產(chǎn)氣量為284.8mg/g,與DSQ產(chǎn)率相當(dāng),但產(chǎn)油量極低?;『笈璧劁夂喑聊?guī)r類(lèi)烴源巖(WC1-1為代表),產(chǎn)氣量與產(chǎn)油量均最低。
2.2 氣態(tài)烴組分特征
不同熱模擬升溫速率,烴類(lèi)氣體產(chǎn)物各組分隨溫度變化的規(guī)律基本相同。以升溫速率2℃/h為例,總烴氣和甲烷量隨著溫度的升高而增加;重?zé)N氣C2-5的產(chǎn)率隨著溫度的升高先增大后減小,重?zé)N氣C2-5產(chǎn)率峰值對(duì)應(yīng)溫度區(qū)間為440~460℃。當(dāng)小于峰值溫度時(shí),重?zé)N氣產(chǎn)率隨著溫度的升高而增大,這部分氣態(tài)烴應(yīng)主要來(lái)自干酪根的裂解,其可占到總烴氣體積分?jǐn)?shù)的46%左右。當(dāng)高于峰值溫度時(shí),重?zé)N氣開(kāi)始熱裂解成甲烷,在550℃左右基本上全部裂解,重?zé)N產(chǎn)烴率下降。當(dāng)溫度升至550℃以上時(shí),甲烷累積產(chǎn)率仍呈上升趨勢(shì),說(shuō)明此時(shí)仍有干酪根裂解甲烷的產(chǎn)生。分析認(rèn)為,甲烷氣體主要有兩個(gè)來(lái)源:①烴源巖高成熟演化階段干酪根裂解生成的甲烷;②烴源巖在低溫階段熱解生成的液態(tài)烴、瀝青或者干酪根發(fā)生縮聚再結(jié)合作用形成的具有較高熱穩(wěn)定性的產(chǎn)物,在高溫階段(400~500℃)再次裂解生成的甲烷[10-11]。因而,烴源巖表現(xiàn)為“寬”的生氣門(mén)限。熱模擬烴類(lèi)氣體組分特征表明石炭系烴源巖的生氣過(guò)程可以分為3個(gè)階段:在相對(duì)低成熟度階段,烴類(lèi)氣體主要來(lái)源于干酪根裂解生成的重?zé)N氣和甲烷;隨著成熟度的增加,除干酪根裂解產(chǎn)生甲烷外,重?zé)N氣和原油裂解也可以產(chǎn)生甲烷;在更高的溫度(超過(guò)550℃)條件下,則以干酪根裂解氣為主。
不同類(lèi)型的烴源巖產(chǎn)烴率和產(chǎn)烴組分存在較大差異(圖2)。WC1-2、DSQ和P67以生成烴類(lèi)氣為主,而WC1以生成非烴類(lèi)氣為主??偀N氣和甲烷的最大產(chǎn)率依次為WC1-2>DSQ>P67>WC1,WC1-2、DSQ和P67的烴類(lèi)氣體產(chǎn)率占自身總產(chǎn)氣量的比重大,而烴類(lèi)氣體中以甲烷氣體為主(圖2-a、2-b),WC1-2的甲烷和重?zé)N最大產(chǎn)量分別為230.0mL/g和48.7mL/g。DSQ和P67雖然也有…一定量的甲烷和重?zé)N氣產(chǎn)生,但是產(chǎn)甲烷量在100mL/g左右,僅為WC1-2甲烷產(chǎn)量的50%,重?zé)N氣產(chǎn)量均不超過(guò)10.0mL/g。
不同類(lèi)型的烴源巖熱模擬產(chǎn)物中非烴類(lèi)氣體有CO2、H2S、H2、N2等,且均以CO2為主(圖2-d),并有少量的H。產(chǎn)生(圖2-e),其含量多少與烴源巖所處沉積環(huán)境有著密切關(guān)系。其中,CO2和H2的產(chǎn)率隨溫度的升高呈增加的趨勢(shì);H2S則表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢(shì)。WC1-1樣品的CO2和H2產(chǎn)量在所測(cè)試的樣品中產(chǎn)量均最低,但是卻占了其總產(chǎn)氣量的70%以上,說(shuō)明該類(lèi)烴源巖以產(chǎn)非烴類(lèi)氣體為主,產(chǎn)烴類(lèi)氣的能力有限。WC1-1和WC1-2樣品有少量的H2S氣體產(chǎn)生(圖2-f),說(shuō)明弧間盆地島弧背景下受火山活動(dòng)影響,使得烴源巖中硫化物的含量相對(duì)于其他沉積環(huán)境明顯增高,而硫化物的存在對(duì)于酪根的裂解生烴有催化作用,有利于提高干酪根的熱解生烴產(chǎn)率[12]。這可能是WC1-2樣品具有相對(duì)高烴產(chǎn)率的重要原因。
2.3 液態(tài)烴組分特征
不同樣品熱模擬實(shí)驗(yàn),輕烴(C6-14)和重?zé)N(C14+)產(chǎn)物均以WC1-2最高,其次為DSQ,并且上述兩類(lèi)烴源巖在產(chǎn)氣的同時(shí),也有一定數(shù)量的液態(tài)烴生成。WC1-2樣品的最大重?zé)N產(chǎn)量和最大輕烴產(chǎn)量分別為126.4和37.5mg/g,展示出較強(qiáng)的生油能力。WC1-1和P67樣品無(wú)論是輕烴還是重?zé)N產(chǎn)量均很低,最高產(chǎn)烴量均小于5mg/g,生油能力甚低(圖3)。
從烴源巖生烴演化規(guī)律分析,WC1-2和DSQ樣品具有相似的輕烴和重?zé)N生成演化規(guī)律,即隨著溫度的升高,烴產(chǎn)率迅速增加,達(dá)到產(chǎn)率高峰后,隨著溫度的繼續(xù)升高烴產(chǎn)率反而下降。C14+重?zé)N的高峰值對(duì)應(yīng)溫度為360℃左右,而C6-14輕烴的高峰值對(duì)應(yīng)的溫度為380~400℃,明顯滯后于重?zé)N,說(shuō)明在溫度高于360℃時(shí)液態(tài)烴中的重?zé)N進(jìn)一步裂解成輕烴,當(dāng)溫度超過(guò)480℃時(shí),幾乎不再有液態(tài)烴的產(chǎn)生。
2.4 烴源巖生烴潛力評(píng)價(jià)
烴源巖熱模擬產(chǎn)烴特征分析,不同類(lèi)型的烴源巖生烴產(chǎn)物、產(chǎn)烴率均存在明顯差異,其主要與烴源巖原始有機(jī)質(zhì)類(lèi)型密切相關(guān),有機(jī)質(zhì)類(lèi)型越好,其無(wú)論是生油量,還是生氣量則越高。WC1-2樣品為弧間盆地的泥巖類(lèi)烴源巖,有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為Ⅱ1型,處于較高的熱演化階段(Ro=1.15%),相對(duì)其他沉積環(huán)境的烴源巖仍具有高的產(chǎn)油率和產(chǎn)氣率,表明烴源巖具有良好的原始生烴潛力。分析認(rèn)為,該套烴源巖的高生烴潛力不僅與其較好的有機(jī)質(zhì)類(lèi)型密切相關(guān),而且與其特殊的沉積背景有關(guān)。WC1-2樣品為多島弧沉積背景下弧間盆地火山活動(dòng)間歇期發(fā)育的泥質(zhì)巖類(lèi)烴源巖,火山活動(dòng)為有機(jī)質(zhì)的發(fā)育創(chuàng)造了特殊條件:一方面,火山活動(dòng)為沉積盆地中的水生生物帶來(lái)了豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),為古生產(chǎn)力繁盛及優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育提供了條件[13],因而烴源巖有機(jī)母質(zhì)中水生生物貢獻(xiàn)較大;另一方面,火山物質(zhì)帶來(lái)的Fe、Mn、Zn等金屬元素以及H2、H2S等氣態(tài)物質(zhì)具有一定的催化作用,使烴源巖熱演化生烴能力明顯增強(qiáng)[14-15]。相對(duì)而言,弧后盆地溻湖相的DSQ樣品有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為Ⅱ2型,有機(jī)母質(zhì)陸源高等植物所占比例明顯增加,其產(chǎn)烴總量雖少于WC1-2樣品,但仍具有較高的生氣量,是重要的氣源巖。以P67樣品為代表的殘留洋盆濱淺海相,雖然其有機(jī)質(zhì)成熟度相對(duì)于其他樣品明顯偏低(Ro=0.57%),且有機(jī)質(zhì)豐度較高,但有機(jī)質(zhì)類(lèi)型差,有機(jī)母質(zhì)以陸源高等植物占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),生氣為主,生烴潛力相對(duì)較差。WC1-1樣品為大套火山巖中的沉凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)泥巖薄夾層,有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為Ⅱ2型,有機(jī)質(zhì)豐度與熱模擬產(chǎn)烴量均最低,造成烴源巖生烴潛力差的主要原因也是火山活動(dòng)影響,強(qiáng)烈的火山活動(dòng)導(dǎo)致母質(zhì)中低等水生生物組分降低,有機(jī)質(zhì)類(lèi)型變差,同時(shí)大量的火山物質(zhì)對(duì)有機(jī)質(zhì)起到一定的“稀釋”作用。此外,烴源巖產(chǎn)烴能力還受烴源巖熱演化的影響,強(qiáng)烈的火山活動(dòng)帶來(lái)大量的熱量使WC1-1烴源巖樣品熱演化程度明顯增高,甚至高于下部埋深更大的WC1-2樣品。上述兩方面因素共同影響致使烴源巖生烴能力有限。
3 結(jié)論
石炭系烴源巖生烴熱模擬研究表明,不同沉積背景發(fā)育的烴源巖生烴潛力差異顯著,其主要受控于烴源巖形成沉積環(huán)境和熱演化。烏倫古坳陷和滴水泉地區(qū)早石炭世分別為弧間盆地火山活動(dòng)間歇期泥質(zhì)巖與溻湖環(huán)境泥巖有利烴源巖發(fā)育區(qū)帶,為準(zhǔn)噶爾盆地以石炭系為烴源灶的有利勘探區(qū)。
1)弧后和弧間盆地濱淺海相火山噴發(fā)間歇期暗色泥巖烴源巖,其母質(zhì)類(lèi)型以低等水生生物為主,有機(jī)質(zhì)含量豐度高,具有高的產(chǎn)氣率和產(chǎn)油率,是最具生烴潛力的優(yōu)質(zhì)烴源巖。
2)弧后盆地渴湖相烴源巖母質(zhì)由于有陸源高等植物的輸入,有機(jī)質(zhì)類(lèi)型以混合型為主,產(chǎn)油能力有限,但具有較高的產(chǎn)氣率,是具備生氣潛力的好烴源巖。
3)殘留洋盆濱淺海相烴源巖受陸源輸入影響較大,生烴母質(zhì)以高等植物為主,有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為腐殖型,產(chǎn)油量極低,具備一定的生氣能力,是生烴能力較差的烴源巖。
4)弧間和弧后盆地強(qiáng)烈火山活動(dòng)期,近火山島弧混入大量火山灰物質(zhì)的暗色凝灰質(zhì)泥巖類(lèi)烴源巖,其生油率與生氣率均很低,生烴能力有限,為差烴源巖。
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本文作者:林會(huì)喜 王圣柱 李艷麗 張奎華 金強(qiáng)
作者單位:中國(guó)石化勝利油田公司西部新區(qū)研究中心
中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院
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