ANSYS有限元分析在石油工业中应用(全面)

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第一章引言
计算机软硬件技术的迅猛发展,给工程分析、科学研究以至
人类社会带来急剧的革命性变化 ,数值模拟即为这一技术革命在
工程分析、设计和科学研究中的具体表现。

数值模拟技术通过汲
取当今计算数学、力学、计算机图形学和计算机硬件发展的最新
成果,根据不同行业的需求,不断扩充、更新和完善。

现代化石油科技的一个突出特点就是把原有的石油及其它学
科的理论、方法与不断发展的计算机技术结合起来,采用多学科联合攻关,从而形成新的石油理论和方法或制造出新型仪器、工具和设备,以最现代化的计算机软硬件技术为手段综合应用多学科技术解决石油天然气工业中的技术难题,进而提高油气勘探、开发、开采、运输与油气加工工程的科学技术水平和经济效益。

近三十年来,计算机计算能力的飞速提高和数值计算技术的长足进步,诞生了商业化的有限元数值分析软件,并发展成为一门专门的学科-计算机辅助工程CAE。

这些商品化的CAE软件在石油天然气工业领域的应用不断普及并逐步向纵深发展,CAE工程仿真在石油天然气工业设计中的作用变得日益重要。

在众多的CAE软件中,在石油领域应用最多、最广的软件是ANSYS软件。

在石油天然气工业领域,CAE仿真在产品开发、研制与设计及科学研究中已显示出明显的优越性:
CAE仿真可有效缩短新产品的开发研究周期
虚拟样机的引入减少了实物模型的试验次数
大幅度地降低产品研发成本
在精确的分析结果下制造出高质量的产品
能够快速的对设计变更作出反应
能充分的和CAD设计结合并对不同类型的问题进行分析
能够精确的预测出产品的性能
1-2、ANSYS数值模拟在石油工业中的应用领域
ANSYS具有非常强大的多物理场分析功能和无可比拟的求解深广度,其求解功能几乎
涵盖了石油天然气工业的所有设计领域。

在石油工业中,ANSYS的研究应用领域包括:
地球物理勘探 油气开发工程 石油钻井工程 采油工程
油田地面工程建设 石油机械工程 油气储运工程 海洋石油工程 压力容器设计
图 1-2、ANSYS 油藏构造应力场反演结果 图 1-3、ANSYS 传动齿轮滚动接触应力
图1-4、ANSYS 计算流体力学分析 图1-5、ANSYS 石油套管外挤变形仿真
图1-1、ANSYS 四桩腿采油平台设计
第二章 ANSYS在油气勘探开发中的应用
油气勘探开发工程的研究内容之一是进行盆地多学科综
合研究,以提高对区域地质和石油地质的认识。

勘探评价包括Array盆地分析模拟技术、闭圈描述评价技术和油气藏评价技术。


地分析模拟技术研究内容有沉积盆地的确定、盆地构造和沉积
结构、盆地演化及发育程度的分析研究、地层恢复及计算机的
定量模拟、有利含油气远景带的确定及区带评价,闭圈的评价
与选择等。

油气勘探开发的研究内容之二是对地质体的温度、压力、
应力场分布进行研究。

通过对地质体的物理场的系统分析与研
究,提高对油气分布规律的认识。

勘探开发工程的研究内容之三是对地震、地质、测井资料的解释与处理,最终确定油气资源的分布与产量。

ANSYS有限元分析系统可对油气勘探开发中有关物理场及物理场耦合问题进行数值模拟。

ANSYS分析仿真和优化软件是目前国际上功能最全、应用领域最广的多物理场有限元分析软件包。

其应用范围可以从单一地质体的单一场和多物理场耦合分析到复合地质体和大地构造尺度的多物理场耦合分析。

在油气勘探开发工程中,可以分别或综合采用ANSYS系统中的相关模块:结构静力分析、结构非线性分析、热分析、声场分析、电磁场分析、耦合场分析、流体动力学分析、优化分析等,有效地解决油气勘探开发工程中的相关问题。

ANSYS分析系统可以在以下诸领域发挥作用:
盆地地质力学分析模拟
大地构造学数值仿真
地应力场模拟研究
地球动力系统与演化仿真
声波法测井资料解释与模拟
电测法测井资料解释与模拟
构造的地层温度压力场预测
井壁稳定性与钻进效果研究
石油勘探开发仪器设计
2-1、古构造应力场与现今地应力场
油气勘探开发中进行地应力研究是石油界面临的一个重大理论课题和实际工程问题,是油气勘探开发的新理论、新方法和新技术,地应力在石油勘探开发与采油工程中的应用具有非常好的前景,许多理论和方法正在探索研究过程中,该技术可以对油藏分布描述、裂缝发育程度预测、油藏运移规律等进行研究;地应力剖面资料可为井壁稳定性的研究,合理套管程序和完井设计,预测和诊断套管变形的层位和井段,射孔方案、注水方案、注汽方案的优
化等提供可靠的依据。

水平面内构造应力场反演与裂缝发育预测
随着计算机硬件水平的迅速提高,使得开展大规模三维地应力反演计算成为可能。

ANSYS 分析软件的场分析和优化设计功能对于古构造应力场和现今应力场具有一定的分析研究能力。

利用ANSYS 的优化功能,可以有效地进行地应力反演分析。

将少数几口井已知的主应力大小和方向的井作为优化的目标参数,反演计算出整个研究区块的应力场,通过分析最小张应力分布,预测裂裂缝发育在水平面内的分布规律,分析油气藏运移过程,为设计开发方案提供可靠的数据。

图2-1给出ANSYS 对四川某气田水平地质体内应力场反演的结果。

(a)气藏构造地质体的有限元模型 (b) 已知区块内五口井主应力方向 (c) 整体构造反演应力场分布
(d )气藏构造内井位分布 (e ) 气藏反演地Mises 应力分布力 (f) 气藏反演最小主应力分布
(g )气藏主应力方向分布反演结果 (h)有效应力等高线反演图
图2-1、ANSYS 油气田地应力反演分析
西南石油学院采用ANSYS 建立了荆丘油田沙二段油底组构造的有限元力学模型,用断层位移法来反推地应力,对岩石采用帽盖数学模型,根据弹塑性有限元理论,应用ANSYS 分析软件,得出了该研究区块的地应力分布情况,按张应力的大小划分出了张应力区,这些区可能产生拉断断裂,并形成裂缝发育带,计算结构见图2-2。

垂直剖面内地应力预测裂缝发育程度
根据地应力理论,在地层张应力分布区,地层可能产生拉张断裂,即形成空隙和裂缝发育带,因此进行地应力分析可以预测富油区,应用ANSYS 分析软件,根据区块的地质构造建立弹塑性有限元力学模型,选用适当的岩石帽盖数学模型,对华北油田荆丘地区晋45断块沙二段Ⅱ油组底构造的地应力进行了初步探究,得出断块油组底构造图上的主应力分布区域情况,按张应力的大小划分出张应力区,这些区可能产生拉断断裂,并形成裂缝发育带,根据张应力区域的划
分为寻求裂缝发育带、定井位提供参考依据。

图2-3、ANSYS 构造应力场反演
注水开发油藏温度场应力场数值模拟
开发过程中由于注水、采油引起油藏温度场与原始地应力场发生变化,这些变化会引起地质体产生位移并可能导致油水井报废。

ANSYS 可对开发引起油藏区块的温度场与压力场进行模拟。

可以利用结构静力分析与热分析耦合能解决地质体内温度与压力变化及其耦合效果。

ANSYS 的热分析程序可处理热传递的三种基本类型:传导、对流和辐射。

热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。

热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热-结构耦合分析能力。

图2-4给出ANSYS 对中原油田某区块由于注水开发引起的地质纵剖面的温度场、位移场与应力场变化仿真结果。

(a)注水开发引起地质剖面温度场变化 (b)位移场变化等高线
(c)地质体地层位移矢量
56
5257
晋45
断块

57
井52
井56
(a)工区构造位置图 (b)油组底构造图(3080米深处) (c)油组底构造图地应力分布

2-
2荆丘油田沙二段油底组构造的有限元力学模型及地应力分别
(a)注水开发引起地质剖面温度场变化 (b)位移场变化等高线、 (c)地质体地层位移矢量
(d )剪应力场变化等高线 (e) 等效应力场变化等高线
图2-2 ANSYS 对注水开发油藏温度场与应力场数值模拟
2-2、地球动力系统与演化
“地球动力系统与演化”属于地球科学最核心、最前沿的问题之一,其中地幔对流与板块运动是与之密切相关的研究领域。

ANSYS 的FLOTRAN 计算流体动力学(CFD)功能,对超大陆聚散与地幔对流提供了解决方案。

根据地球的内部结构建立流体动力学有限元模型。

综合考虑两相同陆块被一对反向旋转的对流细胞拖向一个地幔下降流处,两相向运动板块在地幔下降流处发生碰撞形成相对静止的联合超大陆,由于相对静止的超大陆具有绝热效应,促使地幔发生反转,只要反转对流产生足够大的拉张应力,超大陆就可以破裂。

本研究目的是确定影响地幔对流反转和超大陆裂解的有利和不利因素,验证关于超大陆通过绝热作用使下伏地幔对流发生反转并促使超大陆自身裂解这一假说。

超大陆聚散与地幔对流
ANSYS 对超大陆聚散与地幔对流数值模拟提供了完整的解决方案,采用ANSYS 程序中的结构非线性和CFD 分析模块,考虑地质体的大应变及接触特性。

研究结果表明,模型中超大陆的内应力是否能够超过80MPa 的屈服应力取决于稳定大陆板块下方的地幔上升流,进而取决于那些影响地幔对流反转及其强度的因素。

这些因素包括大陆板块的尺度,大陆板块的热导率及地幔流体的特征雷诺数,
大陆地幔中的内部热源强
度以及地幔粘度等。

其中板块尺度是最为重要的影响因素。

模拟的结果估计一个超大陆旋回大约需要400M-500M年范围之内。

在上地幔数值模拟中地幔对流反转大约需要40Ma。

据此估计全地幔对流反转所需的时间在100Ma左右。

即联合古大陆稳定的时间在100Ma左右。

模拟结果表明板块运动的平均速度为1cm/y 左右。

这样估计板块从分离到汇聚所需的时间为100Ma以上。

模拟结果见图2-5。

(a)地幔流体上方加载两相向运动板块时的温度等值线图(b)地幔流体上方加载两相向运动板块时的流函数等值线图
( c )地幔流体上方加载两相向运动板块时的速度矢量图(d)地幔流体上方加载两相向运动板块时的壁面剪切应力图
(e) Time=16Ma (f) Time=42.5Ma
(g )Time=59Ma (h) Time=84Ma
图e~图h, 板块热导率为5,长度为1/2区域长度,地幔热源贡献量为地表热流值40%情况下的地幔对流瞬态模拟结果
图2-5 ANSYS对超大陆聚散与地幔对流研究结果
2-3、盆地深部岩石圈结构与演化的动力学数值模拟
盆地岩石圈动力学的数值模拟研究正在成为当今盆地研究和岩石圈动力学研究领域的前沿,是跨世纪固体地球科学发展的主要领域之一。

对此进行研究无疑具有重要的理论意义。

将有限元数值模拟技术应用于盆地岩石圈动力学研究,是揭示深部地幔对流对盆地岩石圈结构、盆地形成过程的影响的有效方法。

开展盆地区深部动力学数值模拟的研究可以加深对盆地形成机理的认识,了解影响盆地的构造发育和热体制演化的深部动力学机制。

例如,对于辽西中生代盆地区来说,这不仅可以把关于岩石圈动力学体制的研究向前推进一步,而且也具有广阔的应用前景。

辽西中生代盆地毗邻我国重要的产油盆地——下辽河新生代盆地,由于钻井取芯的限制,对于下辽河盆地形成早期前的中生代动力学机制所知不多,对辽西中生代盆地区的研究有助于对比、加深对下辽河含油气盆地的动力学机制的理解,从而为下辽河盆地的构造特征演化、油气藏动力学研究提供有力的应用基础支持。

辽西地区中生代岩石圈结构与演化的有限元模拟
辽西地区指辽宁省西部赤峰——开原以南、沈阳——盘锦以西的广大地区。

这里自西向东分布着北票——建昌盆地、金羊盆地、阜新盆地和黑山盆地等。

这些盆地的形成、演化时期为侏罗纪至早白垩纪,是中生代中、晚期沉积盆地。

由内蒙古东乌珠穆沁旗——辽宁东沟断面的地质构造剖面,我们了解到现代辽西地区中发育一系列以张性为主的盆地构造。

鉴于初步尝试,本研究中将此剖面进行简化,构造了中生代辽西地区简化的岩石圈结构模型。

由于一些不确定的模型参数,如下地壳粘度、拉张应力量级、摩擦系数等。

在模型选取上,主要着眼于深部作用机制,没有过多的考虑具体的全深度的构造模式,大大简化了实际地质模型。

在参考实验室数据和地质、地球物理观测成果的基础上,采用了尽可能合理的地质特性参数值。

建立的轴对称裂谷模型与实际的观测数据如裂谷沉降、侧翼地形和壳-幔边界隆升等都有极好的吻合。

本研究应用ANSYS软件的大应变分析及接触分析模块对辽西地区的岩石圈结构及演化进行了初步分析。

研究结果表明,ANSYS软件在岩石圈数值模拟领域也具有强大的分析能力,是一个非常有效的有限元分析工具;通过对辽西岩石圈结构与演化模型的尝试,取得了初步成果。

模拟结果见图2-6。

图a—图h表明了辽西岩石圈结构在过去100Ma中可能的演化序列。

(a) Time=90Ma前岩石圈剪切应力等值线图 (b) Time=80Ma前岩石圈剪切应力等值线图
(c ) Time=70Ma 前岩石圈剪切应力等值线图 (d) Time=40Ma 前岩石圈剪切应力等值线图
(e) Time=20Ma 前岩石圈剪切应力等值线图 (f) Time=1Ma 前岩石圈剪切应力等值线图
(g) Time=40Ma 前岩石圈应力矢量图 (h) Time=1Ma 前应力矢量图
图2-6 ANSYS 对辽西地区中生代岩石圈结构与演化的有限元模拟
2-4、声波测井资料解释
声波法进行测井资料解释是测井工程中的主要研究方法之一,由于井下地质情况的复杂性,常规的解析或半解析方法处理声波测井资料存在理论上和方法上的难题。

ANSYS 的声学分析功能可以有效地解决在复杂井眼结构中(水平、垂直裂缝、射孔孔眼、水泥环缺等)声波测井资料的解释问题。

裂缝、射孔区的声波资料解释一直是解析法所难以解决的难题,而采用有限元法是处理该复杂几何形状声波传播及反射规律的有效方法, ANSYS 在声波测井资料解释中的深入应用提高了声波测井资料解释的技术水平,对增加油田采收率具有重大经济意义。

采用ANSYS 的声学模块计算井眼中的声波特性,以下是所进行的两个算例,结果表明ANSYS 解与试验结果得到了很好的符合。

水平裂缝对井中斯通利波的反射
利用ANSYS 软件的声学模块,对Hornby 实验模型进行数值分析,ANSYS 计算结果表明,当井中存在水平裂缝时,在接收到的声全波列中,既存在直达斯通利波也存在来自裂缝的反射斯通利波。

为了与Hornby 实验对比,数值分析时选取模型如图2-7(a )所示,对称轴为y 轴,
ed 为水平裂缝的宽度。

材料类型如下:m 1:,
/690s m V p =3/950m kg =ρ;m 2:
,/6500s m V p =,/3100s m V s = 3/2700m kg =ρ。

中心频率为20kHz 的点声源位于O 点,
声源的时间域波形和频谱如图b 所示。

ANSYS 分别计算水平裂缝宽度为3mm 的全波列波形,计算结果见图c ,Hornby 实验结果见图d 。

由图c~d 可以看出:(1)在接收的全波列波形中,可以观察到来自水平裂缝的反射Stoneley 波和直达Stoneley 波,还可以观察到来自模型底部的反射Stoneley 波。

(2)当接收探头移动到水平裂缝上方时,来自水平裂缝的反射Stoneley 波消失,直达Stoneley 波的幅度减小。

(3)数值计算的直达Stoneley 波和反射Stoneley 波的速度均为685m/s ,实验测得直达Stoneley 波的速度为679m/s.
ANSYS 数值计算结果与实验测量结果具有很好的一致性。

(a ) 数值计算时模型示意图。

(b) 计算时所采用声源的时域波形和频谱
(c ) 裂缝宽度为3mm 时模拟计算结果 (d) 实验测量结果
图2-7 水平裂缝对井中斯通利波的反射
井孔附近垂直裂缝对纵波的反射
ANSYS 对Hornby 实验模型进行数值分析,计算在井孔附近存在垂直裂缝时井孔中的声全波波列,分析反射纵波的视速度与裂缝位置的关系。

ANSYS 数值计算结果表明,在井孔中接收到的声全波列中,除接收到折射纵波(滑行纵波)、折射横波(滑行横波)和Stoneley 波外,还可接收到来自井孔附近垂直裂缝的反射纵波。

数值计算结果与Hornby 实验测量结果具有很好的一致性。

为了与实验对比,我们用ANSYS 模拟了垂直裂缝在不同位置处井孔中声全波列波形。

数值计算时,采用模型如图a 所示,对称轴为y 轴,模型的外侧模拟垂直裂缝,ob 为裂缝
010********
1234
Frequency(kHz)
A m p l i t u d e
0100
200
300
400
-150
-100-50050100150Time(µs)
A m p l i t u d e
S c a n D i s t a n c e (m m )
Time (µs)
F r a c t u r e L o c a t i o n
S o u r c e r e c e i v e r d i s t a n c e (c m )
Time(µs)
到井轴的距离。

材料类型如下:m 1:s m V p /1500=,3
/1000m kg =ρ;m 2:,/6500s m V p =
,/3100s m V s =3/2700m kg =ρ。

中心频率为20kHz 的点声源位于模型d 点,声源的时间
域波形和频谱见图b 。

我们分别计算了垂直裂缝到井轴的距离为19cm 、15cm 和13cm 时井孔中的声全波列波形见图c 。

为与实验对比,将实验测量结果绘于图d 中。

由图c 可以看出:在接收的全波列波形中,可以观察到来自垂直裂缝的反射纵波和折射纵波。

当裂缝到井轴的距离为15cm 时,实验测得反射纵波的视速度为9.8km/s ,而计算得其视速度为9.7km/s ,此数值与模型外侧反射纵波的视速度的理论值一致,也与实验测量结果具有很好的一致性。

进一步的计算结果表明,垂直裂缝距井轴越近,反射纵波的视速度越大。

(a)数值计







(b)计算时所采用的声援的时域波形和频谱
(c) 裂缝到井轴距离为15cm 时声全波列波形图中P ’为反射纵波
(d) 实验结果,裂缝到井轴距离为15cm 。

图中PP 为反射纵波
图2-8 井孔附近垂直裂缝对纵波的反射
2-5、电法测井资料解释
电法测井是石油测井中最重要的测量项目,是油气藏评价的重要依据。

由于井下地层固有的复杂性,不能将地层简化为典型简单体进行解析分析。

虽然某些半解析半数值分析方法,如数值模式匹配方法(NMM),可以有效地模拟电法测井,但是它只能用于二维或二维半分析,对于三维问题却无能为力。

而严格地讲,测井问题皆为三维问题,只不过有时为了研究简便作了某些简化,才有了所谓的二维问题。

对于三维测井问题,只能应用三维数值分析方法。

这些分析方法可以分为两大类:基于积分方程的数值方法和基于微分方程的数值方法。

同样由于地层的非均匀性,限制了积分方程方法在测井分析中的应用,只能使用微分方程方
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Time(µs)
法,有限元方法就是其中最为有效的一种微分方程方法。

ANSYS软件基于有限元方法对电磁问题进行分析,利用其强大的电磁场分析功能, 可以对电法测井进行方法研究、仪器仿真和资料解释等工作。

方法研究:每一种新仪器问世以前,都要进行大量的方法研究工作。

利用ANSYS软件对测井方法进行研究,可以帮助研究人员确定测量方式以及测量所需的激励参数,如源电流大小和频率等。

仪器仿真:主要用于仪器的优化设计。

通过仪器仿真,可以确定仪器的几何构造,电极系发射、接收部分的位置关系、尺寸,以及主电流、聚焦电流大小等具体的基本仪器参数。

资料解释:主要用于制作校正图板。

在测井资料用于解释之前,一般都要对测量数据进行校正,其中主要包括井眼校正、泥饼校正、围岩校正等。

利用ANSYS软件,通过改变相关参数的数值进行模拟测量,可以得到所需的各种校正图板。

在以上所列各项工作中,在进行分析时,ANSYS软件采用了一些具体的技术措施:
维数降低:对采用居中测量方式的仪器,如三侧向测井、双侧向测井、双感应测井等仪器,如果井外地层为轴对称地层,可以简化为二维轴对称问题进行分析,这样,可以极大地减少存储工作量和计算时间。

远场模拟:井下地层为无限介质,理论上讲,仪器激发的电磁场应当是全地层分布。

但是,对所有地层建模是不现实的,也是不可能的。

因此,有些分析方法采用了截断地层边界进行处理,由于与实际情况不符,导致了较大的计算误差。

在ANSYS中,采用远场单元模拟远场问题,只需为一部分地层建模,就可以有效地、精确地、灵活地描述远场耗散问题。

分析类型:对低频测井仪器,如电极型测井,可以选择低频谐波场分析;对于高频测井仪器,如电磁波传播测井,ANSYS提供了专门的高频电磁场分析模块。

激励加载:测井仪器的激励方式主要是电流激励,但是,有时在分析时也采用电压激励的方式,ANSYS为测井分析提供了多种激励方式,其中就包括这两种,在分析时可以根据需要选择合适的激励方式。

计算结果:除了可以得到求解空间的场分布外,还可以得到电流密度分布,由此考察地层界面对电流分布及流向的影响。

综上所述,ANSYS电磁场分析功能可以方便地对电法测井进行建模、加载和求解,并且具有强大的后处理功能,是电法测井研究强有力的分析工具。

第三章 ANSYS在石油钻井工程中的应用
从某种意义上说,石油钻井工程与航天工程相类似,Array地面以上有井架与钻井动力系统,循环净化系统、后勤
安全保障系统等;地面以下包括钻柱、钻挺、井底钻具
组合(BHA)或井下动力钻具、导向系统(MWD)、钻
头、以及油层目标靶点等。

就井身结构可区分为垂直井、
定向井、(长、中、短半径)水平井、多底井、大位移水
平井、侧钻水平井等多种复杂的井身结构。

由于钻柱结
构受力的复杂性,对于钻井系统中大到系统结构,小到
各个部件的力学性能、静态强度、动力学特性都对钻井
系统产生重要影响,而钻井系统中的系统结构和大多数
零部件都可以采用ANSYS有限元仿真进行模拟分析。

ANSYS分析系统可以在以下诸方面
发挥优势作用:
石油钻机井架系统结构设计
钻柱强度与环空动力学
钻头与BHA设计
高压水射流破岩
井下环空流体动力学
钻柱接头与井下工具优化设计
地面钻井配套设备静、动力学
3-1、ANSYS对石油钻机井架解决方案
石油钻机井架作为石油钻采设备钢结构的重要组成部分,其杆件多、受力复杂,且由于
使用工况复杂,对其进行精确的计算和分析十分重要。

石油钻采井架结构型式种类繁多,除
少数特殊井架外,基本类型有塔形、前开口式、A形及桅形等。

ANSYS的结构静力分析可用来求解外载荷引起的位移、应力
和力。

静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的
问题。

ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析,而且也
可以进行非线性分析,如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及
接触分析。

南阳石油机械厂应用ANSYS软件对225吨开口直立式海洋平
台石油钻机井架进行静力分析。

计算模型按照设计图样建立,在
考虑有无立根、钓载、不同风速及不同地震烈度等条件下,进行
了七个工况的计算,得到了各构件的应力、应变及发生的位移。

但仅知各构件的应力并非完全可知各构件是否满足设计规范的安
全性要求。

应用ANSYS提供的APDL语言对各构件单元按照API
Spec 4F 规范要求进行校核,判断各构件是否满足安全性要求。


有几百个构件的井架进行校核,其计算量是相当大图3-1海洋石油钻机井架。

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