DE2356439A1 - Bohrfluid fuer geologische bohrungen - Google Patents

Description

Patentanwalt DIPL-PHYS. DR. W. LANGHOFF Rechtsanwalt B. LANGHOFF*

β MÜNCHEN 81 · WISSMANNSTRASSE 14 · TELEFON 932774 · TELEGRAMMADRESSE: LANGHOFFPATENT MÜNCHEN

■·.■■--■ Unser Zeichen: 55-134-5' . , ■ München, den 12.11.1973

Albert H.D. Alexander, 3625 Southwest Freeway, Houston, Texas, USA

Bohrfluid für geologische Bohrungen

Die Erfindung bezieht sich auf wässerige Bohrflüssigkeiten, . insbesondere auf ein t'onfreies Bohrfluid aus Seewasser oder Salzlösung -und einem gelösten Erdalkalioxid oder-hydroxid sowie mit einem Zusatz von Stärke zum Verringern von Fluidverlust en beim Bohren. ' ■

Beim Bohren von geologischen Formationen werden verschiedene Bohrflüssigkeiten verwendet, die auf ölbasis oder auf Wasserbasis hergestellt sein können oder auch Öl-Wasseremulsionen bilden. Ein häufig verwendetes Bohrfluid auf Wasserbasis ist Ton-Wasserschlamm mit einem Gehalt an Chrom-Ligninsulfonaten oder ähnlichen Ligninderivaten in Verbindung mit einem Schwermetall, um die nötigen Fließeigenschaften sicherzustellen. Ein anderes bekanntes Bohrfluid auf Wasserbasis enthält keinen Ton und ist aus Seewasser hergestellt unter Verwendung von Erdalkaliverbindungen, typischerweise Kalzium-oder Magnesiumverbindungen. Derartige Bohrfluids haben den Vorteil, daß sie keine giftigen Schwermetallsalze-enthalten und das Problem vermeiden, den Ton in Suspension zu halten» Bohrfluids mit Erdalkaliverbindungen und Seewasser können auch vollständig säurelöslich sein durch Wahl eines geeigneten Dichtekorrektur-

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* Ständiger allgemeiner Vertreter nach 5 46 PatAnwO. zugelassen bei den Landgerichten München I und II.

mittels, etwa Eisenoxid.

Ein derartiges Bohrfluid ist beispielsweise in der'deutschen Patentschrift 1 020 585 beschrieben. Die US-Patentschrift 2 856 256 zeigt .die Verwendung von Magnesiumhydroxid in Verbindung mit Seewasser und ohne Verwendung von Ton, wobei letzteres jedoch auch vorhanden sein kann.

Um ein derartiges Bohrfluid tonfrei anzusetzen, ist es jedoch erforderlich, Additive zuzugeben, welche Fluidverluste von dem Bohrloch in die Formation verringern,, das heißt eine Abwanderung des Wassers in. die Formation möglichst gering halten. Bei Verwendung von Bohrflüssigkeiten mit· einem Gehalt an Ton bildet der Ton in der Formation einen Filterkuchen an den Wänden des Bohrloches, welcher Fluidverluste gering hält oder unterbindet. Bei Bohrflüssigkeiten ohne Ton ist es erforderlich, einen anderen Zusatzstoff zuzugeben₄- um die Flüssigkeitsverluste in gewünschten Grenzen zu halten.

Es ist seit langem bekannt, daß verschiedene Arten von Stärken bei Bohrflüssigkeiten auf Wasserbasis geeignet sind. Es können auch synthetische polymere Stoffe verwendet werden, etwa Harnstoffharze.' Letztere sind jedoch wesentlich teurer.

Stärke ist als Mittel zum Verringern des Fluidverlustes ,in tonfreien Bohrflüssigkeiten bei gewöhnlichen Temperaturen gut geeignet. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß Stärken bei höheren Temperaturen, etwa bei 120 bis 180° C nicht widerstandsfähig sind und ihre Flüssigkeitssperreigenschaften dann verlieren. Unter diesen Bedingungen ist es also erforderlich, kontinuierlich Stärke zuzusetzen, um Fluidverluste von erheblichem Ausmaß zu vermeiden. Bei Temperaturen am oberen Ende des angegebenen Bereiches und darüber hinaus nehmen die -Sperreige-nschaften von Stärken schnell ab.

In der. Praxis geht die Tendenz dahin, immer tiefer zu bohren,

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so daß auch- höhere Temperaturen in den Bohrlöchern auftreten. Die daraus resultierenden Probleme lassen sich durch Verwendung üblicher Stärken als Fluidabdichtungsmittel in tonfreien, salzwasserhaltigen Bohrflüssigkeiten nicht mehr lösen. Es lassen sich zwar bestimmte Kombinationen von Stärken ansetzen, die eine verhältnismäßig gute Temperaturwiderstandsfähigkeit haben, es ist jedoch erstrebenswert, standardisierte Zusatzmittel für tonfreie Bohrflüssigkeiten zu finden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein tonfreies Bohrfluid zu schaffen, welches sich bei Temperaturen bis über 175° C verwenden läßt bei verhältnismäßig geringen Pluidverlusten und einen Schutz der Stärkebestandteile über ein weites Spektrum von Stärken ergibt.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist darin zu sehen, daß dem aus einer Salzlösung, einem darin gelösten Erdalkalioxid oder-hydroxid und einem Anteil an Stärke bestehenden Bohrfluid ein PolyvinylalAOholpolymer in geringer Menge zugesetzt ist, typischerweise etwa 0,6 bis 2,9 kg pro Hektoliter. Der Polyvinylalkohol kann der Stärke vor dem Gebrauch zugesetzt werden,- so daß ein fertiger Zusatzstoff für Seewasserbohrflüssigkeiten gegeben ist.

Bestimmte seewasserhaltige Bohrflüssigkeiten umfassen ein Erdälkalimetalloxid oder-hydroxid,wobei Magnesiumhydroxid beispielsweise geeignet ist, Kalziumhydroxid allein jedoch nicht· zufriedenstellend funktioniert. Kalziumoxid und dolomitischer Ätzkalk, eine Mischung aus Kalziumoxid und Magnesiumoxid, läßt sich auch verwenden. Zusätzlich sind Magnesiumsalze vorhanden, etwa Magnesiumchlorid, Magnesiumsulfat und/oder Magnesiumkarbonat in einer Salzlösung, welche typischerweise Kalium-und Magnesiumsalze enthält, die in Süßwasser oder Seewasser aufgelöst sind. Das Magnesiumkarbohat kann "als Dolomit oder dolomitischer Kalkstein vor-

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liegen, der sowohl Magnesiumkarbonat als auch* Kalziumkarbonat enthält. Kalziumsulfat, das heißt Gips, ist
ein weiterer typischer Bestandteil derartiger Bohrflüssigkeiten. Der Salzgehalt ist normalerweise so groß, daß das
Aufquellen von Schieferformationen verhindert wird.

Diese tonfreien Bohrflüssigkeiten enthalten also allgemein gesehen Magnesiumoxid und/oder Kalziumoxid oder Magnesiumhydroxid in Verbindung mit einer oder mehreren Verbindungen des Magnesiums, im allgemeinen Magnesiumsulfat, Magnesiumchlorid und/oder Magnesiumkarbonat in einer Salzlösung.
Die Bohrflüssigkeit hat im allgemeinen einen pH-Wert zwischen 8,8 und 9»5» der mit Kalziumhydroxid eingestellt werden kann. Bei manchen Rezepturen ist auch eine Ammoniumverbindung vorgesehen, etwa Ammoniumchlorid., etwa bei dem Bohrschlamm gemäß der US-Patentschrift 2 856 256. Bei Verwendung von
Dolomit-als Quelle für Magnesiumkarbonat ist auch Kalziumkarbonat vorhanden. Ein. Zusatz von Stärke dient dabei als
Fluidsperrmittel zum Verhindern von Pluidverlusten. Es lassen sich verschiedene Stärken verwenden, wie weiter unten noch erläutert ist. Typische Stärkesorten sind Maisstärke, Kartoffel' stärke, Tapiokamehl und dergleichen. Es können weitere Zusatzstoffe zugefügt sein, etwa Dichtekorrekturmittel,_: Additive, die ein Arbeiten unter hohem Druck ermöglichen, Entschäumungsmittel, Biozide und dergleichen.

Die Erfindung ist im folgenden an mehreren Ausführungsbeispielen ergänzend beschrieben. ,

Polyvinylalkohol ist ein wasserlösliches Polymer, welches
durch Umesterung von Polyvinylazetat hergestellt wird. Der Grad der Umesterung kann unterschiedlich sein zum Herstellen von Polymeren mit verschiedenen Eigenschaften. Polymere,
welche bis zu 85 bis 87/2 umgeestert sind, sind für die Zwecke der Erfindung verwendbar. Es ist jedoch günstiger, vollständig hydrolysierte Polyvinylalkoholpolymere zu verwenden, welche zu

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zumindestens 96% alkoholisiert sind. Besonders günstig ist superhydrolysierter Polyvinylalkohol, der wenigstens zu 99% alkoholisiert ist. ■

Diese Polyvinylalkoholpolymere scheinen die- Stärke in der Bohrflüssigkeit bei hohen Temperaturen zu schützen, wenn auch der genaue Wirkungsmechanismus der Rezeptur nach der Erfindung nicht ganz verständlich ist. Es scheint jedoch so, 'daß ohne Anwesenheit von Stärke der Polyvinylalkohol für sich .allein keine· guten Fluiddichtungseigenschaften aufweist.

Das Molekulargewicht des Po'lyvinylalkoholpolymers spiegelt dessen Viskosität wieder. Vorzugsweise sollten die für die Erfindung verwendeten Polyvinylalkohole eine hohe Viskosität aufweisen, vorzugsweise von 55 bis ca. 65 Centipoise gemessen als 4#-ige wässerige Lösung bei 20° C. Derartige Stoffe haben ein Molekulargewicht im Bereich von mindestens 170.000 bis über 200.000. ■ '

Der Polyvinylalkohol wird bei Bohrflüssigkeiten nur in geringen Mengen benötigt, die ausreichen, um eine Stabilisierung der Stärke bei hohen Temperaturen zu erreichen. Je nach der Art der verwendeten Stärke und nach den.Eigenschaften derselben bei hohen Temperaturen kann der zugesetzte Anteil Polyvinylalkohol variieren. Im allgemeinen sind etwa 0,6 bis 2,9 kg pro Hektoliter erforderlich. Bei höheren Konzentrationen tritt ein gummiartiges Polymerprodukt auf, wenn man Bohrschlammproben zur Untersuchung von Pluidverlusten in einer Filterpresse untersacht. Die Wirkung derartiger Konzentrationen auf das Bohrloch unter üblichen Feldbedingungen ist jedoch noch nicht bekannt. Falls zusätzliche Mengen an Stärke ,zu dem Bohrfluid zugegeben werden müssen, um Fluidverluste auszugleichen^ sollten angemessene Mengen an Polyvinylalkohol gleichzeitig zugesetzt- werden.

Es wurde auch festgestellt, daß Polyvinylalkohol bei einer

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großen Anzahl von Stärkesorten verwendbar ist. Obgleich Weizenmehl· für sich allein als Pluidsperrmittel in tonfreien Bohrflüssigkeiten nicht verwendbar ist, läßt·es sich zusammen mit Polyvinylalkohol verwenden, und zwar bis Z.U Temperaturen von etwa 120° C. Am besten werden Stärken verwendet in Form von handelsüblicher Maisstärke, Kartoffelstärke, Tapiokamehl oder dergleichen. Es lassen sich auch Mischungen derselben verwenden. Diese Stärken sind typischerweise vorgelatiniert und daher in kaltem Wasser löslich. Es gibt eine ganze Anzahl handelsüblicher, vorpräparierter Stärken, die sich für die Zwecke der Erfindung verwenden lassen.

Bei einer tonfreien Bohrflüssigkeit nach der Erfindung ist die Stärke im allgemeinen in einer;Menge von etwa 3 bis 9 kg/hl vorhanden. Es kann jedoch auch weniger Stärke verwendet werden, wenn ein größerer Fluidverlust des Bohrschlammes gewünscht wird. Die Stärke wird natürlich in pulverisierter Form verwendet und ist vorzugsweise vermischt mit gekörntem Polyvinylalkohol, bevor sie zu dem Bohrfluid zugegeben wird. Die Verwendung von Polyvinylalkohol ergibt eine Wirksamkeit der Sperrung gegen Fluidverluste bei Temperaturen von etwa 18O° C.

Eine weitere Erhöhung der Wärmestabilität des Bohrfluids läßt sich erreichen durch Beimengen von Harnstoff zu dem Polyvinylalkohol vor dem Zugeben desselben zu der Stärke. Gekörnter Harnstoff sollte in Mengen von 1 bis 10 Gewichtsteilen Harnstoff auf 10 Gewichtsteile Polyvinylalkohol verwendet werden. Durch die Zugabe von Harnstoff läßt sich die Wärmestabilität der Stärke.als Fluiddichtungsmittel bis auf Temperaturen von 195° C ausdehnen.

Im folgenden sind Ansätze für tonfreie Bohrflüssigkeiten auf der Basis von Seewasser angegeben unter Zusatz von Stärke und Polyvinylalkohol. Die angegebenen Mengen sind in Kilogramm pro Hektoliter Wasser angegeben.

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Ansatz A

10,3 kg dolomitischer Kalkstein 1,3 kg Kalziumoxid, Magnesiumoxid oder eine Mischung derselben, z.B. dolomitischer Ätzkalk *

1,3 kg Gips '■■ " · · -

4,3 kg Magnesiumsulfat (Bittersalz) 4,3 kg Kaliumchlorid r ^:'"

Ansatz B-

13,4 kg Dolomit (dolomitischer Kalkstein) 0,6 kg Gips 0,6 kg Kalziumoxid, Magnesiumoxid oder eine Mischung derselben,

z.B.-dolomitischer Ätzkalk 15,4 kg Magnesiumchlorid 17,1 kg Magnesiumsulfat (Bittersalz)

4,3 kg Kaliumchlorid
10,3 kg Natriumchlorid

Die oben angegebenen Bohrfluidsysteme dienen nur als Beispiele, Es können natürlich auch andere Ansätze verwendet werden unter Verwendung von Mischungen von Erdalkaliverbindungen in Salzlösung. Dei? Ansatz B enthält eine hohe Konzentration an gelöstem Salz in der Salzlösung und eignet sich besonders für das Bohren in Formationen mit hohem Salzgehalt„' z.B. Karnallit, Bischofit usw. ■'.-..,

Derartige Bohrflüssigkelten zeichnen sieh im allgemeinen aus durch einen Gehalt von 30 bis 70 Gewichtsprozenten Dolomit (vorzugsweise .mit einem Gehalt von wenigstens 35 Gewichtsprozenten Mägnesiumkarbonat), 20 bis 60 Gewichtsprozenten Magnesiumsulfat, Magnesiumchlorid oder Mischungen derselben, 3 bis 10 Gewichtsprozenten Kalziumoxid, Magnesiumoxid.,, Magnesiumhydroxid oder Mischungen derselben und einer Salzlösung als ,

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Basisflüssigkeit. Bekannte Bohrflüssigkeiten werden angesetzt unter Verwendung von Magnesiumoxid allein oder in Verbindung mit Ammoniumverbindungen, oder mit Magnesiumoxid oder-hydroxid, mit anderen Magnesiumsalzen, etwa Magnesiumsulfat oder Magnesiumchlorid. Weitere Zusatzstoffe sind bereits oben angegeben. Z.B. lassen sich zum Schutz der Stärke in der Bohrflüssigkeit Biozide zusetzen, um einen bakteriellen Angriff auf die Stärke zu vermeiden, und weiterhin kann Paraformaldehyd verwendet werden zum Unterbinden einer Fermentation.

Im' folgenden sind einige Versuchsergebnisse angegeben unter Verwendung des Ansatzes A in einer Menge von 21 kg/hl in Seewasser. Es wurden verschiedene Handelsübliche Stärken untersucht.

Stärke A: eine hochgradige Tapiokastärke Stärke B: eine kaltwasserlösliche Maisstärke Stärke C: eine kaltwasserquellfähige Maisstärke

Stärke D: eine abgewandelte kaltwasserlösliche anionische Maisstärke

Stärke E: ein vorgeliertes Weizenmehl Stärke F: eine wasserlösliche Malsstärke Stärke G: ein wasserlösliches Maismehl Stärke H: eine Kartoffelstärke

Mischung I: eine Mischung aus 60 Gewichtsprozenten der Stärke F, 20 Gewichtsprozenten der Stärke A und 20 Gewichtsprozenten der Stärke H

Nach dem Herstellen der Bohrflüssigkeit wurden Proben genommen und auf scheinbare Viskosität, Fließviskosität,' Gelierungsgrad und Fließpunkt untersucht. Die Fließeigenschaften der Proben wurden durch die unterschiedliche Beschaffenheit der Stärke oder durch Zugabe von Polyvinylalkohol nicht ungünstig beeinflußt. Jede Probe wurde 17 Stunden lang in einem Umwälzbehälter bei den angegebenen Tamperaturen gealtert und sodann auf Fluidverlusteigenschaften untersucht durch Ver-

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Wendung eines Prüfverfahrens "für--Fluidverluste" bei hoher Temperatur und hohem Druck.

Es wurden Polyvinylalkohole mit den folgenden Eigenschaften verwendet: ' ' ' .

PV-I: zu 9955 und mehr hydrolysiert, hohe Viskosität

PV-2: zu 99/S und mehr hydrolysiert, mittlere Viskosität

PV-3: zu 985? hydrolysiert, mittlere Viskosität

PV-4: zu 872 hydrolysiert, hohe Viskosität

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Beispiel Pluidsperrmittel Alterungs- Fluid- Temperatur

temperatur verlust C

⁰C ■ . in cm·³'

1,4 kg/hl Stärke A 121°

4.3 kg/hl Stärke B

1.4 kg/hl Stärke A 121°

4.3 kg/hl Stärke C

1.4 kg/hl Stärke A 121°'

4.3 kg/hl Stärke D

1.4 kg/hl Stärke A 121°

4.3 kg/hl Stärke E

1.4 kg/hl Stärke A 121°

4.3 kg/hl Stärke P

1.4 kg/hl Stärke A 121° 4,3"kg/hl Stärke G

1,4 kg/hl Stärke A 121°

4.3 kg/hl Stärke C 0,9 kg/hl PV-I

1.4 kg/hl Stärke A 121°

4.3 .kg/hl Stärke G 0,9 kg/hl PV-I

7,1 kg/hl Mischung I 171°

1.4 kg/hl PV-2

7,1 kg/hl Mischung I 171° 1,4 kg/hl PV-I

7,1 kg/hl Mischung I 171° 1,4 kg/hl PV-3

7,1 kg/hl Mischung I 182 0,3 kg/hl

10,8

12,0

50+

38,0

9,4

26,4

5,8

7,6

27,6
5,4

nicht kon
trolliert

nicht kon
trolliert

12Γ

121

12Γ

121'

121'

121¹

12Γ

121¹

148° 148° 148°

148°

1NSPECTEÖ

7,1 0,9	kg/hl kg/hl	Mischung I PV-I	182"	20,	8	0
7,1 1,4	kg/hl kg/hl	Mischung I. PV-I	182°	12,	-tr	6
1/4 2,9	kg/hl kg/hl	Mischung I PV-3	171°	nicht kon trolliert	2 .
1,4 2,9	kg/hl kg/hl	Mischung 1 PV-4	171°	12,	OO OO
5,7 1,4	kg/hl kg/hl	Stärke G PV-I	193°	25,
5,7 1,4 1,4	kg/hl kg/hl kg/hl	Stärke'G PV-I Harnstoff	193°	15,
5,7 4,3 0,9	kg/hl kg/hl kg/hl	Stärke 5 Stärke E- PV-I	121°	7, 43,

5,7 kg/hl Stärke E 0,9 kg/hl PV-I

5,7 kg/hl Stärke G 0,9 kg/hl PV-I

121'

121°

7,2
53,2

6,8
9,8

148^C

148^Q

148⁽

148⁽

14 8^C

148⁽

121* 148°

121" 148°

121° 148°

820/öS 8 θ

Aus diesen Beispielen erkennt man, daß durch richtige Wahl der Stärken verhältnismäßig gute Fluidverlusteigenschaften bei Temperaturen bis zu 120° C erreichbar sind (Beispiel 5). Die Mischung I ergibt in der Tat gute Fluidverlusteigenschaften bis Temperaturen von 1^8° C. Man erkennt jedoch, daß durch Zusatz von Polyvinylalkohol die Temperaturbeständigkeit der Stärken wesentlich verbessert wird. Bei Temperaturen oberhalb von 148°C haben Stärkemischungen keine günstigen Eigenschaften, wenn nicht genügend Polyvinylalkohol anwesend ist (vergleiche Beispiele 12 und

Bei Beispiel 16 entsteht ein gummiartiger Polymerrückstand nach dem Versuch bei hoher Temperatur und hohem Druck. Der bei Beispiel l6 verwendete Anteil an Stärke war jedoch geringer als die Menge des Polyvinylalkohole, so daß eine höhere Stärkemenge das Auftreten dieses Rückstandes wahrscheinlich verhindern würde. Die Verwendung eines hochviskosen Polyvinylalkohole führt auch bei Verwendung einer großen Anzahl von Stärken zu guten Fluidverlusteigenschaften, wobei insbesondere durch Zugabe von Harnstoff tonfreie Bohrflüssigkeiten herstellbar sind mit geringen Fluidverlusten bis zu Temperaturen von 195° C. "

Der Ausdruck tonfreie Bohrflüssigkeit bedeutet, daß beim Ansetzen der Bohrflüssigkeit kein Ton verwendet wird. Natürlich kann es vorkommen, daß Ton aus den durchbohrten Formationen herausgelöst wird. Der herausgelöste Ton kann bis zu 20 Gewichtsprozent der Feststoffe des BohrSchlammes ausmachen, ohne daß dessen richtige Funktion beeinträchtigt wird.

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Claims (7)

■ i3 : Pat e η t a η s ρ r Ü c h e

1. Tonfreies ,Bohrfluid aus einem in einer Salzlösung gelösten Erdalkalioxid oder-iiydroxid und Stärke, g e k e η η ζ eic h η e t durch einen Gehalt an einem Polyvinylalkoholpolymer. ;

2. Bohrfluid nach Anspruch 1, dadurch g e kenn ze i c h π et , daß das Polyvinylalkoholpolymer eine hohe Viskosität hat.

3. Bohrfluid nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 0,57 bis 2,9 kg des Polyvinylalkoholpolymers auf ein Hektoliter Flüssigkeit.

4. Bohrfluid nach Anspruch 1 bis 3» ge kennzeichnet durch einen Gehalt von 1 bis 10 Gewichtsteilen Harnstoff auf 10 Gewichtsteile des Polyvinyl-

alkohols. .■"'■'■_■

5. Bohrfluid nach Anspruch 1 bis 4, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η et , daß der Polyvinylalkohol zu mindestens 85# alkoholisiert ist.

6. Bohrfluid nach Anspruch 1 bis 5» g e k e η η ζ e χ ch net: durch. einen Gehalt von 7 bis 50 Gewichtsprozenten an Additiven zu dem Polyvinylalkohol. .

7. Anwendung auf ein tonfreies Bohrfluid mit mindestens einem der Stoffe Kalziumoxid, Magnesiumoxid und Magnesiumhydroxid als Erdalkalibestandteil, und mindestens einer zusätzlichen Magnesiumverbindung in Form von Magnesiumchlorid oder Magnesiumkarbonat. ■ ■

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