吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油地球化学特征与运聚意义.pdf

断块油气田第3 0 卷第4 期FAULT-BLOCKOIL&GASFIELDdoi:10.6056/dkyqt202304008吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油地球化学特征与运聚意义2023年7 月李洪波1,2.3,吴智超1,2.3,张敏1,2.3，金秀辉1,2.3，田兴民（1.油气资源与勘探技术教育部重点实验室（长江大学），湖北武汉4 3 0 10 0；2.油气地球化学与环境湖北省重点实验室（长江大学资源与环境学院），湖北武汉4 3 0 10 0;3.长江大学资源与环境学院，湖北武汉4 3 0 10 0)基金项目：国家自然科学基金项目“地质体中高丰度三环烷类化合物的成因机制与石油地质意义”(4 2 0 7 2 16 5)；中国石油科技重大专项“中国陆相页岩油成藏机理、分布规律与资源潜力研究”(2 0 19 E2601)；油气资源与勘探技术教育部重点实验室（长江大学)青年创新团队资助项目“地质体中生物标志化合物形成机制及其地质应用”(PI2021-05)摘要准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组甜点段页岩油资源丰富，前人在页岩油来源、运聚特征及物性差异原因等方面存在争论。结合芦草沟组纵向分子地球化学特征分析,基于其上、下甜点段及邻近层段泥岩、碳酸盐岩与砂岩抽提物的分子化合物组成、地球化学参数的对比分析，揭示了芦草沟组上、下甜点段页岩油生成与运聚特征，并解释了上、下甜点段原油物性差异原因。研究结果表明：芦草沟组上、下甜点段具有更高的总有机碳质量分数、游离烃质量分数及烃类可采系数，显示明显的生烃聚集特征；上、下甜点段沉积环境还原性与水体咸度相较于其他层段更高，藻类输入生源特征更为显著；上、下甜点段内砂岩储集的烃及原油与泥岩、碳酸盐岩抽提物具有相似的分子组成特征，而与上、下甜点之间的层段显著不同，揭示芦草沟组上、下甜点段之间存在一个由分子组成异的石油运聚隔断层，上、下甜点段为2 套独立的自生自储、内源成藏的油气系统；芦草沟组上、下甜点段页岩油生成与运聚过程的差异性在一定程度影响了原油物性垂向倒置的形成。关键词页岩油；地球化学；运聚特征；芦草沟组；吉木萨尔凹陷；准噶尔盆地中图分类号：TE122The geochemical characteristics and migration-accumulation significances of shale oil in(1.MOE Key Laboratory of Exploration Technology for Oil and Gas Resources,Yangtez University,Wuhan 430100,China;2.Hubei Key Laboratory of Petroleum Geochemistry and Environment,College of Resources and Environment,Yangtze University,Wuhan 430100,China;3.College of Resources and Environment,Yangtze University,Wuhan 430100,China)Abstract:There have been a large number of tight oil in the sweet-spots of Lucaogou Formation in jimsar sag,Junggar Basin The oilsource,migration-accumulation characteristics and physical property of shale reservoir in the sweetspots have been lack of researchevidence.In this study,base on the analysis of molecular geochemical characteristics in the vertical direction of Lucaogou Formation andthe comparison of molecular compound composition and geochemical parameters of the extracts of mudstone,carbonate rock andsandstone in the upper and lower sweet-spots and their adjacent intervals,the generation and migration-accumulation characteristics oftight oil were revealed in the upper and lower sweetspots of Lucaogou Formation.And the difference of physical property was interpreted.The results showed that the upper and lower sweet-spots of Lucaogou Formation in jimusar Sag had higher TOC content,free hydrocarboncontent and hydrocarbon recovery coefficient,showing obvious characteristics of hydrocarbon generation and migration-accumulation.The reducibility of sedimentary environment salinity of water column and the content of algae input source in the upper and lower sweetspots of Lucaogou Formation were higher than those in other layers.The crude oil and extracts of sandstone reservoirs had similarmolecular composition with the extracts of mudstone and carbonate rocks in the upper and lower sweet-spots sections,but weresignificantly different from the extracts of interlayer between theupper and lower sweetspots,which revealed that there was acrude oil migration-accumulation barrier layer with differentmolecular composition between the upper and lower sweet-spotsof Lucaogou Formation.The upper and lower sweet-spots are two引用格式：李洪波，吴智超，张敏，等.吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油地球化学特征与运聚意义 J.断块油气田，2 0 2 3,3 0（4)：57 9-58 5.LI Hongbo,WU Zhichao,ZHANG Min,et al.The geochemical characteristics and migration-accumulation significances of shale oil in LucaogouFormation of Jimsar SagJJ.Fault-Block Oil&Gas Field,2023,30(4):579-585.民1,2,3文献标志码：ALucaogou Formation of Jimsar SagLI Hongbo2,WU Zhichaol2,ZHANG Min2,JIN Xiuhui2,TIAN Xingmin23收稿日期：2 0 2 3-0 1-3 1；改回日期：2 0 2 3-0 5-12。第一作者：李洪波，男，19 8 1年生，副教授，博士，主要从事油气地球化学教学与研究工作。E-mail:。580sets of independent oil reservoir of self-generation,self-storage and near-source accumulation.The difference in the formation,migration-accumulation process of shale oil in the upper and lower sweet-spots of Lucaogou Formation leads to the formation of vertical inversion ofcrudeoilphysicalproperties.Key words:shale oil,;geochemistry;migration-accumulation characteristics;Lucaogou Formation;Jimsar Sag;Junggar Basin准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油在吉172-H井取得突破后，多口井已获得工业油流 1-2 。吉木萨尔凹陷芦草沟组为一套细粒混合沉积岩，岩性主要为粉细砂岩、泥岩及碳酸盐岩 3-5,属于低渗致密储层，上、下甜点段的差异性受沉积环境变化和成岩作用影响 6-7 。芦草沟组细粒沉积岩类中的泥岩具有机质丰度高、半深湖一深湖相沉积、咸化的还原一强还原环境以及优良的生烃母质（I-,型干酪根)等特征 8-10 。上述特征是吉木萨尔凹陷芦草沟组优质烃源岩早期大量生烃、排烃和形成页岩油藏的主要原因 8-。近年来，通过研究进一步认识到，吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油具有源储一体、原位聚集的特征 12-13 ,但上述认识多基于甜点段内较高生烃潜力、岩性复杂多样、砂泥频繁互层等特征得出的,还缺乏精细分子地球化学对比证明。另外,前人对芦草沟组上、下甜点段原油物性差异的认识上还存在一定争论 14-16 ,在生源输人、成熟度控制、运移聚集特征控制方面尚未形成统一认识。由此来看，前人对吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油纵向高精度分子地球化学非均质性的剖析较为薄弱，对基于纵向分子地球化学特征的页岩油差异分布与聚集特征的研究鲜有报道。鉴于此，本文基于对吉木萨尔凹陷芦草沟组生烃潜力的认识,结合纵向上分子地球化学特征的变化，分别对比研究了芦草沟组上、下甜点段及邻近层段泥岩、碳酸盐岩与砂岩抽提物的分子组成，通过分子化合物分布特征及参数对比，明确了上、下甜点段页岩油的生成与聚集特征，以期为上、下甜点段页岩油物性差异性研究，以及进一步指导芦草沟组页岩油勘探提供地球化学参考证据。1地质背景吉木萨尔凹陷位于准噶尔盆地东部隆起的西南部，面积约为13 0 0 km。该凹陷为东部隆起的二级构造单元。其边界特征明显，西面以西地断裂、老庄湾断裂为界，北面以吉木萨尔断裂为界，南面则以三台断裂和后堡子断裂为界（见图1)。吉木萨尔凹陷是在中石炭统褶皱基底上发育的一西断东超箕状凹陷，向东为一缓慢抬升的斜坡，逐渐过渡到古西凸起之上。吉木萨尔凹陷二叠系一第四系发育较为齐全，自下而上将二叠系划分为将军庙组、芦草沟组及梧桐沟组3 套地层，断块油气田其中芦草沟组是吉木萨尔凹陷页岩油主要勘探层段。吉木萨尔凹陷芦草沟组形成于咸化湖盆沉积环境，为一套由机械沉积、化学沉积及生物沉积等作用形成的粉细砂岩、泥岩以及碳酸盐岩组成的混积岩 17 ,岩性较细。芦草沟组烃源岩厚度大，总体呈西厚东薄。芦草沟组自下而上划分为芦草沟组一段（Pli）、二段(P2l2)。其中：P2ll厚度普遍大于10 0 m，自下而上细分为Pl2,Pl亚段;Pl厚度普遍大于50 m，自下而上细分为P2l2,P2l2亚段,P2l2厚度相对较薄1。芦草沟组发育上、下2 个甜点段,其中：上甜点段以碳酸盐岩类沉积为主，位于Pl?；下甜段为三角洲前缘亚相和滨浅湖一半深湖亚相泥岩沉积,位于P1,218。N下08km老庄湾断裂西地断裂构造边界井位断层图1准噶尔盆地吉木萨尔凹陷构造及井位分布Fig.1 Structure and well location distribution of Jimsar Sagin Junggar Basin2实实验方法与样品分布有机碳测试实验采用WR-112碳测定仪，岩石热解分析实验仪器采用OGE-油气评价工作站。饱和烃色谱-质谱分析采用美国Agilent6890GC/5975iMS仪器。GC载气为质量分数9 9.9 9 9%的He，载气流速为1mL/min;色谱柱为HP-5MS,尺寸为3 0 mx0.25mm0.25m；进样口温度3 0 0，升温程序为：温度8 0，保持1min，然后以3/min的速度升温至3 10，保持16 min;MS离子化方式为EI,数据采集方式为全扫描/多离子检测(SCAN/SIM）。数据来源于吉木萨尔凹陷J10016,J10022,J10025和吉17 4 等4 口井芦草沟组岩心样品，共计3 6 5件，包括泥岩、碳酸盐岩及粉细砂岩3 种岩性。J10016,J10022J10025井样品主要集中在上、下甜点段；吉17 4 井样品在P212,P11,P12等32023年7 月吉木萨尔断裂古西起J10025.J10016?吉17 4J10022三台断裂后堡子断裂第3 0 卷第4 期个亚段均有分布。3结果与讨论3.1芦草沟组生烃潜力特征与前人研究比较，本文对芦草沟组生烃潜力的认识较为一致 8.9,11。根据4 口井3 6 5件岩心样品统计，芦草沟组绝大部分总有机碳质量分数（TOC）大于1.0%，主要分布在1.0%6.0%，平均值为3.6 5%，其中泥岩TOC明显高于碳酸盐岩(见图2。图中H为深度,Si为游离烃质量分数）。纵向上，上、下甜点段TOC高于其他层段，有机质类型为I-，型,最高热解峰温（Tmx）为4 4 0 4 50，镜质组反射率(R。)为0.7 5%0.9 8%，有机质成熟度已达成熟阶段。综合来看，芦草沟组发育一套较为优质的生油岩，尤其上、下甜点段具有更好的生油潜力。图2 b中S的分布显示，上、下甜点段高于其他层段，与TOC的分布特征一致，显示出上、下甜点段较好的生油潜力（见图2)。烃类可采系数(S/TOC)可用来描述单位有机碳的产烃潜力，一般该值大于10 0mg/g被认为具有较好的产油潜力 19 。图3 中的S/TOC与Tmx分布显示，上、下甜点所在的Pl2,P12亚段具有烃类运移聚集效应。通过以上烃源岩基础地球化学参数分析发现，上、下甜点段不仅具有较好的生油能力，而且具有显著的烃类运移聚集特征。3.2芦草沟组分子地球化学纵向非均质性特征前人研究表明，芦草沟组为咸化湖盆沉积环境下发育的一套细粒沉积岩 12-13 ,但其水体咸度、氧化还原性与生源输人在不同层段仍存在显著差异。芦草沟组抽提物参数Pr/Ph主要分布在0.9 1.5,其中：上甜点段Pr/Ph为1.0 1.2,其以下层段较大，可达1.2 1.5；下甜点段出现低值，为0.9 1.1,随着深度继续增加，该值再次变大（见图4。（C2s+C29)/(C2s+C2+Ts)为长链三环Pr/Ph0.61.23080313031803230328033303.380李洪波，等.吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油地球化学特征与运聚意义TOCI%010308031303180三3 230328033303.380La TOc-H图2 吉木萨尔凹陷芦草沟组TOC,SI与H的关系Fig.2 The relationship of TOC,S and H in the Lucaogou Formation ofJimsar Sag400300H-8.ou)烃聚集效应200S1000430图3 吉木萨尔凹陷芦草沟组S/TOC与Tmx的关系Fig.3 The relationship of S/TOC and Tmx in Lucaogou Formation ofJimsar Sag-胡萝卜烷/nC.mx28+C1.82.4aPr/PhFig.4Vertical variation of molecular geochemical parameters in Lucaogou Formation of Jimsar Sag581烷比值）。抽提物参数-胡萝卜烷/nCmx与Pr/Ph分布特征相似，其中：上甜点段-胡萝卜烷/nCmx为0.51.0,而上甜点段以下层段该参数迅速变小至接近0；到下甜点段，该参数迅速增加达到最大值，大部分样品该参数均大于1.0,其下部该参数又迅速降低（见图4)。综合上述参数变化，可以发现芦草沟组上、下甜点段相较于其他层段，沉积环境还原性与水体咸度均更高。泥岩碳酸盐岩粉细砂岩：440Tm/C2828+C2g+Ts)2901泥岩碳酸盐岩砂岩b-胡萝卜烷/nCmxC(C28+C29)/(C2g+C29+Ts)图4 吉木萨尔凹陷芦草沟组纵向上分子地球化学参数变化S/(mg gl)2010-2上甜点下甜点450C2留烷质量分数/%23100b Si-HP212P2lPal2烃排出效应46000.20.40.60.8 1.010272545dC2g留烷质量分数65上甜点下甜点582芦草沟组类与留类化合物分布也反映显著的非均质性特征。C28与C29三环烷表征藻类输入特征，常用于原油与岩石抽提物的对比中 2 0 。芦草沟组（C2s+C29)/(C28+C2g+Ts)随深度变化,呈现明显不同的分布变化特征（见图4)：上、下甜点段呈现较高值，在0.6 以上；其他层段均呈现低值,基本在0.4 左右。C2g笛烷常用于高等植物生源输人的指示，同时研究发现，C29笛烷同样受到菌藻类生源输入的影响 2 12 3 1。芦草沟组C29笛烷质量分数与（C28+C29)/（C 2 8+C 2 g+T s）分布特征一致，在上、下甜点段较高，该值可达50%左右；其他层段明显偏低，多低于4 5%。笛类化合物特征揭示芦草沟组上、下甜点段烃源岩生源输入与其他层段显著不同，具有明显的藻类输入特征。结合芦草沟组有机质具有成熟阶段的特征，进一步说明上、下甜点段上述特征并未受到成熟度的影响，上、下甜点段在沉积环境、水体咸度与生源输人方面具有独特特征。3.3芦草沟组页岩油运聚特征上、下甜点段泥岩、碳酸盐岩与砂岩抽提物在沉积环境、水体咸度与生源输入等方面与其他层段有显著差异。为更进一步分析上、下甜点段页岩油的运聚特征，本文对上、下甜点段内的泥岩、碳酸盐岩与砂岩抽提物进行对比研究，同时结合部分其他层段样品进行对比分析。上甜点段典型泥岩、碳酸盐岩与砂岩抽提物的化合物分布特征对比显示（见图5。TIC,m/z191,m/z217C23TT断块油气田为不同类型的质谱图）：1)上甜点段砂岩抽提物与邻近的泥岩及碳酸盐岩抽提物正构烷烃分布模式相近，-胡萝卜烷质量分数均较高；类化合物中三环烷具有正态分布，C29藿烷质量分数低于C30藿烷，伽马蜡烷质量分数与C3藿烷相当，笛类化合物中C27R，C2gR与C2R留烷呈一字形逐渐升高（见图5)。2)上甜点段底部及其他层段的泥岩样品，上述特征则呈现截然不同的分布，即-胡萝下烷缺失，类化合物中三环枯烷呈阶梯状分布，C29藿烷质量分数高于C3o藿烷，伽马蜡烷质量分数极低，笛类化合物C2R,C2gR与C2R笛烷呈倒V形特征（见图5)。以上生物标志化合物（简称生标，下同)特征差异性揭示了上甜点段内砂岩抽提物与邻近的泥岩和碳酸盐岩抽提物具有相似的生标组成特征，而与上甜点段底部及其他层段差异显著。下甜点段泥岩抽提物与砂岩抽提物化合物分布特征也与上甜点段特征相似。由图6 可知：1)下甜点段砂岩与邻近的泥岩抽提物中低碳数正构烷烃较为丰富，-胡萝卜烷质量分数高，类化合物中伽马蜡烷质量分数与C31藿烷相当，笛类化合物C2zR,C2sR,C2R留烷呈一字形逐渐升高（见图6);2)下甜点段以下层段泥岩样品，-胡萝卜烷缺失，伽马蜡烷质量分数极低，C27R，C2gR,C2R烷呈倒V形分布。显著生标特征差异揭示了下甜点段内砂岩抽提物与邻近泥岩具有相似的生标特征，而与下甜点段以下层段差异显著。nC2CH-胡萝卜烷C2,HSH一伽马蜡烷2023年7 月C,RCasQQRCe,aaRabdTICa-3114.0m，灰色灰质粉砂岩；b3125.0m，灰色泥灰岩；c-3127.0m，灰色灰质粉砂岩；d-3130.0m，黑灰色泥岩；图5芦草沟组上甜点段岩石抽提物化合物分布特征Fig.5 Distribution characteristics of rock extracts in upper sweet-spot sections of Lucaogou Formationm/z 191e-3142.0m，灰色灰质粉砂岩;f3150.2m，深灰色泥岩m/z 217第3 0 卷第4 期李洪波，等.吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油地球化学特征与运聚意义-胡萝卜烷CasaRC.,H伽马蜡烷C2,RC2,TT583CoHC2gRC2,HbCdTICa3267.5m，深灰色泥岩；b3274.0m，灰色凝灰质粉砂岩；c3291.7m，深灰色泥岩；d3306.0m，灰色灰质粉砂岩；e3321.0m，灰色泥岩;f3336.0m，灰色泥岩图6 芦草沟组下甜点段岩石抽提物化合物分布特征Fig.6 Distribution characteristics of rock extracts in lower sweet-spot sections of Lucaogou Formation本文通过对比上、下甜点段岩石抽提物与原油地球化学参数特征（见图7），更加明确了上、下甜点段内泥岩和碳酸盐岩抽提物与砂岩抽提物和原油特征的相似性。即上甜点段,泥岩、碳酸盐岩抽提物、砂岩抽提物和原油的Pr/Ph大于1.1,-胡萝卜烷/nCmx小于1.0，ZnC21-/ZnC2+小于1.0,（C28+C2)/(C2s+C29+Ts)小于0.73，且具有非常相似的分布特征；同时下甜点段，泥岩抽提物、砂岩抽提物和原油的Pr/Ph小于1.1,-胡萝卜烷/nCmx大于1.0，ZnC21/ZnC22+大于1.0，大部分样品（C28+C29)/C28+C29+Ts)大于0.7 3（见图7），下甜点的分布自成一体，与上甜点段样品分布迥然不同。以上参数差异性揭示了上、下甜点段之间的地球化学参数差异明显，同时根据纵向上分子组成的非均质性特征，上、下甜点段之间的层段与上、下甜点段也具有明显的分子组成差异。由此分析，上、下甜点应为2 套不2.11/d0.50Fig.7Comparison of geochemical parameters of rock extracts and crude oil in the sweet-spot sections of Lucaogou Formationm/z191同的生烃聚集系统，同时在上、下甜点段内泥岩和碳酸盐岩生成的烃类与砂岩储集烃类和原油均具有相似的生标组成特征，进一步明确上、下甜点段为2 套独立的自生自储、内源成藏的油气系统。3.4上、下甜点段原油物性差异分析深层芦一段下甜点段原油密度为0.9 1 0.9 4 g/cm,50下黏度为14 6.7 8 8 3.6 mPas;浅层芦二段上甜点段原油密度为0.8 7 0.8 9 g/cm,50C下黏度为26.3121.4mPasl14,原油物性纵向上倒置分布。根据前文上、下甜点段生烃潜力认识，两者之间在TOC与成熟度上差异不大。芦草沟组上、下甜点段在表征沉积环境氧化还原性与生源输人的Pr/Ph，（C 2 s+C 2 9)/（C 2 8+C2g+Ts）与C2g烷质量分数等生标参数较为相似（见图4），沉积环境与生烃母质的差异性可能并非是导致上、下甜点段原油密度与黏度明显差异的唯一原因。上甜点泥岩口下甜点泥岩上甜点砂岩公下甜点砂岩上甜点碳酸盐岩下甜点原油上甜点原油AAOA口12-胡萝卜烷/nCmaPr/Ph与-胡萝卜烷/nCmx图7 芦草沟组甜点段岩石抽提物与原油地球化学参数对比m/z2171.5上甜点泥岩上甜点砂岩1.3上上甜点碳酸盐岩+1，上甜点原油1.1口下甜点泥岩下甜点砂岩。下甜点原油C0.90.730.50.3bZnC2i-/ZnC2+与(C28+C29)/(C28+C29+T,)口口口口口0.50.7(C2s+C2,)/(C2s+C,+Ts)0.9584芦草沟组原油运聚特征揭示上、下甜点为2 套不同的生烃聚集系统。下甜点段以外层段将下甜点封闭为独立的自生自储油气单元，储集低成熟一成熟阶段生烃过程全部产物。不同的是，上甜点段虽然也受其以外层段封闭隔挡，但上覆地层为上二叠统梧桐沟组中下部厚层粗砂岩与砂砾岩。吉木萨尔凹陷梧桐沟组油藏为低成熟稠油藏，具有非降解成因稠油分布。原油密度介于0.9 2 0.9 4 g/cm,50下黏度介于56 8.0 12 3 1.3mPas24,原油Pr/Ph介于0.9 5 1.2 0,含有较高质量分数的-胡萝卜烷，C2g留烷质量分数为4 5%52%2 5。以上特征(尤其生标组成具有相似性)均揭示上甜点段早期生成的低成熟高密度原油极有可能向上运移聚集至梧桐沟组,形成稠油油藏;后期成熟阶段生成的原油大部分聚集于上甜点段内，形成现今密度相对较轻的原油 2 5-2 7 另外，根据生烃模拟实验产物分析，随着热演化程度加剧，芦草沟组泥岩生成物中非烃沥青质质量分数逐渐减小，饱和烃逐渐增大。上甜点段原油较高的饱和烃质量分数符合成熟阶段产物特征；而下甜点段相对较低的饱和烃质量分数和较高的非烃与沥青质质量分数也符合低成熟一成熟阶段产物特征（见图8）。根据以上剖析，芦草沟组上、下甜点段页岩油差异运移聚集过程在一定程度上也影响了原油物性差异。饱和烃质量分数/%0100回上甜点段2080回下甜点段406060408020口10040芳烃质量分数/%图8 芦草沟组上、下甜点段原油与砂岩抽提物组成分布Fig.8The composition distribution of crude oil and sandstone extracts inthe upper and lower sweet-spot sections of Lucaogou Formation4结论1)芦草沟组上、下甜点段相较于其他层段，沉积环境还原性与水体咸度均较高，藻类输人特征更为显著。芦草沟组上、下甜点段烃源岩上述特征与上、下甜点之间层段显著不同，揭示上、下甜点之间存在一个分子组成特征差异显著的隔断层。2)分析对比生物标志化合物分布与地球化学参断块油气田数特征，揭示了在上、下甜点段内，砂岩抽提物和原油与邻近泥岩和碳酸盐岩抽提物分子组成具有良好一致性,而与其他层段差异明显；上、下甜点为2 套独立的生烃与运聚系统,均具有自生自储、内源成藏的页岩油运聚特征。3)芦草沟组上、下甜点段原油的生成与运聚过程一定程度上造成上、下甜点段原油物性垂向倒置的形成。上甜点段主要聚集了成熟阶段生成的原油，形成现今相对于下甜点段密度较轻的原油。参考文献1支东明,唐勇,杨智峰,等.准噶尔盆地吉木萨尔凹陷陆相页岩油地质特征与聚集机理 J.石油与天然气地质，2 0 19,4 0（3)：52 4-53 4.ZHI Dongming,TANG Yong,YANG Zhifeng,et 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