生物酶可降解钻井液降解效果评价方法.pdf

第 2 9卷 第 3期 2 0 1 2年5月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D ＆ COM PLETI oN FLUI D V_ol _ 29 NO． 3 M a y 2 01 2 【 理论研究与应用技术 】 生物酶可降解钻井液降解效果评价方法 刘浩， 蔡记华， 肖长波 中国地质大学 武汉 工程学院，武汉 刘浩等 ． 生物酶可降解钻井液降解效果评价方法 【 J J ． 钻井液与完井液 ，2 0 1 2 ，2 9 3 7 4 ． 7 7 ． 摘要 生物酶可降解钻井液通过在钻进过程中对储层实现有效封堵、钻进完成后又可 自动降解的原理，可对 油气结层起到有效的保护作用。以实验数据为基础，以与实际生产的接近程度为标准，总结了生物酶可降解钻井 液降解效果的6种评价方法，即黏度衰减法、泥饼清除法、渗透率恢复测定法、还原糖测定法、二氧化碳排放测 定法、溶解氧测定法。结果表明，渗透率恢复测定法评价效果最有效，还原糖测定法、二氧化碳排量测定法测试 过程太过繁琐、不适于现场实施，溶解氧测定法不适于评价生物酶对可降解钻井液的降解效果评价。 关键 词 钻井液 ； 生物酶 ； 渗透率 ；降解效果 ； 评价 方法 中图分类号 T E 2 5 4 ． 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 2 0 3 ． 0 0 7 4 ． 0 4 生物酶是生物分泌的一种特殊大分子蛋 白质 ， 分子量分布在 1 1 0 ～1 1 0 之间。生物酶作为一 种催化剂，具有专一性、高效性等特征 [1 -2 ] o关于 生物酶对可降解钻井液降解效果的评价 目前主要有 2种方法 [3 -4 1 一是黏度衰减法，即在主要组成为高 分子生 物聚合物的钻井液 中加入一定量 的生物酶， 经过一段时间后测定表观黏度降低率来衡量生物酶 的降解效果 ； 另一种是岩心渗透率恢复测定法，即 通过测定在生物酶处理前后岩心渗透率的变化来进 行评价。 在 已有研究数据的基础上并结合相关资料 ， 总结了当前评价生物酶可降解钻井液降解效果的 6 种方法 ，并 以与实际生产中的接近程度为标准 ，对 各方法进行了对 比和评价。 1 生物酶可降解钻井液的降解原理 生物酶可降解钻井液主要由各类可生物降解的 处理剂及生物酶组成 ，包括生物聚合物、淀粉 、纤 维素、野生植物胶、多糖类聚合物等，其在钻井液 中的作用主要包括降滤失、增黏、稳定井壁等。这 类处理剂在钻井液中可形成空间网架结构 ，而生物 酶可使骨架结构发生断裂 ，导致聚合物相对分子质 量降低，并使黏度降低 ～ 1 。以半乳甘露聚糖特异 复合酶降解瓜尔胶为例进行说明 ，见图 1 。 图 1 瓜二胶糖键特异酶对瓜尔胶的降解机理 瓜尔胶属于半乳甘露聚糖类，其分子结构的主 链是以 ． 1 ， 4 糖苷键相连的甘露聚糖 ， 支链是以 - 1 ， 6 糖苷键连接 的半乳聚糖。半乳聚糖沿甘露聚糖主 基 金项 目 国家 自然科学基金项 目 4 0 8 0 2 0 3 1 、4 1 0 7 2 1 1 1 o 第一作者简介 刘浩，在读硕士研究生，现在主要从事煤层气钻井方面的研究工作。地址 湖北省武汉市洪山区鲁磨 路 3 8 8号中国地质大学 1 2 0 0 9 1 2班 ；邮政编码 4 3 0 0 7 4；电话 1 3 2 7 7 0 7 5 7 8 9； E ma i l 4 9 3 6 7 1 8 7 3 q q ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷 第 3 期 刘浩等生物酶可降解钻井液降解效果评价方法 7 5 链随机分布 ，2 者之 比约为 l 2 。 半乳甘露 聚糖 特异复合 酶可水解半乳 甘露聚 糖 ，由 2种 O键水解 酶组合而成。第 1 种 O键水 解酶是 o c 一 半乳糖甙酶 蜜二糖酶 ，专 门作用于半 乳糖取代基，可用来水解末端的非还原性 一 D半乳 糖甙键。第 2 种0键水解酶作用于甘露糖主链，这 种水解酶被称作 一 1 ，4 一 甘露聚糖环内水解酶，可 随机水解 一 1 ，4 一 D甘露糖甙键。降解生成的半乳 糖和甘露糖均属单糖，与葡萄糖互为同类异构体。 2 可降解钻井 液的评价 方法 2 ． 1 黏度衰减法 黏度衰减法主要是根据可降解钻井液中的高分 子量聚合物在生物酶作用下，其分子结构随着时间 的增长逐渐发生分解 ，由大变小 ，直至完全破碎 ， 同时在降解过程中钻井液的黏度会逐渐变小。 因此， 可以通过可降解钻井液在生物酶的作用下其黏度的 变化情况来评价可降解钻井液的降解情况。 将 1 g ／ 1 0 0 0 mL的 J B R生物酶加入到 4 0 0 mL、 1 ％ 的羟丙基瓜尔胶溶液 中进行降解测试 ，结果见 图2 。由图 2 可知，瓜尔胶溶液在 J B R生物酶的作 用下逐渐降解， 在第 2 h内破胶率即达到 6 5 ％以上； 结合 图 4可以看出，后期黏度下降缓慢 ，直至到 6 5 h时， 删才降至 2 m P a S ，与清水相当， 。因此， 在 6 5 h时 ， 黏度衰减法才能确定降解过程基本结束。 1 3 5 1 2 O 1 0 5 9 0 7 5 6 0 4 5 3 0 1 5 9 0 7 5 6 0 4 5槲 3 0 慧 1 5 0 图 2 可降解钻井液黏度及破胶率随时间的变化情况 2 ． 2 泥饼 清除法 泥饼清除法是用生物酶溶液浸泡可降解钻井液 制得 的泥饼 ，通过测试不 同破胶时间泥饼 的滤失量 来评价生物酶对泥饼的降解效果 【 8 ] 。 首先用 Z NS滤失量测试仪对 1 ％ 羟丙基瓜尔胶 溶液进行滤失实验 ； 然后将得到的泥饼在 1 g ／ 1 0 0 0 mL的 J B R生物酶溶液 中浸泡 ； 分别在不同时间取 出泥 饼 ，放 人 到 Z NS滤失 量测试 仪 的盛浆筒 中， 倒入 3 5 0 mL清水 ，常压下测试其在 9 0 S的滤失量 ； 测试到连续 3次滤失量不再明显增大为止。 浸泡前泥饼表面有一层水膜 ，该层水膜的形成 主要是瓜尔胶分子形成空间网状结构 的同时 ，还吸 附大量水分子。如 图 3所示 ，t -- -- 0时泥饼滤失量为 1 mL，表明该泥饼附着在井壁时，可阻止钻井液对 地层 的渗透 。1 0 h时 ，破胶率已达到 8 5 ％，但此时 滤失量仅为最大滤失量的4 1 ％，说明并不能依据前 期的黏度衰减来判断渗透率的恢复效果 。随着浸泡 时问的增长 ，静滤失量达极大值并趋于稳定 约 2 5 m L ，表明生物酶对泥饼降解基本完成，图 3 b 可看出泥饼基本 “ 消失 ” 。该过程也表 明，附着在 井壁上的泥饼在降解完成后，可恢复产层渗透率。 一 a 酸液浸泡前 0 h b 酸液浸泡后 8 0 h 图 3 I B R生物酶浸泡前后 的泥饼图 1 4 0 1 20 1 0 0 8 O 6 0 40 20 0 图4 泥饼常压 9 0 S 静滤失量 由图4 可知，降解完成后的泥饼静滤失量 2 5 m L 仍低于空白滤纸的静滤失量 4 5 m L ，渗透率 恢复率仍低于 6 0 ％。其原因可能为降解所得残渣以 及固态颗粒的生物酶仍附着在滤纸上，使得渗透率 恢复率降低。图 4中在 6 0 h的后期 ，静滤失量与黏 度衰减的变化趋势一致 ，即黏度衰减达到最低值并 趋于稳定时，滤失量也存在这种趋势。因此 ，泥饼 清除法和黏度衰减法在降解后期存在一定关联性。 由上述分析可知 ，泥饼清除法较为真实地模拟 了井壁泥饼的清除情况 ，该方法操作也较为简单。 2 ． 3 岩心渗透率恢复测定法 在可降解钻井液 的生物酶降解过程 中，通过测 试不同时间点的岩心渗透率并作出大小的比较 ，是 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 6 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 2年5月 一 种有效的评价方法。 目前常用的岩心渗透率测试 仪器为岩心流动试验仪。图 5中表示出了3 种可降 解钻井液添加剂在生物酶作用下的降解效果 。 3 5 0 3 0 0 1 0 o 5 O O - 一 0 ． 4 ％雷鹏 3 滴瓜尔胶酶 一0 ． 4 ％C MC 0 ．5 g 复合酶 一 0 ． 4 ％瓜尔胶 3 滴瓜尔胶酶 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 t ／ mi n 图 5 酶降解作用下的渗流量恢复曲线 从图 5 可知，渗流量的变化可分为 3 个阶段 ①漏失阶段 此阶段岩心孔 隙还没有堵住 ，所以驱 替液可以快速通过岩心、 该阶段持续时间约 l 0 ～2 0 mi n； ②堵漏阶段 此阶段岩心孔隙被堵住，驱替 液只能少量通过甚至不能通过 、该阶段持续时间约 4 O ～5 0 mi n； ③解堵 阶段 8 0 mi n后 ，堵漏材料逐 渐被降解 ，岩心孔 隙重新被打开 ，驱替液恢复流通。 因此，可以通过解堵后驱替液渗流量的增长 速度来判断生物酶的降解效果。另外，通过对比， C MC 复合酶解堵效果明显不如其他 2 者，原因可 能来 自2 个方面 一是复合酶对 C MC降解能力相 对较差 ； 二是复合酶在驱替液中呈颗粒状分布，且 这些颗粒不会降解，因此他们可能会堵塞岩心孔隙。 黏度衰减法测试表明，复合酶对 C MC具有很好 的 降解效果，3 h破胶率 即可在 7 0 ％ 以上。据此推断 解堵效果不 明显的原因是 固态生物酶堵塞岩心孔隙， 这与泥饼清除法中的结论是吻合的。因此，液态生 物酶较固态生物酶具有更好的渗透率恢复效果。 黏度衰减法在对 固态和液态酶的降解进行评价 时，降解效果的区别并不明显，说明黏度衰减法具 有一定的片面性，而渗透孥恢复测定法设定条件与 现场情况接近 ，故评价效果更为有效 。 2 ． 4 还原糖测定法 还原糖测定法 又称 DNS比色法。通过测定溶 液中还原性糖的含量，从而判定生物酶对可降解钻 井液 的降解效果。其基本原理是 3 ，5 ． 二硝基水 杨酸 DNS 在碱性条件下被还原糖还原为棕红色的 3 一 氨基 ． 5 ． 硝基水杨酸。在一定 范围内，还原糖 的 量与棕红色物质颜色 的深浅成正 比关系 ，因此可利 用分光光度计测定试样在一定波长条件下 的吸光度 值就可以计算出溶液中还原糖的含量。 为了计算出溶液中还原性糖 的含量 ，首先利用 几组已知浓度的葡萄糖溶液测定其吸光光度值 ，并 绘制吸光度值 ． 还原糖浓度的标定曲线，如图6 所 示。图 7是运用 D NS测定方法测试 0 ． 5 g J B R生物 酶降解 1 ％ 的瓜尔胶的还原糖 ． 吸光度值的关系图。 迥 求 葡萄糖 浓度／ rag ／ mE 图6 标定曲线图 图 7 用 D NS 法测得的还原糖 一 吸光值关系曲线 由图7 可知，可降解钻井液随着降解时间的 增长， 分光光度值逐渐增大，表明钻井液中的葡萄 糖浓度逐 渐增大 ； 钻井 液测试初始分 光光度值 为 0 ． 0 5 6 ，根据图 6中的葡萄糖浓度与分光光度值之间 的线性关系，可计算出初始葡萄糖浓度约为 0 ．0 0 5 mg ／ mL，说 明瓜尔胶在被生物酶降解前就已存在葡 萄糖 ， 推断其可能来 自于环境中存在的微生物的降 解作用 ，该数值 的计算也说明 D NS法具有很 高的 精确性 ； 图 1中的黏度 衰减基本在 2 h内完成 6 0 ％ 以上，但在同种配方及降解条件下，葡萄糖浓度在 前期增长并不显著，说 明钻井液降解生成葡萄糖的 量在不同阶段并不一致 。 D NS 测试方法理论上分析分光光度值 应是 逐渐增大 ， 但图 7中 8 h的 值大于 9 、 1 0 h的 值 ， 说明分光光度法评价钻井液的降解存在一定的误 差，原因可能是 D N S 法测试过程较复杂，显示剂 的微量性导致其在量取过程中的准确性较难保证。 2 ． 5 二氧化碳排量测定法 生物酶可将钻井液中的易降解添加剂最终分解 为水和 C O 。因此，利用密闭条件下内置 C O 传感 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷 第 3期 刘浩等 生物酶可降解钻井液降解效果评价方法 7 7 器测量降解过程中产生 C O 的量，即可判断可降 解钻井液的降解情况。在某密闭容器中以 l ％的瓜 尔胶 3滴瓜尔胶酶为配方 ，所测得 降解过程 中的 C O ， 浓度值如图 8 所示 。如图 8所示 ，前 1 5 h测试 到的 C O ， 浓 度低 于 0 ． 1 mg ／ L且 变化较 小 ； 1 5 h后 C O ， 浓度逐渐升高。数据说 明 钻井液降解前期并 不生成或者生成极微量的 C O ，大量 C O 的产生是 在后期完成的。推测原因可能是 ，第一阶段聚合物 分子链发生断裂 ，转变成小分子物质 ，此时并不生 成 C O ， ； 第二阶段生物酶继续对小分子物质进行降 解 ，降解产物为水和 C O ，C O 大量生成。 蠖 0 t ／ h 图 8 可降解钻井液降解过程中 C O 浓度测试值 C O ， 排量测试法较简单 ，但对装置的密封性要 求较高 ，在现场应用困难较大。后期若 C O ， 浓度基 本不再增长 ，则可判断钻井液基本降解完成。 2 ． 6 溶解氧测试法 杨倩云等 口 用溶解氧测定法 DO测定法 评 价生物可降解钻井液的降解情况。如图 9所示 ，可 降解钻井液在生物酶 降解过程中，黏度迅速下 降， 但耗氧量仅在前 1 h内增加 明显 ，后期并未随黏度 的迅速衰减而明显增长 。分析认为 ，生物降解钻井 液的降解来 自于 2方面的作用 一方面是生物酶 的 降解作用 ，另一方面是环境 中微生物的降解作用。 前者 的降解效果是缓慢而长期的，而后者则是迅速 的。 溶解氧测定法所监测的则是微生物的降解作用。 6 5 6 O 5 5 毫 5 O 4 5 4 0 35 3 0 枷 图9 降解过程中的 D O及黏度衰减 因此 ，若评价生物酶对钻井液 的降解效果 ，该 方法 明显不适用。 3 结论 1 ．黏度衰减法 具有一 定 的片 面性 ，在 前期 ， 黏度的迅速下降并不直接表明该时刻渗透率得到了 极大程度的恢复 ； 降解后期 ，黏度衰减法和泥饼清 除法有一定的关联性 ，即可依据测试数据趋于稳定 来推断降解的完成 。因此 ， 二者可在现场结合使用 。 2 ．渗透率恢复测定法与实际条件更为接近， 评价效果最有效。降解残渣 和固态 的生物酶会影响 渗透率的恢复。因此，在降解效果接近的情况下， 实际生产中应优先选择液态生物酶。 3 ．还原糖测定法’ 贝 4 试数据精确性很高 ，但步 骤繁琐 ，使用仪器较多。另外显色剂微量加入 ，容 易导致数据出现误差。 二氧化碳测定法精确性很 高， 但对仪器的密封性具有很高的要求。因此，D NS 法 和二氧化碳测定法均不适合在现场应用。 4 ．微生物和生物酶都可对可降解钻井液进行 降解。微生物的降解作用是低效且长期的，生物酶 则是高效的。溶解氧法适合评价微生物对可降解钻 井液的降解作用， 但不适合评价生物酶的降解作用。 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 参 考 文 献 李颖颖，徐同台，王海 良，等，水平井及多分支井 钻井液滤饼的生物酶清除技术 [ J ] ，钻井液与完井液 ， 2 0 1 0 ，2 7 2 7 4 ． 7 7 ． 杨倩云，郭保雨 ． 生物酶可解堵钻井液生物降解评价方 法探讨 [ J ] ，钻井液与完井液，2 0 0 9 ，2 6 2 6 5 6 8 ． R o b e r t T j o n ，H D Br a n n o n ． Re me d i a l t r e a t me n t f o r p o l y m e r i c d a m a g e r e m o va l p r o v i d e s i mp r o v e d we l l p r o d u c t i v i t y [ C 】 ． S P E 2 5 2 1 4 ，1 9 9 3 ． W i l l i a m D W o o d ． Ut i l i z a t i o n o f p o l y me r l i n k a g e s p e c i fic e n z y m e s t o d e g r a d e HEC p o l y m e r i n wa t e r b a s e d d r i l l i n g a n d g r a v e l p a c k i n g fl u i d s [ C ] ．S P E 3 5 5 9 4 ，1 9 9 6 ． Longe r o n D G ， Sal e h N． Exper i m e nt al Appr oa c h t o Ch a r a c t e r i z e Dr i l l i n g M u d I n v a s i o n，F o r m a t i o n Da m a g e a n d Cl e a n u p E ffi c i e n c y i n Ho r i z o n t a l W e l l s wi t h Op e n h o l e C o mp l e t i o n s [ C ] ．S P E 5 8 7 3 7 ，2 0 0 0 2 - 6 ． 蔡记华 ，乌效鸣，潘献义，等，暂堵型钻井液的试验 研究 [ 地质科技情报 ，2 0 0 4 ，2 3 3 9 7 1 0 0 ． 杨倩云， 郭保雨，沈丽，等，生物酶可解堵钻井液解堵 机理研究 [ J ] _ 钻井液与完井液，2 0 0 9 ，2 6 3 1 2 ． 1 5 ． 王富华，邱正松，丘 占春，等 ． 一种消除裂缝性储层钻 井液滤饼的新方法 [ J ] ． 石油钻探技术，2 0 0 1 1 2 9 ． 3 1 ． 收稿 日J 2 0 1 2 一 1 ． 2 5 ；H G F 1 2 0 3 F 2 ；编辑付珥颖 Ⅲ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m