生物酶可解堵钻井液生物降解评价方法探讨.pdf

第 2 6卷 第 2期 2 0 0 9年 3月 钻 彝 液与 T RI I I I N{ F I U1 D 8 完 井 液 C M PI ET1 N FI UI D V I ． 2 6 No ． 2 M a r ． 2 0 0 9 文 章 编 号 1 0 0 1 6 2 0 2 0 O ．9 O 2 6 5 0t 生物酶可解堵钻 井液 生物降解评价方法探讨 杨倩云 郭保 雨 胜 利 石 油 管 理 局 钻 井 工程 技 水公 司泥 浆 公 司 ． 1 I I 东尔 营 摘 要 生物 酶 可解 墙 钻 井 双 毛一 一 种 新 型 的环 保钻 井澈 ． 它利 用 生 物晦 能将 钻 井 液 处 理 剂 降 解 由二 氧 化 碳和 水 的 生物 催 化壮 性 ． 婕 井 壁 点前 形 成的 泥 饼 自动 破 除 而 解 堵 。 由 钻 井 液 处 理 剂 的 驿 解特 点 衍 生 出 1种 评 给 方 法 - 并 依据 处理 的 生物 降眸 性 科 处理 利连 行 了 分 毫 。考 意试 验 设 备 复杂 程度 以 及 现场 推 广 应 用 等 实 际 情 况 - 主 要 采 用 I 衰减法和 黏 衰减法对处理刊和钻苷淑生物降解程度进 行 了评价． 在评 价试验 基础上优选 出 了生物骛 可解堵 钻 j } 攻所 嘎处理 刮 ． 苷形 成 曳配 的钻 井液 。 最 后指 出黏 度 衰 成法适 合 评 价 处理 剂 以 及 生 物 酶 可 解 堵 钻 井 及的 生 物 降孵 性 ， 担 I 衰 戒法 只适 合评 价处 理 的 生物 降 解 性 。 关键 词 钻 井液 ； 防止 地 层损 害 ； 生 物 酶 ； 生 柳 降 解 ； 评 价 方 法 中 图分 类 号 TF 2 j 1 ． 3 文献 标 识 码 A ， I 物酶 口 f 解堵 钻外 液是利 斤 】 脱代 生物技 术 的优 势 ． 将牛物 酶应 川 于 油 升采 领 域 。此 种新 型 的钻 井液利 用 物酶 的， 卜 物 降 解特 性 ． 将 钻进 过 程 中侵 入地 和黏附存 仆 的处理 刹转化 为二 氧化 碳和 水 ； 将钻 蚪干 “ 完 蚌作 、 结 合起 来 ， 并兼 顾环境 保护 和 储 层保护 作用 ， 在钻井 完成 后不需要 采用 解堵 技 术 ， 先前储 形成 的泥饼 乍物 酶的作 用下 自动 降解 破除 ． 破 除的 时间可 以 根据 生 物 酶对 钻 井液 的催 化 降解特性 人为控 制 ． 泥 饼破 除 后 产层 孑 L 隙 中 的阻 塞 物消除 ． 从而使地 _卜流 体通道 畅通 ． 从根 本 } 改进 r 解堵 I 艺 ． 实现 甜地 层 无 污 染 、 l尢伤 害钻 进 完 井 后 地 层 的渗透性恢 复较高 ． 汕气并 产 大 ． 节约 _r 生 产 成本 采用何种 段 i F 价该钻井 液 的牛物 降解 性 是 需要 解决 的技 术炎键 之一 。 材料 。这些 材料 作为 多功能钻 井液 处理剂 町 以起 降 滤 失 、 增 黏 、 降黏 、 稳定 井壁 和防塌 等作用 ， 并 且足地 球上 最 为丰富 的植 物性 资 源 。 是 牛 产廉 价 处理 剂 的 天 然原料 。。 。 1 ． 2 钻井液 处理 剂的降 解特 点 对 叮生物降解 的高分 子材料 ， 有 衙氧 干 『 1 厌 氧降解 环境 。需氧 环境 为 、 一 、 h _ H 、 C ” 氧 环境 为 C 一 、 CH H 十C } 一 。某 种材 料 的可尘 物降解性 ， 可用 上式 中的参 数来 衡量 ． C 是 这种材 料被环 境 降解 所 生 成 的， 、 是 这 种材 料存 留 在环境 巾末被 降解 的 含碳 残 留物 ， 、 足 化 人生 物 代谢过程 巾 的碳 。 、 为 。时 ． 完 牟 生物 降 解 ； L 、 、 时 。 不完全生物 降解 ； C 一 时是完全 不能生 物 降解 。 l 钻井液组成及 降解特点 2 生物降解性评价 方法 1 ． 1 钻 J t 液处理 剂的选 择 乍物 酶可解堵 钻井 液不仅 具备常 规钻井 液完 井 液 良好 的流 变性 、 抑制性 以及润 滑性 ． 还要具 备 町生 物 降解 。该钻 j 夜的处 碑剂一 般 是天 然 聚 合物 、 改性 人然 聚合物 部分 合成 聚合物 ． 主要有 淀 粉 、 乍 物聚合物 、 野 l i 植 物胶 、 纤 维 素 、 多糖类 聚 合物 等 评 价处理剂 的生物 降解 i ， 主要 考察钻井液处 理 剂被微生物 或生物 酶 分解的过程 和分解的程 度 ， 即 钻井液处理剂生物 降解性 的大小 。模拟 天然水 源 、 土 壤等环境 条什 l『 以埘钻 井液 处理 齐 Ij 的生 物降 解性 进 行研究 ， 但一 般模拟 条件 复杂 ． 难 以精 确掌握 。 因此 用 同的方 得 剑 的结 果往 往 不 同。 根 据处 理 剂的 基金 项 目 中石 化基 金 项 目≮生物酶 可眸 堵 钻 井液 糸 的研 究 } J P O 6 O O 7 。 第一作 者 简 介 扬 琦云 ． 工 程 师 ． 1 9 7 8年 生 ．硕 士 ． 2 0 01 年 毕 业于 中国地 质 大学 武 汉 工 程学 院地 赁工 程 专 业 ， 现 在 从事 泥 浆 工 艺 研 究工 怍。地 址 东 古 年 营 市 咝 利 石 油 管 理 诂 井 工 程 技 术 公 司 泥 浆 工 艺 研 究 所 ； 由 f 政 编 码 2 8 7 0 6 { ；电话 0 5 1 6 8 7 2 1_ 0l 7 ； E ma i l y a n g 1 Y U n s l f ． C O D 3 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 6 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 0 9年 3月 降解过程， 可以衍生出以下 4种方法 。 1 溶解氧 D O衰减 法 。有机 处 理剂 在 生 物 降解 过程 中需 要 消 耗 一 定量 的 氧 ， 随着 有 机 物 降 解 的进 行， 水体中的溶解氧 D O 逐渐减少 ， 通过测定水体中 的溶解氧 含量 ， 即可确定该 处理剂 的生物 降解性 。 2 浓度衰减法。有机化合物的浓度在降解过程 中不 断减少 ， 所 以通 过测定有 机物浓 度 随时 问变化 的 规律即可判断其 生物降解性 。 3 C 。吸收法 。好氧 微生 物在 分解 有机 物 的过 程 中 ， 不 断呼出 的 C 1 与所消耗 的化合物有一定 量关 系 ， 在 密封容器 内利用 碱吸收剂来 收集放 出的 C O 或 根据 压差的变 化直 接 定量 研 究有 机物 的生物 降 解 过 程 。 4 黏度衰减法 。黏度 衰减 法是根 据 处理 剂在 生 物酶作用下 ， 其 分子结构 随时问 的逐渐 增加 发生 由大 变小 ， 直 至完全 破 碎 的代谢 过 程 ， 而 在 此期 间钻 井 液 的黏 度逐渐减小 、 滤 失量逐渐增大 。 浓度 衰减法和 吸收法 对试验设备 要求较高 ， 不适 合推 广 应 用 ， 更 不适 合 现场 应 用 ， 而 D O 衰减 法 和黏度衰减法设 备操作 简单 ， 也 可定量 研究 处理 剂 的 生物 降解 性大小 ， 故选用 这 2 种 方法作 为 生物 酶可 解 堵钻井 液评价方 法 。 3 钻 井 液处 理 剂 的分 类 和评价 3 ． 1 钻井液处理 剂的分类 原则 根据不 同钻井 液 处理 剂 生 物降 解所 产 生 的 累积 耗 氧量不 同 ， 将处 理剂分为 以下 3类 。 3 ． 1 1 易生物降解 的钻 井液处理 剂 该类钻井 液处 理 剂 的累 积耗 氧量 始 终 大 于空 白 样 的累积耗 氧量 ， 属 易生 物 降解 的钻 井 液处 理 剂 ， 即 c 一0类 。该类 处 理 剂 进入 微 生 物 体 内后 与分 子 结 合， 在酶的催化作用下进行氧化分解 ， 被分解为简单 的低分子 物 质 ， 同时 释放 能 量 。在 该 过程 中 ， 酶 分 子 作 为催化剂参 与反应 ， 该类处 理剂 不会 对其结 构 及活 性造 成任何 不 利影 响 ， 相 反 ， 微生 物 在 氧化 分 解这 些 物质 的同时 ， 可利用释放 的能量来 完成 其 自身 的新 陈 代谢 活动 ， 不断进行生 长繁殖 和 自我 更新 。 3 1 ． 2 较 易生物降解 的钻 井液处理剂 该 类钻井液处 理剂 的累积 耗氧量 在 培养初 期 ， 空 白样 的累积耗氧量培养 时间增 加到 一定 值后 ， 其 累积 耗氧量 大于空 白样 的累积耗氧 量 ， 处 理剂 属于 较易 生 物 降解 的钻井液 处理剂 ， 即 C c 类 。该类钻 井 液处理剂与 酶的特异部 位结 合 ， 引起 酶 的构 型发生 变 化 ， 使酶 活性受到抑 制 ， 但 随着时 间 的增加 ， 钻井 液处 理剂 可以毫无变 化地脱离 酶分子 ， 且对 酶分 子不 产生 任何 化学损 伤 ， 酶仍 可恢 复活 性 ， 进 行 正 常 的生 物 降 解 过程 。 3 ． 1 3生物不可 降解 的钻 井液处理剂 该类钻井 液处 理 剂 的 累积 耗氧 量 始终 小 于空 白 样 的累积耗 氧 量 ， 属 于生 物不 可 降解 的钻 井 液 处 理 剂 ， 即 C C 类 。该 类处 理 剂进入 微 生物 体 内后 ， 就 与多功能氧 化酶 体 系 中酶 蛋 白的活性 中心 功 能基 团 进行不可逆 的相互作 用 ， 从而 改变 了酶 的化学 结 构和 生物学 功能 ， 引起 酶 的化 学 损伤 ， 而 且这 种 损 伤很 难 得 以恢 复 ， 使酶 的催化 功 能 严重 受 损 ， 表 现 为 该类 钻 井液 处理剂 的不可 降解 。 3 ． 2 钻 井液处理剂 的评价 3． 2． 1 DO衰减法 使用 G B l 1 9 1 3 -- 8 9水 质溶解 氧 的测 定 电化 学探 头法 。该方法 采 用一 种 用透 气 薄 膜将 水样 与 电化学 电池 隔开 的 电极 来测 定 水 中溶 解 氧 。根 据 所采 用 探 头的不 同类 型 ， 可测定 氧的浓 度或 氧 的饱 和 百分 率溶 解氧 ， 或 者二者 皆可测 定 】 。在测 试前 后将 样 品密 闭 养护 ， 将 样品 的 累计 耗氧 量 与 空 白样 对 比， 即可 知 处 理 剂的生 物 降解 性 。对 一 些 常用 钻井 液 处 理 剂进 行 了生物 降解 评 价 试验 ， 试 验样 中不 加生 物 酶 ， 仅在 微 生物 的作用下观测 自然降解 情况 下 累积耗 氧 量情况 ， 试 验结 果见 图 1 ～ 图 5 。 壅 Ⅲ 一 7 6 5 4 錾 1 O t／ d 图 1 增 黏剂 的可生物降解性 t l d 图 2 降滤失剂的可生物降解性 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6 卷 第 2期 杨倩 云等 生物酶可解堵钻 井液体 系生物降解评价方 “X - 4 g 6 7 尽 删 咖1 蟊 ；f 糕 略 吕 豳l 瓣 Ⅲ 妊 t ／ d 图 3 抑制剂的可生物降解性 d d 图 4 流型 调 节剂 的 可生 物 降解 性 d 图 5 屏 蔽 暂堵 剂 的 可生 物 降解 性 由图 1 ～图 5可 以看 出， 易 生物 降解 的钻井 液处 理 剂主要 有 HV - P A C、 I ． D - 3 0 2 、 D F D - 1 4 0 、 天 然高 分子 包 被剂 、 糖类抑制 剂、 屏蔽暂堵 剂 2以及 X C等天然或 天然改性 淀粉 、 纤 维素 、 生物聚合 物等 ； 较 易生 物降解 的钻 井 液 处 理 剂 主 要 有 高 、 中、 低 黏 C MC 以 及 P AC 1 4 1 等 ． 一般磺化 类处理 剂 、 P AM、 铵盐 和两 性离 子 聚合物 均属 于生 物不 可降 解处 理剂 。生物 酶 可解 堵钻井液处理 剂 主要选 用 的是 易生 物降 解处 理 剂和 较易生物降解处理剂 ， 使其 复配产生 的钻井 液首 先满 足一般钻井液性能要求 ， 并且 依据它 们在 生物酶 的作 用下降解速度 的不 同， 结合工 程解堵 时间 的实际 需求 选择复配 。 3 ． 2 。 2 黏度衰减法 使用六速旋转黏度计及 中压 滤失量测 定仪 ， 基 浆 为 3 膨润土浆 ， 各处 理剂加 量均为 0 ． 3 ， 每杯样 品 中都加 入 O ． 1 的复合酶 M1 ， 试 验结果见表 1 。 表 1 黏 度衰 减 法评 价 处 理剂 生 物 降解 性 的试 验 结 果 由表 1 可以看 出， 易生物 降解处 理剂 Hv _ P A C 和较 易生物 降解 处 理剂 HV_ C MC 在 生 物酶 的作 用 下逐渐降解 ， 而且 在最 初 一 周左 右 时 间 内 ， HV _ P AC 的降解速度 比 HV - C MC快 ， 但是 P A M 在生物酶 的作 用下基本不降解 。 D 衰减法和黏度衰减 法的评价 原理从不 同侧面 反映 了处理剂 的生物 降解 性 。I X 衰 减法的数据 精确 度较高 ， 更适合用于室内优选处理剂 ， 但一般 耗费时间 长 ， 不能直观反映处理剂降解 的快慢 程度 ； 黏度衰减法 试验所用仪器操作简单 、 迅速 ， 数据直观， 现场和室 内都 适合应用 ， 所 以这 2 种方法可根据需要结 合使用 。 3 ． 3 钻井液生物降解性评价试验 用 D 衰减法 和黏度 衰减 法 同时评 价生 物 酶可 解 堵 钻 井液 的生 物 降 解性 ， 结 果 见表 2 。该 钻 井 液 主要采用 上述 试验优 选 出来 的处理 剂复 配而成 。 表 2钻 井 液 生物 降解 性 评 价 t | d 钻 井液 钻 井 液 0 ． 0 5 M1 钻 井 液 0 ． 0 5 M2 DO／ mg ／ I ㈣ n DO／ mg ／ I R 。 。DO／ mg ／ I 6 I n H H 6 2 2 O 6 6 2 O O l三 _ _ _ ● ● ● ● _ l～ 加 u 8 6 4 4 8 8 0 0 O U H ● ● ● ● ● ● ● u 孙 U n 4 、， 8 4 6 6 4 O O ● f _ ● ● ● ● ● ● 。 { n L二 M 0 u 加 O O O O 0 O 5 2 l 7 4 5 2 l 6 3 3 3 3 2 5 0 O 5 5 5 O 7 5 9 8 2 2 4 4 3 9 3 3 8 8 O 7 7 8 8 8 8 O O O 0 5 O 0 O 2 2 8 6 7 O 7 6 4 3 3 3 3 5 5 5 O 一 0 5 O 4 4 7 0 O 2 3 1 8 9 4 3 8 8 O 7 7 8 8 8 8 O O 5 O O 0 O 2 5 7 4 O 2 O 7 6 4 5 5 5 4 5 5 5 O 5 O 5 8 2 8 4 9 3 2 5 9 3 5 3 8 8 O 7 8 8 8 8 8 O 1 3 4 7 H 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 8 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 0 9年 3月 从 表 2可 以看 出 ， 钻 井 液 在 酶 加 量 不 同 的情 况 的和 较 易 生 物 降 解 的 处 理 剂 ， 主 要 有 Hv P AC、 下， 其黏度都在以不同的速度衰减 ， 但是钻井液 累计 HV C MC、 MV C MC、 L V CMC、 I D一 3 0 2 、 D F D- 1 4 0 、 耗氧 量 的变 化没 有规 律 。其 原 因是 钻井 液 经 过复 配P AC 1 4 1 、 天然 高分 子包 被剂 、 糖类 抑 制 剂 、 屏 蔽暂 堵 之后 ， 处理 剂不 仅与 生物 酶作用 ， 在 生 物酶 的作用 下 剂 2 、 XC等 天然 或 天然改 性 淀 粉 、 纤 维 素 、 生 物 聚 合 分子 结构 逐渐 解 离 或 降解 ， 同 时处 理 剂 之 间也 相 互 物等 。 作 用 ， 从 而导 致 累计耗 氧量变 化 的无规 律性 。在 1 d 4 ．黏 度衰 减 法 适 合 评 价 处 理 剂 以及 生 物 酶 可 的时 问 内 ， 钻 井液 中的溶 解 氧 基本 上 被 { 肖耗掉 9 O 解 堵 钻井 液 的生 物 降 解 性 ， 但 是 D 衰减 法 只适 合 以上 ， 而黏度 变 化 却 不 大 ， 之 后 黏度 虽 然 逐 渐 衰减 ， 评 价处 理剂 的生 物降 解性 。 但是 累 积 耗 氧量 基 本 不 变 化 ， 可 见 D 衰 减 法 不 适 ． 合评 价钻 井液 在 生 物酶 的作 用 下 的 生 物 降 解 程 度 。 参 考 又 献 而 黏度 衰减法 不 仅 简单 易操 作 ， 室 内现 场 都 能 方 便 [ 1 ] 杨倩云， 郭保雨． 生物酶可解堵钻井液动力学模型研究 应用 ， 适 应范 围， ， 且能 同 时评价 处 理剂 以及 钻 井液 [ n 钻井液与完井液， 2 0 0 7 ， 2 4 1 1 5 1 6 的生物 降解 程度 。 [ 2 ] 徐德明， 岳登进． 国外钻井液和完井液用聚合物[ J ] ． 钻 采 工 艺 ， 1 9 9 8， 2 1 1 6 1 6 5 4 结 论 [ 3 ] 田忆凯， 侯丽英， 俞晓东， 等 ．大力开 发生物 降解 聚合物 1 ．由于考 虑试 验 设 备 复 杂 程 度 以 及 现 场 应 用 等情况 ， 生 物酶 可 解堵 钻 井 液 生 物 降 解性 评 价方 法 5 吕开 ，郭 东荣 ， 高锦 屏． 钻 井液有 机添 加剂 在 自然 海 主要采 用 D 衰 减法 和黏 度衰 减法 。 水中的生物降解性[ J l_ ． 石油钻探技术 ，20 0l， 2 9 4 39 2 ．根据 处理剂 累 计耗 氧 量 的 不 同 ， 可将 钻 井 液 d 1 处理 刹分 为易 生 物 降解 的 、 较 易生 物 降 解 的和 生 物 [ 6 ] 李献文． G B l 1 9 1 g 8 9 水质溶解氧的测定电化学探头 不 可降解 的 3类 。 法． 国家环境保护 3 ．生物酶可解堵钻井液选 用的是易生物 降解 收稿日期2 0 0 8 1 2 2 5 ； H G F - - 0 9 2 A 7 ； 编辑张炳茸 L接 第 6 2页 表 1 0 压 差对 钻 井 液封 堵 效 果 的 影 响 1 5 0℃ Fj A P l FI I l II FL砂床 FL 砂床 配 方 n 1 L m L m L m L n 1 L m L m L L 注 压差为 3 ． 5 MP a ， 其他压 差均为 6 ． 0 MP a ； 采 用 聚 胺氯 化 钾 聚 合 醇 钻 井 液 进 干 亍实 验 ． 采 用 粒 径 为 0 ． 4 5 ～ 0 ． 9 0 F i l m 乍 英 砂 砂 床 。 3 认 识 与 结 论 1 ．建 议采 用 4 2型或 7 1型高 温高 压滤 失量 测定 仪 ， 测定 钻 井液 高 温 高 压 滤 失 量 、 渗 透 失 水 、 砂 床 滤 失量 和砂 床失水 来评 价钻 井 液 的封 堵 效果 。采 用 高 温高 压渗 透失 水 、 高 温 高 压 砂 床 滤 失 量 和 高 温 高 压 砂 床失水 3者随 时 间增 长 速率 趋 于零 来 表示 钻 井 液 封 堵效 果 ， 或采用 在 实验 温度 压 差 下 3 0 rai n高 温 高 压砂 床滤 失量 和 高 温 高 压砂 床 失 水 为零 来 表示 ； 同 时还 应观 察砂 床外 泥饼 质量 。 2 ．钻 井液 封堵 剂 种类 、 加量 、 膨润 土含 量 、 加 重 剂 含量 、 钻 井 液 中 固相 粒 级 分 布 、 含 油 量 、 温 度 、 压 差 、 地层 裂 隙大 小等 因素 影响 钻井 液封 堵效 果 。 3 ．采用 降 滤 失 剂 、 沥青 类 产 品 、 成 膜 封 堵 剂 等 复配 能有 效 实现 对 地 层 裂 隙 的 封 堵 ， 但 随温 度 与压 差 增加 ， 必须 调整 封堵 剂 的品种 与 加量 。 致 谢 该 研 究 工 作 得 到 冀 东 油 田 分 公 司 监 理 中 心 和 中 海 油 天津 分 公 司钻 井 部 支持 和 帮助 ， 在 此 表 示感 谢 。 收 稿 日期 2 0 0 8 1 2 - 2 6； HGF一0 9 0 2 N4； 编 辑 王 小 娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m