生物酶鉆井液技術在大牛地氣田的研究與應用

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，非均質性強、膠結物含量高、孔喉細窄，在鉆井過程中容易受到污染和傷害，孔隙度與滲透率恢復困難[1]。而且在采用長水平段水平井開發過程中，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，目前國內外在鉆井結束后普遍采用KCl鹽水體系進行完井作業，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理的基礎上，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技術，通過大牛地氣田的油氣開發實踐，取得了良好效果。

1 大牛地氣田低滲儲層傷害機理分析

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，將導致儲層孔隙度和滲透率進一步降低，影響氣井生產。

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，如鉆進過程中產生的巖屑及固相雜質[3]。這些固相顆粒在壓差作用下進入地層，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，鉆井液固相含量一致的情況下，壓差越大，進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，地層滲透率恢復困難。

1.2 低滲儲層的液相傷害

根據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管效應和水相滯留效應，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系圖

因此，在鉆井過程中鉆井液體系應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，濾液侵入會導致蒙脫石吸水膨脹，儲層孔隙度和滲透率進一步縮小。但是在氣井生產過程中，要求致密泥餅能夠方便快速的清除，暢通流體運移通道。

2 生物酶鉆井液體系研究

2.1 生物酶鉆井液體系解堵機理

生物酶是具有催化降解作用的蛋白質，能高效降解碳氫有機化合物，將其分解成二氧化碳和水。同時生物酶本身是一種天然產物，不會對環境造成污染，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，優選與儲層溫度相適應的生物酶制劑與相應的天然高分子鉆井液處理劑及有機暫堵劑復配，形成生物酶解堵鉆井液體系。鉆進過程中，該體系在井壁形成致密泥餅，防止固相及液相侵入。鉆井作業結束后，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，地層滲透率恢復，實現了低傷害、低污染、保護儲層的目的[5]15。

2.2 生物酶鉆井液處理劑優選

鉆井液中的天然高分子處理劑及有機暫堵劑被生物酶催化分解，實現儲層保護。但并不是所有的處理劑都能被生物酶降解，因此在施工前應根據累積耗氧量指標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、穩定井壁和防塌等作用，因此優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 基礎配方性能

通過各類型處理劑優選及加量優化，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果如表3。由表3可知，生物酶解堵鉆井液體系在8h內相對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，可有效保護泥頁巖井壁穩定。

表3 體系頁巖膨脹試驗結果表 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]，結果見表4。

表4 泥餅降解試驗結果表

由試驗結果可知，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鍵作用，而不是通過清水浸泡消除泥餅的。同時復合生物酶Pre1降解效果略優于生物酶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情況，還開展了巖心滲透率恢復試驗，結果見表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，儲層滲透率恢復效果比鹽水鉆井液好。采用生物酶鉆井液，巖心滲透率恢復率超過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結果表

3 大牛地氣田現場實踐

為驗證生物酶鉆井液體系對低滲儲層的保護作用，在大牛地氣田進行了現場應用，取得了較為理想的儲層保護效果，結果見表6。由表6可知，采用漂珠、充氣、泡沫等方式實現低密度近平衡鉆井，結合生物酶解堵技術，大牛地氣田儲層保護效果較好，滲透率恢復快，水平井裸眼完井產量均在12000 m3／d，部分井達到35000m3／d以上，比常規水基鉀氨基鉆井液體系儲層保護效果好。

表6 大牛地氣田水平井生物酶鉆井液與鉀氨基鉆井液應用效果對比表

4 結論與建議

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，在鉆井過程中保護儲層，但在生產過程中要及時解除，恢復儲層滲透率。

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，結合針對性的高效降解酶，實現了生產過程中致密泥餅的有效降解清除。泥餅可在30天內完全降解為水和二氧化碳，既滿足了低滲儲層鉆井保護，又實現了環境保護和可持續發展的需要，是具有推廣價值的鉆井液技術。

3）生物酶鉆井液技術在大牛地氣田的成功應用，為國內外同類儲層油氣田鉆井及生產過程中儲層保護提供了成功經驗。

[1]朱春俊，王延斌.大牛地氣田低滲儲層成因及評價[J].西南石油大學學報：自然科學版，2011，33（1）：49-56.

[2]解超，馮英.大牛地氣田弱凝膠鉆井液體系[J].天然氣技術與經濟，2012，6（3）：58-61.

[3]盧虎，鄒盛禮，吳曉花，等.輪古裂縫性油藏儲層傷害評價分析[J]. 鉆采工藝，2005（1）：101-103.

[4]魏茂偉.低滲儲層水鎖傷害解除技術研究[D].山東：濟南大學，2010.

[5]楊倩云，郭保雨.生物酶可解堵鉆井液動力學模型研究[J]. 鉆井液與完井液，2007，24（1）：15-16.

[6]付興濤，王永吉.消除由鉆井液濾餅引起水平井油層損害的新技術[J]. 鉆井液和完井液，1997，12（6）：47-54.