松软煤层水平孔生物酶可解堵钻井液研究

曹立虎， 张遂安， 王 晶， 张 羽， 李 彪， 陈兴波

（1.中国石油大学（北京）煤层气研究中心，北京102249；2.中国石油大学（北京）气体能源开发与利用教育部工程研究中心，北京102249）

煤层气井下钻孔抽采已成为煤层气开发的主要模式［1－2］。松软煤层多表现为煤体松散、质软、硬度低、遇水膨胀等特性［3－4］，常规清水钻进和压风钻进极易导致孔壁垮塌、膨胀缩径、瓦斯突出等事故，严重影响了钻孔深度和成孔率，因此研发护壁钻井液技术具有重要意义。通常在钻井液中加入高分子聚合物，在孔壁表面形成致密封堵膜［4］，以保证护壁堵漏钻进。但聚合物泥饼不可避免对储层造成了伤害，因此在煤层气抽采前必须清除泥饼，常规办法是后期酸化和漂白剂氧化，但这些办法都是基于化学反应，容易生成沉淀物质，二次伤害储层［5］。为此，提出了生物酶可解堵钻井液技术，生物酶是利用现代生物技术开发的具有催化作用的蛋白质，其化学结构复杂，具有较强的酶降解能力和催化特性，能有效清除聚合物泥饼，并且不污染环境、对人体无不良影响，属环保型产品［6］。

1 钻井液基浆组成及工作原理

1.1 钻井液基浆组成

根据前人研究成果［7－9］，生物酶钻井液的基浆可由防膨剂和降滤失剂等组成。常用的防膨剂有KCl；降滤失剂主要为羧甲基纤维素（CMC）、聚阴离子纤维素（PAC）、羟乙基纤维素（HEC）和胍胶等高分子聚合物。钻进结束后，向钻井液中加入具有降解作用的生物酶，降解高分子聚合物，清除滤饼对储层的伤害，常用的生物酶有淀粉酶、纤维素酶和蛋白酶等。

1.2 钻井液工作原理

1.2.1 护壁原理 生物酶钻井液护壁效果由防膨剂和降滤失剂共同实现［7－9］。防膨剂可有效抑制黏土膨胀，使黏土保持稳定；高分子聚合物相互桥接，在孔壁形成渗透率极低的致密隔膜，阻止了钻井液中自由水的渗漏，具有强亲水基长链，易溶于水形成高黏度水溶液，增强孔壁表面松散煤粒间的胶接强度，起到加固孔壁的效果［10］。

1.2.2 解堵原理 生物酶的降解作用可使聚合物由长链大分子变成短链小分子［10－11］。钻进结束后，在生物酶的作用下，泥饼中的聚合物大分子由长链变成短链，黏度随之降低，泥饼也会自动逐渐消除，储层的渗透性得以恢复。F.J.Shell等［12］研究发现用特定的生物酶降解不同聚合物时效果非常理想，聚合物与酶接触20min后降黏率可以达到68%～84%［12－14］。

2 聚合物与生物酶匹配优选

2.1 实验过程

实验仪器：NDJ－1六速旋转黏度计、高速高频搅拌机、电子天平和烧杯等。

实验条件：实验温度为30℃。

实验方法：采用黏度衰减法对常用聚合物与生物酶进行匹配实验。实验所用聚合物为CMC、PAC、HEC和胍胶；选取6种生物酶，编号分别为X1、X2、X3、X4、X5和 X6。在相同浓度，将4种聚合物分别与不同生物酶混合，每隔一段时间后测试混合液的表观黏度，计算10min后的聚合物破胶率，计算公式为：

式中：η为破胶率，无因次；μ0为钻井液基浆原始表观黏度，mPa·s；μ10为钻井液基浆加入生物酶10 min后的表观黏度，mPa·s。

2.2 结果分析

通过24组聚合物和生物酶匹配实验，结果如图1和表1所示。

图1 不同生物酶降解聚合物对比Fig.1 The comparison of different enzyme degrading polymer

由图1和表1可知：

（1）降解CMC最快的是X6，10min破胶率59%，其次是X1，其它生物酶降解CMC缓慢，甚至无降解或增加CMC的黏度；

（2）6种生物酶对PAC－LV都有降解效果，最快的是X6，10min破胶率为57%，其次是X1、X3和X4，X2和X5降解PAC－LV速度较慢；

（3）只有X3对HEC有降解作用，10min破胶率仅为7%，其它5种生物酶降解HEC的速度较慢，甚至无降解或使HEC的黏度增加；

（4）X6对胍胶的降解速度最快，10min破胶率为38%，其次是X1和X4，X5降解胍胶速度较慢，X2与X3对胍胶几乎无降解作用。

因此不同聚合物所对应的最佳生物酶是不同的，这是因为聚合物化学分子存在差异，导致其降解机理不相同，也就需要不同类型的生物酶。

表1 10min后生物酶降解聚合物的破胶率Table1 Gel breaking rate of enzyme degrading polymer after 10 min %

3 生物酶钻井液解堵性能评价

根据聚合物与生物酶优选结果，优选出以下4组生物酶可解堵钻井液配方，如表2所示，通过滤饼清除测试和渗透率恢复实验鉴定4组钻井液性能。

表2 生物酶可解堵钻井液配方Table2 Enzyme biodegradable drilling fluid formulations

3.1 滤饼清除实验

在30℃条件下，对4组钻井液配方进行滤饼清除实验。每组配方用2份基浆进行实验，首先测得其中1份钻井液的黏度和滤失量，拍照记录滤饼特征，向另1份钻井液基浆中依配方加入适量的生物酶，待降解30min后，测其黏度和滤失量，拍照记录滤饼清除结果，实验结果如表3所示。

表3 泥饼清除实验结果Table3 Results of mud cake removing experiment

由表3可以看出，4组配方的μ、υP和pY适中，具有较好的流变性能，同时滤失量都很小；4组钻井液配方形成的滤饼都能够在添加解堵生物酶后1h内完全清除。通过如图2所示照片对比，4组钻井液配方中选取的生物酶解堵能力较强。

3.2 渗透率恢复实验

选取沁水盆地不同区块的松软煤样，用4组钻井液基浆伤害煤样，即在持续抽真空条件下，将煤样在钻井液中浸泡48h，测定经过钻井液伤害后煤样原始渗透率。在同样条件下，向钻井液中加入相应的生物酶，浸泡煤样，待生物酶解堵24h后，再次测定煤样的解堵渗透率，计算解堵率。解堵率计算公式为：

式中：ω为解堵率，无因次；K0为钻井液浸泡煤样原始渗透率，mD；K酶为钻井液基浆加入的解堵渗透率，mD。

图2 不同钻井液配方生物酶滤饼清除效果Fig.2 The filter cake removal impression drawing of enzyme of different drilling mud

钻井液渗透率恢复实验结果如表4所示。从表4中可以看出，配制的4组生物酶可解堵钻井液配方对煤样渗透率恢复效果较好，恢复率均80%左右，因此所配的4组生物酶可降解钻井液性能较好，在沁水盆地井下松软煤层钻孔具有较好的试验价值。

4 结论与建议

（1）生物酶钻井液基浆由防膨剂和降滤失剂等组成，防膨剂和降滤失剂的共同作用保证了护壁堵漏钻进；钻进结束后向钻井液中加入生物酶，其降解作用可使聚合物由长链大分子变成短链小分子，清除聚合物泥饼。

（2）不同聚合物对应不同的最佳生物酶。通过黏度衰减实验，优选出CMC钻井液的生物酶解堵剂为X1，PAC－LV钻井液的生物解堵剂为X6，HEC钻井液的生物解堵剂为X3，胍胶钻井液的生物解堵剂为X6，CMC钻井液和PAC－LV钻井液在生物酶作用下降黏效果最好。

（3）滤饼清除实验和渗透率恢复实验证明4组生物酶可解堵钻井液均能在钻井后清除泥饼，恢复储层渗透率，并对储层伤害率较小。

表4 钻井液渗透率恢复实验Table4 Permeability recovery experiment of four formulas

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