生物酶钻井液技术在大牛地气田的研究与应用

魏 凯 李国锋 党冰华

（中国石化华北油气分公司石油工程技术研究院，河南 郑州 450006）

0 引言

大牛地气田主力储层低渗致密，非均质性强、胶结物含量高、孔喉细窄，在钻井过程中容易受到污染和伤害，孔隙度与渗透率恢复困难[1]。而且在采用长水平段水平井开发过程中，随着水平段的延长，储层钻井液浸泡时间增加，加剧了对储层的伤害。针对低渗储层保护，目前国内外在钻井结束后普遍采用KCl盐水体系进行完井作业，但该体系不能解决钻井过程中遗留的钻井处理剂和暂堵材料侵入伤害问题，后期仍需酸洗作业以消除近井地带污染，带来了酸洗不彻底、二次污染等系列环境问题[2]。为此，在分析大牛地气田低渗砂岩储层钻井过程中污染伤害机理的基础上，开展了生物酶钻井液体系研究，形成了针对低渗储层的生物酶钻井液储层保护技术，通过大牛地气田的油气开发实践，取得了良好效果。

1 大牛地气田低渗储层伤害机理分析

通过对大牛地气田上古含气储层3000多个砂岩样品的物性分析统计，超过80%的样品孔隙度分布在2%～10%，平均为6.2%，86%的样品渗透率在0.01～1.00mD，平均为0.46mD，属于中—低孔、低—特低渗致密砂岩储层[1]53。对大牛地气田DPH-88井岩心进行了全岩矿物分析，该岩心含62.4%的石英和37.6%的黏土矿物，黏土矿物以蒙脱石和伊蒙混层为主，蒙脱石吸水易膨胀，将导致储层孔隙度和渗透率进一步降低，影响气井生产。

1.1 低渗储层的固相伤害

在正常钻井过程中，钻井液中通常含有两种类型的固体颗粒：一种是有用颗粒，是为维护钻井液性能必须使用的颗粒，如膨润土、加重剂和暂堵剂等；另一种是有害颗粒，如钻进过程中产生的岩屑及固相杂质[3]。这些固相颗粒在压差作用下进入地层，造成储层固相伤害。为评价不同压差下钻井液固相颗粒对储层的伤害，选取大牛地气田相同井区4个岩心样品，配制密度为1.08g／cm3的钾胺基钻井液800mL，在不同压差下测定岩心样品的渗透率伤害率，结果见表1。

表1 不同压差下岩心渗透率伤害率表

由表1可知，在初始渗透率相当，钻井液固相含量一致的情况下，压差越大，进入地层中的固相颗粒越多，岩心伤害率越大。如果这些颗粒得不到有效清除或降解，将长期滞留，地层渗透率恢复困难。

1.2 低渗储层的液相伤害

根据Poiseuille定律可以推出在压差作用下，近井地层液相侵入深度的计算公式：

式中，L为近井地层液相侵入深度，m；θ为毛细管壁上的润湿角，（°）；t为排出流体所需要的时间，s；μ为流体粘度，Pa·s；Δp为压差，Pa；σ为流体的表面张力，mN／m；τ为孔道迂曲度，（°）；k为岩石渗透率，mD；∅为岩石孔隙度，无量纲。

由式（1）的近井地层滤液侵入深度可知[4]21：钻井液滤液侵入地层深度与地层浸泡时间的平方根成正比。选取大牛地气田大52井岩心开展不同岩心浸泡时间下盐水吸入量实验，结果见图1。由图1可知，岩心浸泡时间越长，盐水吸入量越多。这些外来水易引起低渗储层毛细管效应和水相滞留效应，从而造成水锁伤害[4]13。

图1 岩心浸泡时间与盐水吸入量关系图

因此，在钻井过程中钻井液体系应快速在井壁形成致密泥饼，减少滤液侵入。特别是大牛地气田储层岩心中蒙脱石含量高，滤液侵入会导致蒙脱石吸水膨胀，储层孔隙度和渗透率进一步缩小。但是在气井生产过程中，要求致密泥饼能够方便快速的清除，畅通流体运移通道。

2 生物酶钻井液体系研究

2.1 生物酶钻井液体系解堵机理

生物酶是具有催化降解作用的蛋白质，能高效降解碳氢有机化合物，将其分解成二氧化碳和水。同时生物酶本身是一种天然产物，不会对环境造成污染，活性高，是非酶催化剂活性的100万倍，且完全溶于水，可与水基钻井液以任意比互溶[5]15。在钻井过程中距离目的层50～100m时，优选与储层温度相适应的生物酶制剂与相应的天然高分子钻井液处理剂及有机暂堵剂复配，形成生物酶解堵钻井液体系。钻进过程中，该体系在井壁形成致密泥饼，防止固相及液相侵入。钻井作业结束后，在地层温度作用下，生物酶活化，开始降解泥饼中的天然高分子处理剂及有机暂堵剂，最终将其彻底分解为水和二氧化碳，储层孔隙中的堵塞物消除，地下流体通道恢复，地层渗透率恢复，实现了低伤害、低污染、保护储层的目的[5]15。

2.2 生物酶钻井液处理剂优选

钻井液中的天然高分子处理剂及有机暂堵剂被生物酶催化分解，实现储层保护。但并不是所有的处理剂都能被生物酶降解，因此在施工前应根据累积耗氧量指标选择易生物降解或较易生物降解类钻井材料作为生物酶钻井液的主要组分。纤维素、生物聚合物、淀粉、多糖类聚合物、野生植物胶等天然高分子处理剂在钻井液中可起到增粘、降滤失、稳定井壁和防塌等作用，因此优选其作为生物酶钻井液处理剂，最终形成生物酶钻井液配方。

2.3 生物酶可解堵钻井液体系性能评价实验

2.3.1 基础配方性能

通过各类型处理剂优选及加量优化，形成生物酶钻井液配方：4%膨润土浆＋0.2%Na2CO3＋0.2%XC＋1%LV－CMC＋1%LV－PAC＋0.3%HVCMS＋3%改性沥青，其性能见表2。由表2可知，该配方钻井液体系具有良好的流变性和润滑性，在温度90℃时热滚16h后仍能保持良好的性能。

表2 生物酶解堵钻井液性能表

2.3.2 体系页岩膨胀试验

利用NP-2智能型页岩膨胀测试仪测定体系抑制性（表3）。体系页岩膨胀试验结果如表3。由表3可知，生物酶解堵钻井液体系在8h内相对10%KCl溶液页岩膨胀降低率为68.24%，相对清水页岩膨胀降低率为88.54%，说明该体系具有良好的页岩抑制性，可有效保护泥页岩井壁稳定。

表3 体系页岩膨胀试验结果表 mm

2.3.3 体系降解性能试验

在上述的生物酶钻井液体系中分别加入生物酶Pre0和复合生物酶Pre1（Pre1为Pre0＋0.1%M1，M1是淀粉类降解生物酶），分别在30℃、70℃、90℃下开展泥饼清除实验[6]，结果见表4。

表4 泥饼降解试验结果表

由试验结果可知，三组试验配方形成的泥饼均致密坚韧，失水量小，有效阻止了钻井过程中外来液体在地层中的滤失，保护了储层。加入生物酶Pre0和Pre1后，泥饼在90℃下都能通过控制生物酶的浓度在72h内完全降解清除。对比泥饼降解前后照片可见清除效果良好（图2、图3）。而试验显示，如生物酶钻井液体系不添加降解生物酶，经过72h后，泥饼表面无变化，可见是生物酶在泥饼降解过程中起到关键作用，而不是通过清水浸泡消除泥饼的。同时复合生物酶Pre1降解效果略优于生物酶Pre0，这是由于Pre1中含有纤维素降解生物酶和淀粉类降解生物酶，对生物酶体系中的天然高分子材料降解更全面，更彻底。

图2 0.1%Pre0泥饼降解前后对比图

图3 0.1%Pre1泥饼降解前后对比图

2.4 岩心渗透率恢复试验

为研究使用不同类型钻井液钻井施工后被污染的岩心渗透率恢复情况，还开展了岩心渗透率恢复试验，结果见表5。岩心均采用DPH-88井储层岩心，实验前测定了各岩心初始渗透率。从表5可知，采用生物酶钻井液后，储层渗透率恢复效果比盐水钻井液好。采用生物酶钻井液，岩心渗透率恢复率超过90%，而盐水钻井液仅为66.45%。

表5 不同钻井液伤害下岩心渗透率恢复结果表

3 大牛地气田现场实践

为验证生物酶钻井液体系对低渗储层的保护作用，在大牛地气田进行了现场应用，取得了较为理想的储层保护效果，结果见表6。由表6可知，采用漂珠、充气、泡沫等方式实现低密度近平衡钻井，结合生物酶解堵技术，大牛地气田储层保护效果较好，渗透率恢复快，水平井裸眼完井产量均在12000 m3／d，部分井达到35000m3／d以上，比常规水基钾氨基钻井液体系储层保护效果好。

表6 大牛地气田水平井生物酶钻井液与钾氨基钻井液应用效果对比表

4 结论与建议

1）低渗储层在钻井过程中易受固相、液相伤害。致密泥饼可以减少液相滤失，在钻井过程中保护储层，但在生产过程中要及时解除，恢复储层渗透率。

2）生物酶钻井液以可降解的纤维素类、淀粉类材料为处理剂，结合针对性的高效降解酶，实现了生产过程中致密泥饼的有效降解清除。泥饼可在30天内完全降解为水和二氧化碳，既满足了低渗储层钻井保护，又实现了环境保护和可持续发展的需要，是具有推广价值的钻井液技术。

3）生物酶钻井液技术在大牛地气田的成功应用，为国内外同类储层油气田钻井及生产过程中储层保护提供了成功经验。

[1]朱春俊，王延斌.大牛地气田低渗储层成因及评价[J].西南石油大学学报：自然科学版，2011，33（1）：49-56.

[2]解超，冯英.大牛地气田弱凝胶钻井液体系[J].天然气技术与经济，2012，6（3）：58-61.

[3]卢虎，邹盛礼，吴晓花，等.轮古裂缝性油藏储层伤害评价分析[J]. 钻采工艺，2005（1）：101-103.

[4]魏茂伟.低渗储层水锁伤害解除技术研究[D].山东：济南大学，2010.

[5]杨倩云，郭保雨.生物酶可解堵钻井液动力学模型研究[J]. 钻井液与完井液，2007，24（1）：15-16.

[6]付兴涛，王永吉.消除由钻井液滤饼引起水平井油层损害的新技术[J]. 钻井液和完井液，1997，12（6）：47-54.