生物酶浸洗清除水平井鉆井液污染技術(shù)研究

湯 琦 陳 艷 徐 樂 劉 影

（1.中國地質(zhì)大學(xué)，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(fā)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。以遼河油田為例，水平井已從先導(dǎo)試驗(yàn)階段和擴(kuò)大試驗(yàn)階段發(fā)展為規(guī)模應(yīng)用階段，目前，已經(jīng)累計(jì)完鉆各類水平井近800口。但是，由于鉆井周期較長導(dǎo)致鉆井液浸泡時(shí)間較長，水平井段較長導(dǎo)致鉆井液濾失面積較大，造成比較嚴(yán)重的鉆井液污染，很多水平井投產(chǎn)后效果不如預(yù)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(chǎn)效果的關(guān)鍵技術(shù)難題。生物酶技術(shù)已經(jīng)在油田廣泛應(yīng)用，目前多應(yīng)用于微生物采油和壓裂增產(chǎn)，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(jī)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(jī)堵塞，依靠酸化手段很難清除。

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

本文優(yōu)選了一種復(fù)合型生物酶，它在一定的溫度條件和較寬的pH值范圍內(nèi)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(jī)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(nèi)實(shí)驗(yàn)

2.1 降解淀粉

實(shí)驗(yàn)儀器主要包括恒溫水浴鍋、機(jī)械攪拌器、毛細(xì)管黏度計(jì)、六轉(zhuǎn)速黏度計(jì)、玻璃棒、燒杯、廣口瓶、洗耳球和電子天平。實(shí)驗(yàn)試劑主要包括預(yù)膠化淀粉和生物酶。

配制2%的預(yù)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(tài)。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(yīng)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(yīng)活性，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yù)膠化淀粉作為降解對象時(shí)，生物酶在30~140 ℃范圍內(nèi)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(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出，在90 ℃時(shí)，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(yù)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(yù)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(jī)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(yīng)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(yīng)活性，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)，生物酶在30~140 ℃范圍內(nèi)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(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)，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(jī)械攪拌情況下，加入6 g的聚丙烯酰胺，繼續(xù)攪拌直至成膠體。

配制10份聚丙烯酰胺溶液與生物酶反應(yīng)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(yīng)活性，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)，生物酶在90 ℃時(shí)對聚丙烯酰胺膠體的降解能力達(dá)到最好，在高于90 ℃時(shí)，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(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)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(jī)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(yīng)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(yīng)活性，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)對黃原膠膠體的降解能力達(dá)到最好，高于90 ℃時(shí)，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(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)需24 h可將該膠體黏度降至5 mPa·s以下，300 mg/L 時(shí)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(shí)驗(yàn)

選取遼河油田水平井鉆井常用鉆井液配方配制實(shí)驗(yàn)用濾餅。實(shí)驗(yàn)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(jì)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(tài)，并將用生物酶泡過后的濾餅倒入預(yù)先恒重的砂芯漏斗中過濾，用水沖刷瓶壁，使所有濾餅殘?jiān)M(jìn)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(yù)設(shè)115℃烘箱中烘干至恒重；驗(yàn)證酶有無效果，根據(jù)濾餅浸泡后是否變薄或者變松散，進(jìn)一步通過濾餅失重程度判斷。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)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(jīng)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(xiàn)場試驗(yàn)

4.1 施工工藝

生物酶浸洗清除水平井鉆井液污染技術(shù)現(xiàn)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(jìn)行生物酶浸泡室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，評價(jià)有機(jī)堵塞破膠效果并優(yōu)選生物酶加入量等參數(shù)；（2）按實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dāng)?shù)母郊恿?；?）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(xù)泵入酸液解除無機(jī)堵塞。

4.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

在遼河油田曙光采油廠杜48-杜平11井進(jìn)行了生物酶浸泡清除鉆井液污染現(xiàn)場試驗(yàn)。該井為新井，投產(chǎn)不出，使用生物酶69 kg，泵入洗液110 m3，浸泡48 h投產(chǎn)，生產(chǎn)情況見圖9。

圖9 杜48-杜平11井生物酶浸洗后生產(chǎn)曲線

該技術(shù)在遼河油田曙光采油廠杜84塊累計(jì)實(shí)施5井次，平均日增油15 t，取得了較好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

（1）優(yōu)選的生物酶對于預(yù)膠化淀粉、羧甲基纖維素、聚丙烯酰胺、黃原膠的降解效果明顯，生物酶在30~140 ℃范圍內(nèi)有良好的破膠活性，其最適溫度為90 ℃。在最適溫度時(shí)，優(yōu)選的生物酶最佳用量為200 mg/L。

（2）優(yōu)選的生物酶對遼河油田典型鉆井液濾餅的降解實(shí)驗(yàn)表明，生物酶制劑能夠清除鉆井液濾餅，有效降低由鉆井液濾餅產(chǎn)生的傷害。

（3）生物酶浸洗清除水平井鉆井液污染技術(shù)現(xiàn)場施工工藝簡單，操作方便?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明該方法有明顯的鉆井液解堵效果，可以進(jìn)行擴(kuò)大試驗(yàn)和推廣應(yīng)用。

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