孫 杰，王 佟，趙 欣，林中月，王遂正，江 濤，何 亮

(1.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院 北京 100038； 2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局 北京 100039；3.中煤地質(zhì)工程總公司 北京 100040； 4.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第一勘探局 河北 邯鄲 056004；5.中煤礦業(yè)發(fā)展有限公司 北京 100039)

煤層氣主要成分是甲烷(CH4)，是一種與煤炭共生、主要以吸附狀態(tài)賦存于煤層及煤系的非常規(guī)天然氣。煤層氣產(chǎn)業(yè)在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中具有重要戰(zhàn)略地位，尤其在生態(tài)文明建設(shè)納入了“五位一體”的總體布局，“綠水青山就是金山銀山”的新時(shí)代。發(fā)展煤層氣產(chǎn)業(yè)對(duì)于保障我國(guó)能源安全、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，加快建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系尤為重要，同時(shí)也有利于保障我國(guó)煤炭安全生產(chǎn)、減少溫室氣體排放，推進(jìn)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)，建設(shè)美麗中國(guó)。

1 概況

1.1 煤層氣資源總量

我國(guó)煤層氣資源評(píng)價(jià)研究始于“七五”期間，至今已近進(jìn)行了十余輪，2006年“新一輪煤層氣資源評(píng)價(jià)” 結(jié)果表明我國(guó)煤層氣地質(zhì)資源量總量為36.81×1012m3，可采資源量為10.87×1012m3。2015年國(guó)土資源部組織的“煤層氣資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)”顯示煤層氣總資源量約為30×1012m3，可采資源量約為12.50×1012m3，盡管資源量比新一輪煤層氣資源評(píng)價(jià)要少一些，但變化幅度小，且我國(guó)作為全球煤層氣資源大國(guó)的地位并沒(méi)有改變，仍然雄踞第三位[1]。

表1 歷次全國(guó)煤層氣評(píng)價(jià)資源量

1.2 煤層氣資源分布特征

我國(guó)煤層氣資源可劃分為東北、華北、西北、南方和青藏共五大賦氣區(qū)(圖1)，華北賦氣區(qū)地質(zhì)資源量13.9×1012m3，占全國(guó)的46.27%，是煤層氣資源分布最為豐富的大區(qū)，其次是西北賦氣區(qū)占全國(guó)的25.87%，南方賦氣區(qū)、東北賦氣區(qū)分布占全國(guó)的18.18%和9.67%，青藏區(qū)煤層氣資源量很少(圖2)。在主要含煤盆地中，鄂爾多斯盆地煤層氣資源量達(dá)7.2×1012m3，占全國(guó)的24.2%；其次是沁水盆地，占全國(guó)的13.31%。超過(guò)1×1012m3的含氣盆地(群)還有準(zhǔn)噶爾、天山、川南黔北、塔里木、海拉爾、二連和吐哈盆地(群)。

圖1 我國(guó)煤層氣五大賦氣區(qū)Figure 1 Five major CBM hosting areas in China

圖2 五大賦氣區(qū)煤層氣資源量比重Figure 2 CBM resource proportionsof five major CBM hosting areas

我國(guó)煤層氣主要集中在上古生界石炭系、二疊系和中生界三疊系、侏羅系和白堊系，新生界古近系和新近系的煤層氣分布較少。中生界和上古生界煤層氣資源量分別占全國(guó)的49.98%和49.91%。五大賦氣區(qū)煤層氣資源層系分布不同，東北賦氣區(qū)主要在中生界， 資源量占東北賦氣區(qū)的96.8%， 還有少量分布在上古生界和新生界；華北賦氣區(qū)只分布在上古生界和中生界；西北賦氣區(qū)主要集中在中生界，上古生界只占0.5%；南方賦氣區(qū)上古生界占94.1%，中生界占5.7%，新生界占比很少；青藏賦氣區(qū)基本上都在上古生界(圖3)。

圖3 五大賦氣區(qū)煤層氣資源層系分布圖Figure 3 CBM resource series of stratadistribution in five major CBM hosting areas

我國(guó)煤層氣資源在深度上分布較為均勻。按埋藏深度劃分風(fēng)化帶～1 000 m、1 000～1 500 m和1 500～2 000 m三個(gè)深度，煤層氣資源量分別占比37.2%，31.3%，31.5%。目前煤層氣勘查開(kāi)發(fā)主要集中在風(fēng)化帶～1 000 m，1 000m～1 500 m開(kāi)展了少量工作，1 500 m以深因勘查開(kāi)發(fā)難度和經(jīng)濟(jì)因素尚難以開(kāi)發(fā)利用(圖4)。

圖4 五大賦氣區(qū)煤層氣資源埋深分布圖Figure 4 CBM resource buried depths distributionin five major CBM hosting areas

我國(guó)2 000 m以淺煤層氣地質(zhì)資源量在低階煤、中煤階、高煤階煤層中總體呈均勻分布格局。低階煤主要分布在東北、西北地區(qū)，中高階煤主要分布在華北、南方地區(qū)(圖5)。

圖5 五大賦氣區(qū)煤層氣資源煤階分布圖Figure 5 CBM resource coal ranks distributionin five major CBM hosting areas

2 我國(guó)煤層氣資源地質(zhì)特征

2.1 煤層氣資源豐富

我國(guó)是煤炭資源大國(guó)，煤層氣作為煤炭的共生礦產(chǎn)資源也十分豐富。我國(guó)煤層氣資源量約占全球的13.7%，位居俄羅斯、美國(guó)之后，居世界第三位。我國(guó)煤儲(chǔ)層含氣量普遍較高，特別是高煤階分布區(qū)，如華北、川南黔北某些地區(qū)的含氣量超過(guò)20 m3/t。較高的煤儲(chǔ)層含氣量決定了我國(guó)煤層氣資源潛力較大，歷史上多次的資源評(píng)價(jià)表明我國(guó)的煤層氣地質(zhì)資源量在30×1012m3/t左右，潛力可觀。

2.2 煤層氣賦存條件復(fù)雜氣藏類(lèi)型多樣

總體來(lái)看我國(guó)煤層氣資源具有“多個(gè)煤階、多個(gè)深度、多期生氣、多源疊加、多期改造”的地質(zhì)特征。我國(guó)煤階煤質(zhì)種類(lèi)多、煤層埋深跨度大、成煤條件多樣性、成煤時(shí)代多期性、煤變質(zhì)作用疊加性、構(gòu)造變動(dòng)多幕性[2]，造成煤層氣成藏作用的復(fù)雜性和氣藏類(lèi)型的多樣性。如沁水盆地、鄂爾多斯盆地為克拉通盆地，地層相對(duì)穩(wěn)定，煤巖變質(zhì)程度高，屬中高煤級(jí)，煤層含氣量高，但飽和度低；準(zhǔn)噶爾盆地南部是前陸盆地典型代表，煤層分布連續(xù)性差，厚度變化較大，煤儲(chǔ)層滲透率普遍較低，儲(chǔ)層物性非均質(zhì)性強(qiáng)；二連盆地群則是典型的斷陷盆地，盆地規(guī)模較小，構(gòu)造復(fù)雜，煤層分布不穩(wěn)定，層數(shù)多、煤相變化快，煤巖變質(zhì)程度低，含氣量差異大。

2.3 可采資源量比重低

受儲(chǔ)層“三低一多”特征和非均質(zhì)性影響，煤層氣可采儲(chǔ)量比重低。我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層具有獨(dú)特性，一是煤炭成因復(fù)雜、成煤時(shí)代早，導(dǎo)致煤層氣散失時(shí)間長(zhǎng)、吸附飽和度低；二是含煤盆地經(jīng)歷多期改造，導(dǎo)致構(gòu)造煤發(fā)育，結(jié)構(gòu)破碎；三是煤巖壓實(shí)作用強(qiáng)烈，儲(chǔ)層物性差、致密低滲。這些因素造成我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層具有低含氣飽和度、低滲透率、低儲(chǔ)層壓力以及多構(gòu)造煤的“三低一多”的特性[3]?！叭鸵欢唷笔怯绊懨簩託饪刹尚缘淖钪匾牡刭|(zhì)因素。據(jù)估算，我國(guó)低孔低滲、構(gòu)造煤、低階煤和深部等難采煤層氣資源量占全國(guó)煤層氣資源總量的75%以上。

我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層具有非常強(qiáng)烈的非均質(zhì)性，儲(chǔ)層物性特征、含氣性特征以及控氣條件等在同一井田內(nèi)有著顯著的差異。一方面是由于成煤環(huán)境造成的煤層厚度、埋深、煤巖、煤質(zhì)特征的差異，另一方面是由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致煤層氣藏的控氣因素、封蓋層條件、煤體結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)層物性及地下水徑流條件等出現(xiàn)差異[4]。強(qiáng)烈的非均質(zhì)性導(dǎo)致煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中井網(wǎng)內(nèi)單井產(chǎn)氣量差距明顯，達(dá)不到整體降壓、形成有效降壓漏斗的作用，進(jìn)而影響了煤層氣資源的可采性。

3 我國(guó)煤層氣地質(zhì)研究中存在的突出問(wèn)題

3.1 煤層氣儲(chǔ)層與控氣條件的研究與認(rèn)識(shí)不足

我國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)已經(jīng)在沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣取得了重大突破，形成了適應(yīng)中高煤階煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的地質(zhì)理論和成果，但針對(duì)不同分區(qū)、不同層序格架、不同煤階、不同埋深、不同水文地質(zhì)以及采煤采氣過(guò)程中煤層氣地質(zhì)條件變化等基礎(chǔ)煤層氣地質(zhì)理論需要進(jìn)一步深入研究，現(xiàn)有地質(zhì)認(rèn)識(shí)、勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)方案不能適應(yīng)復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，克隆難度大，實(shí)用性低。目前，煤層氣儲(chǔ)層地質(zhì)研究熱點(diǎn)主要體現(xiàn)在煤儲(chǔ)層的精細(xì)描述和評(píng)價(jià)、煤系氣層組組合和劃分以及煤層氣開(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)層的孔滲變化規(guī)律等方面。低場(chǎng)核磁共振技術(shù)、恒速壓汞技術(shù)和CT掃描成像技術(shù)等[5-8]技術(shù)手段開(kāi)始在煤儲(chǔ)層的精細(xì)描述和評(píng)價(jià)中應(yīng)用，煤儲(chǔ)層多相介質(zhì)耦合特征及滲透率預(yù)測(cè)的研究取得初步成果[6]。對(duì)不同層序格架條件下、采煤、采氣過(guò)程中的儲(chǔ)層滲透率動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)變化條件下的煤-水-氣多介質(zhì)耦合特征和孔滲特征預(yù)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)是下一步的研究方向。

煤層氣主要控氣因素包括六個(gè)方面：地質(zhì)構(gòu)造條件、煤層埋藏深度、水文地質(zhì)條件、沉積環(huán)境、煤層物性和巖漿活動(dòng)[7]。我國(guó)煤層氣勘查開(kāi)發(fā)的實(shí)踐表明，煤層氣高產(chǎn)富集的基本條件受多種因素控制，不同地區(qū)、不同煤階、不同時(shí)代、不同構(gòu)造條件下的控氣因素各不相同，因此要進(jìn)一步建立以優(yōu)選煤層氣富集高產(chǎn)區(qū)為目的，以高精度多維地球物理勘探、精細(xì)精準(zhǔn)鉆探以及樣品測(cè)試化驗(yàn)的高等技術(shù)為支撐，實(shí)現(xiàn)煤層氣賦存主控因素分析、預(yù)測(cè)的透明和可視化解譯，進(jìn)而全面建立適應(yīng)我國(guó)不同盆地類(lèi)型、賦存條件下的定量-半定量的煤儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)表述和評(píng)價(jià)體系。

3.2 深部煤層氣資源的地質(zhì)研究需要加強(qiáng)

我國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的目的煤層埋深集中在1 000 m以淺，深部煤層氣勘探開(kāi)發(fā)理論和技術(shù)研究整體處于起步，尚未形成系統(tǒng)的、具有開(kāi)創(chuàng)性的、能夠指導(dǎo)生產(chǎn)的技術(shù)和理論體系[8]。根據(jù)我國(guó)煤層氣資源埋深分布特征，埋深在1 000～2 000 m的資源量為18.9×1012m3，約占總資源量的62.8%，深部煤層氣資源，勘探開(kāi)發(fā)潛力巨大。與淺部煤儲(chǔ)層相比，深部煤儲(chǔ)層具有較高的地應(yīng)力、地層流體壓力和地層溫度[9]?，F(xiàn)有工程技術(shù)和理論體系不足以支撐深部煤層氣規(guī)模開(kāi)發(fā)[11]。針對(duì)深部地層高應(yīng)力、高溫度和高壓力的復(fù)雜地質(zhì)條件，煤儲(chǔ)層孔隙度、滲透性、含氣性及可改造性的差異演化特征及耦合關(guān)系尚處于探索階段[12]。加強(qiáng)深部地溫場(chǎng)、地壓場(chǎng)、地應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)條件下煤層氣成藏的影響機(jī)制研究，建立深部煤層氣勘探開(kāi)發(fā)理論體系是當(dāng)前煤層氣勘探開(kāi)發(fā)亟待解決的問(wèn)題。

3.3 關(guān)閉(產(chǎn)能退出)礦井煤層氣資源利用重視不足

國(guó)家對(duì)煤炭行業(yè)去產(chǎn)能、去庫(kù)存工作的逐步推進(jìn)，大量煤礦因政策原因關(guān)閉。我國(guó)關(guān)閉煤礦井?dāng)?shù)量大、采空區(qū)面積大、井下殘煤多，瓦斯資源開(kāi)發(fā)的潛力巨大。關(guān)閉煤礦井資源化利用是礦井生命周期的最后一環(huán)，其涉及的安全治理、地下空間、資源利用問(wèn)題對(duì)于整個(gè)采礦理念、行業(yè)未來(lái)前景、國(guó)家的戰(zhàn)略性發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義[13]。關(guān)閉礦井煤層氣地面抽采可為煤炭資源枯竭型城市及煤炭企業(yè)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型提供新領(lǐng)域、新能源和新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化區(qū)域經(jīng)濟(jì)構(gòu)架，促進(jìn)煤炭資源型城市及煤礦企業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的多元化發(fā)展。關(guān)閉煤礦井資源化利用在國(guó)內(nèi)處于初步探索階段，但正處于恰逢其時(shí)的難得發(fā)展機(jī)遇中。前些年，煤炭行業(yè)正處于高峰，市場(chǎng)需求旺盛，煤礦正處于生命周期的鼎盛時(shí)期，關(guān)閉礦井?dāng)?shù)量少，不成氣候。若煤炭行業(yè)供給側(cè)改革結(jié)束后，大量煤礦已經(jīng)關(guān)停，因標(biāo)準(zhǔn)不一，資料缺失，礦井廢棄等原因煤層氣資源無(wú)法利用。目前，正處于煤炭供給側(cè)改革的浪潮中，科學(xué)制定關(guān)閉礦井利用規(guī)劃、關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)整理礦井生產(chǎn)資料對(duì)關(guān)閉礦井煤層氣資源化利用十分有益。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在關(guān)閉礦井煤層氣流動(dòng)規(guī)律、采動(dòng)裂隙場(chǎng)演化規(guī)律、采動(dòng)區(qū)煤層氣富集、運(yùn)移規(guī)律方面的研究開(kāi)展了大量工作[14-15]，但是存在以下不足：一是現(xiàn)有的老采空區(qū)瓦斯資源量計(jì)算方法可操作性不強(qiáng)，在計(jì)算過(guò)程中會(huì)形成龐大的中間數(shù)據(jù)，且存在有效資料和數(shù)據(jù)不完整的問(wèn)題；二是缺乏煤層氣富集規(guī)律缺失細(xì)致研究，由于礦井封閉質(zhì)量不確定，采動(dòng)裂隙發(fā)育形態(tài)研究不夠精細(xì)，對(duì)采動(dòng)裂隙橫向分區(qū)的研究仍相當(dāng)有限。

3.4 煤炭與煤層氣資源缺乏協(xié)同勘查與地質(zhì)評(píng)價(jià)

以往煤炭資源勘查過(guò)程中盡管也開(kāi)展煤層瓦斯評(píng)價(jià)，但主要是從瓦斯地質(zhì)條件角度進(jìn)行評(píng)價(jià)，為煤礦瓦斯防治提供地質(zhì)依據(jù)，從煤層氣資源和地面開(kāi)發(fā)角度對(duì)煤層氣資源的評(píng)價(jià)力度不夠[16]。同時(shí)，在煤層氣資源勘查過(guò)程中，對(duì)煤炭資源評(píng)價(jià)工作不足，尤其是對(duì)煤質(zhì)評(píng)價(jià)十分缺乏。煤炭與煤層氣勘查具有很多共性技術(shù)，開(kāi)展煤炭與煤層氣資源綜合勘查，可以大大減少重復(fù)工作量，以最少的投入獲得最佳的地質(zhì)效果。

在實(shí)施過(guò)程中，煤炭勘查和煤層氣勘查分別執(zhí)行不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，缺乏相互聯(lián)系、相互融合，同時(shí)，受煤炭與煤層氣礦業(yè)權(quán)管理、投資、技術(shù)壁壘等因素的影響，有很多煤炭或煤層氣勘查項(xiàng)目未能做到綜合勘查、綜合評(píng)價(jià)，嚴(yán)重影響到煤炭、煤層氣資源綜合勘查質(zhì)量和工作效率。

4 我國(guó)煤層氣地質(zhì)研究今后主要研究方向

4.1 建立中國(guó)特色的煤層氣地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)技術(shù)體系

我國(guó)煤層氣資源賦存“多個(gè)煤階、多個(gè)深度、多期生氣、多源疊加、多期改造”的特征。煤層氣儲(chǔ)層具有“低含氣飽和度、低滲透率、低儲(chǔ)層壓力以及多構(gòu)造煤”的特性，同時(shí)受地質(zhì)條件非均一性強(qiáng)烈的影響，同一區(qū)塊尺度范圍內(nèi)的煤層氣井產(chǎn)能差異巨大?，F(xiàn)有理論體系由歐美國(guó)家引進(jìn)，僅在我國(guó)部分區(qū)塊獲得成功，尚無(wú)法指導(dǎo)我國(guó)復(fù)雜的、特殊地質(zhì)條件下的煤層氣開(kāi)發(fā)，尤其是在深部煤層氣和低煤階煤層氣。針對(duì)這一現(xiàn)狀，我國(guó)煤層氣地質(zhì)研究工作應(yīng)瞄準(zhǔn)建立適用中國(guó)復(fù)雜地質(zhì)特征，具有中國(guó)特色的不同分區(qū)、不同層序格架、不同煤階、不同埋深、不同水文地質(zhì)以及采煤采氣過(guò)程中煤層氣地質(zhì)條件變化等典型地區(qū)煤層氣地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)技術(shù)體系。

4.2 完善煤與煤層氣(煤系氣)協(xié)同勘查地質(zhì)保障體系

我國(guó)已經(jīng)初步建立了“探煤為主、同步探氣、協(xié)同勘查、綜合評(píng)價(jià)”的多能源協(xié)同勘查理論[17]，建立了含煤盆地多能源疊合成藏模式。煤與煤系氣[18](煤層氣、煤系頁(yè)巖氣、煤系致密砂巖氣等)同源共生，其自然屬性決定了其在勘查開(kāi)發(fā)過(guò)程中相互交織和不可分割，以往對(duì)煤層氣開(kāi)展的研究相對(duì)較多，而煤系頁(yè)巖氣、致密砂巖氣等研究較少。目前單一開(kāi)發(fā)獨(dú)立的一種資源是不符合地質(zhì)規(guī)律的，必然會(huì)造成對(duì)其他資源遺漏甚至破壞，應(yīng)當(dāng)將煤炭和煤系氣作為一個(gè)資源整體統(tǒng)一進(jìn)行勘查開(kāi)發(fā)，完善煤與煤層氣(煤系氣)協(xié)同勘查理論體系，實(shí)現(xiàn)理論創(chuàng)新，大大減少重復(fù)工作量，以最少的投入獲得最佳的找礦效果。

4.3 構(gòu)建關(guān)閉礦井煤層氣資源綜合利用地質(zhì)評(píng)價(jià)與保障體系

關(guān)閉礦井煤層氣資源綜合利用是生態(tài)文明建設(shè)的新方向，也為煤層氣地質(zhì)工作提供了新的領(lǐng)域。關(guān)閉礦井采動(dòng)、采空區(qū)內(nèi)煤層氣吸附解吸、遷移規(guī)律和空間分布特征是研究關(guān)閉礦井煤層氣資源評(píng)價(jià)體系、抽采技術(shù)方法的基礎(chǔ)。結(jié)合采動(dòng)上覆瓦斯卸壓運(yùn)移“三帶”理論及“O”型圈理論[19]，分析礦井關(guān)閉后覆巖裂隙橫縱分區(qū)內(nèi)的變化規(guī)律，研究采動(dòng)、采空區(qū)煤層氣的來(lái)源、成分和賦存狀態(tài)，以及礦井關(guān)閉后本煤層和鄰近層煤層氣運(yùn)移過(guò)程及分布規(guī)律，綜合分析單煤層開(kāi)采及多煤層開(kāi)采條件下關(guān)閉煤礦井瓦斯的運(yùn)移規(guī)律、賦存狀態(tài)、評(píng)價(jià)方法以及主控因素，構(gòu)建關(guān)閉礦井煤層氣資源綜合利用地質(zhì)評(píng)價(jià)與保障體系是今后煤層氣地質(zhì)理論研究的重要方向。

5 結(jié)論

①我國(guó)煤層氣資源豐富，但賦存條件復(fù)雜、氣藏類(lèi)型多樣、可采比重偏低。煤層氣資源具有“多個(gè)煤階、多個(gè)深度、多期生氣、多源疊加、多期改造”的特征，煤層氣儲(chǔ)層具有“低含氣飽和度、低滲透率、低儲(chǔ)層壓力以及多構(gòu)造煤”的特性，同時(shí)儲(chǔ)層非均一性強(qiáng)烈，導(dǎo)致賦存條件復(fù)雜、可采資源量比重偏低。

②筆者認(rèn)為新時(shí)代煤層地質(zhì)工作應(yīng)重點(diǎn)打造三大研究方向：一是建立適應(yīng)我國(guó)不同構(gòu)造格架、不同成藏條件、不同富集特征的具有中國(guó)特色的煤層氣地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)技術(shù)體系；二是完善煤與煤層氣(煤系氣)協(xié)同勘查地質(zhì)保障體系，

減少重復(fù)工作量，避免資源浪費(fèi)，以最少的投入獲得最佳的找礦效果；三是構(gòu)建以關(guān)閉礦井采空、采動(dòng)區(qū)煤層氣資源運(yùn)移規(guī)律、賦存狀態(tài)、主控因素分析以及抽采方法為重點(diǎn)的資源利用地質(zhì)評(píng)價(jià)與保障體系。

致謝：本文研究得到自然資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心的支持和幫助，在此表示感謝！

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