生物酶鉆井液技術(shù)在大牛地氣田的研究與應(yīng)用

魏 凱 李國鋒 黨冰華

（中國石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006）

0 引言

大牛地氣田主力儲層低滲致密，非均質(zhì)性強(qiáng)、膠結(jié)物含量高、孔喉細(xì)窄，在鉆井過程中容易受到污染和傷害，孔隙度與滲透率恢復(fù)困難[1]。而且在采用長水平段水平井開發(fā)過程中，隨著水平段的延長，儲層鉆井液浸泡時間增加，加劇了對儲層的傷害。針對低滲儲層保護(hù)，目前國內(nèi)外在鉆井結(jié)束后普遍采用KCl鹽水體系進(jìn)行完井作業(yè)，但該體系不能解決鉆井過程中遺留的鉆井處理劑和暫堵材料侵入傷害問題，后期仍需酸洗作業(yè)以消除近井地帶污染，帶來了酸洗不徹底、二次污染等系列環(huán)境問題[2]。為此，在分析大牛地氣田低滲砂巖儲層鉆井過程中污染傷害機(jī)理的基礎(chǔ)上，開展了生物酶鉆井液體系研究，形成了針對低滲儲層的生物酶鉆井液儲層保護(hù)技術(shù)，通過大牛地氣田的油氣開發(fā)實踐，取得了良好效果。

1 大牛地氣田低滲儲層傷害機(jī)理分析

通過對大牛地氣田上古含氣儲層3000多個砂巖樣品的物性分析統(tǒng)計，超過80%的樣品孔隙度分布在2%～10%，平均為6.2%，86%的樣品滲透率在0.01～1.00mD，平均為0.46mD，屬于中—低孔、低—特低滲致密砂巖儲層[1]53。對大牛地氣田DPH-88井巖心進(jìn)行了全巖礦物分析，該巖心含62.4%的石英和37.6%的黏土礦物，黏土礦物以蒙脫石和伊蒙混層為主，蒙脫石吸水易膨脹，將導(dǎo)致儲層孔隙度和滲透率進(jìn)一步降低，影響氣井生產(chǎn)。

1.1 低滲儲層的固相傷害

在正常鉆井過程中，鉆井液中通常含有兩種類型的固體顆粒：一種是有用顆粒，是為維護(hù)鉆井液性能必須使用的顆粒，如膨潤土、加重劑和暫堵劑等；另一種是有害顆粒，如鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的巖屑及固相雜質(zhì)[3]。這些固相顆粒在壓差作用下進(jìn)入地層，造成儲層固相傷害。為評價不同壓差下鉆井液固相顆粒對儲層的傷害，選取大牛地氣田相同井區(qū)4個巖心樣品，配制密度為1.08g／cm3的鉀胺基鉆井液800mL，在不同壓差下測定巖心樣品的滲透率傷害率，結(jié)果見表1。

表1 不同壓差下巖心滲透率傷害率表

由表1可知，在初始滲透率相當(dāng)，鉆井液固相含量一致的情況下，壓差越大，進(jìn)入地層中的固相顆粒越多，巖心傷害率越大。如果這些顆粒得不到有效清除或降解，將長期滯留，地層滲透率恢復(fù)困難。

1.2 低滲儲層的液相傷害

根據(jù)Poiseuille定律可以推出在壓差作用下，近井地層液相侵入深度的計算公式：

式中，L為近井地層液相侵入深度，m；θ為毛細(xì)管壁上的潤濕角，（°）；t為排出流體所需要的時間，s；μ為流體粘度，Pa·s；Δp為壓差，Pa；σ為流體的表面張力，mN／m；τ為孔道迂曲度，（°）；k為巖石滲透率，mD；?為巖石孔隙度，無量綱。

由式（1）的近井地層濾液侵入深度可知[4]21：鉆井液濾液侵入地層深度與地層浸泡時間的平方根成正比。選取大牛地氣田大52井巖心開展不同巖心浸泡時間下鹽水吸入量實驗，結(jié)果見圖1。由圖1可知，巖心浸泡時間越長，鹽水吸入量越多。這些外來水易引起低滲儲層毛細(xì)管效應(yīng)和水相滯留效應(yīng)，從而造成水鎖傷害[4]13。

圖1 巖心浸泡時間與鹽水吸入量關(guān)系圖

因此，在鉆井過程中鉆井液體系應(yīng)快速在井壁形成致密泥餅，減少濾液侵入。特別是大牛地氣田儲層巖心中蒙脫石含量高，濾液侵入會導(dǎo)致蒙脫石吸水膨脹，儲層孔隙度和滲透率進(jìn)一步縮小。但是在氣井生產(chǎn)過程中，要求致密泥餅?zāi)軌蚍奖憧焖俚那宄?，暢通流體運(yùn)移通道。

2 生物酶鉆井液體系研究

2.1 生物酶鉆井液體系解堵機(jī)理

生物酶是具有催化降解作用的蛋白質(zhì)，能高效降解碳?xì)溆袡C(jī)化合物，將其分解成二氧化碳和水。同時生物酶本身是一種天然產(chǎn)物，不會對環(huán)境造成污染，活性高，是非酶催化劑活性的100萬倍，且完全溶于水，可與水基鉆井液以任意比互溶[5]15。在鉆井過程中距離目的層50～100m時，優(yōu)選與儲層溫度相適應(yīng)的生物酶制劑與相應(yīng)的天然高分子鉆井液處理劑及有機(jī)暫堵劑復(fù)配，形成生物酶解堵鉆井液體系。鉆進(jìn)過程中，該體系在井壁形成致密泥餅，防止固相及液相侵入。鉆井作業(yè)結(jié)束后，在地層溫度作用下，生物酶活化，開始降解泥餅中的天然高分子處理劑及有機(jī)暫堵劑，最終將其徹底分解為水和二氧化碳，儲層孔隙中的堵塞物消除，地下流體通道恢復(fù)，地層滲透率恢復(fù)，實現(xiàn)了低傷害、低污染、保護(hù)儲層的目的[5]15。

2.2 生物酶鉆井液處理劑優(yōu)選

鉆井液中的天然高分子處理劑及有機(jī)暫堵劑被生物酶催化分解，實現(xiàn)儲層保護(hù)。但并不是所有的處理劑都能被生物酶降解，因此在施工前應(yīng)根據(jù)累積耗氧量指標(biāo)選擇易生物降解或較易生物降解類鉆井材料作為生物酶鉆井液的主要組分。纖維素、生物聚合物、淀粉、多糖類聚合物、野生植物膠等天然高分子處理劑在鉆井液中可起到增粘、降濾失、穩(wěn)定井壁和防塌等作用，因此優(yōu)選其作為生物酶鉆井液處理劑，最終形成生物酶鉆井液配方。

2.3 生物酶可解堵鉆井液體系性能評價實驗

2.3.1 基礎(chǔ)配方性能

通過各類型處理劑優(yōu)選及加量優(yōu)化，形成生物酶鉆井液配方：4%膨潤土漿＋0.2%Na2CO3＋0.2%XC＋1%LV－CMC＋1%LV－PAC＋0.3%HVCMS＋3%改性瀝青，其性能見表2。由表2可知，該配方鉆井液體系具有良好的流變性和潤滑性，在溫度90℃時熱滾16h后仍能保持良好的性能。

表2 生物酶解堵鉆井液性能表

2.3.2 體系頁巖膨脹試驗

利用NP-2智能型頁巖膨脹測試儀測定體系抑制性（表3）。體系頁巖膨脹試驗結(jié)果如表3。由表3可知，生物酶解堵鉆井液體系在8h內(nèi)相對10%KCl溶液頁巖膨脹降低率為68.24%，相對清水頁巖膨脹降低率為88.54%，說明該體系具有良好的頁巖抑制性，可有效保護(hù)泥頁巖井壁穩(wěn)定。

表3 體系頁巖膨脹試驗結(jié)果表 mm

2.3.3 體系降解性能試驗

在上述的生物酶鉆井液體系中分別加入生物酶Pre0和復(fù)合生物酶Pre1（Pre1為Pre0＋0.1%M1，M1是淀粉類降解生物酶），分別在30℃、70℃、90℃下開展泥餅清除實驗[6]，結(jié)果見表4。

表4 泥餅降解試驗結(jié)果表

由試驗結(jié)果可知，三組試驗配方形成的泥餅均致密堅韌，失水量小，有效阻止了鉆井過程中外來液體在地層中的濾失，保護(hù)了儲層。加入生物酶Pre0和Pre1后，泥餅在90℃下都能通過控制生物酶的濃度在72h內(nèi)完全降解清除。對比泥餅降解前后照片可見清除效果良好（圖2、圖3）。而試驗顯示，如生物酶鉆井液體系不添加降解生物酶，經(jīng)過72h后，泥餅表面無變化，可見是生物酶在泥餅降解過程中起到關(guān)鍵作用，而不是通過清水浸泡消除泥餅的。同時復(fù)合生物酶Pre1降解效果略優(yōu)于生物酶Pre0，這是由于Pre1中含有纖維素降解生物酶和淀粉類降解生物酶，對生物酶體系中的天然高分子材料降解更全面，更徹底。

圖2 0.1%Pre0泥餅降解前后對比圖

圖3 0.1%Pre1泥餅降解前后對比圖

2.4 巖心滲透率恢復(fù)試驗

為研究使用不同類型鉆井液鉆井施工后被污染的巖心滲透率恢復(fù)情況，還開展了巖心滲透率恢復(fù)試驗，結(jié)果見表5。巖心均采用DPH-88井儲層巖心，實驗前測定了各巖心初始滲透率。從表5可知，采用生物酶鉆井液后，儲層滲透率恢復(fù)效果比鹽水鉆井液好。采用生物酶鉆井液，巖心滲透率恢復(fù)率超過90%，而鹽水鉆井液僅為66.45%。

表5 不同鉆井液傷害下巖心滲透率恢復(fù)結(jié)果表

3 大牛地氣田現(xiàn)場實踐

為驗證生物酶鉆井液體系對低滲儲層的保護(hù)作用，在大牛地氣田進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，取得了較為理想的儲層保護(hù)效果，結(jié)果見表6。由表6可知，采用漂珠、充氣、泡沫等方式實現(xiàn)低密度近平衡鉆井，結(jié)合生物酶解堵技術(shù)，大牛地氣田儲層保護(hù)效果較好，滲透率恢復(fù)快，水平井裸眼完井產(chǎn)量均在12000 m3／d，部分井達(dá)到35000m3／d以上，比常規(guī)水基鉀氨基鉆井液體系儲層保護(hù)效果好。

表6 大牛地氣田水平井生物酶鉆井液與鉀氨基鉆井液應(yīng)用效果對比表

4 結(jié)論與建議

1）低滲儲層在鉆井過程中易受固相、液相傷害。致密泥餅可以減少液相濾失，在鉆井過程中保護(hù)儲層，但在生產(chǎn)過程中要及時解除，恢復(fù)儲層滲透率。

2）生物酶鉆井液以可降解的纖維素類、淀粉類材料為處理劑，結(jié)合針對性的高效降解酶，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程中致密泥餅的有效降解清除。泥餅可在30天內(nèi)完全降解為水和二氧化碳，既滿足了低滲儲層鉆井保護(hù)，又實現(xiàn)了環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的需要，是具有推廣價值的鉆井液技術(shù)。

3）生物酶鉆井液技術(shù)在大牛地氣田的成功應(yīng)用，為國內(nèi)外同類儲層油氣田鉆井及生產(chǎn)過程中儲層保護(hù)提供了成功經(jīng)驗。

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