油田化学驱用部分水解聚丙烯酰胺环境基准值研究

2022-03-11王晓燕蔡明俊王贵江李金波李小峰林泽宇

石油学报（石油加工） 2022年2期

王晓燕，蔡明俊，王贵江，李金波，李小峰，严曦，王伟，林泽宇

(1.中国石油大港油田采油工艺研究院，天津 300280；2.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆 163318；3.中国石油安全环保技术研究院有限公司，北京 102206；4.清华大学环境学院，北京 100084)

目前化学驱技术已成为中国第一大三次采油技术，广泛应用于高含水老油田的开发，大幅度提高了原油采收率[1-4]。大港油田地处中国东部渤海湾，是中国典型的陆上老油田，历经近50年的开发，整体已进入特高含水、特高原油采出程度阶段，急需发展适应性强的三次采油技术，以保障环渤海湾区域石油能源稳定。经过多年的攻关与实践，聚/表二元复合驱技术已成为大港油田工业化应用的主体三次采油技术[5-6]，其应用区块年产量突破0.4 Mt，该技术成为实现老油田效益稳产和提高原油采收率的关键途径。

聚/表二元复合驱使用的聚合物普遍为部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)[7-10]，是一种线型高分子聚合物，极易溶于水，几乎不溶于苯、甲醇、丙酮等有机溶剂，其水溶液是近似透明的黏稠液体，无危险性。部分水解聚丙烯酰胺是由丙烯酰胺制备而成，因制备时丙烯酰胺转化率无法达到100%，产品总是残留一定量的丙烯酰胺单体，丙烯酰胺的代谢主要是与谷胱甘肽结合发生反应生成N-醋酸基-S-半胱氨酸，一旦残留的丙烯酰胺单体排入环境，进入地面水体和地下水中，能通过皮肤、黏膜、呼吸道和口腔等途径被人吸收，分布在人的体液中，摄入丙烯酰胺污染的水后会引起嗜睡、平衡紊乱、混合记忆丧失和幻觉，也能进入孕妇体内胚胎中，引起胎儿生长迟缓[11-13]。聚合物(下文中所述聚合物均为部分水解聚丙烯酰胺)对化学驱试验区的环境影响，主要体现在油田采出含聚合物水阶段，若含聚合物采出液泄漏，会对环境造成影响。大港油田目前聚合物使用质量浓度为1000～2500 mg/L，产出液中检测出聚合物平均质量浓度小于50 mg/L，是否对环境产生影响尚未可知。

目前国内外在含聚合物化学驱油体系对油田矿区环境影响与环境评价等领域的研究起步较晚，属于新兴学科，缺乏聚合物对矿区影响的环境基准，在化学驱应用过程中，很难准确表征聚合物(部分水解聚丙烯酰胺)对油田矿区的环境影响程度。环境基准[14-18]是环境中的污染物质或有害因素对人体健康和生态系统不产生有害效应的最大剂量或水平，是化学驱工业化应用中环保工作的“尺度”标准，是环境保护的“本底”与“自然控制标准”，也是确定环境保护目标和方向的科学基础。笔者以大港油田聚/表二元化学复合驱为工程依托，结合矿区环境特征，建立受试物种筛选方法，开展受试物种毒理实验，构建环境基准理论数值模型，建立了在用聚合物——部分水解聚丙烯酰胺的环境基准值，为聚/表二元化学驱的工业化应用建立了“环保标定尺度”，可为实现聚/表二元化学复合驱技术绿色可持续发展提供重要的环保基础理论支撑。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

1.1.1 试剂

大港油田在用工业品部分水解聚丙烯酰胺BHH-112，固体质量分数88%；CaCl2·2H2O(分析纯)、盐酸(HCl)(优级纯)，购自中国国药集团化学试剂有限公司；MgSO4·7H2O(优级纯)、KCl(优级纯)、NaHCO3(分析纯)、NaOH(分析纯)，均购自中国天津市科密欧化学试剂有限公司。

1.1.2 实验仪器

ML-204分析天平(精度0.0001 g)，购自梅特勒托利多上海公司；YD300型水质硬度计，购自上海三信科学仪器公司；奥利龙310P-02A型pH计，购自上海轩仪仪器设备有限公司；S975型多参数测定仪，购自梅特勒托利多上海公司；气相色谱(液相色谱)购自美国安捷伦公司，型号为1260-UItivo。UV-2700型紫外-可见分光光度仪，购自岛津仪器苏州公司。

1.2 部分水解聚丙烯酰胺环境基准构建

在系统研究国内外环境基准推导方法学的基础上，综合对比优选基准推导方法，结合大港油田在用部分水解聚丙烯酰胺的物理化学特性及其毒性数据的可获得性，选择用于推导环境基准的方法，进而获得在用聚合物——部分水解聚丙烯酰胺对大港油田二元驱试验区环境影响的环境基准。

具体步骤如下：①针对特定污染物和特定区域的生物区系差异筛选受试物种。②搜集该特定污染物的毒性数据，包括污染物的生态毒理数据，进而对毒性数据进行筛选评估，若已发表和可收集到的文献数据不能满足基准推导方法的要求，则需结合特定区域生物区系进行毒性数据补充和数据验证实验。③进行环境基准推导。目前国内外应用的环境基准推导方法有毒性百分数排序法(TPR)[19]、物种敏感度分布法(SSD)[20]和评价因子法(AF)[21]，其中物种敏感度分布法由Kooijman(1987)[22-24]首次提出，随后许多学者对该方法进行了改进，目前广泛用于生态风险评价和水质基准推导。该方法假设所获物种的毒性数据从整个生态系统中所有物种中随机选取，且假设生态系统中不同物种的毒性数据符合某概率函数，即“物种敏感度分布”。通过数据检验和模型拟合，计算出可以保护95%以上物种不受污染物危害的一个推荐浓度限值。物种敏感度分布法在一定程度上能表征特定区域的生态系统特征，为笔者研究首选的推导方法。

1.3 部分水解聚丙烯酰胺环境基准毒理试验受试物种

环境基准具有区域性，不同气候条件下的生物区系特征不同，代表性物种不同。为了科学合理地保护中国环境态系统，在借鉴美国、澳大利亚、加拿大、俄罗斯、欧盟等不同国家地区制定环境基准所采用生物类别的基础上，结合大港油田三次采油应用矿区所处地球生物分布带特征、本土代表性生物物种种类分布和国际通行生物毒理敏感度特征，筛选出了3门8科全覆盖的8种部分水解聚丙烯酰胺生物毒理受试物种。

1.3.1 环境基准毒理试验受试物种筛选原则

在推导大港油田化学驱区域环境基准时，受试物种筛选需遵循5方面的原则：①具有本地生态学意义的代表性物种。②代表不同营养级的生物类群、不同生命形式的物种。一般要求筛选的物种需涉及到脊索动物门、节肢动物门、软体动物门、环节动物门或其他类，以及藻类或维管束植物等几大门类。③对在用聚合物敏感的物种。④商业上、娱乐上或其他方面产生重要作用的物种。⑤易获得、室内易培养的物种。

1.3.2 环境基准毒理试验受试物种筛选结果

依据环境基准受试物种筛选原则，参照中国动物志和中国植物志，筛选出了符合大港油田化学驱应用区域的8种敏感受试物种，如图1所示。由图1可知，筛选的受试物种至少涵盖了 3个营养级，包括藻类(水生植物)/初级生产者、无脊椎动物/初级消费者、脊椎动物/次级消费者。脊索动物门(鱼类)：斑马鱼(图1(a))、金鱼(图1(b))；软体动物门：中华圆田螺(图1(c))；节肢动物门(昆虫类)：摇蚊幼虫(图1(d))；中华大蟾蜍(图1(e))；节肢动物门(甲壳类)：大型溞(图1(f))、青虾(图1(g))；绿藻门：四尾栅(图1(h))。

图1 大港油田三次采油用聚合物敏感受试物种Fig.1 Polymer sensitive test species for tertiary oil recovery in Dagang oilfield(a) Zebrafish; (b) Goldfish; (c) Chinese snail; (d) Chironomus larvae; (e) Bufo gargarizans; (f) Daphnia magna; (g) Shrimp; (h) Algae

1.4 部分水解聚丙烯酰胺对环境生物毒性数据

1.4.1 毒性数据收集

根据大港油区环境生物区系代表物种的选取结果，搜集了从1980年1月1日至2020年12月31日美国EPA毒性数据库、ECOTOX毒性数据库、国际农药行动联盟农药数据库、Web of Science、中国知网等数据库及文献库，共收集到聚丙烯酰胺3门5科5种生物的急性毒性数据，如表1所示，未收集到相关慢性毒性数据。数据筛选时采用了如下统一原则：水蚤或其他枝角类动物的急性毒性值均采用48 h半数致死浓度表示，简写为48 h-LC50；其他生物的急性毒性值均采用96 h半数致死浓度表示，简写为96 h-LC50；水生藻类采用半数抑制浓度来表示，简写为96 h-EC50。

表1 部分水解聚丙烯酰胺的5种环境生物急性毒性数据Table 1 Acute toxicities of five environmental organisms caused by HPAM

由表1可知，目前只收集到5门5科物种的毒性数据，不足以满足美国、澳大利亚、加拿大和荷兰等不同国家推导保护水生生物基准最低毒性数据(3门8科)要求。因此需要补充3科生物的急性数据。根据1.2.2节受试生物筛选的结果可知，实验需补充脊索动物门(两栖类)的中华大蟾蜍、脊索动物门(鱼类) 的斑马鱼和节肢动物门(甲壳类)的大型溞这3种物种的96 h急性毒性数据和相应的慢性毒性数据。

1.4.2 补充环境生物急性毒性数据

3种补充环境生物中华大蟾蜍、斑马鱼和大型溞的受试物种来源及培养条件方法各有不同，具体见表2所示。

表2 部分水解聚丙烯酰胺对3种环境物种的来源及培养条件Table 2 Sources and culture conditions of HPAM for three environmental organisms

将产卵的中华大蟾蜍蝌蚪、斑马鱼幼鱼及大型溞暴露于含有不同浓度的部分水解聚丙烯酰胺溶液中，以96 h为1个试验周期，分别在24、48、72和96 h观察并记录各物种的中毒症状和死亡情况。实验结束计算每个浓度部分水解聚丙烯酰胺溶液中不活动或死亡受试物种占试验物种总数的百分比，用概率单位目测法，获得不同处理浓度部分水解聚丙烯酰胺溶液在不同观察阶段的累计死亡数和死亡率。受试物种累计死亡率按式(1)计算。

Iy=Y1/Yc×100%

(1)

式中：Y1为死亡的受试物种数量，个；Yc为初始投放的受试物种数量，个；Iy为受试物种累计死亡率，%。

测试终点为急性致死，毒性指标为96 h半数致死浓度(LC50)，用以评价部分水解聚丙烯酰胺对受试物种的急性毒性效应。

1.4.3 3种补充环境生物慢性毒性数据

慢性毒性实验分为整个生命周期实验、部分生命周期实验和早期生命阶段实验，建立在能够反映待测物质在不同的暴露时间内对物种产生的慢性不利影响的终点之上。因此，在环境生物的慢性毒性实验中仅可以使用此研究所获得的数据。

(1)部分水解聚丙烯酰胺对大型溞的慢性毒性实验方法

大型溞为实验室培养3代以上的单克隆品系，使用Elendt M4培养基进行培养，用新鲜斜生栅藻作为其唯一食物。实验前，挑选个体大、怀卵多和游泳能力强的母溞20～30个置于500 mL的烧杯内，喂养21 d，随机选取小于24 h的非头胎幼溞用于慢性毒性实验。大型溞21 d慢性毒性试验参考OECD标准方法实验为半静态实验，每个浓度的部分水解聚丙烯酰胺溶液中投放10 个母溞，记录每个大型溞的蜕皮次数、每胎产溞数量及幼溞存活个数(死亡鉴定：摇动玻璃管观察底部幼溞15 s未能游动即认定死亡)，及时取出新生幼溞，暴露实验结束时在显微镜下测量大型溞体长(不包括尾刺)。

(2)部分水解聚丙烯酰胺对斑马鱼的慢性毒性实验方法

斑马鱼幼体生存/生长抑制实验采用生命早期处于指数生长阶段的幼鱼，根据30 d预测生存毒性计算结果，根据急性毒性实验结果设置5种部分水解聚丙烯酰胺溶液浓度。暴露28 d后统计存活数，测量幼鱼体重，按公式(2)计算幼鱼比生长率(SGR)。

(2)

式中：t1、t2分别为实验开始与结束的时间间隔，d；m1、m2分别为某尾鱼在t1、t2时的质量，g。

(3)部分水解聚丙烯酰胺对摇蚊幼虫的慢性毒性实验方法摇蚊幼虫幼体生存/生长抑制试验采用刚孵化的摇蚊幼虫，根据急性毒性实验结果设置5种浓度的部分水解聚丙烯酰胺溶液。暴露10 d后统计存活数量，测量摇蚊幼虫体重，并按公式(2)计算幼虫的比生长率(SGR)，其中m1和m2分别表示某摇蚊幼虫在t1和t2时的质量。

1.5 大港油田三次采油用部分水解聚丙烯酰胺环境基准值推导

研究采用物种敏感度分布法推导在用聚合物环境基准，此方法假设所获物种的毒性数据为从整个生态系统中所有物种中随机选取，且假设生态系统中不同物种的毒性数据符合某概率函数。通过数据检验和模型拟合，计算出可以保护95%以上物种不受污染物危害的一个推荐浓度限值，具体推导流程如图2所示。

SMAV—Average acute toxic value； CMAV—Average chronic toxic value；HC5—Concentration value that is harmful to five percent of organisms in specific environment图2 物种敏感度分布法环境基准推导流程Fig.2 Environmental criteria derivation process of species sensitivity distribution method

2 结果与讨论

2.1 3种环境生物急性毒性实验结果

大港油区补充环境急性毒性实验结果见表3。由表3可知，三次采油在用聚合物——部分水解聚丙烯酰胺浓度对3种受试物种的急性毒性效应影响很大，96 h中毒症状差别较大。3种实验物种的空白对照组在实验过程中无异常表现，且由表3得知死亡率均为0，符合US EPA毒理实验对空白组数据的要求(死亡率小于10%)。实验开始初期，各浓度组的中华大蟾蜍蝌蚪、斑马鱼幼鱼和大型溞在实验容器底部水层集群游动。随着实验时间的延长，中华大蟾蜍蝌蚪、斑马鱼幼鱼和大型溞先后出现死亡现象。以斑马鱼为例，具体见图3。由图3可知：部分水解聚丙烯酰胺质量浓度在不低于1000 mg/L的高浓度组中的受试物种出现窜游、停游、游动失衡等明显中毒症状，同时出现身体弯曲、畸形，躺卧于实验容器底部，对应中毒时间分别为48、18和24 h。而部分水解聚丙烯酰胺质量浓度在低于1000 mg/L的低浓度组中的物种，在最初时出现中毒症状的时间较迟，且症状不明显，随着暴露时间的延长，中毒症状逐渐明显。实验中，中华大蟾蜍蝌蚪、斑马鱼幼鱼和大型溞对应的中毒最低部分水解聚丙烯酰胺质量浓度分别为2000、500和1000 mg/L。

表3 三次采油用部分水解聚丙烯酰胺对3类补充物种的96 h环境急性毒性效应实验结果Table 3 Ninety-six-hour environmental acute toxicity test results of three types ofsupplementary species under the action of HPAM used in tertiary oil recovery

续表

图3 斑马鱼在部分水解聚丙烯酰胺溶液中急性毒性中毒症状Fig.3 Symptoms of acute toxic poisoning of zebrafish in HPAM solution(a) Body distortion; (b) Swimming imbalances; (c) Swimming imbalances; (d) Accelerated breathing;(e) Sink to the bottom of the fish tank; (f) Stop swimming

2.2 受试物种中毒症状及环境基准毒理数值

采用SPSS 19.0软件的Probit法计算在用聚合物——部分水解聚丙烯酰胺对中华大蟾蜍、斑马鱼和大型溞的96 h的半数致死浓度LC50及其 95%置信区间，结果见图4。由图4可知：部分水解聚丙烯酰胺对中华大蟾蜍急性致死的96 h-LC50为5576 mg/L，其95%置信区间为5312～5776 mg/L。对斑马鱼急性致死的96 h-LC50为1412 mg/L，其95%置信区间为1329～1639 mg/L。对大型溞急性致死的96 h-LC50为1986 mg/L，其95%置信区间为1563～2213 mg/L。结合调研及研究统计，大港油区敏感受试物种急性毒性数据如表4所示。

图4 大港油田在用部分水解聚丙烯酰胺敏感受试物种半数致死浓度Fig.4 Median lethal concentration of HPAM sensitive test species in Dagang oilfield(a) Bufo gargarizans; (b) Daphnia magna; (c) Zebrafish

表4 三次采油用部分水解聚丙烯酰胺的环境生物急性毒性数据Table 4 Environmental biological acute toxicity data of HPAM used in tertiary oil recovery

2.3 3类补充环境生物慢性毒性实验结果

计算部分水解聚丙烯酰胺对大型溞、斑马鱼和摇蚊幼虫生长抑制慢性毒性值，如表5所示。

表5 在用部分水解聚丙烯酰胺对环境生物慢性毒性数据Table 5 Data on chronic toxicity of HPAM to environmental organisms

2.4 急性基准值推导

将用于推导环境基准的毒性数据按照生物种类分别计算各物种平均急性值(SMAV)。将SMAV按照从大到小顺序排列，并给其分配等级，最小的等级为1，最大的等级为N(N也为物种数)，如果有2个或以上物种的种平均急性值相等，那么将其任意排成连续的等级，计算每个物种的种平均急性值的累积概率，如公式(3)所示。

P=(1-0.5)/N×100%

(3)

式中：P为累积概率，%；1为物种的等级(无量纲一)；N为物种数，个。

5种不同理论分布模型对种平均急性值SMAV和其累积概率P进行拟合分析，结果如表6所示。由表6可知，Lognormal模型的拟合度最高，评价指标最好，选择该拟合结果作为推导急性(短期)基准的依据，从而推算出部分水解聚丙烯酰胺对全部数量5%的生物产生危害的浓度HC5为1345.86 mg/L，最终获得急性(短期)基准值(HC5/2)为672.93 mg/L。

表6 5种不同理论模型拟合的急性SSD曲线及评价指标Table 6 Acute SSD curves and evaluation indicators fitted by five different theoretical models

2.5 慢性基准值推导

慢性基准值推导有2种可选方法，当有足够多慢性毒性数据用于拟合模型时，可使用与急性基准值同样的方法得出；若不能使用模型拟合，则使用急性毒性数据得到的HC5除以最终急/慢性比率几何平均值FACR获得慢性基准值，这里FACR为至少3个物种的急/慢性比率ACR的几何平均值，其中，ACR指某一物种的急性基准值除以慢性基准值的商值。由于笔者所收集到的慢性毒性数据较少，因此采用第2种最终急/慢性比率法推导慢性环境基准值。即首先得出3种受试物种的急/慢性比率ACR，再计算平均值得到FACR，最终依据急性毒性数据的HC5推导出慢性基准值，见表7。