油田化學驅用部分水解聚丙烯酰胺環境基準值研究

王曉燕， 蔡明俊， 王貴江， 李金波， 李小峰， 嚴 曦， 王 偉， 林澤宇

(1.中國石油 大港油田 采油工藝研究院，天津 300280；2.東北石油大學 提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；3.中國石油 安全環保技術研究院有限公司，北京 102206；4.清華大學 環境學院，北京 100084)

目前化學驅技術已成為中國第一大三次采油技術，廣泛應用于高含水老油田的開發，大幅度提高了原油采收率[1-4]。大港油田地處中國東部渤海灣，是中國典型的陸上老油田，歷經近50年的開發，整體已進入特高含水、特高原油采出程度階段，急需發展適應性強的三次采油技術，以保障環渤海灣區域石油能源穩定。經過多年的攻關與實踐，聚/表二元復合驅技術已成為大港油田工業化應用的主體三次采油技術[5-6]，其應用區塊年產量突破0.4 Mt，該技術成為實現老油田效益穩產和提高原油采收率的關鍵途徑。

聚/表二元復合驅使用的聚合物普遍為部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)[7-10]，是一種線型高分子聚合物，極易溶于水，幾乎不溶于苯、甲醇、丙酮等有機溶劑，其水溶液是近似透明的黏稠液體，無危險性。部分水解聚丙烯酰胺是由丙烯酰胺制備而成，因制備時丙烯酰胺轉化率無法達到100%，產品總是殘留一定量的丙烯酰胺單體，丙烯酰胺的代謝主要是與谷胱甘肽結合發生反應生成N-醋酸基-S-半胱氨酸，一旦殘留的丙烯酰胺單體排入環境，進入地面水體和地下水中，能通過皮膚、黏膜、呼吸道和口腔等途徑被人吸收，分布在人的體液中，攝入丙烯酰胺污染的水后會引起嗜睡、平衡紊亂、混合記憶喪失和幻覺，也能進入孕婦體內胚胎中，引起胎兒生長遲緩[11-13]。聚合物(下文中所述聚合物均為部分水解聚丙烯酰胺)對化學驅試驗區的環境影響，主要體現在油田采出含聚合物水階段，若含聚合物采出液泄漏，會對環境造成影響。大港油田目前聚合物使用質量濃度為1000～2500 mg/L，產出液中檢測出聚合物平均質量濃度小于50 mg/L，是否對環境產生影響尚未可知。

目前國內外在含聚合物化學驅油體系對油田礦區環境影響與環境評價等領域的研究起步較晚，屬于新興學科，缺乏聚合物對礦區影響的環境基準，在化學驅應用過程中，很難準確表征聚合物(部分水解聚丙烯酰胺)對油田礦區的環境影響程度。環境基準[14-18]是環境中的污染物質或有害因素對人體健康和生態系統不產生有害效應的最大劑量或水平，是化學驅工業化應用中環保工作的“尺度”標準，是環境保護的“本底”與“自然控制標準”，也是確定環境保護目標和方向的科學基礎。筆者以大港油田聚/表二元化學復合驅為工程依托，結合礦區環境特征，建立受試物種篩選方法，開展受試物種毒理實驗，構建環境基準理論數值模型，建立了在用聚合物——部分水解聚丙烯酰胺的環境基準值，為聚/表二元化學驅的工業化應用建立了“環保標定尺度”，可為實現聚/表二元化學復合驅技術綠色可持續發展提供重要的環?；A理論支撐。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

1.1.1 試劑

大港油田在用工業品部分水解聚丙烯酰胺BHH-112，固體質量分數88%；CaCl2·2H2O(分析純)、鹽酸(HCl)(優級純)，購自中國國藥集團化學試劑有限公司；MgSO4·7H2O(優級純)、KCl(優級純)、NaHCO3(分析純)、NaOH(分析純)，均購自中國天津市科密歐化學試劑有限公司。

1.1.2 實驗儀器

ML-204分析天平(精度0.0001 g)，購自梅特勒托利多上海公司；YD300型水質硬度計，購自上海三信科學儀器公司；奧利龍310P-02A型pH計，購自上海軒儀儀器設備有限公司；S975型多參數測定儀，購自梅特勒托利多上海公司；氣相色譜(液相色譜)購自美國安捷倫公司，型號為1260-UItivo。UV-2700型紫外-可見分光光度儀，購自島津儀器蘇州公司。

1.2 部分水解聚丙烯酰胺環境基準構建

在系統研究國內外環境基準推導方法學的基礎上，綜合對比優選基準推導方法，結合大港油田在用部分水解聚丙烯酰胺的物理化學特性及其毒性數據的可獲得性，選擇用于推導環境基準的方法，進而獲得在用聚合物——部分水解聚丙烯酰胺對大港油田二元驅試驗區環境影響的環境基準。

具體步驟如下：①針對特定污染物和特定區域的生物區系差異篩選受試物種。②搜集該特定污染物的毒性數據，包括污染物的生態毒理數據，進而對毒性數據進行篩選評估，若已發表和可收集到的文獻數據不能滿足基準推導方法的要求，則需結合特定區域生物區系進行毒性數據補充和數據驗證實驗。③進行環境基準推導。目前國內外應用的環境基準推導方法有毒性百分數排序法(TPR)[19]、物種敏感度分布法(SSD)[20]和評價因子法(AF)[21]，其中物種敏感度分布法由Kooijman(1987)[22-24]首次提出，隨后許多學者對該方法進行了改進，目前廣泛用于生態風險評價和水質基準推導。該方法假設所獲物種的毒性數據從整個生態系統中所有物種中隨機選取，且假設生態系統中不同物種的毒性數據符合某概率函數，即“物種敏感度分布”。通過數據檢驗和模型擬合，計算出可以保護95%以上物種不受污染物危害的一個推薦濃度限值。物種敏感度分布法在一定程度上能表征特定區域的生態系統特征，為筆者研究首選的推導方法。

1.3 部分水解聚丙烯酰胺環境基準毒理試驗受試物種

環境基準具有區域性，不同氣候條件下的生物區系特征不同，代表性物種不同。為了科學合理地保護中國環境態系統，在借鑒美國、澳大利亞、加拿大、俄羅斯、歐盟等不同國家地區制定環境基準所采用生物類別的基礎上，結合大港油田三次采油應用礦區所處地球生物分布帶特征、本土代表性生物物種種類分布和國際通行生物毒理敏感度特征，篩選出了3門8科全覆蓋的8種部分水解聚丙烯酰胺生物毒理受試物種。

1.3.1 環境基準毒理試驗受試物種篩選原則

在推導大港油田化學驅區域環境基準時，受試物種篩選需遵循5方面的原則：①具有本地生態學意義的代表性物種。②代表不同營養級的生物類群、不同生命形式的物種。一般要求篩選的物種需涉及到脊索動物門、節肢動物門、軟體動物門、環節動物門或其他類，以及藻類或維管束植物等幾大門類。③對在用聚合物敏感的物種。④商業上、娛樂上或其他方面產生重要作用的物種。⑤易獲得、室內易培養的物種。

1.3.2 環境基準毒理試驗受試物種篩選結果

依據環境基準受試物種篩選原則，參照中國動物志和中國植物志，篩選出了符合大港油田化學驅應用區域的8種敏感受試物種，如圖1所示。由圖1可知，篩選的受試物種至少涵蓋了 3個營養級，包括藻類(水生植物)/初級生產者、無脊椎動物/初級消費者、脊椎動物/次級消費者。脊索動物門(魚類)：斑馬魚(圖1(a))、金魚(圖1(b))；軟體動物門：中華圓田螺(圖1(c))；節肢動物門(昆蟲類)：搖蚊幼蟲(圖1(d))；中華大蟾蜍(圖1(e))；節肢動物門(甲殼類)：大型溞(圖1(f))、青蝦(圖1(g))；綠藻門：四尾柵(圖1(h))。

圖1 大港油田三次采油用聚合物敏感受試物種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對環境生物毒性數據

1.4.1 毒性數據收集

根據大港油區環境生物區系代表物種的選取結果，搜集了從1980年1月1日至2020年12月31日美國EPA毒性數據庫、ECOTOX毒性數據庫、國際農藥行動聯盟農藥數據庫、Web of Science、中國知網等數據庫及文獻庫，共收集到聚丙烯酰胺3門5科5種生物的急性毒性數據，如表1所示，未收集到相關慢性毒性數據。數據篩選時采用了如下統一原則：水蚤或其他枝角類動物的急性毒性值均采用48 h半數致死濃度表示，簡寫為48 h-LC50；其他生物的急性毒性值均采用96 h半數致死濃度表示，簡寫為96 h-LC50；水生藻類采用半數抑制濃度來表示，簡寫為96 h-EC50。

表1 部分水解聚丙烯酰胺的5種環境生物急性毒性數據Table 1 Acute toxicities of five environmental organisms caused by HPAM

由表1可知，目前只收集到5門5科物種的毒性數據，不足以滿足美國、澳大利亞、加拿大和荷蘭等不同國家推導保護水生生物基準最低毒性數據(3門8科)要求。因此需要補充3科生物的急性數據。根據1.2.2節受試生物篩選的結果可知，實驗需補充脊索動物門(兩棲類)的中華大蟾蜍、脊索動物門(魚類) 的斑馬魚和節肢動物門(甲殼類)的大型溞這3種物種的96 h急性毒性數據和相應的慢性毒性數據。

1.4.2 補充環境生物急性毒性數據

3種補充環境生物中華大蟾蜍、斑馬魚和大型溞的受試物種來源及培養條件方法各有不同，具體見表2所示。

表2 部分水解聚丙烯酰胺對3種環境物種的來源及培養條件Table 2 Sources and culture conditions of HPAM for three environmental organisms

將產卵的中華大蟾蜍蝌蚪、斑馬魚幼魚及大型溞暴露于含有不同濃度的部分水解聚丙烯酰胺溶液中，以96 h為1個試驗周期，分別在24、48、72和96 h觀察并記錄各物種的中毒癥狀和死亡情況。實驗結束計算每個濃度部分水解聚丙烯酰胺溶液中不活動或死亡受試物種占試驗物種總數的百分比，用概率單位目測法，獲得不同處理濃度部分水解聚丙烯酰胺溶液在不同觀察階段的累計死亡數和死亡率。受試物種累計死亡率按式(1)計算。

Iy=Y1/Yc×100%

(1)

式中：Y1為死亡的受試物種數量，個；Yc為初始投放的受試物種數量，個；Iy為受試物種累計死亡率，%。

測試終點為急性致死，毒性指標為96 h半數致死濃度(LC50)，用以評價部分水解聚丙烯酰胺對受試物種的急性毒性效應。

1.4.3 3種補充環境生物慢性毒性數據

慢性毒性實驗分為整個生命周期實驗、部分生命周期實驗和早期生命階段實驗，建立在能夠反映待測物質在不同的暴露時間內對物種產生的慢性不利影響的終點之上。因此，在環境生物的慢性毒性實驗中僅可以使用此研究所獲得的數據。

(1)部分水解聚丙烯酰胺對大型溞的慢性毒性實驗方法

大型溞為實驗室培養3代以上的單克隆品系，使用Elendt M4培養基進行培養，用新鮮斜生柵藻作為其唯一食物。實驗前，挑選個體大、懷卵多和游泳能力強的母溞20～30個置于500 mL的燒杯內，喂養21 d，隨機選取小于24 h的非頭胎幼溞用于慢性毒性實驗。大型溞21 d慢性毒性試驗參考OECD標準方法實驗為半靜態實驗，每個濃度的部分水解聚丙烯酰胺溶液中投放10 個母溞，記錄每個大型溞的蛻皮次數、每胎產溞數量及幼溞存活個數(死亡鑒定：搖動玻璃管觀察底部幼溞15 s未能游動即認定死亡)，及時取出新生幼溞，暴露實驗結束時在顯微鏡下測量大型溞體長(不包括尾刺)。

(2)部分水解聚丙烯酰胺對斑馬魚的慢性毒性實驗方法

斑馬魚幼體生存/生長抑制實驗采用生命早期處于指數生長階段的幼魚，根據30 d預測生存毒性計算結果，根據急性毒性實驗結果設置5種部分水解聚丙烯酰胺溶液濃度。暴露28 d后統計存活數，測量幼魚體重，按公式(2)計算幼魚比生長率(SGR)。

(2)

式中：t1、t2分別為實驗開始與結束的時間間隔，d；m1、m2分別為某尾魚在t1、t2時的質量，g。

(3)部分水解聚丙烯酰胺對搖蚊幼蟲的慢性毒性實驗方法搖蚊幼蟲幼體生存/生長抑制試驗采用剛孵化的搖蚊幼蟲，根據急性毒性實驗結果設置5種濃度的部分水解聚丙烯酰胺溶液。暴露10 d后統計存活數量，測量搖蚊幼蟲體重，并按公式(2)計算幼蟲的比生長率(SGR)，其中m1和m2分別表示某搖蚊幼蟲在t1和t2時的質量。

1.5 大港油田三次采油用部分水解聚丙烯酰胺環境基準值推導

研究采用物種敏感度分布法推導在用聚合物環境基準，此方法假設所獲物種的毒性數據為從整個生態系統中所有物種中隨機選取，且假設生態系統中不同物種的毒性數據符合某概率函數。通過數據檢驗和模型擬合，計算出可以保護95%以上物種不受污染物危害的一個推薦濃度限值，具體推導流程如圖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圖2 物種敏感度分布法環境基準推導流程Fig.2 Environmental criteria derivation process of species sensitivity distribution method

2 結果與討論

2.1 3種環境生物急性毒性實驗結果

大港油區補充環境急性毒性實驗結果見表3。由表3可知，三次采油在用聚合物——部分水解聚丙烯酰胺濃度對3種受試物種的急性毒性效應影響很大，96 h中毒癥狀差別較大。3種實驗物種的空白對照組在實驗過程中無異常表現，且由表3得知死亡率均為0，符合US EPA毒理實驗對空白組數據的要求(死亡率小于10%)。實驗開始初期，各濃度組的中華大蟾蜍蝌蚪、斑馬魚幼魚和大型溞在實驗容器底部水層集群游動。隨著實驗時間的延長，中華大蟾蜍蝌蚪、斑馬魚幼魚和大型溞先后出現死亡現象。以斑馬魚為例，具體見圖3。由圖3可知：部分水解聚丙烯酰胺質量濃度在不低于1000 mg/L的高濃度組中的受試物種出現竄游、停游、游動失衡等明顯中毒癥狀，同時出現身體彎曲、畸形，躺臥于實驗容器底部，對應中毒時間分別為48、18和24 h。而部分水解聚丙烯酰胺質量濃度在低于1000 mg/L的低濃度組中的物種，在最初時出現中毒癥狀的時間較遲，且癥狀不明顯，隨著暴露時間的延長，中毒癥狀逐漸明顯。實驗中，中華大蟾蜍蝌蚪、斑馬魚幼魚和大型溞對應的中毒最低部分水解聚丙烯酰胺質量濃度分別為2000、500和1000 mg/L。

表3 三次采油用部分水解聚丙烯酰胺對3類補充物種的96 h環境急性毒性效應實驗結果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

續表

圖3 斑馬魚在部分水解聚丙烯酰胺溶液中急性毒性中毒癥狀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 受試物種中毒癥狀及環境基準毒理數值

采用SPSS 19.0軟件的Probit法計算在用聚合物——部分水解聚丙烯酰胺對中華大蟾蜍、斑馬魚和大型溞的96 h的半數致死濃度LC50及其 95%置信區間，結果見圖4。由圖4可知：部分水解聚丙烯酰胺對中華大蟾蜍急性致死的96 h-LC50為5576 mg/L，其95%置信區間為5312～5776 mg/L。對斑馬魚急性致死的96 h-LC50為1412 mg/L，其95%置信區間為1329～1639 mg/L。對大型溞急性致死的96 h-LC50為1986 mg/L，其95%置信區間為1563～2213 mg/L。結合調研及研究統計，大港油區敏感受試物種急性毒性數據如表4所示。

圖4 大港油田在用部分水解聚丙烯酰胺敏感受試物種半數致死濃度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環境生物急性毒性數據Table 4 Environmental biological acute toxicity data of HPAM used in tertiary oil recovery

2.3 3類補充環境生物慢性毒性實驗結果

計算部分水解聚丙烯酰胺對大型溞、斑馬魚和搖蚊幼蟲生長抑制慢性毒性值，如表5所示。

表5 在用部分水解聚丙烯酰胺對環境生物慢性毒性數據Table 5 Data on chronic toxicity of HPAM to environmental organisms

2.4 急性基準值推導

將用于推導環境基準的毒性數據按照生物種類分別計算各物種平均急性值(SMAV)。將SMAV按照從大到小順序排列，并給其分配等級，最小的等級為1，最大的等級為N(N也為物種數)，如果有2個或以上物種的種平均急性值相等，那么將其任意排成連續的等級，計算每個物種的種平均急性值的累積概率，如公式(3)所示。

P=(1-0.5)/N×100%

(3)

式中：P為累積概率，%；1為物種的等級(無量綱一)；N為物種數，個。

5種不同理論分布模型對種平均急性值SMAV和其累積概率P進行擬合分析，結果如表6所示。由表6可知，Lognormal模型的擬合度最高，評價指標最好，選擇該擬合結果作為推導急性(短期)基準的依據，從而推算出部分水解聚丙烯酰胺對全部數量5%的生物產生危害的濃度HC5為1345.86 mg/L，最終獲得急性(短期)基準值(HC5/2)為672.93 mg/L。

表6 5種不同理論模型擬合的急性SSD曲線及評價指標Table 6 Acute SSD curves and evaluation indicators fitted by five different theoretical models

2.5 慢性基準值推導

慢性基準值推導有2種可選方法，當有足夠多慢性毒性數據用于擬合模型時，可使用與急性基準值同樣的方法得出；若不能使用模型擬合，則使用急性毒性數據得到的HC5除以最終急/慢性比率幾何平均值FACR獲得慢性基準值，這里FACR為至少3個物種的急/慢性比率ACR的幾何平均值，其中，ACR指某一物種的急性基準值除以慢性基準值的商值。由于筆者所收集到的慢性毒性數據較少，因此采用第2種最終急/慢性比率法推導慢性環境基準值。即首先得出3種受試物種的急/慢性比率ACR，再計算平均值得到FACR，最終依據急性毒性數據的HC5推導出慢性基準值，見表7。

表7 在用部分水解聚丙烯酰胺環境生物急/慢毒性比統計Table 7 Statistics of the ratios between the acute and chronic toxicity of environmental organisms in HPAM

由表7可知，部分水解聚丙烯酰胺的最終急/慢性比率為9.98，因此得出其慢性環境基準=急性環境基準/FACR=672.93 mg/L/9.98=67.43 mg/L。

3 結 論

(1)篩選出了適合大港油田部分水解聚丙烯酰胺毒性基準值推導的“3門8科”水生物種，通過檢索國內外毒理數據庫與補充毒理實驗，獲得了可用于基準推導的“3門8科”水生物種急、慢性毒性數據。

(2)利用物種敏感度分布曲線法推導出大港油田在用部分水解聚丙烯酰胺的急性環境基準值為672.93 mg/L，并通過計算得出急慢性毒理數據比為9.98，慢性環境基準值為67.43 mg/L，作為化學驅油用劑使用環境風險較低。

(3)大港油田目前采油井產出液中檢測聚合物(部分水解聚丙烯酰胺)平均質量濃度低于50 mg/L，遠低于環境基準急慢性值，因此大規模工業化應用不會對油田礦區產生較大的安全風險。