生物酶可解堵钻井液的室内研究.pdf

第 2 6卷 第 6期 2 0 0 9年 1 1月 钻 井 液 与 完 井 液 DRI I LI NG FLUI D CoM PLETI ON FLUI D Vol _ 26 No． 6 No ve ． 2 0 09 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 0 9 0 6 0 0 0 1 0 4 生物 酶可解 堵钻 井液 的室 内研究 杨倩云 郭保 雨 沈 丽 袁 丽 秦涛 胜利石油管理局钻井 工程技术公 司， 山东东营 摘要 用生物酶可解堵钻 井液钻 完井后不需要采用 常规解 堵技术 ， 钻井液形成 的泥饼能够 在 生物 酶的作用 下 自动降解破除 ， 且 生物酶进 入油层孔道后可 以提 高原 油的流 动能力 ， 或 改变 液流方 向， 从 而提 高注入 水波 及体积 ， 可提 高油 田采 收率。该体系处理剂主 要为纤维素、 淀粉 、 生物聚 合物、 野生植物 胶、 多糖类聚合 物等 ， 在 D O 衰减 法 优选试验基础 上对处理 剂的 降解性进行 了再 次评价 ， 优 选 出 6种 主要 组分 ， 利用 正交试 验最终 确定 了体 系最优 配 方。室内研 究证明 ， 该钻 井液 具有 良好 的流 变性 、 润滑性 极压润滑 系数 不大干 0 ． 1 5 以及抑制 性 相对 1 O K C 1 溶 液 ， 页岩膨胀量 降低率为 8 8 ． 5 4 ， 抗温达 1 2 0 o C， 并具有优 良的油气层保 护效 果， 渗 透率恢 复值大 于 9 O 。该体 系能实现 对地 层无污染 、 无伤 害钻 进 ， 完井后地层的渗透性恢复 高， 油气井产 量大。现场 应用也表 明该 技术油 气层 保护 性能 良好 ， 提高 了油 气采 收率。 关键词 生物酶可解堵钻井液 ； 生物降解 ； 钻井液性能 ； 防止地层损害 中 图分 类 号 TE2 5 4 ． 3 文 献 标 识 码 A 生物酶可解堵钻井液是一种新型的环保型钻井 液 ， 用其钻完井后不需要采用常规解堵技术 ， 钻井液 形成 的泥 饼 能够 在 生物 酶 的作 用 下 自动 降 解 破 除 ， 从 根本 上改 进 了解 堵 工 艺 ， 完 井 后地 层 的渗 透 率 恢 复值高 ， 油气井产 量大 ] ， 且该钻井液对 环境无污 染、 对人或其它生命体无毒害作用。由于并不是所 有的处理剂都能被生物酶降解 ， 对生物酶可解堵钻 井 液 的配 方及 优选 配方 的性 能 进 行 了室 内研 究 ， 并 介 绍 了生 物 酶可解 堵 钻井 液在 吉林 油 田长 深 D平 1 井的现场应用情况。 1 作 用 机 理 ① 生 物酶 可 解 堵 钻井 液技 术 ， 利 用 了现 代 生物 技 术对 聚合 物断链 的 降解 原理 ， 通 过 在 钻 开产 层 前 几 十米 ， 加入 特殊 的可 降 解 钻 井 液 添 加 剂 和相 应 的 复配生物酶制剂 ， 保障了在钻进过程中， 钻井液具有 良好 的性能 ， 以达 到 稳 定 井 壁 的 效 果 ， 在 钻 进 结 束 后 ， 地层 中的钻井 液 材 料 在 生 物 酶 的 催 化 作 用 下发 生生物降解 ， 使聚合物 由长链大分子变成短链小分 子 ， 分解 并转 化 为微 生物 的代 谢物 或 细胞 物质 ， 使先 前 形成 的外 泥 饼 自动破 除 。②外 泥饼 自动破 除后 ， 生物酶随之进入孔喉空间 ， 降解滤液 中残 留的处理 剂 ， 消 除产层 孔 隙 中 的阻塞 物 ， 从 而使 地 下流 体通 道 畅通 ， 地 层渗 透 性 得 以恢 复 剖 。③ 此 外 ， 酶 分 子作 为一种催化剂参与反应 ， 其结构及活性不发生变化 ， 且酶 在 氧化 分解 过 程 的同 时可利 用 释放 的能 量来 完 成其 自身的新陈代谢 ， 不断进行生长繁殖和 自我更 新 。④ 泥饼 破 坏后 ， 生 物酶 的 活性 部 位 从 钻 井 液 处 理剂 中解离 ， 酶及其代谢产 物在岩石表面油膜下生 长繁殖 ， 占据 了孔隙空间， 使原油从岩石表面剥离而 驱 出 ， 同 时降解 原 油 ， 增 强 原 油 流 动 能 力 ， 提 高 油 田 采 收率 。 2 钻 井液处 理剂的优 选 由 于并 不 是 所 有 的处 理 剂 都 能被 生 物 酶 降解 ， 因此首先要根据累积耗氧量指标选择易或较易生物 降解的处理剂作为体 系的主要组分 ， 它们 主要有纤 维 素 、 淀粉 、 生 物 聚合物 、 野 生植 物 胶 、 多糖类 聚合 物 等， 可 以起降滤失 、 增黏 、 降黏、 稳定井壁和防塌等作 用口 ] ， 用 DO衰减法从 中筛选 出了 HV P AC、 高低 黏 C MC、 P AC 1 4 1 、 天然高分 子抗 温降滤失剂、 改性 淀粉 、 天 然 高 分 子 包 被 剂 、 糖 类 抑 制 剂 和 X C 。 然 基金项 目i 中国石油化工集 团公司 2 0 0 6 --2 0 0 8年度基金项 目 生物酶 可解堵钻 井液体系 的研 究 J P 0 6 o o 7 。 第一作者 简介 杨倩 云， 工程 师， l 9 7 8年生 ， 2 0 0 4年硕 士毕业 于 中国地质大 学 武汉 地 质工程专业 ， 现 在从 事泥浆工 艺研 究工作 。地 址 山东省东营 市钻 井公 司泥浆工艺研 究所 ； 邮政编码 2 5 7 0 6 4 ； 电话 0 5 4 6 8 7 2 1 0 4 7 ； E ma i l y a n g q y u n s l o f ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 0 9年 1 1月 后， 利用黏度衰减法 对 以上处理剂分别从 自然降 解性能和生物降解性能 2方面再次进行定量评价和 优选 ， 研究其各 自的降解速率和程度， 为体系的配制 提供依 据 。将 添加 剂 以相 同的 比例 加入 3 膨 润 土 浆 中， 搅拌均匀后测其流变性和中压滤失量 ， 放置不 同 的天数后 ， 测定 流变性 能 的变化 情况 ， 用黏度 衰减 法 评 价处理 剂 自然 降解 性能 。生 物降解 性能 的测 定 方法与 自然降解性能测定方法相 同， 只是在测定对 象 中加 入 了生物酶 。为了更 直接地 对 比各处理 剂 降 解速 率的快 慢 ， 评 价 单 剂 时使 用 的 生 物酶 均 为 复 合 生物 酶 M1 ， 它能 同时 降解 纤 维素 和 淀 粉类 处 理剂 。 实验 结果如 下 降解速 率为 2 △ Av ／ 。 1 P A C 一 1 4 1自然降解速率较慢 ， 3 0 d内表观黏 度值下降 4个单位， 降解速率为 0 ． 2 6 6 7 mP a s ／ d ； 加生物酶后 1 5 d内降解较慢， 表观黏度值下降 1 8 ． 5 个 单位 ， 之后加 快 ， 降 解速 率为 1 ． 2 3 3 3 mP a s ／ d 。 2 HV P AC 自然 降解 速率快 ， 3 0 d内表 观 黏度 值 下降 1 3 ． 5个单位 ， 降解速 率为 0 ． 9 0 0 0 mP a s ／ d ； 加生物酶后前 1 5 d内降解很快 ， 表观黏度值下降 l 5 个 单位 ， 之 后稳定 ， 降解速率 为 2 ． 0 0 0 0 mP a s ／ d 。 3 HV- C MC 自然 降解速 率快 ， 2 0 d内表观 黏度 值 下降 8 ． 5 个 单位 ， 降解 速 率 为 0 ． 8 5 0 0 mP a s ／ d ； 加 人生 物酶后前 2 0 d内 ， 降解 很 快 ， 表观 黏 度 值 下 降 l 1 ． 5个 单位 ， 之后 稳定 ， 降解 速率 为 1 ． 1 5 0 0 mP a s ／ d 。 4 I V C MC 自然 降解速率 慢 ， 1 6 d内表 观 黏度 值 下 降 3个单 位 ， 降解速 率为 0 ． 3 7 5 mP a s ／ d ； 加入 生物酶后， 降解稍快 ， 1 5 d内表观黏度值下降 4 ． 7 5 个单位 ， 之后稳定 在初始值 ， 降解 速率 为 0 ． 5 9 3 8 mPa s d。 5 改性 淀粉 代 号 A 在 自然 状 态下 ， 2 7 d内 表 观黏度值先升高再下 降， 无降解 ； 加生物酶后降解 ， 但 速 度较慢 ， 1 6 d内表 观 黏 度值 下 降 1 。 7 5个 单 位 ， 之后稳 定 ， 降解速率 为 0 ． 2 1 8 8 mP a s ／ d 。 6 X C 在 自然 状 态 下 ， 表 观 黏 度 先 升 高 8 d 内 ， 再下降为初始值， 然后稳定； 加生物酶后表观黏 度 也是 先升 高 2 3 d内 ， 再 下 降 ， 之 后 稳 定 ， 降 解 速 率均 为 0 。 7 糖类抑 制剂 代号 B 在 自然状态下降解很 慢 ， 2 7 d内表观黏度值下降 0 ． 5 个单位 ， 降解速率为 0 ． 0 3 7 0 mP a s ／ d ； 加 生物 酶后 降解 速率没 有 明显 变 快 ， 2 7 d内表观黏度值下降 2个 单位， 降解速率为 0 ． 1 4 8 2 mPa s ／ d 8 天然 高 分 子包 被 剂 代 号 C 在 自然 状 态 下 降解很慢 ， 2 7 d内表观黏度值下降 0 ． 5 个单位 ， 降解 速率 为 0 ． 0 3 7 0 mP a s ／ d ． 力 Ⅱ 生 物 酶 后 降解 速 率 没 有明显变快， 2 7 d内表观黏度值下降 1 个单位 ， 降解 速率 为 0 ． 0 7 4 1 mP a s ／ d 。 9 天然高分子抗温降滤失剂 代号 D 在 自然 状态下降解缓慢 ， 在 2 2 d内几乎不降解 ， 降解速率 为 0 ； 加入生物酶后 ， 降解 速率变快 ， 2 9 d时表观黏 度值 下降 5个单 位 ， 降解 速率 为 0 ． 3 4 4 8 mP a s ／ d 。 由此 可见 ， 处理剂 自然降解速率的 比较顺序如 下 HV PAC HV CMC LV CM C PAC - 1 4 1 B ≥cD≥XcA； 加 生物酶后 降解 速率 比较 如 下 HV PAC HV CMC PAC一 1 4 1 L V CMC D A B C XC。 为了强化生物酶活性降解 的作用效果 ， 同类处 理 剂 主要 采 用易被 生物 降 解 的 处 理剂 ， 因而 增 黏 剂 主要使 用 HV P AC、 HV C MC， 降 滤 失 剂 主 要 采 用 I V C MC、 天 然高 分 子 抗 温 降滤 失 剂 D 以 及 改 性 淀 粉 A ， 并用 XC作 为 流型调 节剂 。 3 生物 酶可解堵钻井液的性能评价 3 ． 1 常规性能 以上 述 处理 剂 优 选 实验 为基 础 ， 利 用 正 交法 则 进行配伍实验 ， 最终确定钻井液配方如下 ， 其流变性 及润滑 性 见表 1 。 1 3 膨 润 土 o ． 1 X C 0 ． 3 9 ／ 6 改 性 淀 粉 十0 ． 2 HV C MC0 ． 3 天 然 高 分 子 抗 温 降 滤 失 剂 0 ． 2 L V C MC0 ． 1 HV P AC1 暂堵 剂 YFP一 2 表 1 生物酶可解堵钻井液的流变性能 往 Kf 为 EP型 极 压 润 滑 仪 测 得 值 。 由表 1看 出 ， 该 钻 井 液具 有 良好 的流 变 性 和润 滑性 ， 在 1 2 0。C高温热滚 1 6 h后能保持好的性能 。 3 ． 2 抑制 性 利用 NP ～ 2智 能型 页岩 膨 胀测 试 仪测 定 钻 井液 的抑制性 ， 结 果 见 表 2 。试 验 用 土 为 中石 化 通用 处 理 剂标 准评 价用钠 土 ， 该 土产 自新疆 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6卷 第 6期 杨倩云等 生物酶可解堵钻井液 的室 内研 究 3 表 2生物酶可解堵钻井液 的抑 制性 能 注 实 验 用 评 价 钠 土 ， 在 2 ． 8 MP a F压 实 5 mi n。 由表 2可知 ， 生物 酶 可解堵 钻 井液 相对 清水 8 h 页岩膨胀量降低率为 6 8 ． 2 4 9 ／ 6 ， 相对 1 O KC 1 溶液 8 h页岩膨胀量降低率为 8 8 ． 5 4 ， 说明该体系具有 良好 的抑制 性 。 3 ． 3 降解性能 为了评价钻井液 的生物降解性能 ， 通过实验观 测 生 物酶加 入 前后 对钻 井液 流变 性 能 的影 响 。 1 0 ． 1 复合生物酶 M1的加入对钻井 液降解 速率 的影 响见 图 1 。 4 5 4 0 3 5 3 O 2 5 2 o 1 5 l O 5 O 图 1 加入生物酶前后钻井 液的降解性能 由图 1 可见 ， 加入生物酶后 ， 体系的降解速率增 快 ， 当 M 1 加 量为 0 ． 1 时 ， 7 ～ 1 0 d后 体 系 表 观 黏 度值 从 3 8 mP a S 左 右 下 降 到 1 7 ． 5 mP a S左 右 ； 体 系的表 观黏 度值 一般 在 3 0 d内最 终 下降 到 7 ． 5 mP a S 左右 稳 定 ； 在 3 0 d后 观 察 ， 2种 体 系 的 最 终 降解 程度 是一 致 的 ， 降解 速 率基 本上 也一 样 ， 说 明体 系在 自然状态下 和在生物酶作用 下都能够最 终降 解 ， 但是生物酶的加入加快 了降解速率 ， 尤其是在前 期催化作用表现更为明显 。 2 生物酶 的浓度对钻井液降解性能的影响 。分 别在钻井液 中加 入 0 ． 1 、 0 ． 2 、 0 ． 3 的复合酶 M1 后 ， 对 比不 加 酶 的 钻 井 液 在 室 温 状 态 下 降 解 性 能 的变 化情况 ， 结 果见 图 2 。由 图 2可见 ， 随 着生 物 酶加量的增大， 钻井液的表观黏度降解速率加快 ， 但 是 在 2 5 d观 测 ， 3种加 酶体 系与 不加 酶 自然 降解 体 系的最终降解程度相差不 大； 随着生 物酶浓度 的增 加 ， 体 系 的降解 速率增 加 ， 说 明体 系降解 速 率 随生物 酶浓 度 的增 加 而加 快 。可 见 ， 通 过 调 整 处 理 剂种 类 或 生物 酶 的浓 度 ， 可 以改 变 生 物 酶 对 处 理 剂 的攻 击 速度 ， 从而达到控制体系降解速率 的目的。 3 O 2 5 2 0 l 5 1 O 5 0 O 5 1 0 l 5 2 O 2 5 t l d 图 2 生物酶浓 度对 钻井液降解性能 的影 响 3 不 同生 物酶 对钻 井 液 降解 速 率 的影 响 。将 4 种不同 的生物酶 M1 、 M2 、 M3和 M4 以同一加量 分别加入钻井液中， 其对钻 井液降解速率 的影响见 图 3 。其 中 M1和 M2是复合酶 ， M1 、 M2和 M3是 固体 ， M4是液体 。 4 o 3 5 3 O 25 2 0 1 5 l O 5 O O l 0 20 3 0 4 0 fi 0 t ／ d 图 3不 I司生 物 酶 对 钻 井 液 降 解 速 率 的 影 响 由图 3 可 以 看 出 ， 在 室温 状 态下 ， 4种 加酶 体 系 与不加酶体系对 比， 降解速率都加快了， 但不同的是 生物 酶 降 解 的速 度 不 一 样 ， 4种 生 物酶 表 现 出不 一 样的活性 ， 其 中加入 M3的体系降解速率最快 实际 上 6 0 mi n内基 本上 已彻底 降解 。由此可见 ， 4种 生 物 酶 活 性 的大 小 顺 序 为 M3 M2 M4 M1 。 而且体系在 M3 、 M4作用下比在 M1 、 M2下降解得 更 彻 底一 些 。可 见 ， 生 物 酶 的 解 堵 过程 是 生物 催 化 反应 ， 通过调整生物酶和钻井液处理剂的种类及配 方 可 以改变 生物 酶 对 处 理 剂 的 攻击 速 度 ， 从 而达 到 控制体系降解速率 ， 即解堵速率 ， 满足钻进和解堵的 双要求 ， 体系 的降解 时间可控制在 l ～7 2 0 h范 围 内 ， 甚 至更 宽 的范 围 。 4 油气层保护效果评价 。评价生物酶可解堵钻 井液 的油气层保护效果主要采用泥饼清除试验 、 F A 无渗透钻井液滤失试验和渗透率恢复率试验 3种方 式 。泥 饼清 除 和砂 床 漏 失 试 验 显 示 ， 控 制 生 物 酶 的 E ．鼻 s ． d I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 钻 井液与 完 井液 2 0 0 9年 1 1月 加 量 ， 能 将泥饼 在特定 的时间 内破除 ， 而清水 不 能有 效清除泥饼l 2 ] 。实验主要侧重采用岩心渗透率恢复 率试验来评价优选体系油气层保护效果好坏 ， 试验 仪器为多功能岩心流动实验仪和岩心污染实验仪。 实验对 比加入 生物 酶前后 优选 钻井 液的油 气层 保护 效果， 采用高渗透和低渗透 2 种岩心来评价， 结果见 表 3 。 表 3 加入 生物酶前后的钻井液渗透率恢复实验 注 污 染 条 件 为 3 0 mi n、 8 0 C、 3 ． 5 MPa ， 剪 切 速 率 为 2 0 0 S ～ 。 从 表 3可 以看 出 ， 经 生 物 酶可 解 堵钻 井 液解 堵 后， 高渗和低渗岩心渗透率的恢复效果 良好， 恢复率 都大于 8 0 ， 尤其是加入 了生物酶 M3后 ， 生 物酶 可解堵 钻井 液 的渗 透率 恢 复值 在 9 0 以上 ， 说 明优 选 的钻 井液 油气层 保 护 性 能较 好 ， 生物 酶 能 优 化钻 井液 的油气 层保护 效果 。 4 现 场 应 用 生物 酶可 解 堵 钻 井 液在 吉林 油 田长 深 D 平 1 井进行 了现场清洗 试验 ， 该 井 完 钻井 深 为 4 2 9 3 m， 水平段 长 6 0 0 m。 由于 该井储层 裂缝 发育 ， 容易 造成 固相入 侵 ， 使 用无 固相 钻井液 钻水平 段 。 由于地层压 力梯 度平 均 为 1 ． 1 4 MP a ／ 1 0 0 m， 所 以压 井液 密 度 控 制 在 1 ． 1 8 g ／ c m。 左右 ， 并在 无 固相 钻 井 液 中加 入 生 物 酶 进行 洗井以清除泥饼。长深 D平 1井使用 1 3 9 ． 7 mm 技术套管 ， 水平段 为 1 3 9 ． 7 mi l l 筛管段。筛 管段 长度 按 6 0 0 m 计算 ， 筛 管 段 总容 积 为 5 ． 1 6 m。 。为 了使生物酶 在筛 管段清洗充分 ， 打入 3 0 m。段 塞。 将生 物酶倒 入 3 0 m。 压 井 液 中， 用 水 泥 车循 环 搅 拌 均 匀后注 入井 中 。 考虑井温及作业程序等因素， 在压井液中添加 0 ． 7 生物 酶并 达到 了 以下 技术 指标 ①生 物酶可 解 堵 体系 抗温不 小 于 1 2 0℃ ； ②井 壁 泥饼 及 堵 塞 物破 除彻底 ， 产层渗透率恢复值不小于 9 O ； ③井壁泥 饼溶 蚀 时 间不小 于 4 8 h ； ④ 溶蚀 量不 小于 8 0 。 结 果表 明 ， 施 工 顺利 ， 压 力平 稳 ， 返 排 液 黏度 在 4 mP a S以下 ， 返排率在 6 5 以上 ， 单井试排产 量 提高 4 ． 0 m。 ／ d ， 投产产量提高 0 ． 5 3 t ／ d 。 5 认 识 与 结论 1 ． 室 内实 验表 明 ， 生 物酶 可 解堵 钻 井 液具 有 良 好 的流 变性 、 润 滑性 ， 在 不 加 特 殊 润 滑剂 的情 况 下 ， 其 极 压 润 滑 系 数 不 大 于 0 ． 2 5 ， 抑 制 性 较 强 ； 相 对 1 0 9 ／ 6 KC 1 溶液 ， 页岩 膨胀 量 降低 率 为 8 8 ． 5 4 ， 能抗 温 1 2 0℃ ， 具 有优 良的油气 层保 护效果 ， 渗 透率恢 复 值 超过 9 O 。 2 ．生物 酶可 解 堵 钻 井 液 在 生 物 酶 的作 用 下 降 解速率加快 ， 浓度越高降解速率越快 ， 并且不同的生 物酶表 现 出不 同 的 降解 效 果 ， 生 物 酶 M3的活 性 最 强 ， 对 体 系的降 解速 率 最 快 、 最 彻 底 ， 油 气层 保 护 效 果最好 。 3 ．通过 调整 生 物 酶 和 钻 井 液 处 理 剂 的种 类 及 配方 ， 可 以改变 生物 酶对 处理剂 的攻 击速度 ， 从 而达 到控 制体 系 的降解速 率 ， 即解堵 速度 ， 满 足钻进 和解 堵的要求 ， 其体系降解时间可 以人为控制在 1 ～7 2 0 h之 间。现场应用也表明， 生物酶可解堵技术用于 油气开发 ， 能有效清除泥饼 ， 提高油气采收率 。 参 考 文 献 [ 1 ] Ma l o n e M R， Ne l s o n S G， J a c k s o n R ． E n z y me B r e a k e r Te c h n o l o g y I n c r e a s e s Pr o d u c t i o n， Gr a y b u r g - J a c k s o n F i e l d ，S o u t h e a s t Ne w Me x i c o A C a s e Hi s t o r y [ R] ． I ADC ／ S PE 5 9 7 0 9 [ 2 ] 杨倩云 ， 郭保 雨． 生物酶可解堵钻井液动力学模 型研究 E J ] ． 钻井液 与完井液 ， 2 0 0 7 ， 2 4 1 1 5 1 6 E 3 3 杨倩云 ， 郭保 雨 ， 沈丽 ， 等． 生物酶可解堵钻井液解 堵机 理研究 [ J ] ． 钻井液与完井液 ， 2 0 0 9 ， 2 6 3 1 2 1 5 [ 4 ] 王红旗 ， 陈延 君 ， 孙宁 宁． 土壤 石油污染 物微 生物 降解 机 理与修复 技术研究 [ J ] ． 地 学前缘 ， 2 0 0 6 ， 1 3 1 1 3 4 1 39 [ 5 ] 杨倩 云， 郭保雨． 生物酶可解堵钻井液生物降解评 价方 法探讨 E J ] ． 钻井 液与完井 液 ， 2 0 0 9 ， 2 6 2 6 5 6 8 收稿 日期 2 0 0 9 0 5 0 5 ； HGF 0 9 0 5 N8 ； 编辑 王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m