非常规油气开发用滑溜水压裂液体系生物毒性评价实验研究

张 颖， 余维初， 李 嘉， 佘朝毅， 周 丰， 王香增

(1长江大学化学与环境工程学院 2中国石油集团川庆钻探工程有限公司 3四川长宁天然气开发有限公司 4中国石油集团长城钻探工程有限公司 5陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院)

我国的非常规油气资源多位于淡水资源匮乏地区，一旦开采过程污水处理不当，就会造成水资源短缺和水污染的双重灾难，其中以水污染问题最令人堪忧[1-2]。页岩气开发主要是通过水力压裂，在储层内构建复杂的裂缝网络而实现增产。目前，水力压裂所用压裂液主要为滑溜水压裂液体系，由99.5%左右的水和0.5%左右的化学添加剂组成。虽然化学添加剂所占比例很小，但是如果有毒，无论是滞留在地层或者发生泄漏，都可能对地下水、河流等水资源造成严重污染[3-4]。此外，我国非常规油气开采的主要开采区域位于地质条件复杂与水资源非常短缺的川渝、新疆等地区，若地下水被污染，则很难进行治理。目前，国内现场在选用滑溜水时，主要评价其减阻性能、防膨性能、返排性能等，鲜有对滑溜水进行环保方面的性能测试。因此，随着环保问题的日益突出以及油气开发过程中的环保法规的愈加严格，油气开发中的环境保护问题需要引起油气开发从业者的高度重视，本文将生物毒性等级作为滑溜水的性能指标之一，建立滑溜水毒性分级，在杜绝有毒滑溜水使用的同时，严格把控有毒压裂返排液的排放[5]。针对油田化学剂的生物毒性评价，美国石油学会曾提出糠虾生物实验方法，中国国家标准也提出过以小于10 d期的小仔虾或由卤虫卵孵化20～24 h后卤虫幼体作实验生物[6-7]。目前，应用较广的生物毒性评价方法是发光细菌法，其具有反应快、灵敏度高、成本低等优点[8-9]。文中利用发光细菌法和糠虾生物实验测试法对由不同类型减阻剂(目前国内常用的)配制的滑溜水进行毒性测试，并且对比了两种实验方法的优缺点。研究成果将有助于建立系统、科学的评价滑溜水性能的方法，并为现场压裂液的合理选用提供依据[10]。

一、实验仪器与药品

(1)实验仪器。DXY-3智能化生物毒性测试仪、全自动表面张力仪、界面张力仪、减阻率测试仪、毛细管吸收时间测定仪、搅拌器、电子天平、高速搅拌器、测试样品管等。

(2)实验药品。粉末类减阻剂1#、2#；油基乳液类减阻剂3#、4#；水基乳液减阻剂5#、6#；多功能添加剂、发光细菌；氯化钠(分析纯)、海水素、黑褐新糠虾。

二、实验方法

1. 发光细菌法

正常条件下，发光细菌可发出一定波长的光，同时许多有毒物质可抑制其发光，即发光细菌的发光强度与接触物质的生物毒性之间存在着很强的关联性[11]。因此利用灵敏的光度计测定滑溜水压裂液对发光细菌发光能力的影响，即可对其生物毒性的等级进行评价。

实验步骤如下：①按照配方用蒸馏水配制好实验液，按体积比取1份实验液加入9份30 g/L氯化钠溶液混合均匀，作为样品液；②按体积比取1份①中的样品液加入9份30 g/L氯化钠溶液稀释成第二份样品液；③以此类推将第一份实验液依次稀释成5个不同浓度的样品液，共得到6个样品液；④将6个不同浓度的样品液分为6组，每组样品设置3个样品管作为平行样，同时设置3个空白管(30 g/L氯化钠溶液)；⑤分别测试不同浓度的样品管和对应空白管的发光强度，记录每个浓度Ci下样品管和空白管的发光强度E0，i和Ei。具体实验步骤参见标准SY/T 6787-2010《水溶性油田化学剂环境保护技术要求》和SY/T 6788-2010《水溶性油田化学剂环境保护技术评价方法》。根据式(1)可计算出相对发光度：

(1)

式中:E—相对发光度，%；E0—空白管的发光强度，mV；Ei—样品管的发光强度，mV。

计算出相对发光度E后，建立样品浓度(C)与其相对发光度(E)的一元一次线性回归方程，根据该方程作出关系曲线，曲线推算出相对发光度为50%时样品的浓度EC50值，对照生物毒性等级划分范围表即可确定该样品的生物毒性等级，见表1。

表1 生物毒性等级分类

2. 糠虾生物实验测试法

糠虾法是由美国石油学会(API)和美国实验与材料学会(ASTM)推荐的一种用于评价钻井液体系及各组分生物毒性的的标准方法，该方法使用巴西拟糠虾作为标准的试验生物。中国科学院海洋研究院的周名江等人将黑褐新糠虾经过实验室驯化培养后作为试验生物，来测定几种钻井液添加剂的生物毒性[12]。试验发现，这种黑褐新糠虾与巴西拟糠虾对标准毒物的敏感性在一个数量级上，通过黑褐新糠虾在测试液中96 h的存活情况可以确定其生物毒性。

实验步骤如下：①按照配方用蒸馏水配制实验液，以1∶9(V/V)将实验液与海水(使用海水素与蒸馏水按比例勾兑)混合后搅拌均匀，作为样品液；②按体积比取1份①中的样品液加入9份海水稀释成第二份样品液；③以此类推将第一份实验液依次稀释成不同浓度的样品液，得到6个样品液；⑤将6个不同浓度的样品液分为6组，每组使用两个1 000 mL的烧杯加入800 mL样品液做平行样；⑥向烧杯中随机循环加入5±1 d健康活泼的糠虾，每个烧杯中加入20尾；⑦每隔24 h观察和记录糠虾的存活情况，清理烧杯中的杂质和死虾，至96 h后结束试验。建立96 h糠虾的存活率与样品液的浓度之间的一元一次线性回归方程，求出96 h糠虾存活率为50%时的样品浓度LC50值，对照毒性评定标准(表2)进行毒性评价。

表2 污染物毒性评定标准

三、 实验结果与讨论

1. 不同类型滑溜水的主要性能

目前，国内常用的减阻剂类型分为粉末类、油基乳液类、水基乳液类，在三种类型减阻剂中分别选用2个油田现场使用的减阻剂样品配制成滑溜水，配方为0.1%减阻剂+0.2%多功能添加剂。分别对6种滑溜水的主要性能进行了测试，测试方法参见标准NB/T 14003.1-2015《页岩气 压裂液第1部分：滑溜水性能指标及评价方法》，结果如表3。

由表3可以看出，用三种类型减阻剂配制的滑溜水均表现出良好的减阻性能，减阻率大于75%，并且能有效降低表面张力，有效抑制储层水化膨胀，完全能够满足现场的压裂施工要求。

2. 生物毒性评价

本文评价了6种减阻剂、1种多功能添加剂以及相应减阻剂配制的滑溜水体系的生物毒性，实验液的配方分别为0.1%减阻剂，0.2%多功能添加剂，0.1%减阻剂+0.2%多功能添加剂,见表4。

表3 不同类型滑溜水的主要性能参数

表4 不同样品的EC50和96 h LC50值

按照表1、表2列出的生物毒性等级分类标准，对照表4实验数据可以看出：两种生物毒性测试方法测定的结果一致，多功能添加剂无生物毒性，粉末减阻剂1#的生物毒性为重毒，由该减阻剂配制成的滑溜水1#生物毒性也是重毒，粉末减阻剂2#、油基乳液减阻剂3#和4#的生物毒性都为微毒，由这3种减阻剂配制的滑溜水2#、3#、4#均为微毒，水基减阻剂5#和6#的生物毒性为无毒，由水基减阻剂5#、6#配制的滑溜水5#、6#无生物毒性。

3. 实验分析

3.1 测试方法比较

发光细菌法中选用明亮发光杆菌为试验菌种，该菌种的发光能力源于细胞内的ATP、荧光素(FMN)和萤光酶等发光要素。当细菌细胞活动性高时，细胞内发光要素的含量高，则细菌发光强度高；当细菌处于休眠状态时，细胞内发光要素的含量就会出现明显的下降，随之细菌的发光强度就会变弱。但是，当与毒性物质接触，菌体就会受抑制甚至死亡，即发光强度会下降。也就是说，如果实验中的滑溜水的毒性越强，那么发光细菌的发光强度就越弱。

糠虾法中选用的黑褐新糠虾对标准毒物有一定的敏感性，在没有被污染的海水中，黑褐新糠虾可以正常存活，当与毒性物质接触，黑褐新糠虾的存活率会受到影响，如果实验中滑溜水的毒性越强，则黑褐新糠虾的存活率越低。

从两种方法测试的生物毒性数据可以看出，对于本实验中测试液的生物毒性测试结果一致。实验过程中发现两种实验方法各有弊益：发光细菌法快速、简便，测定一个样品只需半个小时就能完成，发光菌冻干粉易于保存，试验方法和操作步骤比较简单，可随时进行试验，由于其测定过程是通过灵敏的光度计来感应发光菌的发光强度，样品的色度和浊度对实验的结果会有很大的干扰，如果被测样品具有较深的颜色或者浑浊，则光度计感应到发光菌的发光强度会受到一定的影响；糠虾法直观地通过黑褐糠虾的存活状况来测定样品的生物毒性，几乎可以用于检测所有的油田化学品的生物毒性，但是使用糠虾法检测生物毒性耗时长，而且黑褐新糠虾的驯化过程繁琐，对糠虾的保存方法也有较高的要求，因此，发光细菌法更适合用于评价滑溜水的生物毒性。

3.2 滑溜水毒性来源分析

减阻剂是滑溜水压裂液体系中最关键的添加，实验中选取了不同减阻剂、多功能添加剂和相应配方的滑溜水压裂液体系作为实验对象，从实验结果(见表4)可以得出：多功能添加剂为无毒，由粉末减阻剂和油基乳液减阻剂配制的滑溜水均具有一定程度的生物毒性，水基乳液减阻剂配制的滑溜水为无毒，滑溜水的生物毒性与其配制所用减阻剂的生物毒性是一一对应的，也就是如果使用的减阻剂具有一定程度的生物毒性，则用该减阻剂配制的滑溜水压裂液体系也会具有生物毒性，因此本文中选取的滑溜水体系生物毒性来源主要是减阻剂。

四、结论

(1)文中选取的三种类型的滑溜水中，由粉末类减阻剂和油基乳液减阻剂配制的滑溜水压裂液体系均具有一定程度的生物毒性，水基乳液减阻剂配制的滑溜水压裂液体系无生物毒性，实验中具有生物毒性的滑溜水压裂液体系毒性的来源主要是减阻剂。

(2)对于发光细菌法和糠虾生物实验测试法两种生物毒性评价方法，发光细菌法更适合用于滑溜水压裂液生物毒性的评价，该方法具有快速、高效并且操作简单的优点。

(3)不环保的压裂液对井场环境会产生不可修复的伤害，在实现高效开发非常规油气资源的同时,也应该注重压裂液的环保性，建议建立压裂液的生物毒性分级，为现场压裂液的选择提供依据。