生物酶可解堵钻井液解堵机理研究.pdf

第 2 6卷 第 3期 2 0 0 9年 5月 钻 井 液与 完 井 液 DRI LLI NG FLUI D COM PLETI ON FLUI D Vo 1 ． 26 NO ． 3 M a y 2 0 0 9 文章编号 l O O l 一 5 6 2 0 2 0 0 9 0 3 一 o o 1 2 0 4 生物酶可解 堵钻 井液解堵机理研究 杨倩云 郭保 雨 沈 丽 袁丽 胜利 石油管理局钻井工程技术公司 ， 山东东营 摘要 生物酶 可解堵钻井液技术是利用现代生物技 术， 将具有绿色降解能力和催化特性 的复合 生物酶添加到 钻井液中， 使泥饼在生物酶的作用下 自动降解清 除， 从而达 到保护 油气层 的 目的。根据酶 与处 理剂之 间具有对应 关系、 特定 的酶 降解特定处理剂的原理 ， 用黏度衰减法优选 出了具 有 良好流 变性 、 抑制性和 润滑 性并能形成渗透率 几乎为零的封堵层 的钻 井完井液配方 ， 其处理剂 主要包含 纤维 素、 改性淀粉、 生物聚合 物处理 剂等， 同时介绍 了几 种酶对上述 几种处理 剂的降解机理 。采用黏度衰减法和泥饼 清除、 有 F A无渗透 钻井液滤失试验 对比 了评价钻 井 液加酶前后 的解堵情况 。结果表 明生物酶可解堵钻井液能够有效解 除储层封堵 ， 保护油 气层 。与常规解堵技术相 比， 该泥饼清除技术对环境的污染程度 更低 、 地层渗透 率恢复值更 高， 而且可以节约生产成本。 关键词 防止地 层损 害； 钻井完井液； 生物酶 ； 泥饼清 除； 黏度衰减 ； 解堵 机理 中图分类号 TE 2 5 4 ． 3 文献标识码 A 0 引 言 为 了解 除泥饼 对地 层 的污 染 ， 提高油 气井产 量 ， 一 般采用酸化、 氧化等化学方法清除泥饼 ， 有时也使 用机械 方法 如水 力 喷射 ， 或 者 综 合应 用 这 几种 方 法 来解堵 。但 酸化 法不 太 适 合 水平 井 ， 尤 其 是水 平 位 移大 的井 ， 因为这 需 要 大量 的酸 在碳 酸 盐 地层 形 成 气孔 ， 而泥饼 中的聚合物 会包裹 住碳 酸盐 颗粒 ， 降低 了酸 化 效 果 。研 究 表 明 ， 氧 化 法 L i O C 1 、Na O C 1 、 Na 。 S O 。 对 于 水 平 井 泥 饼 的 清 除效 果 也 不 显 著 。 而且 ， 酸化 和氧化 法 的化 学反 应非 常剧烈 ， 所采 用 的 化学试 剂不 具备 特效性 ， 它们 在清 除泥饼 的 同时 ， 也 会损 害钻井 管具 、 伤害地 层 流体 ， 从 而降低 了清 除泥 饼 的效果 。水力 喷 射 的效 果 取 决 于立 柱 距离 、 流体 速率 、 射流形 状 和喷射 工具传 动速 度 的共 同作 用 ， 主 要 由机 械物 理动 力决定 ， 消耗 的能 量 比较 大 ， 成 本较 高 。寻找 高效节 能环保 的解堵 方 式是现代 钻井 技术 的需求 方 向 j 。 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， 是一种生化催化剂， 其化学结构复杂 ， 分子 量在 1 1 0 。 ～ 1 1 0 之 间 ； 催 化 反 应 范 围宽 ， 比化学催化剂的催化反应多得多， 酶活力是非酶催 化 剂 的 1 1 0 倍 ； 完 全溶 于水 ， 能 降解 碳氢 化合 物 ， 将 它们转 化为二 氧 化 碳 和水 ； 能 快 速从 固体 粒子 表 面 把碳氢 化合 物附着 物剥离 ； 对 环境不会 造成 污染 ， 对 人体无 不 良影 响 ， 属 环保 产 品 。生 物酶 可 解堵 钻 井 液正是 利用 生物 的酶 降解 能力 和催 化特性来 清 除 泥 饼 。 1 生物 酶可解堵钻井液的特点 在 钻开 油 层前 几 十 米 ， 通 过 在 钻井 液 中加 入复 配 生物 酶制剂 和相 应 的 化学 试 剂 ， 可 在近 井 壁 形成 一 个渗透率几乎为零的护壁层 ， 达到稳定井壁的效 果 。钻进 结束 后 ， 护 壁 层 中的钻 井 液 材料 在 生 物酶 的催化作 用下 发生 生 物 降解 ， 由长 链 大分 子 变成 了 短 链小 分子 ， 黏度逐 渐下 降 ， 先前 形成 的泥饼 自动破 除 ， 储层 孔隙 中 的阻塞物 消除 ， 从 而解 除对储层 孔 隙 的封堵 ， 使得地 下 流体 通 道 畅 通 ， 恢 复油 层 渗 透率 ， 达 到超低 污染 、 低伤 害 、 保 护油气 层 的 目的[ 2 ] 。 2 生物 酶与处 理 剂 的作 用特 点 2 ． 1 钻 井液 组成 生物酶可解堵钻井液主要 由各类可生物降解处 理 剂 以及 生 物 酶 组 成 。 这 些 钻 井 液材 料 主 要 有 纤 基金项 目 中石化基金项 目 生物酶 可解堵钻井液体 系的研究 J P O 6 O O 7 。 第一作者简介 杨倩云 ， 工程 师， 1 9 7 8年生 ， 2 0 0 4年 硕士毕业于 中国地质大学 武汉 工 程学院地 质工程专业， 现在 主要从 事 泥浆工 艺研 究工作 。地 址 山东省 东营 市胜 利石 油 管理 局钻 井工 程技 术 公 司泥 浆工 艺研 究 所； 邮政 编 码 2 5 7 0 6 4 ； 电话 0 5 4 6 8 7 2 1 0 4 7； E ma i l y a n g q y u n s l o f ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6卷 第 3期 杨倩 云 等 生物酶 可 解堵钻 井液 解堵机 理研 究 1 3 维 素 、 淀粉 、 生 物聚合 物 、 野生植 物 胶 、 多糖 类 聚合 物 等 ， 可以起降滤失、 增黏、 降黏 、 稳定井壁和防塌等作 用_ 3 ] 。用 D O衰 减 法 筛 选 出满 足 要 求 的 主 要 处 理 剂 有 以 下 几 种 HV P AC、高 、中、低 黏C MC、 P AC 1 4 1 、 L D- 3 0 2 、 D F D - 1 4 0 、 天 然 高 分 子 包 被 剂 、 糖 类抑 制剂 、 屏 蔽 暂 堵 剂 、 X C。对 上 述 处 理 剂用 黏 度 衰减法 进行 再 次优 选 ， 最后 由纤 维 素 、 改性 淀 粉 、 生 物聚合物复配形成性能 良好 的体 系， 该体系不 仅具 备常规 钻井 液完 井 液 具 有 良好 的 流 变性 、 抑制 性 以 及润滑性， 还具备可生物降解性 。 2 ． 2 生物酶对处理剂的催化特点 生物 酶 与处 理 剂 的作 用 主 要 存 在 下 面 3种 方 式 。 1 钻井液处理剂 与生物酶结合 ， 在酶 的催化作 用下 ， 钻井液处理剂被氧化分解为简单 的低分子物 质 ， 同时 释放能量 。在 该过 程 中 ， 酶 分 子作 为一 种 催 化剂参 与反 应 ， 其 结构 及活 性不 发 生变 化 ， 相反 酶 在 氧化分 解 的同时 可利用 释放 的能 量 来完 成 自身 的新 陈代谢 ， 不 断进行 生长 繁殖 和 自我更新 。 2 钻井 液处 理 剂 与生 物 酶 的 特异 部 位 结 合 ， 引 起酶构型的暂时变化， 使酶活性受到抑制 ， 但随着时 间的增 加 ， 钻 井液 处 理 剂 可 以 毫 无 变 化地 脱 离 酶 分 子 ， 且 对 酶分子 不产 生任 何化学 损 伤 ， 酶仍 可 恢 复活 性 ， 进 行 正常 的生物 降解 过程 。 3 钻 井液处 理剂 与酶 的活 性 中心 部位 进 行不 可 逆 的相 互作 用 ， 从 而 改 变 了酶 的化 学 结 构 和 生 物 功 能 ， 引起酶 的化 学 伤 害 ， 而 且 这 种 伤 害很 难 恢 复 ， 使 酶 的催 化功 能受 到严 重 损 伤 ， 表 现 出 酶 的 活 性 不 可 恢 复 。 该 复合 生物 酶 与 钻 井 液 作用 后 ， 大部 分 活性 仍 保 留下来 ， 可 以 进入 下 次 循 环 使 用 。以下 针 对 生 物 酶可解 堵钻井 液 中构 成 主要 网架 结 构 的处 理 剂 ， 阐 述其 断链 降解 机理 。 2 ． 3 几种酶对钻井液处理剂的降解机理 一 种 特异 性 的 生 物 酶 并 不 能 降 解 所 有 的 处 理 剂， 酶与处理剂之间具有对应关系 ， 特定的酶降解特 定 的处 理剂 _ 5 ] 。 1 纤维素酶的降解机理。钻井液 中的纤维素主 要用作增黏剂 、 抑制剂 和降滤失剂 。纤 维素是一种 直链多糖聚合物 见图 1 ， 由 J3 1 ， 4 - D - 糖甙键将葡糖 基连接在一起 ， 可被 口 一 1 ， 4 一 I _ 糖 甙键 环 内水解酶有 效地 分 解 ， 生 成 约 8 O 的单 糖 和 2 0 的二 糖 ， 发 生 的化 学反 应是纤 维 素 中 一 1 ， 4 - D - 糖 甙键 的环 内水 解 反应 。加入的挂一 O 一 糖甙水解酶 如 一 【 I 糖甙葡萄糖 水解酶 ， 也叫纤维二糖酶 ， 可分解末端的非还原 D 一 葡萄糖 残余 ， 同时 释放 出 J3 一 D 一 葡 萄糖 而将 其 余 2 O ％的二糖 水解 为单 糖 。 ＼ o CH2 OH Ho CH2 OH CI- I 2 OH 图 1纤 维 素 的 结构 式 纤维 素也 可被 桥一 木 聚糖 酶和 挂一 木 聚糖 酶有 效 地 水 解 ， 这 是 因为木 糖 的 1 ， 4 J3 键 与 纤 维 素 中 的键 类 似 。所用 的酶混合 物 是 桥一 1 ， 4 一 J3 一 木 聚 糖 酶 和挂一 l ， 4 一 J3 一 木 糖甙 酶 也 叫木 糖二 糖酶 Xy l o b i s s e 或 2 一 木糖 甙 酶 。 2 淀粉 酶 的降解机 理 。钻井 液 中的淀 粉主 要用 作 降滤失 剂 ， 可 被 几 种 酶有 效地 水 解 。普 通 淀粉 是 直链淀粉 见图 2 和支链淀粉 2种聚合物的混合物。 直链 淀粉 为直链 1 ， 4 一 a D - 葡 聚 糖 。支链 淀 粉 为支 链 I _ 葡聚 糖 ， 大 部分 为 Q D - 1 ， 4 键 ， 约 4 为 a 一 1 3 - 1 ， 6 键 。最 广范 使用 的酶 是桥 a ～ O一 糖甙水 解 酶和挂 a o一 糖甙 水解 酶 ， 如 o 一 淀 粉酶 、 B 一 淀 粉 酶和 葡 萄糖 淀 粉 酶 也 叫挂一 1 ， 4 - a D 一 糖 甙酶 。桥 a O 一 糖甙 水解 酶 同 淀 粉 的反 应 ， 是 通 过 桥 解 含 3个 或 3个 以上 1 ， 4 一 a 一 键 连结 的 I I 葡萄 糖 多 糖 的 1 ， 4 一 一 D - 糖 甙 键 进行 的 。 挂一 a 一 糖甙 水解 酶对 淀 粉 有 特 效 ， 因 为它 们 水 解 多糖 上 的 1 ， 4 一 a D糖 甙 键 。通 过 挂一 a O 一 糖 甙 酶 的水 解 ， 导致 连续 将麦 芽糖 单元 从链 的非 还原 端除 去 。 ＼ 6 CH2 OH 图 2 直链淀 粉的结构式 3 解堵试验 3 ． 1 黏度衰减试验 以黏度 衰减 法 表观黏 度值 观 测 钻井 液 中加 入 不 同量 生 物 酶 前 后 黏 度 的 降 解 情 况 ， 结 果 见 表 1 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6卷 第 3 期 杨倩 云等 生物 酶 可解堵 钻 井液解 堵机理 研 究 1 5 后 ， 浸 泡 液 絮凝 分 层 ， 侵 入 砂 层 深 度 为 1 0 c m； 加 压 0 ． 5 MP a ， 浸 泡 液 瞬 时 渗 过 砂 层 ， 清 洗 砂 子 时 ， 泥 饼 较易脱 落 ， 无 结 块 现 象 ， 说 明 泥 饼 结 构 基 本 已被 破 坏 ， 但 浸泡 液降解 后处 理剂 残渣堵 塞 了砂床 孔 道 ； 用 1 配方 钻井 液 作浸 泡 液 浸 泡 1 2 0 h后 观测 ， 发 现 浸 泡液 絮凝分 层 ， 侵 入砂 层 深 度 仍 为 压 制 泥饼 时钻 井 液渗入 砂层 的深度 3 ． 5 c m ； 加 压 0 ． 7 MP a ， 砂 床 没 有明显 变化 ， 清洗 砂 子 时 ， 泥 饼 结 块 不 易 脱 落 ， 表 明 泥饼致 密 ， 其结 构 没有被 破坏 ， 可 见钻 井 液虽 然 能够 自动降解 ， 但 是 却 不 能 有 效 清 除 地 层 深 处 的 泥 饼 。 砂床漏失试验显示 ， 0 ． 4 复合酶溶液清除泥饼以及 砂层 孔道 内滤 液 的 效果 最 好 ， 在 不 加 压 纯 浸 泡 的情 况下 ， 4 h左右 复合 酶溶 液 全 渗 过砂 床 ， 其 次 是 基 浆 O ． 4 复合酶 ， 此 种 情 况 下 清 除 泥 饼 需 要 稍 加压 ， 体系 浆液 即能 全渗 透 砂 床 ； 而 清 水 和 基 浆 不 能 有 效 清除 泥饼 。 4 结 论 1 ．生 物酶 可 解 堵 钻 井 液 利 用 生 物 酶 的 绿 色 降 解 能力 和催化 特 性来 清 除 泥饼 ， 钻进 过 程 中能 够 达 到稳 定井 壁 的效果 ， 钻进 结束后 ， 泥饼 在生 物 酶 的作 用 下能够 自动 破 除 ， 该 解 堵 技 术超 低 污染 、 低 伤 害 ， 可节 约生 产成本 。 2 ．生物 酶 可解 堵 钻 井 液 处 理 剂 主 要 包 含 纤 维 素、 改性淀粉和生物聚合 物， 它们与生物酶结合后 ， 在酶 的作用 下断链 降解 ， 结 构破 碎 ， 黏度 下 降 。酶 与 处理剂之间具有对应关系 ， 特定 的酶降解特定的处 理 剂 。 3 ．通 过调 整处 理剂 和 生 物 酶 的种 类 及 配方 ， 可 以改变 生物 酶对 处 理 剂 的攻 击 速 度 ， 从 而 达 到控 制 钻 井液 降解 速度 的 目的 。 4 ．浸 泡在生 物酶 溶 液 中 的泥 饼 ， 在 酶 的作 用 下 能够 逐渐 破除 ， 而浸 泡 于清水 中 的泥 饼无 明显变 化 ， 可见 生物 酶能 够有效 清 除泥饼 。 5 ．清水和基浆不能清除泥饼 ， 而生物酶溶液不 仅 能 清除 泥饼 ， 还 能 清 除 渗透 到储 层 孔 道 内 的滤 液 残 留物 。 参 考 文 献 [ 1 ] A1 一 O t a i b i M B，Na s p E l Di n H A，S i d d i q u i M A ． W e l l b o r e c l e a n u p b y wa t e r j e t t i n g a n d s p e c i f i c e n z y me t r e a t me n t s i n mu l t i l a t e r a l we l l s[R] ． I ADC ／ S P E 87 20 6， 20 0 4 E 2 ] 杨倩 云， 郭保雨． 生物酶 可解 堵钻井液 动力学模型研究 [ J 3 ． 钻井液与完井液 ， 2 0 0 7 ， 2 4 1 1 5 1 6 E 3 ] L e s s l a y J W． B i o ma t e r i a l s [ M] ． 1 9 8 7 ， 8 3 3 1 I- 4 ] 徐德明 ， 岳登进． 国外钻井液 和完井液 用聚合物 [ J ] ． 钻 采工艺 ， 1 9 9 8 ， 2 1 1 6 1 6 5 [ 5 ] 李明志 ， 刘新 全 ， 汤 志胜． 聚合 物降解 产物 伤害与糖 甙 键特异酶破胶技术口] ． 油 田化学 ， 2 0 0 2 ， 1 9 1 8 9 9 2 [ 6 ] 王巧兰 ， 郭刚 ， 林 范学． 纤维 素酶研 究综述 [ J ] ． 湖北 农 业科 学 ， 2 0 0 4 3 1 4 - 1 8 收稿 日期 2 0 0 8 1 2 2 5 ； HGF 0 9 3 A1 ； 编辑 张炳 芹 上 接 第 1 1页 钻至井 深 5 9 3 3 m 井底 温度 达 2 3 3℃ ， 起 钻后 因钻机故障， 钻井液静 止时问长达 1 1 5 h ， 设备修理 好后， 仍然下钻顺利 ， 钻进正常。 完钻 后循 环起钻 测井 温 ， 第 一 次仪 器 下井 ， 测 得 井 温为 2 2 6℃ ， 钻井 液 静止 时间为 1 7 h ， 起 出仪器 检 查后 再次下 入井 底 ， 钻 井液 累积 静止 时 间为 2 4 h， 起 出后 实测井 温 为 2 3 6℃ 。 4 认 识 与 结论 1 ． 优选出的抗 2 2 0℃和 2 4 5。 C高温的水基钻井 液 ， 性能稳 定 ， 满足 了泌深 1 井 四开超 高 温井 段钻 井 施 工任务 。 2 ． 在 超高 温情况 下 ， 该 钻井 液 流变 性 能稳 定 、 润 滑性好 ， 具 有 良好 的岩 屑携 带和 悬 浮能 力 ， 摩 阻 系 数 低 ， 起下钻顺利 ， 无 阻卡， 无其它井下复杂情况发生 ； 具有 较强 的抑 制能 力 ， 四开井 段没 有外 排钻井 液 。 3 ． 井下虽有剥落掉块 ， 经过改善钻井液流变性 能及配 合工 程措 施 ， 剥落掉 块 问题 得 到有效 解 决 ， 没 有 造成 井下 复杂 情况 。 参 考 文 献 [ 1 ] 孙金 声 ， 杨泽 星． 超 高温 2 4 0 ℃ 水 基钻 井液体 系研 究 E J ] ． 钻 井液与完井液 ， 2 0 0 6 ， 2 3 1 1 5 1 8 [ 2 ] 赵全秀 ， 李伟平 ， 王 中文． 长深 5井 抗高 温钻井 液技术 E J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 0 7 ， 3 5 6 6 9 7 2 I- 3 ] 金胜 利 ， 王 东． 塔 深 1井钻 井 液技 术 [ J ] ． 石 油钻采 工 艺 ， 2 0 0 7 ， 2 9 2 8 3 8 6 [ 4 ] 杨 泽星 ， 孙金声． 高温 2 2 0℃ 高密度 2 ． 3 g ／ c m 。 水基 钻井液技术研究[ J ] ． 钻井液与完井液 ， 2 0 0 7 5 1 5 1 7 收稿 日期 2 0 0 9 0 1 - 0 5 ； HG F 0 9 0 3 N2 ； 编辑 王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m