曹立虎, 張遂安, 王 晶, 張 羽, 李 彪, 陳興波
(1.中國石油大學(xué)(北京)煤層氣研究中心,北京102249;2.中國石油大學(xué)(北京)氣體能源開發(fā)與利用教育部工程研究中心,北京102249)
煤層氣井下鉆孔抽采已成為煤層氣開發(fā)的主要模式[1-2]。松軟煤層多表現(xiàn)為煤體松散、質(zhì)軟、硬度低、遇水膨脹等特性[3-4],常規(guī)清水鉆進(jìn)和壓風(fēng)鉆進(jìn)極易導(dǎo)致孔壁垮塌、膨脹縮徑、瓦斯突出等事故,嚴(yán)重影響了鉆孔深度和成孔率,因此研發(fā)護(hù)壁鉆井液技術(shù)具有重要意義。通常在鉆井液中加入高分子聚合物,在孔壁表面形成致密封堵膜[4],以保證護(hù)壁堵漏鉆進(jìn)。但聚合物泥餅不可避免對儲層造成了傷害,因此在煤層氣抽采前必須清除泥餅,常規(guī)辦法是后期酸化和漂白劑氧化,但這些辦法都是基于化學(xué)反應(yīng),容易生成沉淀物質(zhì),二次傷害儲層[5]。為此,提出了生物酶可解堵鉆井液技術(shù),生物酶是利用現(xiàn)代生物技術(shù)開發(fā)的具有催化作用的蛋白質(zhì),其化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,具有較強(qiáng)的酶降解能力和催化特性,能有效清除聚合物泥餅,并且不污染環(huán)境、對人體無不良影響,屬環(huán)保型產(chǎn)品[6]。
根據(jù)前人研究成果[7-9],生物酶鉆井液的基漿可由防膨劑和降濾失劑等組成。常用的防膨劑有KCl;降濾失劑主要為羧甲基纖維素(CMC)、聚陰離子纖維素(PAC)、羥乙基纖維素(HEC)和胍膠等高分子聚合物。鉆進(jìn)結(jié)束后,向鉆井液中加入具有降解作用的生物酶,降解高分子聚合物,清除濾餅對儲層的傷害,常用的生物酶有淀粉酶、纖維素酶和蛋白酶等。
1.2.1 護(hù)壁原理 生物酶鉆井液護(hù)壁效果由防膨劑和降濾失劑共同實(shí)現(xiàn)[7-9]。防膨劑可有效抑制黏土膨脹,使黏土保持穩(wěn)定;高分子聚合物相互橋接,在孔壁形成滲透率極低的致密隔膜,阻止了鉆井液中自由水的滲漏,具有強(qiáng)親水基長鏈,易溶于水形成高黏度水溶液,增強(qiáng)孔壁表面松散煤粒間的膠接強(qiáng)度,起到加固孔壁的效果[10]。
1.2.2 解堵原理 生物酶的降解作用可使聚合物由長鏈大分子變成短鏈小分子[10-11]。鉆進(jìn)結(jié)束后,在生物酶的作用下,泥餅中的聚合物大分子由長鏈變成短鏈,黏度隨之降低,泥餅也會自動逐漸消除,儲層的滲透性得以恢復(fù)。F.J.Shell等[12]研究發(fā)現(xiàn)用特定的生物酶降解不同聚合物時(shí)效果非常理想,聚合物與酶接觸20min后降黏率可以達(dá)到68%~84%[12-14]。
實(shí)驗(yàn)儀器:NDJ-1六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、高速高頻攪拌機(jī)、電子天平和燒杯等。
實(shí)驗(yàn)條件:實(shí)驗(yàn)溫度為30℃。
實(shí)驗(yàn)方法:采用黏度衰減法對常用聚合物與生物酶進(jìn)行匹配實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用聚合物為CMC、PAC、HEC和胍膠;選取6種生物酶,編號分別為X1、X2、X3、X4、X5和 X6。在相同濃度,將4種聚合物分別與不同生物酶混合,每隔一段時(shí)間后測試混合液的表觀黏度,計(jì)算10min后的聚合物破膠率,計(jì)算公式為:
式中:η為破膠率,無因次;μ0為鉆井液基漿原始表觀黏度,mPa·s;μ10為鉆井液基漿加入生物酶10 min后的表觀黏度,mPa·s。
通過24組聚合物和生物酶匹配實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖1和表1所示。
圖1 不同生物酶降解聚合物對比Fig.1 The comparison of different enzyme degrading polymer
由圖1和表1可知:
(1)降解CMC最快的是X6,10min破膠率59%,其次是X1,其它生物酶降解CMC緩慢,甚至無降解或增加CMC的黏度;
(2)6種生物酶對PAC-LV都有降解效果,最快的是X6,10min破膠率為57%,其次是X1、X3和X4,X2和X5降解PAC-LV速度較慢;
(3)只有X3對HEC有降解作用,10min破膠率僅為7%,其它5種生物酶降解HEC的速度較慢,甚至無降解或使HEC的黏度增加;
(4)X6對胍膠的降解速度最快,10min破膠率為38%,其次是X1和X4,X5降解胍膠速度較慢,X2與X3對胍膠幾乎無降解作用。
因此不同聚合物所對應(yīng)的最佳生物酶是不同的,這是因?yàn)榫酆衔锘瘜W(xué)分子存在差異,導(dǎo)致其降解機(jī)理不相同,也就需要不同類型的生物酶。
表1 10min后生物酶降解聚合物的破膠率Table1 Gel breaking rate of enzyme degrading polymer after 10 min %
根據(jù)聚合物與生物酶優(yōu)選結(jié)果,優(yōu)選出以下4組生物酶可解堵鉆井液配方,如表2所示,通過濾餅清除測試和滲透率恢復(fù)實(shí)驗(yàn)鑒定4組鉆井液性能。
表2 生物酶可解堵鉆井液配方Table2 Enzyme biodegradable drilling fluid formulations
在30℃條件下,對4組鉆井液配方進(jìn)行濾餅清除實(shí)驗(yàn)。每組配方用2份基漿進(jìn)行實(shí)驗(yàn),首先測得其中1份鉆井液的黏度和濾失量,拍照記錄濾餅特征,向另1份鉆井液基漿中依配方加入適量的生物酶,待降解30min后,測其黏度和濾失量,拍照記錄濾餅清除結(jié)果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
表3 泥餅清除實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table3 Results of mud cake removing experiment
由表3可以看出,4組配方的μ、υP和pY適中,具有較好的流變性能,同時(shí)濾失量都很??;4組鉆井液配方形成的濾餅都能夠在添加解堵生物酶后1h內(nèi)完全清除。通過如圖2所示照片對比,4組鉆井液配方中選取的生物酶解堵能力較強(qiáng)。
選取沁水盆地不同區(qū)塊的松軟煤樣,用4組鉆井液基漿傷害煤樣,即在持續(xù)抽真空條件下,將煤樣在鉆井液中浸泡48h,測定經(jīng)過鉆井液傷害后煤樣原始滲透率。在同樣條件下,向鉆井液中加入相應(yīng)的生物酶,浸泡煤樣,待生物酶解堵24h后,再次測定煤樣的解堵滲透率,計(jì)算解堵率。解堵率計(jì)算公式為:
式中:ω為解堵率,無因次;K0為鉆井液浸泡煤樣原始滲透率,mD;K酶為鉆井液基漿加入的解堵滲透率,mD。
圖2 不同鉆井液配方生物酶濾餅清除效果Fig.2 The filter cake removal impression drawing of enzyme of different drilling mud
鉆井液滲透率恢復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。從表4中可以看出,配制的4組生物酶可解堵鉆井液配方對煤樣滲透率恢復(fù)效果較好,恢復(fù)率均80%左右,因此所配的4組生物酶可降解鉆井液性能較好,在沁水盆地井下松軟煤層鉆孔具有較好的試驗(yàn)價(jià)值。
(1)生物酶鉆井液基漿由防膨劑和降濾失劑等組成,防膨劑和降濾失劑的共同作用保證了護(hù)壁堵漏鉆進(jìn);鉆進(jìn)結(jié)束后向鉆井液中加入生物酶,其降解作用可使聚合物由長鏈大分子變成短鏈小分子,清除聚合物泥餅。
(2)不同聚合物對應(yīng)不同的最佳生物酶。通過黏度衰減實(shí)驗(yàn),優(yōu)選出CMC鉆井液的生物酶解堵劑為X1,PAC-LV鉆井液的生物解堵劑為X6,HEC鉆井液的生物解堵劑為X3,胍膠鉆井液的生物解堵劑為X6,CMC鉆井液和PAC-LV鉆井液在生物酶作用下降黏效果最好。
(3)濾餅清除實(shí)驗(yàn)和滲透率恢復(fù)實(shí)驗(yàn)證明4組生物酶可解堵鉆井液均能在鉆井后清除泥餅,恢復(fù)儲層滲透率,并對儲層傷害率較小。
表4 鉆井液滲透率恢復(fù)實(shí)驗(yàn)Table4 Permeability recovery experiment of four formulas
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