生物酶可以在pH值和溫度都比較穩(wěn)定的條件下促進(jìn)某一特定的反應(yīng)快速完成，重要的是酶在反應(yīng)過(guò)程中不會(huì)被消耗，分子結(jié)構(gòu)也不會(huì)發(fā)生改變，只是起到一個(gè)催化的作用，可以使污染物清洗的更徹底，相比于酸性清洗液和氧化性清洗液具有高效性和環(huán)保性。水平井鉆井液污染現(xiàn)場(chǎng)清洗時(shí)，機(jī)械方法和化學(xué)方法在清除濾餅時(shí)各有利弊，機(jī)械方法會(huì)由于出砂和水堵導(dǎo)致產(chǎn)能下降，具有較大的能耗和成本，化學(xué)方法對(duì)水平井鉆井液污染的清洗效果比較好，但是具有較差的專(zhuān)一性，清洗時(shí)會(huì)損壞鉆具，因此將生物酶應(yīng)用到水平井鉆井液污染清洗中。生物酶技術(shù)是近幾年來(lái)工業(yè)發(fā)展中的一項(xiàng)高效環(huán)保的生物技術(shù)，對(duì)纖維素、黃原膠和淀粉的降解有促進(jìn)作用，是一種比機(jī)械方法和化學(xué)方法更環(huán)保的方法。
一、基于生物酶的水平井鉆井液污染清洗方法設(shè)計(jì)
1.1 水平井鉆井液污染的預(yù)處理
酶在化學(xué)反應(yīng)中屬于一種具有催化作用的物質(zhì)，是由生物體內(nèi)的活細(xì)胞產(chǎn)生的，可以加快化學(xué)反應(yīng)的速度。用生物酶清洗水平井的鉆井液污染系統(tǒng)是由發(fā)生器、傳輸電纜以及換能器組成，如圖1所示。預(yù)處理過(guò)程中，將水平井下的換能器用普通射孔電纜輸送到含水層部位，并由輸電電源提供電能，發(fā)生器在清洗時(shí)會(huì)噴射出酸性清洗液和氧化性清洗液，經(jīng)過(guò)信號(hào)電纜將清洗液流入到換能器，最后由換能器將清洗液轉(zhuǎn)換成生物酶，達(dá)到鉆井液污染清洗的目的。
水平井的鉆井液中含有淀粉、聚丙烯酰胺、黃原膠及竣甲基纖維素等合成類(lèi)聚合物成分，這些成會(huì)隨著鉆井液濾液濾失到水平井的井壁周?chē)c黏土等固相顆粒共同形成濾餅，這樣就很容易造成鉆孔發(fā)生有機(jī)堵塞，采用酸性清洗劑很難緩解堵塞問(wèn)題。水平井鉆井液污染預(yù)處理機(jī)理框圖如圖2所示。
生物酶即使與水平井鉆井液分離，催化作用的效率也是非常高的，因此生物酶在水平井鉆井液污染預(yù)處理中承擔(dān)了更多的任務(wù)，大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)中也都借助生物酶的催化作用來(lái)提高生產(chǎn)效率，從而降低了生產(chǎn)過(guò)程中的成本。基于生物酶技術(shù)預(yù)處理水平井鉆井液污染之后，還要在預(yù)處理框圖的基礎(chǔ)上建立水平井鉆井液污染清洗模型，實(shí)現(xiàn)基于生物酶的水平井鉆井液污染清洗。
1.2 建立水平井鉆井液污染清洗模型
建立水平井鉆井液污染清理模型都是將整個(gè)清洗的過(guò)程劃分成幾個(gè)獨(dú)立部分后再研究，水平井鉆井液污染清洗中，每一種污染類(lèi)型都不可能獨(dú)立發(fā)生。建立水平井鉆井液污染清洗模型不是連續(xù)的過(guò)程，是將鉆孔堵塞和濾餅層的形成看作是同時(shí)發(fā)生的，但是清洗時(shí)會(huì)出現(xiàn)影響鉆井液污染的因素不同。
在水平井的鉆孔堵塞方面，結(jié)合鉆井液污染清洗分離器結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)，可以確定鉆井液成分中蛋白質(zhì)污染的形成是在鉆孔堵塞機(jī)制中。當(dāng)水平井的鉆孔經(jīng)常出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象時(shí)，蛋白質(zhì)本身就會(huì)發(fā)生變葩逐郴成濾餅層。
基于流變學(xué)的流量與鉆井液阻力可以表示為：
表達(dá)式中，Q代表生物酶的流量，代表鉆井液產(chǎn)生的阻力，易是蛋白質(zhì)沉淀物的阻力，q代表鉆井液的體積濃度，廣尺代表蛋白質(zhì)形成濾餅層時(shí)阻力增加的速率。
鉆孔堵塞模型在清洗的第一階段常常由于蛋白質(zhì)的聚合物緩慢進(jìn)入鉆孔使水平井的鉆孔發(fā)生堵塞現(xiàn)象。第一階段的濾餅層通常比較薄，假設(shè)忽略濾餅層的壓縮性。水平井鉆孔堵辣型中，體積流率可以表達(dá)為：
其中
表示單位面積內(nèi)鉆井液的體積流率。
通過(guò)未堵塞鉆孔單位面積內(nèi)鉆井液的體積流率為：
公式中，pmf表示水平井鉆孔表面的鉆井液壓力，Aopen表示未堵塞鉆孔的面積。
假設(shè)鉆孔堵塞的速率與鉆井液對(duì)鉆孔的流速率成比例：
因此，可以利用下列公式計(jì)算出鉆井液的體積流率和未堵塞的鉆孔面積同:
在水平井鉆孔堵塞階段，可以忽略堵塞面積阻力增加的速率f'R'，因此水平井鉆孔堵塞區(qū)域的阻力要始終保持恒量，具體表示如下:
綜上分析可以得出水平井鉆井液的污染清洗模型為：
綜上通過(guò)生物酶流量得出了生物酶的體積流率，并結(jié)合鉆井液體積流率和未堵塞鉆孔面積的計(jì)算公式，得到了水平井鉆井液的污染清洗模型，最后需要采用不同參數(shù)清洗水平井鉆井液的油層污染、泥餅污染和抗土污染，才能使水平井鉆井液污染清洗的更徹底。
1.3 水平井鉆井液污染清洗的實(shí)現(xiàn)
根據(jù)鉆井液的體積流率和未堵塞的鉆孔面積計(jì)算公式得到了水平井鉆井液的污染清洗模型，參考水平井鉆井液污染清洗流程圖(見(jiàn)圖4)確定了水平井鉆井液污染清洗效果的影響因素，利用鉆井液污染清洗模型清洗水平井鉆井液的油層污染、泥餅污染和抗土污染。
在清洗鉆井液油層污染時(shí)，采用預(yù)處理工藝處理鉆井液油層污染試樣，根據(jù)水平井鉆井液污染清洗模型分析出影響油層清洗效果的主要因素就是生物酶濃度，不同濃度的生物酶對(duì)水平井鉆井液油層污染的清洗效果也是不同的，但鉆井液污染的清洗效果不是生物酶濃度越高就越好，生物酶濃度對(duì)鉆井液油層污染清洗效果如圖5所示。
針對(duì)生物酶溶液，當(dāng)生物酶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.5%時(shí)，通量恢復(fù)率可以達(dá)到78.9%o但是當(dāng)生物酶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.7%時(shí)，油層污染的通量恢復(fù)率為79.2%，并沒(méi)有明顯提高，隨后生物酶濃度繼續(xù)增大，通量恢復(fù)率反而下降。原因是隨著生物酶PH的增加，在油層清洗過(guò)程中蛋白質(zhì)發(fā)生了變性，導(dǎo)致鉆井液油層污染清洗效果不明顯。因此選用生物酶濃度為0.5%~0.7%時(shí)，水平井鉆井液油層污染的清洗效果最好。
在清洗鉆井液泥餅污染時(shí)，采用預(yù)處理工藝處理鉆井液泥餅污染試樣，利用水平井鉆井液污染清洗模型分析出油層清洗效果的影響因素主要是就是清洗時(shí)間，通常情況下水平井泥餅污染的清洗效果會(huì)隨著清洗時(shí)間的延長(zhǎng)而增強(qiáng)，但是會(huì)由于清洗劑種類(lèi)和性質(zhì)的不同，使得泥餅清洗效果的增長(zhǎng)趨勢(shì)不同。清洗時(shí)間對(duì)鉆井液泥餅清洗效果的影響如圖6所示。
對(duì)于SDS溶液30分鐘以內(nèi)清洗泥餅污染的通量恢復(fù)率處于增長(zhǎng)昨，隨著清洗時(shí)間的延長(zhǎng)，通量恢復(fù)率沒(méi)有明顯變化，但是生物酶溶液清洗泥餅污染的最佳狀態(tài)清洗時(shí)間是40分鐘，而40分鐘后通量恢復(fù)率也處于增長(zhǎng)狀態(tài)。
在清洗鉆井液抗土污染時(shí)，采用預(yù)處理工藝處理鉆井液抗土污染試樣，利用水平井鉆井液污染清洗模型分析出影響抗土污染清洗效果的因素主要就是清洗時(shí)間，所有清洗劑都是隨著清洗溫度的升高，吐污染的通磁復(fù)率也都增加。清洗磁對(duì)抗土污染清洗效果的影響如表1所示。
選擇清洗溫度時(shí)，要考慮到鉆井液抗土污染程度及生物酶對(duì)溫度的敏感程度。分析表1的數(shù)據(jù)可知，不同種類(lèi)的清洗劑清洗抗土污染的最佳清洗溫度均為45%。
在參考了水平井鉆井液污染清洗流程后，分別采用生物酶濃度、清洗時(shí)間和清洗溫度三個(gè)因素對(duì)鉆井液的油層污染、泥餅污染和抗土污染清洗，確定了可以達(dá)到最佳清洗效果的因素范圍，完成了基于生物酶的水平井鉆井液污染清洗。
二、實(shí)驗(yàn)對(duì)比
2.1 水平井鉆井液取樣
檢査水平井鉆井液是否澄清，工作污染指數(shù)是否在規(guī)定范圍內(nèi)，取盡量多的鉆井液，取樣盡量避開(kāi)污染指數(shù)高的鉆井液，選用污染較為嚴(yán)重且均勻的部分，取樣的整個(gè)過(guò)程都不要混入其他雜質(zhì)，將取樣的鉆井液分別裝在100ml的實(shí)驗(yàn)瓶中盡可能降低試樣的污染程度。
2.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境和儀器選擇
鉆井液黏度對(duì)比實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)儀器包括電子天平、洗耳球、廣口瓶、燒杯、玻璃棒、六轉(zhuǎn)速黏度計(jì)、毛細(xì)管黏度計(jì)、機(jī)磁拌器、恒溫水浴鍋。實(shí)Mm包括預(yù)膠化淀粉和生物酶。
2.3 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)論
配置2%的預(yù)膠化淀粉溶液。將60ml鉆井液溶解在一定量水中，剩余的40ml鉆井液在水浴中加熱至接近沸騰，將加入水的鉆井液緩緩加入即將沸騰的水中，邊攪拌邊加熱，直至鉆井液到半透明狀態(tài)。鉆井液冷卻定容到100ml。
配置10份生物酶與鉆井液試樣反應(yīng)體系，其中鉆井液體積均為100ml，生物酶濃度均為100mg/L，分別采用基于預(yù)膠化淀粉的水平井鉆井液污染清洗方法和基于生物酶的水平井鉆井液污染清洗方法，考察體系在30%-140%：之間的反應(yīng)活性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。
由圖7可以看出，兩種清洗方法在溫度低于4O3C時(shí)鉆井液黏度仍然很高，隨著溫度的升高，采用基于生物酶的水平井鉆井液污染清洗方法，鉆井液黏度急速下滑，直至80%時(shí)黏度最低，為9mPa·s，達(dá)到最佳清洗效果。
用同樣方法配置3份鉆井液與生物酶反應(yīng)體系，其中鉆井液體積為100ml，生物酶濃度在50mg/L至500mg/L之間，考察生物酶活性在80%以下，分別采用基于預(yù)膠化淀粉的水平井鉆井液污染清洗方法和基于生物酶的水平井鉆井液污染清洗方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。
根據(jù)圖8對(duì)比曲線可知，兩種清洗方法在生物酶濃度低于200mg/L時(shí)，清洗效果都很差，當(dāng)生物酶濃度超過(guò)300mg/L時(shí)，采用基于生物酶的水平井鉆井液污染清洗方法，鉆井液黏度開(kāi)始急速下滑，處于300mg/L-350mg/L之間時(shí)，鉆井液濃度達(dá)到最低，為20mPa-s，清洗效果也是最佳的。
基于上述實(shí)驗(yàn)，可以得出當(dāng)溫度和生物酶濃度都很低時(shí)，兩種清洗方法測(cè)得的鉆井液黏度都很高，但是隨著自變量的升高，采用基于生物酶的水平井鉆井液污染清洗方法，鉆井液的黏度立即下降，完全可以達(dá)到最佳的清洗效果。而基于預(yù)膠化淀粉的水平井鉆井液污染清洗方法測(cè)得的鉆井液黏度曲線也有下降的趨勢(shì)，但鉆井液黏度仍然很高，清洗效果較差。經(jīng)計(jì)算可以得出，提出的基于生物酶的水平井鉆井液污染清洗方法較基于預(yù)膠化淀粉的水平井鉆井液污染清洗方法，清洗能力提升了55%，適合用于水平井鉆井液污染清洗中。
三、結(jié)語(yǔ)
提出了基于生物酶的水平井鉆井液污染清洗方法研究。先采用生物酶技術(shù)預(yù)處理水平井鉆井液污染，根據(jù)預(yù)處理機(jī)理框圖構(gòu)建了基于生物酶技術(shù)建立水平井鉆井液污染清洗模型，并采用生物酶濃度、清洗時(shí)間和清洗溫度三個(gè)因素清洗鉆井液的油層污染、泥餅污染和抗土污染清洗，實(shí)現(xiàn)了基于生物酶的水平井鉆井液污染清洗。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，提出的基于生物酶的水平井鉆井液污染清洗方法在鉆井液污染清洗中具有較好的清洗效果。可以為基于生物酶的水平井鉆井液污染清洗方法提供理論指導(dǎo)。( >
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