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1、生物酶可解堵钻井液体系的研究,主要内容,一、体系简介 二、适用范围 三、作用原理 四、生物降解程度试验评价标准五、研究内容六、室内试验 七、应用前景,体系介绍,生物酶可解堵钻井液是一种新型的环保型钻井液，对环境无污染、对人或其它生命体无毒害作用。与传统的工艺不同，是利用现代生物技术中聚合物的断链降解原理，在钻井完成后不需要采用压力解堵、酸化解堵、油溶解堵、破胶解堵等技术，从根本上改进了解堵工艺，实现对地层无污染、无伤害钻进，完井后地层的渗透性恢复高，油气井产量大，达到既环保又节约生产成本的目标。,适用范围,该体系具有良好的流变型、抑制性和润滑性，尤其是该体系能够在生物酶的作用下降解，从而解除储
2、层堵塞物，清除泥饼，极大程度上恢复地下产层渗透率。该体系适用于裸眼或筛管完井等作业井。但由于生物酶存活率受温度影响较大，据国内外文献报到目前最高耐温130，当井底温度超过此温度后，不适应使用该体系（可删除）。,作用原理生物酶在钻井液中的催化特点,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，相反酶在氧化分解过程的同时可利用释放的能量来完成其自身的新陈代谢，不断进行生长繁殖和自我更新；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，
3、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；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。,作用原理生物酶催化反应速度动力学模型,钻井液处理剂与生物酶结合，在酶的催化作用下被氧化分解，其速度与其研究的环境十分有关。在动力学研究中，通常把反应速度作为钻井液处理剂浓度的函数，通过研究发现，其反应速度动力学模型为：,反应速度,底物浓度,米氏常数,最大反应速度,参与反应的酶浓度；,作用原理生物酶催化反应速度动
4、力学模型,作用原理,生物酶可解堵钻井液体系利用生物酶能够对钻进过程中侵入地层和粘附在井壁上的钻井液材料进行生物降解的特殊性能，在钻开产层前几十米，通过选择加入特殊的复配生物酶制剂和相应的化学试剂，在近井壁形成一个渗透率几乎为零的护壁层，达到保护井壁稳定的效果。钻进结束后，该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，粘度逐渐下降，先前形成的泥饼自动破除，产层孔隙中的阻塞物消除，从而使地下流体通道畅通，地层的渗透率恢复值达到90以上。,作用原理,该解堵过程是生化催化反应，通过调整生物酶和钻井液处理剂的种类及配方，可以改变生物酶对处理剂攻击速度，从而达到控制体系
5、降解速度，即解堵速度，满足钻进和解堵的双要求。,需氧：Ct=CO2+H2O+Cr+Cb,厌氧：Ct=CO2+CH4+H2O+Cr+Cb,浓度衰减法,CO2吸收法,粘度衰减法,DO衰减法,生物降解程度试验评价标准,（1）、实验室评定方法,实验室评定方法采用DO衰减法，钻井液处理剂在生物降解过程中需要消耗一定量的氧，随着有机物降解的进行，水体中的溶解氧（DO）逐渐减少，通过测定水体中的DO含量，即可确定该处理剂的生物降解性。耗氧量的测定按照：GB7489-87水质溶解氧的测定碘量法GB11914-89水质化学需氧量的测定重铬酸盐法GB11913-89水质溶解氧的测定电化学探头法,该方法在没有干扰的
6、情况下，适应于各种溶解氧浓度大于0.2mg/l和小于氧饱和浓度（约20 mg/l）水样。,GB7489-87水质溶解氧的测定碘量法,评价标准,不同钻井液处理剂和钻井液生物降解所产生的累积耗氧量是不同的，因此从生物降解方面可把钻井液处理剂和钻井液分为三类。,易生物降解的钻井液处理剂和钻井液累积耗氧量始终大于空白样的累积耗氧量 较易生物降解的钻井液处理剂和钻井液累积耗氧量在培养初期，其累积耗氧量小于空白样的累积耗氧量，随着培养时间的增加，其累积耗氧量大于空白样的累积耗氧量。生物不可降解的钻井液处理剂和钻井液累积耗氧量始终小于空白样的累积耗氧量,（2）、现场评定方法,现场评定方法是采用粘度衰减法，粘
7、度衰减法是根据处理剂在生物酶作用下，随时间的逐渐增加，其分子结构由大变小，直至完全破碎的代谢过程。在此期间，钻井液体系的粘度随着时间逐渐减小，失水量逐渐增大。,室内试验,（一）、处理剂常规评价优选试验（二）、处理剂降解性能评价试验（三）、体系性能（四）、处理剂加入顺序以及搅拌特点（五）、体系降解性能（六）、体系页岩膨胀试验（七）、泥饼清除试验（八）、渗透率恢复实验,（一）、处理剂常规评价优选试验,生物酶可解堵钻井液体系所选用的钻井液处理剂必须具有可生物降解的特性，就是钻井液处理剂的分子在微生物的作用下，分解并转化为微生物的代谢物或细胞物质，并产生二氧化碳和水，它是评价环境接受钻井液处理剂能力的
8、重要表征。考虑选用可降解的绿色天然聚合物和天然改性聚合物。,（一）、处理剂常规评价优选试验,体系应选用处理剂,可降解的绿色天然聚合物,可生物降解天然改性聚合物,淀粉纤维素生物聚合物野生植物胶,淀粉改性衍生物纤维素改性衍生物,组成,组成,（一）、处理剂常规评价优选试验,以流变性、API滤失量或页岩抑制等性能对部分处理剂进行评价，优选选出如下增粘剂、降失水剂、抗温抗盐降失水剂、流型调节剂、抑制润滑调节剂等处理剂。,（一）、处理剂常规评价优选试验,增粘剂：PAC141、HV-PAC和HV-CMC，若后两者组合比例为1：2时降失水效果好。降失水剂：LVCMC、FI-J16、LG、DFD-140抗温抗盐
9、降失水剂：KF-、LD302、流型调节剂：XC抑制剂：LG,（一）、处理剂常规评价优选试验,LG：0.5不提粘、降失水效果不明显，能提高 润滑性、抑制性、略降低切力（2.5）FI-J16：加量到0.2%降失水效果明显，降切力。LD302：常温下，加量为0.1，再增大加量对降失水效果没有显著改善KF-：能够降解，略提粘，能降失水，切力较大。XC：提高切力，降失水和提粘效果不明显,（二）、处理剂降解性能评价试验,（二）、处理剂降解性能评价试验,（二）、处理剂降解性能评价试验,（二）、处理剂降解性能评价试验,PAC-141自然状态下降解比较慢，30天左右内600降解8个，加生物酶后15天内降解较稳定
10、，降解17个，之后加快。HV-PAC自然状态下降解较快，30天左右内600降解27，加生物酶后前15天内降解很快，600降30个，之后稳定。HV-CMC自然状态下降解较快，30天左右内600降解15.5，加生物酶后前20天内降解很快，600降23个，之后稳定。LV-CMC自然状态下降解比较慢，30天左右内600降解9.5，加生物酶后降解稍快，15天内600降9.5个，之后稳定。,DFD-140自然状态下，表观粘度先升高（27天内），再下降，加生物酶后降解，但速度较慢，16天内600降3.5个，之后稳定。XC自然状态下，表观粘度先升高（8天内），再下降，加生物酶后表观粘度也是先升高（23天内），
11、再下降，之后稳定。LG在自然状态下降解很慢，27天内600降1个，加生物酶后降解速度没有明显变快，27天内600降4个。FSJ-4在自然状态下降解很慢，27天内600降1个，加生物酶后降解速度没有明显变快，27天内600降2个。,（二）、处理剂降解性能评价试验,（二）、处理剂降解性能评价试验,LD-302在21天内观测，自然状态下降解极为缓慢，几乎不降解；加入生物酶后，降解速度变快，29天600降解10个。KF-在27天内观测，自然降解和加酶后降解速度相差不大，后者略快，600分别降解9.5、11.5个 加生物酶后降解速度比较：HV-PACHV-CMCPAC-141LV-CMCKF-LD-30
12、2DFD-140LGFSJ-4XC,（三）、体系性能,（四）、处理剂加入顺序以及搅拌特点,该体系内各处理剂加入顺序对体系的降失水效果有影响，对流变性能基本无影响。根据实验考察，在现场使用过程中，可以分两种方式添加处理剂：1、按照顺序添加：总体来说，先加入LG，再加增粘剂、降失水剂和流型调节剂等其它处理剂效果好，具体参考体系配方性能。2、混配。经过混配与按照特定的顺序添加处理剂所配制的钻井液性能相同。,（四）、处理剂加入顺序以及搅拌特点,生物酶：该体系最关键的因素，用来调节体系降解速度。由于生物酶活性受温度影响较大，其加入时间可以根据地层深度采取不同的方式加入。1、2000m左右直井或垂深200
13、0m左右的水平井：钻入目的层前50米左右加入，根据完井时间调节加入时间和加入量。其加入量和降解时间参考体系配方性能。2、中深井以及深井，完井后加入，直接用生物酶清除泥饼。,体系搅拌因素对性能的影响,搅拌速度对六速影响较大，对中压失水影响不大。高速搅拌容易起泡，对六速影响较大，但搅拌均匀，流变性好、体系稳定；低速搅拌比高速搅拌六速大，体系在最初48性能不太稳定，现场主要是低速搅拌，因而在使用前最好养护48。,（五）、体系降解性能,生物酶的加入对体系降解速度的影响 生物酶浓度对钻井液降解性能的影响 不同生物酶对体系降解速度影响 生物酶可降解体系抗温性试验,生物酶的加入对体系降解速度的影响,Pre1
14、：3搬土浆+1LG+0.1%HV-PAC+0.2%FI-J16+0.2%HV-CMC+0.3%LV-VMC+0.05%XC+0.1%LD-302Pre2：Pre1+0.1%M1,由图可见，加入生物酶后，体系降解速度比自然降解增快，当M1加量为0.1%时，710天后，体系600读数从70左右下降到35左右。体系600一般最终下降到15左右稳定下来，若要降低降解速度，应减小生物酶的加量。在30天左右后观察，两体系的最终降解程度是一致的，降解速度基本上也一样，说明体系自然状态下和在生物酶作用下都能够最终降解，但是生物酶的加入加快的降解速度，尤其是在前期催化作用表现更为明显。,生物酶的加入对体系降解速
15、度的影响,生物酶浓度对钻井液降解性能的影响,从上图可看出，在生物酶加入的初期，随着生物酶浓度的增加，钻井液降解速度增加，说明体系降解速度随生物酶浓度的增加而加快。,不同生物酶对体系降解速度影响,将四种不同的生物酶等量加入基础配方体系后，在室温状态下，与不加酶体系对比降解速度都加快，但不同的生物酶降解的速度不一样，四种生物酶表现出不一样的活性，由此可见，四种生物酶活性大小如下：M3M2M4M1。而且体系在M3、M4作用下比M1、M2降解的更彻底一些。由于M2、M3的活性极强，试验中所需的加量极少，不好精确控制，考虑选用M4、M1。,不同生物酶对体系降解速度影响,生物酶可降解体系抗温性试验,第一天
16、内加酶体系同自然不加酶体系相比表观粘度相差不大，7天内观测，加M1体系降解速度与自然不加酶体系降解速度差不多，加M4体系降解速度比前两者快，说明两者的抗温110不是很好。,生物酶可降解体系抗温性试验,在第一天降解速度加快，随后趋于平缓，而且热滚后，加M1体系与基础配方体系降解速度差不多，说明此时M1基本上活性部分已经全被破坏；加M2体系降解速度比这两者快，说明经过100/16h 热滚后，M4仍有活性，由此显示M4抗温性能比M1好。,（六）、体系页岩膨胀试验,该体系相对静置自来水膨胀率为68.24，说明体系具有一定的抑制性。,（七）、泥饼清除试验,Pre1、Pre2、Pre3配方分别在50、70
17、、90进行泥饼清除实验，并拍照对比泥饼清除前后状态。其中，1#和2#是纤维素基体系，相应的解堵生物酶是M1；3#是淀粉基体系，相应的解堵生物酶是M4。,Pre1泥饼,Pre1泥饼清除后,Pre2泥饼,Pre2泥饼清除后,Pre3泥饼,Pre3泥饼清除后,Pre3泥饼90清水浸泡5h后,由上述实验结果可知，三种体系的表观粘度、塑性粘度、动切力都适中，并且滤失量都很小，三种体系形成的泥饼在5090范围内都能够通过控制酶的浓度或添加底物保护使之在1.52.5h内完全清除，清除前后照片对比可见清除效果良好；由图可见，3#体系形成的泥饼在与酶液相同作用条件下用水浸泡5h后无变化，可见泥饼是被酶清除掉而不
18、是被水泡掉。,（八）、渗透率恢复实验,从表中数据可以看出，三种生物酶可解堵钻井液配方经解堵后对高渗和低渗岩心的渗透率恢复效果良好，恢复率都能达到80%以上，说明三种配方的保护油气层性能较好，配方渗透率恢复值正在改进中，预计该进后的渗透率恢复值在90以上。,Pre1、Pre2、Pre3配方分别对高渗和低渗岩心进行渗透率恢复实验，实验结果下表,室内试验总结,体系基础配方具有良好的流变性，润滑性（极压润滑系数0.15），一定的抑制性，相对自来水，膨胀率为68.24；API失水6ml；能抗温至120；泥饼清除效果好、渗透率恢复值较高。生物酶可解堵钻井液体系的关键在于生物酶降解性能，在生物酶的作用下，体
19、系降解速度加快，可根据生物酶的加量，调整体系降解速度，一般加量为（0.050.1），体系经过7天左右600降解到15左右；在井内温度5060左右，生物酶选用M1、M4，若抗温100左右，选用生物酶M4。,应用前景,本课题预期成果为可生物降解的钻井液体系。该技术可满足钻井液对钻井工程的适应性、对环境保护的适应性、对油气层保护的适应性，可广泛应用于石油钻井作业中的解堵增产措施中，可有效消除泥饼对油层的损害，保护油气层，提高油气采收率。可为选择优质钻井液、完井液、修井液提供宝贵的参考依据，研制成功后，预计每年可推广应用100多口井，每口井可增产原油提高20，技术经济效益显著；并且，研究开发的产品和技术对人体健康无害，不污染环境，是今后发展的主流方向，对人类和地球环境的可持续性发展意义重大。,
