低温油气藏胍胶压裂液破胶酶的研制与性能评价

达祺安, 姚传进,3, 曲晓欢, 褚程程, 马 鑫, 雷光伦,3

(1.非常规油气开发教育部重点实验室(中国石油大学(华东))，山东青岛 266580; 2. 中国石油大学(华东)石油工程学院, 山东青岛 266580; 3.山东省油田化学重点实验室(中国石油大学(华东))，山东青岛 266580)

随着油气资源需求量的迅速增加，中国油气生产主力正从常规油气资源逐渐向非常规油气资源转变。水力压裂作为重要的储层改造工艺在非常规油气藏的开发中起着重要作用。目前最常用的水基压裂液增稠剂为胍胶及其改性产物，对应的破胶剂通常为(NH4)2S2O8，其破胶原理主要是通过在水溶液中生成具有强氧化性的自由基，氧化断裂胍胶中化学键使压裂液降黏返排。然而，在温度低于50 ℃的低温油气藏中，自由基生成反应减弱导致破胶效率下降，致使压裂液滞留在基质与裂缝中造成严重的储层伤害最终影响油气生产[1]。研究表明，压裂液造成的储层伤害可使裂缝导流能力下降超90%[2-3]。针对这一问题，目前通常采用(NH4)2S2O8与反应活化剂的协同作用或利用生物酶破胶剂来提高低温破胶效率[4-7]。然而，活化剂存在成本高、易失活、吸附损失量大、易造成二次污染等问题[8]。另一方面，国内外针对生物酶破胶剂进行了研究并取得了较理想的效果[9-12]。因此生物酶作为一种绿色、高效、低成本的破胶剂，其研制与性能评价具有重要的实际意义。为此，笔者通过发酵学方法利用地衣芽孢杆菌GD-551研制出一种低温油气藏胍胶压裂液专用生物酶破胶剂，测试生物酶破胶剂的低温储层适应性，对比生物酶与(NH4)2SO4的破胶性能，通过室内模拟实验对比低温条件下生物酶破胶剂与(NH4)2SO4的储层伤害性,以期为提高低温油气藏胍胶压裂液破胶效率、减少压裂液伤害提供技术支持。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

高效产酶菌种GD-551为一种地衣芽孢杆菌(bacillus licheniformis)，筛选自东部某油田产出水，该油田平均温度为50 ℃，属于低温油田。羟丙基胍胶粉购自河北科维化工有限公司。其余无机盐试剂购自国药集团化学试剂有限公司，均为分析纯。

微生物产酶培养基：羟丙基胍胶4.0 g、KNO32.0 g、(NH4)2SO42.0 g、K2HPO42.0 g、MgCl20.15 g、CaCl20.15 g，蒸馏水1 000 mL，培养基使用前均调节pH值至7.0并使用高压蒸汽灭菌釜于121 ℃、0.1 MPa下灭菌21 min。

1.2 实验方法

1.2.1 酶破胶剂的研制

生物酶破胶剂的研制分为粗酶制备、(NH4)2SO4盐析与超滤脱盐，前期实验表明高效产酶菌种最佳发酵培养温度为50 ℃，时间为22 h。具体实验步骤如下。

(1)粗酶制备：①配制150 mL产酶培养基装于250 mL蓝盖发酵瓶中，置于高压蒸汽灭菌釜中在121 ℃、0.1 MPa条件下灭菌20 min；②待培养基冷却至室温后，利用无菌接种环向其中接种2至3环菌种GD-551；③将发酵瓶放置在恒温振荡培养箱中于50 ℃、100 r/min下培养22 h后收集发酵液；④利用离心机将发酵液在5 000 r/min转速下离心20 min，收集上清液；⑤利用真空抽滤装置将离心所得上清液依次抽滤通过孔径为5.0、0.8、0.45和0.22 μm的微孔滤膜以去除粗酶液中残留的菌体与杂质，将制得的粗酶液装入无菌样品瓶中置于4 ℃保存备用。

(2)(NH4)2SO4盐析：①配制一定量质量分数为60%的(NH4)2SO4溶液放置在4 ℃下冷藏备用；②在冰盐水浴条件下，将装有粗酶液的烧杯放置磁力搅拌器上搅拌，向其中缓缓加入足量质量分数为60%的(NH4)2SO4溶液；③将混合溶液在4 ℃下放置约6 h，使酶蛋白充分沉淀；④利用离心机将充分沉淀后的溶液在8 000 r/min转速下离心10 min，去除上清液后利用pH值为7.0的磷酸缓冲液溶解沉淀，得到(NH4)2SO4盐析后的酶液。

(3)超滤脱盐。超滤脱盐使用的超滤管主要由内置超滤离心内管与滤出液收集外管组成，在酶超滤脱盐过程中，超滤离心内管用于收集浓缩酶液，滤出液收集外管用于收集滤出液。具体实验步骤为：①取一3kDa超滤管用蒸馏水润洗后置于冰箱中预冷；②将硫酸铵盐析后的酶液加入超滤离心内管中，在10 000 r/min转速下离心15 min后取下滤出液收集外管，向其中滴加1 mol/L的BaCl2溶液，若产生不溶于H2SO4的白色沉淀，则说明此时酶液中仍含(NH4)2SO4，此时用磷酸缓冲液重新溶解酶液进行离心，直至滤出液中无SO42-检出为止；③取出超滤离心内管，用无菌移液枪收集其中的浓缩酶液置于4 ℃下保存。

1.2.2 储层适应性测试

为了明确制得的酶破胶剂适用的储层条件，以破胶率为评价指标测试不同温度、pH值与矿化度条件下酶破胶剂的压裂液破胶效果。破胶率(RBG)表达式为

(1)

式中，μ0为压裂液初始黏度，mPa·s；μt为t时间后破胶液黏度，mPa·s；μmin为压裂液溶剂黏度，本文中使用水基胍胶压裂液，μmin=1 mPa·s；t为破胶时间，h。

通常情况下，温度与pH值会共同对酶破胶剂的作用效果产生影响，因此同时研究酶破胶剂的温度与pH值适应性，单独研究酶破胶剂的矿化度适应性。

温度与pH值适应性实验步骤：①利用酸碱缓冲溶液配制pH值为4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，质量分数为0.4%的胍胶压裂液；②向各胍胶压裂液样品中添加质量分数为2%的破胶酶并搅拌均匀；③将各pH值的胍胶压裂液与破胶酶混合溶液置于30、40、50、60、70 ℃水浴中破胶3 h后测量黏度,计算破胶率。

矿化度适应性实验步骤：①制备总矿化度为28、56、84、112、140 g/L，胍胶质量分数为0.4%的压裂液；②向各胍胶样品中加入质量分数为2%的破胶酶搅拌均匀后分别置于30、40、50 ℃水浴破胶3 h后测量黏度,计算破胶率。

1.2.3 低温破胶性能对比

(NH4)2S2O8是目前使用最广泛的胍胶压裂液破胶剂之一，从对胍胶压裂液的降黏能力与残渣产生量方面对比低温条件下生物酶与(NH4)2S2O8破胶性能。

(1)破胶速率对比：①配制质量分数为0.4%的胍胶压裂液分装在蓝口试剂瓶中；②分别向胍胶压裂液中加入质量分数为2%的浓缩酶与(NH4)2S2O8溶液，搅拌均匀后分别置于30、40、50 ℃水浴中反应；③利用SNB-2型数字式黏度计测量并记录黏度变化。

(2)残渣产生量：①配制两份200 mL质量分数为0.4%的胍胶压裂液，灭菌备用；②分别向两份胍胶压裂液中加入质量分数为2%的浓缩酶与(NH4)2S2O8溶液，搅拌均匀后置于30、40、50 ℃水浴中反应；③每隔一段时间取出胍胶压裂液测量黏度，当压裂液不能挑挂时停止反应；④将破胶液装入离心管置于离心机中，在5 000 r/min条件下离心15 min，收集离心管底部残渣沉淀，置于100 ℃烘箱中烘干6 h后记录残渣质量，计算对应残渣含量。残渣含量计算公式为

(2)

式中，η为压裂液残渣含量，mg/L；m为残渣质量，mg；V为压裂液用量，L。

1.2.4 基质与裂缝模拟实验

表1为所用岩心的基本参数，实验破胶温度为40 ℃，实验装置流程如图1所示，其中可视化裂缝模型结构如图2所示，中间容器可根据步骤调整其中液体为胍胶压裂液、酶破胶剂、(NH4)2S2O8溶液等。

表1 基质岩心基本参数

图1 岩心驱替流程示意图Fig.1 Sketch map of core displacement process

基质模拟实验：①测量并计算实验用胶结岩心基本物理参数，包括几何尺寸、孔隙体积等，并在岩心两头靠近端面的位置分别标注A、B以明确流体注入方向；②将岩心装入岩心夹持器加围压，利用去离子水，按照从B到A的方向测试各岩心水测渗透率k0作为初始渗透率，即储层无胍胶压裂液伤害时内部流体产出时的渗透率；③按照从A到B的方向，向岩心中注入1VP(VP为孔隙体积)模拟胍胶压裂液，模拟压裂液侵入地层过程，其中胍胶与(NH4)2S2O8的质量分数分别为0.4%和2%；④另一块岩心按照相同方向注入1VP模拟胍胶压裂液，其中胍胶的质量分数为0.4%，破胶酶的质量分数为2%；⑤在40 ℃恒温箱中破胶4 h后照从B到A的方向测试岩心的渗透率k，同时记录整个过程中的注入压力。

可视化裂缝实验：①测量可视化裂缝模型基本参数，于两端标注A、B区分流动方向；②按照与胶结岩心相同方向注水测试裂缝模型初始导流能力kWf0;③压裂液注入与破胶过程与胶结岩心相同，破胶温度设置为40 ℃，分别计算采用不同破胶剂破胶后裂缝的导流能力kWf同时利用成像系统观察破胶过程中支撑剂层压裂液堵塞情况。

图2 可视化裂缝结构Fig.2 Diagram of visual crack structure

2 结果分析

2.1 酶破胶剂温度、pH值以及矿化度耐受性

图3 不同温度、pH值条件下生物酶破胶率Fig.3 Breaking rate of enzyme under different temperature and pH value conditions

在实际压裂液破胶过程中，一般以破胶率大于95%视为完全破胶。不同温度、pH值与矿化度条件下酶破胶剂破胶率见图3与图4。可以看出，在温度为30～60 ℃、pH值为5.5～8.0、总矿化度小于84 g/L时生物酶破胶剂的破胶率均可超过95%，达到完全破胶的标准。生物酶破胶剂主要成分为蛋白质，过高的温度、矿化度以及强酸强碱条件下将失去部分活性使作用效果减弱[13]。因此研制的生物酶破胶剂适用于低温、高矿化度油气储层条件。

图4 不同矿化度条件下酶破胶率Fig.4 Breaking rate of enzyme under different salinity conditions

2.2 破胶速率对比

30、40、50 ℃条件下，相同质量分数的酶破胶剂与(NH4)2S2O8破胶剂破胶作用下胍胶压裂液降黏效果变化如图5所示。从图5可以看出，温度低于50 ℃时，(NH4)2S2O8作用下胍胶压裂液黏度下降幅度较小。30 ℃条件下(NH4)2S2O8作用4 h后大部分压裂液还呈现可“挑挂”状态(图6)，基本未破胶，而在生物酶作用下，3个温度下胍胶压裂液黏度均呈现快速下降趋势，4 h后破胶液呈现透明低黏状态。表2为计算所得不同温度下酶破胶剂与(NH4)2S2O8破胶率对比，可以看出30、40、50 ℃下(NH4)2S2O8破胶率均不足15%，酶破胶剂破胶率均超过95%。

图5 酶与过硫酸铵的降黏效果对比Fig.5 Comparison of viscosity reduction effect between enzyme and (NH4)2S2O8

图6 30 ℃条件下(NH4)2S2O8作用4 h后 压裂液状态Fig.6 State of fracturing fluid after (NH4)2S2O8 reacted for 4 h at 30 ℃

产生这一差异的主要原因是(NH4)2S2O8与生物酶破胶所需条件不同。胍胶作为一种天然多糖，其成分为半乳甘露聚糖，分子结构式如图7所示。

主链由甘露糖通过β-1,4糖苷键连接形成，侧链半乳糖通过α-1,6糖苷键连接在主链上。生物酶主要通过断裂β-1, 4糖苷键与α-1,6糖苷键使胍胶破胶形成小分子，所需温度条件即为生物酶的酶解条件，温度一般在20～50 ℃。(NH4)2S2O8是通过在大于50 ℃温度时在溶液中生成氧化自由基，无差别的氧化断裂胍胶中的化学键使胍胶压裂液破胶。研究表明，(NH4)2S2O8能够有效产生氧化自由基的温度不低于50 ℃左右[14]。因此当油气储层温度低于50 ℃且使用(NH4)2S2O8作为破胶剂时，将出现胍胶压裂液无法正常破胶进而堵塞油气储层的情况，此时酶破胶剂更适合用作胍胶压裂液破胶剂。

表2 不同温度下生物酶与过硫酸铵破胶率对比Table 2 Comparison of breaking rate between enzyme breaker and (NH4)2S2O8 under different temperature

图7 半乳甘露聚糖分子结构Fig.7 Molecular structure of galactomannan

2.3 破胶后残渣生成量对比

表3为不同温度下分别使用生物酶与(NH4)2S2O8对胍胶压裂液进行破胶产生残渣的质量以及对应的残渣质量浓度。

从表3中可以看出，对于生物酶破胶剂，随着温度的升高，残渣生成量先降后略有上升，表明40 ℃时酶破胶剂可最大限度降解残渣。此外，使用酶破胶剂处理的胍胶压裂液在3个温度下的残渣质量浓度均低于行业要求的600 mg/L，破胶液整体呈现图8(a)中所示清亮、透明的状态。使用(NH4)2S2O8作为破胶剂的实验组中，随着温度升高，残渣生成量略有下降，但仍比同温度下使用酶破胶剂产生的残渣量高77%以上，且3个温度下的总不溶物质量浓度分别为1 553、1 184、1 027 mg/L，均远高于600 mg/L。除此之外，低温下(NH4)2S2O8破胶不彻底，形成的不溶物与残渣主要以图8(b)所示的胶团形式存在，这些胶团在压裂过程中由于高压滤失作用会在压裂壁面上形成致密滤饼，将进一步增加油气储层的压裂液伤害程度。

低温储层胍胶压裂液破胶过程中产生的残渣与不溶物主要来源于胍胶粉中原有的纤维素、蛋白质、灰分以及未破胶的胶团[15-17]。以上实验结果说明，使用酶破胶剂可完全降解其中未破胶的胶团，酶破胶剂中含有的蛋白酶与纤维素酶可降解纤维素与蛋白质，进而使不溶物含量进一步降低。

表3 不同温度下破胶产生的残渣质量及质量浓度Table 3 Quality and content of insoluble residues produced under different temperatures

图8 破胶液状态Fig.8 Liquid after breaking gel

2.4 基质岩心压裂液伤害模拟实验

图9为40 ℃条件下分别使用酶破胶剂与过硫酸铵对侵入基质的胍胶压裂液进行处理前后反向注入压力变化曲线(按照储层流体流出方向进行注入的压力曲线)。从图9中可以看出，使用酶破胶剂进行处理4 h后，模拟基质中流体的反向注入稳定压力略有上升，约为初始水驱注入压力的1.3倍，表明侵入模拟基质岩心的高黏胍胶压裂液已被酶破胶剂基本降解，未对基质注入能力造成明显伤害。使用(NH4)2S2O8处理4 h后，反向注入压力曲线呈现出3个不同变化区间，在区间①内，由于基质中存在大量未破胶的高黏胍胶压裂液，注入阻力较大，反向注入压力大幅升高至初始水驱注入压力的28倍，基质的注入能力大幅下降。在之后的区间②、③内，流体形成优势流动通道，反向注入压力逐渐下降并趋于稳定，但仍为初始水驱注入压力的7.7倍，结合图8可知，这是由于此时基质中仍含有大量压裂液胶团与残渣所致。结合达西定律可得到破胶前后岩心的渗透率变化可知，两块基质岩心初始渗透率分别为55.2×10-3和53.4×10-3μm2，使用酶破胶剂与(NH4)2S2O8破胶后渗透率分别下降了23.6%与85.2%，表明低温条件下酶破胶剂对基质渗透率造成的伤害远小于传统的(NH4)2S2O8破胶剂。

以上结果表明，在低温破胶条件下，酶破胶剂作用后的基质由于残留压裂液胶团与残渣更少，破胶后基质内流体的流动阻力更小，反向注入压力更低，渗透率下降幅度更小，造成的储层伤害更小。

图9 40 ℃破胶前后岩心反向注入压力Fig.9 Reverse injection pressure before and after gel breaking at 40 ℃

2.5 可视化裂缝模型压裂液伤害模拟实验

表4为40 ℃时使用酶破胶剂与(NH4)2S2O8对可视化裂缝处理前后支撑剂层导流能力的变化。结果表明，对于初始导流能力相近的裂缝支撑剂层，酶破胶剂作用后，支撑剂层导流能力下降23.4%，而(NH4)2S2O8作用后支撑剂层导流能力下降达到84.5%。此外，利用成像系统观察(NH4)2S2O8破胶前后可视化裂缝模型的两个图像采集点，如图10所示。(NH4)2S2O8破胶后的支撑剂层中含有较多的不溶胶团(图10(a))与絮状残渣(图10(b))，胶团与残渣填充了支撑剂之间的孔隙空间，减小了有效渗流面积进而大大降低了裂缝的导流能力。在实际生产过程中，这一现象将会增加油气从基质向裂缝渗流的阻力，最终减少油气产量[18-20]。以上结果表明，相比于(NH4)2S2O8破胶剂，酶破胶剂对低温油气储层裂缝支撑剂层造成的伤害更小。

表4 支撑剂层导流能力变化

图10 (NH4)2S2O8破胶前后支撑剂层孔隙变化Fig.10 Changes of proppant layer pore after (NH4)2S2O8 treatment

3 结 论

(1) 通过发酵学方法利用地衣芽孢杆菌GD-551研制出一种低温油气藏胍胶压裂液专用生物酶破胶剂。

(2)在温度为30～60 ℃、pH值为5.5～8.0、总矿化度小于84 g/L时酶破胶剂的破胶率均可超过95%，达到完全破胶的标准。

(3)在低温条件下，酶破胶剂作用4 h后压裂液即完全破胶，破胶率可超过95%且生成的残渣含量低于行业标准(600 mg/L)，同条件下(NH4)2S2O8破胶率不足15%且生成的残渣含量较酶破胶剂高77%以上。

(4)低温条件下相比于(NH4)2S2O8破胶剂，酶破胶剂作用后基质与裂缝的反向注入压力更低，渗透率与导流能力下降幅度更小，对储层造成的伤害远小于传统的(NH4)2S2O8破胶剂。