生物酶浸洗清除水平井钻井液污染技术研究.pdf

第 3 3卷 第 3 期 2 0 1 1 年 5月 石 油 钻 采 工 艺 0I L DRI L L I NG P RODUC T I ON T EC HNOL OG Y V0 1 ． 3 3 N O ． 3 Ma v 201 1 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 1 0 3 0 0 1 7 0 4 生物酶浸洗清除水平井钻 井液污染技术研究 汤 琦 陈 艳 徐 乐 刘 影 1 ． 中国地质 大学， 北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 辽 河油田公 司， 辽宁盘锦 1 2 4 0 1 0 ； 3 ． 长城钻探工程有限公 司测 井公 司， 辽 宁盘锦 1 2 4 0 1 0 摘要由于水平井的钻井周期和生产井段较长， 钻井液污染较为严重， 部分水平井完井后投产效果没有预期理想， 而常规 酸化处理只能解除钻井液中的无机堵塞。通过室内实验研 究了生物酶对钻井液中淀粉、 羧甲基纤维素、 聚丙烯酰胺、 黄原胶等 聚合物及钻井液滤饼的降解作用， 介绍 了生物酶浸洗清除水平井钻井液污染的现场施工工艺和现场试验效果， 表明该技术是解 除水平井钻井液污染的可行方法， 具有扩大试验和推广应用前景。 关键词水平井；钻井液污染；滤饼；生物酶；浸洗 中图分类号T E 2 5 8 ． 2 文献标识码 A Re s e a r c h o n r e mo v i ng dr i l l i ng flu i d c o nt a mi na t i o n b y e n z y me i mme r s i o n i n ho r i z o nt a l we l l T A N G Q i 。。 ， C H E N Y a n 2 ， X U L e ， L IU Y in g 1 C h in a U n i v e r s i t y o fG e o s c i e n c e s ， B e o i n g 1 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 Pe t r o C h i n a L i a o h e Oi lfi e l d C o m p a n y ， P a n j i n 1 2 4 0 1 0 ， C h i n a ； 3 ． L o g g i n gC o m p a n go fGr e a twa l l Dr i l l i n gE n g i n e e r i n gC o， P a n j i n 1 2 4 0 1 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Be c a u s e o f t h e l o n g d r i l l i n g p e r i o d a n d p r o d u c i n g s e c t i o n ， d r i l l i n g fl u i d c o n t a mi n a t i o n i n h o r i z o n t a l we l l i s s e r i o u s ． T h e p r o d u c t i o n e ffe c t s o f s o me s e c t i o n s h a v e n o t l i v e d u p t o e x p e c t a t i o n s a f t e r we l l c o mp l e t i o n i n h o r i z o n t a l we l l s ， a n d g e n e r a l a c i d i n g t r e a t me n t j u s t c o u l d r e mo v e t h e i n o r g a n i c b l o c k a g e s i n d r i l l i n g fl u i d ． T h e d e g r a d a t i o n e ff e c t s o f e n z y me o n t h e p o l y me r s i n d r i l l i n g fl u i d s u c h a s s t a r c h ， c a r b o x y m e t h y l c e l l u l o s e ， p o l y a c r y l a mi d e a n d x a n t h a n g u m a n d t h a t o n t h e d r i l l i n g c a k e we r e s t u d i e d i n l a b e x p e r i me n t s ． F i l e d o p e r a t i o n p r o c e s s a n d e f f e c t o f r e mo v i n g d r i l l i n g fl u i d c o n t a mi n a t i o n b y e n z y me i m me r s i o n i n h o r i z o n t a l we l l we r e d e t a i l e d i n t h i s p a p e r ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e t e c h n i q u e i s f e a s i b l e i n c l e a n i n g t h e p o l l u t i o n a n d s h o u l d e x p a n d t h e e x p e r i me n t s c a l e ， wh i c h h a s a b r i g h t a p p l i c a t i o n v a l u e i n t h e f u tur e ． Ke y wo r d s h o r i z o n t a l we l l ； d r i l l i n g fl u i d p o l l u t e ； c a k e ； e n z y m e ； i mme r s i o n c l e a n i n g 近年来 ， 水平井在 油 田开发中得 到了越来越 广 泛的应用。以辽河油田为例 ， 水平井 已从先导试验阶 段和扩大试验阶段发展为规模应用阶段 ， 目前 ， 已经 累计完钻各类水平井近 8 0 0口。但是 ， 由于钻井周期 较长导致钻井液浸泡时问较长 ， 水平井段较长导致 钻井液滤失面积较大， 造成 比较严重的钻井液污染 ， 很多水平井投产后效果不如预期效果理想。因此 ， 如 何有效清除水平井钻井液污染成为提高水平井投产 效果 的关键技术难题。生物酶技术 已经在油 田广泛 应用， 目前多应用于微生物采油和压裂增产， 本文主 要研究利用生物酶解决水平井钻井液污染的问题 。 1 生物酶清除钻 井液污染作用机理 钻井液 中含有淀粉、 羧甲基纤维素、 聚丙烯酰 胺 、 黄原胶等植物源或合成类聚合物成分， 它们随钻 井液滤液滤失到井壁周 围与黏土等同相颗粒形成滤 饼 ， 造成有机堵塞 ， 依靠酸化手段很难清除。 近年来 ， 生物酶技术 在压裂液破胶方 面取得 了 攻关项 目中石油股份公 司项 目 “ 提 高辽 河油田低渗透难采储 量动用程度 应用基 础研究 ” 编号 2 0 0 8 B一 0 9 0 4 。 作者简介 汤琦。 1 9 6 4 年生。一直从事油气田开发技术研究和推广工作， 现为中国地质大学 北京 在读博士研究生， 高级工程师。电话 0 4 2 7 7 2 9 9 8 0 0 。E ma i l t a n g q i 0 1 2 3 t o m．t o m。 1 8 石油钻采工艺 2 0 1 1 年 5月 第 3 3卷 第 3期 一 定 的研究和试验成果 机堵 塞解除方面 。 ， 并已拓展到对钻井液有 度降至 4 mP a S 以下。 本文优选 _ r 一种复合 型生物 酶 ， 它在一定的温 度条件和较宽 的 p H值范 围内能快 速将钻井液 中的 植物源或合成类聚合物水解 、 降解成寡糖和二糖等 小分予 片段或有机物单体 ， 从而有效地降解钻井液 中的聚合物 ， 清除钻井液污染。 2 室内实验 2 ． 1 降解淀粉 实验仪器主要包括恒温水浴锅 、 机械搅拌器 、 毛 细管 黏度 汁、 六转速黏度计 、 玻璃棒 、 烧杯 、 广 口瓶 、 洗耳球和电子天平 。实验试剂主要包括预胶化淀粉 和 物酶～ 配制 2 ％的预胶化淀粉溶液。将 2 0 g淀粉均匀 溶解 于一定量水中 ， 另取一部分水在水浴 中加热 至 接近沸腾 ， 将淀粉溶液缓缓加入沸水 中， 边搅拌边加 热 ， 至半透明状态。淀粉溶液冷却定容至 】 0 0 0 mL。 配制 l 0份淀粉溶液 与生物酶反应体 系， 其 中， 淀 粉溶 液 体积 均 为 1 0 0 mL， 生 物酶 浓 度均 为 1 0 0 mg ／ L ， 分 别考查该体系在 3 0 ～ 1 4 0 的反应活性 ， 实 验结果 1 。 时 I H j ／ mi n 图 1 不 同温度下生物酶 降解 淀粉 效果 m罔 l 可看 出， 以预胶化 淀粉作为降解对象时 ， 生物酶在 3 0 ～ 1 4 0 范 围内均有破胶活性 ， 在 9 0 破胶活性最好 ， 随着温度的升高或降低， 生物酶的降 解能力均有所下降。 同样方法配制3 份淀粉溶液和生物酶反应体系， 其 中， 淀粉溶液体积均 为 1 0 0 mL， 生 物酶浓度分别 为 1 0 0 m g ／ L 、 2 0 0 mg ／ L和 3 0 0 m g ／ L ， 考查生物酶活 性最适温度 即 9 0 下， 不同的生物酶浓度对降解 淀粉效果的影响 ， 实验结果见图 2 。 r f 1 l 司2可 以看 ， 在 9 0 时， 生物酶加酶浓度 越 高 ， 淀 粉溶 液黏 度下 降越快 ， 1 h后 ， 1 0 0 mg ／ L生 物酶能将预胶化淀粉溶液黏度降至 5 ． 5 1 mP a S ， 2 0 0 mg ／ L和 3 0 0 mg ／ L生物酶均可将预胶化淀粉溶液黏 图 2 9 0℃下不 同浓度 生物酶降解淀粉效果 2 ． 2 生物酶降解纤维素 配制 0 ． 2 ％ 的羧 甲基纤维素溶液。将 2 g羧 甲基 纤维素均匀溶 解于 1 0 0 0 mL水 中， 用机械搅拌器搅 拌， 边加入边搅拌， 直至 2 g 羧甲基纤维素均匀混和。 配制 1 0 份羧甲基纤维素溶液与生物酶反应体 系， 其中， 羧甲基纤维素溶液体积均为 1 0 0 mL ， 生物 酶浓度均为 1 0 0 m g ／ L ， 分别考查该体系在 3 0 ～ 1 4 0 o C 的反应活性 ， 实验结果见图 3 。 时 间／ h 图 3 不同温度下生物酶降解羧甲基纤维素效果 由图 3可看 出， 以羧 甲基纤维素为降解对象时 ， 生物酶在 3 0 ～ 1 4 0℃范围内均有破胶活性 ， 7 0 - 1 2 0 o C 活性相近 ， 在 9 0 破胶活性最好 。 同样 方法 配制 3份 羧 甲基纤维 素溶液 和生物 酶反应体 系， 其 中 ， 羧甲基纤维素溶液体积均为 1 0 0 mL， 生物 酶浓度分 别 为 1 0 0 mg ／ L、 2 0 0 mg ／ L和 3 0 0 mg ／ L， 考查在生物酶活性最适温度 即 9 0 下 ， 不 同的生物酶浓度对降解羧甲基纤维素效果的影响， 实验结果见 图 4 。 时间／ l 1 图4 9 0℃下不同浓度生物酶降解羧甲基纤维素效果 汤琦等生物酶浸冼清除水平井钻井液污染技术研究 1 9 由图 4可看出， 在 9 O 时， 不同浓度的生物酶对 羧甲基纤维素的降解效果表明， 增加酶浓度， 可以加 快对羧甲基纤维素的降解， 3 0 0 m g 门 L 生物酶在 1 2 h 即可将羧 甲基纤维素溶液黏度降至 5 mP a S 以下 ， 2 0 0 m g ／ L生物酶需 2 4 h ， 而 1 0 0 m g ／L生物酶则需 3 2 h 。 2 ． 3 生物酶降解聚丙烯酰胺 配制 0 ．6 ％的聚丙烯酰胺胶体。取 1 0 0 0 m L水， 在机械搅拌情况 下， 加人 6 g的聚丙烯 酰胺 ， 继续搅 拌直至成胶体 。 配制 1 0 份聚丙烯酰胺溶液与生物酶反应体系， 其中， 聚丙烯酰胺溶液体积均为 1 0 0 m L ， 生物酶浓 度均为 2 0 0 mg ／ L ， 分别考查该体系在 3 0 ～ 1 4 0℃的反 应活性 ， 实验结果见 图 5 。 I 40 l 2 O 1 0 0 8 O 越 6 0 4 O 2 0 O 图 5 不 同温度 下生物酶 降解聚丙烯 酰胺 效果 由图 5 可看出， 以聚丙烯酰胺为降解对象时， 生 物酶在 9 0 时对聚丙烯酰胺胶体的降解能力达到 最好， 在高于 9 O℃时， 其活性没有明显改变。 同样方法配制 3份聚丙烯酰胺溶液和生物酶反 应体系， 其中， 聚丙烯酰胺溶液体积均为 1 0 0 mL ， 生 物酶 浓度分 别为 1 0 0 mg ／ L、 2 0 0 mg ／ L和 3 0 0 mg ／ L， 考查在生物酶活性最适温度 即 9 0 ， 不同的生物 酶浓度对降解聚丙烯酰胺效果的影响， 实验结果见 图 6 l 4 0 l 2 O 1 0 0 e j 8 O 越 6 0 褥4 0 2 0 O 图 6 9 0℃下不 同浓度生物酶 降解聚 丙烯酰胺效果 由图 6 可看出， 生物酶浓度在低于 2 0 0 m g ／ L时 对聚丙烯酰胺的降解速度 比较缓慢， 1 0 0 m g ／ L生物 酶将聚丙烯酰胺胶体黏度降至 5 m P a S 以下需 4 8 h ， 2 0 0 mg ／ L生物酶需 3 2 h ， 3 0 0 mg ／ L生物酶 1 6 h即可 将聚丙烯酰胺胶体降至 5 ． 6 m P a S 。 2 ． 4 生物酶降解黄原胶 配制 0 ．4 ％的黄原胶胶体。取 1 0 0 0 m L水， 在机 械搅拌情况下， 加入 4 g 黄原胶， 将该黄原胶溶液放 人 6 0℃水浴 中溶胀 4h 。 配制 1 0 份黄原胶溶液与生物酶反应体系， 其中， 黄原胶溶液体积均为 1 0 0 mL ， 生物酶浓度均为 2 0 0 m g ／ L ， 分别考查该体系在 3 0 ～ 1 4 0℃的反应活性， 实 验结果见图 7 。 图 7 不 同温度下 生物酶降解黄原胶效果 由图 7 可看出， 生物酶在 9 0℃时对黄原胶胶体 的降解能力达到最好， 高于 9 0℃时， 其降解效果没 有明显改变。 同样方法配制 3 份黄原胶溶液和生物酶反应体 系， 其中， 黄原胶溶液体积均为 1 0 0 mL ， 生物酶浓度 分 别为 1 O 0 mg ／ L 、 2 0 0 mg ／ L和 3 0 0 mg ／ L， 考查 在生 物酶活性最适温度 即 9 O o C ， 不同的生物酶浓度对 降解黄原胶效果的影响， 实验结果见图 8 。 0 。 0 - ＼ - * - 1 。 。0 0 m g ／ L ．＼ 榛 z} ． n{ ． 一__。 善 二 一 图 8 不 同浓度 生物酶 降解黄原胶效果 由图 8 可看出 ， 1 0 0 mg ／ L生物酶 4 8 h可将黄原 胶溶液黏度降至 5 ．6 3 m P a S ， 2 0 0 mg ／ L时需 2 4 h 可 将该胶体黏度降至 5 mP a S 以下， 3 0 0 mg ／ L时仅需 1 6 h即可将该胶体黏度降至5 m P a S 以下。 3 生物酶降解钻井液滤饼实验 选取辽河油田水平井钻井常用钻井液配方配制 实验用滤饼。实验方法和步骤为 在 A P I 滤失仪中 放入滤纸， 倒入钻井液， 在 7 9 0 k P a 压力下压滤 2 4 h 制得滤饼；取出滤饼， 在 1 1 5℃烘干衡重。从滤纸 上剥离滤饼 ， 称取计量滤饼， 放入圆底烧瓶中； 轻轻 2 0 石油钻采工艺 2 0 1 1 年 5月 第 3 3卷 第 3期 倒人生物酶溶 液 ， 在 1 2 0 下浸泡滤饼 2 4 h ；透过 瓶壁观察滤饼状态 ， 并将用生物酶泡过后 的滤饼倒 入预先恒重的砂芯漏斗中过滤， 用水冲刷瓶壁， 使所 有滤饼残渣进入砂芯漏斗中。抽干再用适量清水洗 涤 3遍 ；处理后 的滤饼连 同砂芯漏斗放入预设 1 l 5 烘箱 中烘干至恒重 ；验证酶 有无效果 ， 根据滤饼 浸泡后是否变薄或者变松散 ， 进一 步通过滤饼失重 程度判断。 实验结果表 明， 经过生 物酶洗井液浸 泡过 的钻 井液滤饼重量损失为 1 5 ％ ～ 1 6 ％， 大部分的高聚物滤 饼被降解。经过生物酶洗井液浸泡过 的滤饼变得松 软稀薄， 易于被清水冲洗， 说明生物酶制剂具有良好 的清除钻井液中聚合物滤饼的能力。 4 施工工艺与现场试验 4 ． 1 施工工艺 生物酶浸洗清除水平井钻井液污染技术现场施 工_T艺较为简单， 主要包括以下工序 1 按施工井 钻井液配方制备滤饼 ， 并进行生物酶浸泡室内实验 ， 评 价有机堵 塞破胶效 果并优选生 物酶加入 量等参 数 ； 2 按实验结果用清水和生物酶配制钻井液酶浸 洗液， 用量必须充满水平井段井筒并有适当的附加 量 ； 3 用水泥车将配制好 的钻井液酶浸洗液泵入水 平井 ， 接替泵入活性水 ， 保证钻井液酶浸洗液充满水 平井段 ； 4 浸泡 2 4 4 8 h后 ， 洗井 冲出钻井液滤液 ， 完成浸洗施工， 为提高效果可以继续泵入酸液解除 无机堵塞。 4 ． 2 现场试验 在辽河油田曙光采油厂杜 4 8 ． 杜平 l l 井进行了 生物酶浸泡清除钻井液污染现场试验。该井为新井 ， 投产不出 ， 使用生物酶 6 9 k g ， 泵人洗液 l 1 0 m ， 浸泡 4 8 h投产 ， 生产情况见 图 9 。 生产 时间， d 图 9 杜 4 8 ． 杜 平 1 1 井生物酶浸洗后 生产 曲线 该技术在辽河 油 田曙光采 油厂杜 8 4块 累计 实 施 5 井次 ， 平均 日增油 1 5 t ， 取得了较好 的应用效果 。 5 结论 1 优 选 的生物酶 对 于预胶化 淀粉 、 羧 甲基 纤 维素 、 聚丙烯酰胺 、 黄原胶 的降解效果明显 ， 生物酶 在 3 0 ～ 1 4 0℃范 围内有 良好 的破胶活性 ， 其最适温度 为 9 0 c I 。在最适温度时 ， 优选 的生物酶最佳用量 为 2 0 0 mg ／ L。 2 优选的生物酶对辽河油 田典型钻井液滤饼 的 降解实验表明， 生物酶制剂能够清除钻井液滤饼， 有 效降低由钻井液滤饼产生的伤害。 3 生物酶浸洗清除水平井钻井液污染技术现场 施工工艺简单 ， 操作方便 。现场试验表明该方法 有 明显 的钻井液解堵效果 ， 可 以进行扩大试验和推 广 应用。 参考文献 [ 1 ] 管保山， 刘静， 周晓群， 等 ． 长庆油气田压裂用生物酶破 胶技术及其应用 [ J ] ． 油田化学， 2 0 0 8 ， 2 5 2 1 2 6 1 2 9 ． [ 2] 李军等， 王潜， 孙 守国， 等 ． 百力士 1 6 0生物酶在压裂 液破胶 中的适应性研 究 [ J ]． 中外能源， 2 0 0 8 ， 1 3 5 6 7 ． 6 9 ． [ 3] 李希明， 陈勇， 谭云贤， 等 ． 生物破胶酶研究及应用[ J ] ． 石 油钻 采工艺 ， 2 0 0 6 ， 2 8 2 5 2 5 4 ． [ 4] 刘徐慧， 陈强， 陈馥， 等 ． 生物酶降解聚合物钻井液 [ J l 石化技 术与应 用， 2 0 0 8 ， 2 6 3 2 3 0 2 3 2 ． [ 5 ] 苏崇华 ． 生物酶解堵增产研 究与应用 [ J ] ． 石油钻采 工艺 ， 2 0 0 8 ， 3 0 5 9 6 1 0 0 ． [ 6 ] 杨倩云， 郭保雨 ． 生物酶可解堵钻井液降解动力学模型 研究 [ J ]． 钻井液与完井液， 2 0 0 7 ， 2 5 1 1 5 1 6 [ 7] 邹清腾， 王希友 ． 生物酶解堵技术的研究与应用 [ J]． 吐哈 油气 ． 2 0 0 7 ， 1 2 4 3 7 0 3 7 1 ． [ 8] 谢佃和， 赵汗青， 伍向阳， 等 ． 生物酶技术在的鄯善油田 应用 [ J ]． 新疆石油天然气， 2 0 0 7 ， 3 4 4 4 ． 4 7 ． 修 改稿 收到 日期2 0 1 1 - 0 4 ． 2 3 [ 编辑朱伟 ]