生物酶浸洗清除水平井鉆井液污染技術研究

2011-01-11 08:29:04湯琦陳艷徐樂劉影

石油鉆采工藝 2011年3期

湯琦陳艷徐樂劉影

（1.中國地質大學，北京 100083；2.遼河油田公司，遼寧盤錦 124010；3.長城鉆探工程有限公司測井公司，遼寧盤錦 124010）

近年來，水平井在油田開發中得到了越來越廣泛的應用。以遼河油田為例，水平井已從先導試驗階段和擴大試驗階段發展為規模應用階段，目前，已經累計完鉆各類水平井近800口。但是，由于鉆井周期較長導致鉆井液浸泡時間較長，水平井段較長導致鉆井液濾失面積較大，造成比較嚴重的鉆井液污染，很多水平井投產后效果不如預期效果理想。因此，如何有效清除水平井鉆井液污染成為提高水平井投產效果的關鍵技術難題。生物酶技術已經在油田廣泛應用，目前多應用于微生物采油和壓裂增產，本文主要研究利用生物酶解決水平井鉆井液污染的問題。

1 生物酶清除鉆井液污染作用機理

鉆井液中含有淀粉、羧甲基纖維素、聚丙烯酰胺、黃原膠等植物源或合成類聚合物成分，它們隨鉆井液濾液濾失到井壁周圍與黏土等固相顆粒形成濾餅，造成有機堵塞，依靠酸化手段很難清除。

近年來，生物酶技術在壓裂液破膠方面取得了一定的研究和試驗成果［1-3］，并已拓展到對鉆井液有機堵塞解除方面［4-8］。

本文優選了一種復合型生物酶，它在一定的溫度條件和較寬的pH值范圍內能快速將鉆井液中的植物源或合成類聚合物水解、降解成寡糖和二糖等小分子片段或有機物單體，從而有效地降解鉆井液中的聚合物，清除鉆井液污染。

2 室內實驗

2.1 降解淀粉

實驗儀器主要包括恒溫水浴鍋、機械攪拌器、毛細管黏度計、六轉速黏度計、玻璃棒、燒杯、廣口瓶、洗耳球和電子天平。實驗試劑主要包括預膠化淀粉和生物酶。

配制2%的預膠化淀粉溶液。將20 g淀粉均勻溶解于一定量水中，另取一部分水在水浴中加熱至接近沸騰，將淀粉溶液緩緩加入沸水中，邊攪拌邊加熱，至半透明狀態。淀粉溶液冷卻定容至1000 mL。

配制10份淀粉溶液與生物酶反應體系，其中，淀粉溶液體積均為100 mL，生物酶濃度均為100 mg/L，分別考查該體系在30~140 ℃的反應活性，實驗結果見圖1。

圖1 不同溫度下生物酶降解淀粉效果

由圖1可看出，以預膠化淀粉作為降解對象時，生物酶在30~140 ℃范圍內均有破膠活性，在90 ℃破膠活性最好，隨著溫度的升高或降低，生物酶的降解能力均有所下降。

同樣方法配制3份淀粉溶液和生物酶反應體系，其中，淀粉溶液體積均為100 mL，生物酶濃度分別為100 mg/L、200 mg/L和300 mg/L，考查生物酶活性最適溫度（即90 ℃）下，不同的生物酶濃度對降解淀粉效果的影響，實驗結果見圖2。

由圖2可以看出，在90 ℃時，生物酶加酶濃度越高，淀粉溶液黏度下降越快，1 h后，100 mg/L生物酶能將預膠化淀粉溶液黏度降至5.51 mPa·s，200 mg/L和300 mg/L生物酶均可將預膠化淀粉溶液黏度降至4 mPa·s以下。

圖2 90 ℃下不同濃度生物酶降解淀粉效果

2.2 生物酶降解纖維素

配制0.2%的羧甲基纖維素溶液。將2 g羧甲基纖維素均勻溶解于1000 mL水中，用機械攪拌器攪拌，邊加入邊攪拌，直至2 g羧甲基纖維素均勻混和。

配制10份羧甲基纖維素溶液與生物酶反應體系，其中，羧甲基纖維素溶液體積均為100 mL，生物酶濃度均為100 mg/L，分別考查該體系在30~140 ℃的反應活性，實驗結果見圖3。

圖3 不同溫度下生物酶降解羧甲基纖維素效果

由圖3可看出，以羧甲基纖維素為降解對象時，生物酶在30~140 ℃范圍內均有破膠活性，70~120 ℃活性相近，在90 ℃破膠活性最好。

同樣方法配制3份羧甲基纖維素溶液和生物酶反應體系，其中，羧甲基纖維素溶液體積均為100 mL，生物酶濃度分別為100 mg/L、200 mg/L和300 mg/L，考查在生物酶活性最適溫度（即90 ℃）下，不同的生物酶濃度對降解羧甲基纖維素效果的影響，實驗結果見圖4。

圖4 90 ℃下不同濃度生物酶降解羧甲基纖維素效果

由圖4可看出，在90 ℃時，不同濃度的生物酶對羧甲基纖維素的降解效果表明，增加酶濃度，可以加快對羧甲基纖維素的降解，300 mg/L生物酶在12 h即可將羧甲基纖維素溶液黏度降至5 mPa·s以下，200 mg/L生物酶需24 h，而100 mg/L生物酶則需32 h。

2.3 生物酶降解聚丙烯酰胺

配制0.6%的聚丙烯酰胺膠體。取1000 mL水，在機械攪拌情況下，加入6 g的聚丙烯酰胺，繼續攪拌直至成膠體。

配制10份聚丙烯酰胺溶液與生物酶反應體系，其中，聚丙烯酰胺溶液體積均為100 mL，生物酶濃度均為200 mg/L，分別考查該體系在30~140 ℃的反應活性，實驗結果見圖5。

圖5 不同溫度下生物酶降解聚丙烯酰胺效果

由圖5可看出，以聚丙烯酰胺為降解對象時，生物酶在90 ℃時對聚丙烯酰胺膠體的降解能力達到最好，在高于90 ℃時，其活性沒有明顯改變。

同樣方法配制3份聚丙烯酰胺溶液和生物酶反應體系，其中，聚丙烯酰胺溶液體積均為100 mL，生物酶濃度分別為100 mg/L、200 mg/L和300 mg/L，考查在生物酶活性最適溫度（即90 ℃），不同的生物酶濃度對降解聚丙烯酰胺效果的影響，實驗結果見圖6。

圖6 90 ℃下不同濃度生物酶降解聚丙烯酰胺效果

由圖6可看出，生物酶濃度在低于200 mg/L時對聚丙烯酰胺的降解速度比較緩慢，100 mg/L生物酶將聚丙烯酰胺膠體黏度降至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即可將聚丙烯酰胺膠體降至5.6 mPa·s。

2.4 生物酶降解黃原膠

配制0.4%的黃原膠膠體。取1000 mL水，在機械攪拌情況下，加入4 g黃原膠，將該黃原膠溶液放入60 ℃水浴中溶脹4 h。

配制10份黃原膠溶液與生物酶反應體系，其中，黃原膠溶液體積均為100 mL，生物酶濃度均為200 mg/L，分別考查該體系在30~140 ℃的反應活性，實驗結果見圖7。

圖7 不同溫度下生物酶降解黃原膠效果

由圖7可看出，生物酶在90 ℃時對黃原膠膠體的降解能力達到最好，高于90 ℃時，其降解效果沒有明顯改變。

同樣方法配制3份黃原膠溶液和生物酶反應體系，其中，黃原膠溶液體積均為100 mL，生物酶濃度分別為100 mg/L、200 mg/L和300 mg/L，考查在生物酶活性最適溫度（即90 ℃），不同的生物酶濃度對降解黃原膠效果的影響，實驗結果見圖8。

圖8 不同濃度生物酶降解黃原膠效果

由圖8可看出，100 mg/L生物酶48 h可將黃原膠溶液黏度降至5.63 mPa·s，200 mg/L時需24 h可將該膠體黏度降至5 mPa·s以下，300 mg/L 時僅需16 h即可將該膠體黏度降至5 mPa·s以下。

3 生物酶降解鉆井液濾餅實驗

選取遼河油田水平井鉆井常用鉆井液配方配制實驗用濾餅。實驗方法和步驟為：在API濾失儀中放入濾紙，倒入鉆井液，在790 kPa壓力下壓濾24 h制得濾餅；取出濾餅，在115 ℃烘干衡重。從濾紙上剝離濾餅，稱取計量濾餅，放入圓底燒瓶中；輕輕倒入生物酶溶液，在120 ℃下浸泡濾餅24 h；透過瓶壁觀察濾餅狀態，并將用生物酶泡過后的濾餅倒入預先恒重的砂芯漏斗中過濾，用水沖刷瓶壁，使所有濾餅殘渣進入砂芯漏斗中。抽干再用適量清水洗滌3遍；處理后的濾餅連同砂芯漏斗放入預設115℃烘箱中烘干至恒重；驗證酶有無效果，根據濾餅浸泡后是否變薄或者變松散，進一步通過濾餅失重程度判斷。

實驗結果表明，經過生物酶洗井液浸泡過的鉆井液濾餅重量損失為15%~16%，大部分的高聚物濾餅被降解。經過生物酶洗井液浸泡過的濾餅變得松軟稀薄，易于被清水沖洗，說明生物酶制劑具有良好的清除鉆井液中聚合物濾餅的能力。

4 施工工藝與現場試驗

4.1 施工工藝

生物酶浸洗清除水平井鉆井液污染技術現場施工工藝較為簡單，主要包括以下工序：（1）按施工井鉆井液配方制備濾餅，并進行生物酶浸泡室內實驗，評價有機堵塞破膠效果并優選生物酶加入量等參數；（2）按實驗結果用清水和生物酶配制鉆井液酶浸洗液，用量必須充滿水平井段井筒并有適當的附加量；（3）用水泥車將配制好的鉆井液酶浸洗液泵入水平井，接替泵入活性水，保證鉆井液酶浸洗液充滿水平井段；（4）浸泡24~48 h后，洗井沖出鉆井液濾液，完成浸洗施工，為提高效果可以繼續泵入酸液解除無機堵塞。