CN106703701A - 脉动冲击产生机构及含有该产生机构的中心差压钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脉动冲击产生机构及含有该产生机构的中心差压钻头,脉动冲击产生机构包括依次放置的扶正元件、驱动元件、转动元件和节流元件,扶正元件、驱动元件和转动元件依次连接,节流元件与转动元件间隙配合,扶正元件和节流元件上均设有用于钻井液流通的过流通道,驱动元件驱动转动元件转动,转动元件与节流元件上的过流通道相对运动。中心差压钻头包括扩眼钻头、脉动冲击产生机构、压力调节元件、传动机构和领眼钻头,压力调节元件、传动机构、领眼钻头依次连接。本发明与现有技术相比,能够实现领眼钻头旋冲钻进的同时,减少领眼钻头和扩眼钻头岩屑的压持效应,进而达到保护钻头、提高钻头寿命和钻井速度的目的,钻井效果进一步提高。
Description
技术领域
本发明属于石油工程技术领域,涉及钻井工具,具体地说,涉及一种脉动冲击产生机构及含有该产生机构的中心差压钻头。
背景技术
随着油气勘探向更深、更硬地层的发展,对钻井的要求也越来越高,提高钻井速度越来越受到人们重视。通过提前释放岩层应力改变所钻地层应力场的方法来提高机械钻速是最有效的提速手段,目前国内外专家学者通过两种方式来实现这种方法。第一种方式是以钻井液的水力能量为基础释放地层应力,该方式以高压脉冲射流、空化脉冲射流和磨料脉冲射流等技术为代表。以水力能量为基础释放地层应力的方式需要在钻头上方加装专用工具,在一定程度上加大了对钻井液能量的消耗,同时还需要考虑到所加装专用工具的安全可靠性。第二种方式是通过改变钻头与井底的接触形状从而改变破岩时的应力场,以Kyme ra组合式钻头和随钻扩眼钻头为代表。利用改变钻头与井底的接触形状来释放所钻岩层应力的方式,只需要通过优化设计钻头就可以达到减小井底岩层应力的目的,其发展前景广阔。然而Kymera组合式钻头和随钻扩眼钻头在钻进夹层过程中,由于无法自动调节钻压,领眼钻头易出现崩齿、磨损加大等情况,导致其使用寿命降低,因此未能达到此类钻头最佳的提速效果。
公开号为CN105443041A的中国发明专利申请公开了一种差压式钻头,具体公开了以下特征:差压式钻头包括转换接头、传液传力短接、扩眼钻头、蓄力弹簧、领眼钻头;转换接头、传液传力短接与领眼钻头螺纹连接成一体;扩眼钻头位于转换接头与领眼钻头之间,安装于传液传力短接外侧;扩眼钻头与转换接头、传液传力短接、领眼钻头构成的整体可实现轴向相对运动;蓄力弹簧安装于传液传力短接中部,蓄力弹簧用于实现扩眼钻头与转换接头、传液传力短接、领眼钻头构成的整体之间弹力的储备及相对位置的恢复。本发明原理及结构简单,适用范围广,用于防斜打直时可以保证小钻压快速钻进,提高易斜地层直井钻进效率;钻井过程中与常规钻井完全相同,有利于推广和使用。
公开号为CN105317377A的中国发明专利申请公开了一种中心差压式钻头,具体公开了以下特征:中心差压式钻头包括扩眼钻头、压力调节弹簧、分流传力总成、领眼钻头;领眼钻头与分流传力总成连接成一体,安装于扩眼钻头的轴向传扭孔内,领眼钻头凸出于扩眼钻头冠部;压力调节弹簧设于分流传力总成顶端与扩眼钻头接头下端之间;扩眼钻头可以设置一级或者多级。本发明原理及结构简单,适用范围广,可应用于各种地层,其使用效果在多夹层地层中更佳;可以与脉冲射流发生装置一起使用,进一步提高钻井速度;钻井过程中,操作施工跟常规钻井完全相同,对地面设施、钻井管柱、钻头类型没有特殊要求,有利于钻头的推广和使用。
上述两件发明专利申请公开的差压式钻头均利用承受大部分钻压的领眼钻头提前破岩钻出小直径井眼,承担另外一部分钻压的扩眼钻头将已钻出的小直径井眼扩孔,利用领眼钻头与扩眼钻头间的弹簧将领眼钻头与扩眼钻头钻压分配调整至最佳、将钻井速度控制至最合理,进而达到提高钻井速度的目的,室内试验验证该类钻头可以大幅度提高钻井速度,提速效果在多夹层地层尤为突出。但该类钻头的钻井效果还未能获得最佳提升,若能够在此类钻头上实施其他提速方案,钻井速度有望进一步提升。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述缺陷,提供了一种脉动冲击产生机构及含有该产生机构的中心差压钻头,该钻头实现领眼钻头旋冲钻进的同时,减少领眼钻头和扩眼钻头岩屑的压持效应,进而达到保护钻头、提高钻头寿命和钻井速度的目的,进一步提高钻井效果。
为了达到上述目的,本发明提供了一种脉动冲击产生机构,包括依次放置的扶正元件、驱动元件、转动元件和节流元件,扶正元件、驱动元件和转动元件依次连接,节流元件与转动元件间隙配合,扶正元件和节流元件上均设有用于钻井液流通的过流通道,驱动元件驱动转动元件转动,转动元件与节流元件上的过流通道相对运动。
优选的,当转动元件与节流元件上的过流通道重合时,节流元件上的过流通道中钻井液过流量减小,当转动元件与节流元件上的过流通道不重合时,节流元件上的过流通道中钻井液过流量增加。
为了达到上述目的,本发明还提供了一种脉冲射流式中心差压钻头,包括扩眼钻头、压力调节元件、传动机构和领眼钻头,所述扩眼钻头包括接头和与接头连接的扩眼钻头冠部,领眼钻头安装于扩眼钻头冠部内,并突出于扩眼钻头冠部,接头内部设有上述脉动冲击产生机构,用于对钻井液进行调制从而在扩眼钻头喷嘴和领眼钻头喷嘴处形成脉冲射流,并在钻井液调制过程中产生周期性轴向下冲力对领眼钻头施加周期性的冲击,脉动冲击产生机构、压力调节元件、传动机构、领眼钻头依次连接。
优选的,节流元件、压力调节元件和传动机构的分流元件放置于接头与扩眼钻头冠部连接形成的内部空腔内,节流元件与压力调节元件接触配合。
优选的,驱动元件为螺旋转子,转动元件为叶轮,螺旋转子与叶轮连接的部分设为键型结构,键型结构与叶轮内键配合,使叶轮与螺旋转子同步旋转。
优选的,螺旋转子的两端部为扶正轴,中部为单头或多头螺旋钢轴;第一扶正轴安装于扶正元件中孔中,并凸出扶正元件;第二扶正轴一部分设为键型结构,与叶轮内键配合,另一部分设为连接轴,安装于节流元件中,并凸出节流元件。
进一步的,第一扶正轴凸出扶正元件部位安装有第一防冲蚀帽,第二扶正轴凸出节流元件部位安装有第二防冲蚀帽。
优选的,叶轮包括叶轮叶片,叶轮叶片中部设有用于穿过第二扶正轴的叶轮中心孔,叶轮中心孔的侧壁上设有与第二扶正轴键型结构配合传递扭矩的叶轮内键。
优选的,叶轮叶片沿周向均布,叶轮叶片数量和节流元件上过流通道的数量可以根据钻井工程需要调整。
优选的,节流元件为节流盘,过流通道为均布于节流盘的平板空间中的节流盘间歇过流孔;节流盘外侧设置有节流盘止动键,节流盘止动键放置于接头与扩眼钻头冠部连接形成的内部空腔内的止动槽内,并在止动槽内运动;节流盘的中部设有节流盘中心孔,第二扶正轴的连接轴部分安装于节流盘中心孔中,且节流盘中心孔与第二扶正轴尺寸上相配合。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
(1)本发明原理与结构简单,在实现领眼钻头旋冲与改变地层力场时都无需安装其他工具,不影响其他钻井工序的实施。
(2)本发明适用范围广,可用于直井、定向井和水平井等各种井型,并且可以直接与动力钻具或其他进下工具配合使用。
(3)本发明可应用于各种地层,在夹层地层中适应性更强,同时由于其钻压调节作用,使得钻头的受力更加合理,进而达到保护钻头、提高钻头寿命的目的。
(4)本发明由于钻头采用多级结构,钻井过程中增加了钻头与井底的接触面积,使得钻头的方向操控稳定性更好,非常适用于定向钻进;同时多级结构在钻进过程中使得井壁更加规则,提高了井眼质量。
(5)本发明设有的脉动冲击产生机构转动元件采用螺旋转子,通过调节螺旋转子的头数能够产生对钻头变频的轴向脉动冲击,无需额外增加轴向冲击器,在提高了钻头破岩能量的同时,减少了发生井下事故的可能性。
(6)本发明设有的脉动冲击产生机构具有节流作用,使得钻井液在钻头水眼内的连续流动转变成间歇、变流量流动进入喷嘴,并以波动冲击的方式作用于井底,减少了井底岩屑的压持效应,并降低了围岩压力,达到提高射流清岩和辅助破岩的目的。
(7)本发明中心差压钻头在使用过程中,其操作施工与常规PDC钻头使用规定完全相同,对地面设施、钻井管柱、井下动力钻具及工具都无特殊要求,有利于推广和使用。
附图说明
图1为本发明脉冲射流式中心差压钻头的结构示意图。
图2为本发明脉冲射流式中心差压钻头的A-A剖面图。
图3为本发明脉冲射流式中心差压钻头的B-B剖面图。
图4为本发明脉冲射流式中心差压钻头的C-C剖面图。
图5为本发明叶轮结构示意图。
图6为本发明节流盘结构示意图。
1、扩眼钻头,101、接头螺纹,102、上接头,103、卸扣槽,104、扩眼钻头冠部,105、扩眼钻头喷嘴流道,106、扩眼钻头喷嘴,107、扩眼钻头刀翼,108、扩眼钻头切削齿,2、第一防冲蚀帽,3、扶正元件,301、过流通道,4、螺旋转子,401、第一扶正轴,402、螺旋钢轴,403、第二扶正轴,5、叶轮,501、叶轮叶片,502、叶轮中心孔,503、叶轮内键,6、节流元件,601、节流盘间歇过流孔,602、节流盘止动键,603、节流盘中心孔,7、压力调节元件,8、传动机构,801、分流元件,802、滑动密封,803、整流腔,804、传动短轴,9、领眼钻头,901、领眼钻头冠部,902、领眼钻头喷嘴,903、领眼钻头刀翼,904、领眼钻头切削齿,10、第二防冲蚀帽。
具体实施方式
下面,通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解,在没有进一步叙述的情况下,一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本发明的描述中,需要说明的是,脉冲射流式中心差压钻头的长度方向为安装后的竖向;术语“内”、“外”、“上”、“中”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明一实施例,提供了一种脉动冲击产生机构,包括依次放置的扶正元件、驱动元件、转动元件和节流元件,扶正元件、驱动元件和转动元件依次连接,节流元件与转动元件间隙配合,扶正元件和节流元件上均设有用于钻井液流通的过流通道,驱动元件驱动转动元件转动,转动元件与节流元件上的过流通道相对运动。
驱动元件驱动转动元件转动,当转动元件与节流元件上的过流通道重合时,节流元件上的过流通道中钻井液过流量减小,当转动元件与节流元件上的过流通道不重合时,节流元件上的过流通道中钻井液过流量增加。
参见图1,本发明另一实施例中,提供了一种脉冲射流式中心差压钻头,包括扩眼钻头1、压力调节元件、传动机构8和领眼钻头9,所述扩眼钻头1包括接头102和与接头102连接的扩眼钻头冠部104,领眼钻头9安装于扩眼钻头冠部104内,并突出于扩眼钻头冠部104,压力调节元件和传动机构8的分流元件801放置于接头102与扩眼钻头冠部104连接形成的内部空腔内;接头内部设有上述实施例所述的脉动冲击产生机构,脉动冲击产生机构、压力调节元件、传动机构、领眼钻头依次连接。中心差压钻头利用扩眼钻头和领眼钻头组合钻井,实现改变钻头与井底岩石的接触方式来释放地层应力,从而降低破岩比能;利用压力调节元件实现扩眼钻头与领眼钻头间钻压的自动合理分配,并利用扩眼钻头与领眼钻头之间的相对轴向运动实现两个钻头间钻速的自动调节,自动将扩眼钻头与领眼钻头钻压分配调至最佳、将钻进速度控制至最合理;利用脉动冲击产生机构对过流钻井液调制从而形成扩眼钻头和领眼钻头喷嘴处的脉冲射流、利用钻井液调制过程产生的周期性轴向下冲力对领眼钻头施加周期性的冲击,从而实现领眼钻头旋冲钻井的同时,通过脉冲射流减少了扩眼钻头和领眼钻头岩屑的压持效应,进而达到保护钻头、提高钻头寿命和钻进速度的目的。
参见图1,节流元件6、压力调节元件7和传动机构的分流元件801放置于接头与扩眼钻头冠部连接形成的内部空腔内,节流元件与压力调节元件接触配合。
参见图1、图2、图3,为了实现脉动冲击产生机构对过流钻井液的调制,在本发明一优选实施例中,驱动元件为螺旋转子,转动元件为叶轮,螺旋转子与叶轮连接的部分设为键型结构,键型结构与叶轮内键配合,使叶轮与螺旋转子同步旋转。节流元件6一端与叶轮5间隙配合,另一端与压力调节元件接触配合。扶正元件3上设有均布的过流通道301,过流钻井液通过过流通道301进入脉动冲击产生机构。螺旋转子4两端部为扶正轴,分别为上端部的第一扶正轴401和下端部的第二扶正轴403,中部为单头或多头螺旋钢轴402,第一扶正轴401安装于扶正元件中孔中,并凸出扶正元件3,第二扶正轴403一部分设为键型结构,另一部分设为圆轴,键型结构与叶轮内键配合,使叶轮5与螺旋转子4同步旋转,圆轴安装于节流盘中孔603中,并节凸出流盘6。
为了防止螺旋转子两端部因钻井液的冲蚀而损坏,在本发明另一优选实施例中,参见图1,第一扶正轴401凸出扶正元件部位安装有第一防冲蚀帽2,第二扶正轴403凸出节流盘部位安装有第二防冲蚀帽10。
为了实现螺旋转子、叶轮、节流元件之间的配合,在本发明一优选实施例中,参见图5,叶轮包括叶轮叶片501,叶轮叶片501中部设置有叶轮中心孔502,用于穿过第二扶正轴403,叶轮中心孔502侧壁上设有叶轮内键503,叶轮内键503与第二扶正轴的键型结构部分配合传递扭矩,使叶轮与螺旋转子同步旋转。在本发明一优选实施例中,叶轮叶片501周向均布,叶轮叶片501数量可以根据钻井工程需要调整。参见图6,节流元件6为节流盘,节流盘设置于接头102与扩眼钻头冠部104连接形成的内部空腔内。节流盘的平板空间中均布有节流盘间歇过流孔601,节流盘间歇过流孔601的数量与叶轮叶片501的数量一样,可以根据钻井工程需要调整,节流盘间歇过流孔601与叶轮叶片501的数量能够按照钻井工程要求计算得出。节流盘外侧设置有节流盘止动键602,节流盘止动键602放置于接头102与扩眼钻头冠部104连接形成的内部空腔内的止动槽内,并在止动槽内运动。节流盘的中部设有节流盘中心孔603,节流盘中心孔603与第二扶正轴403尺寸上相配合,以实现对螺旋转子的扶正。
叶轮5在螺旋转子4的驱动下旋转,叶轮叶片501与节流盘间歇过流孔601相对运动,叶轮叶片501与节流盘间歇过流孔601重合时,钻头内的钻井液过流量降低,使扩眼钻头喷嘴106、领眼钻头喷嘴902处钻井液排量减小,从而对领眼钻头9产生轴向上的冲击,叶轮叶片501与节流盘间歇过流孔601不重合时,钻头内的钻井液过流量增加,从而使得扩眼钻头喷嘴106、领眼钻头喷嘴902处钻井液排量增加,对领眼钻头轴向上的冲击终止。
在本发明一优选实施例中,压力调节元件为压力调节弹簧,可以为机械弹簧或液力弹簧,通过压力调节弹簧实现扩眼钻头与领眼钻头之间的钻压自动合理分配。
参见图1,对本发明上述实施例所述的中心差压钻头进行优选设计,扩眼钻头1包括上部的接头102和下部的扩眼钻头冠部104。接头102外侧上部设有用于连接上部钻具组合的接头螺纹101,中部设有卸扣槽103,用于上卸钻头并提供钻进工程中的钻头扭矩,下部设有接头102与扩眼钻头冠部104连接的连接面。接头102内侧自上而下依次为:用于为钻井液提供过流空间的钻井液流道,用于为压力调节弹簧提供受力支撑的承压台阶面,用于为节流盘提供固定与限位作用的节流盘固定腔,以及用于压力调节弹簧活动空间限位的弹簧外包部护筒。扩眼钻头冠部104顶端为扩眼钻头连接面,扩眼钻头连接面以下为钻头冠;扩眼钻头连接面与接头102的下部连接面形状互补,实现扩眼钻头冠部104与接头102的连接。扩眼钻头冠部104内侧上端圆孔至扩眼钻头冠部104底端扩眼钻头刀翼107根部开有扩眼喷嘴流道105,扩眼喷嘴流道105底端安装有扩眼钻头喷嘴106;扩眼钻头冠部104外侧均布有数量、形状随所钻地层特性而变化的扩眼钻头刀翼107,扩眼钻头刀翼107上分布有数量、尺寸随所钻地层特性而变化的扩眼钻头切削齿108。由于扩眼钻头冠部104的特征会随着随所钻地层的地质特征和工程需要做出相应的改变,设于扩眼钻头冠部104上的扩眼钻头喷嘴流道105、扩眼钻头喷嘴106、扩眼钻头刀翼107和扩眼钻头切削齿108的形状、尺寸和数量都会随着扩眼钻头冠部104的变化而变化。扩眼钻头冠部104内侧上端为圆孔,下端为轴向传扭孔,上端圆孔直径与接头102的弹簧外部保护筒直径相同,其下端传扭孔贯通扩眼钻头冠部104底部,轴向传扭孔横截面形状为多方结构或者键型结构。
参见图1、图4,对本发明上述实施例所述的中心差压钻头进一步设计,传动机构8安装于扩眼钻头冠部的轴向传扭孔内。传动机构8的外侧上部为扶正密封面,中部为分流元件限位面,下部为传扭面。扶正密封面与扩眼钻头冠部104内侧的上端圆孔配合,保证扩眼钻头冠部104与传动机构8不产生径向晃动。扶正密封面上开有密封槽,密封槽上设置滑动密封802。分流元件限位面直径小于扶正密封面,但大于传扭面外接圆直径,分流元件限位面与传扭面之间构成的台阶限制传动机构8与扩眼钻头冠部104间相对轴向位移大小,并防止传动机构8脱出扩眼钻头冠部104。传扭面与扩眼钻头冠部104下端轴向传扭孔间隙配合,用于将钻头扭矩传递给传动机构8。传动机构8内侧上部为分流元件801,中部为设有领眼钻头钻井液流道的传动短轴804,下部为领眼钻头连接扣。分流元件801与扶正密封面及分流元件限位面构成的台阶面之间开有扩眼钻头钻井液过流孔,用于将部分钻井液传递到整流腔803。领眼钻头钻井液流道用于分流给领眼钻头9的钻井液提供流道,传动机构8的领眼钻头连接扣用于连接领眼钻头9。传动机构8安装于扩眼钻头冠部104内部的空腔中,可在轴线方向相对于扩眼钻头1上下小幅活动,但周向上不产生相对转动;其下与领眼钻头9螺纹连接。
参见图1,对本发明上述实施例所述的中心差压钻头进一步设计,领眼钻头9内侧为钻井液流道,外侧的上部为领眼钻头连接螺纹、外侧的下部为领眼钻头冠部901;领眼钻头连接螺纹用于连接领眼钻头9与传动机构8;领眼钻头冠部901上带有领眼钻头喷嘴902、领眼钻头刀翼903、领眼钻头切削齿904;领眼钻头喷嘴902、领眼钻头刀翼903、领眼钻头切削齿904数量、形状随所钻地层特性而变化。
上述实施例用来解释本发明,而不是对本发明进行限制,在本发明的精神和权利要求的保护范围内,对本发明做出的任何修改和改变,都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种脉动冲击产生机构,其特征在于,包括依次放置的扶正元件、驱动元件、转动元件和节流元件,扶正元件、驱动元件和转动元件依次连接,节流元件与转动元件间隙配合,扶正元件和节流元件上均设有用于钻井液流通的过流通道,驱动元件驱动转动元件转动,转动元件与节流元件上的过流通道相对运动。
2.如权利要求1所述的脉动冲击产生机构,其特征在于,当转动元件与节流元件上的过流通道重合时,节流元件上的过流通道中钻井液过流量减小,当转动元件与节流元件上的过流通道不重合时,节流元件上的过流通道中钻井液过流量增加。
3.一种脉冲射流式中心差压钻头,包括扩眼钻头、压力调节元件、传动机构和领眼钻头,所述扩眼钻头包括接头和与接头连接的扩眼钻头冠部,领眼钻头安装于扩眼钻头冠部内,并突出于扩眼钻头冠部,其特征在于,接头内部设有如权利要求1或2所述的脉动冲击产生机构,用于对钻井液进行调制从而在扩眼钻头喷嘴和领眼钻头喷嘴处形成脉冲射流,并在钻井液调制过程中产生周期性轴向下冲力对领眼钻头施加周期性的冲击,脉动冲击产生机构、压力调节元件、传动机构、领眼钻头依次连接。
4.如权利要求3所述的脉冲射流式中心差压钻头,其特征在于,节流元件、压力调节元件和传动机构的分流元件放置于接头与扩眼钻头冠部连接形成的内部空腔内,节流元件与压力调节元件接触配合。
5.如权利要求3或4所述的脉冲射流式中心差压钻头,其特征在于,驱动元件为螺旋转子,转动元件为叶轮,螺旋转子与叶轮连接的部分设为键型结构,键型结构与叶轮内键配合,使叶轮与螺旋转子同步旋转。
6.如权利要求5所述的脉冲射流式中心差压钻头,其特征在于,螺旋转子的两端部为扶正轴,中部为单头或多头螺旋钢轴;第一扶正轴安装于扶正元件中孔中,并凸出扶正元件;第二扶正轴一部分设为键型结构,与叶轮内键配合,另一部分设为连接轴,安装于节流元件中,并凸出节流元件。
7.如权利要求6所述的脉冲射流式中心差压钻头,其特征在于,第一扶正轴凸出扶正元件部位安装有第一防冲蚀帽,第二扶正轴凸出节流元件部位安装有第二防冲蚀帽。
8.如权利要求6或7所述的脉冲射流式中心差压钻头,其特征在于,叶轮包括叶轮叶片,叶轮叶片中部设有用于穿过第二扶正轴的叶轮中心孔,叶轮中心孔的侧壁上设有与第二扶正轴键型结构配合传递扭矩的叶轮内键。
9.如权利要求8所述的脉冲射流式中心差压钻头,其特征在于,叶轮叶片沿周向均布,叶轮叶片数量和节流元件上过流通道的数量可以根据钻井工程需要调整。
10.如权利要求9所述的脉冲射流式中心差压钻头,其特征在于,节流元件为节流盘,过流通道为均布于节流盘的平板空间中的节流盘间歇过流孔;节流盘外侧设置有节流盘止动键,节流盘止动键放置于接头与扩眼钻头冠部连接形成的内部空腔内的止动槽内,并在止动槽内运动;节流盘的中部设有节流盘中心孔,第二扶正轴的连接轴部分安装于节流盘中心孔中,且节流盘中心孔与第二扶正轴尺寸上相配合。
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PB01 | Publication | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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