非常規(guī)油氣開發(fā)用滑溜水壓裂液體系生物毒性評價實(shí)驗(yàn)研究

張 穎， 余維初， 李 嘉， 佘朝毅， 周 豐， 王香增

(1長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 2中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 3四川長寧天然氣開發(fā)有限公司 4中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司 5陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院)

我國的非常規(guī)油氣資源多位于淡水資源匱乏地區(qū)，一旦開采過程污水處理不當(dāng)，就會造成水資源短缺和水污染的雙重災(zāi)難，其中以水污染問題最令人堪憂[1-2]。頁巖氣開發(fā)主要是通過水力壓裂，在儲層內(nèi)構(gòu)建復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。目前，水力壓裂所用壓裂液主要為滑溜水壓裂液體系，由99.5%左右的水和0.5%左右的化學(xué)添加劑組成。雖然化學(xué)添加劑所占比例很小，但是如果有毒，無論是滯留在地層或者發(fā)生泄漏，都可能對地下水、河流等水資源造成嚴(yán)重污染[3-4]。此外，我國非常規(guī)油氣開采的主要開采區(qū)域位于地質(zhì)條件復(fù)雜與水資源非常短缺的川渝、新疆等地區(qū)，若地下水被污染，則很難進(jìn)行治理。目前，國內(nèi)現(xiàn)場在選用滑溜水時，主要評價其減阻性能、防膨性能、返排性能等，鮮有對滑溜水進(jìn)行環(huán)保方面的性能測試。因此，隨著環(huán)保問題的日益突出以及油氣開發(fā)過程中的環(huán)保法規(guī)的愈加嚴(yán)格，油氣開發(fā)中的環(huán)境保護(hù)問題需要引起油氣開發(fā)從業(yè)者的高度重視，本文將生物毒性等級作為滑溜水的性能指標(biāo)之一，建立滑溜水毒性分級，在杜絕有毒滑溜水使用的同時，嚴(yán)格把控有毒壓裂返排液的排放[5]。針對油田化學(xué)劑的生物毒性評價，美國石油學(xué)會曾提出糠蝦生物實(shí)驗(yàn)方法，中國國家標(biāo)準(zhǔn)也提出過以小于10 d期的小仔蝦或由鹵蟲卵孵化20～24 h后鹵蟲幼體作實(shí)驗(yàn)生物[6-7]。目前，應(yīng)用較廣的生物毒性評價方法是發(fā)光細(xì)菌法，其具有反應(yīng)快、靈敏度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。文中利用發(fā)光細(xì)菌法和糠蝦生物實(shí)驗(yàn)測試法對由不同類型減阻劑(目前國內(nèi)常用的)配制的滑溜水進(jìn)行毒性測試，并且對比了兩種實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。研究成果將有助于建立系統(tǒng)、科學(xué)的評價滑溜水性能的方法，并為現(xiàn)場壓裂液的合理選用提供依據(jù)[10]。

一、實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

(1)實(shí)驗(yàn)儀器。DXY-3智能化生物毒性測試儀、全自動表面張力儀、界面張力儀、減阻率測試儀、毛細(xì)管吸收時間測定儀、攪拌器、電子天平、高速攪拌器、測試樣品管等。

(2)實(shí)驗(yàn)藥品。粉末類減阻劑1#、2#；油基乳液類減阻劑3#、4#；水基乳液減阻劑5#、6#；多功能添加劑、發(fā)光細(xì)菌；氯化鈉(分析純)、海水素、黑褐新糠蝦。

二、實(shí)驗(yàn)方法

1. 發(fā)光細(xì)菌法

正常條件下，發(fā)光細(xì)菌可發(fā)出一定波長的光，同時許多有毒物質(zhì)可抑制其發(fā)光，即發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光強(qiáng)度與接觸物質(zhì)的生物毒性之間存在著很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性[11]。因此利用靈敏的光度計測定滑溜水壓裂液對發(fā)光細(xì)菌發(fā)光能力的影響，即可對其生物毒性的等級進(jìn)行評價。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：①按照配方用蒸餾水配制好實(shí)驗(yàn)液，按體積比取1份實(shí)驗(yàn)液加入9份30 g/L氯化鈉溶液混合均勻，作為樣品液；②按體積比取1份①中的樣品液加入9份30 g/L氯化鈉溶液稀釋成第二份樣品液；③以此類推將第一份實(shí)驗(yàn)液依次稀釋成5個不同濃度的樣品液，共得到6個樣品液；④將6個不同濃度的樣品液分為6組，每組樣品設(shè)置3個樣品管作為平行樣，同時設(shè)置3個空白管(30 g/L氯化鈉溶液)；⑤分別測試不同濃度的樣品管和對應(yīng)空白管的發(fā)光強(qiáng)度，記錄每個濃度Ci下樣品管和空白管的發(fā)光強(qiáng)度E0，i和Ei。具體實(shí)驗(yàn)步驟參見標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6787-2010《水溶性油田化學(xué)劑環(huán)境保護(hù)技術(shù)要求》和SY/T 6788-2010《水溶性油田化學(xué)劑環(huán)境保護(hù)技術(shù)評價方法》。根據(jù)式(1)可計算出相對發(fā)光度：

(1)

式中:E—相對發(fā)光度，%；E0—空白管的發(fā)光強(qiáng)度，mV；Ei—樣品管的發(fā)光強(qiáng)度，mV。

計算出相對發(fā)光度E后，建立樣品濃度(C)與其相對發(fā)光度(E)的一元一次線性回歸方程，根據(jù)該方程作出關(guān)系曲線，曲線推算出相對發(fā)光度為50%時樣品的濃度EC50值，對照生物毒性等級劃分范圍表即可確定該樣品的生物毒性等級，見表1。

表1 生物毒性等級分類

2. 糠蝦生物實(shí)驗(yàn)測試法

糠蝦法是由美國石油學(xué)會(API)和美國實(shí)驗(yàn)與材料學(xué)會(ASTM)推薦的一種用于評價鉆井液體系及各組分生物毒性的的標(biāo)準(zhǔn)方法，該方法使用巴西擬糠蝦作為標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)生物。中國科學(xué)院海洋研究院的周名江等人將黑褐新糠蝦經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室馴化培養(yǎng)后作為試驗(yàn)生物，來測定幾種鉆井液添加劑的生物毒性[12]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種黑褐新糠蝦與巴西擬糠蝦對標(biāo)準(zhǔn)毒物的敏感性在一個數(shù)量級上，通過黑褐新糠蝦在測試液中96 h的存活情況可以確定其生物毒性。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：①按照配方用蒸餾水配制實(shí)驗(yàn)液，以1∶9(V/V)將實(shí)驗(yàn)液與海水(使用海水素與蒸餾水按比例勾兌)混合后攪拌均勻，作為樣品液；②按體積比取1份①中的樣品液加入9份海水稀釋成第二份樣品液；③以此類推將第一份實(shí)驗(yàn)液依次稀釋成不同濃度的樣品液，得到6個樣品液；⑤將6個不同濃度的樣品液分為6組，每組使用兩個1 000 mL的燒杯加入800 mL樣品液做平行樣；⑥向燒杯中隨機(jī)循環(huán)加入5±1 d健康活潑的糠蝦，每個燒杯中加入20尾；⑦每隔24 h觀察和記錄糠蝦的存活情況，清理燒杯中的雜質(zhì)和死蝦，至96 h后結(jié)束試驗(yàn)。建立96 h糠蝦的存活率與樣品液的濃度之間的一元一次線性回歸方程，求出96 h糠蝦存活率為50%時的樣品濃度LC50值，對照毒性評定標(biāo)準(zhǔn)(表2)進(jìn)行毒性評價。

表2 污染物毒性評定標(biāo)準(zhǔn)

三、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1. 不同類型滑溜水的主要性能

目前，國內(nèi)常用的減阻劑類型分為粉末類、油基乳液類、水基乳液類，在三種類型減阻劑中分別選用2個油田現(xiàn)場使用的減阻劑樣品配制成滑溜水，配方為0.1%減阻劑+0.2%多功能添加劑。分別對6種滑溜水的主要性能進(jìn)行了測試，測試方法參見標(biāo)準(zhǔn)NB/T 14003.1-2015《頁巖氣 壓裂液第1部分：滑溜水性能指標(biāo)及評價方法》，結(jié)果如表3。

由表3可以看出，用三種類型減阻劑配制的滑溜水均表現(xiàn)出良好的減阻性能，減阻率大于75%，并且能有效降低表面張力，有效抑制儲層水化膨脹，完全能夠滿足現(xiàn)場的壓裂施工要求。

2. 生物毒性評價

本文評價了6種減阻劑、1種多功能添加劑以及相應(yīng)減阻劑配制的滑溜水體系的生物毒性，實(shí)驗(yàn)液的配方分別為0.1%減阻劑，0.2%多功能添加劑，0.1%減阻劑+0.2%多功能添加劑,見表4。

表3 不同類型滑溜水的主要性能參數(shù)

表4 不同樣品的EC50和96 h LC50值

按照表1、表2列出的生物毒性等級分類標(biāo)準(zhǔn)，對照表4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：兩種生物毒性測試方法測定的結(jié)果一致，多功能添加劑無生物毒性，粉末減阻劑1#的生物毒性為重毒，由該減阻劑配制成的滑溜水1#生物毒性也是重毒，粉末減阻劑2#、油基乳液減阻劑3#和4#的生物毒性都為微毒，由這3種減阻劑配制的滑溜水2#、3#、4#均為微毒，水基減阻劑5#和6#的生物毒性為無毒，由水基減阻劑5#、6#配制的滑溜水5#、6#無生物毒性。

3. 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 測試方法比較

發(fā)光細(xì)菌法中選用明亮發(fā)光桿菌為試驗(yàn)菌種，該菌種的發(fā)光能力源于細(xì)胞內(nèi)的ATP、熒光素(FMN)和螢光酶等發(fā)光要素。當(dāng)細(xì)菌細(xì)胞活動性高時，細(xì)胞內(nèi)發(fā)光要素的含量高，則細(xì)菌發(fā)光強(qiáng)度高；當(dāng)細(xì)菌處于休眠狀態(tài)時，細(xì)胞內(nèi)發(fā)光要素的含量就會出現(xiàn)明顯的下降，隨之細(xì)菌的發(fā)光強(qiáng)度就會變?nèi)?。但是，?dāng)與毒性物質(zhì)接觸，菌體就會受抑制甚至死亡，即發(fā)光強(qiáng)度會下降。也就是說，如果實(shí)驗(yàn)中的滑溜水的毒性越強(qiáng)，那么發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光強(qiáng)度就越弱。

糠蝦法中選用的黑褐新糠蝦對標(biāo)準(zhǔn)毒物有一定的敏感性，在沒有被污染的海水中，黑褐新糠蝦可以正常存活，當(dāng)與毒性物質(zhì)接觸，黑褐新糠蝦的存活率會受到影響，如果實(shí)驗(yàn)中滑溜水的毒性越強(qiáng)，則黑褐新糠蝦的存活率越低。

從兩種方法測試的生物毒性數(shù)據(jù)可以看出，對于本實(shí)驗(yàn)中測試液的生物毒性測試結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)兩種實(shí)驗(yàn)方法各有弊益：發(fā)光細(xì)菌法快速、簡便，測定一個樣品只需半個小時就能完成，發(fā)光菌凍干粉易于保存，試驗(yàn)方法和操作步驟比較簡單，可隨時進(jìn)行試驗(yàn)，由于其測定過程是通過靈敏的光度計來感應(yīng)發(fā)光菌的發(fā)光強(qiáng)度，樣品的色度和濁度對實(shí)驗(yàn)的結(jié)果會有很大的干擾，如果被測樣品具有較深的顏色或者渾濁，則光度計感應(yīng)到發(fā)光菌的發(fā)光強(qiáng)度會受到一定的影響；糠蝦法直觀地通過黑褐糠蝦的存活狀況來測定樣品的生物毒性，幾乎可以用于檢測所有的油田化學(xué)品的生物毒性，但是使用糠蝦法檢測生物毒性耗時長，而且黑褐新糠蝦的馴化過程繁瑣，對糠蝦的保存方法也有較高的要求，因此，發(fā)光細(xì)菌法更適合用于評價滑溜水的生物毒性。

3.2 滑溜水毒性來源分析

減阻劑是滑溜水壓裂液體系中最關(guān)鍵的添加，實(shí)驗(yàn)中選取了不同減阻劑、多功能添加劑和相應(yīng)配方的滑溜水壓裂液體系作為實(shí)驗(yàn)對象，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見表4)可以得出：多功能添加劑為無毒，由粉末減阻劑和油基乳液減阻劑配制的滑溜水均具有一定程度的生物毒性，水基乳液減阻劑配制的滑溜水為無毒，滑溜水的生物毒性與其配制所用減阻劑的生物毒性是一一對應(yīng)的，也就是如果使用的減阻劑具有一定程度的生物毒性，則用該減阻劑配制的滑溜水壓裂液體系也會具有生物毒性，因此本文中選取的滑溜水體系生物毒性來源主要是減阻劑。

四、結(jié)論

(1)文中選取的三種類型的滑溜水中，由粉末類減阻劑和油基乳液減阻劑配制的滑溜水壓裂液體系均具有一定程度的生物毒性，水基乳液減阻劑配制的滑溜水壓裂液體系無生物毒性，實(shí)驗(yàn)中具有生物毒性的滑溜水壓裂液體系毒性的來源主要是減阻劑。

(2)對于發(fā)光細(xì)菌法和糠蝦生物實(shí)驗(yàn)測試法兩種生物毒性評價方法，發(fā)光細(xì)菌法更適合用于滑溜水壓裂液生物毒性的評價，該方法具有快速、高效并且操作簡單的優(yōu)點(diǎn)。

(3)不環(huán)保的壓裂液對井場環(huán)境會產(chǎn)生不可修復(fù)的傷害，在實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)非常規(guī)油氣資源的同時,也應(yīng)該注重壓裂液的環(huán)保性，建議建立壓裂液的生物毒性分級，為現(xiàn)場壓裂液的選擇提供依據(jù)。