国内外小井眼钻井技术.docx
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国内外小井眼钻井技术
国内外小井眼钻井技术
201024160220
采油10302
曹亮
国内外小井眼钻井技术
引言
近年来,国内各有天液开始重视和研究小井眼钻井技术。
小尺寸PDC、TSD
及金刚石钻头已在我国大不分油田推广应用。
随着我国小井眼钻井井数的增多。
小井眼早期井涌预警、检测技术液越来越受到重视。
在钻井液和完井液技术上,
国内各油田根据各自地层特征进行了专项研究,其体系配方基本能够达到到安全
钻进和保护油气层的目的。
国内不少学者在小井眼水力学方面也做了很多工作,
但大多数石对国外模式的修正。
大庆油田完成的287口井,在其平均井深比全部
开发井的平均井深多129.4m的情况霞,平均机械钻速基本持平,平均钻机月速
却提高了7.17%,获得的效益非常明显。
胜利油田小井眼套管开窗定向侧钻技术
已步入了答规模的应用阶段。
新疆油田和大港油田在深层(>4000m)成功地钻
成了部分小井眼井
一.90年代以来,国内外小井眼钻井技术的发展方向和趋势
近10年,随着油气生产费用的提高,以及石油工程领域不断向边远地区
扩展和钻井工艺技术水平的提高,钻小井眼井开采油气的优越性更加明显,使得
小井眼钻井技术成了继水平井钻井技术之后的叉一研究热点。
截至目前,世界上
已钻成小井眼井上万口,最大垂直井深超过6000m。
小井服钻井、深井钻井忠,
如侧钻小井眼多分支水平井等,国外术已应用于水平井、深井钻井忠,如侧钻小
井眼多分支水平井等,国外已开始勇连续管钻小井眼。
__
场占
地面积
钻井设备
钻井
工作
人员
钻井费用
钻井岩屑量
其他
<1200
㎡
小型化、重量
轻,利用偏远
地区的钻井,
钻机和其他
辅助设备不
足200t
8~10
人/d
井场各项费用
减少60%节约
钻井成本
15%~40%,边
远和交通空难
地区,这个比例
高达70%
一口2500m
深的井其岩
屑魏60t,常
规为
700~1200t
适合于开发
各类油气藏,
但不适用于
高气井,可用
于采矿行业
的连雪取心
井
表1-1小井眼钻井技术情况表
目前小井眼钻井技术比较发达的国家有:
美国Amoco公司、BakerHughes
公司、Nabors工业公司、英国BP公司等。
近年来,国外公司为了配合小井眼钻
井,开发和研制了一系列适合小井眼钻井的配套设备,主要集中在钻头及马达、
固井、井控、取心、小井眼水平钻井等方面。
研究发展的小井眼先进技术归纳起
来有:
带有顶部驱动的小井眼钻机;井下动力钻具;采用井控专家系统控制和预防
井喷;采用连续取心钻机进行小井眼取心作业,采用高强度固定齿的新型钻头。
目前小井眼钻井技术已比较成熟,工具设备配套齐全,已有可用于76.2mm(3in)
井跟的钻井工具,以及多种连续取心钻机和混合型钻机。
挪威还准备向北海
南部深层的高温、高压气藏发展小井眼钻井。
近年来,国内各油田也开始重视和研究小井眼钻井技术。
小尺寸PDC、TSD
及金刚石钻头已在我国大部分油田推广应用。
随着我国小井眼钻井井数的增多。
小井眼早期井涌预警、检测技术也越来越受到重视。
在钻井液和完井液技术上,
国内各油田根据各自地层特征进行可专项研究,其体系配方基本上能够达到安全
钻进和保护油气层的目的国内不少学者在小井眼水力学方也做了很多工作,但大
多数石对国外模式的修正。
大庆油田完成的287口井,在其平均井深比全部开发
井的平均井深多129.4m的情况下,平均机械钻速基本持平,平均钻井月速却提
高了7.17%。
获得的效益非常明显。
胜利油田小井眼套管开窗定向侧钻技术已步
入了大规模的应用阶段,新疆油田和大港油田在深层(>4000m)成功的钻成了
部分小井眼井
通过对调研资料的统计,小井眼技术有以下几个研究方向和发展方向:
小井
眼钻头与马达的研制;小井眼完井与井控技术;小井眼钻机研制。
根据大港油田
的实际情况,大港油田小井眼钻井技术的发展方向有:
老井加深小井眼钻井技术;
老井侧钻小井眼或小井眼水平井钻井技术;钻探边井小井眼钻井技术
二.主要技术发展应用情况
(一).国外主要技术发展应用情
为了解决小井眼给钻井带来的诸如钻头性能差、机械钻速低、钻井液体系不
当导致当量循环密度高和立管压力高及井涌不能及时发现等问题,着重研究了一
系列关键技术。
(1)井身结构:
外公司采用的典型小井眼井身结构如表1-2.__
BP公司1000m井
常规井
小井眼井
井眼尺寸/mm
套管尺寸/mm
井眼尺寸/mm
套管尺寸/mm
444.5
311.1
315.9
339.7
244.5
139.7
158
120.6
85.9
139.7
98.0
73.9
Amoco公司2400井
常规井
小井眼井
井眼尺寸/mm
套管尺寸/mm
井眼尺寸/mm
套管尺寸/mm
444.5
311.1
215.9
339.7
142.9
114.3钻杆
215.9
152.4
111.1
177.7
127.0
93.9
Naborsm公司3000m小井眼井
Texaco公司3000m小井眼井
井眼尺寸/mm
套管尺寸/mm
井眼尺寸/mm
套管尺寸/mm
311.1
209.6
155.6
104.8
244.5
177.8
127.0
93.9钻杆
311.1
215.9
139.7
103.2
77.0
244.5
177.8
127.0
93.9
69.9
表1-2国外小井眼钻井技术发达国家典型小井眼井身机构
(2)钻进方式:
井眼钻进方式有旋转钻进、井下马达钻进、连续钻进。
外各
石油公司已开发了多种小井眼钻井系统。
图1-1为Shell公司和BakeHughes
公司联合开发的一种小井眼钻井系统,该系统使用改进固定式钻头和高强度
钻杆,包括先进的井涌监测系统。
该系统钻机可选择改进的常规钻机、专用
小井眼钻机、修井机和连续管钻机。
为改进的连续取心扩用钻井系统,Amoco公司开发的水力学模型和井涌监
测系统及井涌控制技术,利用高性能的油管再加上改型的矿用钻井系统,钻深可
达1400ft(4270m)。
为连续管钻井系统,可与井下马达钻井系统配合使用,提高起下钻速度,并
维持井下马达起下井眼时的连续循环。
(3)小井眼钻机:
前,专用的小井眼钻机不多,改进的小井眼钻机仍占多
数,原因主要是这类设备缺乏设计规范和公认的标准,加之常规钻机能力过剩,
在很大程度上抑制了小井眼石油钻机发展。
国外小井眼钻机类型有小型常规石油
钻机、采矿式连续取心钻机、修井机、连续管钻机和专用小井眼钻机。
20世纪
60年代之前,国外不少公司使用常规钻机钻小井眼井,70年代末开始进行小井
眼钻机研制及钻机改进,90年代后出现了特制专用的小井眼钻机。
瑞典、美国、
德国、加拿大、比利时、意大利、澳大利亚和罗马尼亚等国家均开发应用了新型
小井眼石油钻机,并取得了较好的使用效果和钻井经济效益。
一般来说,国外小井眼钻机采用常规旋转钻井设备,如前开口井架、液压绞
车、三缸泥浆泵、防喷器组、固相控制设备、取心装置等等,另加其他先进的自
动化装置。
固控设备的配置要比常规井高一级别,在常规固控设备转良好的前提
下,再地面设备减少损坏、降低循环压耗得有效办法。
国外小井眼钻机特点有:
①设备体积小,占地面积少;②设备一机多能,既
可钻井又可修井,所用钻柱既可钻小井眼又可连续取心;③采用专用小型测试装
置;④现代华程度高。
具有代表性的国外公司小井眼钻机主要有:
①意大利
Soilmec公司推出的G-100、G-100HD、G-150、G-200和G-250型系列小井眼钻
机,是目前世界上惟一的小井眼钻机系列。
图1-4为G-100钻机总成。
该系列钻
机选用4台隔音柴油机作动力,采用液压驱动形式,利用4台液压马达同时驱动
顶驱,充分满足小井眼钻井工艺的需要。
钻机用长冲程千斤顶液缸、滑轮组合可
伸缩式轻便井架代替常规绞车、游动系统和井架。
该钻机可用于钻晓井眼井、水
平井、斜井和丛式井,还可用于修井作业,目前已取得美国专利和国际专利权。
新系列小井眼钻机技术参数及使用情况见表1-3、表1-4
表1-3Soilmec公司新型小井眼钻机系列技术参数
钻机型号
G-100
G-100HD
G-150
G-150
G-250
大钩静载荷/kN
钻井动载荷/kN
液压动力功率
/kW
顶驱动力功率
/(kN·m)
顶驱行程/m
891.8
588.0
367.6
36
15
1107.4
735.0
514.7
36
15
1332.8
882.0
661.7
36
16
1783.6
1225.0
882.3
36
16
2205.9
1470.0
1102.9
36
16
表1-4Soilmec公司新型小井眼钻机系统使用情况
钻井速度
正常条件下,一口2300~3000m井,需190h
钻井方式
顶驱钻井
操作人员
钻机大班人员4人,即钻井领班、柴油机司机、电工和勤杂
工每个钻井班需要司钻和井架工各1名
钻井成本
钻井成本钻井统计结果表明,与常规大直径钻杆钻井相比,晓钻机钻
井总成本下降24%,钻井和钻机移运时间减少30%,每口井的
非生产时间从450h下降到120h;Soilmec公司认为,用G系
列小井眼钻机钻井,节省钻井总成本最多可达40%
环境污染
柴油机采用隔音措施,现场实测噪音为82db,对周围环境危
害较小;此外,由于小井眼钻井的钻井液用量和钻屑量均较
少,对环境的污染也较小
钻井综合效
益
与常规钻机相比,用小井眼钻机钻井,钻井成本减少
50%~75%,下套管成本减少13%,完井费用减少37%,占用
井场面积减少70%,钻机拆装移运时间减少60%~70%,钻小
井眼评价井,建井费用减少达50%,钻井综合效益显著
实施地区
已经在意大利北部的米兰、威尼斯、热那亚三角地区以及西
西里岛的油气田地层中钻完18口井
Soilmec公司小井眼钻机优点:
钻井速度快,技术经济指标先进,自动化程
度高,工作安全可靠。
钻井成本低,移运性好,对环境污染程度小。
②法国钻
井承包商Forsol用拖车装钻机W-Napach小井眼钻井取得了成功。
这种高度自
动化钻机有一个19.5m高的桅杆式井架,一个筒式操作系统和408KW顶部驱
动装置,该钻井可钻井深2438m,只需常规钻井1/3的工作人员,整部钻机及井
下设备仅15辆车便可搬运。
1994年4月法国在巴黎盆地还使用了Foraslim小
井眼钻机。
G-100钻机总成:
1-伸缩式井架;2-顶部驱动;3-挡砂滚筒;4-液压动力总
成;5-液压油罐;6-半拖车;7-具有机械安全锁紧的液压水平千斤;8-钻台液
压吊车;9容器平台;10-钻杆(套管);11-储存钻铤;12-液压油冷却器;13-
鼠洞上的液压卡;14-BOP小车;15-伸缩底座;16-动力大钳;17-值班表
瑞典石油勘探公司(Microdrill公司)于70年代末到80年代初,在Gotland
岛使用装有小型防喷器的Diamc-700小井眼液压钻机了207口井径2~3英寸、井
深217~2666m的小井眼井,比常规钻井节省费用75%。
80年代末,该公司又研制了MD-1500钻机和MD-2000钻机,改进的MD4小井眼钻机重量13t左右,使用螺杆钻具,∮85.7mm井眼可连续取心至3200m。
⑤Amoco公司和Nabor公司小井眼石油钻机。
Amoco公司和Nabor公司共
同研究开发了Rigl70型小井眼石油钻机,它最主要的特点式钻机上配有数控系
统(DCS)和专家井空系统(XWC).DCS系统手机钻机上液压传感器、压力差
传感器、应变仪、位置传感器、磁性流量仪、热电偶转速仪、钻机液池液面传感
器、温度传感器的数据,该系统还包括数据收集计算机和监测器、司钻监测器、
人机联作系统数据控制软件。
专家井控系统包括阿莫科公司处理数据控制系统中
数据的专利软件,这套井控专家系统能够判断是否发生了井涌。
是否通知司钻,
以便司钻可用采取合适的井控措施,如果司钻在预定的时间段(10s)中没有做
出反应,井控专家系统会自动采取井控措施。
井控专家系统液可用随时停用,以
便完全有司钻进行控制。
主要技术参数及结构特点:
大钩载荷975KN,轿车功
率165KW,井架高26.2m,全液压驱动,钻井液净化系统为清洁器和离心机。
自
动送钻装置是一个承载能力725KN的液缸,固定在井架上面,送钻性能较好。
采用两档速顶驱和计算机井控装置。
设计制造的岩心搬运机,可进行连续取心作
业优点:
实验证明,钻机和钻井成本均较低,环境污染少,钻井性能好。
⑥欧共体小井眼石油钻机。
欧共体Thermie规划Eurosim项目,为降低成本
和减少环境污染,适用小井眼钻井开发油田,同时研究开发了小井眼石油钻机。
主要技术参数及结构特点:
大钩载荷1000KN,绞车功率600KW,采用顶驱钻
井,最高转速600r/min.采用SH111、SH66高强度钻杆,配备了取心装置、录井
和测井装置、井涌监测仪和报警系统。
优点:
在不同地理环境和不同地质条件钻
井,环境污染最低。
⑦英国钻井设备公司研制的小井眼钻机,采用液力驱动,大钩载荷980KN,
钻深能力3000m,配有新式钻杆排放系统和先进检测仪器,既可钻井又可取心。
只需三名钻工。
(4)钻头
①牙轮钻头:
期小井眼钻井,一般使用小尺寸牙轮钻头。
但其不适应高转速,
钻头轴承磨损快,进尺少,寿命短,为此,国外采用改进的钨合金镶齿(TCI)
牙轮钻头,如:
美国贝克休斯公司研制出的能适应转速为200r/min的98.4mm牙
轮钻头,具有较厚的锥形外壳和直径较小的轮轴,具有较高的锁紧能力和转速能
力,钻头长度由常规的146mm减小到121mm,增强了侧钻能力,减小了井底钻
具弯曲时钻头损坏程度,寿命增加了30%-40%.
②单牙轮钻头:
通过增加牙轮钻头轴承直径增加钻头寿命。
阿曼油田在水平
井忠(中硬地层)适用IADC437单牙轮钻头,水平钻进平均机械钻速达60ft/h.
加拿大适用的41/81nIADC637单牙轮钻头钻研磨性硬砂岩,16.25h内钻进
105ft,相当于2只IADC737三牙轮钻头的总进尺。
从目前发展情况,单牙轮钻头
将会成为一种适用于在各种各样的地层忠钻小井眼的低成本高效率的钻井工具。
③金刚石钻头。
60年代以后,许多钻井承包商发现适用PDC聚晶金刚石钻
头配合液力加压器和井下马达,钻头寿命是同尺寸牙轮钻头的4.6倍。
于是金刚
石钻头以其适用时间场、进尺多、机械钻速高、不易出井下事故,逐步被人们采
纳。
尤其在小于∮152.4mm的井眼全面钻进中。
牙轮钻头已逐渐被金刚石钻头锁
取代。
以DBS公司、热稳定聚速,可用于连续取心和与螺杆钻具配合使用,能
减轻钻头在钻井过程忠产生的强烈振动,提高钻井效率。
新型的PDC聚晶金刚
石钻头、热稳定聚晶金刚石钻头(TSP)钻头和天然金刚石钻头。
这三种钻头能
适应高转速,可用于连续取心和与螺杆钻具配合适用,能减轻钻头在钻进过程中
产生的强烈振动,提高钻井效率。
新型的PDC聚晶金刚石钻头和TSD金刚石钻
头,对深层、中硬地层钻井及扩眼效果很号,在降低扭矩、钻头冷却方面比普通
的PDC和TSD钻头效果好。
穹形设计的金刚石钻头,在耐磨结构上更紧凑,更
适用于较硬岩石。
壳牌公司经验表明,采用小型聚晶金刚石钻头不重要阻制钻压。
Amoco公司开发除了避免小型聚晶金刚石过早损坏的抗涡旋转钻头,在穿透能
力方面取得了突破性进展。
小型聚晶金刚石将成为小经验技术的一个发展方
向。
④混合型PDC/TSP钻头。
美国Maurer工程公司为美国能源部研制了一种混
合型PDC/TSP高效钻头,PDC切削齿置于齿前排上,以高速度钻软地层,而TSP
切削齿置于PDC切削齿的后排,用于钻那些通常会损坏PDC切削齿的硬夹层。
该钻头在特定的大功率马达带动下能有效破岩,试验中在低强度地层钻速
100~150ft/h,在密西西比灰岩地层钻速为1~12ft/h。
⑤小井眼连续取心钻头。
在连续取心作业中,1000~3000m的井,59%使用
金刚石取心钻头,目前国外1000m以上的井眼井段多用连续取心钻头。
硬质合
金钻头应用于小井眼取心还在继续研究,这种钻头成本低廉。
BP公司一直用聚
晶金刚石和tripdax设计取心钻头来改进小井眼的取心性能和钻进速度。
国外还
研制丁能提高取心质量的双体钻头,这种钻头可通过绳索打捞器,改变钻头塞而
改变钻头性能,使钻头可进行全面钻进或取心钻进。
(5)井下马达系统
目前国外已有高、中、低三种转速(500~1000r/min)和多种直径
(38.1~171.5mm)的小井眼井下马达,其抗高温性能已经超过了200℃。
为了解
决钻柱振动问题,以便将更多的能量传递到钻头上,提高钻进效率,同时海配套
使用了井下液力加压器,使得钻头寿命更长,在许多地层钻进都比转盘钻进快
3~5倍,钻井成本可降低50%~70%。
该系统也常与连续油管钻机配合使用。
美国Maurer工程公司为美国能源部研制的大功率小井眼泥浆马达,输出功
率和转速石常规泥浆马达的2倍,所研制的33/8in小井眼泥浆马达,输出功率
为73马力,而常规泥浆马__________达的输出功率仅28马力。
适用这种大功率泥浆马达时,
只要钻机配置的泥浆泵能够输出该泥浆马达所需的高循环压力,配合PDC/TSP
高效钻头,能使钻速提高2倍AnadrillSchlumberger公司和AhellU.K研究开发
机构开发了一套仪表化的井下导向马达以提高地质导向的效果。
该工具石在动力
端和轴承外壳之间插入一个带近钻头传感器、电路、动力源和电磁遥测系统。
该
马达将钻井和地层评价测量相结合,可进行井斜、马达转速、温度、伽马射线和
两个电阻率测量。
仪表化马达具有已各双弯弯外科系统,其中固定弯外壳被直接
安置在马达轴承的上部,而地面可调节弯外壳被装在传感器短节和马达的动力端
之间。
设计这种固定和可调弯外壳系统组合可使钻具具有多种造斜率,最大可超
过15°/100f
(6)减小钻柱振动和疲劳破坏技术
主要采用的配套工具及技术有:
抗偏转的PDC钻头、柔性转盘或顶驱钻机
减小扭转振动、钻井液马达和液力加压器、耐疲劳新型钻杆接头。
①液力加压器。
配套使用井下液力加压器,可增加钻头寿命,在许多地层钻
进都比转盘钻进快3~5倍,钻井成本可降低50%~70~。
现在已出现了串联的液
力加压器,目前最多到三级,其作用原理与单级相同,当然在二、三级液力加压
器上可作用更大的钻压。
②工具接头。
经验证实,小井眼可以勇NC26与PACDSI工具接头及非API
的SLH90与AOH接头,应注意避免工具接头损坏。
(7)射流冲击器:
在小井眼钻井过程中,配套使用射流冲击器,利用冲击
一回转联合钻进既可以提高钻井速度,又可以防止井斜,从而达到提高钻井质量,
降低钻井成本的目的。
.
(8)小井眼打捞、雷击技术
目前已根据需要研制出了多种适合小井眼的打捞筒和震击器等,如用于打捞
∮83.2和∮89.6mm钻具的∮104mm打捞筒,高压小井眼用各种尺寸井下循环接
头/液力倒扣接头,液压及裂缝圆盘接头以及安全接头。
耐高压用的震击器有单
作用和双作用液力震击器,可受压也可拉伸,现已研制出∮150.4~∮160mm井眼
用的∮121.6mm双作用液力震击器,∮150.6mm~∮112mm井眼用的单作用液力
震击器。
(9)小井眼连续取心技术
小井眼连续取心技术源于矿业连续取心技术,实质上就是绳索式取心。
现在
已经能在104.8mm或更小的井眼中取心,并采用钻柱抗振技术来提高岩心收获
率。
Amoco是最早采用薄壁钻杆和电缆可回收岩心筒连续取心钻井系统的。
该
系统采用顶部驱动旋转外平钻杆,得到的连续岩心可达12.19m长,在开发井中
平均取心收获率达98.3%。
图1-8为Amoco公司小井眼取心井下钻具组合。
一
般来说,小井眼连续取心装备包括取心钻机、取心钻杆、取心钻头、岩心筒和其
他所需工具。
钢丝绳连续取心钻机。
钢丝绳连续取心钻机比油田使用的同样钻深能力的钻
机轻、小、结构简单,不用常规岩心筒而用绳索式岩心筒,能够连续取心,克服
常规石油钻机和常规岩心取心时需频繁起下钻的缺点。
这类钻机既能全面钻进又
能进行连续取心。
取心钻杆。
一种薄壁无缝钢管,机械强度没有同直径的常规钻杆大,外径小、
长度短、重量轻,具有外平内加厚接头,由于环空间隙很窄,这种钻杆在裸眼井
中可取回式技术套管使用,甚至作永久性套管固井,然后用直径更小的矿业取心
钻杆继续取心。
取心钻头。
小井眼连续取心作业中要保持较高的钻速,应选择适合地钻压、
高钻速的天然金刚石取心钻头、TSD取心钻头或PDC取心钻头。
天然金刚石取
心钻头又分为孕镶和表镶两种。
取心钻头的切削面很窄一般只有
38.1~25.4mm.Total公司为149.225mm、107.95mm和76.2mm井眼选择的钻头转
速分别350、450~500和600r/min.
取心岩心筒。
连续取心筒与常规岩心筒一样,也由内筒和外筒组成。
但与常
规岩心筒不同的是,其内筒可以用钢丝绳打捞筒取出来,再将另一个内筒投入钻
柱继续取心。
为防止起出内筒时发生抽汲作用,通常是一边起内筒,同时一边向
钻柱内泵送泥浆。
连续取心岩心筒及期内筒和单筒岩心的长度一般为3、6、9、
12、13.5、15m,最长的达27m。
整体式取心马达。
整体式取心马达可进一步提高收获率,因为在取心作业中,
防止了内筒的旋转,横向振动的减少使岩心能平稳地进入内筒。
外岩心简是由一
个直接连在其顶部的井下钻井液马达驱动,如图1-9.为了保证小井眼钻井的安全,
国外已改进和完善了小井眼井控防喷装置和除气器,研制出了先进的以探测进、
出井钻井液流量为基础和以声波反射原理为基础的地层溢流检测系统,国外的井
控装备有:
全封、半封闸板防喷器和钻柱内防喷工具、动平衡压井所需除气装置
和管汇,并储备有性能良好的重泥浆。
Amoco公司开发了小井眼井控专家系统
(图1-10),利用计算机进行现场连续监测。
此外Smedving公司研制了“GasKick
Detect”系统,BakerHugesINTEQ公司研制了“KickDetect”系统等。
Shell公
司的井涌早期检测系统能测出163升的侵入量。
(10)小井眼水平井钻井系统:
①小井眼水平井钻井系统。
SlimDril公司已
研制出一套低成本小井眼水平钻井系统,包括:
(a)钻头。
带有保
径齿和天然金刚石或热稳定聚晶金刚石(TSD)基体的HT-1钻头钻水平井,钻
速为20~30ft/h;(b)容积式液压马达。
一种专门用于小井眼水平井的高性能马
达输出功率石常规小井眼马达的2倍,可提高使用寿命和机械钻速;(c)钻柱。
由于该钻井系统采用高速马达(400~800r/min)配合TSD钻头,可以使用光钻杆,
而不必使用昂贵的抗压钻杆;此外还包括定向、循环接头、地面记录陀螺、导向
或随钻工具,蒙乃尔钻铤、旁通接头。
小井眼定向钻井导向工具。
可用于钻小井眼水平井
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