生物酶解堵技术在油气田增产中的应用现状及思考

奎智斌，赵晨光，张宝青，边 峰，丁文刚

（1.中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300450；2.中海石油（中国）有限公司蓬勃作业公司，天津 300459）

油气田开发进入中后期以后，油气井产能逐步降低。为保证油气田的持续上产、稳产的需要，有必要开展有效的增产技术措施，达到油气田高效开发的目的[1]。近年来，随着油气田开发规模的扩大和国家环保要求的提高，增产改造技术在油气田开发生产中同环境保护的矛盾日益突出[2]。为此，研究开发经济有效、环境友好的新型增产技术已愈来愈受到国内外学者的重视。生物酶解堵技术以其高效、环保的技术优势在油气田开发中得到了广泛应用[3，4]。经过大量室内实验研究及现场试验应用，国内外近十年已对生物酶解堵技术有不少研究。本文着眼于从生物酶解堵技术在油气田实际开发生产中应用范畴的角度进行介绍。

1 生物酶解堵技术的应用现状

1.1 解除出砂稠油井堵塞严重的问题

出砂稠油井原油黏度高，原油中重质组分易沉积，油流阻力较大，易造成近井地带储层渗透率大幅降低，加剧油井产量递减现象，已经成为目前困扰油气田开发的难题之一[5]。

生物酶稠油清洗剂首先吸附在含油固体混合物表面，然后附着于油的表面，通过催化反应，将吸附于岩石固体颗粒表面的石蜡及沥青质剥离下来，从而阻止了胶质、沥青质的聚合沉降，从而改善稠油的流动性[6，7]。酶分子附着在固体颗粒表面，使油分子无法再次附着于固体颗粒表面，岩石颗粒的润湿性被改变，储层岩石由油湿转为水湿，从而大幅降低油流阻力[8，9]。为解除蜡质、沥青质沉淀造成的射孔孔眼和地层出油通道堵塞等问题，国内外学者先后研究开发了一系列酶产品，主要有Apollo 酶、LS 生物酶、SUN-K500 生物酶等[10-14]。Apollo 酶由美国Apollo Separation Technology Inc 研究开发，先后在印尼、委内瑞拉等国家进行应用，2002 年首次在国内应用，措施后目标井累计增油1 636 t，效果显著[15-20]。LS 生物酶目前已在大庆油气田、大港油气田、中原油气田及印尼等进行了解堵试验，取得了明显的“增油降水”效果[21，22]。

1.2 解决高分子聚合物引起的储层伤害问题

在钻完井、聚合物驱、增产作业过程中，往往会造成聚合物伤害。由于聚合物自身降解难度大，形成的滤饼对储层导流能力及储层渗透能力影响较大，易造成目标井的产能大幅降低[23]。以往传统的处理手段大多是采用强氧化剂、强酸体系来充分降解及溶蚀滤饼中的高分子聚合物及固相颗粒[24，25]。这些处理方法虽然取得一定效果，但也存在以下问题：由于反应物类型多样，化学反应后易生成更为复杂的沉淀，进而造成储层二次伤害严重的问题；酸液还能够与地层中岩石矿物发生化学反应，破坏骨架结构；对生产套管不可避免的造成一定程度腐蚀。

用于钻完井、聚合物驱及增产作业的聚合物类型多样，主要有淀粉类、聚丙烯类、纤维素类、黄原胶等[26，27]。采用特定的一种生物酶能实现聚合物高效、快速降解，聚合物在与酶接触30 min 内降黏率可高达80%以上。但由于生物酶专一性的特点，只能针对特定的聚合物，为此现场实际中常采用多种特定酶的混合物来解除这些聚合物造成的污染[28]。为解决使用混合酶可能带来的储层二次伤害问题，Brannon 等研发出聚合物特异酶，主要通过攻击多糖主链来实现聚合物的完全降解。其使用温度介于60～140 ℃、pH 值介于3～11。聚合物特异酶在美国东部及南部油气田、中东地区的三口水平井进行了试验性应用，均取得一定的效果。

为解决常规生物酶只能在较低温度、偏中性环境下应用的问题，S.Cobianco 等研究开发了一种嗜热酶。该酶耐温性强，能在温度高达100 ℃的条件下实现硬葡聚糖、黄原胶及淀粉等充分降解，有效清除泥饼，且作业过程中对管柱等无腐蚀伤害。

1.3 解决非均质地层解堵效果不佳的问题

为解决生物酶在高渗透率地层中漏失量大，导致对非均质地层的作用效果不佳的问题，国内外学者进行了深入研究，并提出了一系列的新技术新思路，主要包括酶解堵技术与物理解堵技术、化学解堵技术相结合的新方法。

H.A.Nasr-El-Din 等提出了将生物酶解堵技术与化学转向技术相结合的方法，来实现地层堵塞物的有效清除。其中，生物酶解堵技术的主要作用是清洗储层原油及降解聚合物，化学转向技术则通过调节转向酸黏度使储层中大孔道或高渗透带进行暂堵，迫使工作液转向低渗透带，以达到对储层低渗透带和高渗透带的共同改造的目的。

为进一步提高储层解堵效果，尤其是解决多分支水平井采用单一酶解堵效率较低的问题，M.B.Al-Otaibi 等创新型提出将生物酶与物理方法相结合使用的方法。在Saudi Aramco 油气田碳酸岩储层一口三分支井进行了复合解堵技术的现场应用。具体方法是将生物酶解堵技术与水力割缝技术相结合使用，针对渗透率相对较小的主井采用特异酶清除表面的泥饼，针对渗透率相对较大的第一、第二分支井，考虑到采用酸溶蚀会促使该目标区域的渗透率进一步增大，因此采用水力割缝技术清除井眼中的泥饼。现场应用效果表明，酶与水力割缝技术结合使用后，具有很好的清除泥饼效果。

1.4 解决复合垢引起的储层堵塞问题

地层中的沉积垢通常是碳酸盐岩等无机垢，酸化是解除该类堵塞的有效方法之一。

纯酸化解堵不能较好解决储层复合堵塞难题，存在对含有胶质沥青质等重质有机物、黄原胶等高分子聚合物的复合垢处理效果不佳的问题。

为此，研究提出了采用生物酶与酸液体系相结合使用的新方法，即SEB（Specific Enzyme Breaker）法。该方法利用生物酶实现聚合物降解及有机垢清洗，且预防垢质沉积，同时采用强的无机酸溶解无机垢，在生物酶与酸液体系的协同作用下实现复合垢的完全清除。

针对强的无机酸液体系易导致工具腐蚀、原油乳化、储层酸敏、二次沉淀等问题，在此基础提出了SSSEB（Single Step Specific Enzyme Breaker）法。该方法利用有机酸体系抑制氟化钙、氟化镁等二次沉淀能力强的特点，采用有机酸体系来取代常规的无机酸液体系来清除无机垢，从而有效解决储层二次沉淀伤害、避免原油乳化严重及储层酸敏效应等不利影响。其中，西安石油大学陈军斌等针对地层复合堵塞问题而研制出的生物酶解堵液体系主要由2%～5%SUN-A10 生物酶解堵剂、1%氯化钾、0.02%消泡剂和94%～97%水混合制成。对于压裂防砂井，还需加入两份激活剂，再注入生物酶解堵液。该工艺现场作业流程简便，进行现场作业时提生产管柱，从油管注入工作液；非作业时，从套管注入工作液，然后关井一段时间，开井即可恢复正常生产。

考虑到常规碳酸盐岩储层酸化过程中，酸岩反应速度快，酸液穿透距离短，近井地带过度酸蚀，无法实现储层深部改造的问题，国内外学者进一步完善了酶-酸化解堵技术系列，主要集中在工作液体系配方的优化研究上。结合油气田实践，研究开发出一系列的新配方新体系，主要包括生物酶-缓速酸体系、生物酶-控释酸体系、多电离深部有机酸体系等。其中，赵静等针对碳酸盐岩储层深部复合堵塞问题，开发了一种生物控释酸体系，主要由生物酶与生酸前体复配而成。该体系在浓度为20%、温度90 ℃条件下反应4 h 后生成的氢离子相当于10%HCl 溶液产生的氢离子，对碳酸钙粉末的溶蚀率高达96%以上，且溶蚀过程具有速率慢、持续性强的特点。西安石油大学科研团队提出一种用于解决油气田复合堵塞物的工作液体系。该体系主要由5%生物酶SUN-W100、1%氯化钾、2%激活剂、0.02%～0.05%消泡剂组成，其中消泡剂为改性聚硅氧烷，激活剂为乙二胺四乙酸。该体系具有快速有效的清除聚合物和无机垢伤害，提高油气渗透率，能够疏通扩大渗流孔道，不会出现泡沫堵塞，能有效消除聚合物和无机垢堵塞，腐蚀速度小，具有不伤害地层岩石骨架，不产生二次沉淀，安全环保的优点。

在此基础上，HarrisRE 研究发现，酶-酸化解堵体系由于处于较低pH 值，能在反应波及范围内激活多种聚合物降解酶。而这些酶可彻底、有效地清除作业过程中钻井液、完井液及压井液不配伍导致沉淀而造成的储层伤害。故在酶-酸化体系中加入聚合物降解酶，能实现溶解碳酸盐岩类矿物、近井地带的高分子聚合物的有效清除，解除地层污染。

大连百奥泰科技有限公司针对高温深井地层污染问题，研发了一种耐温性强酶-酸化剂。该剂可在温度高达120 ℃条件下仍具有良好的生物活性，在48 h 内可实现深部酸化。该剂主要由作为中性前体的羟基有机酸酯类和有机酸酯水解酶组成。其中，酯类和酶类均对施工设备及管柱无腐蚀性。此剂注入储层后，在酶催化作用下，在地层高温条件下酯类仍能缓慢分解及释放有机酸，使工作液能扩散、渗透到油气井深部及储层裂缝，酸蚀半径可由常规的1～2 m 增至3～6 m，进一步增加酸蚀作用距离，提升措施效果[29]。

2 生物酶解堵技术的发展方向

最初生物酶解堵技术是为解决聚合物破胶的问题而应用于油气田开采中。以往增产措施常采用化学解堵技术来清除高分子聚合物、黏土、油垢等堵塞物，但存在对储层造成潜在性二次伤害的问题，因此国内外研究者提出使用专一性强、对环境无污染的生物酶解堵技术作为环保型解堵技术的新思路。生物酶解堵技术已被广泛认为是一种有效的、环保的增产增注措施。随着国家环保要求的不断提高，生物酶解堵技术将是今后增产增注技术系列的一大重点，特别是在我国海上油气田将会得到很好的应用与发展。

与其他化学解堵技术相比，生物酶解堵技术的优点体现在：（1）应用过程中不发生化学反应，为生化反应。反应结束时，生物酶的化学性质和数量无变化且分子结构不被破坏，因此酶可回收反复使用，运行费用极低；（2）安全稳定性好，对作业人员无伤害，对环境不造成污染；（3）对油气田管线、管柱无腐蚀；（4）工作液与地层流体配伍性良好，不会对储层造成二次污染。

结合目前生物酶解堵技术的应用现状，该技术主要存在以下三方面问题：（1）生物酶产品的耐盐、耐高温性能有待提高。酶的本质是蛋白质，具有蛋白质的特性，一旦外界环境达到其变性条件，酶的功能基团就会丧失活性。目前已应用于现场的酶产品的耐温性能普遍低于100 ℃，且对矿化度较为敏感，部分酶产品在矿化度为5 000 mg/L 以上出现盐析现象；（2）酶产品专一性强，对地层及原油有一定选择性；（3）酶产品成本较高，一定程度制约了酶技术推广及应用。由于油气田增产用酶产品一般需经过基因重组、菌种优选、标准化提纯等一系列程序，工业化生产酶产品所需费用相对昂贵。

纵观国内外对生物酶解堵技术研究，目前该技术主要集中在生物酶体系的配方变革上。从技术产品性能提升的角度出发，以研发出能适宜于更高矿化度及温度、更宽pH 值范围、更低成本的生物酶解堵剂为今后主要研究方向，以解决生物酶解堵技术对环境要求较高的难题；从该技术的发展方向来看，以开展生物酶解堵技术与其他类型的解堵技术相结合的研究与应用为主。

3 认识与建议

目前生物酶解堵技术普遍存在成本较高、对环境适应能力较差、应用范围较小、解堵效果有待进一步提升等问题，有必要结合海上油田的特点和要求，进一步完善生物酶解堵技术系列。

3.1 优化生物酶解堵增注技术

（1）进一步提升生物酶产品的耐盐、耐高温性能，以满足高温高压深井的应用条件，拓宽生物酶解堵技术的应用范围。针对高温高压深井及工作液体系的pH值较低的特点，可考虑研究适宜的生物酶和相适应的酶活力保护措施，如对生物酶进行胶囊化等，并配合适宜的施工工艺，以达到理想的增产效果。

（2）进一步降低生物酶产品成本。今后可尝试通过与其他药剂进行复配，进一步提高酶产品的性能，以降低其使用浓度。另一方面，可通过生物酶进行集约化、规模化生产，降低生产成本，以利于酶技术在油气田解堵作业中获得大规模推广应用。

3.2 开展复合型解堵增注技术的研究与应用

物理解堵技术主要以电脉冲技术、水力振荡增注、气体压裂、超声波增注等技术为主，存在解堵半径有限、施工工艺复杂、作用范围难以控制等弊端。化学解堵技术具有应用范围广、施工工艺简单、成本较低的优点，但存在对管柱腐蚀性强、处理半径小、解堵有效期短等问题，一定程度上制约其推广应用。开展生物酶解堵技术与物理解堵技术、化学解堵技术的组合应用，优势互补，形成复合型解堵技术，是进一步提高解堵效果的重要方法。