钻井液浸泡页岩裂缝宽度的模拟及应用.pdf
第 3 6卷 第 5期 2 0 1 4年 9月 石 油 钻 采 工 艺 0I L DRI LLI NG PR0DUCTI ON TECHNOLOGY V0 1 _ 3 6 No. 5 S e p t .2 01 4 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 4 0 4 0 0 4 1 0 6 d o i 1 0 . 1 3 6 3 9 /j . o d p t .2 0 1 4 . 0 4 . o l 1 钻 井液浸泡 页岩裂 缝宽度 的模 拟及应 用 康 毅力 皇 凡 生 游利 军 俞杨 烽 练 章 华 西南石油大学油气藏地质及开发工程 国家重 点实验 室, 四川成都6 1 0 5 0 0 引用格式 康毅力, 皇凡生, 游利军, 等 . 钻井液浸泡页岩裂缝宽度的模拟及应用 [ J ]. 石油钻采工艺, 2 0 1 4 , 3 6 4 4 1 . 4 6 . 摘要 鉴于我国页岩气开发试验区水平井油基钻井液钻井过程中, 频繁 出现严重的井壁失稳、 井漏等井下复杂情况, 选取 渝东南龙马溪组露头页岩为实验岩样 , 开展了钻井液浸泡前后 页岩岩石力学性质的测试, 基于有限元数值模拟法建立了连通井 筒单条垂直裂缝情况下的裂缝动态宽度预测模型, 研究了钻井液浸泡后页岩裂缝宽度变化的行为, 修正和完善 了基于有限元的 裂缝动态宽度预测方法, 并讨论了裂缝宽度变化模拟在漏失性储层保护和井壁失稳控制方面的应用。结果表明, 钻井液浸泡后 页岩 弹性模量 减小 , 泊松 比增加 , 岩石强度 明显降低 ;钻 井液浸泡后 页岩 裂缝 动 态宽度对 井筒压力 变化 更加敏 感 , 各 裂缝长度 和 井筒正压差 条件 下的半缝 宽增 量均 比浸 泡前增 加 了约 8 %, 且半缝 宽增量随井 筒正压 差的增加而 大幅度增 加 , 动 态缝 宽可达 数毫米量级;钻井液密度一裂缝宽度一架桥封堵颗粒粒径三者紧密相关。研究获得的裂缝动态宽度参数对优选钻井堵漏材料 和粒径级配、 控制合理钻井液密度、 控制井漏和井壁失稳具有重要的意义。 关键词岩石力学;页岩气;钻井液 ;井漏;裂缝宽度;数值模拟;威 2 0 1 . H1 井 中图分类号 T E 2 1 文献标识码 A S i mu l a t i o n a nd a ppl i c a t i o n o f s ha l e f r a c t ur e wi dt h i mme r s e d i n dr i l l i ng flui d K A N G Y ili , H U A N G F a n s h e n g , Y O U L ij u n , Y U Y a n g fe n g , L IA N Z h a n g h u a S t a t e Ke yL a b o r a t o r y o fOi l &Ga s Re s e r v o i r Ge o l o g ya n dE x p l o i t a t i o n , S o u t h we s t P e t r o l e u mU n i v e r s i t y , C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 , C h i n a Ab s t r a c t I n c o n s i d e r a t i o n o f t h e f a c t t h a t , d u r i n g d r i l l i n g o f h o r i z o n t a l we l l s wi t h o i l b a s e mu d i n t h e p i l o t a r e a f o r d e v e l o p me n t of s ha l e g a s i n o ur c o un t r y do wn ho l e t r o u bl e s l i ke s e ve r e we l l bo r e i ns t a bi l i t y a nd l os t c i r c ul a t i on f r e qu e nt l y oc c u r ,t h e ou t c r o ps o f L o n g ma x i s h a l e i n t h e s o u t h e a s t o f C h o n g q i n g we r e t a k e n a s e x p e r i me n t a l o b j e c t s i n o r d e r t o c a r r y o u t t h e t e s t s o f s h a l e r o c k me c h a n i c al p r o pe r t i e s be f or e a n d a f t e r i mme r s i o n i n d r i l l i ng flu i d; ba s e d o n fini t e e l e me n t nu me r i c a l mo de l ,a mo de l wa s b ui l t f or pr e d i c t i n g t he d y n a mi c f r a c t u r e u n d e r t h e c o n d i t i o n o f s i n g l e v e r t i c a l fra c t u r e c o n n e c t i n g t h e we l l b o r e , t h e b e h a v i o u r o f s h a l e fra c t u r e wi d t h v a r i a t i o n a fte r i mme r s i o n wa s s tud i e d , t h e me t h o d f o r p r e d i c t i o n o f d y n a mi c fra c tur e wi d t h b a s e d o n fin i t e e l e me n t wa s c o r r e c t e d a n d i mp r o v e d , a n d t h e a p p l i c a t i o n o f f r a c t u r e wi d t h v a r i a t i o n s i mu l a t i o n wa s d i s c u s s e d t o t h e p r o t e c t i o n o f l e a k i n g r e s e r v o i r s a n d c o n t r o l o f we l l b o r e i n s t a b i l i t y . T h e r e s u l t s s h o w t h a t , a f t e r i mm e r s i o n i n d r i l l i n g fl u i d , t h e e l a s t i c i t y m o d u l u s o f s h a l e d e c r e a s e d , t h e P o i s s o n ’ S r a t i o i n c r e a s e d a n d t h e r o c k s t r e n g t h r e d u c e d s i g n i fi c a n t l y ; a f t e r i mm e r s i o n , t h e d y n a m i c s h a l e fra c tur e wi d t h wa s mo r e s e n s i t e t o c h a n g e s i n we l l b o r e p r e s s u r e s ; t h e h a l f - f r a c t u r e wi d t h i n c r e me n t u n d e r p o s i t e p r e s s u r e d i f f e r e n t i a l o f e a c h fra c t u r e l e n h a n d we l l b o r e a l l i n c r e a s e d b y a b o u t 8 % c o mpa r e d wi t h pr e i m me r s i o n;a n d t h e i nc r e me n t of ha l f wi d t h i nc r e a s e d g r e a t l y wi t h t he i nc r e a s e o f po s i t e pr e s s u r e d i ffe r e n t i a l i n t h e we l l b o r e , a n d t h e d y n a mi c fra c t u r e wi d t h c o u l d b e u p t o s e v e r a l mi l l i me t e r o r d e r ; t h e t h r e e f a c t o r s d r i l l i n g d e n s i t y , fra c t u r e wi d t h a n d b r i d g i n g g r a i n s i z e s we r e c l o s e l y r e l a t e d . Th e p a r a m e t e r s o f d y n a mi c fra c t u r e wi d t h o b t a i n e d b y t h e r e s e a r c h wo r k a r e v e r y s i g n i fi c a n t for s e l e c t i n g t h e LCM ma t e r i a l s a n d g r a i n s i z e g r a d i n g , c o n t r o l l i n g p r o p e r dr i l l i n g fl u i d d e n s i t y a n d h e n c e mo r e e f f e c t e l y p r o t e c t i n g t h e r e s e r v o i r , c o n t r o l l i n g l o s t c i r c u l a t i o n an d we l l b o r e i n s t a b i l i t y . Ke y wo r d s r o c k me c h a n i c s ; s h a l e g a s ; d ril l i n g fl u i d ; l o s t c i r c u l a t i o n ; f r a c n e wi d t h ; n u me r i c a l s i m u l a t i o n ; W 2 01 - H 1 we l l 基金项 目9 7 3计 划课题 “ 深井复杂地层漏失与井壁失稳机理及预测” 编号 2 O 1 0 C B 2 2 6 7 O 5 资助 。 作者简介 康毅力, 1 9 6 4 年生。现主要从事储层保护理论及技术、 非常规天然气开发、 油气田开发地质研究与教学工作, 教授, 博士生导 师。 电话 0 2 8 8 3 0 3 2 8 7 2 , 8 3 0 3 2 1 1 8 。E ma i l c wc t k y l v i p . s i n a . c o rn。 4 2 石 油钻采工艺 2 0 1 4年 9月 第 3 6卷 第 5期 中国海相页岩 、 海陆交互碳质页岩 和湖相页岩 裂缝系统发育 J , 长水平段钻井过程 中易发生井漏 、 井塌等现象 , 造成钻井液 的大量漏失、 卡钻 、 埋钻等 复杂事故 , 严重制约着页岩气藏 的安全 、 快速、 高效 钻井 。以四川盆地威远构造页岩气钻井为例 4 J , 该 区块钻井过 程中井漏 、 井 塌现象普遍存在 , 威 7 2井 漏失钻井液 3 9 . 5 m , 威 7 6井漏失钻井液 4 2 . 8 m , 威 1 0 5 井漏失钻井液 6 7 .8 m ;龙潭组、 龙马溪组、 大乘 寺组地层均 出现不 同程度的井壁掉跨 和坍塌现象。 尤其是龙 马溪组作为页岩气井的 目的层段之一 , 大 斜度 水平 井钻井过程中井壁稳定性极差 , 发生严 重井塌现象 。由于该 区块 页岩地层层理 、 裂缝异常 发育, 尽管采用油基钻井液钻进, 井漏和井塌现象仍 普遍存在 。研究发现提 高油基钻井液 的封堵性 能, 防止钻井液滤液沿层理或裂缝漏失 , 能够有效控制 井漏和井壁失稳 。 封堵 漏失通道 、 强化井周应力和提高裂缝延伸 压 力是解决裂 缝性地层漏失 和井壁失稳 的主要 方 法 , 其技术关键是准确预测井壁附近裂缝宽度和优 选 与之 匹配 的架桥封堵材料及其粒径级配 J 。 目 前预测裂缝宽度变化主要有如下 3种手段 一是通 过室 内实验模 拟应力变化直接 或间接获得裂缝 宽 度 , 但室 内研究仅能获得岩心柱塞尺度上 的裂缝 宽 度变化 ;二是建立钻井液在裂缝 内的漏失数学模型 预测动态裂缝宽度变化 , 该方法 因模型假设条件 过 于理想 , 预测结果与实际情况存在一定差距 ;三是 根据岩石力学参数 , 利用有限元法预测钻完井过程 中的动态裂缝宽度变化 , 该方法具有模拟储层尺度 下裂缝宽度变化的技术优势且结果实用性强 , 得 到 广泛应用 。钻井过程 中钻遇的裂缝长度可以从几米 到几十米 ⋯, 如此大尺度裂缝的动态裂缝宽度变化 难 以在室内开展实验 , 主要采用有限元数值模拟方 法进行研究。练章华 J 、 李相 臣 J 、 汤夏岚 。 。 等采 用有 限元数值模拟法分别建立了与井筒连通 的单条 垂直裂缝 、 2条垂直裂缝和平行成组裂缝情况下的裂 缝宽度预测模型 , 研究 了不 同模型中裂缝宽度、 长度 及井筒正压差 的关系。李大奇和康毅力等 建立 了考虑溶 洞存在和漏失动态的有 限元模型 , 研究 了 裂缝 的宽度变化规律及其对钻井液漏失的影响。李 松和康毅力等 建立了不同缝洞组合情况下裂缝 宽度变化的有限元模型, 研究 了裂缝宽度 、 长度与井 筒正压差以及溶洞发育情况的关系。然而上述研究 所涉及 的岩石力学参数均通过干岩样三轴岩石力学 实验获取 , 尚未考虑钻井液浸泡对 岩石力学性质 的 影 响。作为裂缝 宽度 变化有 限元模拟 的基础参数 , 浸泡前后岩石力学参数的变化必将导致裂缝宽度变 化行为 的不 同。因此 , 为了研究钻井液浸泡对裂缝 宽度变化行为的影响, 更 为准确地预测不 同正压差 条件下连通井筒裂缝 的缝宽变化规律 , 文 中以渝东 南龙马溪组露头页岩为实验对象 , 分析 了钻井液浸 泡对页岩岩石力学性质的影响, 基于 ANS YS有限元 法模拟和对比了钻井液浸泡前后连通井筒单条垂直 裂缝 的缝宽变化规律 , 并讨论 了裂缝宽度变化模拟 在漏失性储层保护和井壁失稳控制方面的应用。 1 钻井液浸泡对页岩力学性质的影响 1 . 1 页岩矿物特征分析 实验 以重庆彭水县长滩 C T 乡下志 留统龙 马 溪组露头页岩为研究对象 , 选取 3处不同位置的岩 块 C T1 、 C T 2 、 C T 3 开展了全岩矿物和 x线衍射分 析实验 , 分析 了全岩矿物组分和黏土矿物含量 , 实验 结果如表 1 、 表 2所示。 表 1 龙马溪组露头页岩岩样全岩矿物分析 表 2 龙马溪组露头页岩岩样黏土矿物相对含量分析 分析实验结果可知 , 长滩 区龙马溪组露头页岩 脆性矿物含量丰富, 水化膨胀性弱 , 具备古生界海相 硬脆性页岩的特征 。 图 1 为钻井液浸泡前长滩区龙 马溪组露头页岩 扫描 电镜 图像 , 分析可知 , 龙 马溪组露头页岩微孑 L 隙 和微裂缝发育 , 石英 、 长石 等构成岩石 的骨架 , 黏土 矿物呈 片状充填于骨架颗粒之间和微裂缝 中, 起 到 胶结 的作用 。钻井过程 中, 钻井液的液相会沿微 裂 缝 、 微节理渗 入地层 内部 , 与黏土矿物发生物理 、 化 学的反应 , 破坏岩石原始环境状 态的平衡 , 导致页岩 岩石力学性质发生变化 。 1 . 2 力学测试岩样制备及实验方案 考虑到各 向异性对 岩石强度 和变形 特征 的影 响 , 加工时需 沿同一方 向进行取样 。根据 国际岩石 力 学实验标 准 , 把所取岩心制 备成 2 5 mm5 0 mm 的标准岩样 , 并在相 同条件下测量 其孔 隙度 、 渗透 石油钻采工艺2 0 1 4年 9月 第 3 6卷 第 5期 限元有效载荷如下最大有效水平主应力 P 5 7 . 9 6 MP a , 最小有效水平主应力 尸 , 3 4 . 8 4 MP a , 井筒正压 差 △尸可以通过井筒压力 P井 筒 调节大小 , 分析和预 测裂缝动态宽度变化情况 。 2 . 2 计算机模拟结果 设定井筒正压差为 3 MP a 、 5 I P a 、 7 V l P a 、 1 0 MP a 、 1 5 MP a 、 2 0 MP a , 裂缝长度为 1 0 0 0 mm、 5 0 0 0 mm、 1 0 0 0 0 i n r n , 分别模拟钻井液浸泡前后的裂缝宽度变 化 , 预测结果如图 5和图 6所示 。 暑 蜘j 催 基 姜 * 1 .5 0 7 5 0 l 5 g 1 2 量 捌9 鄹 簧 *3 0 O 2 0 0 4 0 0 6 00 8 0 0 1 0 0 0 沿 裂缝 不同位置/ mm g 滴 憾 g g 辫 悄 O 7 . 5 O 1 5 g 1 2 姜 皿 硎 9 鬓 *3 O O 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 沿裂缝不 同位置/ mm 0 l 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 00 5 0 0 0 沿 裂缝不 同位置/ mm 0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 l 0 0 0 0 沿 裂缝 不同位置/ mm 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 O 0 5 0 0 0 沿裂缝不同位置/ m m 图 6 钻 井液 浸泡条件 下半缝 宽增量预 测结果 图5 未考虑钻井液浸泡的半缝宽增量预测结果 而大幅度增加 , 动态缝宽可达数毫米量级。 表 5 钻井液浸泡前后井壁处半缝宽增量对比 mm 由于地层的岩石力学参数会随着钻井工程等作 业发生变化 , 因此在实 际应用 中, 如地层坍塌压力 、 破裂压力计算 、 连通井筒裂缝的缝宽变化预测等 , 应 当考虑当时状态下的岩石力学参数值。以往有限元 法 预测裂缝宽度 时采用 的均是 干岩样岩石 力学参 数 , 忽略了实 际钻井过程 中钻井液浸 泡对岩石力学 康毅力等 钻井液浸泡页岩裂缝宽度的模拟及应用 4 5 性质 的影响 , 其模拟结果无法反映真实状态下裂缝 宽度的变化情况 。今后在储层保护钻井液设计前应 首先开展钻井液浸泡对储层岩石力学性质的影响研 究 , 然后基于浸泡后 的岩石力学参数进行裂缝宽度 变化 的计算机模拟 , 只有这样才能更为准确地预测 井壁 附近裂缝 的真实缝宽变化 , 提高裂缝宽度预测 的精度 , 增强模拟结果的实用性。 3工程应用 3 . 1 漏失性储层保护方面的应用 屏蔽暂堵技 术是解决裂缝 性漏失的主要 手段 , 它主要是通过固相颗粒对孔喉或裂缝的架桥封堵作 用 , 在井壁附近形成渗透率近于零 的屏蔽暂堵带 , 从 而有效地封堵漏失通道 , 其技术关键是需要准确预 测井壁附近裂缝宽度的动态变化。而针对井筒压力 高于地层破裂压力 时产生 的诱导裂缝性漏失 , 主要 的预防和控制措施是采用井壁强化技术 , 它包括强 化井周应力和提高裂缝延伸压力 2种方法。 1 强化井周应力。As t o n等 引入了 “ 应力笼” 的概念 , 通过把固相颗粒像 “ 楔子” 一样楔进裂缝 即 架桥和封堵 , 压缩井周地层 , 在近井眼地带产生一 个 附加周 向应力 如图 7 , 从 而提高地层破裂压力 或裂缝闭合应力 , 并在井壁附近形成致密封堵带 , 阻 止流体 向裂缝 内的进一步漏失 。该方法的技术关键 是需 要知道裂缝 的缝 宽 , 并 在此基 础上优选架桥封 堵材料及其粒径级配 。 图 7“ 应 力 笼 ”形 成 基 本 原 理 2 提高裂缝延伸压力 。通过 固相材料在裂缝 内 部的架桥封堵 , 对裂缝形成末端隔离 , 阻断压力 向裂 缝尖端的传递, 从而有效提高裂缝延伸的阻力, 如图 8所示 。该方法 的技术关键也是需要知道应力扰动 下裂缝 的动态宽度变化 。 3 . 2井壁失稳控制方面的应用 统计 表明 , 9 0 % 以上的井 壁失稳发生在泥页岩 地层 。页岩层段井壁失稳 除了 由水化膨胀 和地 应力不平衡造成 的外 , 钻井液与页岩 的物理化学作 用导致 的裂缝扩展 、 层理滑移也是井壁失稳的主要 尖 图 8提 高裂缝延伸压力原理 机理之一。当页岩浸泡 于钻井液 中, 钻井液滤液沿 层理面或微裂缝进入岩石 , 导致裂缝缝尖应力强度 因子增加、 临界断裂韧性降低、 裂缝扩展, 同时钻井 液滤液改变层理面充填物的矿物成分, 降低层理面 的摩擦因数 , 导致层理滑移 , 从而诱发井壁失稳 。 使用油基钻井液 、 调整钻井液密度能有效减小 页岩水化膨胀和地应力 不平衡造成 的井壁失稳 , 而 针对裂缝扩展 、 层理滑移造成的井壁失稳 , 一般通过 控制钻井液滤液渗入裂缝和阻止井筒压力向裂缝 内 部传递来解决 , 采用 的主要方法是封堵漏失通道 、 强 化井周应力 和提高裂缝延伸压力 , 而这 3种方法均 需知道应力扰动下裂缝宽度 的动态变化情况。 3 . 3工程 实例及 分 析 威 2 0 1 H1 井是中国第 1 口页岩气水平井, 目的 层段为龙马溪组 , 设计井深 3 0 3 2 1 T I , 水平段长 1 2 0 0 r n , 最终该井因水平段井壁坍塌而提前完钻, 实钻井 深 2 8 2 3 . 4 8 m, 水平段长 9 9 1 . 4 8 m, 处理复杂工况时 间 3 7 . 6 6 d , 占总钻井时间的 5 2 . 2 6 %。 威 2 0 1 . H1 井钻 至井 深 1 8 6 5 r n龙 马溪 组上部 地层时 , 采用密度为 1 . 2 0 ~ 1 . 2 2 e C c m 的油基钻井 液 发生井壁坍塌 , 并伴 随井漏 , 随后把钻井液密度提至 1 .6 2 g / c m , 井壁坍塌依然存在, 而且随着钻井液密度 的提高 , 井漏现象也变得更加突 出, 最后把钻井液密 度迅速 提至 2 . 2 1 ~ 2 . 3 0 g C c m。 , 并在 钻井液 中加 人一 些暂堵材料后 , 井下复杂状况才明显减少。 经分析钻 井液封堵性 能失效是诱 发威 2 0 1 . H1 井龙 马溪 组水平段 复杂工况 的主要原 因。威远 构 造志 留系龙马溪 组页岩微孔 隙 、 微 裂缝发育 , 微 孔 隙直径 主要 在 0 . 1 ~ 1岬 , 微裂 缝宽度主要在 1 0 ~ 2 3 岬 2 J 。对 该 区块 所用油 基钻井 液进行 抽样 , 应用 Ma s t e r s i z e r 2 0 0 0 激光粒度仪测得其粒度分布为 D 。 1 . 5 9 3岬 、 D5 0 1 2 . 5 7 3岬 、 D。 0 3 3 . 7 6 0 m。 室 内实 验表明该钻井液体系能够对基块孔喉和裂缝形成有 效封堵 , 但 由数值模拟结果可知, 应力扰动下裂缝 的 动态宽度在几兆帕下就可达到数毫米量级 , 远远超 过 了钻井液的封堵能力 。油基钻井液水平井钻井过 程 中井壁失稳主要是应力失稳 和层理 、 裂缝失稳共 同作用 的结果 。虽然增加钻井液密度能够有效解决 石油钻采工艺 2 0 1 4年 9月 第 3 6卷 第 5期 应力失稳 , 但连通井筒裂缝 的缝宽会随钻井液密度 的增加而增加 , 当裂缝宽度超过钻井液的封堵 能力 时 , 钻井液就会沿层理和裂缝 大量漏失 , 诱发层理 、 裂缝失稳 。同时钻井液密度过大也会压破地层 , 进 一 步加剧井壁失稳 。 胜利油 田 T 2 Y、 T 3 W 和 T 3 L井钻井过程 中井壁 失稳现象频发 , 经分析钻井液封堵性 能失效 和钻井 液的高 p H值是诱发井壁失稳的主要原因 , 之后通过 加入 L F 一 2 一种暂堵材料 和降低 p H值对该区所用 钻井液进行改进 , 并把该改性钻井液体 系应用 于邻 井 T 3 Z V和 T 3 Z S的钻进过程中, 测井解释发现井径 曲线规则 , 且取心 、 测井 、 完井等作业均顺利完成 , 取 得了较好地稳定井壁的效果。 因此 , 钻井液密度一 裂缝 宽度一架桥封堵颗粒 粒径三者紧密相关。为综合解决页岩地层水平井钻 井过程中井壁失稳、 井漏等问题 , 须在调整油基钻井 液密度 的同时 , 对架桥封堵材料及其粒径级配也进 行相应调整 , 以保证钻井液封堵性能的有效性。 4结论 1 页岩储层钻井过程 中, 受钻井液长时问浸泡 的影响 , 其岩石力学性质将发生 明显变化 , 表现为弹 性模量减小 , 泊松 比增加 , 岩石强度降低 。 2 钻井液浸泡后 , 页岩裂缝动态宽度对井筒压 力变化更加敏感 , 各裂缝长度和井筒正压差条件下 的半缝宽增量均 比浸泡前增加 了约 8 %, 且半缝宽增 量 随井筒正压差的增加而 大幅度增加 , 动态缝宽可 达数毫米量级。 3 钻井液密度一裂缝宽度一架桥封堵颗粒粒径 j者紧密相关 , 钻井液优化设计时 , 须在保证钻井液 封堵性能的前提下 , 调整钻井液的密度 , 从而协 同作 用来 稳定 井 壁和 控制 井漏 。 4 准确预测井筒附近裂缝宽度 , 明确其对井筒 压力的动态响应规律 , 对优选钻井堵漏材料和粒径 级配 、 控制合理 的钻井液密度 , 从而更加有效地保护 储层 、 控制井漏和井壁稳定具有重要的意义。 参考文献 [ 1 ] 邹才能. 非常规油气地质 [ M]. 北京地质出版社, 2 0 1 1 . 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