生物酶浸洗清除水平井钻井液污染技术研究

2011-01-11汤琦陈艳徐乐刘影

石油钻采工艺 2011年3期

汤琦陈艳徐乐刘影

（1.中国地质大学，北京 100083；2.辽河油田公司，辽宁盘锦 124010；3.长城钻探工程有限公司测井公司，辽宁盘锦 124010）

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800口。但是，由于钻井周期较长导致钻井液浸泡时间较长，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固相颗粒形成滤饼，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一定的研究和试验成果［1-3］，并已拓展到对钻井液有机堵塞解除方面［4-8］。

本文优选了一种复合型生物酶，它在一定的温度条件和较宽的pH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子片段或有机物单体，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、毛细管黏度计、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生物酶。

配制2%的预胶化淀粉溶液。将20 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1000 mL。

配制10份淀粉溶液与生物酶反应体系，其中，淀粉溶液体积均为100 mL，生物酶浓度均为100 mg/L，分别考查该体系在30~140 ℃的反应活性，实验结果见图1。

图1 不同温度下生物酶降解淀粉效果

由图1可看出，以预胶化淀粉作为降解对象时，生物酶在30~140 ℃范围内均有破胶活性，在90 ℃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100 mL，生物酶浓度分别为100 mg/L、200 mg/L和300 mg/L，考查生物酶活性最适温度（即90 ℃）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。

由图2可以看出，在90 ℃时，生物酶加酶浓度越高，淀粉溶液黏度下降越快，1 h后，100 mg/L生物酶能将预胶化淀粉溶液黏度降至5.51 mPa·s，200 mg/L和300 mg/L生物酶均可将预胶化淀粉溶液黏度降至4 mPa·s以下。

图2 90 ℃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1000 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10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100 mL，生物酶浓度均为100 mg/L，分别考查该体系在30~140 ℃的反应活性，实验结果见图3。

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30~140 ℃范围内均有破胶活性，70~120 ℃活性相近，在90 ℃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100 mL，生物酶浓度分别为100 mg/L、200 mg/L和300 mg/L，考查在生物酶活性最适温度（即90 ℃）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。

图4 90 ℃下不同浓度生物酶降解羧甲基纤维素效果

由图4可看出，在90 ℃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，300 mg/L生物酶在12 h即可将羧甲基纤维素溶液黏度降至5 mPa·s以下，200 mg/L生物酶需24 h，而100 mg/L生物酶则需32 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1000 mL水，在机械搅拌情况下，加入6 g的聚丙烯酰胺，继续搅拌直至成胶体。

配制10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100 mL，生物酶浓度均为200 mg/L，分别考查该体系在30~140 ℃的反应活性，实验结果见图5。

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90 ℃时对聚丙烯酰胺胶体的降解能力达到最好，在高于90 ℃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100 mL，生物酶浓度分别为100 mg/L、200 mg/L和300 mg/L，考查在生物酶活性最适温度（即90 ℃），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。

图6 90 ℃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200 mg/L时对聚丙烯酰胺的降解速度比较缓慢，100 mg/L生物酶将聚丙烯酰胺胶体黏度降至5 mPa·s以下需48 h，200 mg/L生物酶需32 h，300 mg/L生物酶16 h即可将聚丙烯酰胺胶体降至5.6 mPa·s。

2.4 生物酶降解黄原胶

配制0.4%的黄原胶胶体。取1000 mL水，在机械搅拌情况下，加入4 g黄原胶，将该黄原胶溶液放入60 ℃水浴中溶胀4 h。

配制10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100 mL，生物酶浓度均为200 mg/L，分别考查该体系在30~140 ℃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90 ℃时对黄原胶胶体的降解能力达到最好，高于90 ℃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100 mL，生物酶浓度分别为100 mg/L、200 mg/L和300 mg/L，考查在生物酶活性最适温度（即90 ℃），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。

图8 不同浓度生物酶降解黄原胶效果

由图8可看出，100 mg/L生物酶48 h可将黄原胶溶液黏度降至5.63 mPa·s，200 mg/L时需24 h可将该胶体黏度降至5 mPa·s以下，300 mg/L 时仅需16 h即可将该胶体黏度降至5 mPa·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API滤失仪中放入滤纸，倒入钻井液，在790 kPa压力下压滤24 h制得滤饼；取出滤饼，在115 ℃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；轻轻倒入生物酶溶液，在120 ℃下浸泡滤饼24 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115℃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15%~16%，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工艺较为简单，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24~48 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。